生物炭對(duì)香草蘭生長(zhǎng)及根際土壤微生物的影響

趙秋芳　馬海洋　王輝　王華　趙青云

摘要：采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，研究施用生物炭對(duì)香草蘭（Vanilla planifolia Andrews）生長(zhǎng)和根際土壤微生物的影響。試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，分別是不添加生物炭（CK）和干土中添加生物炭10 g/kg（C1）、30g/kg（C2）、50g/kg（C3）、100g/kg（C4）。結(jié)果表明，施用生物炭促進(jìn)了香草蘭植株地上部和根系的生長(zhǎng)，與CK相比，C2處理的地上部和根系干重分別增加50.0 %和74.7%。C2處理的總根長(zhǎng)、根系表面積分別較CK增加28.7 %和12.9%。香草蘭連作土壤中施入生物炭增加了香草蘭根際土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量，以C2處理的細(xì)菌、放線菌數(shù)量最多，分別為CK處理的1.49倍和1.75倍。并且生物炭處理的根際土壤真菌數(shù)量顯著降低?？傊?，施用生物炭可以促進(jìn)香草蘭生長(zhǎng)，改善連作土壤的微生物環(huán)境，且以干土中添加生物炭30 g/kg處理的效果最佳。

關(guān)鍵詞：香草蘭（Vanilla planifolia Andrews）；生物炭；根系形態(tài)；土壤微生物

中圖分類號(hào)：S573+.9；S141.6；S154.36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）22-5647-05

Abstract： A pot experiment was conducted to evaluate the effects of biochar on vanilla （Vanilla planifolia Andrews） growth and rhizosphere soil microbial community structure. There were five installed treatments， no biochar plus （CK）， dry soil plus 10 g/kg of biochar （C1）， dry soil plus 30 g/kg biochar （C2）， dry soil plus 50 g/kg of biochar（C3）， and dry soil plus 100 g/kg of biochar（C4）. Results show that biochar plays a very important role in promoting vanilla shoot growth and root development. C2 treatment could obviously increase vanilla plant above ground and root dry weight by 50.0% and 74.7% compared with control. The total root length， root surface area of C2 treatment was 28.7% and 12.9% higher than CK， respectively. Application of biochar in continuous cropping soil of vanilla could increase the quantity of bacteria and actinomycetes， and significantly decrease the quantity of fungi in rhizosphere soil. The quantity of bacteria and actinomycetes of C2 treatment was 1.49， 1.75 times higher than the control. In conclusion， application of biochar in continuous cropping soil of vanilla could effectively promote vanilla plant growth， significantly improve soil microbial environment， and dry soil plus 30 g/kg biochar effect is the best.

Key words： Vanilla planifolia Andrews； biochar； root morphology； soil microbes

香草蘭（Vanilla planifolia Andrews）是蘭科（Orchidaceae）熱帶攀緣藤本香料植物，素有“天然食品香料之王”的美譽(yù)。其鮮豆莢經(jīng)過(guò)生香加工后含有250多種芳香成分，香氣獨(dú)特，被廣泛作為高級(jí)香煙、名酒、茶葉等各類高檔食品的配香原料使用[1]。香草蘭還是用途廣泛的天然藥材，已被列入美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)的國(guó)家藥典，中醫(yī)認(rèn)為有補(bǔ)腎、和胃、健脾等功效[2]。香草蘭分布于熱帶和亞熱帶的南北緯度25°以內(nèi)地區(qū)，在中國(guó)的海南省及云南省的西雙版納地區(qū)可以種植。香草蘭為多年生植物，長(zhǎng)期人工種植會(huì)出現(xiàn)植株長(zhǎng)勢(shì)變?nèi)?、土壤容重增加、土壤微生物區(qū)系失衡等問(wèn)題，形成連作障礙[3]，嚴(yán)重制約了香草蘭產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

