功能微生物與生物炭對海濱錦葵生長及濱海鹽土地力的影響

趙 飛，劉 暢，朱昌玲，張煥仕

（中華全國供銷合作總社南京野生植物綜合利用研究所，江蘇 南京 211111）

我國分布有總面積約計(jì)9.9×107hm2的鹽堿地［1］，其有機(jī)質(zhì)及有效磷含量極低，磷素主要以磷灰石的形態(tài)存在，難以被植物吸收利用［2-3］，如何改良濱海鹽堿土并提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，對我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

近年來生物措施和技術(shù)在土壤鹽堿障礙治理中的重要性不斷提高，在鹽堿化土壤中種植耐鹽植物，其生物產(chǎn)量與改良效果直接成正比，有助于恢復(fù)土壤的正常生產(chǎn)力［4-5］。海濱錦葵（Kosteletzkyavirginica）是錦葵科錦葵屬草本植物，具有很強(qiáng)的耐鹽性，在含鹽率5‰的條件下依然保持較高的出芽率和結(jié)實(shí)率。它不但具有較高的經(jīng)濟(jì)價值，還能夠提高鹽堿土壤的通氣性、透水性及有機(jī)質(zhì)含量，這對改善濱海鹽土的生態(tài)條件，促進(jìn)鹽堿地生態(tài)修復(fù)具有重大意義［6-8］。與此同時，土壤微生物被認(rèn)為是最敏感的土壤質(zhì)量生物學(xué)指標(biāo)，且其中的功能微生物可直接參與或與植物協(xié)同促進(jìn)鹽堿土壤地力的改良進(jìn)程［9-11］。溶磷微生物能夠?qū)⒅参镫y以吸收利用的磷轉(zhuǎn)化為易于被吸收利用的有效磷，從而提高土壤的供磷水平［12-14］。鹽堿化土壤特殊的理化性質(zhì)可能會導(dǎo)致傳統(tǒng)非土著溶磷微生物的定殖能力、競爭力及溶磷能力降低和退化［15］。因此，土著耐鹽堿溶磷真菌對于提高鹽堿土壤磷素利用率具有重要意義［16］。AMF 分布廣泛，是土壤生物重要的功能組分，具有促進(jìn)植物對磷等礦質(zhì)元素的吸收［17］、提高植物抗逆（如鹽堿、干旱脅迫）能力［18-19］、增加作物產(chǎn)量及改善果實(shí)品質(zhì)等作用［20-21］，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有重要應(yīng)用前景［22-23］。除生物措施之外，化學(xué)措施通過向土壤中添加改良劑，改善土壤營養(yǎng)狀況及土壤結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到土壤改良目的［10］。生物炭因其結(jié)構(gòu)和功能特性在鹽堿土壤改良培肥方面效果顯著［24］。生物炭是有機(jī)質(zhì)在缺氧環(huán)境下經(jīng)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化而成的多孔含碳固體，具有適于在環(huán)境中長時間穩(wěn)定貯存碳的物理化學(xué)性質(zhì)［25］。在鹽堿土壤中加入生物炭，不僅可以調(diào)節(jié)鹽基離子濃度和pH值，而且能夠顯著提高土壤中微生物的活性及多樣性，進(jìn)而可強(qiáng)化生物抗鹽和生物凈化的能力［24］。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了諸如水利改良、生物改良、農(nóng)業(yè)改良、化學(xué)改良等多種改良方法，且各有優(yōu)缺點(diǎn)。如化學(xué)措施見效快，但容易引入新的離子造成二次污染，生物措施環(huán)保性能好，但見效較慢等［10］。

目前的鹽堿地治理上仍然存在措施單一，只洗鹽、不培肥，重工程、輕生態(tài)的現(xiàn)象，難以實(shí)現(xiàn)鹽堿地長效生態(tài)改良與可持續(xù)性發(fā)展，并未從根本上解決鹽漬化問題［1］。濱海鹽土由于鹽堿化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱和土壤營養(yǎng)元素的嚴(yán)重匱乏決定了治理技術(shù)必然從單一向綜合治理體系發(fā)展。因此，將鹽堿地化學(xué)調(diào)理改土與生物生態(tài)修復(fù)相結(jié)合，創(chuàng)建一套環(huán)境友好、生態(tài)高效的綜合改良方法對濱海鹽土地力提升及其可持續(xù)性利用具有重要價值和意義。本文分析了應(yīng)用化學(xué)改良劑（生物炭）、植物改良（海濱錦葵）及微生物改良（叢枝菌根真菌和解磷真菌）單一及復(fù)合措施等方法對江蘇沿海濱海鹽土改良效果的影響，以期為濱海鹽土的生態(tài)高效改良及新型微生物接種劑的研制提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試土壤

