不同用量秸稈生物炭對辣椒疫病防控效果及土壤性狀的影響*

王光飛馬 艷?郭德杰曹 云羅德旭趙建鋒孫玉東

（1 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，南京 210014）

（2 農(nóng)業(yè)部江蘇耕地保育科學(xué)觀測實驗站，南京 210014）

（3 江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇淮安 223001）

不同用量秸稈生物炭對辣椒疫病防控效果及土壤性狀的影響*

王光飛1，2馬 艷1，2?郭德杰1，2曹 云1，2羅德旭3趙建鋒3孫玉東3

（1 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，南京 210014）

（2 農(nóng)業(yè)部江蘇耕地保育科學(xué)觀測實驗站，南京 210014）

（3 江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇淮安 223001）

采用盆栽試驗研究了不同用量秸稈生物炭對辣椒疫病防控效果及土壤性狀的影響，并解析生物炭用量、土壤性狀與防控效果之間的關(guān)系。結(jié)果表明，隨著生物炭用量的增加，土壤pH和有機質(zhì)含量逐步上升，電導(dǎo)率、有效磷和速效鉀含量迅速上升，而銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量變化較小。細菌、真菌及四種功能菌數(shù)量隨著用量的增加而逐步增加，但辣椒疫霉數(shù)量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。土壤酶活性方面，脲酶和β-葡糖苷酶逐步降低，F(xiàn)DA酶和蔗糖酶則先上升后下降。微生物代謝能力、微生物多樣性及微生物均勻度均與用量呈倒U型曲線關(guān)系，在1.33%用量下獲得最高值。DGGE圖譜顯示，低用量生物炭對微生物區(qū)系影響較小，而1.33%和2%用量則能顯著改變微生物群落結(jié)構(gòu)。0.33%、0.66%、1.33%和2%用量的防效分別為-9.8%、8.6%、56.7%和35.1%，與用量也呈倒U型曲線關(guān)系，1.33%生物炭用量對辣椒疫病的防效最好。一定范圍內(nèi)防效隨生物炭用量的增加而增加，這可能是因為生物炭對土壤性狀的改善作用，而隨后防效下降，則與高用量生物炭對土壤性狀產(chǎn)生的負面影響有關(guān)。

秸稈生物炭；辣椒疫??；土壤性狀

生物質(zhì)在無氧或缺氧條件下高溫裂解產(chǎn)生的固體產(chǎn)物即為生物炭。生物炭具有比表面積大、孔隙度好、吸附能力強的特點，并且富含有機碳、礦質(zhì)養(yǎng)分等，是一種集肥料、吸附劑和改良劑于一體的新型材料［1-2］。已有很多報道表明，添加生物炭能改善土壤酸堿度、溫室氣體排放、物理結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分狀況和微生物多樣性及群落結(jié)構(gòu)等等，并且對植株生長有促進作用［3-5］。

辣椒疫病是由辣椒疫霉菌（Phytophthora capsici L.）引起的一種世界性土傳病害，蔓延迅速，致病性強，常在短期內(nèi)爆發(fā)，造成辣椒生產(chǎn)的毀滅性破壞。辣椒疫病等土傳病害病情程度不僅與病原菌數(shù)量相關(guān)，而且與土壤理化和生物學(xué)性狀息息相關(guān)。近年有不少關(guān)于生物炭防控番茄青枯病、蘆筍根腐病和黃瓜猝倒病等土傳病害的報道［4，6］，初步顯示出生物炭在土傳病害防控方面的潛力和發(fā)展前景。但鮮有文獻將生物炭防控土傳病害與其對土壤性狀的影響進行聯(lián)系和剖析。

