生物質(zhì)炭和AM真菌聯(lián)合施用對連作甜瓜生長和土壤理化性質(zhì)的影響

王策 郭紹霞 劉潤進 程斐 李平 黃婷婷 李敏

摘? ? 要：為了探究生物質(zhì)炭和叢枝菌根（arbuscular mycorrhizal，AM）真菌對連作甜瓜生長的影響，試驗設接種或不接種AM真菌并施用0、1%、2%和4%的生物質(zhì)炭，共8個處理，測定甜瓜的生長生理指標和土壤理化性質(zhì)。結(jié)果表明，單施用或單接種處理均能提高甜瓜的生長指標。而接種AM真菌并施用生物質(zhì)炭，能顯著增加土壤中細菌和放線菌的數(shù)量，提高土壤酶活性，提高甜瓜葉片的凈光合速率，從而促進甜瓜植株的生長發(fā)育，其中以接種AM真菌加施用2%～4%生物質(zhì)炭的效果最好，地上部鮮質(zhì)量分別比對照增加了55.11%和66.09%;地下部鮮質(zhì)量分別比對照增加了32.98%和43.62%;根長分別比對照增加了57.73%和78.78%。綜上所述，接種AM真菌和/或施用生物質(zhì)炭均可以促進甜瓜的生長并改善土壤環(huán)境，接種AM真菌并配合施用2%～4%生物質(zhì)炭最為經(jīng)濟合理。

關(guān)鍵詞：甜瓜;AM真菌;生物質(zhì)炭;生理指標;連作;土壤理化性質(zhì)

中圖分類號：S652 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2021）07-029-06

Effects of biochar and AMF on muskmelon growth and soil physicochemical properties of continuous cropping soil

WANG Ce1，2， GUO Shaoxia1， LIU Runjin1， CHENG Fei2， LI Ping3， HUANG Tingting3， LI Min1，2

（1. Institute of Mycorrhizal Biotechnology， Qingdao Agricultural University， Qingdao 266109， Shandong， China; 2. College of Horticulture， Qingdao Agricultural University， Qingdao 266109， Shandong， China; 3. Qingdao Academy of Agricultural Sciences， Qingdao 266109， Shandong， China）

Abstract： In order to investigate the effects of biochar and arbuscular mycorrhizal （AM） fungi on the growth of continuous cropping melon， 8 treatments were designed with or without AM fungi inoculation and added 0%， 1%， 2% and 4% biochar. The results showed that single application biochar or single inoculation with AM fungi can improve the growth index of melon. However， inoculation with AM fungi combined with biochar can significantly increase the number of bacteria and actinomycetes in the soil， improve the soil enzyme activity， and improve the net photosynthetic rate of melon leaves， so as to promote the growth and development of melon plants， among which the inoculation combined with 2%-4% biochar has the best effect， and the shoot fresh weight increased by 55.11% and 66.09% compared with the control. The root fresh weight increased by 32.98% and 43.62% compared with the control. The root length increased by 57.73% and 78.78% compared with the control. It is concluded that inoculation with AM fungi and/or application of biochar can promote the growth of melon and improve the soil environment， and the most economical and reasonable was inoculation with AM fungi combined with 2%-4% biochar.

Key words： Muskmelon; Arbuscular mycorrhizal fungi; Biochar; Physiological properties; Continuous cropping; Soil physical and chemical properties

甜瓜（Cucumis melo）在中國各地廣泛栽培，是中國最早利用為果品的瓜類，具有較大的經(jīng)濟效益。但由于近年來連年種植甜瓜甚至是種植單一品種，導致土傳病害經(jīng)常發(fā)生，連作障礙對甜瓜產(chǎn)量與品質(zhì)造成嚴重影響，已成為制約甜瓜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1]。因此，如何保證甜瓜的優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)已成為甜瓜生產(chǎn)中亟待解決的問題。

生物質(zhì)炭（Biochar）擁有巨大的表面積且孔道多，這種特性使其能夠改良土壤的理化性質(zhì)[2]。研究表明，生物質(zhì)炭可以調(diào)節(jié)土壤pH，增加田間持水量，增加土壤中大團聚體的比例，提高土壤團聚體穩(wěn)定性[3]。同時這種特性也能提高土壤的保肥性，增加土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的含量，尤其是碳、磷含量[4]。促進特殊類群土壤微生物的生長棲息，為土壤微生物提供良好的生活環(huán)境[5]，進而改變土壤的微觀結(jié)構(gòu)與微生態(tài)，引起所有與之相關(guān)因素的變化，增加土壤中細菌、放線菌的豐度[6]。陳沖等[7]研究結(jié)果表明，不同施肥處理均可在不同程度上提高土壤酶活性，其中以施用生物質(zhì)炭效果最為顯著。

