生物質(zhì)炭對(duì)連作參地土壤肥力及微生物特性的影響

楊 莉 勾 穎 文子偉 劉宇航 潘根興 楊利民,*

(1 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)省部共建生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)管理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，吉林 長(zhǎng)春 130118；2 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所，江蘇 南京 210014)

人參主產(chǎn)于我國(guó)東北林區(qū)，是我國(guó)根類藥材中最具代表性的忌連作植物，其忌連作年限長(zhǎng)達(dá)10～30年[1]。目前人參嚴(yán)重的忌連作現(xiàn)象與道地產(chǎn)區(qū)宜參土地資源的不斷減少已成為影響人參產(chǎn)業(yè)發(fā)展、保障市場(chǎng)供給的重要阻礙。針對(duì)以上問題的解決辦法已在業(yè)界達(dá)成共識(shí)，即提升老參地再利用率[1]。栽培過人參的土地稱為老參地，與未栽種過人參的土壤相比，老參地土壤的比重、容重更大，總孔隙度更小，隨著栽參年限的延長(zhǎng)，土壤會(huì)出現(xiàn)板結(jié)，通氣、透水性能下降，養(yǎng)分含量降低，微生物群落失調(diào)等問題[2-3]。連作人參則會(huì)出現(xiàn)根系活力、抗病能力降低，燒須、爛根、土傳病害高發(fā)等癥狀，進(jìn)而大面積減產(chǎn)甚至絕收[4]。為縮短老參地忌連作年限，學(xué)者們開展了廣泛的嘗試，如施用生物有機(jī)肥、生物菌劑、土壤滅菌等[5-6]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)老參地問題與人參-根際土壤微生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)諸多因素密切相關(guān)，單一的方法或技術(shù)并不能解決所有問題[7-8]，參地土壤的修復(fù)、改良還需要不斷探索新方法、耦合新技術(shù)，并且新技術(shù)的突破重點(diǎn)應(yīng)在于平衡老參地土壤養(yǎng)分供給及改善微生物群落結(jié)構(gòu)等方面[4, 9]。

生物質(zhì)炭是一種新型土壤改良劑。目前已積累了較多應(yīng)用生物質(zhì)炭改良大田作物土壤的成功經(jīng)驗(yàn)，研究認(rèn)為這與生物質(zhì)炭具有良好的土壤環(huán)境修復(fù)與調(diào)節(jié)作用有關(guān)[10-12]，如降低土壤酸度與有害物質(zhì)活度、提高土壤團(tuán)聚性、增加田間持水量、減少養(yǎng)分淋失等[13]。生物質(zhì)炭疏松多孔的結(jié)構(gòu)還可為根際有益微生物提供良好的生存環(huán)境，有利于恢復(fù)并重建健康根際生態(tài)系統(tǒng)[14]，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的良性循環(huán)。綜合上述分析，生物質(zhì)炭的優(yōu)勢(shì)與老參地土壤修復(fù)需求高度吻合，但目前有關(guān)應(yīng)用生物質(zhì)炭改良、修復(fù)老參地土壤的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。因此，本試驗(yàn)研究3種原料的生物質(zhì)炭(玉米秸稈炭、稻殼炭和椰殼炭)對(duì)老參地土壤肥力及微生物群落的影響，探討生物質(zhì)炭對(duì)老參地土壤的修復(fù)效果，旨在為生物質(zhì)炭在人參栽培土壤中的開發(fā)應(yīng)用，以及逐步構(gòu)建老參地土壤原位修復(fù)、養(yǎng)護(hù)技術(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

老參地土壤改良試驗(yàn)地設(shè)置在吉林省白山市灣溝鎮(zhèn)平川村(海拔719 m；126°23′～127°11′E，41°48′～42°13′N), 土壤前茬植物為人參(三年生)。起參后翻耕2～3次，深度30～40 cm，每次間隔7～10 d，翻耕過程中將遺漏的參根、雜草等清除，最后一次翻耕時(shí)施入枯草芽孢桿菌(100億CFU·g-1，美國(guó)拜沃股份有限公司)，施入量100 g·667m-2。試驗(yàn)地土壤基本性質(zhì)如下：有機(jī)質(zhì)含量38.45 g·kg-1、堿解氮83.24 mg·kg-1、有效磷34.79 mg·kg-1、速效鉀160.03 mg·kg-1、pH值5.06、土壤電導(dǎo)率(soil electric conductivity, EC)48.35 μs·cm-1。