生物炭用量是影響生物炭防效的重要因素，Jaiswal等［7］和Elmer與Pignatello［8］分別在研究生物炭防控立枯絲核菌（Rhizoctonia solani）和蘆筍枯萎菌（Fusarium oxysporum f. sp. asparagi）引起的土傳病害中，均發(fā)現(xiàn)一定范圍內(nèi)生物炭防控病害的效果隨生物炭用量的增加而增加，但隨后防效逐漸下降。本實驗室前期研究顯示，土壤添加1%的秸稈生物炭對辣椒疫病具有良好的防控效果［9］，但不同生物炭用量下對病害的防控效果如何？防控效果受土壤中哪些性狀影響？是否可以通過優(yōu)化生物炭用量、調(diào)控土壤性狀進而提高防控效果？等問題值得深入探究。鑒于此，本文研究了不同用量下生物炭對辣椒疫病的防控效果以及對土壤主要理化和微生物性狀的影響，并解析生物炭用量、防控效果和土壤性狀的關(guān)聯(lián)性，不僅為利用生物炭防控辣椒疫病等土傳病害提供參考用量，而且為評價生物炭施用對土壤性狀的影響提供理論依據(jù)，具有重要的生產(chǎn)實踐指導(dǎo)作用和理論價值。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自江蘇淮安市黃碼鄉(xiāng)辣椒大棚耕層土，質(zhì)地為砂土。生物炭由中國科學(xué)院南京土壤所謝祖彬研究員提供，由玉米秸稈經(jīng)馬弗爐500℃厭氧裂解1 h所得，粉碎過40目篩后備用。土壤和生物炭基本理化性狀見表1。供試病原菌為辣椒疫霉菌，由本實驗室分離所得。供試辣椒品種為蘇椒5號。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所大棚內(nèi)利用盆缽栽培的方式進行，自然光照，溫度25～35℃。將制備好的辣椒疫霉游動孢子液噴灑加入土壤中，并拌勻，使得每g干土辣椒疫霉數(shù)量為100個游動孢子。再將試驗土壤設(shè)以下5個處理：（1）T0，空白對照，生物炭施用量為0%；（2）T1，生物炭施用量為0.33%；（3）T2，生物炭施用量為0.66%；（4）T3，生物炭施用量為1.33%；（5）T4，生物炭施用量為2%。生物炭按質(zhì)量比加入土壤并拌勻。各處理土壤分裝到圓口盆缽中，每盆550 g鮮土。每個處理45盆，每15盆為1個重復(fù)。土壤處理當天，每盆種植一顆六葉期辣椒苗。土壤處理時和栽植期間均未施肥。栽植前采集土壤樣品進行理化指標分析，栽植后32 d采集各處理植株根際土樣，進行理化、酶學(xué)和微生物學(xué)指標分析，栽植后45 d內(nèi)定期統(tǒng)計發(fā)病率。

表1 供試土壤和生物炭基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of the soil and biochar in the experiment

1.3 測定項目與方法

土壤常規(guī)理化指標分析：土壤pH采用土水比= 1∶10浸提，用pH計測定；電導(dǎo)率采用土水比= 1∶10浸提，用電導(dǎo)儀測定；有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測定；銨態(tài)氮含量采用氯化鉀浸提—靛酚藍比色法測定；速效鉀含量采用乙酸銨浸提—火焰光度法測定；有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定；硝態(tài)氮含量采用紫外分光光度法測定［10］。

土壤微生物數(shù)量：以新鮮土樣為測定對象，采用試管梯度稀釋涂平板法測定土壤芽孢桿菌、假單胞菌、鏈霉菌和木霉菌，采用的培養(yǎng)基分別是牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、King’S B培養(yǎng)基、STR培養(yǎng)基和馬丁氏培養(yǎng)基［11-12］；以風干土樣為測定對象，采用實時熒光定量PCR技術(shù)測定土壤細菌、真菌及辣椒疫霉數(shù)量［13］。

土壤酶活性：以新鮮土樣為測定對象，F(xiàn)DA酶采用熒光素顯色法測定，以1 g土壤1 h后催化底物產(chǎn)生的熒光素的微克數(shù)表示［14］；脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定，以1 g土壤24 h后催化底物產(chǎn)生的NH3-N的毫克數(shù)表示［15］；蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法，以1 g土壤24 h后產(chǎn)生葡萄糖的毫克數(shù)表示［15］；β-葡萄糖苷酶采用PNPG比色法，以1 g土壤1 h后催化底物產(chǎn)生的對硝基酚的微克數(shù)表示［15］。

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和碳源利用狀況：采用PCR-DGGE技術(shù)分析土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，PCRDGGE參照Wang等［16］的研究，將主條帶進行割膠回收并克隆測序［16］；土壤微生物碳源利用測定應(yīng)用Biolog-Eco生態(tài)測試板測定［17］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用孔平均顏色變化率法測定微生物利用單一碳源的能力。Ci為各反應(yīng)孔在590 nm的光密度值；R為ECO 板對照孔A1的光密度值；Ci-R小于零的孔計算中記為零；Pi=（Ci－R）/∑（Ci－R），表示有碳源的孔與對照孔A1的光密度值之差與整板總差的比值；S為顏色發(fā)生變化的孔數(shù)（AWCD ＞0.2代表該孔碳源被利用）?？灼骄伾兓剩ˋverage well color development，AWCD）=∑（Ci－R）/31；Shannon物種多樣性指數(shù)（H）=－∑Pi×lnPi；Shannon群落均勻度指數(shù)（E）= H/lnS［17］；Simpson優(yōu)勢度指數(shù)（D）=1－∑Pi2。

測定數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel 2010軟件整理后，用SPSS17.0軟件進行統(tǒng)計分析。文中病情指數(shù)、土壤理化指標和土壤生物學(xué)指標均為3次重復(fù)平均值。

