生物炭、有机肥与Bacillus（芽孢杆菌）联合处理改善石灰性碱性土壤中生菜的磷素营养、根际磷酸酶活性与生长

《Horticulturae》：Biochar, Organic Fertilizer and Bacillus Treatment Combinations Improve Lettuce Phosphorus Nutrition, Rhizosphere Phosphatase Activity and Growth in a Calcareous Alkaline Soil

　　

石灰性碱性土壤限制磷（P）营养，而温室生菜在短生产周期内需要快速养分供应。研究人员通过两季随机完全区组试验比较了8个处理：对照（C）、生物炭（BC；3.0 t ha^?1）、发酵有机肥（OF；3.0 t ha^?1）、四菌种芽孢杆菌（Bacillus）复合菌群（Bac）、BC + OF、BC + Bac、OF + Bac以及BC + OF + Bac。BC + OF + Bac在2025年和2026年均产生最高产量（58.09和59.60 t ha^?1）。与对照相比，该处理使产量提高15.5–17.2%，叶片P提高30.4–33.3%，根系P提高31.1–35.7%，根际碱性磷酸酶（ALP）活性提高158.8–186.6%，而酸性磷酸酶（ACP）活性下降23.4–25.5%。复合处理总体上还提高了营养生长及叶片大量和微量营养元素浓度。由于BC和OF直接供应养分，且复合处理经历了并非所有单组分处理共有的14天预培养过程，结果代表的是完整处理组合的表现，而非原生土壤P活化或组分协同作用的证据。因此，BC + OF + Bac组合在该石灰性碱性土壤中对生菜表现出较强的农艺潜力，但仍需开展养分平衡和配方标准化的试验以阐明其潜在机制。

研究背景方面，磷（P）是植物代谢和生长的必需元素，但也是农业土壤中移动性最差的大量元素之一。在石灰性碱性土壤中，高pH和CaCO₃有利于磷酸盐吸附和钙相关沉淀，限制了P向快速生长根系的供应速率。矿物磷肥的增施并不必然提高磷利用效率，因为施入的P可能被固定并累积为部分有效性的遗留P；同时磷矿资源有限且地理分布集中，过量P投入还增加生产成本和环境损失风险。因此，研究重点正转向循环利用有机养分资源和改善根际磷获取能力。生物炭可改变土壤物理性质、养分保持、吸附表面、微生物栖息地和pH，同时供应养分，但其农艺表现高度依赖背景条件；在碱性土壤中，生物炭的碱性可能优势有限甚至不利。有机肥可通过供应养分和易分解碳来补充生物炭，支持微生物活性和养分周转。植物促生根际细菌是另一条改善根际养分动态的途径，芽孢杆菌（Bacillus）因产孢能力和广泛的促生特性而成为有吸引力的接种剂，但体外强解磷活性并不总能在土壤中转化为作物磷获取的增加。生菜（Lactuca sativa L.）是敏感试验作物，其可销售叶生物量生产迅速，养分供应须匹配短生长周期。尽管已有上述文献，但在石灰性碱性土壤中同时测定生长、广泛矿质营养、根系P和根际磷酸酶、并组合生物炭、有机肥和多菌种芽孢杆菌接种剂的生菜系统直接证据仍然有限。本研究因此评价完整处理组合，并认识到不等的养分投入和配方历史限制了对单个组分或机制协同作用的归因。研究人员在2025和2026两个温室季节比较了8个处理：对照（C）、生物炭（BC）、有机肥（OF）、芽孢杆菌复合菌群（Bac）、BC + OF、BC + Bac、OF + Bac和BC + OF + Bac，目标是量化对营养生长、生物量和产量，叶片大量和微量营养元素浓度，叶片和根系P状况及根际ACP和ALP活性，以及处理响应跨季节一致性的影响。研究得出，BC + OF + Bac在两个温室季节均产生最高的生菜产量、叶片P、根系P和根际ALP活性，相对对照产量提高15.5–17.2%；同一处理还改善了若干生长和矿质营养性状，同时ACP活性下降。这些发现证明BC + OF + Bac处理在受试石灰性碱性土壤中表现强劲，但并未确立原生土壤P活化、芽孢杆菌持久性或机制协同作用，因为处理间养分投入和预培养历史不同。其重要意义在于，整合生物炭、有机肥和芽孢杆菌施用为改善石灰性碱性土壤中生菜生产力和磷素营养提供了有前景的策略，同时指出未来试验需采用养分平衡对照、标准化配方程序、完整记录接种剂和生物炭规格、处理后土壤P测定和微生物追踪，才能推断组分层面机制或广泛推荐。