本試驗(yàn)盆栽用土是2014 年10 月采自江蘇省大豐市金海農(nóng)場野外試驗(yàn)基地（32°59′N，120°46′E）的濱海鹽土，其基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試鹽土基本理化性質(zhì)

1.1.2 供試種子

本試驗(yàn)所用鹽生植物種子為2014 年10 月采自大豐市金海農(nóng)場野外試驗(yàn)基地的成熟海濱錦葵種子。

1.1.3 供試菌種及生物炭

本試驗(yàn)所采用AM 真菌為蘇格蘭球囊霉（Glomus caledonium）、光壁無梗囊霉（Acaulospora laevis）和摩西球囊霉（Glomus mosseae）混合菌種。接種AM 真菌是以高粱為宿主擴(kuò)繁6 個月獲得的包括孢子、菌絲、侵染根段等侵染體的砂質(zhì)土壤（含菌量約為952 個孢子·20 mL-1）。解磷真菌為鱗質(zhì)霉菌（Apophysomycessp.）菌株SM-1，分離自鹽城國家級珍禽自然保護(hù)區(qū)互花米草灘涂土壤（保藏號:CGMCC No.7717）。SM-1 菌劑為液體菌劑，參照Zhang 等［26］的方法制備。將部分AM 真菌與SM-1菌劑分別采用121℃間歇滅菌30 min 2 次備用。生物炭為海濱錦葵秸稈晾干后，在450℃下高溫厭氧熱解6 h 后制備而成，其基本理化性質(zhì)為:容重0.57 g·cm3，含水率38.80%，pH 值 7.51，總氮3.57 g·kg-1，有效磷160.07 mg·kg-1，總有機(jī)碳52.47 g·kg-1。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)8 個處理（表2），每處理3 個重復(fù)，共24 盆，隨機(jī)區(qū)組排列。

表2 盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)

海濱錦葵種子用5%的次氯酸鈉溶液浸泡10 min 后用無菌蒸餾水沖洗。未滅菌的鹽土與蛭石按照3∶1 的質(zhì)量比充分混合，每盆（18 cm×21.5 cm）添加鹽土與蛭石的混合物1 kg 作為基質(zhì)。按表2中不同處理各添加AM 真菌菌劑10 g（含菌量約為952 個孢子·20 g-1），AM 滅菌菌劑10 g，SM-1 菌劑10 mL （含菌量約為6.7×108CFU·mL-1），SM-1滅菌菌劑10 mL，生物炭10 g，濱海鹽土10 g。添加變量后土壤需充分混勻。每盆播種3 ～4 粒海濱錦葵種子，待種子長出兩片真葉后每盆定苗3 株。光照培養(yǎng)箱每天光照16 h，溫度控制在白天28℃，夜晚18℃，相對濕度為65%～85%，每隔3 d 每盆澆自來水20 mL。60 d 之后，把整個植株從塑料盆中提取出來，輕輕晃動根部并用培養(yǎng)皿收集抖落土壤，室溫下風(fēng)干待用。

1.2.2 土壤理化性質(zhì)測定

參照文獻(xiàn)［27］對供試土壤進(jìn)行理化性質(zhì)測定。土壤pH 值測定:1∶2.5 土水比水浸提法測土壤pH 值。土壤含水量:烘干法。土壤養(yǎng)分含量測定:重鉻酸鉀容量法測有機(jī)碳；堿解擴(kuò)散法測堿解氮；碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測有效磷。