2 結(jié) 果

2.1 不同用量生物炭對辣椒疫病的防控效果

圖1 不同處理發(fā)病率動態(tài)Fig. 1 Dynamics of disease incidence relative to treatment

由圖1可看出，栽植后各處理發(fā)病率呈現(xiàn)不同的上升趨勢。栽植0～15 d各處理發(fā)病率逐步上升，T0發(fā)病率最高，但與其余處理差異不顯著。栽植15～25 d各處理發(fā)病率差異逐步增大，T1、T2和T4發(fā)病率上升幅度略低于T0，T3上升幅度最小。栽植30 d以后，T1發(fā)病率上升較快，甚至較高于T0，而T3和T4發(fā)病率不再上升。栽植45 d時，T3與T4以及T4與T0、T1和T2之間發(fā)病率存在顯著差異，其中T3發(fā)病率最低，T4次之，但顯著低于T0、T1和T2。T1、T2、T3和T4的防效分別為-9.8%、8.6%、56.7%和35.1%?？梢?，施用1.33%的生物炭對辣椒疫病防控效果最好。

2.2 不同用量生物炭對土壤化學(xué)性狀的影響

表2展示了辣椒栽植前和栽植32 d后不同生物炭施用量對土壤化學(xué)性狀的影響。栽植前土壤pH、EC、有機質(zhì)、有效磷和速效鉀含量與生物炭用量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系。隨著生物炭用量的增加，土壤pH、EC、有機質(zhì)、有效磷和速效鉀含量逐漸上升，速效鉀和有效磷上升趨勢最為顯著，其次是EC，最后是有機質(zhì)和pH。栽植32 d后，土壤EC、有機質(zhì)、有效磷和速效鉀含量仍與用量保持明顯的正相關(guān)性，但與栽植前相比，處理間差值有所下降。且pH沒有與用量表現(xiàn)出正相關(guān)性。因此，生物炭對土壤部分化學(xué)指標的增值效應(yīng)隨時間而減弱，這與Quilliam等［18］的研究結(jié)果一致。此外，在整個試驗期間，不同用量生物炭處理對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量沒有顯著影響，這與劉園等［19］的報道相符。綜上，添加生物炭能高效提高土壤速效鉀和有效磷，有效提高EC、有機質(zhì)和pH。

2.3 不同用量生物炭對土壤酶活性的影響

FDA酶和蔗糖酶是表征土壤微生物活性的兩種重要水解酶［15，20］。脲酶和β-葡糖苷酶分別是表征土壤氮素和碳素循環(huán)速度的重要指標之一［15］。測定添加生物炭對四種酶活性的影響，結(jié)果表明前兩種酶隨著生物炭用量增加的變化趨勢明顯不同于后兩種酶。隨著生物炭用量的增加，F(xiàn)DA酶活性和蔗糖酶活性顯示出先升高再下降的趨勢。T2和T3中，F(xiàn)DA酶活性和蔗糖酶活性均最高，且與其余處理有顯著差異。而用量最高的T4處理酶活性與T0和T1處理差異較小。所有生物炭處理均顯著降低脲酶和β-葡糖苷酶的活性，隨著生物炭用量的增加，脲酶活性由0.487 mg 24h-1g-1逐步下降至0.442 mg 24h-1g-1，β-葡萄糖苷酶活性由44.36 μg h-1g-1逐步下降至33.94 μg h-1g-1?？梢?，一定范圍用量的生物炭能提高土壤微生物活性，過高過低的用量對微生物活性影響不顯著；在本實驗中，添加生物炭抑制土壤氮素和碳素轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶活性，且抑制作用隨著生物炭用量的增加而增加。與之相似，Paz-Ferreiro等［21］的研究表明高用量生物炭能顯著降低土壤微生物活性、凈氮礦化速率和β-葡糖苷酶活性等。

圖2 栽植45 d后盆栽效果Fig. 2 45 days after the peppers were transplanted into the pots

表2 不同處理土壤化學(xué)性狀Table 2 Soil chemical properties relative to treatment

表3 不同處理根際土壤酶活性Table 3 Enzyme activities in rhizosphere soil relative to treatment

2.4 不同用量生物炭對土壤微生物數(shù)量的影響

圖3A為栽植32 d不同處理根際細菌和真菌總數(shù)。隨著生物炭用量的增加，細菌總數(shù)呈逐步上升趨勢，T2和T3細菌總數(shù)高于T0和T1，而T4顯著高于T0和T1。T2、T3和T4細菌總數(shù)分別為T0的1.72倍、2.45倍和2.93倍。真菌總數(shù)呈先下降后上升趨勢。T1和T2與T0差異不顯著，但T3和T4與T0相比，顯著地增加了根際真菌總數(shù)，分別為T0的2.49倍和3.09倍。據(jù)此，在本試驗用量范圍內(nèi)，細菌和真菌總數(shù)與生物炭用量呈一定的正相關(guān)性。

圖3B則顯示辣椒疫霉數(shù)量隨生物炭用量增加表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢，T1、T2、T3和T4辣椒疫霉數(shù)量分別為T0的0.98倍、1.70倍、2.33倍和0.69倍。在生物炭用量0～1.33%范圍內(nèi)，生物炭促進了辣椒疫霉數(shù)量的增加。與之相似，Gravel［22］和Guijarro［23］等研究結(jié)果表明施用生物炭雖能增加土壤中腐霉菌和立枯絲核菌兩種病原真菌的數(shù)量，但有防控效果或未加重病害。但本試驗也顯示出在高用量下生物炭對辣椒疫霉數(shù)量可產(chǎn)生一定的削弱作用。

