生物炭介導(dǎo)植物病害抗性及作用機理

蔡昆爭,高 陽,田紀輝

1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 廣州 5106422 農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室,廣州 5106423 廣東省生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)重點實驗室, 廣州 510642

生物炭是由生物有機物料(如作物秸稈、木材、畜禽糞便、市政廢棄物、動物骨骼等)在限氧或無氧條件下經(jīng)高溫裂解產(chǎn)生的一類難熔的、穩(wěn)定的、高度芳香化的、富含碳的固體物質(zhì)[1]。由于生物炭的疏松多孔性、較大的比表面積、豐富的羥羧基官能團和芳環(huán)結(jié)構(gòu)及高電荷密度等特性使其具有較強的離子交換能力和吸附能力,在環(huán)境、能源、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力[2]。

近十多年來國內(nèi)外對生物炭在環(huán)境及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究取得很大進展。從環(huán)境效應(yīng)上看,生物炭能固碳和減少溫室氣體排放[3],吸附土壤中的重金屬、農(nóng)藥和除草劑等從而降低有毒有害物質(zhì)含量或有效性[4- 6]。作為新型的土壤改良劑,生物炭能改善土壤物理結(jié)構(gòu),降低土壤酸度,增加土壤持水性能和保肥特性,提高肥料和養(yǎng)分的利用效率,影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和促進有益微生物的生長繁殖,從而促進作物生長,增加植物對病害的抗性[7- 17]。

此外,國內(nèi)外大量研究表明,生物炭不僅可以促進植物生長,還能提高植物對多種病害的抗性,包括一系列的土傳病害[18]。李成江等[19]研究發(fā)現(xiàn),土壤中施用稻殼生物炭與木屑生物炭均能有效地降低烤煙青枯病及黑莖病的發(fā)病,其中木屑生物炭的作用效果更為顯著；秸稈生物炭對由辣椒疫霉PhytophthoracapsiciL引起的辣椒疫病有良好的防控效果[20]；玉米秸稈生物炭可有效降低北美大豆猝死綜合癥病菌Fusariumvirguliforme引起的大豆根腐病[21]；木材生物炭可顯著降低黃瓜腐霉病發(fā)病率[22]。 但生物炭對不同植物病害的防控效果因原材料不同而存在差異,其抗性機理也有所不同。

基于國內(nèi)外的研究結(jié)果,本論文在介紹生物炭對植物病害的作用效果的基礎(chǔ)上,從誘導(dǎo)抗性、改善土壤特性、影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、吸附病原菌及有害物質(zhì)等方面闡述生物炭提高植物抗病性的作用機理,并提出未來的研究重點和注意的問題,以期為生物炭防控植物病害的理論和實踐研究提供參考依據(jù)。

1 生物炭緩解植物病害的效應(yīng)

生物炭作為近幾年快速興起的集改良劑、吸附劑、肥料等一體的新型材料在降低植物病害脅迫方面的報道逐漸增加,具有較大的應(yīng)用潛力[18]。大量研究表明,生物炭能顯著提高植物對不同類型病害的抗性[12,23- 26],包括葉片病害(如由Botrytiscinerea引起的白粉病)和土傳病害(如由Fusariumspp.,Phytophthoraspp.,Rhizoctoniasolani等引起的根腐病)[25,27]。