試驗(yàn)于2017—2019年在平川村老參地進(jìn)行，共設(shè)置5個(gè)處理，分別為老參地(CK)、老參地+玉米秸稈炭(YMT)、老參地+稻殼炭(DKT)、老參地+椰子殼炭(YKT)和新林土處理(來源于參地周圍未開發(fā)種植過的林區(qū))。具體施入方法：將3種生物質(zhì)炭(購(gòu)自南京三聚生物質(zhì)新材料科技有限公司，基本性質(zhì)見表1)按15 kg·10m-2施用量施入土壤中，小區(qū)面積為10 m2，每處理3次重復(fù)，深翻混勻后以不添加生物質(zhì)炭的老參地為對(duì)照(CK)。自然放置一個(gè)冬季，于翌年5月起壟，播種人參種子，主要的田間管理為每年進(jìn)行3～5次松土，清除雜草，培土扶苗。于2019年9月取出部分人參及土壤樣品，測(cè)定兩年生人參根長(zhǎng)、根重、皂苷含量及土壤理化性質(zhì)等指標(biāo)。

表1 3種生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of 3 kinds of biochar

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 人參皂苷含量測(cè)定 人參樣品取回后用流水洗凈，濾紙吸干水分后采用游標(biāo)卡尺量取根長(zhǎng)。然后將樣品放于烘箱中低溫烘干至恒重，精密稱定人參樣品根干重后粉碎過篩并保存。采用高效液相色譜法(high performance liquid chromatography, HPLC)測(cè)定11種人參單體皂苷含量。總皂苷含量為各單體皂苷含量之和，具體測(cè)定方法參考文獻(xiàn)[15]。

1.2.2 土壤理化性質(zhì) 土壤pH值采用雷磁pHS-3c型pH計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)測(cè)定，土水比為1∶5(v/w)；土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀法測(cè)定；速效鉀含量采用乙酸銨浸提原子吸收法測(cè)定；堿解氮含量采用培養(yǎng)皿擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷含量采用鹽酸硫酸浸提法測(cè)定。具體步驟參見《土壤農(nóng)化分析》[16]。

1.2.3 土壤微生物功能多樣性 采用Biolog-Eco微平板法，每孔的平均顏色變化率(average well color development,AWCD)=∑(Ci-Ri)/n。其中，Ci為ECO板每個(gè)孔對(duì)應(yīng)的吸光度值，Ri為對(duì)照,n=31(培養(yǎng)的孔數(shù))。

1.2.4 土壤微生物結(jié)構(gòu)多樣性 采用E.Z.N.ATM Mag-Bind Soil DNA Kit試劑盒(美國(guó)，Omega)提取細(xì)菌總DNA， Qubit3.0 DNA檢測(cè)試劑盒(馬來西亞，Thermofisher)精確定量DNA濃度，瓊脂糖凝膠檢測(cè)DNA完整性。

PCR擴(kuò)增及DNA純化回收：引物為融合了MiSeq測(cè)序平臺(tái)的V3-V4通用引物[341F引物：C C C T A C A C G A C G C T C T T C C G A T C TG (barcode) C C T A C G G G N G G C W G C AG；805R引物：G A C T G G A G T T C C T T G G C A C C C G A G A A T T C C A G A C T A C H V G G G T A T C T A A T CC]。擴(kuò)增條件：94℃預(yù)變性3 min；94℃變性30 s，45℃退火20 s，65℃延伸30 s，5個(gè)循環(huán)；94℃延伸20 s，55℃退火20 s，72℃延伸30 s，20個(gè)循環(huán)。PCR擴(kuò)增結(jié)束后，將純化質(zhì)檢合格的擴(kuò)增產(chǎn)物1∶1(w/w)等量混合，利用MiSeq臺(tái)式測(cè)序儀(美國(guó)Illumina公司)進(jìn)行雙端測(cè)序。

