香蕉莖葉生物炭對香蕉枯萎病防控效果及土壤性狀的影響

徐廣平，滕秋梅，沈育伊，邱正強，張德楠，何成新，牟海飛，周龍武*，韋紹龍，牟芝熠

1. 廣西壯族自治區(qū)中國科學院廣西植物研究所/廣西喀斯特植物保育與恢復生態(tài)學重點實驗室，廣西 桂林 541006；2. 廣西壯族自治區(qū)中國科學院廣西植物研究所/廣西植物功能物質(zhì)研究與利用重點實驗室，廣西 桂林 541006；3. 河北建筑工程學院，河北 張家口，075000；4. 中國地質(zhì)科學院巖溶地質(zhì)研究所，自然資源部/廣西巖溶動力學重點實驗室，廣西 桂林 541004；5. 廣西農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)研究所，廣西 南寧 530007；6. 廣西師范大學生命科學學院，廣西 桂林 541004

香蕉枯萎病是尖孢鐮刀菌古巴?；停‵usarium oxysporumf. sp. cubense，F(xiàn)OC）侵染植物后，引起的維管束病害（Tushemereirwe et al.，2000），屬于真菌類土傳病害，易發(fā)于 pH值 6.0以下、肥力較低的砂質(zhì)、砂壤等酸性土壤中（Barbiéri et al.，2006），而土壤理化性狀對土傳病菌的生長和病害的發(fā)生起著關(guān)鍵作用（Alabouvetie，1986）。在中國蕉園等農(nóng)田中，由于銨態(tài)氮等化肥的大量施用，加劇了土壤酸化（Guo et al.，2010），也破壞了蕉園的土壤結(jié)構(gòu)，降低了土壤有機質(zhì)、全氮和堿解氮含量，抑制了土壤酶活性和微生物數(shù)量（陳明智等，2008；洪珊等，2017），土壤酸化可能是造成作物枯萎病高發(fā)的一個重要原因（Barbiéri et al.，2006；彭雙等，2014；姚燕來等，2015）。因此，選擇能延緩土壤酸化、改善土壤養(yǎng)分、提高土壤酶活性、優(yōu)化土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和有利于香蕉枯萎病防控的土壤改良劑，對蕉園土壤質(zhì)量的提升和生態(tài)環(huán)境的改善，具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

中國是香蕉種植大國，每年都會產(chǎn)生大量的香蕉莖葉等農(nóng)業(yè)廢棄物，焚燒和直接還田可能會帶來一定的環(huán)境問題，如何實現(xiàn)香蕉莖葉廢棄物資源的多種利用途徑，是目前香蕉產(chǎn)業(yè)發(fā)展中亟待解決的問題。生物炭（biochar）是農(nóng)作物秸稈等廢棄物、動物糞肥等其他生物質(zhì)在完全或部分限氧條件下經(jīng)高溫裂解產(chǎn)生的一類高度富碳的難熔性固態(tài)物質(zhì)（孔絲紡等，2015），被視為有效的土壤改良劑，具有原材料豐富，比表面積大和吸附能力強等優(yōu)點，尤其生物炭呈堿性，能顯著提高土壤的 pH值（Spokas et al.，2012）。施用生物炭能促進作物生長，改善土壤理化性質(zhì)和提高土壤肥力（袁金華等，2011；劉玉學等，2013；Agegnehu et al.，2017；Kumar et al.，2018），提高土壤酶活性，調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)（El-Naggar et al.，2018；胡華英等，2019）。將農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為生物炭，在土壤改良和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用（張祥等，2013；房彬等，2014；蔣惠等，2017）。有報道生物炭被應(yīng)用于因土壤病原菌引起的楓樹（Staphylea forrestii）、橡樹（Quercus palustris）、辣椒（Capsicum annuum）等農(nóng)作物土傳病害的防治中（Elmer et al.，2011；Zwart et al.，2012；王光飛等，2017），生物炭能抑制立枯絲核菌（Rhizoctonia solani）引起的蘿卜猝倒?。℅uijarro et al.，2010），也有不少關(guān)于生物炭防控番茄（Solanum lycopersicum）青枯病、蘆筍（Asparagus officinalis）根腐病和黃瓜（Cucumis sativus）猝倒病等土傳病害的報道（馬艷等，2014；Graber et al.，2014），表明生物炭在土傳病害的防控方面有一定的作用效果。但有關(guān)生物炭對土傳病害防控效果與其對土壤性狀影響的關(guān)聯(lián)分析的研究報道還不多（王光飛等，2017）。

目前已有對花生殼、稻稈、玉米稈、麥稈、豬糞等材料制備生物炭的研究報道（韋思業(yè)，2017；柳瑞等，2020），對香蕉莖葉廢棄物制備生物炭及其就地返還蕉園土壤的研究較少，而以上研究大部分是基于室內(nèi)培養(yǎng)試驗（Subedi et al.，2016），在野外大田原位輸入生物炭的研究不多（田冬等，2017；程揚等，2018）。香蕉園每年產(chǎn)生大量的香蕉莖葉等農(nóng)業(yè)廢棄物，其含有豐富的營養(yǎng)成分，是較理想的生物炭材料，如果將香蕉園莖葉廢棄物制備成生物炭并就地返還蕉園土壤，可能是香蕉莖葉廢棄物資源化利用的途徑之一，也可以避免對環(huán)境產(chǎn)生污染。同時，生物炭施用對農(nóng)作物土傳病害防治的影響較復雜，已有研究結(jié)果仍存在著較多的不確定性。以香蕉莖葉廢棄物制備生物炭，并就地返還輸入到蕉園土壤中，對香蕉枯萎病是否有防控效果？如果有正效應(yīng)，是否與根際土壤理化性質(zhì)、酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)？針對這一問題開展研究，對于科學評價香蕉莖葉廢棄物生物炭在蕉園土壤改良中的應(yīng)用效果十分必要。