早在2002年,Matsubara等[28]研究發(fā)現(xiàn),椰子生物炭可以幫助蘆筍抵抗鐮刀菌(Fusarium)引起的根腐病,并且可以增加蘆筍幼苗土壤中的叢枝菌根數(shù)量和豐度。Elad等[29]和Kolton等[30]研究表明生物炭能顯著增強青椒和番茄對灰霉病菌(Botrytiscinerea)和韃靼內(nèi)絲白粉菌(Leveillulataurica)的抗性。Elmer和Pignatello[31]利用灌木作為原料制備生物炭添加到土壤中,顯著降低了鐮刀菌屬(Fusarium.oxysporumf. sp.asparagiandFusariumproliferatum)對于植物根系的傷害。生物炭還可以誘導(dǎo)草莓對灰葡萄孢菌(B.cinerea)炭疽菌 (Colletotrichumacutatum)及叉絲單囊殼屬(Podosphaeraapahanis)等病菌引起的葉片病害產(chǎn)生植物防御反應(yīng)并增加系統(tǒng)抗性[32]。用桉樹木材和溫室有機廢棄物制備的生物炭均能促進黃瓜生長并抑制立枯絲核菌(Rhizoctoniasolani)引起的黃瓜猝倒病[26]。Rogovska等[21]研究發(fā)現(xiàn),不同種類的生物炭施用均可減輕大豆根腐病的危害。國內(nèi)關(guān)于生物炭施用對植物病害影響的文獻報道較少,王光飛等[20]研究發(fā)現(xiàn),小麥秸稈生物炭施用對辣椒疫病有46%—77%的防控效果。對土傳病害青枯病的研究表明,2%的花生生物炭和小麥生物炭處理對番茄青枯病均有顯著的控制作用,病情指數(shù)分別降低31%—60 %和60%—80%[31]。

Bonanomi等[27]根據(jù)文獻總結(jié)了生物炭對13種植物病害的影響,發(fā)現(xiàn)85%的研究表明生物炭施用能顯著降低植物病害,12%的研究沒有效果,只有3%的研究加劇了病害的發(fā)生。隨后Frenkel等[12]總結(jié)了生物炭在15種病原體(真菌,卵菌和線蟲)和30種植物—病原體系統(tǒng)中的效應(yīng),發(fā)現(xiàn)生物炭對60%的病原體和70%的病原體系中的病害有抑制作用(表1),而且總結(jié)出低劑量有益而高劑量有害的倒U形生物炭劑量/反應(yīng)曲線(負二次曲線)。

總的來說,生物炭對植物病害的防控作用效果是很明顯的,但是不同生物炭原材料及施用比例、不同作物及病害類型間存在差異,農(nóng)業(yè)應(yīng)用時應(yīng)該加以考慮。

表1 生物炭對不同植物病害的作用

2 生物炭增強植物病害抗性的作用機理

生物炭對植物病害的防控作用已得到廣泛證實,國內(nèi)外學(xué)者從不同角度研究了其抗性作用方式及機理,但是有些機理只是猜測,有些還缺乏直接的實驗證據(jù)。綜合已有文獻,生物炭提高植物病害抗性的機理有：生物炭能夠誘導(dǎo)寄主植物自身產(chǎn)生抗性防御反應(yīng)；生物炭可能對病原菌產(chǎn)生直接抑制作用；生物炭通過改善土壤物理、化學(xué)和生物特性,提高土壤質(zhì)量從而促進植物生長并提高抗病性; 生物炭影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和增加有益微生物類群的豐度和活性,促進有益微生物通過競爭、重寄生、分泌抗生素等途徑抑制病原菌生長; 生物炭通過吸附化感物質(zhì)及有毒物質(zhì)(如病原菌分泌物)從而降低病原菌對寄主植物的侵害,通過吸附根系分泌物誘導(dǎo)病原菌的趨化等等[18,24-25,27,47]。

2.1 誘導(dǎo)寄主植物產(chǎn)生抗性

植物的抗病性,分為系統(tǒng)獲得抗性及誘導(dǎo)抗性,是植物在一定的激發(fā)子刺激后,對隨后的病原菌侵染表現(xiàn)既快又強的防衛(wèi)反應(yīng)。研究表明,在植物受到病害脅迫條件下,生物炭施用能激發(fā)植物快速啟動自身的防御反應(yīng),大量合成與防御相關(guān)的次生代謝物質(zhì),并調(diào)控與生長、防御相關(guān)基因的表達,從而增強對病害的抗性,這是生物炭提高植物抗病性的主要機理之一[27,29,32,48]。

