生物炭對不同種植年限土壤黃瓜生長及真菌豐度的影響

王雪玉，馬建華，李 明，劉金泉，胡 云，田 勇

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古包頭 014109）

在我國北方以玉米和小麥為主產(chǎn)區(qū)的黃河灌區(qū)一帶，大部分玉米及小麥秸稈直接被丟棄、焚燒，而僅有少部分用來飼喂牲畜，這樣就會造成大量資源被浪費，而且作物秸稈在焚燒過程中會產(chǎn)生大量的CO2，進一步加劇溫室效應(yīng)[1]。作物秸稈生物炭具有穩(wěn)定的芳烴結(jié)構(gòu)，且對土壤中生物的氧化抗性較強，是俘獲CO2及碳封存的重要技術(shù)，已成為當(dāng)今科學(xué)研究熱點之一[2-4]。生物炭還具有較強的吸附性、吸濕性、穩(wěn)定性以及碳負(fù)性等[5]，已被廣泛應(yīng)用于空氣凈化、污水處理以及土壤改良等領(lǐng)域。張偉明[6]等研究表明，生物炭能夠改善土壤物理結(jié)構(gòu)，并且促進種子萌發(fā)及根系生長。Lehmann等[7]研究表明，生物炭可以改變土壤微生物數(shù)量及微生物群落結(jié)構(gòu)，不同添加量的生物炭能夠提高豌豆根系的固氮量，并且能夠增強根部真菌的繁殖能力。李發(fā)虎等[8]研究表明，土壤中施入 20～60 t·hm-2生物炭可不同程度改善日光溫室黃瓜根際土壤有機質(zhì)含量、提高真菌豐度。

真菌是土壤微生物的重要成員之一，在土壤生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質(zhì)循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用，同時在土壤中發(fā)揮著重要的分解作用。研究表明，青霉屬（Penicillium）真菌能分解土壤中的纖維素、果膠、木質(zhì)素、淀粉等物質(zhì)[9]，接合菌門（Zygomycota）中的毛霉屬（Mucor）、根霉屬（Rhizopus）、被孢霉屬(Mortierella)等真菌能分解土壤中的糖類和簡單多糖物質(zhì)[10]，而毛殼屬(Chaetomium)、鐮刀菌屬（Fusarium）、木霉屬（Trichoderma）等真菌能很好地分解土壤中的纖維素[11]。真菌容易降解生物炭中的頑固性碳，而且能夠更好地在生物炭的孔隙中生長，并且能夠更有效地利用額外的資源[12]，因此，生物炭的添加可以增加真菌的豐度，提高土壤真菌與細菌豐度比。Bamminger等[13]通過將2%生物炭添加到溫帶農(nóng)田土壤后，生物炭顯著提高了土壤中真菌和細菌的比例。Muhammad等[14]分別將豬糞炭、果皮炭、蘆葦炭以及蕪菁炭采用培育試驗施加到砂質(zhì)壤土中，培育90 d后發(fā)現(xiàn)，土壤真菌豐度顯著增加，而且隨著生物炭用量的不斷增加，真菌豐度及真菌與細菌豐度比也隨之增加。

近年來，生物炭作為一種低碳還田模式在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛利用，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，但是，生物炭在設(shè)施環(huán)境中的應(yīng)用還比較少。筆者主要針對北方設(shè)施常年種植蔬菜導(dǎo)致土壤有益菌群逐漸減少及蔬菜生長發(fā)育不良的現(xiàn)狀，利用生物炭改良溫室土壤，研究生物炭對黃瓜生長發(fā)育及對根際真菌豐度的影響，為北方設(shè)施環(huán)境下黃瓜栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 供試土壤 供試土壤為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院日光溫室土壤，分別為連續(xù)種植20 a蔬菜土壤，連續(xù)種植10 a蔬菜土壤與種植1 a蔬菜土壤，分別用N20，N10與N1來表示，土壤均為沙壤土，基本理化性質(zhì)見表1。pH值分別為 7.5～8.0，7.5～8.5，8.0～8.5。

表1 不同種植年限土壤理化性質(zhì)