圖3 不同處理根際土壤細菌、真菌（A）及辣椒疫霉（B）的數(shù)量Fig. 3 Populations of bacteria，fungi（A）and P. capsici（B）in rhizosphere soil relative to treatment

芽孢桿菌、假單胞菌、鏈霉菌和木霉菌是已知的抗病性功能微生物［11］。表5展示了不同用量生物炭處理下四種功能微生物數(shù)量的差異。隨著生物炭用量的增加，四種功能微生物數(shù)量基本呈上升趨勢，假單胞菌和鏈霉菌分別由1.96×106CFU g-1和7.40×105CFU g-1上升至2.75×106CFU g-1和9.28×105CFU g-1，但不同處理間均未達到顯著差異。芽孢桿菌由5.25×106CFU g-1上升至5.77×106CFU g-1，T4與其余處理達到顯著差異。木霉菌由3.00×102CFU g-1上升至8.00×102CFU g-1，T2和T4與T0和T1達到顯著差異。因此，生物炭能在一定程度上增加抗病性功能微生物的數(shù)量，且隨著用量的增加，而逐步明顯。這與前人［8，11，26］的研究結(jié)果一致。

表4 不同處理根際功能菌數(shù)量Table 4 Populations of functional microbial groups in rhizosphere soil relative to treatment

2.5 不同用量生物炭對細菌和真菌群落結(jié)構(gòu)的影響

細菌D G G E圖譜及測序結(jié)果顯示（圖4和表4），所有處理除條帶B12外，所有條帶均為共有性條帶，包含以下 5個類群：變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（A c t i n o b a c t e r i a）、綠彎菌門（Chloroflexi）和擬桿菌門（Bacteroidetes），條帶亮度顯示細菌數(shù)量以變形菌門、厚壁菌門和放線菌門居多，但blast結(jié)果顯示細菌種類以變形菌門居多。T0、T1和T2細菌群落較為一致，但T3和T4細菌群落與T0、T1和T2有一定的差異性。T3和T4處理假單胞菌（Pseudomonas）條帶亮度顯著加深，代表了假單胞菌數(shù)量的顯著上升，假單胞菌是一種公認的抗病微生物。T4處理有特異條帶鞘氨醇單胞菌（Sphingomonas），且顏色較深，鞘氨醇單胞菌能高效降解生物炭的重要成分芳香化合物，且有文獻報道過其促生效果［25］。此外，T4處理顯著減少了黃桿菌（Flavobacterium）數(shù)量，而黃桿菌可產(chǎn)生抑制病原菌物質(zhì)［26］。可見，生物炭的添加有利于形成健康的土壤微生物區(qū)系，但用量過高則產(chǎn)生一定的負影響。聚類分析圖顯示，T0、T1和T2較為相似，而T3和T4與T0、T1和T2組成的族群差異較大。

真菌條帶測序結(jié)果顯示，所有處理根際真菌均以子囊菌門（Ascomycota）為主。F1-13為共有條帶，均為子囊菌門真菌。T0和T1真菌DGGE圖譜較為一致，但T2、T3和T4真菌條帶有較大的變化。T2和T4處理能顯著增加擔子菌（Basidiomycota）Psilocybe sylvatica或Cerrena sp.的數(shù)量。與其余處理相比，T3具有特異條帶F15-18，且均為子囊菌門真菌。聚類分析結(jié)果表明，T0和T1單獨成一個族群，T2在相似系數(shù)為0.82處與T0和T1聚成一族群。T3和T4單獨聚成一族群，相似系數(shù)為0.79。DGGE圖譜、聚類分析和測序結(jié)果表明了生物炭用量較低時對根際微生物群落結(jié)構(gòu)影響較小，但提高生物炭用量能顯著改變根際微生物群落結(jié)構(gòu)，即T3和T4處理對根際微生物的影響作用最為顯著。

圖4 不同處理根際真菌和細菌DGGE圖譜（A）及聚類樹狀圖（B）Fig. 4 DGGE profiles（A）and cluster analysis（B）of the bacterial and fungal communities in rhizosphere soil relative to treatment

2.6 不同用量生物炭對土壤微生物碳源利用能力的影響

平均顏色變化率（AWCD）表征微生物群落碳源利用率，反映了土壤微生物活性和微生物群落生理功能多樣性等［17］。圖5中各處理AWCD值整體趨勢表現(xiàn)為T3＞T2＞T0≥T4＞T1。說明用量為0.66%和1.33%時促進了根際微生物群落對碳源的利用能力，而用量過高（2%）和用量過低（0.33%）對根際微生物群落碳源利用能力均無顯著影響。

