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作者简介:

赵飞(1982-),女,山东省烟台市人,助理研究员,博士,从事微生物多样性及其生态功能评价研究。E-mail:f_zhao@163.com。

通讯作者:

张焕仕,E-mail:zhanghuanshi@126.com。

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目录contents

    摘要

    为实现盐碱地的长效生态改良与可持续性发展,研究了盐碱胁迫条件下生物炭与功能微生物对滨海盐土养分含量及盐生植物海滨锦葵生长的影响。利用室内盆栽试验,在盐碱胁迫条件下设置了单独接种功能微生物丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhiza fungi,AMF)、解磷真菌(Apophysomyces sp. SM-1)、单独添加生物炭(Biochar,BC)及 3 者联合接种等共计 8 个处理对滨海盐土部分养分指标及盐生植物海滨锦葵生长的影响。结果表明, 功能微生物和生物炭均能够显著影响滨海盐土改良的进程及海滨锦葵的生长。在土壤 pH 值方面,功能微生物和生物炭均能促进盐土降低 pH 值,其中 AMF 与 BC 联合施用处理的土壤 pH 值最低,而 BC 处理土壤 pH 相对较高。在土壤含水量方面,除 AMF、SM-1 及 BC 联合施用处理之外,其他处理均能不同幅度地提升盐土含水量, 其中接种 SM-1 处理中土壤含水量的提升效果较为显著,较对照组提高了 90.7%。在土壤养分含量方面,BC 能够显著提升土壤有机碳、碱解氮和有效磷含量,AMF 及 SM-1 单独接种时对土壤有机碳、碱解氮和有效磷含量有一定的提升作用,但效果并不显著。AMF 与 SM-1 混合接种对土壤有效磷含量的提升效果优于 BC 处理,较对照增加了 17.99%。AMF、SM-1 与 BC 三者联用对土壤有机碳、碱解氮和有效磷含量的提升效果最佳,分别比对照增加了 58.33%、4.83% 及 23.09%。同时在盐土中接种 AMF、SM-1 以及添加 BC 可明显提高海滨锦葵植株的株高、 主根长、主根粗以及植株干重,其中 AMF 和 SM-1 对盐碱胁迫下海滨锦葵的促生效果优于生物炭,而 BC 更有助于海滨锦葵植株干物质的积累。因此,室内盆栽试验条件下,AMF、SM-1 和 BC 均能影响滨海盐土的理化性质及海滨锦葵的生物量,BC 对盐土地力提升的效果较好,而 AMF 及 SM-1 则对耐盐植物的促生效果更佳,并且三者联合施用可积极推动滨海盐土改良,促进盐生植物生长。

    Abstract

    In order to achieve long-term ecological improvement and sustainable development of saline-alkali soil,the effects of biochar and functional microbes on the nutrient contents of coastal saline soil and the growth of halophyte mallow were studied under salt-alkali stress. We conducted a greenhouse experiment(8 treatments)to study the effects of biochar (BC),arbuscular mycorrhiza fungi(AMF)and phosphate solubilizing fungi(Apophysomyces sp. SM-1)on the coastal saline soil nutrient indicators and the growth of the halophyte seashore mallow under salt-alkali stress conditions. The results of the pot experiment showed that both functional microbes and biochar significantly affected the progress of coastal saline soil improvement and the growth of seashore mallow. In terms of soil pH,both functional microbes and biochar promoted coastal mallow to reduce the pH value of coastal saline soil. The combination of AMF and biochar had the lowest pH value,while the soil pH of BC treatment was relatively high. In terms of soil water content,except for the combined application of AMF,SM-1 and biochar,other treatments increased the water content of coastal saline soil in different degrees,and the effect of soil water content in the treatment of SM-1 was more significant,which was 90.7% higher than that of the control group. In terms of soil nutrient content,biochar significantly increased soil organic carbon,available nitrogen and available phosphorus. AMF and SM-1 had a certain effect on the promotion of soil organic carbon,available nitrogen and available phosphorus when inoculated alone. The effect of AMF and SM-1 mixed inoculation on soil organic carbon and available nitrogen content was comparable to those of biochar alone,and the combined effect of AMF and SM-1 on soil available phosphorus was better than that of biochar,which was 17.99% higher than the control. The combination of AMF,SM-1 and BC had the best promotion on soil organic carbon,available nitrogen and available phosphorus,which increased by 58.33%,4.83% and 23.09%, respectively. At the same time,AMF,SM-1 and biochar significantly increased the plant height,main root length,main root thickness and dry weight of the plant. AMF and SM-1 had better growth promoting effect on seashore mallow than biochar under salt-alkali stress,while biochar contributed to the accumulation of dry matter in plants. Therefore,under the conditions of houseplant experiment,AMF,phosphate-dissolving fungi and biochar could affect the physical and chemical properties of coastal saline soil and the biomass of seashore mallow. The effect of biochar on the improvement of coastal saline soil fertility was better. AMF and phosphate-dissolving fungi had better growth-promoting effects on seashore mallow plants, and the combined application of the three factors had positively promotion of the improvement of coastal saline soil and the growth of salt-tolerant plants.