1.1.2 供試作物 黃瓜品種為‘改良津春2號’，購于阜陽四方蔬菜種子有限公司。

1.1.3 供試生物炭 生物炭由遼寧金和農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司提供，生物炭為玉米秸稈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 66.44，pH值 9.04，有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量（w）分別為925.74 g·kg-1、159.15 g·kg-1、394.18 g·kg-1和 783.98 g·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2017年3—9月在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院日光溫室中進行，采用溫室換土的方法，隨機區(qū)組，設(shè)6個處理：在黃瓜定植前分別取連續(xù)種植20 a蔬菜土壤（N20）、連續(xù)種植20 a蔬菜土壤添加生物炭（N20J）、連續(xù)種植 10 a蔬菜土壤（N10）、連續(xù)種植 10 a蔬菜土壤添加生物炭（N10J）、種植 1 a蔬菜土壤（N1）及種植 1 a蔬菜土壤添加生物炭（N1J），在其表層 0～30 cm處每 hm2分別均勻施入20 t生物炭，每個處理設(shè)3次重復(fù)。日光溫室南北跨度為7 m，東西長50 m，黃瓜種植方式為小高壟，行距50 cm，株距35 cm。黃瓜于4月15日定植，在黃瓜生長期每隔20 d分別對株高、莖粗、葉面積、葉片數(shù)、葉綠素含量、光合參數(shù)（蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、葉面溫度、細胞間隙、光合速率）進行測定；在黃瓜結(jié)果期（6月15日）采用抖落法[15]對每個處理分別取3處樣地根際0～20 cm處土壤均勻混合，測定真菌物種群落，同時進行黃瓜根系面積及根系側(cè)根的測定。

1.3 測定方法

真菌菌群采用ITS序列高通量測定[15]，遵循Illumina測序儀文庫構(gòu)建方法，以ITS2為目標(biāo)區(qū)域進行引物設(shè)計，使用 DNA模板 50 ng、25μL的PCR擴增體系，對最終Clean數(shù)據(jù)進行物種分類學(xué)分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Microsoft Excel 2003整理試驗數(shù)據(jù)及繪圖；SPSS 19.0分別進行單因素方差分析（One-way ANOVA）（顯著水平為0.05，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示）。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對黃瓜根際土壤真菌多樣性的影響

各處理土壤真菌物種進化關(guān)系的系統(tǒng)發(fā)育進化樹見圖版（彩色插頁第11頁），可概括各處理真菌物種間親緣關(guān)系。進化樹環(huán)形部分文字為分類等級，由內(nèi)到外等級為由低到高，節(jié)點大小表示豐度高低，綠色覆蓋區(qū)域表示低豐度，紅色覆蓋區(qū)域表示高豐度。從圖中對比分析可知，與不添加生物炭相比，N20J、N10J處理豐度相對較多，其中N20J處理內(nèi)外的紅色覆蓋區(qū)域最多，說明該處理真菌的低級和高級物種豐度都相對最高，效果較為明顯。

2.2 生物炭對黃瓜生長特性的影響

黃瓜于4月15日定植，黃瓜在生長期的生長狀況如圖1、圖2及表2所示，在株高方面，種植1 a蔬菜的土壤添加生物炭后株高顯著增加；莖粗方面，連續(xù)種植20 a土壤及種植1 a土壤添加生物炭后均不同程度提高黃瓜莖粗；在葉綠素含量方面，連續(xù)種植10 a土壤及種植1 a蔬菜土壤添加生物炭后均不同程度提高黃瓜葉片葉綠素含量，其中種植10 a蔬菜的土壤添加生物炭下黃瓜的葉綠色含量與不添加生物炭相比達到顯著水平；3種土壤添加生物炭后，均不同程度增加黃瓜葉面積，并且都達到了顯著水平。

圖1 不同處理對黃瓜株高的影響

圖2 不同處理對黃瓜莖粗的影響

表2 施用生物炭對黃瓜生長特性的影響

表3為不同處理對黃瓜根系生長相關(guān)指標(biāo)的影響。由表3可知，對于根系數(shù)，添加生物炭的處理分別高出不添加生物炭的處理，且各處理與不添加生物炭的處理相比差異顯著；對于根系體積，N20J、N1J處理分別高出 N20及 N1，且 N1J與 N1差異顯著；對于根冠比，N20J與N1J處理均與不添加生物炭相比差異顯著；對于根系活力，N10J與N1J處理分別高出不添加生物炭的處理，且N10J與N10之間差異顯著。

表3 不同處理對黃瓜根系數(shù)、根系體積、根冠比和根系活力的影響

表4為不同處理對黃瓜光合參數(shù)的影響。從表4可知，對于蒸騰速率，添加生物炭的處理均高于不添加生物炭的處理，且差異顯著；對于氣孔導(dǎo)度，N20J、N10J和 N1J處理分別顯著高出 20.00%、30.00%和40.00%；對于細胞間隙，N20J、N10J與N1J處理均高于不添加生物炭的處理，且N1J與N1間差異顯著；對于光合速率，N20J與N10J處理分別高出不添加生物炭的處理，其中N10J光合速率達到顯著水平；對于葉面溫度而言，添加生物炭處理均未提高葉面積溫度，可能與生物炭本身性質(zhì)有關(guān)。