生物炭是指木材、農(nóng)作物廢棄物、植物落葉等物質(zhì)在厭氧或者無(wú)氧條件下經(jīng)緩慢高溫（<700 ℃）分解得到的富含碳的有機(jī)物質(zhì)。生物炭具備有機(jī)碳含量高、多孔性、堿性、吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)[4，5]。近年來(lái)，生物炭（Biochar）因其獨(dú)特的物理化學(xué)特點(diǎn)及其在提高土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)作物生長(zhǎng)等方面的功效而受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。李昌見(jiàn)等[6]研究表明，生物炭可以促進(jìn)番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）植株生長(zhǎng)，提高果實(shí)產(chǎn)量，且以40 t/hm2的施用量效果最佳。Lehmann等[7]研究表明，施用生物炭可以提高豇豆[Vigna unguiculata（L.）Walp.]和水稻（Oryza sativa L.）的生物量，促進(jìn)作物對(duì)P、K、Ca、Zn、Cu的吸收量，提高土壤養(yǎng)分的有效性。張偉明等[8]以玉米（Zea mays L.）芯為材料制備生物炭，施用后，大豆[Glycine max（L.）Merr.]的株高，地上部干物質(zhì)積累增加，產(chǎn)量與品質(zhì)明顯提高，且較高的施炭量（1 500、3 000 kg/hm2）平均比對(duì)照增產(chǎn)10.98%。另外張偉明等[9]還在水稻上試驗(yàn)過(guò)，結(jié)果表明生物炭可以促進(jìn)水稻生育前期根系的主根長(zhǎng)、根體積和根鮮重增長(zhǎng)，提高水稻根系總吸收面積和活躍吸收面積，同時(shí)增加水稻產(chǎn)量，以20 g生物炭/kg土的處理效果出眾，產(chǎn)量提高了33.21%。

此外，生物炭因其特有的疏松多孔結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積性質(zhì)，在施入土壤后可為土壤微生物的聚集、生長(zhǎng)和繁殖提供良好的生態(tài)環(huán)境，減少微生物之間的生存競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)而提高微生物的生物量[10]。韓光明等[11]研究表明，設(shè)施栽培的菠菜（Spinacia oleracea L.）其土壤添加生物炭后，土壤中的根際細(xì)菌、真菌、放線菌及氨化細(xì)菌、好氧自生固氮菌和反硝化細(xì)菌等功能性細(xì)菌的數(shù)量均有增加。Prayogo等[12]發(fā)現(xiàn)生物炭施用能夠增加土壤細(xì)菌生物量，顯著增加革蘭氏陰性菌和放線菌的豐度。王曉輝等[13]發(fā)現(xiàn)設(shè)施栽培退化土壤添加生物炭后，土壤中氨氧化細(xì)菌與氨氧化細(xì)菌和nirK型反硝化細(xì)菌的豐度顯著增加，進(jìn)而提高土壤的硝化潛勢(shì)。

眾多研究表明，生物炭在改良土壤和促進(jìn)作物生長(zhǎng)上發(fā)揮著重要作用。試驗(yàn)采用玉米秸稈炭化后的生物炭為試驗(yàn)材料，通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究施用生物炭對(duì)連作土壤上種植香草蘭的影響，同時(shí)探討生物炭對(duì)香草蘭根際微生物的影響，旨在為解決香草蘭連續(xù)種植中出現(xiàn)的長(zhǎng)勢(shì)衰弱和土壤質(zhì)量變差等連作障礙問(wèn)題提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤采自中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所種植20年的香草蘭園土壤，土壤質(zhì)地為沙壤土，養(yǎng)分含量為全氮10.3 g/kg，速效磷62.71 mg/kg，速效鉀145.00 mg/kg，有機(jī)質(zhì)14.68 g/kg。試驗(yàn)用生物炭原材料為玉米秸稈，粒徑1.5～2.0 mm，制備溫度為500 ℃。生物炭pH 9.05，其含氮10.6 g/kg，含磷31.2 g/kg，含鉀24.4 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用容器采用周轉(zhuǎn)箱（規(guī)格600 mm×420 mm×165 mm），每箱裝干土10 kg。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理：處理1為對(duì)照（CK），不施生物炭；處理2（C1）：在干土里施加生物炭10 g/kg；處理3（C2）：在干土里施加生物炭30 g/kg；處理4（C3）：在干土里施加生物炭50 g/kg；處理5（C4）在干土里施加生物炭100 g/kg。每處理3次重復(fù)，共15箱，隨機(jī)排列。選取長(zhǎng)勢(shì)一致的健康香草蘭苗，每箱栽種2株，1株用于測(cè)定生物量，另外1株用于根系形態(tài)掃描，同時(shí)采集根際土壤用于微生物測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 植物生物量及根系形態(tài) 在香草蘭移栽9個(gè)月后挖出全株，抖凈泥土，將根系及莖葉分別裝入牛皮紙袋中，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室；清洗干凈后晾干，采用EPSON根系掃描儀掃描整個(gè)根系，應(yīng)用WINRhizo軟件分析根系各生長(zhǎng)參數(shù)；將根系及莖葉置烘箱里殺青并烘至恒重，稱量。