Shannon多樣性指數(shù)反映微生物群落物種的豐富度，Shannon均勻度指數(shù)是微生物群落物種均一性的度量，Simpson優(yōu)勢度指數(shù)反映微生物群落物種集中度。T2和T3的多樣性指數(shù)明顯高于其余處理，而均勻度指數(shù)則表現(xiàn)為T3和T4顯著或較顯著高于其余處理。優(yōu)勢度指數(shù)表明T2、T3和T4微生物群落物種集中度小于T0和T1。因此T3處理根際功能多樣性最高，其次為T2和T4。

表5 DGGE 圖譜條帶的序列比對結(jié)果Table 5 Sequence of bands in DGGE profile

圖5 不同處理根際土壤平均顏色變化率Fig. 5 Temporal variation of average well color development （AWCD）of rhizosphere soil relative to treatment

2.7 生物炭用量、辣椒疫病發(fā)生率與土壤主要性狀間的相關(guān)性

生物炭用量、辣椒疫病發(fā)生率和土壤性狀三者間關(guān)系密切，見表7。土壤化學(xué)性狀方面，生物炭用量與EC、有機質(zhì)、有效磷、速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，發(fā)病率則與EC、有機質(zhì)、有效磷、速效鉀含量呈極顯著負相關(guān)。土壤生物學(xué)性狀方面，生物炭用量與細菌數(shù)量、真菌數(shù)量、芽孢桿菌數(shù)量、木霉數(shù)量等呈極顯著正相關(guān)，與假單胞菌數(shù)量和微生物均勻度呈顯著正相關(guān)。發(fā)病率則與真菌數(shù)量、假單胞菌數(shù)量、微生物均勻度呈極顯著負相關(guān)，與細菌數(shù)量和AWCD值呈顯著負相關(guān)。此外，生物炭用量（0～2%）和發(fā)病率呈極顯著負相關(guān)?？梢姡煌昧可锾刻幚淼陌l(fā)病率與其對土壤性狀的影響關(guān)系緊密。

表6 不同處理根際土壤微生物功能多樣性指數(shù)（96 h）Table 6 Functional diversity indices of the microbial communities in rhizosphere soil relative to treatment

表7 生物炭用量及發(fā)病率與土壤性狀的相關(guān)性Table 7 Relationships of biochar content and disease incidence with soil properties

3 討 論

本研究結(jié)果展示了生物炭用量與防效并非簡單的線性關(guān)系，而是倒U型曲線關(guān)系，即隨著生物炭用量的增加，防效先上升后下降，這與前人［7-8］的研究結(jié)果一致。生物炭通過改善土壤理化和生物學(xué)性狀進而防控辣椒疫病，因此這種倒U型效應(yīng)應(yīng)與不同用量生物炭對土壤性狀的影響密切相關(guān)。

生物炭富含P、K、Mg、Ca等礦質(zhì)元素，施入土壤后可明顯改善土壤中的養(yǎng)分狀況［27］。與之相符，本試驗中隨著生物炭用量的增加，土壤有效磷和速效鉀含量迅速增加。磷可以促進植株體內(nèi)糖和蛋白質(zhì)的正常代謝，刺激植物根系生長，增進根吸收，有效緩解根部病害［28］。鉀可通過參與植株的酚、碳、氮及活性氧代謝調(diào)控植株的抗病性能，進而提高植物的抗病能力［28］。因此，土壤有效磷和速效鉀含量的增加可能有利于提高植株抗病性。多項研究報道生物炭能顯著提高土壤pH，本研究中土壤pH隨用量逐步升高，這可能在一定程度上減緩辣椒疫病的發(fā)生。生物炭有機質(zhì)含量極高，因此隨著用量的增加土壤有機質(zhì)含量呈上升趨勢，有機質(zhì)含量的增加可為微生物和作物生長提供更多的養(yǎng)分和能源［29］，進而促進了土壤抑病性和植株抗病性。

根際微生物碳源代謝能力、FDA酶活性和蔗糖酶活性數(shù)據(jù)顯示，隨著生物炭用量的增加，土壤微生物活性呈先上升后下降的趨勢，高用量下微生物活性降低可能與生物炭含有的毒性物質(zhì)密切相關(guān)［7］。微生物活性與土壤抑病性呈正比［20］，因此適當增加用量能提高土壤抑病性，但高用量則會產(chǎn)生負作用。脲酶活性和β-葡糖苷酶活性數(shù)據(jù)顯示，生物炭對土壤碳氮循環(huán)具有一定的抑制作用，且隨著用量的增加而逐步增大，因此高用量會產(chǎn)生其他的負面效應(yīng)。這些可能與高用量生物炭防效降低息息相關(guān)。

根際細菌和真菌數(shù)量隨生物炭用量而逐步增加，這有利于營造健康的微生物區(qū)系。四種抑病性功能微生物數(shù)量，尤其是木霉菌和芽孢桿菌，也與生物炭用量呈正相關(guān)。由此，隨著生物炭用量的增加，部分與抗病性相關(guān)的土壤生物學(xué)性狀逐步改善。在病原菌數(shù)量方面，在一定用量范圍內(nèi)生物炭增加了辣椒疫霉數(shù)量，說明了生物炭并非通過降低病原菌數(shù)量產(chǎn)生防控效果，這與前人報道［22-23］一致。也有多項研究表明應(yīng)用有機物防控疫霉屬病害時，雖然有防效，但疫霉數(shù)量卻有所增加，因此病原菌數(shù)量并不是決定性因子。生物炭高用量下辣椒疫霉數(shù)量降低至低于對照，這可能是因為高用量下生物炭的毒性物質(zhì)對病原菌產(chǎn)生較為顯著的抑制作用，我們推測這可能是高用量生物炭具有一定防效的主要原因。

