生物炭與微生物菌劑配施對連作半夏土壤養分及生長的影響

摘要：為明確生物炭與微生物菌劑（10億CFU/g多黏類芽孢桿菌）配施對信陽地區連作半夏土壤養分、生長發育及產量品質的影響，為今后利用生物炭和微生物菌劑緩解半夏連作障礙提供理論支撐，以信陽息半夏為研究對象，在復合肥減半的前提下，設置生物炭單施（1 500" kg/hm2）、生物炭（1 500 kg/hm2）分別與微生物菌劑（7.5、15.0、30.0 kg/hm2）配施4個處理，分析生物炭與微生物菌劑配施對連作半夏生長及土壤養分含量的影響。在土壤養分方面，與CK相比，生物炭與微生物菌劑配施處理（1 500 kg/hm2+7.5 kg/hm2、1 500 kg/hm2+15.0 kg/hm2、1 500 kg/hm2+30.0 kg/hm2）的土壤全氮含量、全鉀含量、堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有機質含量、pH值分別提高 37.96%～70.07%、17.65%～22.88%、4.77%～10.08%、9.99%～19.18%、12.15%～25.91%、9.89%～21.60%、15.21%～22.82%，土壤電導率下降23.76%～27.66%，生物炭1 500 kg/hm2與微生物菌劑30.0 kg/hm2配施效果最好。生長發育方面，與CK相比，單施生物炭處理下，半夏出苗率提高11.43%，株高、葉長、葉寬分別增長5.60%、21.97%、7.69%，SPAD值增加9.36%；生物炭與微生物菌劑配施各處理對出苗率、株高、葉長、葉寬、SPAD值的促進效果均顯著高于生物炭單施處理，其中以生物炭1500 kg/hm2＋微生物菌劑30.0 kg/hm2配施效果最好，與CK相比，出苗率、株高、葉長、葉寬、SPAD值的增長率分別為30.96%、25.20%、49.01%、21.37%、23.25%。產量方面，生物炭單施處理對半夏塊莖數、鮮重、干重提升效果明顯，分別比CK增加41.73%、64.58%、59.55%；生物炭與微生物菌劑配施各處理對塊莖數、單粒重（百粒重）、鮮重、干重分別比CK增加43.31%～54.72%、48.34%～55.63%、123.87%～134.47%、110.25%～127.17%，且優于生物炭單施處理，處理間差異不顯著。品質方面，生物炭與微生物菌劑配施處理下，半夏的總生物堿、有機酸、浸出物含量分別比CK提高6.67%～13.33%、1.70%～17.05%、5.18%～6.47%，生物炭1 500 kg/hm2＋微生物菌劑30.0 kg/hm2配施處理對品質的提升效果最好。在復合肥用量減半的前提下，生物炭與不同量微生物菌劑配施處理對土壤養分、半夏生長指標、產量品質均有積極的影響，效果優于生物炭單施。整體來看，生物炭1 500 kg/hm2＋微生物菌劑（10億CFU/g多黏類芽孢桿菌）30 kg/hm2配施處理，對半夏土壤養分、生長發育和產量品質提升效果最佳，可推廣應用于半夏種植過程中。

關鍵詞：半夏；生物炭；微生物菌劑；品質；土壤養分

中圖分類號：S567.23+9.06" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）14-0135-06

收稿日期：2024-02-17

基金項目：河南省高等學校重點科研項目（編號：21B210009）；河南省科技攻關項目（編號：222102110247）；信陽農林學院青年教師科研基金（編號：QN2021060）。

