活性木炭材料及生物耦合炭對植物生長的影響

余仲東，任爭爭，彭少兵，張 帥

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 理學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

近年來，過度耕種和不合理的施肥及灌溉，土壤鹽、堿化趨勢明顯，部分地區(qū)土壤pH值高達(dá)10以上，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來一定危害。一些老的瓜果園，植物化感作用亦十分明顯，連作障礙突出[1]。生物活性木炭類材料，因具有表面積大、吸附性好、對環(huán)境無二次污染、減少CO2排放、容易制備等特點(diǎn)[2-5]，在鹽堿土改良、土壤衰退病控制及土壤污染治理等方面顯示出卓越性能，日本、美國等發(fā)達(dá)國家，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中活性炭、活性木炭等炭材料已有廣泛應(yīng)用，并取得較好成就[2]。為研究黃土高原地區(qū)土壤改良用材料和方法，2009年起，本課題組引進(jìn)和自制了多種活性炭、活性木炭及微生物耦合劑，進(jìn)行了多年的室內(nèi)和田間實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與方法

1.1.1 炭材料 包括2種活性木炭和1種活性炭，均從日本引進(jìn)。各炭材料制備原料、種類和劑型見表1。

表1 供試的幾種炭材料

1.1.2 土壤 供試土壤來自陜西關(guān)中楊凌地區(qū)典型的3中土壤利用類型[6]，見表2。其中農(nóng)耕土，隨機(jī)取自土壤表層下3～10 cm 深。桃園土來自25年生桃園，供試土壤為表層下1～10 cm深土壤。雪松林下土采自校園40年生雪松林下，去除腐殖質(zhì)層后取土壤層1～5 cm深土壤。所有土壤約2 kg，風(fēng)干后研細(xì)過篩備用。

表2 土壤理化性質(zhì)

1.1.3 種子 生菜種子、小麥種子由楊凌金種子公司提供。小麥種子為當(dāng)?shù)刂髟云贩N小堰6號。

1.1.4 儀器 WD800CTL20-K4C型微波爐，格蘭仕公司制造；300型TDR儀，美國SPECTRUM公司； 6孔平底形植物培養(yǎng)盒：大連市博勵生物科技有限公司；721型分光光度計，上海昂拉；水浴恒溫震蕩培養(yǎng)器，常州恒德。

1.1.5 內(nèi)生細(xì)菌(Bacillussp.) 分離自陜北榆林地區(qū)沙柳(Salixcheilophila)。將細(xì)菌單菌落轉(zhuǎn)入LB液體培養(yǎng)基中(胰蛋白胨11 g/L,酵母膏4 g/L，氯化鈉5 g/L，用水定容至1 L)，27 ℃振蕩培養(yǎng)。用分光光度計在600 nm波長測定菌懸液濃度。

1.2 土壤化感效應(yīng)及與活性木炭交互作用的生物測定

采用“三明治法”進(jìn)行室內(nèi)測定[7], 即將低熔點(diǎn)瓊脂糖水溶液介質(zhì)5 mL(熔點(diǎn)31～32 ℃，Promerge公司產(chǎn)品)按質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.75%融化后分別加入植物培養(yǎng)盒的6個培養(yǎng)孔中,以保持濕度和排除培養(yǎng)孔中氣體。待冷卻平整后，每孔加入3 g拌有0.3 g活性木炭材料的土壤，再在土壤上面加入5 mL瓊脂糖，待其冷卻平整后，每孔再均勻放置5粒生菜種子，每個培養(yǎng)盒中設(shè)兩個對照孔，一個為陽性對照孔，為不加活性木炭加土壤(以CK1計生物測定量)；另一個為陰性(空白)對照孔，不加活性木炭和不加土壤(以CK2計生物測定量)。炭土按3×3組合，每個組合3個重復(fù)孔，共27個處理孔和18個對照孔。培養(yǎng)孔填好后，蓋上蓋子密封，黑暗中恒溫(25 ℃)培養(yǎng)3 d，取出后，小心將種苗拔出，在對數(shù)紙上放好后測量其胚根、胚軸長度，取每種處理種苗總平均長度值備用。

按下列公式[2,7]計算土壤化感作用率(RS)、炭土作用率(RCS)和凈炭作用率(RC)。

RS=(LCK1-LCK2)/LCK1×100%

RCS=(LCS-LCK2)/LCK2×100%

RC=(RCS-RS)/|Rs|×100%

式中：LCK1—陽性對照(培養(yǎng)盒中加土不加炭)作用下胚軸、胚根長度，mm；LCK2—陰性對照(培養(yǎng)盒中不加土不加炭)作用下胚軸、胚根長度，mm；LCS—炭土作用下胚軸、胚根長度，mm。