不少研究表明生物炭對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了巨大影響［11，30］。本研究顯示低用量生物炭對土壤微生物區(qū)系影響較小，但較高及高用量生物炭能顯著改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢微生物種群。微生物多樣性分析則顯示，微生物多樣性和均勻度在一定范圍隨著用量的增加而增加，但隨后反而降低。因此，高用量生物炭雖能顯著影響土壤微生物區(qū)系，但對微生物多樣性等產(chǎn)生了較大的負面效應(yīng)，適當?shù)挠昧考饶芨纳仆寥牢⑸飬^(qū)系又能提高微生物多樣性，這可能是較高用量具有最佳防效的重要原因。

本研究相關(guān)性分析顯示辣椒疫病發(fā)生率與土壤EC、有機質(zhì)、有效磷、速效鉀含量呈極顯著負相關(guān)，因此生物炭對土壤化學(xué)性狀的改善作用與其防控效果密切相關(guān)。假單胞菌、細菌、真菌數(shù)量、碳源利用能力、微生物均勻度等與發(fā)病率呈極顯著或顯著負相關(guān)，因此生物炭引起的土壤生物學(xué)性狀變化也是其產(chǎn)生防效的重要原因。隨著生物炭用量的增加，與發(fā)病率呈負相關(guān)的化學(xué)指標數(shù)據(jù)逐步增加，但生物學(xué)性狀指標并非如此，部分性狀存在倒U型效應(yīng)，用量超過一定范圍后對土壤生物學(xué)性狀產(chǎn)生負面影響，即土壤酶活性、微生物活性、微生物多樣性和微生物均勻度下降，不利于土壤的抑病性，這可能是用量與防效顯示倒U型曲線關(guān)系的主要原因。在本試驗中1.33%用量時各項土壤生物學(xué)指標已達到最佳值或接近最佳值，而2%用量部分生物學(xué)性狀指標下降，產(chǎn)生負面影響進而減弱了防控效果。

4 結(jié) 論

生物炭使用量對防控土傳病害有重要影響。一定生物炭用量范圍內(nèi)防效隨用量增加而增加，原因可能在于其對土壤多種化學(xué)和生物學(xué)性狀的改善作用逐漸增大，這種改善作用產(chǎn)生的防病效果甚至超過了辣椒疫霉菌數(shù)量增加對植株發(fā)病率的影響。但隨后繼續(xù)增大生物炭用量（2%），雖然辣椒疫霉病菌的數(shù)量顯著減少，但對病害的防效反而降低，這可能與高用量生物炭對土壤碳氮循環(huán)、微生物活性和微生物多樣性等多種性狀產(chǎn)生的負面效應(yīng)有關(guān)。

［1］Joseph S D，Camps-Arbestain M，Lin Y，et al. An investigation into the reactions of biochar in soil. Australian Journal of Soil Research，2010，48（7）：501—515

［2］Lehmann J，Rillig M C，Thies J，et al. Biochar effects on soil biota-A review. Soil Biology & Biochemistry，2011，43：1812—1836

［3］Lai W Y，Lai C M，Ke G R，et al. The effects of woodchip biochar application on crop yield，carbon sequestration and greenhouse gas emissions from soils planted with rice or leaf beet. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers，2013，44（6）：1039—1044

［4］馬艷，王光飛. 生物炭防控植物土傳病害研究進展. 中國土壤與肥料，2014（6）：14—20

Ma Y，Wang G F. Review of biochar utilization on soilborne disease control（In Chinese）. Soil and Fertilizer Sciences in China，2014（6）：14—20

［5］Gómez J D，Denef K，Catherine E，et al. Biochar addition rate influences soil microbial abundance and activity in temperate soils. European Journal of Soil Science，2014，65：28—39

［6］Graber E R，F(xiàn)renkel O，Jaiswal A K，et al. How may biochar influence severity of diseases caused by soilborne pathogens? Carbon Management，2014，5 （2）：169—183

［7］Jaiswal A K，F(xiàn)renkel O，Elad Y，et al. Non-monotonic influence of biochar dose on bean seedling growth and susceptibility to Rhizoctonia solani：The“Shifted Rmax-Effect”. Plant and Soil，2015，395（1）：125—140

［8］Elmer W H，Pignatello J J. Effect of biochar amendments on mycorrhizal associations and Fusarium crown and root rot of asparagus in replant soils. Plant Disease，2011，95（8）：960—966