作者簡介：谷清義（1982—），男，河南泌陽人，碩士，講師，從事藥用植物栽培與應用。E-mail：271490029@qq.com。

通信作者：張耀洲，碩士，副教授，主要從事中藥資源開發與應用。E-mail：23612085@qq.com。

半夏［Pinellia ternata（Thumb.） Breit.］為天南星科多年生草本植物，以干燥塊莖入藥，具有燥濕化痰、降逆止嘔、消痞散結的功效［1］。河南省信陽市息縣地區的半夏因個大、粉足、療效好等優點，備受市場青睞，有息半夏之稱［2］。近年來，息半夏人工種植面積逐年增加，過量施用化肥、連作障礙等問題突出，影響到息半夏的品質。因此，減少化肥用量，尋求替代肥，改善連作土壤，是半夏種植過程中的必然趨勢［3］。生物炭是生物質在無氧或低氧條件下經熱裂解產生的富碳性炭化物，具有細密多孔、比表面積大、吸附性能好等特點［4］。生物炭具有保水保肥、調節土壤溫度、改良土壤團粒結構、吸附農藥殘留和重金屬等功能［5-8］。同時，生物炭還可為土壤微生物提供生存場所，對增強作物長勢有明顯效果［9］。中藥材種植中施用生物炭，對提高藥材成活率、改善土壤理化性質、提高藥材產量和品質也有良好效果［10］。微生物菌劑是區別于化學肥料的一種新型微生物肥料，在加速有機肥分解、提高肥料利用效率、改善根系土壤微環境、促進植物生長、提高植株抗逆能力等方面效果顯著［11］。但是，過量施入生物炭會影響銨離子的釋放，進而影響作物對養分的吸收利用［12］。而微生物菌劑受環境因素的影響較大，不同菌劑施入不同土壤后產生的效果也不盡相同，存在效果不穩定的情況［13］。因此，將生物炭和微生物菌劑配施，二者可發揮協同增效作用，實現優勢互補。研究表明，稻殼炭、煙稈炭可以提高三七的成活率，緩解三七連作障礙［14］。趙林艷等的研究表明，生物炭可提高三七根際土壤 pH值、有效鉀含量，還可顯著降低鐮刀菌屬微生物的相對豐度，對降低三七根腐病的發生有積極意義［15］。李珍等發現，在生物炭與復合肥配施處理下，穿心蓮的形態指標和生理指標可呈先升后降的趨勢［16］。程啟東等的研究表明，竹炭可增加廣藿香的株高、莖粗、葉面積、葉綠素含量及單株干鮮重，并可提高廣藿香有效成分百秋里醇的含量［17］。呂亮雨等研究發現，施用微生物菌劑的枸杞，其葉片的過氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）活性顯著增強，光合特性得到改善，枸杞株高、冠幅、結果枝長等數值顯著提高［18］。王琳等發現，施用微生物菌劑后，金銀花的木犀草苷、綠原酸、浸出物含量明顯提高［19］。栗瑞紅等研究認為，多維特抗菌劑可以有效改善蒙古黃芪根際真菌群落結構，減少病原真菌數量，有利于提高連作蒙古黃芪的抗病性，增加蒙古黃芪的生物量［20］。羅成等發現，微生物菌劑處理三七種子，可促進三七地上部生長并提高存苗及種苗皂苷含量的積累［21］。唐漢萌等研究了生物炭和微生物菌劑對半夏連作土壤、生長及生理指標的影響，但并未研究化肥減施條件下二者的配施效果［22-23］。本試驗在化肥減半的前提下，將生物炭、微生物菌劑按不同比列配施，通過測定半夏土壤的理化性質、半夏生長及生理指標，篩選出最佳配比，以期為半夏高質量綠色栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試半夏種莖來自于河南省息縣，直徑為 1.0～1.5 cm，經信陽農林學院陳瓊教授鑒定為天南星科植物半夏［Pinellia ternate（Thumb.）Breit.］的新鮮塊莖。

供試生物炭為玉米芯生物炭，購自河南立澤環保科技有限公司，基本理化性質如下：pH 值為9.46，含有機碳42.21% 、全氮8.34%、全磷2.31%、全鉀16.12%、灰分7.23%。供試微生物菌劑為 10億CFU/g 多黏類芽孢桿菌可濕性粉劑，購自武漢科諾生物科技股份有限公司。基肥為三元復合肥（N、P、K含量均為15％），史丹利農業集團股份有限公司生產。