关键技术方法方面，研究在土耳其?zmir省Torbal?区?ehitler村的私人温室开展两个冬季生长季（2025和2026）试验，采用随机完全区组设计（RCBD），4个区组、8个处理，每季32个小区，每季更换土壤以在新鲜土壤上建立试验并避免残留携带。供试土壤为石灰性碱性土，基础pH 7.72–7.78。试验材料包括：发酵固体牛粪有机肥（3.0 t ha^?1，提供60 kg总N ha^?1、60 kg P₂O₅ ha^?1和60 kg水溶性K₂O ha^?1）；由混合植物残体（叶、秸秆和农业残余物）经300–450 °C慢速低温热解制备的绿色废弃物生物炭（3.0 t ha^?1，含1.72% N和0.96% P，对应51.6 kg总N ha^?1和28.8 kg总P ha^?1）；以及含Bacillus subtilis、B. amyloliquefaciens、B. licheniformis和B. pumilus（各2.5 × 10⁷ cfu g^?1）的商业复合菌群。复合处理在混入前经14天预培养。供试生菜品种为Iceberg "Cartagenas RZ"，行距70 cm、株距30 cm，每小区净收获面积10.5 m²、48株，产量按47,619株 ha^?1密度由单株平均鲜质量计算。收获时每小区取5株代表性植株，收集根表2–3 mm根际土壤，用对硝基苯磷酸盐法测定ACP和ALP活性；植株样品经杀青烘干粉碎后测定叶片总N（Kjeldahl法）、P（钼蓝比色法）、K和Ca（火焰光度法）、Mg、Fe、Zn、Cu和Mn（原子吸收分光光度法），并测定根系P浓度。数据以小区为试验单位，每季单独分析，采用RCBD模型（区组和处理为固定效应），总体处理效应显著后行Tukey校正两两比较，并以HC3异方差稳健协方差作敏感性分析；对产量、叶片P、根系P和ALP四个焦点变量作BC、OF和Bac存在/缺失对比以描述非加性，附95%置信区间和Benjamini–Hochberg错误发现率校正；另对64个小区-季节剖面作z标准化主成分分析（PCA）进行探索性多变量可视化。

研究结果方面，3.1营养生长：两个季节中株高、根长和茎粗均受处理显著影响（各性状总体处理效应p < 0.001），BC + OF + Bac在营养性状中产生最高或并列最高均值；相对对照，该处理在2025和2026年分别使株高增加9.9%和8.0%、根长增加15.0%和15.5%、茎粗增加26.8%和21.0%。3.2生物量与产量：处理在两年均显著影响鲜、干生物量（p < 0.001），产量在处理间亦差异显著（p < 0.001）；BC + OF + Bac产量最高，2025和2026年分别达58.09和59.60 t ha^?1，对照为50.28和50.85 t ha^?1，对应增产15.5%和17.2%；OF + Bac为两年第二高产处理。3.3叶片大量和微量营养元素浓度：处理在两年均显著影响叶片大量元素浓度，BC + OF + Bac总体产生最高的N、K、Ca和Mg浓度；相对对照，该处理在2025和2026年分别使叶片N增加10.9%和12.3%、K增加1.7%和2.5%、Ca增加10.2%和11.9%、Mg增加23.5%和22.9%，叶片P增加30.4%和33.3%；P和Mg的相对响应最强，OF + Bac也产生较高养分浓度且在若干变量上与BC + OF + Bac无显著差异，而对照和单组分处理一般较低。