Elad等[29]發(fā)現(xiàn)施用1%、3%和5%的柑橘木生物炭能顯著誘導(dǎo)甜椒和番茄對由葉片病原真菌B.cinerea引起的灰霉病和L.taurica所引起的白粉病的抗性。隨后研究表明,來源于甜椒植株廢棄物、橄欖果渣和桉樹木屑的生物炭也能誘導(dǎo)番茄對灰霉病的抗性[25]。同時這種對灰霉病的誘導(dǎo)抗性與生物炭的原料、制備溫度、處理時間及植物年齡大小等無顯著相關(guān)性[2]。上述病害均發(fā)生在植物葉部,而生物炭是施入到土壤中作用于植物根部,且引起葉部病害的病原菌均遠離土壤,生物炭對此類病原菌不能產(chǎn)生直接作用,所以推論生物炭能誘導(dǎo)植株產(chǎn)生抗病性而間接抑制病/蟲害的發(fā)生。Meller-Harel等[32]首先從分子水平上研究了生物炭對草莓病害的抗性機理。作者選擇木材和溫室有機廢棄物制備的生物炭,研究其對草莓的灰霉病、炭疽病和白粉病的抗性,通過實時定量PCR技術(shù)測定了葉片中與抗性相關(guān)的基因FaPR1、Faolp2、Fraa3、Falox和FaWRKY1的表達,發(fā)現(xiàn)植株在接種病原菌后,生物炭處理同時誘導(dǎo)了水楊酸(Salicylic acid,SA)途徑相關(guān)系統(tǒng)獲得抗性(Systemic acquired resistance, SAR) (調(diào)控FaPR1、Faolp2、Fraa3、FaWRKY1表達)和茉莉酸(Jasmonic acid, JA)及乙烯(Ethylene, ET) 途徑相關(guān)的系統(tǒng)誘導(dǎo)抗性(Induced systemic resistance, ISR)(調(diào)控Falox表達),從而增強植物的抗病性。隨后有研究表明,生物炭在降低番茄灰霉病發(fā)病率的同時,顯著上調(diào)與乙烯途徑相關(guān)的抗病基因Pti5和與水楊酸途徑相關(guān)的抗病基因Pi2的表達,并大幅度增加了H2O2積累,進一步證實生物炭介導(dǎo)植株的抗病性與水楊酸代謝途徑有關(guān)[33]。然而,Viger等[42]以擬南芥和萵苣為研究對象,發(fā)現(xiàn)在未受到環(huán)境脅迫時,楊木木屑生物炭處理顯著促進植物生長,上調(diào)與生長相關(guān)的基因表達(如生長素、油菜素內(nèi)酯、細胞壁松弛、細胞伸長等),下調(diào)與防御有關(guān)的基因表達(如茉莉酸、水楊酸、乙烯、次生代謝物等),表明植株在未受到病原菌侵害時,生物炭無法誘導(dǎo)植株抗病相關(guān)基因的表達,但可顯著促進植株生長。French與Iyer-Pascuzzi[49]的研究證實生物炭可以通過調(diào)控赤霉素(GA)合成途徑而促進番茄植株生長,但是這種調(diào)控機制對不同性狀及基因型的植株影響不同。Huang等[37]發(fā)現(xiàn)圣櫟硬木生物炭能增強水稻對線蟲的抗性,這種抗性的提高與生物炭引發(fā)的H2O2積累以及與乙烯信號通路有關(guān)的基因的轉(zhuǎn)錄增強有關(guān)。

現(xiàn)有研究結(jié)果證實了生物炭可以通過誘導(dǎo)植株抗性而降低發(fā)病,但總體上生物炭誘導(dǎo)植物產(chǎn)生抗性的分子機理仍需深入研究。

