生物炭对不同种植年限土壤黄瓜生长及真菌丰度的影响

王雪玉，马建华，李 明，刘金泉，胡 云，田 勇

（内蒙古农业大学职业技术学院 内蒙古包头 014109）

在我国北方以玉米和小麦为主产区的黄河灌区一带，大部分玉米及小麦秸秆直接被丢弃、焚烧，而仅有少部分用来饲喂牲畜，这样就会造成大量资源被浪费，而且作物秸秆在焚烧过程中会产生大量的CO2，进一步加剧温室效应[1]。作物秸秆生物炭具有稳定的芳烃结构，且对土壤中生物的氧化抗性较强，是俘获CO2及碳封存的重要技术，已成为当今科学研究热点之一[2-4]。生物炭还具有较强的吸附性、吸湿性、稳定性以及碳负性等[5]，已被广泛应用于空气净化、污水处理以及土壤改良等领域。张伟明[6]等研究表明，生物炭能够改善土壤物理结构，并且促进种子萌发及根系生长。Lehmann等[7]研究表明，生物炭可以改变土壤微生物数量及微生物群落结构，不同添加量的生物炭能够提高豌豆根系的固氮量，并且能够增强根部真菌的繁殖能力。李发虎等[8]研究表明，土壤中施入 20～60 t·hm-2生物炭可不同程度改善日光温室黄瓜根际土壤有机质含量、提高真菌丰度。

真菌是土壤微生物的重要成员之一，在土壤生态系统能量流动和物质循环中起着至关重要的作用，同时在土壤中发挥着重要的分解作用。研究表明，青霉属（Penicillium）真菌能分解土壤中的纤维素、果胶、木质素、淀粉等物质[9]，接合菌门（Zygomycota）中的毛霉属（Mucor）、根霉属（Rhizopus）、被孢霉属(Mortierella)等真菌能分解土壤中的糖类和简单多糖物质[10]，而毛壳属(Chaetomium)、镰刀菌属（Fusarium）、木霉属（Trichoderma）等真菌能很好地分解土壤中的纤维素[11]。真菌容易降解生物炭中的顽固性碳，而且能够更好地在生物炭的孔隙中生长，并且能够更有效地利用额外的资源[12]，因此，生物炭的添加可以增加真菌的丰度，提高土壤真菌与细菌丰度比。Bamminger等[13]通过将2%生物炭添加到温带农田土壤后，生物炭显著提高了土壤中真菌和细菌的比例。Muhammad等[14]分别将猪粪炭、果皮炭、芦苇炭以及芜菁炭采用培育试验施加到砂质壤土中，培育90 d后发现，土壤真菌丰度显著增加，而且随着生物炭用量的不断增加，真菌丰度及真菌与细菌丰度比也随之增加。

近年来，生物炭作为一种低碳还田模式在农业生产中被广泛利用，实现农业可持续发展，但是，生物炭在设施环境中的应用还比较少。笔者主要针对北方设施常年种植蔬菜导致土壤有益菌群逐渐减少及蔬菜生长发育不良的现状，利用生物炭改良温室土壤，研究生物炭对黄瓜生长发育及对根际真菌丰度的影响，为北方设施环境下黄瓜栽培提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 供试土壤 供试土壤为内蒙古农业大学职业技术学院日光温室土壤，分别为连续种植20 a蔬菜土壤，连续种植10 a蔬菜土壤与种植1 a蔬菜土壤，分别用N20，N10与N1来表示，土壤均为沙壤土，基本理化性质见表1。pH值分别为 7.5～8.0，7.5～8.5，8.0～8.5。

表1 不同种植年限土壤理化性质

1.1.2 供试作物 黄瓜品种为‘改良津春2号’，购于阜阳四方蔬菜种子有限公司。

1.1.3 供试生物炭 生物炭由辽宁金和农业开发有限公司提供，生物炭为玉米秸秆400℃缺氧条件燃烧8 h制成，C、N、H质量分数分别为47.17%、0.71%和 3.83%，C/N值 66.44，pH值 9.04，有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量（w）分别为925.74 g·kg-1、159.15 g·kg-1、394.18 g·kg-1和 783.98 g·kg-1。

