生物炭對連作障礙條件下土壤微生物和草莓生長的影響

馬麗 齊紅志 閆明

摘要：為合理利用農(nóng)業(yè)廢棄物和防治草莓連作障礙，以草莓連作8年的土壤為研究對象，設定5個生物炭水平，分別添加質量分數(shù)為0%、0.15%、0.30%、0.45%、0.60%的小麥秸稈生物炭，研究生物炭處理對連作障礙條件下草莓生長和土壤微生物特征的影響。結果表明，施用生物炭能夠增加草莓根際土壤微生物含量，隨著生物炭的增加，微生物總量先升高然后降低，根長和葉面積變化也表現(xiàn)出相似的趨勢。當生物炭添加量為0.30%時，草莓根際土壤微生物最豐富，微生物總量達6.15×107 CFU/g，比不添加生物炭提高了49.03%，有效地改善了土壤環(huán)境，進而有利于草莓的生長，草莓根系生長量提高，有利于營養(yǎng)吸收和物質轉化，單株葉面積比不添加生物炭的處理顯著增大，進而更有利于干物質積累和產(chǎn)量的形成。土壤細菌和真菌數(shù)量與根系某些指標為顯著或極顯著正相關，與葉面積表現(xiàn)出極顯著正相關關系，而放線菌與根系生長和葉面積相關性不大?？傊┯蒙锾磕苡行岣哌B作障礙條件下草莓根際土壤微生物數(shù)量，促進草莓根系和葉面積的生長，且添加量為0.30%時，對連作土壤改良效果最好。

關鍵詞：草莓;生物炭;土壤微生物;根系;葉面積

中圖分類號： S668.404;S156 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）17-0142-05

草莓（Fragaria×ananassa Duch.）屬于薔薇科草莓屬多年生草本植物，果實營養(yǎng)豐富，種植經(jīng)濟效益高，近年來我國草莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，成為當前種植較為廣泛的水果之一，且普遍采用設施栽培，然而設施栽培長期連作容易導致土壤肥力下降、營養(yǎng)失衡、土壤微生物群落發(fā)生變化等問題[1-2]，導致草莓的生長發(fā)育不良，產(chǎn)量及品質受到嚴重影響[3-4]，連作障礙發(fā)生嚴重，制約了草莓產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，在設施栽培條件下，改善土壤生態(tài)，提高連作草莓產(chǎn)量和品質至關重要。輪作是克服連作障礙的有效措施，但由于設施內(nèi)耕地數(shù)量的限制和農(nóng)民耕作習慣的影響，在保護性耕作條件下很難實施輪作倒茬。