2.2 改善土壤理化特性,促進植物生長和提高抗病性

由于生物炭具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的表面積和電荷密度、高度羧酸酯化和芳香化結(jié)構(gòu),從而使其具有較強的吸附能力和離子交換能力,能顯著影響土壤物理和化學(xué)特性,提高土壤的保水和保肥能力,促進植物對土壤養(yǎng)分的吸收,影響土壤微生物活性、群落結(jié)構(gòu)組成及多樣性[11,50- 57]。

Jaiswal等[55]闡述了生物炭對土壤物理、化學(xué)、生物特性的影響及其與植物生長、病害及土壤微生物的相互關(guān)系 (圖1)。作者認為生物炭誘導(dǎo)的根際微生物群落結(jié)構(gòu)、多樣性和活性變化可能與生物炭對土壤的直接或間接影響有關(guān),包括(1)物理特性: 多孔結(jié)構(gòu)、土壤含水量、團聚體和溫度；(2)化學(xué)特性：養(yǎng)分有效性,無機和有機化合物/毒素,pH,陽離子交換容量(CEC),電導(dǎo)率(EC),氧化還原電位(Eh)；(3)根際的土壤生物特性：根形態(tài)和分泌物,微生物之間的相互作用和信號傳導(dǎo)。生物炭抑制土傳病害和促進植物生長與生物炭增加根際土壤微生物類群及功能的多樣性和活性有關(guān)。

圖1 土壤-生物炭-植物-病原菌系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物組分之間復(fù)雜相互作用的根際微生物示意圖[55]Fig.1 A rhizosphere microbiome centric view of the complex interactions between physical, chemical and biological components of the soil-biochar-plant-pathogen system[55]

有研究表明,施用木材生物炭能提高對土壤N的固持從而增加N的利用率[58]。生物炭的強吸附性還可改善土壤通透性、降低土壤容重,提高土壤保水性和養(yǎng)分固持能力[50-51,53-54],從而促進植物生長和微生物繁殖。此外,生物炭應(yīng)用能提高土壤pH和改良酸性土壤[59-60]。

生物炭中含有堿性物質(zhì),生物炭施用到土壤(特別是酸性土壤)后會釋放這些堿性物質(zhì),中和部分土壤酸度,提高使土壤pH,增大土壤鹽基飽和度和陽離子交換量,有利于促進土壤微生物活性。此外,酸性土壤添加生物炭后pH的提高也會促進植物對土壤養(yǎng)分的利用[60- 62]。Elmer等[31]研究發(fā)現(xiàn)生物炭施用增加土壤K、S、Mn和B含量,降低N、Mg和Fe的含量,同時顯著抑制尖孢鐮刀菌活性和促進蘆筍根部有益微生物的生長。

但是,也有研究認為生物炭改善土壤特性或土壤非生物環(huán)境與病害控制并沒有直接的關(guān)系。例如,Knox等[40]研究發(fā)現(xiàn),生物炭處理能顯著增加土壤pH,但是并沒有在控制根腐病方面發(fā)揮作用,甚至在某種程度上還增加病害的嚴重性。生物炭與植物的相互作用存在很大的復(fù)雜性,相關(guān)生物炭文獻中也有很多類似矛盾[63- 67],因此生物炭的類型、施用比例,植物類型及不同的土壤環(huán)境,都會造成生物炭作用效果的差異。

2.3 影響病原菌的活動

由于生物炭含有大量化學(xué)物質(zhì),有研究提出這些物質(zhì)可能會對病原菌有直接抑制作用[68],但目前尚未有證據(jù)證明這一猜測。Jaiswal等[45]研究發(fā)現(xiàn)不同種類的生物炭均顯著抑制菜豆紋枯病的危害,但是離體和活體培養(yǎng)試驗卻表明生物炭對紋枯菌只有很小或者沒有顯著的直接抑制作用。同樣用甘草和木材制備的生物炭對Aspergillusniger,F.oxysporum,Penicilliumitalicum及R.solani等病菌的菌絲生長也沒有抑制作用[27]。因此,為了更好地揭示生物炭抑制病害的作用機理,有必要進一步研究生物炭對病菌種群動態(tài)的影響。