因此，本研究以香蕉莖葉廢棄物為材料，通過開展施用生物炭試驗（500 ℃，厭氧制備），研究生物炭不同用施用量對蕉園土壤理化性質(zhì)、酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，并探討對香蕉枯萎病的防控效果，旨在為香蕉莖葉廢棄物資源化利用、生物炭在蕉園農(nóng)田土壤改良以及香蕉枯萎病的防控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地選擇在海南省樂東黎族自治縣，位于海南西南部，介于18°24′—18°58′N，108°39′—109°24′E之間。氣候溫暖，光照充足，雨量充沛，熱量豐富，年平均降水量為1600 mm，年平均溫度24 ℃，年日照時數(shù)1900 h。試驗地為同一農(nóng)戶耕種、集中平坦的農(nóng)田，已連作9年的香蕉種植地，2014年該農(nóng)田香蕉枯萎病發(fā)病率達58%以上。土質(zhì)為輕黏壤土，土層深厚。參考鮑士旦（2000）土壤理化性質(zhì)的分析方法，經(jīng)測定，試驗地土壤理化性質(zhì)的相關(guān)背景值為：陽離子交換量 8.21 cmol·kg-1，容重 0.99 g·m-3，pH 值 5.86，有機質(zhì) 5.47 g·kg-1，全氮 1.08 g·kg-1，全磷 0.61 g·kg-1，全鉀 2.27 g·kg-1，速效氮 65.18 mg·kg-1，速效磷 3.19 mg·kg-1，速效鉀 93.99 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

種植的香蕉苗購買自廣東省農(nóng)業(yè)科學院果樹研究所。2014年11月，以收集的樂東縣同一香蕉種植地塊及周邊區(qū)域香蕉莖葉廢棄物為原料，由濟寧德漢齊機械工程科技有限公司制備生物炭，將香蕉莖葉廢棄物洗凈風干后放置于馬弗爐中（日本，Yamato FO410C），采用限氧控溫炭化法，按照 5 ℃·min-1升至目標溫度500 ℃，炭化時間為2 h，關(guān)閉馬弗爐，待溫度自然冷卻至室溫后，將制得的生物炭用研缽磨細后過0.25 mm篩，裝瓶備用。生物炭pH值采用木質(zhì)活性炭pH值的測定方法（GB/T 12496.7—1999），使用PHS-3C酸度計（上海精科儀器廠）測定pH值；粗灰分使用木炭和木炭試驗方法（GB/T 17664—1999），碳（C）、氮（N）、硫（S）采用德國 Elementar Vario EL III元素分析儀進行分析，磷（P）采用鉬銻抗比色法，鈣（Ca）、鐵（Te）、銅（Cu）、鎂（Mg）、鉀（K）等元素含量采用IRIS1000ER/S型等離子體發(fā)射光譜儀測定，陽離子交換量（CEC）采用醋酸銨法測定，生物炭比表面積采用 ASAP-2020表面積分析儀（Micromeritics Instrument Corporation，US），N2作為吸附質(zhì)，在液氮溫度77 K下測定。

香蕉莖葉生物炭的基本性質(zhì)為：比表面積80.51 m2·g-1，陽離子交換量 48.31 cmol·kg-1，粗灰分19.05%，pH值10.33，碳含量462.59 mg·g-1，氫含量 23.95 mg·g-1，氧含量 179.31 mg·g-1，氮含量 13.67 mg·g-1，磷含量 5.41 mg·g-1，硫含量 5.39 mg·g-1，鉀含量 42.77 mg·g-1，鈣含量 15.18 mg·g-1，鎂含量 10.75 mg·g-1，鐵含量 6.99 mg·g-1，銅含量 2.81 mg·g-1。

1.3 試驗設(shè)計

于2015年1月布置田間小區(qū)試驗，生物炭輸入比例按生物炭與土壤的質(zhì)量百分比進行控制（郭艷亮等，2015），設(shè)置CK（C0，無生物炭施用）、C1（0—20 cm土層重的1%）、C2（0—20 cm土層重的2%）和C3（0—20 cm土層重的3%）4個處理，每個處理設(shè)4個重復，采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)16個試驗小區(qū)，每個處理小區(qū)面積為250 m2（50 m×5 m），小區(qū)之間由畦溝分隔開。使用農(nóng)耕工具分別將各小區(qū)內(nèi)表層 20 cm深的土壤均勻翻耕，將生物炭一次性按照設(shè)定的比例與翻耕的土壤充分混合再回填，并輕微壓實以復原土位，對照樣地采用同樣的翻耕等處理。施用生物炭1個月后，移栽種植巴西蕉（MusaAAA Giant Cavendish cv.Baxi），每試驗小區(qū)種植40株，株行距為2.5 m×2.5 m。在香蕉生長期間，其他施肥等果園管護措施按照當?shù)氐慕秷@管理辦法進行。

