活性木炭材料及生物耦合炭对植物生长的影响

余仲东，任争争，彭少兵，张 帅

(1.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100； 2.西北农林科技大学 理学院，陕西 杨凌 712100)

近年来，过度耕种和不合理的施肥及灌溉，土壤盐、碱化趋势明显，部分地区土壤pH值高达10以上，对农业生产带来一定危害。一些老的瓜果园，植物化感作用亦十分明显，连作障碍突出[1]。生物活性木炭类材料，因具有表面积大、吸附性好、对环境无二次污染、减少CO2排放、容易制备等特点[2-5]，在盐碱土改良、土壤衰退病控制及土壤污染治理等方面显示出卓越性能，日本、美国等发达国家，农业生产中活性炭、活性木炭等炭材料已有广泛应用，并取得较好成就[2]。为研究黄土高原地区土壤改良用材料和方法，2009年起，本课题组引进和自制了多种活性炭、活性木炭及微生物耦合剂，进行了多年的室内和田间实验。

1 实 验

1.1 材料与方法

1.1.1 炭材料 包括2种活性木炭和1种活性炭，均从日本引进。各炭材料制备原料、种类和剂型见表1。

表1 供试的几种炭材料

1.1.2 土壤 供试土壤来自陕西关中杨凌地区典型的3中土壤利用类型[6]，见表2。其中农耕土，随机取自土壤表层下3～10 cm 深。桃园土来自25年生桃园，供试土壤为表层下1～10 cm深土壤。雪松林下土采自校园40年生雪松林下，去除腐殖质层后取土壤层1～5 cm深土壤。所有土壤约2 kg，风干后研细过筛备用。

表2 土壤理化性质

1.1.3 种子 生菜种子、小麦种子由杨凌金种子公司提供。小麦种子为当地主栽品种小堰6号。

1.1.4 仪器 WD800CTL20-K4C型微波炉，格兰仕公司制造；300型TDR仪，美国SPECTRUM公司； 6孔平底形植物培养盒：大连市博励生物科技有限公司；721型分光光度计，上海昂拉；水浴恒温震荡培养器，常州恒德。

1.1.5 内生细菌(Bacillussp.) 分离自陕北榆林地区沙柳(Salixcheilophila)。将细菌单菌落转入LB液体培养基中(胰蛋白胨11 g/L,酵母膏4 g/L，氯化钠5 g/L，用水定容至1 L)，27 ℃振荡培养。用分光光度计在600 nm波长测定菌悬液浓度。

1.2 土壤化感效应及与活性木炭交互作用的生物测定

采用“三明治法”进行室内测定[7], 即将低熔点琼脂糖水溶液介质5 mL(熔点31～32 ℃，Promerge公司产品)按质量分数0.75%融化后分别加入植物培养盒的6个培养孔中,以保持湿度和排除培养孔中气体。待冷却平整后，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琼脂糖，待其冷却平整后，每孔再均匀放置5粒生菜种子，每个培养盒中设两个对照孔，一个为阳性对照孔，为不加活性木炭加土壤(以CK1计生物测定量)；另一个为阴性(空白)对照孔，不加活性木炭和不加土壤(以CK2计生物测定量)。炭土按3×3组合，每个组合3个重复孔，共27个处理孔和18个对照孔。培养孔填好后，盖上盖子密封，黑暗中恒温(25 ℃)培养3 d，取出后，小心将种苗拔出，在对数纸上放好后测量其胚根、胚轴长度，取每种处理种苗总平均长度值备用。

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

RS=(LCK1-LCK2)/LCK1×100%

RCS=(LCS-LCK2)/LCK2×100%

RC=(RCS-RS)/|Rs|×100%

式中：LCK1—阳性对照(培养盒中加土不加炭)作用下胚轴、胚根长度，mm；LCK2—阴性对照(培养盒中不加土不加炭)作用下胚轴、胚根长度，mm；LCS—炭土作用下胚轴、胚根长度，mm。