处理在两年均显著影响叶片Fe、Cu和Mn浓度，总体由对照和单组分处理向复合处理增加；BC + OF + Bac在2025和2026年Fe浓度最高，达112.2和118.7 mg kg^?1，对照为98.0和102.1 mg kg^?1，增加14.5%和16.3%，OF + Bac也较高且与BC + OF + Bac统计相当，BC单施增幅较小；BC + OF + Bac使叶片Cu由2025年18.6增至23.2 mg kg^?1、2026年20.2增至24.4 mg kg^?1，增加24.7%和20.8%，OF + Bac也较高（22.6和23.9 mg kg^?1）；BC + OF + Bac在两年Mn浓度最高（32.7和34.3 mg kg^?1），对照为27.1和28.6 mg kg^?1，增加20.7%和19.9%，2025年该处理显著高于其余处理，2026年BC + Bac、OF + Bac和BC + OF + Bac间无显著差异并构成最高统计组。3.4根系P与根际磷酸酶：处理在两年显著影响叶片P、根系P和根际磷酸酶活性；BC + OF + Bac叶片P最高，由对照2025年0.56%增至0.73%、2026年0.48%增至0.64%，增加30.4%和33.3%；根系P呈类似响应，2025年由0.42增至0.57%、2026年由0.45增至0.59%，OF + Bac两年根系P统计相当。ALP活性呈最强生化响应，BC + OF + Bac使ALP由2025年125.8增至360.5 μg p-NP g^?1 soil h^?1、2026年由134.1增至347.1 μg p-NP g^?1 soil h^?1，增加186.6%和158.8%；相反，ACP活性随处理复合程度递增而下降，BC + OF + Bac最低，2025年由70.8降至54.2 μg p-NP g^?1 soil h^?1、2026年由65.2降至48.6 μg p-NP g^?1 soil h^?1，降幅约23.4%和25.5%。3.5稳健性与探索性多变量模式：HC3稳健推断确认两年所有确证性响应变量均存在高度显著的总体处理效应；对产量、ALP、叶片P和根系P的次要非加性对比不支持普遍的三组分协同，错误发现率校正后32个对比中仅一部分仍显著，名义p < 0.05而q > 0.05者视为不确定；64个z标准化小区-季节响应剖面的探索性PCA显示强处理梯度，PC1解释75.8%、PC2解释15.1%的标准化变异，对照和单组分处理主要位于PC1负分侧，OF + Bac和BC + OF + Bac位于正分侧，产量、叶片P、根系P和ALP沿该梯度正向载荷而ACP相反，该排序为描述性，不构成独立机制证据。

讨论部分总结：最重要的农艺结果是处理排名在两个季节间的稳定性，BC + OF + Bac两年产量最高、较未处理对照高15.5–17.2%，OF + Bac和BC + OF也位居最强处理之列；对短周期叶菜而言该幅度重要，因为可销售产量取决于根系探索、养分供应、光合叶扩展和水分关系的快速协调，该响应与生菜施肥研究及有机基质研究结果一致。该产量响应也处于更广泛生物炭综合分析的合理范围内，Dai等报告总体正的生产力响应，Bai等发现生物炭单施和生物炭-肥料组合常增产但效应量强烈受土壤和改良剂性质制约，Zhang等同样认为环境、原料、热解温度和管理措施调控产量响应；这些综合表明应将本研究的15–17%改善置于农艺上可能的生物炭响应范围内，而非视为普遍的非凡效应，也说明结果应 specifically 针对低有机质石灰性温室土壤解释而非外推至所有生产系统。生菜特异性生物炭和微生物研究支持同样的背景依赖性：Akumuntu等观察到稻壳生物炭改善生菜生长并伴随土壤酶和微生物群落变化，后续餐厨废弃物生物炭研究也报告更强磷酸酶活性、促生细菌富集和改善的生菜地上部性状；Fedeli等报告生物炭可在盐渍土壤条件下部分支持生菜表现但幅度取决于胁迫环境；相反，Massaccesi等发现生物炭和堆肥各自有益于地中海生菜系统但组合无明确协同证据，因此本研究处理排名支持整合管理，但文献警示不应将组合响应视为固有协同。