1. 引言
生物炭是农作物秸秆、木材、家禽粪便和其他材料等生物有机材料在缺氧或者绝氧环境中，经高温(通常为350℃~600℃)热裂解后生成的一种富含碳素的黑色固态产物 [1] 。生物炭一般为碱性，PH值在4~12 [2] ，该特性使其多用于酸性土壤的改良 [3] [4] [5] 。生物炭施入土壤能够提升土壤肥力，提高农作物产量及抗病的作用 [6] - [12] 。
肥料是作物生长必不可少的因素之一 [13] ，在提高作物产量上起到重要的作用，随着环保、高效农业发展的要求，新兴了不少不同种类的肥料。近年来，市面上出现的菌肥种类越来越多，对其作用效果说法不一。
目前对生物炭用量及其施用效果的研究较多，但对生物炭有机生物菌肥施用效果的研究很少，所以本试验通过对绿豆施用不同生物炭含量的有机菌肥进行研究，探讨不同生物炭含量的有机菌肥对该土壤成分及绿豆农艺性状和产量的影响，从而为生物炭菌肥的施用及其对土壤改良作用提供参考。
2. 材料与方法
2.1. 供试土壤、生物炭菌肥
试验设在2017年承德市农林科学院中关试验基地，位于隆化县中关镇大铺村，东经117˚7'58.21''，北纬41˚12'14.05''。平均海拔高度510米，属于中温带半湿润半干旱大陆性季风型冀北山地气候，多年平均气温7.7℃，生育期平均130天，无霜期145天，年平均降雨量550毫米，降雨量集中在每年6~8月，7月最多。
供试土壤为沙壤土，试验前取样化验，采样深度为20 cm，S形采集土壤后，充分混匀，送至天津市农产品质量监督检验测试中心完成土壤成分检测。土壤成分情况：PH值7.2，有机质20.1 g/kg，速效氮91.3 mg/kg，速效钾239 mg/kg，有效磷35.8 mg/kg，铁0.89%，水溶性盐总量1.37 g/kg。
供试肥料：统一够买上海“SEED”炭基肥系列：100%竹炭粉；竹炭土壤改良剂；竹炭生物有机肥(生物炭成分均为竹炭)。主要成分(见表1)。
2.2. 试验设计
试验采用小区随机区组设计，三次重复，每个小区面积20 m2，设4个处理。根据购买品牌提供的肥料用量，对小区施肥量做以下设计：1) 对照：不使用任何肥料；2) 处理1：100%竹炭粉：4500 kg/hm2；3) 处理2：竹炭土壤改良剂：3450 kg/hm2；4) 处理3：竹炭生物有机肥：2250 kg/hm2。各处理间设置1 m的隔离带。各小区间统一设滴灌带统一滴灌。
2017年3月以机器翻地并施以鸡粪做底肥，用量15 t/hm2。4月28日整地，以试验肥料为基肥，5月23日点播，株距16.7 cm，行距50 cm，密度为105,000株/hm2，出苗后间苗。除基肥外，各小区其他田间管理措施均相同，8月14日、8月23日两次统一收获。同时，植株取样，收获时分小区单收、单独称重，计算小区产量。
2.3. 数据统计及分析
试验数据应用Excel 2007软件进行处理及作图，用DPS7.05软件进行数据分析，用最小显著差法LSD (P = 0.05)检验平均数。
3. 结果与分析
3.1. 不同生物炭菌肥对土壤的改良作用
3.1.1. 土壤PH值
不同生物炭菌肥的施用前后土壤PH值得变化见图1和表2，从该图中可知，播种施肥前PH值为7.2，
Table 1. Composition of biochar bacterial fertilizer
表1. 生物炭菌肥成分表
注：不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)，不同大写字母表示处理间差异极显著(P < 0.01)。
Figure 1. Soil PH value before and after different biochar fertilizer application
图1. 不同生物炭菌肥施用前后土壤PH值
Table 2. Contents of different components in soil before and after fertilization
表2. 施肥前后土壤不同成分含量表
施肥收获后土壤PH值均有不同程度的升高，对照、处理1、处理2的PH值为8.2，处理3为8.4。种植前后土壤PH值差异极显著。收获后，处理3与对照及处理1、2间的差异显著。
3.1.2. 土壤有机质
土壤有机质是植物营养的主要来源，能够增强植物抗性及改善土壤物理性质等作用。不同生物炭菌肥施用前后土壤有机质含量变化见图2。从图2和表1中可知施肥前土壤有机质含量为20.1 g/kg，施用不同生物炭菌肥后土壤有机质含量较施用前有显著的降低。对照的有机质含量为12.8 g/kg，处理1为19.5 g/kg，处理2为12.7 g/kg，处理3为13.6 g/kg。与施肥前相比有机质减少的含量依次为处理2 > 对照 > 处理3 > 处理1，施肥前与处理1差异显著，与对照、处理2、处理3差异极显著，处理1与对照、处理2、处理3差异极显著，处理3与对照差异极显著。生物炭及生物炭菌肥的施用能够减缓土壤中有机质的消耗。
3.1.3. 土壤速效氮、速效钾、有效磷