16SrRNA V3-V4區(qū)高通量測(cè)序：由上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司完成，對(duì)于MiSeq雙端測(cè)序數(shù)據(jù)，首先根據(jù)PE reads之間overlap的關(guān)系，利用PEAR軟件將成對(duì)reads拼接成一條序列，采用cutadapt軟件去除原始序列3′端測(cè)序接頭后根據(jù)barcode區(qū)分樣本序列，并利用Prinseq軟件對(duì)各樣本序列進(jìn)行質(zhì)控和過濾，得到各樣本數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Office 2016、SPSS 22.0軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Duncan 多重比較法進(jìn)行差異顯著性分析，P<0.05表示具有顯著差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭對(duì)連作人參產(chǎn)量與質(zhì)量的影響

由表2可知，生物質(zhì)炭處理后兩年生人參根重、根長(zhǎng)顯著高于老參地處理，分別平均增加了384.91%和65.56%，對(duì)根重、根長(zhǎng)促進(jìn)效果最佳的處理分別為玉米秸稈炭、椰殼炭。人參皂苷PPD(protopanaxadiol)、PPT(protopanaxatriol)分別為11種單體皂苷中二醇型與三醇型皂苷之和，3種單體皂苷Rg1、Re、Rb1為《中國(guó)藥典》[17]規(guī)定指標(biāo)，在皂苷類物質(zhì)中占比較高。分析生物質(zhì)炭處理后人參樣品皂苷含量差異可見，其人參總皂苷、PPD和PPT含量均高于老參地處理，平均上升了0.09、0.08、0.03個(gè)百分點(diǎn)。單體皂苷中除Rg1外，Re、Rb1含量表現(xiàn)為部分生物質(zhì)炭處理低于老參地。綜上，生物質(zhì)炭有利于重茬參苗產(chǎn)量與品質(zhì)的提升，對(duì)產(chǎn)量的促進(jìn)作用大于品質(zhì)。

表2 連作人參種苗質(zhì)量分析Table 2 Quality analysis of ginseng seedlings

2.2 生物質(zhì)炭對(duì)連作參地土壤肥力的影響

由表3可知，增施生物質(zhì)炭后，土壤堿解氮、速效鉀、pH值、陽離子交換量(cation exchange capacity, CEC)存在一定波動(dòng)，但土壤有效磷和有機(jī)碳含量均表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，增幅分別為47.04%～237.73%、8.09%～38.71%，表明添加生物質(zhì)炭有助于提升老參地土壤有效磷、有機(jī)碳含量。對(duì)比3種炭材料的改善效果發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈炭、稻殼炭、椰殼炭處理下分別有4、5、3項(xiàng)土壤肥力指標(biāo)高于老參地處理，平均增幅分別為17.29%、47.66%、97.07%。總體看來，施用稻殼炭對(duì)老參地土壤的改良作用優(yōu)于其他2種生物質(zhì)炭材料。

2.3 連作老參地土壤微生物代謝活性及碳源利用特征分析

采用Biolog-Eco平板法分析各處理下土壤微生物代謝活性，結(jié)果如圖1所示。各樣品AWCD值變化均呈“S”型，24 h內(nèi)顏色變化不明顯，24～48 h后進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，168 h后生長(zhǎng)趨勢(shì)減緩。4個(gè)處理中，老參地AWCD值始終低于各生物質(zhì)炭處理，以玉米秸稈炭、稻殼炭處理AWCD值最高，表明生物質(zhì)炭處理后土壤微生物對(duì)底物碳源的利用能力增強(qiáng)?？傮w看來，144～168 h時(shí)微生物生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期，且各處理間存在一定差異，因此選用168 h處AWCD值進(jìn)行分析。

表3 生物質(zhì)炭處理對(duì)老參地土壤肥力的影響Table 3 Effect of biochar treatment on physical and chemical properties of replanted soil of ginseng

圖1 各處理下土壤微生物群落AWCD值變化Fig.1 Variation in AWCD of soil microbial community in different treatments

Biolog-Eco平板上含31種碳源，可分為6類。不同處理下土壤微生物對(duì)該6類碳源的利用情況如圖2所示。老參地土壤微生物偏好碳源排序?yàn)榫酆衔镱?、羧酸類、氨基酸類、碳水化合物類，?jīng)生物質(zhì)炭處理后土壤微生物表現(xiàn)為對(duì)聚合物類、酚酸類、氨基酸類、羧酸類碳源利用效率較高，其中稻殼炭處理下上述4類碳源利用率分別增加了336.99%、499.64%、330.41%、208.27%；玉米秸稈炭、椰殼炭處理下分別增加了287.30%、676.39%、295.76%、229.22%，60.39%、136.02%、125.42%、57.36%。稻殼炭與玉米秸稈炭處理后大部分碳源利用率與老參地差異顯著，表明生物質(zhì)炭處理后土壤微生物碳源利用能力增強(qiáng)且偏好碳源有所改變，以酚酸類物質(zhì)為底物的功能微生物種群數(shù)量得到了提升。