1.2 試驗設計

試驗于2023年3月15日在信陽農林學院試驗基地（32°16′N，114°13′E） 進行，試驗區連續3年種植半夏。土壤基本理化性質如下：pH值5.27，含有機質16.56 g/kg、全氮（TN）1.275 g/kg、堿解氮151.67 mg/kg、全磷（TP）0.49 g/kg、有效磷（AP）19.71 mg/kg、全鉀（TK）3.95 g/kg、速效鉀（AK）158.61 mg/kg，電導率（EC值）為466 mS/cm。

試驗共設置5個處理。CK為復合肥常規施用，按推薦用量750 kg/hm2施用；其他處理為常規復合肥減施50%，即375 kg/hm2，配施生物炭（A）、微生物菌劑（B），具體處理見表1。生物炭的用量固定，按推薦用量1 500 kg/hm2施用，微生物菌劑施用量設置4個水平：0（B0）、7.5 kg/hm2（B1）、15.0 kg/hm2（B2）、30.0 kg/hm2（B3）。每個處理重復3次，共15個小區，每個小區面積2 m2。種植帶芽頭半夏塊莖，直徑為1.0～1.5 cm；每個小區播種塊莖 100粒。

1.3 樣品采集與指標測定

1.3.1 土壤理化性質測定方法

于2023年10月1日采集土樣，按照5點混合取樣法采集半夏根區土壤，去除雜質，室內通風陰干。參照《土壤農化分析》，測定全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有機質、有效磷、速效鉀含量及pH值、電導率等指標［24］。

1.3.2 半夏生長、產量測定方法

在2023年4月1日調查各小區出苗數。在佛焰苞期（2023年5月10日），用直尺測量不同處理的株高、葉片長和寬，用葉綠素測定儀測定中間小葉片的SPAD值。

在10月1—10日收獲各小區內所有半夏塊莖，將收獲的塊莖用清水洗凈，記錄各小區收獲的塊莖數；過1.0 cm篩后，測定剩余塊莖的平均直徑（游標卡尺測量），測定塊莖總鮮重；然后用鋼絲球將收獲的塊莖去皮，在 60～70 ℃條件下烘至恒重，使用萬分之一天平測定各小區塊莖總干重。

1.3.3 半夏品質測定方法

半夏的含水量、灰分、浸出物含量分別按照2020版《中華人民共和國藥典》通則0832第二法（烘干法）、通則2302、通則2201進行測定；有機酸含量、總生物堿含量參照肖錦的方法［25］進行測定。

1. 4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016軟件整理數據，采用DPS軟件對數據進行方差分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對半夏土壤理化性質的影響

由表2可知，與CK相比，生物炭與微生物菌劑配施處理（AB1、AB2、AB3）下，除對土壤全磷含量無明顯效果外，其他指標均有顯著變化。其中，全氮含量提高了37.96%～70.07%，全鉀含量提高了17.65%～22.88%，堿解氮含量提高了4.77%～10.08%，速效磷含量提高了9.99%～19.18%，速效鉀含量提高了12.15%～25.91%，有機質含量提高了9.89%～21.60%，pH值提高了15.21%～22.82%，以上指標均以AB3處理的提升幅度最大，與其他處理之間有顯著性差異（Plt;0.05）。生物炭施用量相同條件下，配施微生物菌劑處理（AB1、AB2、AB3）的全氮、全鉀、速效鉀含量和pH值均顯著高于單施生物炭處理（AB0），AB3的堿解氮、有機質含量顯著高于其他處理，AB1、AB2與AB0無顯著差異。與CK相比，4個處理均使土壤電導率顯著下降（Plt;0.05），下降幅度為23.76%～27.66%。綜合來看，AB3處理對土壤理化性質影響最大，除全磷含量外，對其他土壤養分和pH值有較高的提升作用，對土壤電導率的降低作用幅度較大。

