CN110305671A - 一种用于设施蔬菜连作土壤生物改良剂及其制备与使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于设施蔬菜连作土壤的生物改良剂，包括秸秆生物炭搭载的枯草芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌、白炭黑、米糠、葡萄糖和玉米浆干粉、腐殖酸、小麦淀粉和硅藻土。制备方法：(1)分别制备枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌发酵液；(2)将两种菌种发酵液搅拌混合；(3)加入葡萄糖、玉米浆干粉、腐殖酸后，搅拌、溶解混合；(4)加入秸秆生物炭、白炭黑、米糠继续搅拌至吸附、混合均匀；(5)最后加入小麦淀粉和硅藻土混合，同时补充水分，经挤压造粒、烘干后制备获得。使用方法：与基肥混合施用、移栽根部混施。本发明具有改善土壤理化性状及微生物群落结构、降低土壤生物毒性、抑制土传病原菌的繁殖、促进农作物生长的特点。

Description

一种用于设施蔬菜连作土壤生物改良剂及其制备与使用方法

技术领域

本发明涉及一种用于设施蔬菜连作土壤生物改良剂，具体涉及基于秸秆生物炭搭载含有2种土壤有益微生物、对设施蔬菜连作土壤具有改良作用、控制土传病害的土壤生物改良剂，以及所述土壤生物改良剂的制备和使用方法。

背景技术

近年来我国土壤污染面积不断扩大，污染程度日趋严重。2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤点位超标率为16.1％，其中耕地土壤超标率19.4％。蔬菜是我国重要的经济作物，由于蔬菜土壤复种利用强度高、农业投入品用量大，土壤污染更为严重。近年来设施蔬菜迅速发展，种植面积达5832.6万亩，设施栽培条件下，地表长期覆盖栽培改变了土壤原有的生态环境，土壤常处于高温、高湿、高蒸发、无雨水淋溶的封闭循环代谢环境中，土壤的理化性状和生物学特性发生变化，土壤板结、孔隙度降低，土壤盐分表积现象明显，土壤质量持续恶化加剧。加之农药、化肥过量施用和沉积，土壤重金属和抗生素等有毒有害物质逐渐累积，微生物种群数量及结构变化，土壤生物毒性增强，从而导致土壤酸化、次生盐渍化和土传病害加重的连作生产障碍矛盾突出，成为制约设施栽培蔬菜持续、高效发展的主要因素。

研究表明，南京郊区设施土壤pH值下降0.83，微生物生物量碳、微生物商、物种丰富度和优势度分别降低25％、34％、28％和20％。连作大棚蔬菜地土壤全盐量显著上升，细菌(Bacteria)数量每年以2.1×10⁶cfu/g速度降低，而真菌(Fungus)数量每年以1.37×10⁴cfu/g的速度增加，B/F值显著降低，氨氧化细菌(AOB)优势种多样性从丰富变为较单一。江苏、山东等地连作大棚蔬菜土壤镰刀菌、疫霉等病原菌含量显著上升，土传病害发生严重，造成作物产量下降、经济效益降低。随种植年限的延长，土壤中有机质、全氮、全磷等养分含量及Cu、Zn、Mn、Fe等微量元素增加明显，土壤脲酶和蔗糖酶活性增强，0.25-0.005mm土壤颗粒含量增加，而<0.005mm颗粒含量降低。黄瓜、番茄、西葫芦、甜椒等作物在连作日光温室内栽培，每年减产10％-20％。中国科学院地理研究所的调查表明，北京市生产的蔬菜中有30％的重金属含量超标。因此加强设施蔬菜土壤污染治理、科学修复污染土壤、改善土壤环境质量、克服连作障碍制约的设施蔬菜瓶颈问题，对保障蔬菜生产、提高产品质量安全和蔬菜产业的生态可持续发展意义重大。

土壤污染已经成为全球性的重要环境问题之一，污染土壤修复技术的研究得到广泛重视和快速发展。在过去的30年期间，欧、美、日、澳等国家纷纷制定了土壤修复计划，形成了包括生物修复、物理修复、化学修复及其联合修复技术在内的污染土壤修复技术体系已经形成，开展了污染土壤的原位生物修复和基于监测的自然修复等新技术的研究。土壤中普遍存在多种代谢功能的有益微生物，这类益生菌具有生物降解或生物转化功能，对土壤的理化性质改良、土壤微生物类群优化及抑制土传病害发生、促进作物生长发挥着重要的作用。蔬菜大棚使用EM菌生物有机肥处理的土壤，土层的土壤孔隙度增加4.78％～4.82％，pH降低0.5％-1.48％。设施蔬菜生产应用较为广泛的是枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)等生物有机肥，不仅能抑制土壤中镰刀菌等有害病原大量积累引起的土传病害发生，而且提高蔬菜抗逆性促进增产5％-10％。巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)是有机磷的分解菌，在农业上可用于制造磷细菌肥料。同时可应用于防治生姜细菌性青枯病、兰花炭疽病病。

