生物炭載Bacillus subtilis菌粒對連作芹菜生長的影響

摘 要：為解決土壤連作障礙對蔬菜生長發(fā)育的不利影響，本研究以連作3年的芹菜土壤為研究對象，采用隨機區(qū)組試驗，設置5種處理：單獨施加生物炭（BC）、單獨施加Bacillus subtilis 菌劑（BS）、生物炭與菌劑混合施加（BB）、施加生物炭載B. subtilis菌粒（BP）、不施加生物炭與菌劑（CK），盆栽種植芹菜，測定其生長與品質指標，探究生物炭和B. subtilis對連作芹菜生長的影響。結果表明，BB、BP處理組芹菜的生長和品質指標都高于其他土壤處理組，BP處理組的芹菜鮮質量、可溶性蛋白含量以及纖維素含量均顯著高于BB處理組，分別為60.25 g/棵、27.25 mg/g、2.48%，其他指標兩處理間無顯著差異。不同土壤處理組芹菜的生長和品質指標都高于CK處理，其中BP處理組各指標值最高，尤其是芹菜鮮質量，增幅高達226.56%。因此，施加生物炭載B. subtilis菌粒提高了連作芹菜生長指標與品質，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上緩解蔬菜連作障礙奠定了理論基礎。

關鍵詞：生物炭載Bacillus subtilis菌粒；連作障礙；芹菜；生長指標；品質

中圖分類號：S5-33 文獻標志碼：A 文章編號：1008-1038（2024）10-0052-05

DOI：10.19590/j.cnki.1008-1038.2024.10.010

Effect of the Pellets of Bacillus subtilis Inoculated Biochar on the Growth of Continuous Cropping Celery

GU Jinxin MENG Xue FU Weiqiao LIU Jinya GUO Aiying JI Zhixin

（1. College of Agronomy and Biotechnology， Hebei Normal University of Science & Technology， Qinhuangdao 066600， China; 2. College of Marine Resources and Environment， Hebei Normal University of Science & Technology， Qinhuangdao 066600， China）

Abstract： In order to solve the adverse effects of continuous cropping disorder on the growth and development of vegetables， the celery soil with three years of continuous cropping was researched in the study. A randomized block potted design was conducted with five treatments： Biochar alone （BC）， Bacillus subtilis alone （BS）， biochar mixed with B. subtilis （BB）， pellets of B. subtilis inoculated biochar （BP） and no biochar and B. subtilis （CK）. The growth and quality indexes of celery were determined to obtain the effects of biochar and B. subtilis on the growth of continuous cropping. The results showed that the growth and quality indexes of celery in BB and BP treatment groups were higher than those in other treatment groups. The fresh mass， soluble protein content， and cellulose content of celery in the BP group， which were 60.25 g/plant， 27.25 mg/g and 2.48%， respectively， were significantly higher than those in the BB treatment group. There were no significant differences in the other indexes between the BP and BB treatments. The growth and quality indexes of celery in treatment groups were higher than those in CK group. Moreover， the indexes of celery in BP treatment group were the highest， especially for the fresh mass， which increased by 226.56% over CK group. Therefore， the growth and quality indexes of celery were improved by the application of the pellets of B. subtilis inoculated biochar， which laied a theoretical foundation for their application to alleviate celery continuous cropping obstacle in agriculture.

Keywords： Bacillus subtilis inoculated biochar pellets; continuous cropping disorder; celery; growth indicators; quality

連作是指一年之內或連續(xù)多年在同一塊土地上種植同一種作物的方式，可以充分利用當?shù)氐臍夂?、土壤條件，提高經(jīng)濟效益。然而，連作也會產(chǎn)生一系列弊端，如使作物生長異常和病蟲害加重[1]。我國芹菜種植面積大，大規(guī)模種植不可避免地會導致連作障礙。研究表明，芹菜連作會使土壤中的有益微生物含量下降，有害病原菌含量上升，破壞微生物群落結構，不利于芹菜生長，最終導致連作障礙[2]。連作對芹菜抗病性、產(chǎn)量和品質影響也極大，隨著連作年限的增加，植株的發(fā)病率提高，品質下降[3]。

枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，能夠促進植物生長，減少病原體對植物的危害[4-5]。植物的根系在植物生長過程中起著關鍵作用，枯草芽孢桿菌能夠在植物根部形成穩(wěn)定的生物膜，并分泌活性物質，保護植物免受病原菌的侵害。同時，它還能通過改善植物對礦物質營養(yǎng)的吸收或影響植物激素的產(chǎn)生機制，增加植物產(chǎn)CNC0ttAur7NiCVSWFcd3LQ==量[6-8]。生物炭有良好的化學性質和孔隙結構，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可用作微生物菌劑的載體，不僅可以提高微生物的存活率，還能穩(wěn)定地提高土壤肥力，提高作物產(chǎn)量[9]。生物炭可以直接向植物提供養(yǎng)分，或通過改善土壤環(huán)境間接促進植物生長，其營養(yǎng)成分和功能取決于原材料[10]。研究表明，糞肥生物炭可以顯著提升谷物的產(chǎn)量[11]。在土壤中添加生物炭會增加土壤中微生物的數(shù)量，促進根瘤菌結瘤，從而提高作物生產(chǎn)力和生物量[12]。

本研究設置不同處理方法對芹菜連作土壤的試驗，測定了芹菜的生長指標和品質指標，探討了生物炭與枯草芽孢桿菌在緩解芹菜連作障礙方面的效果，為生物炭載固定化微生物技術在綠色可持續(xù)農(nóng)業(yè)中的應用提供了新的思路。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗在2023年9月至11月在河北科技師范學院昌黎校區(qū)進行。

‘西芹’種苗，儂本農(nóng)業(yè)技術服務（廊坊）有限責任公司；秸稈生物炭，河南譽中奧農(nóng)業(yè)科技有限公司；供試生物炭載B. subtilis菌粒，活菌數(shù)≥1.2×109 cfu/100 g，河北科技師范學院植保試驗室；連續(xù)栽培芹菜3年以上土壤與營養(yǎng)土，按體積比2∶1充分混合，黑龍江綠洲源肥業(yè)有限公司；硫酸鉀型復合肥（17-17-17，N+P2O5+K2O≥51%），中化化肥有限公司。

1.2 儀器與設備

分析天平，STPFA2004，上海上平儀器有限公司；高壓滅菌鍋，YXQ-LS，百道亨儀器設備有限公司；電熱恒溫生化培養(yǎng)箱，DHP-9082，上海慧泰儀器制造公司；離心機，Z383K，HERMLE（德國）；超凈工作臺，SW-CJ-1FD，蘇州凈化設備有限公司；渦旋混合儀，Vorterx-M，上海滬析實業(yè)有限公司；水浴恒溫振蕩器，THZ-92A，上海博訊實業(yè)有限公司。

1.3 試驗設計

試驗共設置5個處理，見表1。每個處理重復3次，每個重復為一盆（5株），共計15盆。試驗用陶土盆，上口直徑32 cm，下口直徑20 cm，高24 cm。按不同處理供試土壤充分混勻后裝入陶土盆，于9月在每個陶土盆定植5株幼苗，待定植穩(wěn)定后，在新葉生長期、旺盛葉時追肥兩次，追肥量為10 kg/667 m2。其余田間管理均保持一致，收獲時，每盆采收3棵長勢一致的芹菜，每個處理共采收9棵。

1.4 指標測定

1.4.1 芹菜生長指標測定

株高：用卷尺測量芹菜基部到最高處的長度。莖粗：用精度為0.01 mm電子游標卡尺測量。葉片數(shù)：由心葉開始從里往外進行計數(shù)。干質量與鮮質量：將植株從根莖部位切斷后，用萬分之一天平稱量植株地上部分與地下部分鮮質量，隨后將植株在105 ℃烘箱中殺青30 min，于70 ℃烘干至恒質量，稱量其干質量。根冠比為地上與地下鮮質量的比值。

1.4.2 芹菜品質指標測定

可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定；VC含量采用二甲苯萃取比色法測定；纖維素含量采用蒽酮比色法測定；葉綠素含量和類胡蘿卜素含量采用乙醇浸泡比色法測定[13]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

使用Excel 2007、SPSS 21.0對測量結果進行統(tǒng)計分析，所有數(shù)據(jù)均以“平均數(shù)±標準差”的形式表示。

2 結果與分析

2.1 不同處理對連作芹菜株高、莖粗、葉片數(shù)的影響

由表2可知，從芹菜株高和莖粗來看，各處理組芹菜株高和莖粗均顯著高于CK，BB和BP處理組顯著高于BC和BS處理組，BP處理組芹菜株高和莖粗最大，但與BB處理組無顯著差異。從芹菜葉片數(shù)來看，BP處理組葉片數(shù)量最多，與CK差異顯著，但與其他處理組無顯著差異，其他處理組的芹菜葉片數(shù)雖高于CK，但差異不顯著。由此，BP處理組芹菜的株高、莖粗和葉片數(shù)最佳，比CK分別提高55.50%、86.34%、41.09%。