氮磷钾是农作物生长不可或缺的营养元素，在施用不同生物炭菌肥前后土壤速效氮、速效钾、有效磷含量变化见图3、图4、图5和表1。施肥前土壤速效氮含量为91.3 mg/kg，施用不同生物炭菌肥后土壤速效氮含量较施用前降低极显著。对照的速效氮含量为58.0 mg/kg，处理1为69.0 mg/kg，处理2为53.0 mg/kg，处理3为52.0 mg/kg。与施肥前相比速效氮减少的含量依次为处理3 > 处理2 > 对照 > 处理1，施肥前与对照、各处理差异极显著，施肥后对照与处理1、处理2、处理3差异极显著，处理2与处理3差异显著。生物炭能够有效减缓速效氮的消耗。
施肥前土壤速效钾含量为239 mg/kg，施用不同生物炭菌肥后土壤速效钾含量变化有所不同。对照的速效钾含量为198 mg/kg，处理1为277 mg/kg，处理2为198 mg/kg，处理3为212 mg/kg。与施肥前相比处理1的速效钾含量增加38 mg/kg，对照、处理2、处理3较施肥前均有减少，依次为对照 = 处理2 > 处理3。施
肥前与对照、各处理差异极显著，施肥后对照与处理1、处理3差异极显著、与处理2差异不显著。生物炭能够提升土壤中速效钾的含量，生物炭菌肥能够减缓土壤中速效钾消耗。
施肥前土壤有效磷含量为35.8 mg/kg，施用不同生物炭菌肥后土壤有效磷含量变化有所不同。对照的有效磷含量为2.0 mg/kg，处理1为10.2 mg/kg，处理2为3.1 mg/kg，处理3为5.0 mg/kg。与施肥前相比各处理的速效钾含量均降低，依次为对照 > 处理2 > 处理3 > 处理1。施肥前与对照、各处理差异极显著，施肥后对照与处理1差异极显著，与处理3差异显著；处理1与处理2、处理3差异极显著；
注：不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)，不同大写字母表示处理间差异极显著(P < 0.01)。
Figure 2. Soil organic matter content before and after the application of different biochar fertilizer
图2. 不同生物炭菌肥施用前后土壤有机质含量
注：不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)，不同大写字母表示处理间差异极显著(P < 0.01)。
Figure 3. Quick-acting nitrogen content in soil before and after the application of different biochar fertilizer
图3. 不同生物炭菌肥施用前后土壤速效氮含量
注：不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)，不同大写字母表示处理间差异极显著(P < 0.01)。
Figure 4. Quick-acting potassium content in soil before and after the application of different biochar fertilizer
图4. 不同生物炭菌肥施用前后土壤速效钾含量
处理2与处理3差异不显著。生物炭及生物炭菌肥能够减缓土壤中有效磷的消耗。
3.1.4. 土壤铁及水溶性总盐
施用不同生物炭菌肥前后土壤铁、水溶性总盐含量变化见图6、图7和表1施肥前土壤铁含量0.89%，施用不同生物炭菌肥后土壤铁含量均有增加。其中对照的铁含量最高为0.97%，处理1为0.93%，处理2为0.92%，处理3为0.92%，依次为对照 > 处理1 > 处理2 = 处理3。播种前后土壤的铁含量差异极显著，施肥后对照与处理1、处理2、处理3之间差异极显著，各处理间差异不显著。种植绿豆可提高土壤中铁的含量，施用含有生物炭的菌肥后能够较缓和的提升土壤中铁的含量。
注：不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)，不同大写字母表示处理间差异极显著(P < 0.01)。
Figure 5. Organophosphorus content in soil before and after application of different biochar fertilizer
图5. 不同生物炭菌肥施用前后土壤有效磷含量
注：不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)，不同大写字母表示处理间差异极显著(P < 0.01)。
Figure 6. Soil iron content before and after application of different biochar fertilizer
图6. 不同生物炭菌肥施用前后土壤铁含量
注：不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)，不同大写字母表示处理间差异极显著(P < 0.01)。
Figure 7. Total contents of water-soluble salt in soil before and after application of different biochar fertilizer
图7. 不同生物炭菌肥施用前后土壤水溶性盐总含量