  • 我国分布有总面积约计9.9×107 hm2 的盐碱地[1], 其有机质及有效磷含量极低,磷素主要以磷灰石的形态存在,难以被植物吸收利用[2-3],如何改良滨海盐碱土并提高农作物产量和质量,对我国农业的可持续发展具有重要意义。

  • 近年来生物措施和技术在土壤盐碱障碍治理中的重要性不断提高,在盐碱化土壤中种植耐盐植物,其生物产量与改良效果直接成正比,有助于恢复土壤的正常生产力[4-5]。海滨锦葵(Kosteletzkya virginica)是锦葵科锦葵属草本植物,具有很强的耐盐性,在含盐率5‰的条件下依然保持较高的出芽率和结实率。它不但具有较高的经济价值,还能够提高盐碱土壤的通气性、透水性及有机质含量, 这对改善滨海盐土的生态条件,促进盐碱地生态修复具有重大意义[6-8]。与此同时,土壤微生物被认为是最敏感的土壤质量生物学指标,且其中的功能微生物可直接参与或与植物协同促进盐碱土壤地力的改良进程[9-11]。溶磷微生物能够将植物难以吸收利用的磷转化为易于被吸收利用的有效磷,从而提高土壤的供磷水平[12-14]。盐碱化土壤特殊的理化性质可能会导致传统非土著溶磷微生物的定殖能力、 竞争力及溶磷能力降低和退化[15]。因此,土著耐盐碱溶磷真菌对于提高盐碱土壤磷素利用率具有重要意义[16]。AMF分布广泛,是土壤生物重要的功能组分,具有促进植物对磷等矿质元素的吸收[17]、提高植物抗逆(如盐碱、干旱胁迫)能力[18-19]、增加作物产量及改善果实品质等作用[20-21],在农业生产上具有重要应用前景[22-23]。除生物措施之外,化学措施通过向土壤中添加改良剂,改善土壤营养状况及土壤结构,从而达到土壤改良目的[10]。生物炭因其结构和功能特性在盐碱土壤改良培肥方面效果显著[24]。生物炭是有机质在缺氧环境下经热化学转化而成的多孔含碳固体,具有适于在环境中长时间稳定贮存碳的物理化学性质[25]。在盐碱土壤中加入生物炭,不仅可以调节盐基离子浓度和pH值,而且能够显著提高土壤中微生物的活性及多样性,进而可强化生物抗盐和生物净化的能力[24]。随着现代生产技术的发展,出现了诸如水利改良、生物改良、农业改良、化学改良等多种改良方法,且各有优缺点。如化学措施见效快,但容易引入新的离子造成二次污染,生物措施环保性能好,但见效较慢等[10]