1.4 香蕉株高測量和枯萎病調(diào)查

2015年7月，對各試驗小區(qū)的所有香蕉植株，使用卷尺測定香蕉株高（從香蕉基部到倒數(shù)第三片葉葉柄處的高度），同時觀察香蕉枯萎病的發(fā)病情況，以典型癥狀（黃葉、維管束堵塞壞死和葉片下垂等）作為發(fā)病標準（楊秀娟等，2006），統(tǒng)計香蕉染病率及病情指數(shù)，將香蕉枯萎病分為0—4級5個標準。相關(guān)計算公式如下：

式中，Ryl為香蕉黃葉率（%）；Ny為黃葉數(shù)；Ng為綠葉數(shù)。M為香蕉枯萎病發(fā)病率（%）；Nd為染病植株總數(shù)；Nh為健康植株總數(shù)。Id為病情指數(shù)；Pdi為各級病株數(shù)；Ri為該級級數(shù)值；Np為總株數(shù)；Rmax為最高級級數(shù)值。Edp為防病效果（%）；Id-ck為對照病情指數(shù)；Id-tm為處理病情指數(shù)。

1.5 土壤樣品采集及測定

施用生物炭1年后，于香蕉成熟收獲期，采用五點取樣法在試驗地各小區(qū)內(nèi)每5株香蕉附近采集土樣，距離植株根圍20—30 cm，采集0—20 cm土壤，5株香蕉根際的土壤均勻混合。將采集的土壤樣品裝在無菌保鮮袋中，用密封冰盒帶回實驗室，一部分鮮樣保存于4 ℃冰箱，分析土壤酶活性、土壤微生物數(shù)量及微生物多樣性等備用，另一部分土壤樣品風干用于養(yǎng)分含量測定。

土壤理化性質(zhì)測定參照鮑士旦（2000）的方法，環(huán)刀法測定田間持水量和土壤容重，pH值采用電位法；土壤陽離子交換量（CEC）采用乙酸鈉-火焰光度法；土壤有機質(zhì)（OM）采用重鉻酸鉀氧化法；全氮（TN）通過德國Vario ELIII元素分析儀分析；全磷（TP）用濃硫酸-高氯酸消煮，鉬銻抗比色法，美國Agilent 8453紫外-可見分光光度計；全鉀（TK）用硫酸-高氯酸消煮，火焰光度法；速效氮（AN）用堿解擴散法；速效磷（AP）用碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法；速效鉀（AK）用火焰光度法。

土壤酶活性分析參考關(guān)松蔭（1986）的方法，通過苯酚鈉比色法測定土壤脲酶活性，以 37 ℃脲酶作用48 h內(nèi)1 g土壤中NH3-N的質(zhì)量表示；采用3, 5-二硝基水楊酸比色法，測定土壤蔗糖酶活性，以37 ℃蔗糖酶作用下24 h內(nèi)1 g土壤中葡萄糖的質(zhì)量表示；采用高錳酸鉀滴定法，測定土壤過氧化氫酶活性，以過氧化氫酶作用下1 g土壤24 h所消耗的0.1 mol·L-1KMnO4的體積表示；采用磷酸苯二鈉比色法，測定土壤酸性磷酸酶活性，以 37 ℃磷酸酶作用下24 h內(nèi)1 g土壤中酚的質(zhì)量表示。土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量通過稀釋平板計數(shù)法統(tǒng)計（許光輝等，1986），可培養(yǎng)細菌、放線菌、真菌的數(shù)量的培養(yǎng)基分別為牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、改良高氏1號（苯酚500 mg·L-1）培養(yǎng)基、馬丁（Martin）孟加拉紅-鏈霉素（鏈霉素30 mg·L-1）培養(yǎng)基，尖孢鐮刀菌采用Komada 改良培養(yǎng)基（Smith et al.，2008），以CFU/g（干土）表示。土壤微生物功能多樣性采用基于31種碳源的生態(tài)板（Biolog-ECO）進行測定，土壤微生物活性用單孔平均顏色變化率（Average well color development，AWCD）表示（Kurten et al.，2016）：

式中，Ci為每個有培養(yǎng)基孔的光密度值；R為對照孔的光密度值；n為培養(yǎng)基碳源數(shù)量，本研究為31。

豐富度指數(shù)（Richness index）是指被利用碳源的總數(shù)目，為每孔中（Ci?R）數(shù)值大于0.25的孔數(shù)。

多樣性指數(shù)Shannon-Wiener（H'）：

式中，Pi為有培養(yǎng)基的孔和對照孔的光密度值差與整板總差的比值，即Pi=(Ci?R)/∑(Ci?R)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

運用 Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理和作圖，SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（One-way ANOVA），并用最小顯著差數(shù)法（Least significant difference，LSD）進行差異顯著性檢驗（顯著性水平設(shè)定為α=0.05）。利用Pearson相關(guān)系數(shù)分析土壤酶活性、微生物群落結(jié)構(gòu)、AWCD值、Shannon-Wiener指數(shù)、豐富度指數(shù)與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭施用后蕉園香蕉株高和枯萎病的變化