1.3 生物耦合炭制备

1.3.1 制备过程 将杉木活性炭在微波炉中加热控温至30、 37、 40、 45、 50 ℃，再将发酵后的细菌悬液(Bacillussp.，浓度5×106个/mL)迅速倒入活性木炭中分别热耦合10、 20、 30、 40、 50 min。细菌悬液以刚好浸泡木炭为止。热耦合后，将耦合炭在27 ℃恒温培养1 d后备用。

1.3.2 检测过程 称取1 g生物耦合炭，浸泡在5 mL的无菌水中1 h，摇匀后取浸泡液1 mL，用分光光度计在波长600 nm下测定浸泡液中细菌浓度,以LB空白液调零。此过程中，以光学显微镜辅助观察木炭表面细菌和芽孢数量。取浓度最大者为最佳耦合条件，并做小麦生长测定。

1.4 生物耦合炭对冬小麦生长的影响

将采集的农耕土风干后研细过筛，按每培养钵1 250 g称量，按1%质量分数加入食盐，并分别加入质量为0(对照)、 1、 3和6 g待测生物耦合炭，做3个重复样，充分混匀后装入培养钵，每钵插孔，均匀播种20粒小麦种子，定时浇水，温室中25 ℃恒温光照培养。待出苗后测量发芽率(出苗小麦粒数/20×100%)，10 d后测生长高度(cm),20 d后收割测生物量(g)。生物量测定仅取地上部，用剪刀在地茎处将小麦剪断，立即称量。用软件SPSS统计分析各处理差异。第一次浇足水后10 d，用300型TDR仪(按说明书操作)测定土壤保水能力，以土壤气孔容重水量体积分数表示，测定土壤毛细管中含水量体积占毛细管总体积的百分数。

2 结果与讨论

2.1 土壤化感效应及与活性木炭交互作用生物测定结果

将每处理3孔共15颗生菜种苗测量胚轴、胚根后，取测量均值，见表3。按公式计算后得土壤化感作用率、炭土作用率及净炭作用率，见表4。

由表3可见，炭土交互作用后种苗总平均胚轴长20.3 mm，胚根平均长30.2 mm，均较阳性对照值的17.4和25.5大。3种利用型的土壤对生菜胚根都有化感抑制作用，桃园土胚根化感作用率达 -40.7%，农耕土为-27.5%，雪松林下土为-16.5%。农耕土和雪松土促进胚轴生长，分别达 15.6%、 2.9%；但桃园土对胚轴生长有一定的抑制作用(-12.8%)。

加入炭材料后，土壤化感作用率得到抑制，净炭作用率多大于零，椰壳活性炭对桃园土胚轴净炭作用率达230.5%、杉木活性炭对雪松林下土胚轴生长净炭作用率达627.6%，但酸性土壤加入酸性的石炭后对胚轴却有一定的抑制作用，净炭作用率为-120.7%。杉木活性炭对桃园土胚根净炭作用率最大106.1%，其次是椰壳活性炭对桃园土胚根净炭作用率102.2%，杉木活性炭对农耕土胚根净炭作用率90.9%，以杉木活性炭效果最为稳定，胚根生长最好。

本研究中活性石炭pH值6.91，对碱性土壤改良效果比较明显，但对酸性的雪松林下土，活性石炭对生菜胚轴的生长却表现出抑制作用，可能与生长环境酸度过高有关系[8]。老桃园土通常存在比较严重的化感作用[9-10]，导致果园衰退并对其他植物的生长有一定的影响，研究表明，3种活性木炭对桃园土均有改良作用，其中椰壳活性炭、杉木活性炭效果较明显，尤其在促进根向下生长方面效果较好，可以避免表层土壤化感物质的抑制，同时富集周围的N、 P、 K，供给植物生长。在农耕土和桃园土处理中，加活性木炭的生菜种苗均较相应阳性对照组(没加活性木炭、加土壤)，无论胚轴胚根均生长更好。所有加木炭处理组生菜种苗胚根生长多不如阴性对照组(不加炭不加土)的胚根，但胚轴的生长却有差异，表明在胚萌发期间，除种子自身营养外，环境水分起主要作用，其次是环境中养分。本实验中供试种子遗传种质基本一致，在无水分胁迫下，木炭有可能在养分富集方面起到更大的作用，因而在不同的土壤利用型中发挥改良作用。