  • 目前的盐碱地治理上仍然存在措施单一,只洗盐、不培肥,重工程、轻生态的现象,难以实现盐碱地长效生态改良与可持续性发展,并未从根本上解决盐渍化问题[1]。滨海盐土由于盐碱化严重,生态环境脆弱和土壤营养元素的严重匮乏决定了治理技术必然从单一向综合治理体系发展。因此,将盐碱地化学调理改土与生物生态修复相结合,创建一套环境友好、生态高效的综合改良方法对滨海盐土地力提升及其可持续性利用具有重要价值和意义。 本文分析了应用化学改良剂(生物炭)、植物改良(海滨锦葵)及微生物改良(丛枝菌根真菌和解磷真菌)单一及复合措施等方法对江苏沿海滨海盐土改良效果的影响,以期为滨海盐土的生态高效改良及新型微生物接种剂的研制提供依据。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 材料

  • 1.1.1 供试土壤

  • 本试验盆栽用土是2014 年10 月采自江苏省大丰市金海农场野外试验基地(32°59′N,120°46′E) 的滨海盐土,其基本理化性质见表1。

  • 表1 供试盐土基本理化性质

  • 1.1.2 供试种子

  • 本试验所用盐生植物种子为2014 年10 月采自大丰市金海农场野外试验基地的成熟海滨锦葵种子。

  • 1.1.3 供试菌种及生物炭

  • 本试验所采用AM真菌为苏格兰球囊霉(Glomus caledonium)、光壁无梗囊霉(Acaulospora laevis)和摩西球囊霉(Glomus mosseae)混合菌种。接种AM真菌是以高粱为宿主扩繁6 个月获得的包括孢子、菌丝、侵染根段等侵染体的砂质土壤(含菌量约为952 个孢子·20 mL-1)。解磷真菌为鳞质霉菌(Apophysomyces sp.)菌株SM-1,分离自盐城国家级珍禽自然保护区互花米草滩涂土壤(保藏号:CGMCC No.7717)。SM-1 菌剂为液体菌剂,参照Zhang等[26]的方法制备。将部分AM真菌与SM-1 菌剂分别采用121℃间歇灭菌30 min 2 次备用。生物炭为海滨锦葵秸秆晾干后,在450℃下高温厌氧热解6 h后制备而成,其基本理化性质为:容重0.57 g·cm3,含水率38.80%,pH值7.51,总氮3.57 g·kg-1, 有效磷160.07 mg·kg-1,总有机碳52.47 g·kg-1

  • 1.2 方法

  • 1.2.1 试验设计

  • 本研究设8 个处理(表2),每处理3 个重复, 共24 盆,随机区组排列。

  • 表2 盆栽试验设计

  • 注:+ 表示添加该实验变量,-表示不添加该实验变量。All代表所有变量均添加的处理。

  • 海滨锦葵种子用5%的次氯酸钠溶液浸泡10 min后用无菌蒸馏水冲洗。未灭菌的盐土与蛭石按照3∶1 的质量比充分混合,每盆(18 cm×21.5 cm) 添加盐土与蛭石的混合物1 kg作为基质。按表2 中不同处理各添加AM真菌菌剂10 g(含菌量约为952 个孢子·20 g -1),AM灭菌菌剂10 g,SM-1 菌剂10 mL(含菌量约为6.7×108 CFU·mL-1),SM-1 灭菌菌剂10 mL,生物炭10 g,滨海盐土10 g。添加变量后土壤需充分混匀。每盆播种3 ~ 4 粒海滨锦葵种子,待种子长出两片真叶后每盆定苗3 株。 光照培养箱每天光照16 h,温度控制在白天28℃, 夜晚18℃,相对湿度为65%~ 85%,每隔3 d每盆浇自来水20 mL。60 d之后,把整个植株从塑料盆中提取出来,轻轻晃动根部并用培养皿收集抖落土壤,室温下风干待用。

  • 1.2.2 土壤理化性质测定

  • 参照文献[27]对供试土壤进行理化性质测定。土壤pH值测定:1∶2.5 土水比水浸提法测土壤pH值。土壤含水量:烘干法。土壤养分含量测定:重铬酸钾容量法测有机碳;碱解扩散法测碱解氮;碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测有效磷。