生物炭是一種由農(nóng)林廢棄生物質在完全或部分缺氧條件下，經(jīng)熱裂解形成的抗分解能力極強的富碳物質[5]。生物炭的多孔性使其具有極強的吸附能力，并且生物炭含有豐富的礦質營養(yǎng)。研究指出，添加生物炭能有效提高土壤有機質，增加土壤速效氮磷鉀的含量，最終提高作物產(chǎn)量[6-8]。顧美英等對棉田施用生物炭的研究發(fā)現(xiàn)，生物炭提高土壤纖維素分解菌和自生固氮菌的數(shù)量，保護了土壤有益微生物，提高了棉花根際土壤養(yǎng)分和微生物多樣性[9];吳維等研究指出，生物炭能夠增加土壤田間持水量，有利于植物生長和土壤養(yǎng)分的保持[10]。因此，生物炭在改良土壤理化性狀、改善土壤微環(huán)境、提高土地生產(chǎn)性能和作物生產(chǎn)能力等方面具有一定的作用[11]，有利于促進可持續(xù)發(fā)展。然而，生物炭的應用也有相反的報道，Dempster等發(fā)現(xiàn)使用較高量生物炭，土壤微生物數(shù)量有所下降[12]，張晗芝等研究顯示生物炭對玉米苗期生長有顯著的抑制作用[13]，而鄧萬剛等指出施用低量生物質炭對熱帶牧草的生長無正面影響[14]。但總體來說，生物炭的正向效應較為普遍。生物炭對作物的影響主要是通過改變土壤環(huán)境來實現(xiàn)的，而微生物是土壤生物中的重要組成部分，微生物的分布對土壤營養(yǎng)元素循環(huán)、土壤肥力的形成與發(fā)展、植物的生長以及病蟲害防治等方面都起著重要的作用[15]。前人研究指出，生物炭通過其吸附作用，能夠激活抗氧化酶活性，減少脂質過氧化，顯著降低了連作土壤中酚酸的含量，進而緩解了蘋果的連作障礙[16]。目前，生物炭在調控棉花[9，17]、番茄[18]、黃瓜[19]、蘋果[20]等連作障礙方面的研究已有報道，但在草莓上的應用仍不多見，且生物炭添加量在草莓連作障礙方面的應用研究也鮮見報道。針對草莓連作障礙的防治仍以化學措施為主，而化學藥劑雖然具有一定的防治效果，但其毒性殘留為草莓的食用安全性帶來了隱患。本研究以草莓連作8年的土壤為對象，以佐賀清香草莓品種為材料，研究不同生物炭用量對連作條件下草莓生長和土壤微生物生態(tài)特性的影響，以期為防控草莓連作障礙、實現(xiàn)草莓產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及農(nóng)業(yè)廢棄物的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在商丘師范學院溫室大棚內(nèi)進行，采用連作8年草莓的土壤，土壤取自商丘市雙八草莓基地。土壤基本理化性質為pH值8.12，有機質含量23.6 g/kg，堿解氮含量 152.2 mg/kg，速效磷含量118.4 mg/kg，速效鉀含量 138.15 mg/kg。供試草莓苗由河南斯托博瑞農(nóng)業(yè)科技有限公司提供，品種為佐賀清香。試驗所用生物炭為小麥秸稈碳，該生物炭速效磷含量82.2 mg/kg、速效鉀含量1 590 mg/kg、有機碳含量670 g/kg，pH值為9.9，裂解時間為4～8 h、熱解溫度350～550 ℃，由河南三利新能源有限公司提供。

1.2 試驗方法

試驗于2016年進行，設5個處理，即生物炭添加量0%為空白對照（CK），其他處理添加生物炭的量分別為0.15%、0.30%、0.45%、0.60%，記作T1、T2、T3、T4，生物炭按質量比均勻拌入土壤中，各處理均加入質量比為0.35%的干雞糞和N、P2O5、K2O含量均為15%的復合肥0.03%，采用盆栽試驗，栽植盆為外口直徑25 cm、內(nèi)口直徑21.5 cm、底部直徑13.0 cm、高度16.5 cm的塑料花盆，裝土的高度為澆第1遍水后距離盆口上沿2 cm處，每盆栽種1株草莓，每個處理30盆，分3個重復，每個重復10盆。于2016年5月12日，選擇2葉1心營養(yǎng)缽苗進行移栽。2016年10月10日，采集各處理的根際土壤，置于保鮮袋中，放入4 ℃冰箱中備用。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤微生物數(shù)量的測定 試驗采用平板涂抹法，分別測定微生物中細菌、放線菌、真菌的數(shù)量，細菌以牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基培養(yǎng)，放線菌以改良高氏一號培養(yǎng)基培養(yǎng)，真菌以馬丁氏培養(yǎng)基培養(yǎng)，接種后放在培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，細菌在37 ℃下培養(yǎng)2 d，放線菌和真菌在28 ℃培養(yǎng)，其中真菌培養(yǎng)3～5 d，放線菌培養(yǎng)5～7 d，計數(shù)培養(yǎng)皿中形成的菌落數(shù)量，同時測定土壤含水量，計算干土中微生物的數(shù)量，菌數(shù)（CFU/g）=（菌落平均數(shù)×稀釋倍數(shù)）/干土質量[21]。