1.3.2 土壤微生物數(shù)量測(cè)定 細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)，配方為牛肉膏3 g、蛋白胨10 g、NaCl 5 g、瓊脂20 g、蒸餾水1 000 mL，用濃度為1 mol/L的HCl或NaOH 調(diào)pH 至 7.0～7.2，在121 ℃高壓下滅菌20 min。放線菌采用改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基培養(yǎng)，配方為可溶性淀粉 20 g、KNO3 1 g、NaCl 0.5 g、K2HPO4 0.5 g、MgSO4·7H2O 0.5 g、FeSO4 0.01 g、瓊脂 20 g、蒸餾水1 000 mL，調(diào)pH 至7.2～7.4，在121 ℃滅菌20 min。真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基培養(yǎng)，配方為葡萄糖10 g、蛋白胨5 g、KH2PO4 0.5 g、MgSO4·7H2O 0.5 g、1/3 000孟加拉紅100 mL、瓊脂20 g，pH自然，蒸餾水800 mL，在115 ℃高壓下滅菌30 min，臨用前加入0.03 %硫酸鏈霉素稀釋液100 mL[14]。采用平板稀釋涂布計(jì)數(shù)法，稱取新鮮保存的土壤樣品10 g，倒入含有90 mL無(wú)菌水的250 mL三角瓶中，放入搖床振蕩混勻（170 r/min，30 min）。土壤懸濁液用無(wú)菌水依次稀釋至10-2、10-3、10-4、10-5。取10-3、10-4、10-5濃度梯度稀釋液各0.1 mL涂布至牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基上。取10-2、10-3、10-4、10-5濃度梯度稀釋液各0.1 mL涂布至改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基上，取10-3、10-4、10-5稀釋液各0.1 mL涂布至馬丁氏培養(yǎng)基上。細(xì)菌、放線菌平板置于30 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3 d，真菌平板放置于28 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5 d，培養(yǎng)結(jié)束后進(jìn)行計(jì)數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2007軟件進(jìn)行處理并作圖，用SPSS 16.0軟件進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭處理對(duì)香草蘭生物量的影響

施加生物炭對(duì)香草蘭植株地上部及根系生物量（干重）的影響情況見(jiàn)圖1。由圖1-A可知，C2處理香草蘭地上部的干重最大，與對(duì)照相比提高了50.0%。差異達(dá)到了顯著水平（P<0.05）；另外，C1、C4處理地上部的干重分別比對(duì)照增加了13.1%和6.7%，但差異不顯著（P>0.05）。由圖1-B可知，C2處理的根系干重最大，顯著高于其他處理（P<0.05），分別比對(duì)照、C1、C3、C4處理增加了74.7%、107.3%、102.6%、63.3%；其余4個(gè)處理間無(wú)顯著差異（P>0.05）。由此可見(jiàn)，C2處理（在干土里施加生物炭30 g/kg）可以顯著促進(jìn)香草蘭地上部及根系生物量的增長(zhǎng)。

2.2 生物炭處理對(duì)香草蘭根系生長(zhǎng)的影響

施加生物炭對(duì)香草蘭植株根系生長(zhǎng)的影響情況見(jiàn)表1。從表1可見(jiàn)，C2處理的總根長(zhǎng)最長(zhǎng)，較對(duì)照增加了28.7%，但是差異不顯著（P>0.05）；C2處理的總根長(zhǎng)分別較C1、C3處理增加了42.6%、40.6%，差異顯著（P<0.05）。C4處理的根系表面積最大，顯著（P<0.05）高于C1、C3處理，分別比C1、C3處理增加了33.4%、24.7%；比對(duì)照、C2處理增加了19.8%、6.2%，但差異不顯著（P>0.05）。C2處理的根系表面積分別比對(duì)照、C1、C3處理增加了12.9%、25.7%、17.3%，差異不顯著（P>0.05）。C4處理的根系體積最大，分別比對(duì)照、C1、C2、C3處理增加了33.2%、45.8%、35.7%、32.9%，差異均達(dá)顯著水平（P<0.05），其余4個(gè)處理間差異不顯著（P>0.05）。C4處理的根系平均直徑最大，分別比對(duì)照、C1、C2、C3處理增加了9.4%、8.2%、18.0%、5.3%，且與C2處理間的差異達(dá)到了顯著水平（P<0.05）。上述結(jié)果說(shuō)明施用生物炭后可促進(jìn)香草蘭根系的生長(zhǎng)發(fā)育，且以C2、C4處理對(duì)培育香草蘭發(fā)達(dá)的根系具有較好的效果。

