生物炭對(duì)設(shè)施黃瓜根際土壤菌群結(jié)構(gòu)及植株生長(zhǎng)的影響

趙淑文，胡 云，李 明，劉金泉，李 紅，葛茂悅

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 呼和浩特 010018）

生物炭是含碳豐富的多孔性物質(zhì)，具有較強(qiáng)的吸附功能[1]，將生物炭施入土壤中，可以增加土壤有機(jī)碳的含量，同時(shí)增加土壤有效營(yíng)養(yǎng)元素的含量，從而達(dá)到促進(jìn)植物生長(zhǎng)的目的。土壤微生物可以促進(jìn)土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的分解、營(yíng)養(yǎng)傳遞以及促進(jìn)或抑制植物生長(zhǎng)[2]。土壤微生物與植物根部營(yíng)養(yǎng)有密切關(guān)系，大部分土壤微生物對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育是有益的，它們對(duì)土壤的形成發(fā)育、物質(zhì)循環(huán)和肥力演變等均有重大影響，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)[3]。土壤微生物對(duì)環(huán)境的變化非常敏感，生物炭的施入會(huì)影響到土壤微生物的區(qū)系組成，從而影響植物根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收[2]。鄒春嬌等[4]通過(guò)盆栽試驗(yàn)研究了3%和5%生物炭添加量下黃瓜根域微生物數(shù)量的變化，研究表明，栽培基質(zhì)細(xì)菌和放線菌數(shù)量有所增加，且5%生物炭添加處理高于3%生物炭添加處理。安啟坤等[5]研究生物炭對(duì)土壤功能微生物的生長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)基中添加生物炭后，生物炭對(duì)大部分細(xì)菌的生長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)作用，對(duì)膠質(zhì)芽孢桿菌1.217培養(yǎng)12 h后可明顯提高生長(zhǎng)3.6倍。李航等[6]研究了生物炭對(duì)香蕉苗根際微生物群落的影響，指出不同量的生物炭添加對(duì)香蕉苗根際微生物的數(shù)量有較明顯的提高，同時(shí)提高了微生物群落平均顏色變化率。張娜等[7]研究了生物炭施用1 000、5 000和10 000 kg·hm-2的不同量下對(duì)夏玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，表明不同生物炭添加量均能提高夏玉米的產(chǎn)量，但以1 000 kg·hm-2的處理效果最好，可提高產(chǎn)量8.8%。對(duì)于生物炭對(duì)設(shè)施黃瓜生長(zhǎng)以及根際微生物多樣性的研究較少，筆者以內(nèi)蒙古西部區(qū)常見栽培黃瓜為主要研究對(duì)象，通過(guò)生物炭量的梯度施入試驗(yàn)，研究不同生物炭施用量下土壤細(xì)菌豐度的變化，為該地區(qū)設(shè)施高效生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)與技術(shù)支持，同時(shí)對(duì)預(yù)測(cè)和控制未來(lái)土壤生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)具有一定理論和實(shí)踐意義。

1 材料和方法

1.1 材料

黃瓜選用本地區(qū)常用栽培品種‘改良津春2號(hào)’。試驗(yàn)溫室土壤為沙壤土，基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)42.60 g·kg-1，全氮 1.39 g·kg-1，全磷 1.43 g·kg-1，全鉀13.67 g·kg-1。生物炭購(gòu)于遼寧金和農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，為玉米秸稈400℃缺氧條件燃燒8 h制成，C、N、H質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為47.17%、0.71%和3.83%，C/N值67.03%，pH值9.04，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為 925.74、159.15、394.18、783.98 g·kg-1。試驗(yàn)分別于2015年和2016年3—7月在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園區(qū)日光溫室中進(jìn)行。