1.3.2 根系分析及葉面積測定 采集根際土樣的同時，每個重復選取具有代表性的3株草莓，通過挖掘法挖出完整的草莓根系，將草莓植株從根部剪掉，用清水將根部清洗干凈。利用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)測定總根長、平均直徑、表面積、側面積以及根尖計數(shù)。同時，用葉面積測定儀測定整株草莓葉片葉面積。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2003進行作圖，采用SPSS 16.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，用鄧肯新復極差法進行單因素方差分析和Pearson相關性分析，相關性的顯著性檢驗采用雙尾t檢驗。

2 結果與分析

2.1 生物炭對連作障礙條件下草莓根際土壤微生物數(shù)量的影響

由圖1可以看出，添加不同量的生物炭，草莓連作土壤根際微生物含量存在明顯差異。細菌數(shù)量隨著生物炭添加量的增加表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，且各處理細菌數(shù)量均高于對照，當生物炭添加量為0.30%（處理T2）時，草莓根際土壤細菌數(shù)量最多，達5.69×107 CFU/g，是對照的1.50倍，其次是生物炭添加量為0.15%（處理T1）時，土壤細菌數(shù)量比對照提高25.81%，且差異達到顯著水平，而T3處理和T4處理與對照差異不顯著。真菌在草莓根際土壤微生物中的含量僅次于細菌，除處理T1外，其他各處理真菌含量均顯著高于對照，當生物炭添加量為0.30%時根際土壤真菌含量最高，為3.94×106 CFU/g，比對照高38.91%。隨著生物炭添加量的增加，真菌在微生物總量中的比例表現(xiàn)出先降低然后升高的趨勢，當生物炭添加量為0.15%（T1處理）時，真菌所占比例最低，為 5.67%，其次為T2處理，占比為6.40%。添加生物炭對草莓根際土壤放線菌含量的影響不明顯，各處理間差異均未達到顯著水平。本研究結果顯示，添加生物炭后各處理根際土壤微生物總量均升高，由于細菌是土壤微生物中占比最大的一類微生物，土壤微生物總量的變化與細菌保持一致，細菌占微生物總量的91.05%～93.06%，其次為真菌，占總量的 5.67%～7.48%。隨著生物炭添加量的增加，土壤微生物總量增加，當生物炭添加量為0.30%時，土壤微生物含量最高，是對照的1.49倍，繼續(xù)增加生物炭的量，則土壤微生物總量降低，各處理根際土壤微生物總量均高于對照，T1處理和T2處理與對照差異顯著，分別比對照高24.06%和49.03%。

2.2 生物炭對連作障礙條件下草莓根系生長特性的影響

由表1可以看出，連作障礙條件下加入生物炭，草莓總根長、根表面積、根體積和根尖計數(shù)均有所增加， 隨著生物炭添

加量的增加，草莓總根長、根表面積和根體積均表現(xiàn)出先升高然后降低的趨勢，當在連作土壤中加入0.30%的生物炭（T2處理）時，除根直徑外，根系其他各指標均顯著高于對照，其總根長為對照的1.89倍，根表面積、根體積和根尖計數(shù)分別是對照的 2.32、2.87和1.54倍，而根直徑與對照差異不顯著。處理T1與對照相比，其總根長顯著增加，增幅為6158%，但根系其他指標均未達到顯著水平?？偢L、根表面積、根體積和根尖計數(shù)等指標的增加，提高了根系與外界物質接觸的概率，有利于根系對土壤中養(yǎng)分和水分的吸收以及一些生命物質的合成，進而有利于草莓植株的生長。在草莓連作土壤中加入生物炭，有利于根系的生長，但生物炭添加量應適宜，加入過少和過多均達不到改良土壤和促進植株生長的目的。本研究中，在連作8年的土壤中加入0.30%的生物炭時，草莓根系生長較好。