1.2.3 海濱錦葵生長情況的測定

將植株根部用流水清洗干凈后測量其株高、主根長和根粗。將植物的根和莖葉剪開，于80℃烘箱中烘干至恒重，分別測定地上部（莖葉）和地下部（根）的干重。

1.2.4 AM 菌根侵染率測定

AM 真菌侵染率測定:剪取約1 cm 長植株須根若干置入試管中，采用Phillip 等［28］的方法，用10% KOH 軟化須根，90℃水浴1 h，漂洗數(shù)次后用酸性品紅乳酸溶液染色，90℃水浴0.5 h。用乳酸甘油清洗后置于載玻片上，壓片鏡檢。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析

本研究所取得的數(shù)據(jù)采用軟件SPSS 19.0 中的單因素方差分析（ANOVA）進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，利用Duncan 新復(fù)極差法檢驗(yàn)處理間差異的顯著性水平（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 功能微生物及生物炭的投入對海濱錦葵根際土壤肥力的影響

2.1.1 土壤pH 值

由圖1 中數(shù)據(jù)可知，種植海濱錦葵能夠顯著降低供試鹽土的pH 值。60 d 后，CK 處理根際土壤pH 值為7.68 ～8.03，添加變量的試驗(yàn)組根際土壤pH 值均顯著低于CK 組（P＜0.05），其中AM+BC處理中根際土壤pH 值最低，為7.6 ～7.68，較CK處理的pH 值降了0.35 ～0.43 單位。相比較而言，除BC 處理的土壤pH 值較高之外，各試驗(yàn)組之間pH 值的差異并不顯著（P＞0.05）。

圖1 不同處理的土壤pH 值

2.1.2 土壤含水量

由圖2 中數(shù)據(jù)可以看出，種植海濱錦葵60 d后，CK 處理根際土壤含水量為7.53%，除All 處理（6.88%）外，其余添加變量的試驗(yàn)組中根際土壤的含水量比CK 組均有不同幅度地提升。其中SM、BC、SM+BC 和AM+SM 處理土壤含水量提升幅度顯著（P＜0.05），較CK 處理分別提高了31.47%、90.70%、71.98%和91.23%。

圖2 不同處理的土壤含水量

2.1.3 土壤有機(jī)碳

由圖3 中數(shù)據(jù)可知，種植海濱錦葵能夠加速供試鹽土有機(jī)碳的積累，且添加變量的試驗(yàn)組土壤的有機(jī)碳含量均高于CK 組。BC、AM+SM 及All處理中土壤有機(jī)碳含量較CK 處理依次顯著增加25.00%、27.78%和58.33%（P＜0.05）。 其 中，BC處理土壤有機(jī)碳含量高于AM+BC 和SM+BC 處理，AM+SM 處理土壤有機(jī)碳含量高于AM 及SM 處理，可見，聯(lián)合接種AMF 與解磷真菌對鹽土有機(jī)碳的累積效果優(yōu)于單獨(dú)接種AMF 和解磷真菌。All 處理有機(jī)碳含量最高，達(dá)26.14 g·kg-1。

圖3 不同處理的土壤有機(jī)碳含量

2.1.4 土壤堿解氮

由圖4 中數(shù)據(jù)可以看出，種植海濱錦葵能夠提升供試土壤堿解氮含量，且添加生物炭的試驗(yàn)組土壤堿解氮含量均高于CK 組，BC、AM+BC、SM+BC 處理土壤中堿解氮含量分別為64.75、64.63和65.22 mg·kg-1，分別比CK 處理提高了3.15%、2.49%和3.90%（P＞0.05）。外 源 功 能 微 生 物 的接種亦能提高鹽土中堿解氮的含量，但差異不顯著（P＞0.05），同 時AM+BC 及SM+BC 處 理 中 土壤堿解氮含量又高于AM 及SM 處理，說明生物炭添加對鹽土堿解氮含量的提升效果優(yōu)于功能微生物的接種。All 處理土壤堿解氮含量最高，達(dá)65.8 mg·kg-1。

