為了明確生物炭與土壤微生物相互作用對農(nóng)作物生長的影響，以探討生物炭提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的作用機理，我們在實驗室條件下，分析比較了不同生物炭及其水溶性成分對土壤有益微生物生長的影響，并采用盆栽試驗技術(shù)，在滅菌的土壤中引入生物炭和解磷/鉀微生物，通過生物炭和土壤微生物對土壤理化特性和作物生長影響的差異性分析，探究生物炭與微生物互作對作物生長促進作用的機理，隨后從生物炭改良土壤中分離獲得一株能夠合成吲哚乙酸植物激素的土壤微生物，說明生物炭在土壤改良過程中能夠通過對土壤微生物的差異性影響，調(diào)節(jié)土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)和微生物活性，形成有利于作物生長的土壤微生物環(huán)境并提升土壤肥力，促進農(nóng)作物生長，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。
1.雖然已有文獻表明生物炭能夠誘導(dǎo)改變科及以上水平的微生物菌群分布，但在屬或種的水平上生物炭是如何影響單一菌種變化的相關(guān)研究還非常有限，為此，本文在實驗室條件下研究了生物炭及其水溶性化合物對細(xì)菌個體生長的影響。結(jié)果證明生物炭對不同細(xì)菌的生長有不同的影響，不同原料來源的生物炭對同一細(xì)菌的生長也有不同的反應(yīng)。玉米芯來源生物炭能夠極大促進大多數(shù)被測試細(xì)菌的生長，但其中的4種細(xì)菌Bacillus pumilus ACCC04306、B.licheniformis、B.cereus和Kitasatospora viridis的生長卻被稻殼來源的生物炭所抑制。所有被測試的3種不同來源的生物炭都能夠極大地支持B.mucilaginosus菌的生長，但卻抑制K.viridis菌的生長。更為重要的是，同一種生物炭對于不同種的細(xì)菌生長呈現(xiàn)差異性的影響，即使當(dāng)2株菌屬于同一個種時可能也有不同的影響作用，說明生物炭對細(xì)菌微生物生長的影響具有種屬特異性。玉米芯來源的生物炭對B.thuringiensis菌表現(xiàn)出最強烈的吸附作用，但其呈現(xiàn)最大生長促進作用的細(xì)菌卻是B.mucilaginosus菌，表明生物炭的多孔結(jié)構(gòu)不是影響細(xì)菌生長的唯一因素。由于生物炭中的水溶性化合物對被測試細(xì)菌生長的促進或抑制作用，當(dāng)水洗處理后的生物炭用于細(xì)胞生長促進作用研究時，其對被測試菌生長的影響也可能會發(fā)生相應(yīng)的變化。未經(jīng)水洗處理的生物炭促進細(xì)菌的細(xì)胞生長，但水洗處理后的生物炭則轉(zhuǎn)變?yōu)橐种萍?xì)胞生長，說明新鮮生物炭中的水溶性化合物在微生物生長過程中扮演重要作用，且這種影響是種屬依賴型的。生物炭也能夠通過促進某些土壤微生物細(xì)菌的生長，強化微生物的解鉀/解磷活性，以幫助提高土壤肥力，增加農(nóng)作物產(chǎn)量，其中，生物炭的吸附作用可使膠質(zhì)芽孢桿菌B.mucilaginosus的活性提高5.9倍。更有意思的是，生物炭的吸附作用不僅能夠影響細(xì)菌微生物的生長，而且，微生物細(xì)胞的生長活性還能通過生物炭的吸附作用得到極大的改善。
2.為了考查生物炭與微生物互作對土壤理化特性的影響，我們采用盆栽試驗方法，分析比較了分別添加生物炭和土壤微生物后土壤理化性質(zhì)的變化。多孔結(jié)構(gòu)和吸附性賦予生物炭改良土壤的能力，通過在種植有小白菜的土壤中添加生物炭發(fā)現(xiàn)，雖然生物炭能夠提高土壤p H值，但是當(dāng)土壤中同時引入微生物時，則由于生物炭與土壤微生物的相互作用，導(dǎo)致p H值的增幅加大。當(dāng)將生物炭與土壤微生物同時添加到土壤中后，土壤有機質(zhì)的含量不僅比未添加生物炭的土壤高，而且也比僅添加生物炭的土壤含量高，而且這種改變具有生物炭劑量相關(guān)性。因為在土壤中引入土壤微生物時發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠促進相關(guān)微生物的生長活性，而且還提高了土壤中氮磷鉀的含量，與未添加生物炭的對照試驗相比，分別增加了6.8%、45.5%和46.%。因此，生物炭在土壤中能夠通過促進土壤微生物的生長和活性，提升土壤肥力，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
3.為了證實生物炭與微生物互相能夠提升土壤肥力，我們將生物炭和土壤微生物引入種植有小白菜的土壤中，分析比較了不同土壤處理時小白菜的生長情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是單獨添加生物炭或土壤微生物，還是合并添加生物炭與土壤微生物，小白菜的株高都沒有明顯改變。但是與未添加生物炭的土壤相比，在添加有生物炭土壤中生長的小白菜鮮重最高增加了13.1%，而同時添加生物炭和微生物土壤中生長的小白菜鮮重最大增加了14.8%。這種生物炭與土壤微生物的互作，使得小白菜鮮重比單獨添加微生物的土壤提高了7.7%，說明生物炭與土壤微生物的互作能夠促進小白菜的生長。而且這種生物炭與微生物互作對小白菜生長的影響，不僅與生物炭自身的多孔結(jié)構(gòu)和吸附性有關(guān)，而且還與生物炭制備過程中形成的水溶性化合物密切相關(guān)。通過對小白菜中氮磷鉀元素含量的分析發(fā)現(xiàn)，生物炭與土壤微生物的互作能夠?qū)⑿“撞酥械牡睾刻岣?3.3%，磷元素含量提高1.4倍，但對小白菜中的鉀元素含量沒有顯著影響。所以，生物炭與微生物互作能夠促進小白菜生長，增加小白菜中氮磷元素含量。
4.吲哚乙酸可以作為一種植物激素調(diào)控植物的生長與發(fā)育，因此科學(xué)家們一直在持續(xù)尋找吲哚乙酸生產(chǎn)菌，并研究其在促進植物生長方面的潛在應(yīng)用價值。本文從生物炭改良大田的玉米根際土壤中分離得到一株吲哚乙酸生產(chǎn)菌，該菌株為革蘭氏染色陰性的兼性厭氧桿菌。表型分析和16S r RNA基因序列分析表明該菌株應(yīng)該是腸桿菌屬Enterobacter中的一個新菌。我們將其定名為Enterobacter sp.LX3。LX3菌在營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基中能夠產(chǎn)生高達(dá)200 mg/L的吲哚乙酸，并能夠促進大麥發(fā)育和提高植物葉綠素水平，說明LX3菌具有生物肥開發(fā)的巨大潛力。
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