表3 生物测定结果

表4 炭土交互作用率

表5 不同温度和处理时间下浸泡液的吸光值

2.2 杉木耦合炭的制备条件探讨

筛选杉木活性炭作为耦合剂载体。耦合温度高于45 ℃处理10 min以上，木炭表面见不到细菌个体，浸泡液在波长600 nm下吸光值接近0，见表5。温度过高可能直接杀死了细菌，无细菌从木炭表面游离到水中。40 ℃以下的几个温度的不同耦合时间，均可以测得浸泡液吸光值，但以杉木活性炭在 40 ℃下耦合30 min为最大值。在该条件下，木炭载体表面布满丰富的细菌个体，且有较高的存活率， 27 ℃培养1 d，木炭表面细菌能够得到大量繁殖并产生大量芽孢。自然干燥后，细菌及芽孢在木炭表面休眠，可以长期保存备用。

2.3 杉木耦合炭对小麦生长的影响

杉木耦合炭对小麦高度均有显著的促进作用,以3 g处理组最为明显,促进率达37.3%。对生物量的影响差异不是很明显，以6 g处理组效果最显著，生物量促进率达18.8%，1 g和3 g处理组生物量较对照无差异,见表6。从生长状况观察，3 g处理组小麦萌发和前期生长都比较迅速，但后期叶色显黄，植株纤弱。6 g处理组小麦萌发率和前期生长比较缓慢，但后期叶色深绿，植株健壮，单株生物量最高。土壤容重水表明，土壤炭含量越高，土壤持水能力越强，以对照含水量最低，6 g处理组最高。6 g处理组在小麦生长方面效果优良。

活性木炭具有较强的吸附能力和微孔结构，可以修复土壤碳平衡,改善土壤微生物活性[9,11],促进土壤阳离子交换[12]，调节土壤N2O释放[13]，富聚周边水分和矿质营养，缓冲土壤环境的极大变化，有利于菌根菌及其他根际微生物的生长，从而促进植物的生长[7,11-12,14]。本研究中的内生细菌Bacillussp.分离自陕北毛乌素地区沙柳，对高盐浓度土壤和低水环境有较强的适应能力，并可为植物抗逆生长提供帮助。本试验表明，较高剂量的耦合炭在小麦生物量和土壤持水能力方面有显著影响，即使低剂量使用耦合炭，在促进小麦幼苗高度生长方面也有显著的影响。

表6 耦合炭对小麦生长的影响

3 结 论

3.1 选用活性石炭、椰壳活性炭和杉木活性炭3种活性木炭与杨凌地区3种不同利用型土壤(农耕土、雪松林下土和桃园土)组合测定生菜种苗萌发情况。结果表明，3种类型的土壤对生菜胚根生长均有一定的化感抑制作用。活性木炭及炭土交互作用对生菜生长影响差异显著。3种活性木炭对杨凌3种土壤均有改良作用，以杉木活性炭对农耕土壤和老桃园土壤改良效果最明显，胚轴/胚根净炭作用率分别为178.8%/90.9%、 178.9%/106.1%。酸性的活性石炭对酸性的松林下土壤改良效果不明显，胚轴净炭作用率为-120.7%。

3.2 杉木活性木炭与内生细菌Bacillussp.在40 ℃热耦合30 min后，在27 ℃恒温培养1 d，可以得到优良的耦合碳，耦合的细菌数量最大，并可长期保存。

3.3 生物耦合炭在保持土壤水分、抵抗土壤盐碱害、促进小麦生长方面效果显著。1 250 g农耕土，按1%质量分数加入食盐，加入3 g耦合炭处理组10 d高度生长促进率最大(37.3%,α=0.05)，加入6 g耦合炭处理组20 d后生物量促进率最大(18.8%,α=0.05)，10 d后土壤含水量最大。本试验范围内， 6 g 耦合炭处理组对小麦生长促进效果最好。

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