1.2 方法

采用隨機(jī)區(qū)組處理，3次重復(fù)：在黃瓜定植前土壤表層0～30 cm處每hm2分別均勻施入5 t（C5）、10 t（C10）、20 t（C20）、40 t（C40）和60 t（C60）生物炭，以不施生物炭為對(duì)照（CK）。日光溫室南北跨度為7 m，東西長(zhǎng)50 m，黃瓜于4月15日定植，采用小高壟栽培，株行距為35 cm×50 cm。在結(jié)果盛期（6月20日）測(cè)定黃瓜的莖粗、根系數(shù)、根體積、葉面積，在結(jié)果后期（7月20日）測(cè)定黃瓜干質(zhì)量和總產(chǎn)量。莖粗用游標(biāo)卡尺固定測(cè)定植株下部莖部直徑；黃瓜根系數(shù)為統(tǒng)計(jì)超過(guò)0.5 cm長(zhǎng)的植株一級(jí)側(cè)根和二級(jí)側(cè)根的總和；根系體積是將根系均勻平鋪于Epson Perfv700掃描儀進(jìn)行掃描，用WinRHIZO Pro2009a軟件分析測(cè)得；葉面積采用葉形紙稱重法；黃瓜干質(zhì)量采用烘干法測(cè)定；總產(chǎn)量用千分之一天平測(cè)定。每個(gè)處理重復(fù)3次，每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選取3株進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)定。在結(jié)果盛期采用抖落法對(duì)每個(gè)處理分別取3處樣地根際0～20 cm處土壤均勻混合，測(cè)定有機(jī)碳、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量，每處理重復(fù)3次。每處理重復(fù)取3次根際土壤均勻混合并過(guò)2 mm篩,測(cè)定細(xì)菌物種群落。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行物種分類學(xué)分析。生長(zhǎng)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel2003整理，用SPSS19.0軟件進(jìn)行方差分析。所得結(jié)果均為9次平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)黃瓜結(jié)果盛期生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

由表1可見，在黃瓜結(jié)果盛期，各處理的莖粗、根系數(shù)、根體積、總產(chǎn)量均高于對(duì)照，C40處理的葉面積指數(shù)高于對(duì)照，C20處理、C40處理和C60處理的黃瓜干質(zhì)量高于對(duì)照。與對(duì)照相比，莖粗最大的是C40處理，比對(duì)照高8.10%，但與對(duì)照差異不顯著；對(duì)于根系數(shù)，C10、C20、C40 處理和 C60 處理與對(duì)照差異顯著，分別比對(duì)照高36.01%、36.11%、49.65%和56.75%；對(duì)于根體積，各處理均與對(duì)照呈極顯著差異，C5、C10、C20、C40 和 C60 處理分別比對(duì)照高29.31%、68.50%、72.41%、78.37%和88.09%；對(duì)于葉面積指數(shù)，C40處理比對(duì)照高8.61%，與對(duì)照差異不顯著；對(duì)于黃瓜干質(zhì)量，C20和C40處理分別比對(duì)照高11.66%和12.34%，與對(duì)照差異不顯著；對(duì)于黃瓜總產(chǎn)量，C20和C40處理與對(duì)照差異顯著而其余處理與對(duì)照差異不顯著，C5、C10、C20、C40和C60處理分別比對(duì)照高4.43%、5.31%、12.15%、6.10%和2.65%。

表1 不同處理對(duì)黃瓜結(jié)果盛期生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響

2.2 不同處理對(duì)黃瓜根際土壤養(yǎng)分的影響

從表2可見，在黃瓜結(jié)果盛期，各處理的堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有機(jī)碳含量和全氮含量均高于對(duì)照，C20和C40的碳氮比值高于對(duì)照而其他處理低于對(duì)照。對(duì)于堿解氮含量，C20處理與對(duì)照差異極顯著，比對(duì)照高39.86%，C10、C40和C60處理與對(duì)照差異顯著，分別比對(duì)照高25.42、30.05%和22.69%；對(duì)于速效磷含量，C20、C40和C60處理與對(duì)照差異極顯著，分別比對(duì)照高135.95%、149.81%和66.45%，C10處理與對(duì)照差異顯著，比對(duì)照高28.75%；對(duì)于速效鉀含量，C10、C20、C40和C60處理與對(duì)照差異極顯著，分別比對(duì)照高27.80%、81.35%、72.07%和60.29%；對(duì)于有機(jī)碳，C10和C20處理與對(duì)照差異極顯著，分別比對(duì)照高64.85%和82.89%，C5處理與對(duì)照差異顯著，比對(duì)照高 40.78%；對(duì)于全氮含量，C5、C10、C20 和C60處理處理與對(duì)照差異極顯著，分別比對(duì)照高75.41%、68.85%、73.77%和57.38%；對(duì)于碳氮比值，C5和C60處理與對(duì)照差異顯著，分別比對(duì)照低22.97%和18.88%，其他處理與對(duì)照差異不顯著。