2.3 生物炭對連作障礙條件下草莓葉面積的影響

葉片是草莓植株從外界獲取營養(yǎng)和進行光合作用的載體，葉面積的大小直接影響了植株的光照面積，決定了光能利用率的高低。從圖2可以看出，在發(fā)生連作障礙的土壤中加入生物炭，單株葉面積均有所增加，隨著生物炭添加量的升高，葉面積變化趨勢與微生物總量和總根長量變化一致，均為先升高然后降低，在添加0.30%的生物炭時，草莓單株葉面積最大，與其他處理均差異顯著，是對照的2.15倍;添加015%和0.45%的生物炭時，單株葉面積也顯著高于對照，分別比對照增加48.91%和53.28%;但當添加量增加至 0.60% 時，單株葉面積與對照差異不顯著。

2.4 土壤微生物與草莓植物生長之間的關系

相關分析結果（表2）表明，土壤細菌、真菌數(shù)量和微生物總量與根系各指標及葉面積均呈正相關關系。其中， 細菌數(shù)量與根長和根表面積呈顯著正相關，與根尖計數(shù)和葉面積呈極顯著正相關;真菌數(shù)量與根表面積和根體積呈顯著正相關，與葉面積呈極顯著正相關; 土壤放線菌數(shù)量與根系各指標和葉面積無顯著相關性;微生物總量則與根直徑和葉面積分別達到顯著正相關和極顯著正相關。

3 討論與結論

目前，國內(nèi)外許多國家都采用集約化栽種草莓，在同一地塊高密度連續(xù)栽植，導致有害生物頻發(fā)，產(chǎn)量和品質下降。草莓連作障礙現(xiàn)象已成為全世界草莓栽培和研究者都廣泛關注的熱點，是目前亟需解決的一大問題。引起連作障礙的原因主要是土壤微生物群落和作物根系分泌物諸多因素綜合作用的結果[22]。土壤微生物在土壤有機質分解和養(yǎng)分轉化中起著重要的作用，進而影響了土壤的質量和作物的產(chǎn)量及品質[23]。連作草莓土壤微生物種群發(fā)生變化，根際微生物含量降低，導致了連作病害的發(fā)生[24]。研究表明，生物炭具有多孔結構，表面含有部分易分解的物質，能夠吸附土壤微生物生長有毒的化感物質[25]，為土壤微生物提供適宜的生存環(huán)境，有益于土壤微生物活動[26]，生物炭的添加，主要通過改變土壤理化性質，間接地影響微生物的群落結構[6]。本研究中，草莓連作土壤施加適量生物炭，草莓根際土壤細菌和真菌數(shù)量均顯著高于不施加生物炭的處理，而放線菌的數(shù)量變化不明顯，植株根系總量增加，單株葉面積變大，有利于干物質的積累，這與前人研究結果[27]一致。而生物炭的用量要適當，本研究表明，當生物炭添加量為0.30%時，草莓根際微生物最為豐富，根系發(fā)達，植株生長健壯，而用量過低或者過量，均達不到較好的土壤改良效果，對連作障礙防治效果不明顯。黃超等研究指出，生物炭施用量為較低時，土壤中有機碳、速效磷和速效鉀含量升高，有利于黑麥草的生長，在肥力水平較高的土壤中，施用較多生物炭，使土壤微生物下降，抑制了黑麥草的生長[28]。王光飛等研究表明，生物炭用量為1.33%能顯著改變微生物群落結構，對辣椒疫病的防治效果最好，微生物的多樣性在一定范圍內(nèi)隨著生物炭用量的增加而增加，但繼續(xù)增加用量反而會降低[29]。生物炭添加量較低時，對土壤孔隙度和土壤質地等影響較小，且由于生物炭顆粒微小，能夠填充部分土壤孔隙[30]，而生物炭自身含有豐富的微孔結構和親水性，抑制了營養(yǎng)物質和水分向根系的轉移[31];隨著生物炭用量的增加，生物炭與土壤顆粒能夠形成微小團粒，有效抑制了土壤的收縮，形成了良好的孔隙結構及較低的堆積密度，進而降低土壤容重，孔隙度增加，改善了土壤結構[32];生物炭添加過量，則會造成土壤小空隙和大孔隙的增加而減小了有效孔隙量[33]，進而水分向植株根系的移動受到影響，影響水分和養(yǎng)分的吸收，且研究表明過量生物炭能夠降低土壤酶和微生物的活性[34]。