  • 1.2.3 海滨锦葵生长情况的测定

  • 将植株根部用流水清洗干净后测量其株高、主根长和根粗。将植物的根和茎叶剪开,于80℃烘箱中烘干至恒重,分别测定地上部(茎叶)和地下部(根)的干重。

  • 1.2.4 AM菌根侵染率测定

  • AM真菌侵染率测定:剪取约1 cm长植株须根若干置入试管中,采用Phillip等[28]的方法,用10%KOH软化须根,90℃水浴1 h,漂洗数次后用酸性品红乳酸溶液染色,90℃水浴0.5 h。用乳酸甘油清洗后置于载玻片上,压片镜检。

  • 1.2.5 数据分析

  • 本研究所取得的数据采用软件SPSS 19.0 中的单因素方差分析(ANOVA)进行数据比较,利用Duncan新复极差法检验处理间差异的显著性水平(P<0.05)。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 功能微生物及生物炭的投入对海滨锦葵根际土壤肥力的影响

  • 2.1.1 土壤pH值

  • 由图1 中数据可知,种植海滨锦葵能够显著降低供试盐土的pH值。60 d后,CK处理根际土壤pH值为7.68 ~ 8.03,添加变量的试验组根际土壤pH值均显著低于CK组(P< 0.05),其中AM+BC处理中根际土壤pH值最低,为7.6 ~ 7.68,较CK处理的pH值降了0.35 ~ 0.43 单位。相比较而言, 除BC处理的土壤pH值较高之外,各试验组之间pH值的差异并不显著(P>0.05)。

  • 图1 不同处理的土壤pH值

  • 注:柱上不同字母表示处理间差异达5%显著水平,下同。

  • 2.1.2 土壤含水量

  • 由图2 中数据可以看出,种植海滨锦葵60 d后,CK处理根际土壤含水量为7.53%,除All处理(6.88%)外,其余添加变量的试验组中根际土壤的含水量比CK组均有不同幅度地提升。其中SM、 BC、SM+BC和AM+SM处理土壤含水量提升幅度显著(P< 0.05),较CK处理分别提高了31.47%、 90.70%、71.98%和91.23%。

  • 图2 不同处理的土壤含水量

  • 2.1.3 土壤有机碳

  • 由图3 中数据可知,种植海滨锦葵能够加速供试盐土有机碳的积累,且添加变量的试验组土壤的有机碳含量均高于CK组。BC、AM+SM及All处理中土壤有机碳含量较CK处理依次显著增加25.00%、27.78%和58.33%(P< 0.05)。 其中,BC处理土壤有机碳含量高于AM+BC和SM+BC处理, AM+SM处理土壤有机碳含量高于AM及SM处理, 可见,联合接种AMF与解磷真菌对盐土有机碳的累积效果优于单独接种AMF和解磷真菌。All处理有机碳含量最高,达26.14 g·kg-1

  • 图3 不同处理的土壤有机碳含量

  • 2.1.4 土壤碱解氮

  • 由图4 中数据可以看出,种植海滨锦葵能够提升供试土壤碱解氮含量,且添加生物炭的试验组土壤碱解氮含量均高于CK组,BC、AM+BC、 SM+BC处理土壤中碱解氮含量分别为64.75、64.63 和65.22 mg·kg-1,分别比CK处理提高了3.15%、 2.49%和3.90%(P>0.05)。 外源功能微生物的接种亦能提高盐土中碱解氮的含量,但差异不显

  • 图4 不同处理的土壤碱解氮含量

  • 著(P>0.05), 同时AM+BC及SM+BC处理中土壤碱解氮含量又高于AM及SM处理,说明生物炭添加对盐土碱解氮含量的提升效果优于功能微生物的接种。All处理土壤碱解氮含量最高,达65.8 mg·kg-1