基于16S rRNA基因分析的研究表明,添加生物炭的土壤中鑒定出16種與植物生長促進和/或抑制有關(guān)的化學(xué)物質(zhì),在生物炭的有機溶劑提取物中鑒定出了各種有機化合物,包括正鏈烷酸、羥基和乙酰氧基酸,苯甲酸、二醇、三醇和酚[69]。由于其獨特的物理或化學(xué)特性,生物炭可誘導(dǎo)向促進植物生長和增強植株抗性的有益微生物類群轉(zhuǎn)化。Gravel等[39]將軟木生物炭施加到種植接種了Pythiumultimum的甜椒、萵苣、羅勒、天竺葵和香菜的土壤中,發(fā)現(xiàn)生物炭促進了植株生長,同時也增加了病原菌的根部定植率,但植株無發(fā)病癥狀,不同植物之間的作用效果存在差異。因此推斷生物炭改善了根部生長環(huán)境,促進各類微生物的繁殖,但后續(xù)的風險仍值得評估。Gu等[47]最新研究發(fā)現(xiàn),松樹生物炭施用能顯著影響青枯菌的移動性,從而影響病菌的定植。

2.4 吸附植物根系及病原菌的分泌物從而提高植物抗性

生物炭具有較大的孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積及豐富的功能性基團,使得其對不同的無機和有機化學(xué)物有良好的吸附性能[9,70-71],能有效去除有機污染物和重金屬離子[72-73]。在農(nóng)田土壤中,植物毒性化合物可能因環(huán)境污染而產(chǎn)生,或者可以從作物殘體、施用的工農(nóng)業(yè)廢棄物及未腐熟的堆肥中釋放出來,植物在此環(huán)境中容易感染病害。而生物炭可以通過吸附根系分泌或者植株殘體分解釋放的毒性化合物間接保護植物免受土傳病害的侵染[25]。

生物炭可以通過吸附根系分泌物和病原菌分泌物等有機物質(zhì)影響土傳病原菌對植物的侵染[47](圖2),而低吸附能力的生物炭將會造成病原菌的逃逸。此外,部分根系分泌物對土壤中的病原菌有引誘作用,因此添加生物炭可能會改變病原菌對根際的趨向運動[47]。但是關(guān)于生物炭直接吸附根系分泌物的證據(jù)還相對缺乏,大多是關(guān)于生物炭對土壤中化感物質(zhì)吸附的研究。植物化感作用物質(zhì)(如酚酸類物質(zhì)、對羥基苯甲酸、香草酸、香豆酸、丁香酸和阿魏酸等及其殘留物)會對小麥植物生長產(chǎn)生一定影響[74]。研究表明,不同原料的生物炭(包括柳枝稷、豬糞、家禽墊料和松木屑)單獨或者混合應(yīng)用對阿魏酸和丁香酸具有吸附作用,吸附效果與生物炭的特性和化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[75]。

Kasozi等[76]發(fā)現(xiàn)由橡木、松樹和草制成的生物炭對多酚醛天然有機質(zhì)單體(兒茶酚)和腐殖酸(HA)均有顯著的吸附作用,吸附過程遵循二級動力學(xué)方程,同時生物炭對兒茶酚的吸附能力隨制備溫度的增加而增加。Elmer和Pignatello[31]研究了生物炭處理對鐮刀菌誘發(fā)的蘆筍根腐病的影響,發(fā)現(xiàn)生物炭吸附了植株分解所釋放的毒性化合物(如肉桂酸、香豆素、阿魏酸等),從而顯著降低鐮刀菌誘發(fā)的蘆筍根腐病的危害,促進蘆筍根系和菌根的生長,為植株生長起到保護作用。Masiello等[77]發(fā)現(xiàn)木材生物炭能綁定和吸附N- 3-氧代-十二烷?；?L-高絲氨酸內(nèi)酯,而這種物質(zhì)是細菌的細胞通訊信號物質(zhì),控制著細菌細胞的分泌活動。