2.1.5 土壤有效磷

由圖5 可知，種植海濱錦葵能夠顯著提高供試鹽土中有效磷含量，且所有添加變量的試驗(yàn)組中土壤有效磷含量均顯著高于對照組（P＜0.05），提高幅度達(dá)8.43%～23.09%。AM 及SM 處理對鹽土有效磷含量的提升效果相當(dāng)，其土壤有效磷含量分別達(dá)到15.74 和15.88 mg·kg-1，而聯(lián)合接種AM+SM處理的土壤有效磷含量達(dá)到16.66 mg·kg-1，高于單獨(dú)接種，但差異不顯著（P＞0.05）。這說明混合接種并沒有比單獨(dú)接種更能提升土壤有效磷含量。相較于接種功能微生物而言，添加生物炭的各試驗(yàn)組對鹽土中有效磷含量的提升幅度略低，但差異不顯著。AM+BC 處理土壤有效磷含量高于AM 和BC處理，說明生物炭的添加能夠促進(jìn)AM 真菌提升鹽土有效磷含量。All 處理中土壤有效磷含量最高，達(dá)17.38 mg·kg-1。

圖4 不同處理的土壤堿解氮含量

圖5 不同處理的土壤有效磷含量

2.2 海濱錦葵根際AM 菌根侵染率

供試AM 真菌對海濱錦葵根系的成功侵染是其發(fā)揮促生和改善其磷素營養(yǎng)的前提條件。供試AM真菌能夠成功侵染海濱錦葵根系，AM、AM+BC、AM+SM 和All 處理的海濱錦葵根系中均能夠觀察到叢枝菌根的存在，但AM 真菌的分布則有顯著差異。AM+BC 處理海濱錦葵根系中AM 菌根侵染率為52.60%，AM+SM 處理海濱錦葵根系中AM 菌根侵染率為47.20%，均高于AM 處理的38.70%，其中All 處理海濱錦葵根系中菌根侵染率最高，達(dá)56.00%。

2.3 海濱錦葵的生物量

如表3 所示，所有添加變量的試驗(yàn)組海濱錦葵的株高、主根長、主根粗、地下部干重以及地上部干重?cái)?shù)據(jù)均高于對照。除主根粗之外，接種功能微生物的處理中海濱錦葵株高、根長、地上部干重及地下部干重均高于添加BC 處理，其中AM+SM 處理的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均高于AM 和SM 處理。生物炭與功能微生物聯(lián)合接種試驗(yàn)結(jié)果表明，AM+BC 處理中海濱錦葵株高、主根長、主根粗、地上部干重及地下部干重均高于SM+BC 處理。All 處理海濱錦葵植株的株高、主根長、主根粗、地上部干重以及地下部干重均顯著高于其他處理（P＜0.05）。

表3 不同處理的海濱錦葵生物量

3 討論

耐鹽植物種植能夠顯著降低鹽堿地pH 值和全鹽含量，改善鹽堿地土壤微環(huán)境［29］。本研究選用江蘇沿海地區(qū)典型濱海鹽土，種植耐鹽先鋒植物海濱錦葵并施加叢枝菌根真菌、解磷真菌及生物炭，探討功能微生物及生物炭對濱海鹽土養(yǎng)分含量及耐鹽植物生長的影響。

3.1 生物炭對海濱錦葵生長及濱海鹽土地力的影響

近年來，生物炭在農(nóng)業(yè)固碳、土壤培肥及土壤改良等領(lǐng)域被廣泛關(guān)注［30-31］。在不同土壤條件下，不同類型生物炭對土壤的改良效果及作物產(chǎn)量影響差異較大［32-33］。施用生物炭能夠顯著提高大豆和水稻產(chǎn)量，但對玉米的生長及養(yǎng)分吸收并沒有明顯的促進(jìn)作用［34］。因此，生物炭對土壤的改良效果及對作物生長、養(yǎng)分吸收的影響仍存在爭議。

本試驗(yàn)研究結(jié)果證明，種植海濱錦葵能夠降低濱海鹽土的pH 值，而施加生物炭的處理土壤pH值下降幅度較小，這歸因于生物炭本身所含有的Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子在水土的交融作用下會有一定的釋放，這些離子可以交換土壤中的H+和Al3+，從而提高土壤pH 值［35］。生物炭亦能提高土壤含水量，這是由于生物炭較高的孔隙度和表面面積會使土壤水分的滲透模式、停留時間和流動路徑發(fā)生改變，進(jìn)而提高土壤的田間持水量［36］。本試驗(yàn)中，All 處理土壤含水量最低，這可能是由于該處理中植株長勢最好，生物量最大，因此植株葉片的蒸騰作用也最強(qiáng)，從而間接導(dǎo)致了該處理中土壤含水量的降低。添加生物炭還顯著提高了供試鹽土中有機(jī)碳、堿解氮及有效磷的含量。這是因?yàn)樯锾烤哂休^大的比表面積，可以吸附多種離子，有效促進(jìn)土壤中養(yǎng)分的滯留，進(jìn)而起到固碳、貯存養(yǎng)分、提高土壤肥力的作用［25］。因此，在本試驗(yàn)中生物炭的添加明顯促進(jìn)了海濱錦葵的生長，除去地上部干重外，施加生物炭處理中的海濱錦葵株高、主根長、主根粗及地下部干重較對照組均有不同程度的增加。