生物炭因其丰富的孔隙结构、高度难降解性和碱度特性，不仅可以改善土壤肥力，而且具有持续的碳封存能力，其孔隙结构及对水肥的吸附作用可直接为土壤微生物提供良好的栖息环境和生长所需养分，引起了国内外的广泛关注。不同秸秆转化生物炭对红壤性水稻土养分含量及微生物群落结构的影响研究表明，秸秆生物炭可以提高土壤pH值0.16，土壤有机碳、速效磷水平分别增加了26.1％和20.6％，微生物生物量碳和磷脂脂肪酸总量平均比对照增加63.4％和47.5％。生物黑炭不同用量对设施土壤理化性质及蔬菜产量的影响，结果表明设施土壤施用生物黑炭与对照相比，能显著降低土壤容重2.65％～15.73％，提高土壤阳离子代换量CEC1.03％～5.46％，提高土壤有机碳含量7.28％～24.95％，增加土壤速效钾含量19.06％以上，施用量越大效果越明显。生物炭还能显著降低设施栽培蔬菜地土壤积累的硝态氨。生物炭拥有较大的比表面积、微孔表面积、外表面积等特征，使得其吸附性能显著，以生物炭搭载多种微生物制备土壤改良剂，增强益生菌、生物炭介质、植物根际复合功能，实现对设施蔬菜连作障碍土壤的综合修复，改善土壤理化性状及微生物群落结构，降低土壤生物毒性，抑制土传病原菌的繁殖，促进农作物的生长，将成为设施蔬菜污染土壤生物修复的一个有效措施。

发明内容

本发明目的是提供一种用于设施蔬菜连作土壤的生物改良剂及其制备与使用方法，本发明制备的土壤生物改良剂对设施蔬菜连作土壤实现综合修复，具有改善土壤理化性状及微生物群落结构、降低土壤生物毒性、抑制土传病原菌的繁殖、促进农作物的生长的特点。

本发明的第一个目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于设施蔬菜连作土壤的生物改良剂，主要包括秸秆生物炭搭载的枯草芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌，还包含作为吸附剂的白炭黑、作为有机质的米糠、作为微生物诱导剂的葡萄糖和玉米浆干粉、作为微肥的腐殖酸、作为粘着剂的小麦淀粉和作为载体介质的硅藻土。所述秸秆生物炭的重量占所述土壤生物改良剂总重量的10-20％，所述枯草芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌重量占所述土壤生物改良剂总重量的比例为5-10％，枯草芽孢杆菌含量≥1×10⁹cfu/g，巨大芽孢杆菌含量≥1×10⁹cfu/g；所述白炭黑的重量占所述土壤生物改良剂总重量的比例为8-10％；所述米糠的重量占所述土壤生物改良剂总重量的比例为15-20％；所述葡萄糖和玉米浆干粉的重量分别占所述土壤生物改良剂总重量的比例为0.1-0.2％和0.5-1％；所述腐殖酸的重量占所述土壤生物改良剂总重量的比例为1-2％；所述小麦淀粉的重量占所述土壤生物改良剂总重量的比例为2-3％；余量为载体介质硅藻土。

进一步地，所述枯草芽孢杆菌∶巨大芽孢杆菌的重量比为1∶1、1∶0.5或0.5∶1。

进一步地，所述土壤生物改良剂中各组分的含量(重量百分比)分别为：10％秸秆生物炭，5％枯草芽孢杆菌发酵浓缩液(活菌数≥10¹¹cfu/mL)；5％巨大芽孢杆菌发酵浓缩液(活菌数≥10¹¹cfu/mL)；白炭黑8％、米糠15％；葡萄糖0.1％、玉米浆干粉1％、腐殖酸2％、小麦淀粉2％、51.9％硅藻土。

本发明的第二个目的是提供一种复合生物种衣剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)有益微生物枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌菌源由蔬菜根际土壤分离获得。制备按照常规微生物培养方法制备：菌种→斜面→摇瓶→种子罐→发酵罐→发酵液。枯草芽孢杆菌发酵液经超滤膜过滤浓缩至含菌量>10¹¹cfu/g。巨大芽孢杆菌浓缩至含量>10¹¹cfu/g；