圖2 不同處理下土壤微生物碳源利用特征Fig.2 Characteristics of soil microbial carbon source utilization under different treatments

2.4 連作參地土壤微生物碳代謝的主成分分析

基于土壤微生物對(duì)31種碳源利用程度的差異，對(duì)不同土壤處理進(jìn)行主成分分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同生物質(zhì)炭處理后老參地土壤微生物群落功能差異明顯(圖3)，PC1和PC2累計(jì)貢獻(xiàn)率為86.61%，可解釋大部分變異，椰殼炭與老參地分別落在第二、第三象限，二者因子得分距離較小，表明二者碳源的利用情況相似度較高，玉米秸稈炭和稻殼炭分別落在第一、第四象限，與老參地差異較大。3種生物質(zhì)炭中，椰殼炭處理受PC1上主要碳源影響較大，稻殼炭受PC2上碳源影響較大，玉米秸稈炭同時(shí)受PC1和PC2上碳源影響。

圖3 生物質(zhì)炭處理下土壤微生物碳代謝主成分分析Fig.3 Principal component analysis of carbon source metabolism pattern under different treatments

分析PC1、PC2上的優(yōu)勢(shì)碳源，結(jié)果如表4所示。以|r|>0.8計(jì)，31種碳源中共有13種對(duì)PC1貢獻(xiàn)較大，分別是碳水化合物5種、氨基酸3種、羧酸2種、聚合物2種、酚酸1種；對(duì)PC2貢獻(xiàn)較大的碳源共有5種，包括聚合物2種，碳水化合物、氨基酸、羧酸各1種。綜合分析，碳水類、氨基酸類及聚合物類為不同生物質(zhì)炭處理下對(duì)土壤微生物群落代謝特征起分異作用的主要碳源類型。N-乙?；?D-葡萄胺、葡萄糖-1-磷酸鹽、L-天冬酰胺酸與α-環(huán)狀糊精在PC1 和PC2 上的載荷值均大于0.5，為最敏感的碳源。

表4 31種碳源的主成分載荷因子Table 4 Loading factors of principle components of 31 carbon sources

2.5 連作老參地土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)豐度與多樣性

采用高通量測(cè)序分析生物質(zhì)炭處理后土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果如表5所示。與新林土相比，老參地物種數(shù)(operational taxonomi unit, OTU)、豐度(ACE指數(shù)、Chao1指數(shù))、多樣性(Shannon指數(shù))均呈下降趨勢(shì)。采用生物質(zhì)炭對(duì)老參地進(jìn)行改良后上述指標(biāo)均有所上升，其中Chao1指數(shù)與ACE指數(shù)增幅最大，平均增幅分別達(dá)到25.05%、19.10%，表明生物質(zhì)炭處理有助于老參地土壤中細(xì)菌物種豐度及多樣性恢復(fù)，其中玉米秸稈炭及稻殼炭對(duì)上述指標(biāo)影響較大。

2.6 連作老參地土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征

分析不同土壤樣品中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)門類比例變化(表6)，結(jié)果表明，新林土中優(yōu)勢(shì)門類(占比>10%)為變形菌門、放線菌門、酸桿菌門、疣微菌門4門，其OTUs 所占比例為 OTUs 總量的76.75%以上；老參地中優(yōu)勢(shì)門類數(shù)量下降為2門，為變形菌門與放線菌門，其OTUs占比為65.39%，較新林土中二者占比增加了21.67個(gè)百分點(diǎn)；生物質(zhì)炭處理后上述優(yōu)勢(shì)門類比例(54.51%～65.39%)有所下降。其次，5個(gè)樣品中共檢測(cè)到27個(gè)細(xì)菌門，共有門類21個(gè)，新林土門類最豐富(26個(gè))，與新林土相比，老參地土壤中3個(gè)細(xì)菌門消失(Fibrobacteres絲狀桿菌門，Elusimicrobia迷蹤菌門、Hydrogenedentes)，增加了1個(gè)細(xì)菌門(Fusobacteria梭桿菌門)。添加生物質(zhì)炭后，僅稻殼炭處理下迷蹤菌門細(xì)菌數(shù)量有所恢復(fù)，其他消失細(xì)菌門類未檢測(cè)到OTU數(shù)據(jù)。