2.2 不同處理對連作芹菜根冠比、干質量、鮮質量的影響

表3顯示，從芹菜根冠比來看，BP處理組最高，與BB處理組無顯著差異，但與其他處理組差異顯著。

從芹菜干質量來看，各處理組顯著高于CK，BP干物質含量最多，但各處理組間無顯著差異。從芹菜鮮質量來看，BP處理組最佳，各處理組芹菜鮮質量均顯著高于CK，且各處理組之間差異顯著。由此，BP處理組芹菜的根冠比、干質量、鮮質量最佳，比CK分別提高了90.91%、189.82%、226.56%。

2.3 不同處理對連作芹菜可溶性糖、可溶性蛋白、纖維素含量的影響

由表4可知，從可溶性糖含量看，各處理組芹菜可溶性糖含量顯著高于CK，BP處理組可溶性糖含量最多，但各處理組間無顯著差異。從可溶性蛋白含量看，各處理組可溶性蛋白含量均顯著高于CK，BP和BB處理組顯著高于BS和BC處理組，BP處理組顯著高于BB處理組。從纖維素含量看，各處理纖維素含量顯著高于CK，BP處理組顯著高于其他處理組，BB與BC處理組顯著高于BS處理組，但二者間無顯著差異。由此，BP處理組可溶性糖、可溶性蛋白、纖維素含量最高，比CK分別提高了53.42%、193.96%、38.55%。

2.4 不同處理對連作芹菜VC、葉綠素、類胡蘿卜素含量的影響

由表5可知，從芹菜VC含量看，BS、BB、BP處理組顯著高于CK，BB和BP處理組顯著高于BC和BS處理組。BP處理組VC含量最大，但與BB處理組無顯著差異。從葉綠素和類胡蘿卜素含量來看，BP處理組最高，與其他處理組無顯著差異。由此，BP處理組VC、葉綠素、類胡蘿卜素含量最佳，比CK分別提高了43.22%、17.95%、10.00%。

3 討論與結論

生物炭作為一種新型材料，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛應用，生物炭固定化微生物技術是其中的一種重要的應用方式[13-15]。本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭固定枯草芽孢桿菌形成的生物炭載B. subtilis菌粒，促進了芹菜的生長，提升了芹菜的品質。

研究表明，生物炭和枯草芽孢桿菌在植物生長過程中均發(fā)揮著重要作用[14，16-17]，本研究中單獨施加生物炭或枯草芽孢桿菌都促進了芹菜的生長和品質的改善。但是由于芹菜生長環(huán)境的復雜性、外界營養(yǎng)物質的影響，單獨施加枯草芽孢桿菌的效果并不好。對芹菜施加生物炭載B. subtilis菌粒后，芹菜的生長和品質都得到了明顯改善。這表明，生物炭改善了枯草芽孢桿菌的生存環(huán)境，并進一步提升了枯草芽孢桿菌的性能[18-20]。因此推測生物炭固定枯草芽孢桿菌后，改善了土壤中的環(huán)境，促進了土壤中微生物的生長和代謝活動。在此過程中，活性炭可能提升了枯草芽孢桿菌在芹菜根系中的定植能力，減少了蟲害對芹菜生長的影響。也有研究表明，枯草芽孢桿菌可以改善番茄中相關轉錄因子的表達，從而促進番茄生長[14]。

本研究通過對比不同處理對連作芹菜生長發(fā)育的影響發(fā)現(xiàn)，相比對照，不同土壤處理連作芹菜的生長指標與品質指標都有所提升。生物炭載B. subtilis菌粒處理效果最好，與對照相比，株高增加55.49%，莖粗增加86.34%，葉片數(shù)增加41.09%，干質量提高189.82%；鮮質量提高226.56%，可溶性糖含量提高53.41%，可溶性蛋白含量提高193.95%，纖維素含量增加了43.55%，VC含量提高43.22%，葉綠素含量提高17.95%，類胡蘿卜素含量提高10%，可以有效緩解芹菜連作障礙帶來的影響。

參考文獻：

[1] CHEN P， WANG Y， LIU Q， et al. Phase changes of continuous cropping obstacles in strawberry （Fragaria × ananassa Duch.） production[J]. Applied Soil Ecology， 2020， 155（1）： 103626.