(2)将上述浓缩的枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌的发酵液按重量比1∶1的比例在反应釜中搅拌混合；

(3)上述有益微生物菌混合液中按比例加入葡萄糖、玉米浆干粉、腐殖酸后，搅拌、溶解混合。

(4)所述秸秆生物炭、白炭黑、米糠按比例在混合机中混合均匀，加入上述(3)中的微生物混合液，继续搅拌至吸附、混合均匀。

(5)上述混合物中按比例加入小麦淀粉和载体介质硅藻土混合，同时补充水分10-15％。混合物经干法辊压造粒机挤压成粒径3-5mm的颗粒，经流化床60℃干燥，控制最终水分10-12％制备获得土壤生物改良剂。

本发明的第三个目的是提供了两种土壤生物改良剂的使用方法：

第一种使用方法是土壤生物改良剂与基肥混匀后，均匀撒施于蔬菜田中，随土壤耕翻混入蔬菜种植土壤中。土壤生物改良剂的用量按每亩30-60kg，用量优选40-50kg。

第二种使用方法是移栽蔬菜地整地起垅定植时，定植种苗根部土壤每株撒施用5-10g土壤生物改良剂，与根围土壤拌匀后，定植蔬菜种苗，土壤改良剂用量优选5-8g/株。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

第一，土壤生物改良剂中有益微生物枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌通过秸秆生物炭固定及诱导剂激活，能够在蔬菜连作土壤中定殖、增殖，形成区域优势菌群，有效改善土壤微生物类群，增强土壤微生物多样性和代谢活性，改善土壤生物活性。

第二，枯草芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌对多种土传病原菌具有抑制效果，两种有益菌联合使用增强了对土传病害协同防效，同时有益微生物能在植株根际迅速形成优势群落，竞争性代谢消化根际富余营养物质，阻止种子腐烂和秧苗枯萎，促进作物生长，增强了植物对病害的抵抗能力，可以显著提高益生菌对蔬菜土传病害的防治作用。

第三，秸秆生物炭具有较大的比表面积、微孔表面积、外表面积等特征，显著改善土壤物理结构，增加土壤有机碳、速效磷水平，固定重金属离子和有害物质，降低设施栽培蔬菜地土壤硝态氨的积累。

第四，生物炭的孔隙结构及对水肥的吸附作用可直接为土壤微生物提供良好的栖息环境和生长所需养分，促进土壤革兰氏阴性细菌、革兰氏阳性细菌、放线菌的含量显著增加。

第五，土壤生物改良剂加工工艺简单，原料来源丰富，贮藏期长，显著提高了产品的稳定性，同时环保、安全，无污染，为蔬菜连作土壤生物改良开辟新的途径。

具体实施方式

实施例1

采用孙云沛(1960)的农药联合作用共毒系数法测定枯草芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌对土传病原真菌黄瓜枯萎病菌的协同拮抗作用。用移液器准确吸取枯草芽孢杆菌(10¹¹cfu/g)和巨大芽孢杆菌(10¹¹/mL)菌液，按照枯草芽孢杆菌∶巨大芽孢柑橘比例为1∶0、1∶0.5、1∶1、0.5∶1、0∶1的不同比例配制混合菌液。在超净工作台上将5种不同比例菌液用无菌水稀释成5个浓度梯度的药液，用微量移液器从低浓度到高浓度吸取4mL药液，分别加入到事先融化灭菌的含36mL PDA培养基(温度50℃-55℃)的三角瓶中，充分摇匀，然后等量倒入4个灭菌的直径9cm的培养皿中，冷却后即成相应浓度的含药培养基平板。试验设不含药剂的处理作空白对照。在培养5d的黄瓜枯萎病菌菌落边缘，用直径5mm的灭菌打孔器打取菌饼，用接种针将菌饼接种于含药培养基平板中央，每个培养皿放置1个菌饼。每一处理重复4次。在(25±1)℃恒温培养箱中培养7d，测量菌落直径，检测菌丝生长抑制率，计算回归方程和共毒系数。结果表明不同比例的两种混合菌液对黄瓜枯萎病菌的联合抑制作用均表现为增效作用，其中以枯草芽孢杆菌∶巨大芽孢杆菌为1∶1增效作用最为显著，共毒系数达138.03。说明枯草芽孢杆菌和娄彻氏链霉菌合理配备可以显著提高有益菌对黄瓜枯萎病等土传病害的抑制作用。