2.3 生物炭處理對(duì)香草蘭植株根際土壤微生物數(shù)量的影響

2.3.1 土壤細(xì)菌 施加生物炭對(duì)香草蘭植株根際土壤細(xì)菌數(shù)量的影響情況見(jiàn)圖2。由圖2可知，C2處理的香草蘭植株根際土壤細(xì)菌數(shù)量顯著高于對(duì)照（P<0.05），為對(duì)照的1.49倍；同時(shí)顯著高于C1、C3、C4處理，分別是C1、C2、C4處理細(xì)菌數(shù)量的1.41、1.51、1.46倍。而C1、C3、C4處理的香草蘭植株根際土壤細(xì)菌數(shù)量與對(duì)照相比均有少量增加，但是差異不顯著（P>0.05）。由此可見(jiàn)，C2處理（在干土里施加生物炭30 g/kg））可以顯著增加香草蘭根際土壤中的細(xì)菌數(shù)量。

2.3.2 土壤放線菌 施加生物炭對(duì)香草蘭植株根際土壤放線菌數(shù)量的影響情況見(jiàn)圖3。由圖3可知，C2處理的香草蘭植株根際土壤放線菌數(shù)量為對(duì)照的1.75倍，差異顯著（P<0.05）；同時(shí)C2處理的放線菌數(shù)量高于C1、C3處理，分別為C1、C3處理的1.27、1.11倍，但差異不顯著（P>0.05）；不過(guò)C2處理的放線菌數(shù)量顯著高于C4處理（P<0.05）。C3處理的放線菌數(shù)量顯著高于對(duì)照（P<0.05），為對(duì)照的1.58倍。C1處理的放線菌數(shù)量與對(duì)照差異不顯著（P>0.05）。C4處理的放線菌數(shù)量最低，顯著低于C1、C2、C3處理（P<0.05）。這說(shuō)明適量添加生物炭可以增加香草蘭根際土壤中的放線菌數(shù)量，但是生物炭添加量為100 g/kg時(shí)，香草蘭植株根際土壤放線菌的數(shù)量反而降低。

2.3.3 土壤真菌 施加生物炭對(duì)香草蘭植株根際土壤真菌數(shù)量的影響情況見(jiàn)圖4。由圖4可知，C2處理的香草蘭植株根際土壤真菌數(shù)量最低，比對(duì)照減少的程度最大，顯著低于對(duì)照（P<0.05），并且與 C1、C3、C4處理相比，分別降低了77.4%、65.0%、72.0%，但差異不顯著（P>0.05）。另外C1、C3、C4處理與對(duì)照相比，根際土壤真菌數(shù)量分別降低了62.1%、75.6%、69.5%，差異均達(dá)到了顯著水平（P<0.05）。由此可見(jiàn)，施用生物炭可以顯著降低香草蘭植株根際土壤中的真菌數(shù)量。