生物炭對化學(xué)物質(zhì)的吸附也有缺點。生物炭對某些物質(zhì)如農(nóng)藥的吸附可能會降低這些化學(xué)品對病蟲害的效果。Graber等[78]表明,玉米秸稈生物炭對1,3-二氯丙烯的吸附降低了該農(nóng)藥對線蟲的控制效果。該課題組另一項研究發(fā)現(xiàn),2%的生物炭施用降低了除草劑精-異丙甲草胺和甲磺草胺對狗尾草的控制效果[70]。該課題組以上兩項研究表明對生物炭的農(nóng)業(yè)利用需要綜合考慮施用方式及施用劑量。研究發(fā)現(xiàn)化感物質(zhì)芳香酸類(肉桂酸、香豆酸和阿魏酸)能顯著降低叢枝菌根真菌(AM)的定植和影響萵苣植物的生長,但是生物炭處理可以消除這種影響[31]。玉米植株浸提液中的化感物質(zhì)會抑制植物發(fā)芽生長,而生物炭處理則會吸附這些化感物質(zhì),降低或者消除這種負面影響[79]。

Gu等[47]研究表明,施用松樹生物炭顯著降低番茄青枯病發(fā)病率,不同粒徑的生物炭(53—120 μm 和 380—830 μm)能直接或者間接吸附根系分泌物 (降低病原菌的趨化能力)從而吸引病原菌,同時顯著降低病原菌的運動能力和定植,從而降低病原菌的致病性和致病潛力,增強與其他細菌的競爭。Jaiswa等[15]利用桉樹木片與溫室辣椒廢棄物為原料在2種不同溫度(350℃, 600℃)下制成生物炭,并設(shè)置不同的生物炭添加比例進行了研究,結(jié)果表明生物炭可以吸附病原菌F.oxysporumf. sp.radicislycopersici產(chǎn)生的細胞壁降解酶和有毒代謝產(chǎn)物并令其失活,從而保護番茄免受土傳病原菌的侵害作用,進一步驗證生物炭對病原酶和有毒物質(zhì)的吸附可以降低植株對土傳病原菌的易感性[80],證實了生物炭的抗病吸附效應(yīng)。

2.5 改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu),促進有益微生物的生長

生物炭施用能顯著影響土壤微生物群落組成和結(jié)構(gòu),增加拮抗菌和有益微生物的活性和豐度,降低病原微生物的豐度。有研究發(fā)現(xiàn),連作障礙和土傳病害發(fā)生后,土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,根際微生態(tài)系統(tǒng)失調(diào),土壤細菌和放線菌數(shù)量減少,土壤真菌/細菌、土壤真菌/放線菌比例顯著增加,導(dǎo)致土壤由高肥力的“細菌型”向低肥力的“真菌型”轉(zhuǎn)化[43,81- 84]。一般認為,根區(qū)土壤微生物對氨基酸類、羧酸類、糖類、酚酸類、胺類等的利用能力越強,土傳病害發(fā)生越輕,而土壤微生物總體活性及碳源利用總能力值與土傳病害發(fā)生呈負相關(guān)[85]。研究證實,生物炭添加可以改變植物根際和非根際土壤微生物群落組成[86- 88]。Wang等[89]研究發(fā)現(xiàn),種植蘋果的土壤中添加生物炭增加了土壤酶活性,改變了真菌群落結(jié)構(gòu),增加了真菌的相對豐度,并降低了土壤傳播的病原菌F.solani的豐度。Akmal等[90]以胡楊葉片生物炭為研究對象,發(fā)現(xiàn)單獨施用生物炭可提高綠豆種植土壤中細菌(141%)、真菌(131%)種群密度,同時發(fā)現(xiàn)生物炭可以有效地與氮肥和磷肥配合施用,提高土壤微生物活性。Egamberdieva等[63]利用玉米生物炭、木材生物炭及水熱生物炭進行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)水熱生物炭的作用效果最佳,大豆生長狀況最好,進一步分析發(fā)現(xiàn)施用水熱生物炭降低了大豆根際真菌的種群密度,并對某些特定植物病原真菌有一定的拮抗作用,增加了大豆根際的細菌種群密度,同時顯著提高了大豆根際微生物群落的多樣性,總結(jié)得出植株生長與抗病性的差異取決于生物炭的類型和根相關(guān)的有益菌的微生物群落的變化。Kolton等[87]在經(jīng)過生物炭改良的土壤中種植甜椒,發(fā)現(xiàn)其根際微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化,生物炭的添加大量誘導(dǎo)了幾丁質(zhì)和芳香族化合物的降解,顯著提高了擬桿菌門的相對豐度,誘導(dǎo)了參與植物生長及抗病相關(guān)的黃桿菌(Flavobacterium)、噬菌體 (Bacteroophates)和細胞弧菌(Betaproteobacteria)的累積。然而,生物炭添加誘導(dǎo)土壤微生物群落組成變化的機制尚不明確,目前提出了以下假設(shè)[82]：(1)生物炭釋放的有機化學(xué)物質(zhì)可能會抑制一些微生物并促進其他微生物生長[87],(2)生物炭引起的土壤溶液 pH 值和氧化還原電位(Eh)變化可能導(dǎo)致微生物群落組成的變化[80]；(3)生物炭可能會干擾微生物細胞間信號傳導(dǎo)[77]；(4)生物炭可以為真菌提供避難所,影響微生物群落結(jié)構(gòu)[86]。