表1枯草芽孢杆菌与巨大芽孢杆菌对黄瓜枯萎病菌的协同抑制活性

实施例2

在反应釜中按照实施例1中枯草芽孢杆菌∶巨大芽孢杆菌＝1∶1的增效组合比例加入5％枯草芽孢杆菌发酵浓缩液(活菌数≥10¹¹cfu/g)、5％巨大芽孢杆菌发酵浓缩液(活菌数≥10¹¹cfu/g)，同时加入0.1％的葡萄糖、1％的玉米浆干粉和2％腐殖酸，充分搅拌混合至完全溶解。

混合器中加入10％秸秆生物炭，8％白炭黑15％米糠混合均匀后，加入上述混合菌液后继续搅拌混合至混合菌液被完全吸附。

上述混合物中再加入2％淀粉、51.9％硅藻土和12％水后继续搅拌混合，于经干法辊压造粒机挤压成粒径3-5mm的颗粒，经流化床60℃干燥，控制最终水分12％制备获得土壤生物改良剂。

采用平板菌落计数法计算土壤生物改良剂中微生物的含量。取上述制备的土壤生物改良剂5g，溶于500mL无菌水中并在室温条件下静置24h。取溶解液1mL，分别稀释至10^-8、10^-9、10^-10倍(由预试验得出)，取0.1mL的稀释菌液涂布于固体培养细菌基平板上，28℃培养2d后，生物土壤改良剂中活菌数(表2)。

表2生物土壤改良剂含菌量测定

实施例3

室内盆钵试验土壤生物改良剂对蔬菜生长的影响。取设施蔬菜大棚内表层30cm土样，破碎混合均匀后，分成3等分，其中1份直接装填到10个直径10cm、高15cm的盆钵中作对照，1份与2％的实施案例2中的土壤生物改良剂混合均匀后装填入同样大小的10个盆钵中。1份土样装填到1个盆钵后，每盆中央施用5g上述土壤生物改良剂后根部混合。上述盆钵中分别播种3粒黄瓜种子并浇透水。种子发芽出苗后间苗保留长势大小相近的黄瓜苗1株继续培养，观察植物生长情况，20d后取样测定地上植株和地下根部鲜重。结果表明，不同处理方式的土壤生物改良剂对黄瓜幼苗生长具有明显的促进作用，特别是地下根部鲜重增加明显。与2％土壤生物改良剂混合的处理，黄瓜地上和地下部分显著分别增加了5.7％和8.6％，每盆钵中央施用2g土壤生物改良剂的处理，地上和地下部分鲜重分别提高了7.0％和11.8％。

表3土壤生物改良剂对黄瓜生长的影响

实施例4

以土壤生物改良剂处理蔬菜连作土壤测定对土壤的持水性和导电率影响作用。实施案例3中种植黄瓜苗20d后的不同处理盆钵中的土壤分别混合均匀。持水率各取100g烘干后的土样，装填入直径10cm、高度20cm的PVC管中，底部以细纱网封口，管内壁涂凡士林，土样与管上口持平，轻轻拍实，用马氏瓶定水头供水到土样饱和、管底部水滴渗出，静置24h后，取出土样称质量、烘干，计算土样持水率。另各取土样100g采用电导法测定土壤导电率。测定结果表明，经土壤改良剂处理的蔬菜连作土壤持水率提高，导电率下降，表明土壤物理性状得到改良。其中以2％均匀混合的效果较好，持水率提高了27.7％，土壤导电率下降到181μs/cm(表4)。

表3土壤生物改良剂对蔬菜连作土壤持水率及导电率的影响

实施案例5

以土壤生物改良剂处理蔬菜连作土壤测定对土壤微生物类群的作用。实施案例3中种植黄瓜苗20d后的不同处理盆钵中的土壤分别混合均匀，准确称取1g土样，采用平板菌落计数法，通过细菌培养基(BL培养基)、真菌培养基(PDA培养基)分别测定不同处理中细菌(B)和真菌(F)的数量，比较B/F比值的变化。结果表明，土壤生物改良剂显著改善土壤微生物类群，表现为细菌数量含量提高，真菌数量下降。2种不同处理方式蔬菜连作土壤中B/F比值分别提高到752.0-951.1。

表3土壤生物改良剂对蔬菜连作土壤微生物类群的影响

Claims (10)

1.一种用于设施蔬菜连作土壤的生物改良剂，主要包括秸秆生物炭搭载的枯草芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌；其特征是，所述生物改良剂还包含白炭黑、米糠、葡萄糖和玉米浆干粉、腐殖酸、小麦淀粉和硅藻土；

所述秸秆生物炭的重量占所述土壤生物改良剂总重量的10-20％；

所述枯草芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌的重量占所述土壤生物改良剂总重量的比例为5-10％，枯草芽孢杆菌含量≥1×10⁹cfu/g，巨大芽孢杆菌含量≥1×10⁹cfu/g；