表5 不同處理下土壤細(xì)菌豐度與多樣性指數(shù)Table 5 Soil bacteria abundace and diversity indices of different treatments

與新林土相比，老參地中變形菌門、放線菌門、厚壁菌門、綠彎菌門、擬桿菌門、Candidatus Saccharibacteria、Parcubacteria、Candidate division WPS-2中OTUs增加(增加比例1.84%～1 348.88%)，增幅最大的為Candidatus Saccharibacteria、厚壁菌門；OTUs下降的門類包括酸桿菌門、疣微菌門、芽單胞菌門、浮霉菌門、Chlamydiae、Candidate division WPS-1、unclassified，下降比例45.10%～88.10%，降幅最大的為Candidate division WPS-1和疣微菌門。3種生物質(zhì)炭對(duì)老參地土壤中變形菌門、疣微菌門、芽單胞菌門、厚壁菌門、Candidate division WPS-1、unclassified菌種豐度變化均具有調(diào)節(jié)作用，使其數(shù)量變化趨勢(shì)趨向于新林土。上述分析表明老參地土壤微生物群落出現(xiàn)種群?jiǎn)我换蝺?yōu)勢(shì)種群上升的特點(diǎn)，而生物質(zhì)炭對(duì)上述變化趨勢(shì)具有一定的調(diào)節(jié)作用。

表6 添加生物質(zhì)炭對(duì)連作參地土壤細(xì)菌群落門類的影響Table 6 Effect of biochar treatment on bacterial community phylum changes of replanted ginseng soil

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭對(duì)人參產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的影響

根是人參主要的入藥部位，根重的累積量與Logistic增長(zhǎng)曲線類似，一年至兩年生人參種苗的根重增加緩慢，優(yōu)質(zhì)兩年生人參種苗約為4～5 g[18]。有報(bào)道顯示采用老參地栽培重茬人參，參根的生物量累積速度會(huì)顯著下降，其單產(chǎn)僅為正茬人參的4.3%～14.2%[19-20]。本研究結(jié)果與之類似，老參地栽培的兩年生重茬人參病害高發(fā)，掉苗嚴(yán)重，剩余人參種苗生長(zhǎng)受阻，參根均重僅為0.5 g，遠(yuǎn)低于正茬優(yōu)質(zhì)種苗，表明老參地土壤不可直接用于人參重茬種植。將不同類型生物質(zhì)炭用于老參地土壤修復(fù)后，兩年生重茬人參參根重量達(dá)到1.92～3.30 g，平均提升384.91%，說明生物質(zhì)炭處理有助于提高重茬人參生物量。

土壤肥力是土壤的本質(zhì)屬性，是保障藥用植物生產(chǎn)的根本，直接影響藥材的產(chǎn)量與品質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，野山參生長(zhǎng)土壤的有機(jī)質(zhì)、有效磷、有效鉀含量高，有利于増加土壤團(tuán)聚體含量，提高植物抗病能力，滿足其多年生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的需求[21]。隨著栽培年限增加，農(nóng)田栽參土壤的有機(jī)質(zhì)、全磷等礦質(zhì)元素不斷下降，與野山參土壤肥力差異顯著[22]。研究認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)與多種土壤指標(biāo)間存在相關(guān)性，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，可顯著提升人參產(chǎn)量并改善品質(zhì)[23]，磷與人參總皂苷、根重、根徑均具有顯著的正相關(guān)關(guān)系[24]，二者是影響人參產(chǎn)量與品質(zhì)的關(guān)鍵土壤因子，也是老參地土壤質(zhì)量恢復(fù)的重要指標(biāo)。本研究中，生物質(zhì)炭處理穩(wěn)定提升了土壤中有效磷與有機(jī)碳含量，二者增幅分別為47.04%～237.73%、8.09%～38.71%，表明生物質(zhì)炭處理可能通過改善土壤中磷與有機(jī)碳的供給，提高參地土壤的供肥能力，從而促進(jìn)人參生物量增加。而土壤中有效磷與有機(jī)質(zhì)含量增加可能與生物質(zhì)炭本身含有豐富的有機(jī)質(zhì)及部分磷等養(yǎng)分元素有關(guān)[25-26]。也有研究認(rèn)為在酸性土壤上增施有機(jī)物, 有機(jī)物分解產(chǎn)生的有機(jī)酸和其他螯合劑能將部分固定態(tài)的磷釋放為可溶態(tài)，從而增加土壤中有效磷含量，同時(shí)有機(jī)酸與磷酸根競(jìng)爭(zhēng)固相表面專性吸附點(diǎn)位，減少了土壤對(duì)磷的吸附固定，也可促進(jìn)人參對(duì)有效磷的吸收[27-28]。