叢枝菌根（arbuscular mycorrhizal，AM）真菌是一種廣泛存在于農(nóng)業(yè)中的土壤真菌，可與大多數(shù)植物結(jié)合形成共生體[8]。AM真菌與寄主植物的根結(jié)合，增加側(cè)根和不定根的數(shù)量，進一步增強根系吸收水分和養(yǎng)分的能力，增強植物抗性并改善植物生長發(fā)育狀況[9]。AM真菌可顯著增強植株光合作用，并促進植株的生長。已有研究表明，接種AM真菌可調(diào)節(jié)植株中的內(nèi)源激素含量，還能夠改變植物根部周圍土壤的理化性質(zhì)[10]，平衡菌落結(jié)構(gòu)，提高土壤酶活性[11]，增加有益微生物的含量[12]。AM真菌共生還有助于促進植物生長和保護植物免受各種環(huán)境脅迫[13]。

目前，生物質(zhì)炭作為土壤改良制劑已得到廣泛應用，AM真菌和生物質(zhì)炭聯(lián)合以緩解西瓜、辣椒作物的連作障礙已有相應的研究報道[14-15]，但兩者聯(lián)合緩解甜瓜連作障礙還未見報道。因此，筆者將AM真菌與生物質(zhì)炭相結(jié)合，通過測定甜瓜苗的生長生理指標和土壤理化性質(zhì)，以期探究AM真菌和生物質(zhì)炭對緩解甜瓜連作障礙的效應及可能機制，為AM真菌和生物質(zhì)炭應用于甜瓜生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

供試AM菌劑：變形球囊霉（Glomus versiforme），由青島農(nóng)業(yè)大學菌根生物技術(shù)研究所繁育，以保存于玉米和三葉草根系中的孢子、菌根根段和沙子等混合物作為接種菌劑。供試生物質(zhì)炭：原材料為秸稈炭，由北京三聚環(huán)保新材料股份有限公司提供。供試甜瓜品種：華創(chuàng)皇冠，由安業(yè)園藝科技有限公司提供。連作土壤：濰坊市青州市譚坊鎮(zhèn)連作3年的甜瓜大棚土壤。盆栽容器花盆內(nèi)緣直徑為23.50 cm，高度為18.50 cm。

1.2 試驗設計

試驗依據(jù)生物質(zhì)炭占土壤質(zhì)量比可分為不施用生物質(zhì)炭（CK）、1%生物質(zhì)炭添加量（C1）、2%生物質(zhì)炭添加量（C2）、4%生物質(zhì)炭添加量（C3）4個水平，將以上生物質(zhì)炭與連作甜瓜土壤充分混勻作為栽培用土。只接種AM真菌且不施用生物質(zhì)炭的處理為M，只添加生物質(zhì)炭不接種AM真菌的處理用C-M表示，在各生物質(zhì)炭添加量水平下分別接種AM真菌的處理用C+M表示，共計8個處理，即CK、C1-M、C2-M、C3-M、M、C1+M、C2+M、C3+M。每個處理5次重復，共40株。

1.3 方法

試驗于2018年3—6月在青島農(nóng)業(yè)大學生物樓頂?shù)娜展鉁厥覂?nèi)進行。3月15日，將催芽后的甜瓜播種于50孔穴盤中進行育苗，穴盤用75%酒精擦后晾干，每個孔中放入100 mL滅菌基質(zhì)（基質(zhì)為V草炭∶V蛭石∶V珍珠巖=2∶1∶1，高壓蒸汽滅菌，121 ℃ 2 h）。接種AM真菌的處理，每穴施入15 mL菌劑;不接種AM真菌的處理，每穴施入15 mL滅菌的菌劑及其濾液，以防菌劑中的其他物質(zhì)造成試驗誤差。甜瓜幼苗長到3葉1心時，隨機選取長勢一致的幼苗移栽至裝有連作3年甜瓜土壤的花盆中，采用常規(guī)方法進行日常管理，移栽30 d后，對甜瓜植株進行生長量、光合作用等相關(guān)指標的測定，同時對甜瓜及其根系周圍的土壤進行取樣與保存。