［9］王光飛，馬艷，郭德杰. 秸稈生物炭對辣椒疫病的防控效果及機理研究. 土壤，2015，47（6）：1107—1114

Wang G F，Ma Y，Guo D J. Effect and mechanism of straw biochar on disease control of Phytophthora blight of chilli pepper（In Chinese）. Soils，2015，47 （6）：1107—1114

［10］張甘霖，龔子同. 土壤調(diào)查實驗室分析方法. 北京：科學(xué)出版社，2012

Zhang G L，Gong Z T. Soil survey laboratory methods （In Chinese）. Beijing：Science Press，2012

［11］Graber E R，Meller Harel Y，Kolton M，et al. Biochar impact on development and productivity of pepper and tomato grown in fertigated soilless media. Plant and Soil，2010，337：481—496

［12］Conn K L，Leci E，Kritzman G，et al. A quantitative method for determining soil populations of Streptomyces and differentiating potential potato scab-inducing strains. Plant Disease，1998，82（6）：631—638

［13］Wang Q J，Ma Y，Wang G F，et al. Integration of biofumigation with antagonistic microorganism can control Phytophthora blight of pepper plants by regulating soil bacterial community structure. European Journal of Soil Biology，2014，61（5）：58—67

［14］劉海芳，馬軍輝，金遼，等. 水稻土FDA水解酶活性的測定方法及應(yīng)用. 土壤學(xué)報，2009，46（2）：365—367

Liu H F，Ma J H，Jin L，et al. Determination of activity of FDA hydrolysis in paddy soils and its application in Taihu Lake region（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2009，46（2）：365—367

［15］關(guān)松蔭. 土壤酶及其研究法. 北京：農(nóng)業(yè)出版社，1986

Guan S Y. Soil enzymes and its research methods（In Chinese）. Beijing：Agriculture Press，1986

［16］Wang Q J，Ma Y，Yang H，et al. Effect of biofumigation and chemical fumigation on soil microbial community structure and control of pepper Phytophthora blight. World Journal of Microbiology and Biotechnology，2014，30：507—518

［17］張紅，呂家瓏，曹瑩菲，等. 不同植物秸稈腐解特性與土壤微生物功能多樣性研究. 土壤學(xué)報，2014，51 （4）：743—752

Zhang H，Lü J L，Cao Y F，et al. Decomposition characteristics of different plant straws and soil microbial functional diversity（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2014，51（4）：743—752

［18］Quilliam R S，Marsden K A，Gertler C，et al. Nutrientdynamics，microbial growth and weed emergence in biochar amended soil are influenced by time since application and reapplication rate. Agriculture，Ecosystems & Environment，2012，158：192—199

［19］劉園，Khan M J，靳海洋，等. 秸稈生物炭對潮土作物產(chǎn)量和土壤性狀的影響. 土壤學(xué)報，2015，52（4）：849—858

Liu Y，Khan M J，Jin H Y，et al. Effects of successive application of crop-straw biochar on crop yield and soil properties in Cambosols（In Chinese）. Acta Pedologica Sinica，2015，52（4）：849—858

［20］Bonanomi G，Antignani V，Capodilupo M，et al. Identifying the characteristics of organic soil amendmentsthat suppress soilborne plant diseases. Soil Biology & Biochemistry，2010，42：136—144

［21］Paz-Ferreiro J，Gascó G，Gutiérrez B，et al. Soil biochemical activities and the geometric mean of enzyme activities after application of sewage sludge and sewage sludge biochar to soil. Biology and Fertility of Soils，2012，48：511—517

［22］Gravel V，Dorais M，Ménard C. Organic potted plants amended with biochar：Its effect on growth and Pythium colonization. Canadian Journal of Plant Science，2013，93：1217—1227

［23］Guijarro M B，Mattner S W，Wiechel T J，et al. Suppession of damping-off of radish caused by Rhizoctonia solani AG2.1 with soil carbon amendments// Stirling G R. 6th Australasian Soilborne Diseases Symposium. Queensland：Agri-Science Queensland，2010：49

［24］Elad Y，Rav David D，Meller Harel Y，et al. Induction of systemic resistance in plants by biochar，a soil applied carbon sequestering agent. Phytopathology，2010，100：913—921

［25］Hrynkiewicz K，Baum C，Niedojad?o J，et al. Promotion of mycorrhiza formation and growth of willows by the bacterial strain Sphingomonas sp. 23L on fly ash. Biology and Fertility of Soils，2009，45（4）：385—394

［26］Sang M K，Kim K D. The volatile-producing Flavobacterium johnsoniae strain GSE09 shows biocontrol activity against Phytophthora capsici in pepper. Journal of Applied Microbiology，2012，113（2）：383—398 ［27］Atkinson C J，F(xiàn)itzgerald J D，Hipps N A. Potential mechanisms for achieving agricultural benefits from biochar application to temperate soils：A review. Plant and Soil，2010，337：1—18

［28］Dordas C. Role of nutrients in controlling plant diseases in sustainable agriculture. A review. Agronomy for Sustainable Development，2008，28 ：33—46