3.2 生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物代謝活性的影響

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在反映土壤質(zhì)量變化中起著重要的作用，其種類、數(shù)量與功能多樣性等受環(huán)境因子影響較大[29]。本研究顯示，增施生物質(zhì)炭后老參地土壤微生物活性顯著增加，表明生物質(zhì)炭可促進(jìn)土壤微生物活性，這與高文翠等[30]的研究結(jié)果一致。原因可能與生物質(zhì)炭含有的營(yíng)養(yǎng)成分有關(guān)，施入土壤后可為微生物提供能量，促進(jìn)微生物生長(zhǎng)。研究認(rèn)為，根區(qū)土壤微生物對(duì)氨基酸類、碳水化合物類、羧酸類、酚酸類、胺類等碳源的利用能力越強(qiáng)，土傳病害越輕[31]，說明增施生物質(zhì)炭有利于提高老參地土壤的抗病性。

從六大類碳源利用情況看，老參地土壤微生物偏好碳源為聚合物類、羧酸類、氨基酸類，經(jīng)生物質(zhì)炭處理后土壤微生物表現(xiàn)為對(duì)聚合物類、酚酸類、氨基酸類碳源利用效率較高，其中以酚酸類物質(zhì)為底物的功能微生物種群數(shù)量得到了顯著提升，這與生物質(zhì)炭對(duì)連作棉田根際土壤微生物功能結(jié)構(gòu)多樣性的影響結(jié)果類似[32]。有報(bào)道顯示，土壤微生物對(duì)酚酸類物質(zhì)利用程度與水稻化感作用變化呈顯著正相關(guān)，誘導(dǎo)以酚酸類物質(zhì)為碳源的微生物增加可提高水稻對(duì)稗草生長(zhǎng)的抑制[33]。綜合上述分析，增施生物質(zhì)炭可促進(jìn)土壤微生物活性，提高土壤中酚酸類碳源利用率，有助于提高重茬人參的抗逆能力，從而保證人參的正常生長(zhǎng)。

3.3 生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

據(jù)目前的研究，隨人參連作年限增加，土壤中細(xì)菌數(shù)量呈減少趨勢(shì)，土壤由細(xì)菌型向真菌型轉(zhuǎn)變[34]。本研究采用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)比了新林土與老參地中細(xì)菌物種數(shù)量變化后也有類似發(fā)現(xiàn)，即老參地中物種數(shù)、豐度、多樣性均呈下降趨勢(shì)。采用3種不同生物質(zhì)炭改良后上述指標(biāo)均有所增加，表明生物質(zhì)炭處理后老參地土壤細(xì)菌物種豐度及多樣性有所恢復(fù)。這可能與生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，其豐富的孔隙可以為多種微生物提供棲息地和避難所，有助于微生物的生長(zhǎng)和增殖[35]。