從表 1看出，與對照處理相比，施用生物炭后株高顯著增加了13.62%—34.56%（P＜0.05），大小順序為 C3＞C2＞C1＞CK。C1、C2和 C3處理的黃葉率分別降低了17.42%、31.65%和40.84%，香蕉黃葉率和枯萎病密切相關(guān)，發(fā)病率越高，黃葉越多，病害就越嚴重。C1、C2和C3處理的發(fā)病率分別降低了 5.82%、15.22%和 27.09%，病情指數(shù)分別降低了 9.57%、16.19%和 32.16%。香蕉枯萎病的防病效果隨著生物炭施用量的增加而顯著增強（P＜0.05）。

2.2 生物炭對蕉園土壤物理性狀的影響

施用生物炭對土壤主要物理性質(zhì)的影響如圖 1所示。與對照相比，C1、C2、C3處理的土壤田間持水量顯著增加8.07%、21.74%和35.40%；土壤容重顯著降低15.4%—34.34%，土壤毛管孔隙度和總毛管孔隙度分別顯著增加 14.36%—34.21%和11.96%—31.96%。

表1 生物炭處理對香蕉株高和枯萎病發(fā)生的影響Table 1 Effects of different biochar treatments on plant height and Fusarium wilt of banana plantation

圖1 生物炭處理對蕉園土壤物理性狀的影響Fig. 1 Effects of different biochar treatments on soil physical properties of banana plantation

2.3 蕉園土壤化學性狀的變化

如表2所示，施用生物炭1年后，蕉園土壤pH值、陽離子交換量、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀以及碳氮比表現(xiàn)出一致的變化趨勢，均隨生物炭施用量的增加而增大，相對于對照，生物炭施用后以上各指標分別增加了23.55%—33.96%、98.17%—273.45%、50.82%—140.77%、8.33%—34.26%、36.07%—90.16%、16.74%—63.0%、36.04%—84.73%、22.57%—288.09%、33.77%—124.70%和 38.31%—79.57%，其中，速效磷、陽離子交換量、速效鉀和有機質(zhì)的增幅較大。除全氮和速效磷之外，其他指標在各處理間均達到顯著差異（P＜0.05）。

2.4 蕉園土壤酶活性和微生物數(shù)量的變化

從表3可知，脲酶和過氧化氫酶活性隨著生物炭施加量的增加而顯著增加，C3＞C2＞C1＞CK。與CK處理相比，生物炭處理（C1、C2，C3）分別顯著增加了脲酶和過氧化氫酶活性 23.94%—78.87%和32.95%—95.45%。土壤蔗糖酶和酸性磷酸活性變化規(guī)律一致，大小關(guān)系為 C2＞C3＞C1＞CK，增幅分別為7.84%—29.51%和36.78%—112.64%。除蔗糖酶在C1與CK間無顯著差異之外，C2和C3處理與對照間均達到顯著差異。與 CK相比，C1、C2和C3處理分別顯著增加了細菌、放線菌和固氮菌數(shù)量2.45%—13.07%、6.64%—19.14%和14.10%—78.31%；顯著降低了真菌和鐮刀菌數(shù)量 5.38%—23.19%和4.73%—28.13%。

2.5 蕉園土壤微生物碳源利用能力和代謝活性的變化

從圖 2可知，對照處理和生物炭處理 AWCD的變化趨勢基本相似，在0—120 h處于增加狀態(tài)，到120 h時出現(xiàn)最大值，120—144 h略有降低，144 h之后逐漸趨于增加。在144 h，C1、C2和C3處理的AWCD值分別為0.95、1.06和1.22，比CK處理分別提高了4.40%、16.12%和33.70%，高施用量生物炭處理（C2和C3）與對照間的差異顯著。在整個培養(yǎng)過程中，不同處理土壤微生物群落的AWCD大小順序為 C3＞C2＞C1＞CK。

2.6 蕉園土壤微生物群落多樣性指數(shù)的變化

根據(jù)不同處理碳源利用情況（圖 3），與 CK處理相比，多樣性指數(shù)只有在C3處理達到顯著差異，而對豐富度指數(shù)來說，C1、C2和C3處理均顯著高于對照處理。C3處理的多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)均最大，與 CK相比分別增加了 20.92%和41.53%，表明C3處理土壤微生物種類最多、分布較均勻且對碳源利用程度最高。

2.7 土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性、土壤微生物、香蕉枯萎病相關(guān)指標間的相關(guān)性

