生物炭基接种剂：提升根瘤菌存活与豇豆产量的可持续载体创新

推荐：本研究深入探讨了农业废弃物生物炭（biochar）作为根瘤菌（rhizobia）接种剂载体的潜力，替代非可再生泥炭（peat）。结果表明，椰子纤维（CC）和甘蔗渣（SB）生物炭分别支持Bradyrhizobium存活长达16周和20周，并显著提高豇豆结瘤干重（p < 0.001）。尽管谷物产量（1774 kg ha?1 vs. 1524 kg ha?1）未达显著差异，但为撒哈拉以南非洲（SSA）的低成本、环保型农业提供了可行方案。

　　

研究背景与意义

在撒哈拉以南非洲（SSA），粮食安全和营养不良问题持续存在，主要归因于土壤肥力下降，尤其是氮（N）和磷（P）缺乏。化学肥料虽能提升作物生产力，但其高昂成本和环境问题（如水体污染）限制了小农户的使用。生物固氮（BNF）作为一种环保替代方案，通过根瘤菌（rhizobia）与豆科植物共生固氮，可减少肥料依赖。豇豆（Vigna unguiculata）作为关键作物，其产量提升依赖于高效根瘤菌接种剂。然而，传统载体如泥炭（peat）是非可再生资源，开采导致碳损失和环境退化，且在SSA国家稀缺，推高了生产成本。因此，本研究探索农业废弃物衍生的生物炭（biochar）作为低成本载体，评估其在增强Bradyrhizobium存活和豇豆产量方面的潜力，为可持续农业铺路。

材料与方法

研究地点与设计
试验在加纳库马西的Kwame Nkrumah University of Science and Technology（KNUST）进行，属半落叶农业生态区，年降雨量1500 mm，温度范围21–31.2°C。采用随机完全区组设计，设置四重复。
生物炭制备与表征
选取四种农业废弃物：椰子纤维（CC）、椰子壳（CS）、稻壳（RH）和甘蔗渣（SB），在500°C缺氧条件下热解1小时，研磨至粒径≤75 μm。载体物化性质包括pH、水分含量、有机碳（OC）、持水量（WHC）等，通过标准方法（如Walkley-Black法测OC）分析。初始pH（9.12–10.08）均调整至6.8以优化根瘤菌生长。
接种剂制备与存活监测
载体经γ辐射灭菌后，接种三种Bradyrhizobium菌株：本土精英株KNUST 1002和KNUST 1006，及参考株BR 3267（Bradyrhizobium yuanmingense）。菌液浓度调至1.0 × 10⁹ cfu/mL，载体接种后培养一周，4°C储存。存活率通过平板计数法每4周监测一次，持续24周，计算公式为：CFU/mL = 平均菌落数 × 1000 / 接种量 × 1 / 稀释因子。
田间试验与数据收集
在KNUST田间进行豇豆（品种Padi-Tuya）试验，处理包括5种载体（四种生物炭+泥炭对照）和3种菌株组合，加无接种对照。种植密度60 cm × 20 cm，开花期（50%）测定根瘤干重，生理成熟期收获并测定谷物产量（调整至12%水分）。数据用GenStat软件进行ANOVA分析，Tukey检验（p = 0.05）比较差异。

结果与分析

载体物化特性
生物炭载体特性差异显著：CC和SB持水量（WHC）较高（69.5%和73.5%），而RH最低（35.3%）。泥炭WHC最高（80.5%），但钾含量较低（表1）。所有载体pH调整后均达理想范围（6.0–7.0），符合根瘤菌生存需求。
根瘤菌存活动态
SB和CC载体表现最佳：BR 3267在SB中存活达20周（初始9.46 log₁₀cfu/g降至6.08），CC支持KNUST 1002存活16周（图1）。相反，CS和RH载体存活仅8周。泥炭对照全程维持最高存活率（24周），凸显其稳定性，但生物炭载体在可持续性上占优。
pH与水分变化
接种后载体pH波动：SB接种KNUST 1002从6.31升至7.88（