1.3 生物耦合炭制備

1.3.1 制備過程 將杉木活性炭在微波爐中加熱控溫至30、 37、 40、 45、 50 ℃，再將發(fā)酵后的細(xì)菌懸液(Bacillussp.，濃度5×106個/mL)迅速倒入活性木炭中分別熱耦合10、 20、 30、 40、 50 min。細(xì)菌懸液以剛好浸泡木炭為止。熱耦合后，將耦合炭在27 ℃恒溫培養(yǎng)1 d后備用。

1.3.2 檢測過程 稱取1 g生物耦合炭，浸泡在5 mL的無菌水中1 h，搖勻后取浸泡液1 mL，用分光光度計在波長600 nm下測定浸泡液中細(xì)菌濃度,以LB空白液調(diào)零。此過程中，以光學(xué)顯微鏡輔助觀察木炭表面細(xì)菌和芽孢數(shù)量。取濃度最大者為最佳耦合條件，并做小麥生長測定。

1.4 生物耦合炭對冬小麥生長的影響

將采集的農(nóng)耕土風(fēng)干后研細(xì)過篩，按每培養(yǎng)缽1 250 g稱量，按1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入食鹽，并分別加入質(zhì)量為0(對照)、 1、 3和6 g待測生物耦合炭，做3個重復(fù)樣，充分混勻后裝入培養(yǎng)缽，每缽插孔，均勻播種20粒小麥種子，定時澆水，溫室中25 ℃恒溫光照培養(yǎng)。待出苗后測量發(fā)芽率(出苗小麥粒數(shù)/20×100%)，10 d后測生長高度(cm),20 d后收割測生物量(g)。生物量測定僅取地上部，用剪刀在地莖處將小麥剪斷，立即稱量。用軟件SPSS統(tǒng)計分析各處理差異。第一次澆足水后10 d，用300型TDR儀(按說明書操作)測定土壤保水能力，以土壤氣孔容重水量體積分?jǐn)?shù)表示，測定土壤毛細(xì)管中含水量體積占毛細(xì)管總體積的百分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤化感效應(yīng)及與活性木炭交互作用生物測定結(jié)果

將每處理3孔共15顆生菜種苗測量胚軸、胚根后，取測量均值，見表3。按公式計算后得土壤化感作用率、炭土作用率及凈炭作用率，見表4。

由表3可見，炭土交互作用后種苗總平均胚軸長20.3 mm，胚根平均長30.2 mm，均較陽性對照值的17.4和25.5大。3種利用型的土壤對生菜胚根都有化感抑制作用，桃園土胚根化感作用率達(dá) -40.7%，農(nóng)耕土為-27.5%，雪松林下土為-16.5%。農(nóng)耕土和雪松土促進(jìn)胚軸生長，分別達(dá) 15.6%、 2.9%；但桃園土對胚軸生長有一定的抑制作用(-12.8%)。

加入炭材料后，土壤化感作用率得到抑制，凈炭作用率多大于零，椰殼活性炭對桃園土胚軸凈炭作用率達(dá)230.5%、杉木活性炭對雪松林下土胚軸生長凈炭作用率達(dá)627.6%，但酸性土壤加入酸性的石炭后對胚軸卻有一定的抑制作用，凈炭作用率為-120.7%。杉木活性炭對桃園土胚根凈炭作用率最大106.1%，其次是椰殼活性炭對桃園土胚根凈炭作用率102.2%，杉木活性炭對農(nóng)耕土胚根凈炭作用率90.9%，以杉木活性炭效果最為穩(wěn)定，胚根生長最好。

本研究中活性石炭pH值6.91，對堿性土壤改良效果比較明顯，但對酸性的雪松林下土，活性石炭對生菜胚軸的生長卻表現(xiàn)出抑制作用，可能與生長環(huán)境酸度過高有關(guān)系[8]。老桃園土通常存在比較嚴(yán)重的化感作用[9-10]，導(dǎo)致果園衰退并對其他植物的生長有一定的影響，研究表明，3種活性木炭對桃園土均有改良作用，其中椰殼活性炭、杉木活性炭效果較明顯，尤其在促進(jìn)根向下生長方面效果較好，可以避免表層土壤化感物質(zhì)的抑制，同時富集周圍的N、 P、 K，供給植物生長。在農(nóng)耕土和桃園土處理中，加活性木炭的生菜種苗均較相應(yīng)陽性對照組(沒加活性木炭、加土壤)，無論胚軸胚根均生長更好。所有加木炭處理組生菜種苗胚根生長多不如陰性對照組(不加炭不加土)的胚根，但胚軸的生長卻有差異，表明在胚萌發(fā)期間，除種子自身營養(yǎng)外，環(huán)境水分起主要作用，其次是環(huán)境中養(yǎng)分。本實(shí)驗(yàn)中供試種子遺傳種質(zhì)基本一致，在無水分脅迫下，木炭有可能在養(yǎng)分富集方面起到更大的作用，因而在不同的土壤利用型中發(fā)揮改良作用。