生物炭的多孔結(jié)構(gòu)可以為多種微生物提供棲息地和避難所[86,91]。研究表明,生物炭能促進土壤革蘭氏陰性細菌的生長[92- 77],增加熒光假單胞菌數(shù)量[31],促進菌根真菌在植物根部的定殖[86],而叢枝菌根真菌在植物根部的定殖量與土壤抑制病害能力呈正相關(guān)[28]。另外一項研究發(fā)現(xiàn),生物炭施用減少鐮刀菌在根系的定殖和土壤中的存活,并增加土壤中與生物防治和植物生長促進有關(guān)的微生物,從而抑制鐮刀菌引起的番茄根腐病[55]。

生物炭應(yīng)用可增加土壤微生物數(shù)量和活性,改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu),提高土壤微生物多樣性,增加有益微生物如假單胞細菌、木霉菌、芽孢細菌等的數(shù)量和豐度[29,31,58,69,93-94],而這些有益微生物被證實在促進植物生長及抑制病原菌等方面起重要作用。但由于不同生物炭對不同植株的抗病作用效果不同,同樣有研究認為施用生物炭可能會導(dǎo)致微生物多樣性降低[95]。

Graber等[69]對添加木材生物炭的土壤進行16S rRNA同源性分析,從根系和土壤中分離到16個與植物生長促進和/或生物防治有關(guān)的微生物類群,推測生物炭可以促進有益微生物的生長,同時從生物炭有機溶劑提取物中檢測到了正鏈烷酸、羥基、乙酰氧基酸、苯甲酸、二醇、三醇和酚類等,發(fā)現(xiàn)這些物質(zhì)可能在低劑量對植物生長起促進作用。Jin[96]利用PCR-T-RFLP指紋圖譜分析發(fā)現(xiàn),土壤細菌和真菌群落組成受到生物炭添加的強烈影響,而且受到生物炭施用比例和時間的影響。對土壤真菌ITS序列分析表明,生物炭處理使得土壤微生物從以擔子菌和子囊菌家族為主的群落轉(zhuǎn)變?yōu)橐越雍暇颓蚰揖?菌根真菌)家族為主的群落,這更加有利于促進養(yǎng)分循環(huán)和減少養(yǎng)分與碳的損失。Kolton等[87]利用16S rRNA基因進行分子指紋圖譜分析發(fā)現(xiàn)施用柑橘木材生物炭顯著增加土壤擬桿菌門(Bacteroidetes)黃桿菌屬的豐度,也能增加幾丁質(zhì)和纖維素降解物(分別為殼多糖和細胞弧菌)和芳香族化合物降解物。這些菌群可能在生物炭促進植物生長和介導(dǎo)植物抗性中起重要作用。顧美英等[53]的研究表明,施用小麥秸稈生物炭能提高新疆灰漠土和風沙土連作棉田的根際土壤養(yǎng)分、微生物多樣性和土壤微生物對羧酸類碳源的利用能力,有助于緩解連作障礙。生物炭也可以改變?nèi)跛嵝缘咎锖蜔煵菡系K性土壤的細菌和真菌群落結(jié)構(gòu)[97-98]。研究表明,田間施用的稻殼和木屑生物炭(600 kg/hm2)能提高烤煙根區(qū)土壤細菌、真菌、放線菌的數(shù)量及對碳源的利用能力,顯著降低青枯菌和黑脛病菌的發(fā)病率和病情指數(shù),且木屑生物炭處理效果優(yōu)于稻殼生物炭[19]。