施肥前土壤水溶性盐总量为1.37 g/kg，施用不同生物炭菌肥后土壤水溶性盐总量均有极显著下降。对照的水溶性盐总量为0.1 g/kg，处理1为0.3 g/kg，处理2为0.1 g/kg，处理3为0.2 g/kg，依次为对照 = 处理2 > 处理3 > 处理1。施肥前与对照、各处理差异极显著，施肥后处理1与对照、处理2、处理3差异极显著，处理3与对照、处理2差异显著；对照与处理2差异不显著。生物炭能够减缓土壤中水溶性总盐的分解。
3.2. 不同生物炭菌肥对绿豆产量及农艺性状的影响
3.2.1. 不同生物炭菌肥对绿豆产量
施用不同生物炭菌肥后，收获的绿豆小区总产量见表3。每小区平均产量对照为3.1 kg，处理1为2.6 kg，处理2为2.64 kg，处理3为3.6 kg。处理3较对照、处理2增产但不显著，较处理1增产显著，其他处理间差异不显著。
3.2.2. 不同生物炭菌肥对绿豆农艺性状的影响
施用不同生物炭菌肥后，对绿豆农艺性状进行考种，见表3。株高处理3为70.16 cm，与对照61.04 cm差异显著，与处理1、处理2差异不显著。百粒重处理2最高为6.2 g，最低处理3为5.85 g，对照与处理1、处理2差异不显著，与处理3差异显著，处理2与处理3差异显著。第一开花位置最高处理2为24.38 cm，最低为处理1为17.68 cm，处理2与处理1、处理3差异极显著，与对照差异不显著，对照与处理1、处理3差异不显著。荚长、荚粒数在对照与各处理间差异不显著。株荚数处理2最多为91.4个，对照最少为57.8个，对照与各处理间差异显著，各处理间差异不显著。主茎分枝数处理3最多为6.6个，处理1最少为4.8个，处理1与处理2、处理3间差异极显著，与对照差异不显著。
4. 讨论
1、生物炭对土壤的改良
本试验中土壤的PH值从施肥前7.2变成收获后8.2~8.4，说明施用生物炭后能够显著提高土壤的PH值，这与代快 [1] Zwieten、Yuan、韩光明等 [14] [15] [16] 的研究结果一致。土壤PH值升高的原因可能是大多数生物炭本身呈碱性，也可能是生物炭本身含有较多盐基离子，在土壤微生物的作用下分解出K+、Ca2+、Mg2+等阳离子与土壤中的其他离子发生交换引起的。本试验中土壤中有机质、速效氮、速效钾、有效磷的含量较施肥前略有降低，收获后较对照明显增高，可见施用生物炭后能够提高土壤有机质含量, 增加土壤速效氮、速效钾、有效磷的含量，这与房彬 [7] 、唐光木 [10] 、傅秋华 [17] [18] 等的研究结果一致。土壤有机质提高的原因可能是生物炭本身缓慢分解的原因，也可能是生物炭本身空隙较多，能够吸附周围的有机分子形成有机质，对其他营养物质的利用形成缓冲，起到缓释和积累的作用。
2、生物炭对农作物生长及产量的影响：
Table 3. Analysis of mung bean yield and agronomic characters
表3. 绿豆产量及农艺性状的分析
注：P > 0.05用小写字母表示；P > 0.01用大写字母表示。
施用生物炭可以显著提高作物产量并在一定程度上改善作物品质。本试验添加生物炭的处理中，绿豆的株高均高于对照，说明生物炭能够促进植株的生长，但产量和其他性状的差异不明显。刘新源等人 [20] [21] [22] [23] [24] 在对烟叶、水稻、小麦、玉米、大豆的研究中指出随着生物炭量的增加对作物产量有一定的促进作用，但品质随生物炭量的增加先升后降。王光飞 [25] 等人在对辣椒疫病防控效果的研究中指出1.33%生物炭用量对辣椒疫病的防效最好，在一定范围内防效随生物炭用量的增加而增加。本试验未对绿豆的发病情况做统计分析，就田间表现看，整体长势未有较明显病害发生。产量、品质、抗病性增加可能与加施生物炭菌肥后土壤中各营养成分的提高有关。
3、生物菌肥对农作物生长及产量的作用：
丁平 [19] 在对巴戟天有效成分的研究中指出施用有机微生物菌肥可能是糖含量增加的主要原因。袁业琴、周巍等 [26] [27] [28] [29] 的研究表明，在番茄、黄瓜等蔬菜上施用生物菌肥后产量较对照有明显增产，能够降低番茄中硝酸盐的含量，糖分、蛋白质等含量较对照增长15%，黄瓜中干物质量、糖含量和Vc含量均有一定的提高。说明生物菌肥能够固定氮素，分解土壤中农作物需要但不能被直接吸收的某些物质，为农作物提供营养成分，改善作物品质，提高产量。
本试验由于条件限制未能对绿豆的营养成分及土壤微生物变化做出研究，但就产量和农艺性状来说添加竹炭的生物有机菌肥的绿豆产量和农艺性状均高于对照和其他处理。说明生物炭能较好的改善土壤条件，为土壤微生物提供较好的生存场所，使微生物菌能够较大程度的发挥作用，为农作物提供所需的营养成分。
5. 结论
竹制生物炭菌肥的施用，能够明显减缓土壤中有机质、速效氮、速效钾、有效磷的消耗，长期使用可能会增加土壤中有效成分的含量，并对水溶性盐起到缓慢释放的作用。从本试验的结果看，生物炭菌肥的施用能够提高绿豆的株高、株荚数及产量，降低第一开花位置高度，并对抗病性有一定的作用。生物炭能够使土壤PH值升高，建议在偏酸性的土壤中使用，能够起到改良土壤的作用。生物炭菌肥对土壤改良的长期效果及对农作物品质、产量及抗性的提升，有待进一步验证。
基金项目
2015年科技创新激励性补助项目；2018年饲草专用谷子品种筛选及试验示范(201802B015)。
参考文献
NOTES
*通讯作者