表4 施用生物炭對黃瓜光合參數(shù)的影響

3 討論與結(jié)論

在北方設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中，隨著種植年限增加，土壤質(zhì)量也逐年下降，蔬菜品質(zhì)隨之降低，不僅造成病蟲害增多，還會導(dǎo)致土壤肥力不斷下降，而且大部分集中在20 cm耕層土壤[16]?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，施入大量的無機肥，嚴(yán)重破壞了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，而且減少了土壤微生物的多樣性[17-18]。由于經(jīng)過處理的生物炭比未經(jīng)過處理的生物炭在土壤中穩(wěn)定性高，逐漸成為植物的改良物質(zhì)之一[19]。

曹雪娜等[20]研究表明，在設(shè)施土壤中施入生物炭可提高土壤全氮、全鉀、全磷含量及速效養(yǎng)分含量，并能夠促進設(shè)施番茄生長及增加產(chǎn)量。裴志強等[21]利用生物炭、木本源泥炭、連作調(diào)理劑不同配比對設(shè)施蔬菜土壤的研究表明，生物炭+木本源泥炭+連作調(diào)理劑處理可以提高土壤持水量，改善土壤結(jié)構(gòu)，并且使作物總生物量明顯提高。韓光明等[22]研究表明，生物炭可以提高土壤細菌、放線菌、氨代細菌、好氧自生固氮菌及反硝化細菌的數(shù)量及比例，并且能夠改善土壤理化性質(zhì)及板結(jié)程度。程效義等[23]研究表明，對連作 15 a土壤施用 20 t·hm-2及40 t·hm-2生物炭，可分別提高土壤酶活性15.7%及23.8%，而且可以提高速效養(yǎng)分含量及pH值，黃瓜根系性狀與部分土壤理化性質(zhì)呈顯著相關(guān)，利于根系生長發(fā)育，提高黃瓜產(chǎn)量。楊冬艷等[24]通過對設(shè)施西芹施入生物炭，結(jié)果表明，生物炭可提高根際土壤中細菌、真菌和放線菌的生物量及N、C含量。趙淑文等[25]通過對設(shè)施無土基質(zhì)栽培黃瓜根際土壤細菌群落的影響研究表明，生物炭通過改變細菌群落結(jié)構(gòu)，進而通過增加根際土壤速效養(yǎng)分含量供給狀態(tài)，促進根際纖維素生成葡萄糖，刺激根系對鐵吸收并促進根系生長，最終使黃瓜植株生長及產(chǎn)量提高。該試驗中，N20J與N10J不同處理在結(jié)果期均在一定程度提高了黃瓜根部土壤中真菌的豐度，與前人的研究結(jié)果一致。

試驗結(jié)果表明，生物炭處理下有利于黃瓜地上部及地下部生長，且能提高黃瓜光合速率，尤其表現(xiàn)在生物炭添加能顯著促進黃瓜植株地下部分生長，這與Chan等[26]向蘿卜施用以農(nóng)業(yè)殘余物為原料制得的生物炭所得的結(jié)果一致。但是筆者研究發(fā)現(xiàn)，在黃瓜生育周期內(nèi)，連續(xù)種植10 a蔬菜土壤添加生物炭能顯著增加黃瓜地上及地下部分生長，而在黃瓜株高、莖粗方面添加生物炭沒有顯著增加，這與不同生物炭自身理化性質(zhì)以及分解和養(yǎng)分釋放過程的不同有關(guān)，同時可能與與黃瓜自身遺傳基因有關(guān)，具體原因還需要進一步深入的研究。

設(shè)施黃瓜土壤經(jīng)一定量的生物炭處理后，總體上來看可提高根層20～40 cm根際土壤真菌豐度，同時不同程度分別提高黃瓜葉面積、葉綠素含量、根系數(shù)、根體積、根系活力及光合速率。綜合分析認(rèn)為，連續(xù)種植10 a蔬菜的土壤在添加生物炭處理優(yōu)于其他處理，與不添加生物炭相比，顯著或極顯著地提高20～40 cm土壤真菌豐度，并且能促進黃瓜植株地上部分生長及地下部分生長。