［29］田小明，李俊華，危常州，等. 不同生物有機肥用量對土壤活性有機質(zhì)和酶活性的影響. 中國土壤與肥料，2012（1）：26—32

Tian X M，Li J H，Wei C Z，et al. Effect of different bioorganic fertilizer application rate on soil active organic matter and enzyme activities（In Chinese）. Soil and Fertilizer Sciences in China，2012（1）：26—32

［30］Kolton M，Meller Harel Y，Pasternak Z，et al. Impact of biochar application to soil on the root-associated bacterial community structure of fully developed greenhouse pepper plants. Applied and Environmental Microbiology，2011，77（14）：4924—4930

Application-Rate-Dependent Effects of Straw Biochar on Control of Phytophthora Blight of Chilli Pepper and Soil Properties

WANG Guangfei1，2MA Yan1，2?GUO Dejie1，2CAO Yun1，2LUO Dexu3ZHAO Jianfeng3SUN Yudong3
（1 Institute of Agricultural Resources and Environments，Jiangsu Academy of Agricultural Sciences，Nanjing 210014，China）
（2 Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation（Jiangsu），Ministry of Agriculture，Nanjing 210014，China）
（3 Huaiyin Institute of Agricultural Science in Xuhuai Area of Jiangsu Province，Huai’an，Jiangsu 223001，China）

【Objective】Biochar is a carbon-rich product of pyrolysis of biomass and can be used to ameliorate soil and promote crop growth. Recently，studies show that biochar has some good effects on control of soil-borne diseases. Researches in the past already demonstrated that straw biochar could effectively control Phytophthora blight of chilli pepper，through improving soil physic-chemical properties and microbiological properties，but little has been reported on how application rate affects the effect of biochar controlling thedisease of Phytophthora capsici.【Method】In this study，a pot experiment，designed to have 5 treatments concerning application rate，i.e. Treatment 0，1，2，3 and 4（0%，0.33%，0.66%，1.33% and 2% w/w，respectively），was carried out to investigate effect of straw biochar controlling Phytophthora blight of chilli pepper，relative to application rate of biochar. The soils in the pots were analyzed separately for chemical properties（soil pH，electrical conductivity，organic matter，ammonium N，nitrate N，available P and readily available K）and soil micro-biological properties（soil enzyme activity，microbial population，microbial community structure and soil microbial carbon utilization features）. Soil microbial population was determined with the dilution plating method and real time PCR；soil microbial community structure with PCRDGGE and soil microbial carbon utilization features with the Biolog system. Correlation analysis was done of biochar application rate，soil properties and disease control effect. 【Result】The disease controlling efficiency in Treatment 1，2，3 and 4 was -9.8%，8.6%，56.7% and 35.1%，respectively，forming an inverted U-shape curve. So the application rate of 1.33%（Treatment 3）was the optimal for disease control. With increasing biochar application rate，soil pH and organic matter content increased gradually，electrical conductivity，available P content and readily available K content did significantly，but ammonium and nitrate nitrogen contents did only slightly. Urease and β-glucosidase activities gradually decreased，F(xiàn)DA Hydrolase and sucrase activities increased first and then decreased，total bacteria，total fungi and four groups of functional microorganisms gradually increased in population，and P. capsici first increased and then decreased in population with increasing application rate of straw biochar. Microbial metabolic ability，microbial diversity and microbial community evenness all displayed an inverted U-shape curve in response to the varying application rate of straw biochar，with peaks appearing all in Treatment 3（1.33%）. DGGE profiles show that biochar at low application rates（0.33% and 0.66%）had little effect on microbial community structure，but when at high application rates（1.33% and 2%）it did significantly alter microbial community structure，significantly increasing the abundance of Pseudomonas，Sphingomonas，Ascomycota and Basidiomycota. 【Conclusion】This study demonstrates prominently the importance of application rate of straw biochar in disease control. The control efficiency increases as application rate of straw biochar increases within a certain range，which may be attributed to the function of biochar to improve soil chemical and biological properties. But when the application rate goes beyond the range，straw biochar could weaken in control efficiency，which may be explained by the fact that too much biochar has some negative influences on soil carbon and nitrogen recycling，microbial activity and diversity. In addition，the effect of biochar controlling Phytophthora blight of chilli pepper is not much related to the population of P. capsici in the soil.

Straw biochar；Phytophthora blight of chilli pepper；Soil properties

S157；S154.3

A

10.11766/trxb201604140027

（責任編輯：盧 萍）

* 國家自然科學(xué)基金項目（31471949）、農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)專項（201303023）和江蘇省科技支撐計劃項目（BE2014343）共同資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 31471949），the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest（No. 201303023），and the Key Technology R&D Program of Jiangsu Province（No. BE2014343）

? 通訊作者Corresponding author，E-mail：myjaas@sina.com

王光飛（1988—），男，江西婺源人，碩士，助理研究員，主要從事土壤微生物研究。E-mail：wy_wgf@163.com

2016-04-14；

2016-07-26；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2016-10-20