[2] 盧雨欣， 馮志珍， 賈俊超， 等. 連作對芹菜根際土壤微生物群落結構及多樣性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)生物技術學報， 2023， 31（12）： 2466-2476.

[3] 李鐵， 姚杰. 聊城市芹菜連作障礙防控技術[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， 2023（4）： 74-77.

[4] SHODA M. Biocontrol of plant diseases by Bacillus subtilis： Basic and practical applications[M]. Milton： CRC Press， 2019： 10-20.

[5] BLAKE C， CHRISTENSEN M N， KOV？魣CS ？魣 T. Molecular aspects of plant growth promotion and protection by Bacillus subtilis[J]. Molecular Plant-Microbe Interactions， 2021， 34（1）： 15-25.

[6] KOV？魣CS ？魣 T. Bacillus subtilis[J]. Trends in Microbiology， 2019， 27（8）： 724-725.

[7] BLAKE C， CHRISTENSEN M N， KOV？魣CS ？魣 T. Molecular aspects of plant growth promotion and protection by Bacillus subtilis[J]. Molecular Plant Microbe Interactions， 2021， 34（1）： 15-25.

[8] LI Q， FU Q， LI T， et al. Biochar impacts on the soil environment of soybean root systems[J]. Science of The Total Environment， 2022， 821： 153421.

[9] ZHANG B， ZHANG L， ZHANG X. Bioremediation of petroleum hydrocarbon-contaminated soil by petroleum-degrading bacteria immobilized on biochar[J]. RSC Advances， 2019， 9（60）： 35304-35311.

[10] ZHANG H， VORONEY R P， PRICE G W. Effects of temperature and processing conditions on biochar chemical properties and their influence on soil C and N transformations[J]. Soil Biology and Biochemistry， 2015， 83： 19-28.

[11] HAIDER F U， COULTER J A， CAI L， et al. An overview on biochar production， its implications， and mechanisms of biochar-induced amelioration of soil and plant characteristics[J]. Pedosphere， 2022， 32（1）： 107-130.

[12] 王道涵， 楊婷赟， 于令令， 等. 生物炭改良風沙土對植物生長及養(yǎng)分的影響[J]. 沈陽農(nóng)業(yè)大學學報， 2024， 55（1）： 29-36.

[13] QIAO K， TIAN W， BAI J， et al. Removal of high-molecular-weight polycyclic aromatic hydrocarbons by a microbial consortium immobilized in magnetic floating biochar gel beads[J]. Marine Pollution Bulletin， 2020， 159： 111489.

[14] MUKHERJEE S， SARKAR B， ARALAPPANAVAR V K， et al. Biochar-microorganism interactions for organic pollutant remediation： Challenges and perspectives[J]. Environ Pollut， 2022， 308： 119609.

[15] TENG Z， SHAO W， ZHANG K， et al. Enhanced passivation of lead with immobilized phosphate solubilizing bacteria beads loaded with biochar/nanoscale zero valent iron composite[J]. Journal of Hazardous Materials， 2020， 384： 121505.

[16]  NUNES P， MEDEIROS F H V， OLIVEIRA T S， et al. Bacillus subtilis and Bacillus licheniformis promote tomato growth[J]. Brazilian Journal of Microbiology， 2023， 54（1）： 397-406.

[17] 高俊山， 蔡永萍. 植物生理學實驗指導[M]. 北京： 中國農(nóng)業(yè)大學出版社， 2018： 36-39.

[18] WU P， WANG Z， BHATNAGAR A， et al. Microorganisms-carbonaceous materials immobilized complexes： Synthesis， adaptability and environmental applications[J]. Journal of Hazardous Materials， 2021， 416： 856-866.

[19] LIU X， WANG X， XU T， et al. The combined application of γ-PGA-producing bacteria and biochar reduced the content of heavy metals and improved the quality of tomato （Solanum lycopersicum L.）[J]. Environmental Science and Pollution Research， 2022， 29（59）： 88938-88950.

[20] HALE L， LUTH M， KENNEY R， et al. Evaluation of pinewood biochar as a carrier of bacterial strain Enterobacter cloacae UW5 for soil inoculation[J]. Applied Soil Ecology， 2014， 84： 192-199.