  • 2.1.5 土壤有效磷

  • 由图5 可知,种植海滨锦葵能够显著提高供试盐土中有效磷含量,且所有添加变量的试验组中土壤有效磷含量均显著高于对照组(P< 0.05),提高幅度达8.43%~ 23.09%。AM及SM处理对盐土有效磷含量的提升效果相当,其土壤有效磷含量分别达到15.74 和15.88 mg·kg-1,而联合接种AM+SM处理的土壤有效磷含量达到16.66 mg·kg-1,高于单独接种,但差异不显著(P>0.05)。这说明混合接种并没有比单独接种更能提升土壤有效磷含量。 相较于接种功能微生物而言,添加生物炭的各试验组对盐土中有效磷含量的提升幅度略低,但差异不显著。AM+BC处理土壤有效磷含量高于AM和BC处理,说明生物炭的添加能够促进AM真菌提升盐土有效磷含量。All处理中土壤有效磷含量最高, 达17.38 mg·kg-1

  • 图5 不同处理的土壤有效磷含量

  • 2.2 海滨锦葵根际AM菌根侵染率

  • 供试AM真菌对海滨锦葵根系的成功侵染是其发挥促生和改善其磷素营养的前提条件。供试AM真菌能够成功侵染海滨锦葵根系,AM、AM+BC、 AM+SM和All处理的海滨锦葵根系中均能够观察到丛枝菌根的存在,但AM真菌的分布则有显著差异。AM+BC处理海滨锦葵根系中AM菌根侵染率为52.60%,AM+SM处理海滨锦葵根系中AM菌根侵染率为47.20%,均高于AM处理的38.70%,其中All处理海滨锦葵根系中菌根侵染率最高,达56.00%。

  • 2.3 海滨锦葵的生物量

  • 如表3 所示,所有添加变量的试验组海滨锦葵的株高、主根长、主根粗、地下部干重以及地上部干重数据均高于对照。除主根粗之外,接种功能微生物的处理中海滨锦葵株高、根长、地上部干重及地下部干重均高于添加BC处理,其中AM+SM处理的各项数据均高于AM和SM处理。生物炭与功能微生物联合接种试验结果表明,AM+BC处理中海滨锦葵株高、主根长、主根粗、地上部干重及地下部干重均高于SM+BC处理。 All处理海滨锦葵植株的株高、主根长、主根粗、 地上部干重以及地下部干重均显著高于其他处理(P< 0.05)。

  • 表3 不同处理的海滨锦葵生物量

  • 注:同一列中不同小写字母表示不同处理间差异达5%显著水平。

  • 3 讨论

  • 耐盐植物种植能够显著降低盐碱地pH值和全盐含量,改善盐碱地土壤微环境[29]。本研究选用江苏沿海地区典型滨海盐土,种植耐盐先锋植物海滨锦葵并施加丛枝菌根真菌、解磷真菌及生物炭, 探讨功能微生物及生物炭对滨海盐土养分含量及耐盐植物生长的影响。

  • 3.1 生物炭对海滨锦葵生长及滨海盐土地力的影响

  • 近年来,生物炭在农业固碳、土壤培肥及土壤改良等领域被广泛关注[30-31]。在不同土壤条件下,不同类型生物炭对土壤的改良效果及作物产量影响差异较大[32-33]。施用生物炭能够显著提高大豆和水稻产量,但对玉米的生长及养分吸收并没有明显的促进作用[34]。因此,生物炭对土壤的改良效果及对作物生长、养分吸收的影响仍存在争议。