叶片P和根系P在BC + OF + Bac下相对对照分别增加30.4–33.3%和31.1–35.7%；在石灰性土壤中P营养受钙相关沉淀和吸附、扩散、根际化学、根系构型和生物矿化支配，解磷细菌可影响其中若干过程，但本研究未测定处理后Olsen P、P组分、根际pH、可溶性P通量和有机酸，因此观察到的响应表明完整处理组合下植物P营养改善，而非证明原生固定P被活化。直接养分投入是该解释的核心：有机肥3.0 t ha^?1供应60 kg P₂O₅ ha^?1，生物炭供应28.8 kg总P ha^?1，这些为总投入而非即时有效P，但表明处理间养分供应及物理和生物学特性不同；生物炭-有机肥组合可改变P组分和植物P获取、磷酸酶活性和获P微生物群、土壤-微生物组-酶化学计量，但因试验未设养分平衡对照，无法分离直接施肥、生物炭效应、芽孢杆菌活性和其交互作用的相对贡献。Meta分析证据支持该解释并强调土壤pH的作用：Gao等发现生物炭提高农业研究中的有效P和微生物生物量P，Tesfaye等报告对有效P和植物P吸收的正效应，但Tesfaye等显示效益一般在酸性贫P土壤中最强，而本土壤已为碱性且生物炭pH为9.24；生物炭碱性源于原料灰分、盐基阳离子和加工化学，因此简单的石灰效应不太可能解释本响应，在这些条件下正P响应更可能反映养分添加、改变保持/解吸、有机配体、根系增殖和微位点微生物过程的综合效应。ALP响应是最强生化信号：BC + OF + Bac使ALP增加159–187%而ACP下降约25%，这种分化伴随更高的根系和叶片P，但ALP不应被解释为独立的因果驱动；胞外磷酸酶是受底物可用性、pH、微生物生物量、养分限制和酶稳定化调控的更广泛P循环网络的一部分，最强处理下根长和生物量也增加，较大根系可扩大根际表面积、碳输入和微生物活性从而促成测得的更高ALP；由于酶活性未对根表面积或微生物生物量标准化，根系发育、微生物活性、ALP和植物P获取间的因果方向无法解析。更广泛的酶综合分析有助于解释为何该响应需谨慎解读：Zhang等发现生物炭平均提高P循环水解酶活性但也识别出对原料、热解温度和土壤条件的强依赖，Kerner等同样报告微生物和酶对生物炭的响应随改良设计而变化，Deshoux等认为生物炭对微生物生物量和多样性的影响高度依赖背景，Chen等的生态酶Meta分析发现生物炭改变微生物养分限制但未普遍提高获P酶；因此本研究中极大的ALP响应是该处理系统的独特属性而非预期的生物炭效应。土壤反应可能解释ALP-ACP对比：ALP一般在中性至碱性条件下表现良好，而ACP与酸性条件关联更强并可反映植物或微生物P胁迫，初始土壤pH 7.72–7.78已有利于ALP；有机肥可能增加底物可用性和微生物生物量，生物炭可能稳定酶或改变微生物栖息地，低温生物炭因保留更多易分解化合物和富营养官能团而可比某些高温材料产生更强微生物响应；测得模式因此与日益由碱性P矿化过程主导的根际一致，但无法识别产酶生物。这一区分重要，因为本研究未测定phoD或phoX丰度、芽孢杆菌持久性、微生物生物量P或酶来源；Yuan等和Hu等表明长期或机制设计研究可将土壤P组分、磷酸酶基因、微生物群和植物P吸收联系起来，在将本ALP响应特异性归因于引入的芽孢杆菌复合菌群之前需要可比拟的分子层面研究。含芽孢杆菌处理总体改善生菜表现，OF + Bac两年均为第二高产；早期研究报道芽孢杆菌相关生物量、养分积累、光合性能和水分利用效率增加，根际细菌群落改变，以及养分胁迫下生长和矿质积累改善，这些研究支持生物学可行性但未确立本研究所用处理中运行的机制。然而，从微生物潜力向土壤P活化的外推应保持保守：Raymond等批判性综述解磷微生物并强调受控或体外条件下的强响应在田间土壤中常减弱，Li等同样讨论通过解磷细菌活化遗留土壤P的复杂性，Pan和Cai强调分子溶解性状在更广泛微生物群落内而非孤立运行；本温室试验比田间土壤更受控但仍含原生微生物竞争和强石灰性缓冲，由于未测定接种剂持久性、有机酸和可溶性P通量，恰当结论是含芽孢杆菌处理与改善表现相关，而非证明特定溶解途径。