表3 生物測定結(jié)果

表4 炭土交互作用率

表5 不同溫度和處理時間下浸泡液的吸光值

2.2 杉木耦合炭的制備條件探討

篩選杉木活性炭作為耦合劑載體。耦合溫度高于45 ℃處理10 min以上，木炭表面見不到細(xì)菌個體，浸泡液在波長600 nm下吸光值接近0，見表5。溫度過高可能直接殺死了細(xì)菌，無細(xì)菌從木炭表面游離到水中。40 ℃以下的幾個溫度的不同耦合時間，均可以測得浸泡液吸光值，但以杉木活性炭在 40 ℃下耦合30 min為最大值。在該條件下，木炭載體表面布滿豐富的細(xì)菌個體，且有較高的存活率， 27 ℃培養(yǎng)1 d，木炭表面細(xì)菌能夠得到大量繁殖并產(chǎn)生大量芽孢。自然干燥后，細(xì)菌及芽孢在木炭表面休眠，可以長期保存?zhèn)溆谩?/p>

2.3 杉木耦合炭對小麥生長的影響

杉木耦合炭對小麥高度均有顯著的促進(jìn)作用,以3 g處理組最為明顯,促進(jìn)率達(dá)37.3%。對生物量的影響差異不是很明顯，以6 g處理組效果最顯著，生物量促進(jìn)率達(dá)18.8%，1 g和3 g處理組生物量較對照無差異,見表6。從生長狀況觀察，3 g處理組小麥萌發(fā)和前期生長都比較迅速，但后期葉色顯黃，植株纖弱。6 g處理組小麥萌發(fā)率和前期生長比較緩慢，但后期葉色深綠，植株健壯，單株生物量最高。土壤容重水表明，土壤炭含量越高，土壤持水能力越強(qiáng)，以對照含水量最低，6 g處理組最高。6 g處理組在小麥生長方面效果優(yōu)良。

活性木炭具有較強(qiáng)的吸附能力和微孔結(jié)構(gòu)，可以修復(fù)土壤碳平衡,改善土壤微生物活性[9,11],促進(jìn)土壤陽離子交換[12]，調(diào)節(jié)土壤N2O釋放[13]，富聚周邊水分和礦質(zhì)營養(yǎng)，緩沖土壤環(huán)境的極大變化，有利于菌根菌及其他根際微生物的生長，從而促進(jìn)植物的生長[7,11-12,14]。本研究中的內(nèi)生細(xì)菌Bacillussp.分離自陜北毛烏素地區(qū)沙柳，對高鹽濃度土壤和低水環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，并可為植物抗逆生長提供幫助。本試驗(yàn)表明，較高劑量的耦合炭在小麥生物量和土壤持水能力方面有顯著影響，即使低劑量使用耦合炭，在促進(jìn)小麥幼苗高度生長方面也有顯著的影響。

表6 耦合炭對小麥生長的影響

3 結(jié) 論

3.1 選用活性石炭、椰殼活性炭和杉木活性炭3種活性木炭與楊凌地區(qū)3種不同利用型土壤(農(nóng)耕土、雪松林下土和桃園土)組合測定生菜種苗萌發(fā)情況。結(jié)果表明，3種類型的土壤對生菜胚根生長均有一定的化感抑制作用?；钚阅咎考疤客两换プ饔脤ι松L影響差異顯著。3種活性木炭對楊凌3種土壤均有改良作用，以杉木活性炭對農(nóng)耕土壤和老桃園土壤改良效果最明顯，胚軸/胚根凈炭作用率分別為178.8%/90.9%、 178.9%/106.1%。酸性的活性石炭對酸性的松林下土壤改良效果不明顯，胚軸凈炭作用率為-120.7%。

3.2 杉木活性木炭與內(nèi)生細(xì)菌Bacillussp.在40 ℃熱耦合30 min后，在27 ℃恒溫培養(yǎng)1 d，可以得到優(yōu)良的耦合碳，耦合的細(xì)菌數(shù)量最大，并可長期保存。

3.3 生物耦合炭在保持土壤水分、抵抗土壤鹽堿害、促進(jìn)小麥生長方面效果顯著。1 250 g農(nóng)耕土，按1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入食鹽，加入3 g耦合炭處理組10 d高度生長促進(jìn)率最大(37.3%,α=0.05)，加入6 g耦合炭處理組20 d后生物量促進(jìn)率最大(18.8%,α=0.05)，10 d后土壤含水量最大。本試驗(yàn)范圍內(nèi)， 6 g 耦合炭處理組對小麥生長促進(jìn)效果最好。

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