所述白炭黑的重量占所述土壤生物改良剂总重量的比例为8-10％；

所述米糠的重量占所述土壤生物改良剂总重量的比例为15-20％；

所述葡萄糖的重量分别占所述土壤生物改良剂总重量的比例为0.1-0.2％；

所述玉米浆干粉的重量分别占所述土壤生物改良剂总重量的比例为0.5-1％；

所述腐殖酸的重量占所述土壤生物改良剂总重量的比例为1-2％；

所述小麦淀粉的重量占所述土壤生物改良剂总重量的比例为2-3％；

余量为载体介质硅藻土。

2.根据权利要求1所述的用于设施蔬菜连作土壤的生物改良剂，其特征是，所述枯草芽孢杆菌∶巨大芽孢杆菌的重量比为1∶1、1∶0.5或者0.5∶1。

3.根据权利要求1或2所述的用于设施蔬菜连作土壤的生物改良剂，其特征是，所述土壤生物改良剂中各组分的含量(wt％)分别为：10％秸秆生物炭；5％枯草芽孢杆菌发酵浓缩液，枯草芽孢杆菌发酵浓缩液活菌数≥10¹¹cfu/mL；5％巨大芽孢杆菌发酵浓缩液，巨大芽孢杆菌发酵浓缩液活菌数≥10¹¹cfu/mL；白炭黑8％、米糠15％；葡萄糖0.1％；玉米浆干粉1％；腐殖酸2％；小麦淀粉2％；51.9％硅藻土。

4.权利要求1-3中任一项所述的用于设施蔬菜连作土壤的生物改良剂的制备方法，其特征是，所述制备方法包括以下步骤：

(1)制备枯草芽孢杆菌发酵浓缩液、巨大芽孢杆菌发酵浓缩液，枯草芽孢杆菌发酵浓缩液中含菌量>10¹¹cfu/g，巨大芽孢杆菌发酵浓缩液中含菌量>10¹¹cfu/g；

(2)将步骤(1)的枯草芽孢杆菌发酵浓缩液、巨大芽孢杆菌发酵浓缩液搅拌混合，得到微生物菌混合液；

(3)步骤(2)得到的微生物菌混合液中加入配方量的葡萄糖、玉米浆干粉、腐殖酸后，搅拌、溶解混合；

(4)将配方量的秸秆生物炭、白炭黑、米糠在混合机中混合均匀，加入步骤(3)得到的微生物混合液，继续搅拌至吸附、混合均匀；

(5)步骤(4)得到的混合物中加入配方量的小麦淀粉和载体介质硅藻土混合，同时补充水分，水分添加量为生物改良剂总重量的10-15％；混合物经干法辊压造粒机挤压成粒径3-5mm的颗粒，经流化床60℃干燥，控制最终水分为生物改良剂总重量的10-12％，制备获得土壤生物改良剂。

5.根据权利要求4所述的用于设施蔬菜连作土壤的生物改良剂的制备方法，其特征是，所述枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌菌源由蔬菜根际土壤分离获得，制备按照常规微生物培养方法制备：菌种→斜面→摇瓶→种子罐→发酵罐→发酵液。

6.根据权利要求4或5所述的用于设施蔬菜连作土壤的生物改良剂的制备方法，其特征是，所述枯草芽孢杆菌发酵浓缩液、巨大芽孢杆菌发酵浓缩液在反应釜中搅拌混合；所述秸秆生物炭、白炭黑、米糠在混合机中混合。

7.权利要求1-4任一项所述的用于设施蔬菜连作土壤的生物改良剂的使用方法，其特征是，将所述土壤生物改良剂与基肥混匀后，均匀撒施于蔬菜田中，随土壤耕翻混入蔬菜种植土壤中；土壤生物改良剂的用量按每亩30-60kg。

8.根据权利要求7所述的用于设施蔬菜连作土壤的生物改良剂的使用方法，其特征是，所述土壤生物改良剂的用量按每亩40-50kg。

9.权利要求1-4任一项所述的用于设施蔬菜连作土壤的生物改良剂的使用方法，其特征是，所述土壤生物改良剂在移栽蔬菜地整地起垅定植时，定植种苗根部土壤每株撒施用5-10g土壤生物改良剂，与根围土壤拌匀后，定植蔬菜种苗。

10.根据权利要求9所述的用于设施蔬菜连作土壤的生物改良剂的使用方法，其特征是，所述定植种苗根部土壤每株撒施用5-8g土壤生物改良剂。