2.2 生物炭與微生物菌劑配施對半夏生長的影響

2.2.1 生物炭與微生物菌劑配施對半夏出苗率的影響

由圖1可知，與CK相比，播種后15 d，各處理均提高了半夏的出苗率，生物炭單施（AB0）比CK提高了11.43%，與AB1無顯著差異。AB1、AB2、AB3處理的出苗率呈現隨菌劑施用量的增加而增加的趨勢。AB3處理的出苗率最高，比CK提高了30.96%，比AB0提高了17.53%。說明生物炭和微生物菌劑配施，能顯著提高半夏的出苗率，生物炭 1 500 kg/hm2 配施30.0 kg/hm2微生物菌劑（AB3處理）的效果最好。

2.2.2 生物炭與微生物菌劑配施對佛焰苞期半夏生長狀況的影響

由表3可知，各處理對半夏生長指標具有顯著的提升效果，單施生物炭（AB0）株高比CK提高0.28 cm， 提高5.60%； 小葉長、小葉寬

分別比CK增加0.78、0.09 cm，分別提高21.97%、7.69%；SPAD值提高了3.06，提高9.36%，與CK有顯著性差異（Plt;0.05）。生物炭和微生物菌劑配施處理（AB1、AB2、AB3）下，各指標均隨微生物菌劑施用量增加而增加，AB3對各指標影響最大，與各處理呈顯著性差異（Plt;0.05）。與CK相比，AB3對半夏生長指標的影響最為顯著，株高增加了 1.26 cm，增加25.20%；小葉長、小葉寬分別提升1.74、0.25 cm，提升幅度分別為49.01%、21.37%；小葉SPAD值增加了7.60，增加幅度為 23.25%。與生物炭單施（AB0）相比，AB2、AB3處理對株高、小葉長、小葉寬、SPAD值的提升更為明顯；株高分別提升5.68%、18.56%，小葉長分別增加5.77%、22.17%，小葉寬分別增加6.35%、12.70%，SPAD值分別提高7.97%、12.70%。

2.3 生物炭與微生物菌劑配施對半夏產量的影響

由表4可知，單施生物炭、生物炭與菌劑配施均能對半夏產量產生顯著影響。與CK相比，單施生物炭（AB0）處理的塊莖數增加了 106粒/m2，增加41.73%；單粒重、百粒重分別增加了0.22、22 g，均增重了14.57%；半夏鮮重增加了247.69 g/m2，增重64.58%；干重增加了 174.25 g/m2，增重59.55%。配施處理（AB1、AB2、AB3）與CK相比，整體對產量有顯著提升，塊莖數增加43.31%～54.72%，單粒重、百粒重均增加48.34%～55.63%，鮮重增加123.87%～134.47%，干重增加110.25%～127.17%，整體上與CK、AB0處理相比具有顯著性差異，增產效果明顯。生物炭與菌劑配施處理之間，除AB1與AB2、AB3在塊莖數上有顯著差異外，其他產量指標均無顯著性差異。

2.4 生物炭與微生物菌劑配施對半夏品質的影響

由圖2可知，相較于CK，生物炭與微生物菌劑配施對半夏品質指標有顯著影響，總生物堿含量提高6.67%～13.33%，3個配施處理均顯著高于生物炭單施（AB0），AB3處理顯著高于AB0處理；有機酸含量提高了1.70%～17.05%，AB2、AB3相較于生物炭單施（AB0）提升顯著；浸出物含量提高5.18%～6.47%，AB3相較于生物炭單施（AB0）提升顯著。灰分含量提高13.64%～24.83%，在藥典規定標準（≤4.0%）以下。含水量方面僅處理AB3有提升作用，也低于藥典規定標準（≤13%），其他處理均和CK相當。