表2 不同處理對(duì)黃瓜結(jié)果盛期根際土壤養(yǎng)分影響

2.3 生物炭對(duì)黃瓜根際土壤細(xì)菌門、綱、科、屬分類水平的豐度比較

從表3可以看出，細(xì)菌在門分類水平上占優(yōu)勢(shì)的為 Proteobacteria（變形菌門）、Acidobacteria（酸桿菌門）、Actinobacteria（放線菌門）、Chloroflexi（綠彎菌門）、Firmicutes（厚壁菌門）、Gemmatimonadetes（芽單胞菌門）、Bacteroidetes（擬桿菌門），與對(duì)照相比，優(yōu)勢(shì)門所占比例有明顯增多的有變形菌門、放線菌門、厚壁菌門和擬桿菌門，而綠彎菌門只有C10處理高于對(duì)照，芽單胞菌門只有C20處理高于對(duì)照，酸酐菌門中只有C10處理略高于對(duì)照。與對(duì)照相比，變形菌門所占比例C20處理、C40處理和C60處理顯著高于對(duì)照，分別比對(duì)照高21.18%、22.06%和13.24%；放線菌門各處理均高于對(duì)照，C5、C10、C20、C40 和 C60 處理分別比對(duì)照高4.55%、5.84%、18.83%、18.83%和30.52%；厚壁菌門各處理均高于對(duì)照，C5、C10、C20、C40 和 C60 處理分別比對(duì)照高7.14%、10.71%、26.79%、17.86%和53.57%；擬桿菌門各處理均高于對(duì)照，C5、C10、C20、C40和 C60處理分別比對(duì)照高 10.00%、50.00%、30.00%、15.00%和10.00%。

從表3可以看出，細(xì)菌在綱分類水平上占優(yōu)勢(shì)的綱一共有17個(gè)，其中物種總數(shù)超過(guò)10 000種的綱為Alphaproteobacteria（變形菌門α-變形菌綱）、Actinobacteria（放線菌門放線菌綱）和Acidobacteria_Gp6（酸桿菌門Gp6酸桿菌綱）。與對(duì)照相比，優(yōu)勢(shì)綱所占比例有明顯增多的有變形菌門γ-變形菌綱、放線菌門放線菌綱、厚壁菌門桿菌綱、擬桿菌門鞘脂桿菌綱。對(duì)于C20處理、C40處理只有酸桿菌門Gp6酸桿菌綱、酸桿菌門Gp16酸桿菌綱、酸桿菌門Gp4酸桿菌綱、綠彎菌門厭氧繩菌綱、綠彎菌門Gitt-GS-136綱低于對(duì)照，其他綱均高于對(duì)照。

從表3可以看出，細(xì)菌在科分類水平上占優(yōu)勢(shì)的科一共有12個(gè)，酸桿菌門Gp6科的物種總數(shù)最多，與對(duì)照相比，所有處理均高于對(duì)照的科有變形菌門中華桿菌科、放線菌門小單孢菌科和厚壁菌門芽孢桿菌1科。對(duì)于酸桿菌門Gp6科和酸桿菌門Gp4科只有C10處理高于對(duì)照而其他處理均低于對(duì)照。變形菌門生絲微菌科的C20處理、C40處理、C60處理均高于對(duì)照，分別比對(duì)照高20.41%、40.82%和38.78%。變形菌門紅螺菌科的C20處理、C40處理、C60處理均高于對(duì)照，分別比對(duì)照高31.03%、31.03%和20.69%。變形菌門鞘脂單胞菌科的C20處理、C40處理、C60處理均高于對(duì)照，分別比對(duì)照高9.52%、19.05%和28.57%。變形菌門中華桿菌科的各處理均高于對(duì)照，C5處理、C10處理、C20處理、C40處理和C60處理分別比對(duì)照高24.14%、13.79%和37.93%、48.28%和31.03%。變形菌門魚立克次體科的C20處理、C40處理、C60處理均高于對(duì)照，分別比對(duì)照高25.00%、12.50%和6.25%。放線菌門小單孢菌科的各處理均高于對(duì)

照，C5處理、C10處理、C20處理、C40處理和C60處理分別比對(duì)照高7.69%、7.69%和46.15%、69.23%和46.15%。厚壁菌門芽孢桿菌1科的各處理均高于對(duì)照，C5處理、C10處理、C20處理、C40處理和C60處理分別比對(duì)照高25.00%、8.33%和41.67%、16.67%和66.67%。