  • 本试验研究结果证明,种植海滨锦葵能够降低滨海盐土的pH值,而施加生物炭的处理土壤pH值下降幅度较小,这归因于生物炭本身所含有的Ca2+、K+、Mg2+ 等盐基离子在水土的交融作用下会有一定的释放,这些离子可以交换土壤中的H+ 和Al3+,从而提高土壤pH值[35]。生物炭亦能提高土壤含水量,这是由于生物炭较高的孔隙度和表面面积会使土壤水分的渗透模式、停留时间和流动路径发生改变,进而提高土壤的田间持水量[36]。本试验中,All处理土壤含水量最低,这可能是由于该处理中植株长势最好,生物量最大,因此植株叶片的蒸腾作用也最强,从而间接导致了该处理中土壤含水量的降低。添加生物炭还显著提高了供试盐土中有机碳、碱解氮及有效磷的含量。这是因为生物炭具有较大的比表面积,可以吸附多种离子,有效促进土壤中养分的滞留,进而起到固碳、贮存养分、提高土壤肥力的作用[25]。因此,在本试验中生物炭的添加明显促进了海滨锦葵的生长,除去地上部干重外,施加生物炭处理中的海滨锦葵株高、 主根长、主根粗及地下部干重较对照组均有不同程度的增加。

  • 3.2 功能微生物对海滨锦葵生长及滨海盐土地力的影响

  • 耐盐真菌能够显著降低盐碱土壤pH值[37],且在盐碱生境中盐生植物对AM真菌群落的依赖性也较大[22]。因此,将功能微生物菌剂与耐盐植物配合使用对盐土改良具有重要的意义。

  • 本试验研究结果表明,添加SM-1 及AMF能够显著降低供试土壤的pH值以保护植物根系免受高pH值的影响,缓解盐碱胁迫对植物生长的毒害作用,同时提高供试土壤含水量及养分含量,进而促进植物生长,与前人研究结果一致[2637-38]。因此,在盐碱胁迫条件下,本试验中SM-1 及AMF处理中海滨锦葵的植株株高、主根长、主根粗、地上部干重及地下部干重较对照均有显著地增加。

  • 3.3 生物炭与功能微生物联合施用对海滨锦葵生长及滨海盐土地力的影响

  • 目前关于单一添加菌剂对作物生长及盐碱土改良的影响研究较多,如添加微生物菌剂能增加燕麦、紫花苜蓿等的生物量[39-40],但关于生物炭与菌剂联用对盐土养分含量及耐盐植物生长的影响研究较少。本试验结果表明,施用生物炭和功能微生物均能在一定程度上提高滨海盐土的有机碳、碱解氮、有效磷含量。其中生物炭对滨海盐土中养分含量的增加效果较好,功能微生物对海滨锦葵的促生效果更佳,而两者联合施用对滨海盐土养分含量提升和海滨锦葵促生效果最佳。这可能是由于盐土中添加的功能微生物菌剂能够与生物炭相互作用,改善土壤结构,增加土壤有机质,同时也促进了土壤有效态氮、磷的释放,起到培土增肥的作用,从而改变了耐盐碱植物的根系环境,提高其耐盐碱能力,最终促进了植株的生长发育[11]

  • 4 结论

  • 室内盆栽条件下,苏格兰球囊霉(G.caledonium)、 光壁无梗囊霉(A.laevis)和摩西球囊霉(G.mosseae) 的混合菌剂能够在盐碱胁迫下成功地定殖并侵染海滨锦葵根系,解磷真菌Apophysomyces sp.SM-1 及生物炭的添加更能够提高其侵染率,进而促进菌根的形成。

  • AMF与SM-1 单独及联合接种均能够显著促进滨海盐土土壤pH值的降低及土壤含水量与有效磷含量的提高,但对土壤有机碳及碱解氮含量的提升效果不显著。生物炭对滨海盐土pH值的降低效果低于功能微生物,但对滨海盐土有机碳及碱解氮含量的提升效果较好。

  • 功能微生物及生物炭均能够促进盐碱胁迫下海滨锦葵的生长,其中功能微生物对海滨锦葵的促生效果优于生物炭,且AM真菌和解磷真菌的混合接种比单独接种更有利于海滨锦葵的生长。生物炭与功能微生物联合施用对盐土地力提升的效果最为明显,对海滨锦葵的促生作用亦是最佳,因此可为盐土生物调理剂的研制提供优良的基质及微生物种源。

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