表4是施用生物炭后蕉園土壤理化性質(zhì)與酶活性、土壤微生物、香蕉枯萎病相關(guān)指標間的相關(guān)性分析。香蕉株高與田間持水量、速效磷和速效鉀顯著正相關(guān)（P＜0.05）；脲酶活性與田間持水量、速效氮呈顯著正相關(guān)，與全氮呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；蔗糖酶僅與全鉀含量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；過氧化氫酶與速效鉀呈顯著正相關(guān)，與有機質(zhì)呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；酸性磷酸酶與土壤容重呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01），與全氮、速效氮和速效磷呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；可培養(yǎng)細菌與田間持水量、全氮呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；可培養(yǎng)真菌與速效氮、速效磷呈顯著負相關(guān)（P＜0.05）；可培養(yǎng)放線菌與土壤理化性質(zhì)間無顯著相關(guān)性；尖孢鐮刀菌與容重呈顯著正相關(guān)，與田間持水量、有機質(zhì)呈顯著負相關(guān)，與pH值呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01）；固氮菌與全氮、速效磷呈顯著正相關(guān)，與速效氮呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；AWCD與田間持水量、全氮和速效氮呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；豐富度與容重呈極顯著負相關(guān)，與有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；微生物多樣性指數(shù)與容重呈極顯著負相關(guān)，與有機質(zhì)、速效氮呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；黃葉率與容重呈顯著正相關(guān)，與CEC、有機質(zhì)、速效鉀呈顯著負相關(guān)（P＜0.05）；發(fā)病率與田間持水量呈極顯著負相關(guān)，與 pH、全氮呈顯著負相關(guān)（P＜0.05）；病情指數(shù)與容重、速效磷呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），防病效果與速效氮、速效磷呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

表2 生物炭處理對蕉園土壤化學性狀的影響Table 2 Effects of different biochar treatments on soil chemical properties of banana plantation

表3 生物炭處理對土壤酶活性和微生物數(shù)量的影響Table 3 Effects of different biochar treatments on soil enzyme activity and soil microbial population

圖2 生物炭處理對蕉園土壤微生物AWCD的影響Fig. 2 Effects of different biochar treatments on soil microbial AWCD of banana plantation

圖3 不同生物炭處理蕉園土壤微生物多樣性指數(shù)的變化Fig. 3 Changes of soil microbial diversity index of banana plantation in different biochar treatments

表4 土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性、土壤微生物、香蕉枯萎病相關(guān)指標間的相關(guān)性Table 4 Correlation of soil physic-chemical properties, enzyme activity, microorganism and banana Fusarium wilt

2.8 土壤酶活性、土壤微生物、香蕉枯萎病相關(guān)指標間的相關(guān)性

在表5中，細菌與酸性磷酸酶、防病效果呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與發(fā)病率極顯著呈負相關(guān)（P＜0.01）；真菌與蔗糖酶呈顯著負相關(guān)，與病情指數(shù)呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；放線菌分別與脲酶、過氧化氫酶呈顯著正相關(guān)（P＜0.05，P＜0.01）；尖孢鐮刀菌與脲酶呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），固氮菌與蔗糖酶、防病效果呈顯著正相關(guān)，與病情指數(shù)呈顯著負相關(guān)（P＜0.05）；AWCD與蔗糖酶呈顯著正相關(guān)，與發(fā)病率呈顯著負相關(guān)（P＜0.05）；豐富度、多樣性指數(shù)均與土壤脲酶呈顯著負相關(guān)（P＜0.05），豐富度與黃葉率呈顯著負相關(guān)，多樣性指數(shù)與防病效果呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

3 討論

3.1 施用生物炭對蕉園土壤理化性質(zhì)的影響

本研究中，與對照相比，隨著香蕉莖葉生物炭輸入量的增加，降低了土壤容重，增加了土壤田間持水量，提高了毛管孔隙度和總毛管孔隙度，說明生物炭有利于改善蕉園土壤結(jié)構(gòu)和土壤水分狀況，這與其他學者（張祥等，2013；房彬等，2014；胡華英等，2019）的研究結(jié)果相似。這是因為生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)，其容重小于土壤的容重，且對土壤容重會產(chǎn)生一定的稀釋效應(yīng)（Burrell et al.，2016）。生物炭還能改善土壤通氣狀況，有利于養(yǎng)分和水分的保持，可增強礦物質(zhì)顆粒與菌體間的相互作用，降低了土壤的容重（Lei et al.，2013）。前人研究表明，生物炭具有較大的比表面積、較強的持水能力，可以增加生物炭顆粒和水分之間的吸附力，因此有利于提高田間持水量（Rajapaksha et al.，2016）。生物炭還田措施能提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)給土壤動物、微生物、菌根等，促進了土壤孔隙度的改善（胡華英等，2019）。

有研究表明，施加生物炭2年后，土壤pH、有機碳含量均顯著增加，磷、鉀的有效利用率顯著增強（Liu et al.，2012）。添加香蕉假莖生物炭，蕉園土壤有機質(zhì)、有效鉀和有效磷含量顯著增加，提高了土壤pH值（王明元等，2019）。本研究與上述等研究結(jié)果相似（Liu et al.，2012；Spokas et al.，2012；Rajapaksha et al.，2016；王明元等，2019），香蕉莖葉生物炭施用大田1年后，顯著增加了土壤陽離子交換量（CEC）和土壤pH值。蕉園土壤陽離子交換量的增幅較大，主要原因可能是生物炭提高了土壤的pH值，隨著土壤pH升高，pH值進一步促進土壤中膠體微粒表面羥基發(fā)生變化，其所帶負電荷增大，也相應(yīng)增加了 CEC含量。而且，由于生物炭比表面積較大，其氧化作用能顯著增加表面的含氧官能團，通過增強對陽離子的吸附能力，進而提高陽離子交換量（Topoliantz et al.，2005）。