采用常規(guī)方法測定株高、莖粗、地上/地下部鮮質(zhì)量、根長等生長指標;采用英國PP Systems公司生產(chǎn)的CIRAS-3型便攜式光合測定儀測定光合指標;采用常規(guī)方法[16]測定相關(guān)土壤酶活性指標;采用稀釋涂布平板法[17]測定土壤微生物群落數(shù)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 11.5進行雙因素方差分析，采用DPS 7.05軟件進行顯著性分析（LSD法），采用Excel 2010版本進行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 AMF和生物質(zhì)炭對甜瓜生長量的影響

由表1可知，在未接種AM真菌條件下，隨著生物質(zhì)炭施用量增加，甜瓜莖粗、地上/地下部鮮質(zhì)量和根長均顯著增加;在接種AM真菌條件下，生物質(zhì)炭處理后甜瓜莖粗、地上/地下部鮮質(zhì)量和根長均顯著高于未施用生物質(zhì)炭處理。M處理甜瓜莖粗、地上部鮮質(zhì)量和根長均顯著高于CK。在施用2%生物質(zhì)炭條件下，C2+M處理甜瓜生長量除株高外，其他指標均顯著高于C2-M處理。在施用4%生物質(zhì)炭條件下，C3+M處理甜瓜生長量除地下部鮮質(zhì)量外，其他指標均顯著高于C3-M處理。其中，以C3+M處理甜瓜生長量最高，其株高、莖粗、地上/地下部鮮質(zhì)量和根長分別比CK增加了36.55%、53.33%、66.09%、43.62%和78.78%。顯著性檢驗表明，單施用生物質(zhì)炭對甜瓜莖粗、地上部鮮質(zhì)量、根長均有極顯著影響，對株高、地下部鮮質(zhì)量有顯著影響;單接種AM真菌對甜瓜所有生長指標有極顯著影響;而二者交互作用只對莖粗影響顯著，對其他各指標影響不顯著。

2.2 AMF和生物質(zhì)炭對甜瓜光合作用的影響

由表2可以看出，在未接種AM真菌條件下，C2-M、C3-M處理甜瓜葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度均顯著高于CK，其中以C3-M處理凈光合速率最高;在接種AM真菌條件下，C2+M、C3+M處理甜瓜葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度均顯著高于M處理。M處理甜瓜葉片氣孔導度顯著高于CK。在施用2%生物質(zhì)炭條件下，C2+M處理甜瓜葉片凈光合速率和蒸騰速率均顯著高于C2-M處理。在施用4%生物質(zhì)炭條件下，C3+M處理甜瓜葉片蒸騰速率顯著高于C3-M處理。其中，以C3+M處理的甜瓜葉片凈光合速率最高，比CK增加了167.81%。顯著性檢驗表明，單施用生物質(zhì)炭和單接種AM真菌對甜瓜的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度均有極顯著影響，兩者交互作用對各光合指標影響均不顯著。

2.3 AMF和生物質(zhì)炭對土壤酶活性的影響

由圖1可知，在未接種AM真菌條件下，施用生物質(zhì)炭的連作土壤中蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶活性均高于CK，且隨生物質(zhì)炭施用量的增加，酶活性逐漸增強;在接種AM真菌條件下，施用生物質(zhì)炭處理的土壤中蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶活性均高于M處理。相同生物質(zhì)炭施用量下接種AM真菌處理土壤酶活性高于未接種AM真菌處理。在各處理中，以C3+M處理土壤中蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶活性最高。

表3表明，單施用生物質(zhì)炭對土壤中蔗糖酶、脲酶活性均產(chǎn)生極顯著影響，單接種AM真菌對土壤中3種酶的活性均產(chǎn)生極顯著影響，而二者交互作用對土壤中3種酶的活性影響均不顯著。

2.4 AM真菌和生物質(zhì)炭對連作土壤微生物含量的影響

由圖2可以看出，土壤中細菌、放線菌數(shù)量均隨生物質(zhì)炭施用量升高而不斷增加，真菌數(shù)量隨生物質(zhì)炭施用量升高而不斷下降。在相同生物質(zhì)炭施用量下，接種AM真菌處理土壤中真菌數(shù)量顯著低于未接種處理，細菌、放線菌數(shù)量均顯著高于未接種處理。

接種AM真菌處理的菌根侵染率隨生物質(zhì)炭施用量增加而增高，且與未施用生物質(zhì)炭處理間存在顯著差異。其中，C3+M處理的菌根侵染率最高，且顯著高于其他生物質(zhì)炭水平下的侵染率。