不同類型的生物炭，其用量和效果也有很大的差異，王光飛等指出生物炭用量為1.33%效果較好，其生物炭為玉米秸稈生物炭[29]，葉協(xié)鋒等指出生物炭用量為600 kg/hm2時對作物的改良效果最好，其生物炭為花生殼熱解制成[35]，也有研究指出，施用木渣制成的生物炭對作物產(chǎn)生了負面影響[36]。而本研究中所用生物炭為小麥秸稈生物炭，生物炭用量為0.30%時效果最優(yōu)。不同類型的生物炭，其灰分含量、pH值、表面形態(tài)和孔隙結構等各不相同，因此具有不同的環(huán)境效應，在使用量和作用效果上也各不相同[37]。

草莓連作障礙是一種較為復雜的綜合性病癥。草莓連作后，根際土壤中的各生物因子間、非生物因子間、生物因子與非生物因子間相互作用，影響作物的正常生長，根系生長受到嚴重影響，草莓植株死亡指數(shù)大幅度升高[38]。雖然采用化學消毒效果較好，但因對環(huán)境有污染，而且影響人類健康，對土壤中的微生物種群乃至土壤中的固氮菌、根瘤菌和有機質分解菌等有益微生物產(chǎn)生不利的影響[39]，不利于草莓產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。研究表明，生物炭通過改變土壤容重、孔隙度和養(yǎng)分含量，進而影響了土壤微環(huán)境，抑制了土壤中有害物質的滋生，改良了土壤團粒結構，改善了土壤質量，增強了土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[40]，有利于緩解連作障礙。生物炭能夠提高土壤有機碳的礦化速率，進而增加土壤可溶性有機碳含量，土壤可利用養(yǎng)分升高，有利于植株的生長[35]。連作障礙條件下，生物炭的施用有利于提高植株株高和干物質[20]。本研究中，在連作障礙條件下添加生物炭，草莓總根量增加、單株葉面積也明顯變大，這與前人研究結果一致。生物炭在連作條件下對植株產(chǎn)生影響，可能是由于本身含有較高的有機物質，且能吸附土壤中部分有害物質，進而降低土壤中有害菌對植株的影響。相關性分析表明，細菌和真菌數(shù)量及微生物總量均與葉面積呈極顯著正相關關系，與根長、根表面積、根體積及根尖計數(shù)等根系指標存在著某些顯著或極顯著相關性，而放線菌與根系各指標及葉面積無顯著相關性。微生物數(shù)量的變化會影響植株的根系的生長，進而影響著葉片的生長，特別是微生物中細菌和真菌的數(shù)量，在調節(jié)根系生長，促進葉片生長方面作用比較明顯。

在連作障礙條件下添加生物炭能夠提高草莓根際土壤微生物含量，增加草莓根系生長量，增加單株葉面積。生物炭添加量為0.30%時，土壤微生物最為豐富，是不添加生物炭的1.49倍，草莓總根長、根表面積、根體積以及葉面積均顯著高于不添加生物炭的處理，對草莓連作障礙起到了良好的防控效果。土壤細菌和真菌數(shù)量與根系某些指標為顯著或極顯著正相關，與葉面積呈極顯著正相關，而放線菌與根系生長和葉面積相關性不大。

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