另外，生物質(zhì)炭本身的含堿量較高，對土壤酸度的改良效應(yīng)起主導作用，也與生物炭中碳酸鹽的總量和結(jié)晶態(tài)碳酸鹽的含量與制備溫度呈正相關(guān)有關(guān)（袁金華等，2011），由于其比表面積和孔隙度較大，大量羰基、羧基和羥基等含氧官能團，對土壤中的 H+產(chǎn)生吸附作用，因而提高土壤 pH值（Yuan et al.，2011）。本研究中，香蕉莖葉生物炭自身呈堿性，pH值為 10.33，pH值會影響土壤的陽離子交換量和土壤的緩沖能力，隨著香蕉莖葉生物炭輸入量的增加，顯著降低了蕉園土壤的酸度，可為香蕉苗的健康生長提供適宜的土壤環(huán)境，這對于減緩蕉園土壤酸化具有積極的正作用，對連作蕉園的酸化土壤有一定的改良效果，這與其他研究結(jié)果相似（Haefele et al.，2011；張祥等，2013；胡華英等，2019）。

表5 土壤酶活性、土壤微生物、香蕉枯萎病相關(guān)指標間的相關(guān)性Table 5 Correlation of soil enzyme activity among soil microorganis and banana Fusarium wilt

由于生物炭自身含有N、P、K、Ca、Mg、S等礦質(zhì)營養(yǎng)元素，輸入土壤后有利于提高土壤的養(yǎng)分含量，另一方面，生物炭可提高土壤持水量，明顯增加紅壤堿解氮含量，可給作物生長提供良好的環(huán)境（張祥等，2013）。本研究中，施用香蕉莖葉生物炭不同程度增加了蕉園土壤有機質(zhì)、全磷、全鉀、速效氮、速效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量，既可以改善土壤結(jié)構(gòu)，也增加了土壤有機碳含量，這與其它研究結(jié)果相似（張晗芝等，2010；張祥等，2013；蔣惠等，2017）。施用15 t·hm-2稻稈生物炭可以穩(wěn)定水稻（Oryza sativa）產(chǎn)量，實現(xiàn)水稻氮肥管理的“減量增效”（柳瑞等，2020）。秸稈生物炭顯著促進番茄養(yǎng)分吸收，提高番茄產(chǎn)量，當施用量為15 t·hm-2時，增幅最大（勾芒芒等，2013），施用秸稈生物炭1.33%的用量對辣椒疫病的防效最好（王光飛等，2017）。本研究結(jié)果表明，香蕉莖葉生物炭對蕉園酸化土壤的理化性質(zhì)有積極的正效應(yīng)，在蕉園0—20 cm土層施用3%的施用量時，對土壤培肥的綜合效果表現(xiàn)較顯著。

3.2 施用生物炭對蕉園土壤酶活性和微生物數(shù)量的影響

生物炭可促進土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶活性，對脲酶、酸性磷酸酶的影響不明顯（顧美英等，2016）。許云翔等（2019）研究表明，生物炭輸入增加了脲酶、酸性磷酸酶活性，降低了過氧化氫酶活性?？梢?，生物炭對土壤酶活性的影響不完全一致，這可能與生物炭自身的性質(zhì)有關(guān)，不同生物炭的組分和吸附能力也具有差異性，因此對土壤酶活性的影響也并非單一的抑制或促進；也與生物炭輸入引起土壤理化性質(zhì)的變化有聯(lián)系（Zwart et al.，2012）。本試驗結(jié)果表明，與對照比較，香蕉莖葉生物炭對土壤酶活性產(chǎn)生了促進作用，可以顯著提高蕉園土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶和酸性磷酸酶的活性，這與丁文娟等（2014）研究結(jié)果相同。究其原因，可能是香蕉莖葉生物炭自身對土壤酶的反應(yīng)底物產(chǎn)生吸附作用，從而促進了土壤酶活性。脲酶是土壤氮素循環(huán)中的關(guān)鍵酶，其活性與土壤氮素的轉(zhuǎn)化關(guān)系密切，生物炭增加了土壤中全氮含量、速效氮含量和 C/N（表 2），并且尿酶與全氮有極顯著的正相關(guān)性（P＜0.01），與速效氮有顯著的正相關(guān)性（P＜0.05，表 4），這均表明生物炭對脲酶活性產(chǎn)生了顯著影響。蔗糖酶活性可以表征土壤有機碳的轉(zhuǎn)化情況（關(guān)松蔭，1986），與其相一致，本研究中，施用香蕉莖葉生物炭增加了蔗糖酶含量，有利于土壤有機質(zhì)的提高，促進了過氧化氫酶的活性，說明過氧化氫酶參與了土壤中有機物質(zhì)的氧化過程。土壤磷酸酶一般參與土壤有機磷水解轉(zhuǎn)化為磷酸鹽的過程，施用香蕉莖葉生物炭提高了酸性磷酸酶活性，而酸性磷酸酶與速效磷有顯著的正相關(guān)性（P＜0.05，表 4），這表明施用香蕉莖葉生物炭，能補充蕉園土壤及香蕉苗生長對磷元素的需求，促進了香蕉植株的生長。