3 總結(jié)

大量研究已經(jīng)表明生物炭在固碳、改良土壤、促進植物生長和提高植物抗性方面起重要作用,具有廣泛的應(yīng)用潛力。生物炭可以通過誘導(dǎo)植株系統(tǒng)抗性,吸附病原菌及其產(chǎn)生的有毒物質(zhì),改良土壤理化性質(zhì),增強土壤肥力及誘導(dǎo)土壤根際微生物群落結(jié)構(gòu)、種群密度改變來促進植物生長,降低植株發(fā)病。通過研究分析發(fā)現(xiàn),由于生物炭、土壤、植物、病害的類型多種多樣,生物炭對植物病害的抑制效果及機理研究結(jié)果還不完全一致。未來的生物炭提高植物抗病性研究中應(yīng)注意以下幾個問題：

(1)生物炭提高病害抗性的分子機理：除了闡明生物炭的病害防控效應(yīng),將“生物炭-土壤-植物病害” 作為一個綜合體系,借助組學(xué)手段,從生理生化、分子、蛋白質(zhì)組和代謝組學(xué)水平上解析生物炭介導(dǎo)植物病害抗性的機制將是下一階段研究的重點。

(2)生物炭的原料、裂解條件及植物病害類型：大量研究表明,生物炭的原材料和熱解溫度對生物炭的物理、化學(xué)、生物學(xué)特性及環(huán)境功能影響顯著,從而對不同植物病害的影響也不一致[26],有必要開展不同生物炭類型與不同病害的互作關(guān)系研究,闡述不同生物炭對植物病害的控制作用方式及途徑。生物炭使用的劑量對植物病害的防治產(chǎn)生不同影響,大量的研究表明,較低濃度(≤1%)的生物炭經(jīng)常會抑制多種植物病害,但更高濃度(> 3%)的生物炭應(yīng)用大多無效或誘發(fā)植物病害[12],也就是具有低濃度有益而高濃度無效或有害這種U型效應(yīng)[25]。因此根據(jù)不同的生物炭、土壤及病害類型選擇最佳的劑量尤為重要。目前生物炭對植物病害的影響研究僅僅集中于少部分植物和病害類型 (表1),有必要擴大實驗對象,揭示生物炭對植物病害的防控效果及機理。

(3)生物炭與其他病害防控手段的聯(lián)用：如生物炭與生防菌、生物炭與有益微生物、生物炭與菌根等結(jié)合,利用生物炭開發(fā)碳基肥料等等。

(4)長期田間試驗: 現(xiàn)有的大多數(shù)研究試驗周期較短,并且大多集中在控制條件下的實驗室和溫室實驗,與生產(chǎn)實際尚有較大差距。生物炭對植物病害的作用效果及機制研究還需要進行長期的田間試驗,以揭示生物炭是否是一種安全、有效且價格合理的控制植物病害的方法[27]。