3 討論

筆者研究發現，半夏連作土壤各項理化指標不理想，土壤板結硬化、土壤電導率升高、pH值較低、土壤有機質含量較低、土壤養分失調等進一步導致半夏產量與品質不高，這與前人的研究結果［26-27］一致。秸稈生物炭對提升土壤肥力，促進逆境環境脅迫下的作物生長及提高作物產量和品質有明顯效果［28］。本試驗中，單施生物炭處理（AB0）土壤全氮含量提升10.95%，全鉀含量提升6.75%，堿解氮含量增加3.78%，速效磷含量提升7.34%，有效鉀含量增加6.90%、有機質含量增加9.89%，pH值增加了8.72%，與前人對連作參地及鐵皮石斛的研究中單施生物炭顯著提高土壤養分的結果［29-30］一致。本試驗中，在秸稈生物炭用量為1 500 kg/hm2的前提下，配施不同量的微生物菌劑（10億CFU/g多黏類芽孢桿菌7.5、15.0、30.0 kg/hm2），各處理對土壤養分指標的提升作用顯著，且隨微生物菌劑用量的增加而增加，生物炭1 500 kg/hm2與微生物菌劑30.0 kg/hm2配施提升效果最為明顯，全氮含量提升48.18%，全鉀含量提升22.88%，堿解氮含量增加10.08%，速效磷含量提升19.18%，速效鉀含量增加25.95%，有機質含量增加21.60%，pH值提升22.82%，說明微生物菌劑的添加進一步提高了土壤

養分指標。解國玲等在對白菜［31］、張功臣等在對黃瓜［32］的研究中發現，生物炭與微生物菌劑配施對提高土壤pH值及有機質、速效磷、速效鉀含量方面的效果明顯，顯著好于生物炭單施，本試驗結果與之一致。微生物菌劑的添加進一步增加了土壤養分，可能與多黏類芽孢桿菌具有固氮、溶磷、解鉀等功能有關［33］，也與生物炭具有大量的微孔結構及營養成分，為微生物提供更好的生存環境有關［34］。

微生物菌劑作為一種新型肥料，具有解磷、解鉀、固氮等功能，對刺激作物生長，提高作物產量和品質效果明顯［35-36］。微生物菌劑與生物炭配施可充分發揮二者的優勢，緩解土壤連作障礙的效果更加明顯。本研究單施生物炭1 500 kg/hm2，使半夏出苗率提升了11.43%，株高比CK提高了0.28 cm，小葉長、小葉寬分別增加0.78、0.09 cm，SPAD值提高了3.06，對生長和發育的影響顯著，與趙云青等對太子參、趙倩雯等對大白菜、顧美英等對棉花的研究結果［37-39］一致。產量指標也呈現與生長指標相同的規律，生物炭單施使單位面積半夏塊莖數、單粒重、鮮重、干重分別提高了41.73%、14.57%、64.58%、59.55%，與微生物菌劑配施后，對產量指標的提升則更為明顯，半夏塊莖數、單粒重、鮮重、干重分別提高了43.31%～54.72%、48.34%～55.63%、123.87%～134.47%、110.25%～127.17%，顯著高于單施生物炭，說明產量的提高既與生物炭有關［40-41］，也與微生物菌劑通過對土壤的改良和對作物生長的刺激有關［42-44］，二者配施，對產量的影響則更為明顯，以生物炭 1 500 kg/hm2 配施微生物菌劑30.0 kg/hm2效果最佳。本試驗結果顯示，生物炭與微生物菌劑配施使半夏的總生物堿、有機酸和浸出物含量分別提高了6.67%～13.33%、1.70%～17.05%、5.18%～6.47%，與唐漢萌的研究結果［22］基本一致。

4 結論

在化肥用量減半的前提下，生物炭與微生物菌劑配施對半夏土壤養分、生長發育、產量品質有顯著提高。二者配施對土壤全氮、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質含量和pH值有明顯提高作用，可顯著降低土壤電導率；半夏的出苗率、株高、葉長、葉寬、葉綠素含量有顯著增加，產量指標提升效果明顯，品質指標提升效果顯著。綜合來看，生物炭配施微生物菌劑效果優于生物炭單施，以生物炭 1 500 kg/hm2 配施微生物菌劑（10億CFU/g多黏類芽孢桿菌）30.0 kg/hm2對連作半夏土壤養分、生長發育、產量品質的提升效果最好。因此，半夏種植過程中，適當減少化肥用量，增施生物炭與微生物菌劑，可緩解半夏連作障礙，提升半夏土壤養分、生長發育及產量品質，建議施用秸稈生物炭 1 500 kg/hm2 配施微生物菌劑（10億CFU/g多黏類芽孢桿菌）30.0 kg/hm2。

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