生物炭与堆肥或磷肥联用提升热带酸性土壤大豆产量与根瘤菌接种效果的研究

本研究系统探讨了生物炭（B）与堆肥（CM）或磷源（RP/TSP）联用对热带酸性土壤改良、大豆（Glycine max L.）根瘤菌（Bradyrhizobium japonicum）接种效应及产量的协同促进作用。结果表明，B+CM处理显著提高土壤pH、CEC、SOC及有效磷含量，促进根瘤形成（93个/株）和氮磷吸收，最终实现大豆籽粒产量显著提升，为热带地区可持续农业提供有效土壤管理策略。

　　

1 引言

热带稀树草原生态系统中作物产量潜力仅实现30%–60%，主要限制因素包括土壤肥力低下、养分生物有效性低及传统施肥措施效果有限。本研究采用综合土壤管理策略，通过接种Bradyrhizobium japonicum并联合施用稻壳生物炭与堆肥或磷肥，以改善土壤肥力、促进大豆生长及提高籽粒产量。热带酸性土壤普遍存在有机碳（SOC）、pH和阳离子交换量（CEC）低于植物最优生长阈值的问题，导致磷（P）和氮（N）生物有效性受限。单一无机肥在热带土壤中效益较低，主因磷吸附和氮淋溶强烈。因此，集成生物炭、有机/无机肥与根瘤菌接种的协同管理策略被推荐用于热带农业系统。

2 材料与方法

2.1 实验设计

实验在加纳几内亚草原带温室中进行，供试土壤为Petroplinthic Cambisol，砂粒45.7%、粉粒48.4%、黏粒5.9%，初始pH 7.0，SOC 4.1 g kg^?1，全氮（TN）0.4 g kg^?1，CEC 33 mmol_c kg^?1。设置处理包括：1% w/w（20 t ha^?1）稻壳生物炭（B）、0.5% w/w（10 t ha^?1）堆肥（CM）、0.5% w/w生物炭+堆肥（B+CM）、生物炭+磷矿粉（B+RP）、生物炭+三重过磷酸钙（B+TSP），RP与TSP用量均为0.003% w/w（0.06 t ha^?1）。接种与不接种Bradyrhizobium的大豆种植91天，测定产量指标与土壤化学性质。

2.2 大豆生长与农艺管理

每盆播种3粒大豆，间苗至2株/盆。4周后喷施系统性杀虫剂（毒死蜱50%+氯氰菊酯5% EC），花期和结荚期喷施联苯菊酯防治害虫。每2周测量株高，花期（种植后6周）取样测定根瘤总数与有效根瘤（内部粉红色）数量。成熟期测定荚长、单株荚数、每荚粒数与籽粒产量。

2.3 土壤与植株分析

土壤与植株样品经60°C烘干3天后粉碎，用元素分析仪测定全碳（TC）、全氮（TN），ICP-OES测定P、K、Ca、Mg、Al、Fe浓度。pH采用土壤与0.1 M CaCl₂以1:5比例测定，电导率（EC）以土壤:去离子水1:5测定。有效磷用氟化氢提取-钼蓝法测定。阳离子交换量（CEC）通过NH₄Cl交换-ICP-OES测定交换性离子总和计算。氮磷利用效率（ANUE、APUE）按公式计算：ANUE = (Y_N – Y₀) / N_applied，APUE = (Y_P – Y₀) / P_applied。

2.4 统计分析

采用R语言进行多元方差分析（MANOVA），Shapiro-Wilk检验数据正态性，Tukey HSD进行事后检验，Pearson相关矩阵与主成分分析评估产量参数与土壤肥力属性关联。

3 结果

3.1 土壤化学性质

1%生物炭使SOC从4.3增至8.4 g kg^?1，pH提高0.6单位。B+CM处理效果最优，显著提升TN（1.24 mg kg^?1）、pH（5.68）、CEC（41.2 mmol_c kg^?1）和EC（9.49 mS m^?1）。B+RP与B+TSP显著提高有效磷含量。接种根瘤菌在B+CM处理中进一步增加TN浓度。

3.2 大豆结瘤

生物炭与堆肥分别增加根瘤18和31个/株，B+CM处理根瘤数最高（93个/株），显著高于对照（51个/株）。B+RP与B+TSP处理结瘤数相近，但低于B+CM。接种根瘤菌在改良土壤中显著促进有效根瘤形成。

3.3 大豆氮磷吸收与利用效率

生物炭略微提高N、P吸收（0.09 g kg^?1和0.01 g kg^?1）。CM与B+CM处理植株氮浓度最高，B+RP与B+TSP处理磷吸收显著增加。接种根瘤菌在堆肥处理中进一步改善氮吸收。

3.4 大豆地上部生物量与籽粒产量

生物炭单独施用增加籽粒产量5 g/株，而CM、B+CM、B+RP、B+TSP处理产量显著高于对照与单施生物炭。B+CM处理地上部生物量与籽粒产量最高，接种根瘤菌进一步强化该效应。

4 讨论

4.1 土壤化学性质

生物炭与堆肥通过碱性物质（COO^?、CaCO₃、Mg²⁺、K⁺）中和H⁺，提高pH。有机质增加促进养分吸附与CEC提升。B+CM处理因碳氮输入与微生物活化增强矿化释放养分。生物炭协同磷肥减少Fe、Al对P的固定，提高磷有效性。

4.2 根瘤形成与有效性

土壤改良剂通过提供Ca、调节pH、供应启动氮磷，促进根瘤菌共生。B+CM处理因养分充足与土壤结构改善，为接种菌提供生存优势，减少土著菌竞争，显著增加结瘤数。

4.3 氮磷吸收机制

养分浓度升高遵循米氏方程，根表离子增加直接促进吸收。堆肥矿化与磷肥溶解提供有效N、P，生物炭改善扩散条件，根瘤菌增强根系形态进一步强化吸收能力。

4.4 产量形成

生物炭通过SOC与pH改良基础地力，堆肥提供全面养分，二者协同最大化产量效应。B+RP在生物炭作用下溶解度提升，效果接近TSP。接种根瘤菌在优化土壤中充分发挥固氮潜能，与改良措施产生正向交互。

5 结论

生物炭与堆肥联用显著改善热带酸性土壤理化性质，提高pH、CEC、SOC及养分有效性，促进大豆根瘤形成、氮磷吸收与产量提升。B+CM处理结合接种Bradyrhizobium表现最优，为资源有限的小农系统提供可持续增产策略。未来需开展田间验证并深入解析土壤-大豆-根瘤菌互作机制。