表3 細(xì)菌在門、綱、科、屬分類水平的豐度比較

從表3可以看出，細(xì)菌在屬分類水平上的優(yōu)勢(shì)屬一共有9個(gè)，其中包含四個(gè)未分類的屬，已經(jīng)命名的屬為酸桿菌門Gp6屬、酸桿菌門Gp16屬、酸桿菌門Gp4屬、變形菌門生絲微菌屬和變形菌門紫色非硫細(xì)菌屬。與對(duì)照相比，酸桿菌門Gp6屬只有C10處理高于4.90%，其他處理均低于對(duì)照；酸酐菌門Gp16屬各處理均低于對(duì)照；酸桿菌門Gp4屬只有C10處理高于4.00%，其他處理均低于對(duì)照；變形菌門生絲微菌屬的C20處理、C40處理、C60處理均高于對(duì)照，分別比對(duì)照高33.33%、58.33%和58.33%；變形菌門紫色非硫細(xì)菌屬的C20處理、C40處理、C60處理均高于對(duì)照，分別比對(duì)照高20.00%、33.33%和6.67%。

3 討論與結(jié)論

武春成等[8]研究表明,連作土壤施用適量的生物炭可以顯著降低土壤容重和電導(dǎo)率,提高田間持水量,pH和速效鉀含量,降低土壤真菌和尖孢鐮刀菌數(shù)量,提高細(xì)菌和細(xì)菌/真菌比值,從而改善了黃瓜根區(qū)土壤微生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)了黃瓜生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高。李明等[9]研究表明：生物炭添加可以通過(guò)改善土壤性質(zhì)，間接影響微生物群落結(jié)構(gòu)，提高M(jìn)BC和總量PLFA表征的微生物生物量水平。劉思宇等[3]認(rèn)為,施用益生菌后,蔬菜苗床土壤微生物數(shù)量明顯增多,并隨著益生菌施用濃度的增加,不同蔬菜苗床土壤微生物呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì),茄子、黃瓜、甘藍(lán)施用濃度分別為0.3%、0.5%和0.7%。安啟坤等[5]研究結(jié)果表明,生物炭能夠改變土壤功能微生物的生長(zhǎng)狀況,但是對(duì)于不同的微生物,生物炭的作用效果不同，對(duì)于部分細(xì)菌存在明顯生長(zhǎng)促進(jìn)作用，其中對(duì)芽單胞菌門細(xì)菌的促進(jìn)和吸附作用較為明顯；而對(duì)于另外一部分細(xì)菌,生物炭對(duì)其生長(zhǎng)基本沒有影響或有較小的抑制作用。陳敏等[10]研究表明,生物炭的施用促進(jìn)了土壤中微生物數(shù)量的增加，且增施生物炭后增加了烤后煙葉的總產(chǎn)量。谷思玉等[11]研究表明,土壤中施入生物炭對(duì)大豆根際土壤養(yǎng)分含量及微生物數(shù)量產(chǎn)生顯著影響，在300～1 500 kg·hm-2范圍內(nèi)，土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量分別提高1.95、1.65和1.69倍。

筆者通過(guò)對(duì)設(shè)施黃瓜添加不同量生物炭對(duì)黃瓜生長(zhǎng)、土壤理化性質(zhì)以及根域微生物的影響與前人研究結(jié)果一致，生物炭的添加均能促進(jìn)植株生長(zhǎng)，增加根際土壤微生物的數(shù)量與多樣性，在土壤中施入生物炭后，在黃瓜結(jié)果盛期，各處理的莖粗、根系數(shù)、根體積、總產(chǎn)量均有不同程度的提高，生物炭施用量為20 t·hm-2可提高黃瓜的根系數(shù)36.11%、根體積 72.41%、黃瓜干質(zhì)量 11.66%、總產(chǎn)量12.15%，生物炭施用量為20 t·hm-2可明顯提高土壤中的堿解氮含量39.86%、速效磷含量135.95%、速效鉀含量 81.35%、有機(jī)碳 82.89%、全氮含量73.77%。生物炭施用量為 20、40、60 t·hm-2等較高濃度時(shí)對(duì)于根際土壤細(xì)菌的豐度影響較為明顯，可明顯提高變形菌門生絲微菌科、變形菌門紅螺菌科、變形菌門鞘脂單胞菌科、變形菌門中華桿菌科、變形菌門魚立克次體科、放線菌門小單孢菌科、厚壁菌門芽孢桿菌1科比例，提高變形菌門生絲微菌屬、變形菌門紫色非硫細(xì)菌屬的比例。土壤中還有很多有益真菌，活性炭對(duì)真菌有無(wú)影響，還需在今后的試驗(yàn)中進(jìn)一步探明。

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