前人研究表明，由于生物炭具有巨大的比表面積和特殊的孔隙結(jié)構(gòu)，可作為土壤微生物生長的載體，進而對土壤微生物種群豐度和群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響（丁艷麗等，2013）。生物炭添加促進了秸稈還田土壤細菌群落組成結(jié)構(gòu)變化，添加不同比例的生物炭對土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)有明顯的影響（程揚等，2018），王明元等（2019）的研究結(jié)果表明，高比例生物炭添加量對細菌豐富度和群落結(jié)構(gòu)的改變更加顯著，而Dempster et al.（2012）發(fā)現(xiàn)生物炭高施用量會降低土壤微生物數(shù)量。本研究中，施用香蕉莖葉生物炭改變了蕉園微生物群落結(jié)構(gòu)，顯著提高了土壤可培養(yǎng)細菌、固氮菌和放線菌的數(shù)量，降低了可培養(yǎng)真菌和尖孢鐮刀菌的數(shù)量，尤其高施用量生物炭的作用效果更明顯，這類似與程揚等（2018）和王明元等（2019）的研究結(jié)果，與Dempster et al.（2012）的結(jié)論有所不同。尖孢鐮刀菌和真菌數(shù)量的減少，可能是因為其生理生化反應(yīng)受到體內(nèi)外微環(huán)境中pH值的影響（Tasaki et al.，2015），尖孢鐮刀菌是一種真菌類土傳病菌，類似真菌，多在在pH 6.0以下的酸性環(huán)境下生長。本研究結(jié)果表明，生物炭施用后土壤pH值均達到7.20以上（表 2），對真菌類的生長可能有一定的抑制作用；而放線菌和細菌是喜堿性環(huán)境的微生物，香蕉莖葉生物炭自身的pH值為10.33，輸入蕉園后改善了土壤環(huán)境，有利于放線菌和細菌的生長和繁殖。這與李進等（2016）堿性肥料對香蕉枯萎病發(fā)生及土壤微生物群落影響的研究結(jié)果相類似。

3.3 施用生物炭對蕉園土壤微生物活性及多樣性的影響

土壤施用生物炭可以促進某些微生物種群的生長，也會抑制到一些微生物種群，改變了微生物群落結(jié)構(gòu)，引起微生物豐富度及多樣性指數(shù)的變化（Jaiswal et al.，2017）。豐富度指數(shù)表示被利用碳源的總數(shù)目，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)值越大，說明微生物種類多且分布均勻；AWCD值越大，表明微生物對碳源的利用活性越強，其活性越高，植株易感病的級別則越低。本研究表明，蕉園土壤微生物 AWCD值隨生物炭施用量的增加而增大，這可能是生物炭輸入蕉園土壤后，改變了土壤原有微生物的酸堿環(huán)境，進一步改善了土壤微生物群落的生境，增加了蕉園土壤中數(shù)量最多的細菌和放線菌數(shù)量，增大了微生物總量，從而使微生物對碳源的利用率隨之增強，因此土壤微生物的活性增大，這與其它研究結(jié)果相一致（周鳳等，2019）。不同比例的生物炭對 AWCD值的影響有差異，這與生物炭施用導致了土壤微生物數(shù)量的不同有關(guān)，從而影響了對碳源的利用能力，此結(jié)果與李航等（2016）的研究結(jié)論相似。施用香蕉莖葉生物炭，提高了蕉園土壤微生物群落的代謝活性，高施用量生物炭的作用效果更顯著。

本研究中，生物炭處理的豐富度及 Shannon-Wiener指數(shù)均大于 CK處理，豐富度、Shannon-Wiener指數(shù)間分別在C1處理與CK處理間無顯著差異。這可能與孢鐮刀菌和可培養(yǎng)真菌的數(shù)量有關(guān)，C1處理與CK處理的尖孢鐮刀菌和真菌數(shù)量均沒有達到顯著水平，反映了此時土壤中可能還有較多的尖孢鐮刀菌和可培養(yǎng)真菌存在，其活性還較強，為維持生長和繁殖其可能還會與細菌、放線菌、固氮菌等微生物競爭生長所需的碳源等養(yǎng)分和生境，從而引起其它微生物生長所需養(yǎng)分及空間的不足；另外，大量存在的真菌和尖孢鐮刀菌，也會衍生某類物質(zhì)，從而抑制其它微生物的生長（李航等，2016），導致土壤微生物多樣性的增加不明顯。而C3處理的豐富度及Shannon-Wiener指數(shù)均達到顯著水平，這可能與此時生物炭高施用量有關(guān)（3%），前人研究表明，高輸入量生物炭會引起土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性的顯著變化，改變土壤微生物需要的酸堿環(huán)境，對尖孢鐮刀菌和真菌等有害病菌的生長和繁殖有抑制作用，進而促進了細菌、放線菌、固氮菌等的生長（Huang et al.，2015）。因此，高施用量的香蕉莖葉生物炭對微生物種群數(shù)量的影響更明顯，尤其增加了細菌、放線菌、固氮菌等數(shù)量，可能是蕉園土壤微生物多樣性顯著提高的主要原因?？梢?，施用香蕉莖葉生物炭提高了香蕉土壤微生物的多樣性、豐富度以及利用碳源的能力，且高施用量（3%）生物炭處理的影響較顯著。這與王穎等（2019）的研究結(jié)果相類似，其認為生物炭輸入提高了土壤細菌群落的多樣性，3%比例鋸末生物炭的作用效果最佳。