一般而言，在細(xì)菌門級(jí)分類水平上，革蘭氏陽性菌屬于寡養(yǎng)型細(xì)菌，通常在貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境下占優(yōu)勢(shì)(K-策略型)，革蘭氏陰性菌屬于富養(yǎng)型細(xì)菌，通常在富營(yíng)養(yǎng)環(huán)境下生長(zhǎng)旺盛(R-策略型)。本研究中新林土中優(yōu)勢(shì)門類包括變形菌門、放線菌門、酸桿菌門、疣微菌門，其中變形菌門細(xì)菌為R-策略型，可以利用不穩(wěn)定碳源迅速生長(zhǎng)，其余3門細(xì)菌為K-策略型，主要利用難分解的碳源，如纖維素、半纖維素等[36]。經(jīng)過人參栽培后，新林土逐漸轉(zhuǎn)化為老參地，土壤中變形菌門、放線菌門細(xì)菌數(shù)量增加，而酸桿菌門、疣微菌門細(xì)菌數(shù)量劇烈下降。研究認(rèn)為老參地微生物群落的變化與人參根際分泌物的驅(qū)動(dòng)密切相關(guān)[37-38]。人參根系分泌物中包括碳水化合物、氨基酸和有機(jī)酸等，可引發(fā)多種反應(yīng)，參與塑造根際微生物組。其中某些特殊分泌物可直接吸引或排斥某類微生物，從而驅(qū)動(dòng)根際微生物組的建成[39]。新鮮的有機(jī)分泌物中富含多種可溶性有機(jī)碳(dissolved organic carbon，DOC)，輸入到土壤中可以刺激變形菌門細(xì)菌的活性，產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)而迅速增殖[40]。酸桿菌門是土壤微生物中的重要類群，多為嗜酸菌，適合在酸性環(huán)境中增殖，但生長(zhǎng)速度較慢[41]。研究發(fā)現(xiàn)，未被擾動(dòng)的森林土中酸桿菌門豐度最大，當(dāng)土壤營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化時(shí)，生長(zhǎng)較快的微生物將取代酸桿菌門，導(dǎo)致其豐度降低[42]。這也可能是老參地中酸桿菌門細(xì)菌數(shù)量降低的主要原因。疣微菌門可降解土壤中的頑固性有機(jī)物，有研究表明疣微菌門細(xì)菌豐度與土壤DOC 呈負(fù)相關(guān)[43]，也有研究認(rèn)為疣微菌門細(xì)菌豐度下降與土壤中N過量有關(guān)[44]。采用生物質(zhì)炭對(duì)老參地土壤進(jìn)行改良發(fā)現(xiàn)，3種生物質(zhì)炭對(duì)土壤細(xì)菌門級(jí)結(jié)構(gòu)影響不同，但均對(duì)變形菌門、疣微菌門、芽單胞菌門、厚壁菌門等菌種豐度變化具有調(diào)節(jié)作用，使其數(shù)量變化趨勢(shì)趨向于新林土。本試驗(yàn)中采用的3種生物質(zhì)炭來源于3種不同的原料(玉米秸稈、稻殼、椰殼)，但制備成生物質(zhì)炭后具有2個(gè)共同點(diǎn)，即pH值為堿性和含有大量有機(jī)質(zhì)。其中大量難分解的有機(jī)碳施入土壤中后可以稀釋DOC，使變形菌門細(xì)菌數(shù)量增加趨勢(shì)減緩，同時(shí)刺激疣微菌門細(xì)菌生長(zhǎng)。而芽單胞菌門豐度與土壤pH值呈正相關(guān)關(guān)系[45]，堿性的生物質(zhì)炭加入土壤中可提高土壤pH值，有助于芽單胞菌門細(xì)菌數(shù)量的增加。

綜上所述，生物質(zhì)炭可提升土壤有機(jī)質(zhì)與有效磷含量，促進(jìn)微生物對(duì)碳源的利用，增加土壤細(xì)菌豐度，調(diào)控細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)使其趨向于新林土的分布與比例，對(duì)老參地土壤體現(xiàn)出良好的修復(fù)、改良作用。但生物質(zhì)對(duì)上述指標(biāo)影響的程度、機(jī)理及指標(biāo)的響應(yīng)順序等問題還存在很多不確定性，究竟是由于生物質(zhì)炭先改良了土壤環(huán)境，進(jìn)而刺激了微生物多樣性，還是生物質(zhì)炭首先刺激了對(duì)環(huán)境敏感的微生物活性，而后推動(dòng)了土壤質(zhì)量的持續(xù)改良[46]，亦或是二者同時(shí)進(jìn)行，尚未有明確的結(jié)論，需要更多的研究加以說明。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭可促進(jìn)兩年生連作人參生物量與總皂苷含量增加，改善老參地土壤中速效磷與有機(jī)質(zhì)的養(yǎng)分供應(yīng)，提升土壤微生物代謝活性及對(duì)酚酸類碳源的利用程度。增施生物質(zhì)炭后，老參地土壤細(xì)菌的物種豐度、多樣性指數(shù)與物種數(shù)量均呈趨向于新林土的變化趨勢(shì)。適量增施生物質(zhì)炭有利于老參地土壤質(zhì)量的調(diào)節(jié)與恢復(fù)。