更广泛生菜文献也表明微生物产品可通过非单纯解磷途径影响作物表现：Demir等报告有效微生物施用改变生菜产量和生化性状，Bai等将芽孢杆菌接种剂与养分胁迫下系统代谢变化联系起来，因此当前N、K、Ca、Mg和若干微量营养元素的增加支持一般根际和根系生长效应而非P专一机制。复合处理所用14天制备期既是农艺特征也是解释局限：生物炭可吸附微生物细胞和溶解有机化合物，生物炭-芽孢杆菌配方已显示物理和生物稳定性、可行载体性能、改善土壤肥力和酶活性以及改变微生物群落和养分可用性；本试验中Bac单施于移栽时根区，而含Bac组合与生物炭和/或有机肥预培养14天，因此组合的更强响应可能反映早期接种剂定殖、载体制约、预培养期间底物驱动微生物活性或后续根际效应；未在施用和作物发育全程测定芽孢杆菌丰度，早期定殖无法与预培养配方效应区分。同样推理适用于低温生物炭化学：生物炭功能强烈受原料和热历史塑造，本研究300–450 °C生物炭相对属低温生物炭，可能比高温生物炭保留更多易分解有机官能团，潜在支持微生物关联同时贡献养分；因此若不独立交叉生物炭存在、接种时机和预培养，载体行为和养分释放无法分离。整合处理不仅提高叶片和根系P，还提高N、K、Ca、Mg、Fe、Cu和Mn浓度；这种广泛矿质响应与改善的根长、茎粗和生物量一致，因为更大更活跃的根系可探索更多土壤并支持更大养分获取，也与有机肥和生物炭的养分贡献一致。Olszyk等显示生物炭可改变生菜叶必需营养组成，Oliveira等证明枯草芽孢杆菌接种可增加生菜若干大量元素积累，Bai等同样报告贝莱斯芽孢杆菌接种后养分胁迫下大量和微量元素积累改善。微量营养元素响应在石灰性土壤中需特别注意，因为高pH一般降低Fe和Zn溶解度；Vahedi等显示生物炭和微生物接种可改变石灰性土壤中P、Fe和Zn生物有效性，Rodríguez-Vila等证明生物炭以土壤pH依赖方式改变叶菜微量营养元素有效性和吸收；有机配体、螯合、改变吸附和更大根系探索可能贡献，但本研究未直接测定，因此Fe、Cu和Mn的增加应解释为处理相关的组织矿质状态改善，而非铁载体介导活化的证明。统计层级围绕观察到的8个处理设计：Tukey校正比较识别BC + OF + Bac在若干农艺和P相关响应中为最高或并列最高处理，HC3敏感性分析确认确证变量中强总体处理效应；这些结果支持完整处理间差异，但未将试验转化为三组分的养分平衡析因检验。次要非加性对比强化该区分：一些名义对比为正或负，但若干在错误发现率校正后未保持显著，此类结果在多重性校正后视为不确定而非协同或拮抗互作证据；这与生菜证据显示组合改良剂不必然产生协同以及更广泛生物炭-肥料综合分析显示背景依赖响应一致。从生产角度看，BC + OF + Bac的15–17%产量优势对短周期蔬菜可能重要，但三组分处理与对照或单组分处理不在相同投入基础上，其接受额外改良剂质量和养分并经历独特14天配方过程，因此其优越表现应解释为完整管理组合的结果而非三组分内在协同的证据；需养分平衡对照和标准化制备历史以分离组分层面效应。外部有效性和可重复性也仍有限：生物炭响应随土壤pH、肥力、质地、原料和施用率变化，微生物响应随生物炭和土壤性质变化，因此本试验确立的是一个温室土壤和一个生菜品种上的强响应而非普遍推荐；每季更换土壤并重建试验避免了年份间残留土壤携带，未来验证应包括养分平衡对照、可比处理间相同预培养、记录接种剂量、处理后P组分、根际pH、微生物生物量P、芽孢杆菌丰度和田间规模测试，解磷接种剂的批判性综述同样强调持久性和环境背景的重要性。结论部分翻译：在两个温室季节中，BC + OF + Bac产生最高的生菜产量、叶片P、根系P和根际ALP活性，相对对照产量增加15.5–17.2%；同一处理还改善若干生长和矿质营养性状，而ACP活性下降。这些发现证明BC + OF + Bac处理在受试石灰性碱性土壤中表现强劲，但未确立原生土壤P活化、芽孢杆菌持久性或机制协同作用，因为处理间养分投入和预培养历史不同。未来试验应在推断组分层面机制或广泛推荐之前采用养分平衡对照、标准化配方程序、完整记录的接种剂和生物炭规格、处理后土壤P测定和微生物追踪。