3.4 施用生物炭對香蕉枯萎病發(fā)生的影響

Philipp et al.（2017）的研究表明，通過調(diào)節(jié)土壤微生物結(jié)構(gòu)的差異，可能是防控香蕉枯萎病的關(guān)鍵措施之一，土壤微生物群落多樣性及豐富度越高，代謝活性越強，防病效果越好，本研究結(jié)果與其結(jié)果相符。本研究結(jié)果表明，隨著香蕉莖葉生物炭施用量的增加，降低了香蕉的黃葉率、香蕉枯萎病發(fā)病率和病情指數(shù)，提高了香蕉枯萎病的防病效果，香蕉植株高度隨之升高，且高施用量C3（3%）的效果優(yōu)于低施用量（C1：1%；C2：2%）和對照，說明蕉園大田施用生物炭措施，能有效的抑制香蕉枯萎病的發(fā)生。本研究中，伴隨細菌、放線菌和固氮菌數(shù)量的增加，降低了真菌和尖孢鐮刀菌的數(shù)量，而真菌和尖孢鐮刀菌的數(shù)量降低則會減小枯萎病病菌的發(fā)病率。土壤固氮微生物的固氮作用，可以提高土壤中的氮素含量，固氮菌數(shù)量的增加有利于促進香蕉苗的生長。同時，提高了土壤微生物活性及多樣性，并且細菌、放線菌、固氮菌、微生物的 AWCD值、豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)均分別與黃葉率、發(fā)病率、病情指數(shù)呈負相關(guān)，表明香蕉枯萎病的發(fā)生與這些指數(shù)密切關(guān)聯(lián)。

前人研究結(jié)果表明，生物炭疏松多孔，施入土壤后可改善土壤結(jié)構(gòu)（張祥等，2013；房彬等，2014；郭艷亮等，2015；蔣惠等，2017），可為有益微生物提供良好生態(tài)環(huán)境（丁艷麗等，2013；程揚等，2018）。本研究中，土壤理化性質(zhì)與大部分土壤酶、土壤微生物數(shù)量、土壤微生物多樣性及代謝活性、香蕉枯萎病相關(guān)指標等之間具有顯著或極顯著的相關(guān)關(guān)系，這表明香蕉莖葉生物炭通過對土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性等的改善作用，調(diào)節(jié)了不同微生物數(shù)量的大小比例關(guān)系，給有益微生物（細菌、放線菌和固氮菌）提供了適宜生長的生長環(huán)境，優(yōu)化了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，進一步支持了生物炭對土傳病害的防治有一定積極效果的結(jié)論（Shi et al.，2017）。

秸稈制備生物炭輸入土壤，既能提高土壤肥力和肥料利用效率，又可以增加作物產(chǎn)量，有利于農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的改良，促進了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展（王典等，2012）。中國是香蕉種植大國，每年產(chǎn)生大量的香蕉莖葉廢棄物，將香蕉莖葉廢棄物制備成生物炭，并將其就地還田，將有利于其資源化利用。土壤質(zhì)量是土壤物理、化學性質(zhì)和生物學特性等的綜合反映，香蕉枯萎病發(fā)病率的降低，與香蕉莖葉生物炭施用后蕉園土壤理化性質(zhì)的改善，酶活性的提高，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等的優(yōu)化以及三者間的相互作用密切相關(guān)。香蕉莖葉生物炭對蕉園土壤性狀、香蕉枯萎病的持續(xù)調(diào)控效應(yīng)及其內(nèi)在的分子微生物驅(qū)動機制，微生物與香蕉植株抗病性的關(guān)系，還需要在后續(xù)試驗中深入研究。

4 結(jié)論

（1）施用香蕉莖葉生物炭，增加了蕉園土壤中細菌、放線菌和固氮菌的數(shù)量，降低了與枯萎病傳染相關(guān)聯(lián)的真菌和尖孢鐮刀菌的數(shù)量，增加了土壤微生物多樣性，提高了蕉園土壤微生物群落的代謝活性；增加了香蕉植株高度，降低了黃葉率、香蕉枯萎病發(fā)病率和病情指數(shù)，增強了香蕉枯萎病防病效果指數(shù)，對香蕉枯萎病的發(fā)生具有良好的防控效果。

（2）施用香蕉莖葉生物炭對蕉園土壤理化性質(zhì)有顯著影響，改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀和速效氮等養(yǎng)分含量，促進了蕉園土壤的培肥效應(yīng)，對蕉園酸化土壤有積極的正效應(yīng)和一定的改良效果，提高了土壤質(zhì)量。

（3）施用香蕉莖葉生物炭引起了土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性、微生物數(shù)量及微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，是對香蕉枯萎病產(chǎn)生防控效果的重要原因。在蕉園0—20 cm土層，生物炭輸入量在3%時，對土壤質(zhì)量的提升和香蕉枯萎病的防控效果較好。香蕉莖葉生物炭可作為香蕉莖葉廢棄物資源化利用的有效途徑。