3 小結(jié)與討論

3.1 生物炭對(duì)香草蘭地上部及根系生長(zhǎng)的影響

植物在炭化以后，大多保留了原有生物質(zhì)的良好孔隙結(jié)構(gòu)，具有較大的孔隙度和比表面積[15]。生物炭施入土壤后可以增加土壤的孔隙度，降低土壤容重，并可以有效的固持土壤水分，增加土壤含水量。Oguntunde等[16]研究表明，施用生物炭可使土壤容重降低9%，而總孔隙率則從45.7%增加到50.6%，飽和導(dǎo)水率提高了88%。土壤容重降低和通氣孔隙提高為植物根系提供了良好的生長(zhǎng)空間，有利于根系生長(zhǎng)。同時(shí)施加生物炭促進(jìn)了番茄根系的發(fā)育和產(chǎn)量的提高。勾芒芒等[17]研究表明，施加生物炭促進(jìn)了番茄根系生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高，在干土里施加生物炭40 g/kg處理的主根長(zhǎng)、主根直徑、總根系鮮質(zhì)量和產(chǎn)量分別是對(duì)照的1.20、1.24、1.21和2.67倍。本試驗(yàn)中，施加生物炭可以促進(jìn)香草蘭植株地上部和根系的生長(zhǎng)，在干土里施加生物炭30 g/kg處理的地上部干重比不施加生物炭的對(duì)照增加50.0%，根系干重較對(duì)照增加74.7%。另外添加生物炭可以促進(jìn)香草蘭根系的生長(zhǎng)，在土里施加生物炭30 g/kg處理的總根長(zhǎng)、根系表面積分別比對(duì)照增加了28.7%、12.9%；在土里施加生物炭100 g/kg處理的根系表面積、根系體積和根系直徑分別比對(duì)照提高了19.8%、33.2%、9.4%，這與張偉明等[9]在水稻上的研究結(jié)果相一致。

3.2 生物炭對(duì)香草蘭根際微生物生長(zhǎng)的影響

眾多研究表明，生物炭能夠促進(jìn)土壤微生物生長(zhǎng)有兩個(gè)方面的原因，一是生物炭本身具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)和巨大的表面積、能夠保持水分和空氣的特點(diǎn)，可為土壤微生物聚集、生長(zhǎng)與繁殖提供良好的環(huán)境[10]；另外，生物炭含碳量豐富，在培養(yǎng)過(guò)程中會(huì)部分降解，為微生物提供碳源，可促進(jìn)特定微生物的生長(zhǎng)[18]，改變土壤中微生物群落的結(jié)構(gòu)[19]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在香草蘭連作土壤里施入生物炭能夠提高香草蘭根際土壤的細(xì)菌和放線菌數(shù)量，且以在土里施加生物炭30 g/kg處理的細(xì)菌和放線菌數(shù)量最多，分別為不施加生物炭的對(duì)照的1.49、1.75倍。另外施用生物炭顯著降低了香草蘭根際土壤中的真菌數(shù)量，其中30 g/kg處理的真菌數(shù)量最低，究其原因可能是不同微生物群體對(duì)生物炭的響應(yīng)方式不同造成的。Jin[20]通過(guò)比較亞馬遜黑色土壤和生物炭改良土壤的研究發(fā)現(xiàn)，改良土壤的真菌多樣性比未改良的土壤低。另外還有研究表明生物炭提高了土壤中磷的有效性，導(dǎo)致菌根真菌的豐度下降[21]。Aciego等[22]發(fā)現(xiàn)，隨著土壤pH上升，微生物的量有所增加，但真菌和細(xì)菌對(duì)pH有不同的反應(yīng)；隨著 pH上升到大約7時(shí)，細(xì)菌的豐度增加，而真菌的豐度變化并不一致，或者在總生物量上沒(méi)有變化[22]，或者在較高的pH時(shí)顯著降低[23，24]。在本試驗(yàn)中，添加生物炭提高了土壤的pH，對(duì)照處理的pH為6.02，在土里施加生物炭100 g/kg處理的pH提高至7.05（另文發(fā)表），這也可能是香草蘭根際真菌降低的原因。另外真菌是造成香草蘭出現(xiàn)根腐病的主要病原菌，施用生物炭能顯著降低根際土壤中的真菌數(shù)量，可以降低香草蘭根腐病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，在香草蘭連作土壤里施用生物炭可以促進(jìn)香草蘭植株地上部及根系的生長(zhǎng)，增加根際土壤細(xì)菌和放線菌的數(shù)量，同時(shí)降低根際土壤的真菌數(shù)量，且以在干土里施加生物炭30 g/kg處理的效果最佳。不過(guò)由于試驗(yàn)僅就生物炭對(duì)香草蘭生長(zhǎng)及其根際土壤微生物的影響進(jìn)行了初步研究，生物炭是否能夠用于改良香草蘭連作土壤，仍需要進(jìn)一步試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

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（責(zé)任編輯 王珞）