由表3可知，單施用生物質(zhì)炭對土壤中三類微生物數(shù)量均產(chǎn)生極顯著影響，單接種AM真菌對土壤中細菌和真菌數(shù)量均產(chǎn)生極顯著影響，而二者交互作用對土壤中三類微生物數(shù)量的影響均不顯著。

3 討論與結(jié)論

光合作用作為植物體干物質(zhì)積累的直接來源，其對植物的生長有著直接的影響。凈光合速率和蒸騰速率是光合特征的重要參數(shù)。本試驗結(jié)果表明，在未接種AM真菌條件下，隨生物質(zhì)炭施用量增加，甜瓜葉片的凈光合速率逐漸增高。這可能是因為施用生物質(zhì)炭能增加土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的含量并提高土壤保水保肥的能力，從而改善植物的生長環(huán)境[18]。接種AM真菌后，甜瓜光合作用增強，其中以4%生物質(zhì)炭施用量并接種AM真菌處理的甜瓜光合作用效果最顯著。這可能是因為AM真菌可以促進植株對水、養(yǎng)分的吸收，增加植物體內(nèi)葉綠素的含量[19-20]。

土壤酶活性與土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的含量、微生物數(shù)量、土壤pH等密切相關(guān)[21]。本試驗結(jié)果表明，在未接種AM真菌條件下，隨生物質(zhì)炭施用量增加，土壤中蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶的活性逐漸增加，以4%生物質(zhì)炭施用量處理效果最顯著。這可能是因為生物質(zhì)炭較大的孔隙度和表面積增加了土壤孔隙度，調(diào)節(jié)了土壤pH，增加了土壤有機質(zhì)含量，改善了土壤酶的生活環(huán)境[22-23]。接種AM真菌后，土壤酶活性進一步提高，且以4%生物質(zhì)炭施用量并接種AM真菌處理的土壤酶活性最高。這可能是因為接種AM真菌能有效提高土壤有機質(zhì)含量、促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成、調(diào)節(jié)土壤的pH值[24]，從而改善土壤酶的生活環(huán)境。

本試驗結(jié)果表明，在未接種AM真菌條件下，隨生物質(zhì)炭施用量增加，細菌和放線菌的數(shù)量呈逐漸增加趨勢，真菌數(shù)量呈逐漸減少趨勢。這可能是因為添加生物質(zhì)炭可為土壤微生物提供棲息場所以及生長代謝所需的營養(yǎng)物質(zhì)[3]。接種AM真菌后，這種趨勢更加明顯，而且以接種配合施用4%生物質(zhì)炭處理的效果最為顯著。這可能是因為接種AM真菌可以與土壤中的有害菌產(chǎn)生拮抗效應，并與土壤中的有益菌產(chǎn)生協(xié)同效應共同對抗病原體，從而平衡菌落結(jié)構(gòu)[25-26]。

植物生長量能夠直觀反映植物的生長狀況。筆者在本研究中發(fā)現(xiàn)，單獨施用生物質(zhì)炭、單獨接種以及接種配合施用生物質(zhì)炭處理均能增加甜瓜植株的生長量。在施用生物質(zhì)炭而不接種條件下，隨生物質(zhì)炭施用量增加，對植物生長的促進效應也逐漸增強，這可能是因為施用生物質(zhì)炭增加了土壤肥力，增強了土壤酶活性，增加了根圍土壤有益菌的數(shù)量，從而改善了土壤環(huán)境，增強了植物光合作用，進一步促進植物的生長發(fā)育[27]。接種AM真菌后，甜瓜生長量進一步提高，這可能與AM真菌菌絲能與植物根系結(jié)合，形成共生體，在土壤中形成菌絲網(wǎng)，擴大根系的吸收面積，直接參與植物體內(nèi)的水分代謝活動[28]，促進植物對土壤中氮磷鉀的吸收[29]，并改善土壤理化性質(zhì)有關(guān)。

綜上所述，無論是單獨施用生物質(zhì)炭或單獨接種AM真菌均能夠減輕連作障礙并促進甜瓜生長，提高土壤酶活性，改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，且接種AM真菌和施用生物質(zhì)炭聯(lián)合效應顯著優(yōu)于單一處理。而在接種條件下，2%和4%生物質(zhì)炭施用量處理的效果優(yōu)于其他處理，且二者的凈光合速率以及土壤微生物數(shù)量等指標沒有顯著性差異。因此，可以認為，接種和/或施用生物質(zhì)炭均可以促進甜瓜的生長并改善土壤環(huán)境，接種AM真菌并配合施用2%～4%生物質(zhì)炭最為經(jīng)濟合理。

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