3.2 功能微生物對海濱錦葵生長及濱海鹽土地力的影響

耐鹽真菌能夠顯著降低鹽堿土壤pH 值［37］，且在鹽堿生境中鹽生植物對AM 真菌群落的依賴性也較大［22］。因此，將功能微生物菌劑與耐鹽植物配合使用對鹽土改良具有重要的意義。

本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，添加SM-1 及AMF 能夠顯著降低供試土壤的pH 值以保護(hù)植物根系免受高pH 值的影響，緩解鹽堿脅迫對植物生長的毒害作用，同時提高供試土壤含水量及養(yǎng)分含量，進(jìn)而促進(jìn)植物生長，與前人研究結(jié)果一致［26，37-38］。因此，在鹽堿脅迫條件下，本試驗(yàn)中SM-1 及AMF處理中海濱錦葵的植株株高、主根長、主根粗、地上部干重及地下部干重較對照均有顯著地增加。

3.3 生物炭與功能微生物聯(lián)合施用對海濱錦葵生長及濱海鹽土地力的影響

目前關(guān)于單一添加菌劑對作物生長及鹽堿土改良的影響研究較多，如添加微生物菌劑能增加燕麥、紫花苜蓿等的生物量［39-40］，但關(guān)于生物炭與菌劑聯(lián)用對鹽土養(yǎng)分含量及耐鹽植物生長的影響研究較少。本試驗(yàn)結(jié)果表明，施用生物炭和功能微生物均能在一定程度上提高濱海鹽土的有機(jī)碳、堿解氮、有效磷含量。其中生物炭對濱海鹽土中養(yǎng)分含量的增加效果較好，功能微生物對海濱錦葵的促生效果更佳，而兩者聯(lián)合施用對濱海鹽土養(yǎng)分含量提升和海濱錦葵促生效果最佳。這可能是由于鹽土中添加的功能微生物菌劑能夠與生物炭相互作用，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機(jī)質(zhì)，同時也促進(jìn)了土壤有效態(tài)氮、磷的釋放，起到培土增肥的作用，從而改變了耐鹽堿植物的根系環(huán)境，提高其耐鹽堿能力，最終促進(jìn)了植株的生長發(fā)育［11］。

4 結(jié)論

室內(nèi)盆栽條件下，蘇格蘭球囊霉（G. caledonium）、光壁無梗囊霉（A. laevis）和摩西球囊霉（G. mosseae）的混合菌劑能夠在鹽堿脅迫下成功地定殖并侵染海濱錦葵根系，解磷真菌Apophysomycessp. SM-1 及生物炭的添加更能夠提高其侵染率，進(jìn)而促進(jìn)菌根的形成。

AMF 與SM-1 單獨(dú)及聯(lián)合接種均能夠顯著促進(jìn)濱海鹽土土壤pH 值的降低及土壤含水量與有效磷含量的提高，但對土壤有機(jī)碳及堿解氮含量的提升效果不顯著。生物炭對濱海鹽土pH 值的降低效果低于功能微生物，但對濱海鹽土有機(jī)碳及堿解氮含量的提升效果較好。

功能微生物及生物炭均能夠促進(jìn)鹽堿脅迫下海濱錦葵的生長，其中功能微生物對海濱錦葵的促生效果優(yōu)于生物炭，且AM 真菌和解磷真菌的混合接種比單獨(dú)接種更有利于海濱錦葵的生長。生物炭與功能微生物聯(lián)合施用對鹽土地力提升的效果最為明顯，對海濱錦葵的促生作用亦是最佳，因此可為鹽土生物調(diào)理劑的研制提供優(yōu)良的基質(zhì)及微生物種源。