1.2 试验设计

试验于2017年3—9月在内蒙古农业大学职业技术学院日光温室中进行，采用温室换土的方法，随机区组，设6个处理：在黄瓜定植前分别取连续种植20 a蔬菜土壤（N20）、连续种植20 a蔬菜土壤添加生物炭（N20J）、连续种植 10 a蔬菜土壤（N10）、连续种植 10 a蔬菜土壤添加生物炭（N10J）、种植 1 a蔬菜土壤（N1）及种植 1 a蔬菜土壤添加生物炭（N1J），在其表层 0～30 cm处每 hm2分别均匀施入20 t生物炭，每个处理设3次重复。日光温室南北跨度为7 m，东西长50 m，黄瓜种植方式为小高垄，行距50 cm，株距35 cm。黄瓜于4月15日定植，在黄瓜生长期每隔20 d分别对株高、茎粗、叶面积、叶片数、叶绿素含量、光合参数（蒸腾速率、气孔导度、叶面温度、细胞间隙、光合速率）进行测定；在黄瓜结果期（6月15日）采用抖落法[15]对每个处理分别取3处样地根际0～20 cm处土壤均匀混合，测定真菌物种群落，同时进行黄瓜根系面积及根系侧根的测定。

1.3 测定方法

真菌菌群采用ITS序列高通量测定[15]，遵循Illumina测序仪文库构建方法，以ITS2为目标区域进行引物设计，使用 DNA模板 50 ng、25µL的PCR扩增体系，对最终Clean数据进行物种分类学分析。

1.4 数据处理及分析

采用Microsoft Excel 2003整理试验数据及绘图；SPSS 19.0分别进行单因素方差分析（One-way ANOVA）（显著水平为0.05，以平均值±标准差表示）。

2 结果与分析

2.1 生物炭对黄瓜根际土壤真菌多样性的影响

各处理土壤真菌物种进化关系的系统发育进化树见图版（彩色插页第11页），可概括各处理真菌物种间亲缘关系。进化树环形部分文字为分类等级，由内到外等级为由低到高，节点大小表示丰度高低，绿色覆盖区域表示低丰度，红色覆盖区域表示高丰度。从图中对比分析可知，与不添加生物炭相比，N20J、N10J处理丰度相对较多，其中N20J处理内外的红色覆盖区域最多，说明该处理真菌的低级和高级物种丰度都相对最高，效果较为明显。

2.2 生物炭对黄瓜生长特性的影响

黄瓜于4月15日定植，黄瓜在生长期的生长状况如图1、图2及表2所示，在株高方面，种植1 a蔬菜的土壤添加生物炭后株高显著增加；茎粗方面，连续种植20 a土壤及种植1 a土壤添加生物炭后均不同程度提高黄瓜茎粗；在叶绿素含量方面，连续种植10 a土壤及种植1 a蔬菜土壤添加生物炭后均不同程度提高黄瓜叶片叶绿素含量，其中种植10 a蔬菜的土壤添加生物炭下黄瓜的叶绿色含量与不添加生物炭相比达到显著水平；3种土壤添加生物炭后，均不同程度增加黄瓜叶面积，并且都达到了显著水平。

图1 不同处理对黄瓜株高的影响

图2 不同处理对黄瓜茎粗的影响

表2 施用生物炭对黄瓜生长特性的影响

表3为不同处理对黄瓜根系生长相关指标的影响。由表3可知，对于根系数，添加生物炭的处理分别高出不添加生物炭的处理，且各处理与不添加生物炭的处理相比差异显著；对于根系体积，N20J、N1J处理分别高出 N20及 N1，且 N1J与 N1差异显著；对于根冠比，N20J与N1J处理均与不添加生物炭相比差异显著；对于根系活力，N10J与N1J处理分别高出不添加生物炭的处理，且N10J与N10之间差异显著。

表3 不同处理对黄瓜根系数、根系体积、根冠比和根系活力的影响

表4为不同处理对黄瓜光合参数的影响。从表4可知，对于蒸腾速率，添加生物炭的处理均高于不添加生物炭的处理，且差异显著；对于气孔导度，N20J、N10J和 N1J处理分别显著高出 20.00%、30.00%和40.00%；对于细胞间隙，N20J、N10J与N1J处理均高于不添加生物炭的处理，且N1J与N1间差异显著；对于光合速率，N20J与N10J处理分别高出不添加生物炭的处理，其中N10J光合速率达到显著水平；对于叶面温度而言，添加生物炭处理均未提高叶面积温度，可能与生物炭本身性质有关。

表4 施用生物炭对黄瓜光合参数的影响

3 讨论与结论

在北方设施蔬菜生产中，随着种植年限增加，土壤质量也逐年下降，蔬菜品质随之降低，不仅造成病虫害增多，还会导致土壤肥力不断下降，而且大部分集中在20 cm耕层土壤[16]。现代农业生产活动中，施入大量的无机肥，严重破坏了土壤微生物的群落结构，而且减少了土壤微生物的多样性[17-18]。由于经过处理的生物炭比未经过处理的生物炭在土壤中稳定性高，逐渐成为植物的改良物质之一[19]。

曹雪娜等[20]研究表明，在设施土壤中施入生物炭可提高土壤全氮、全钾、全磷含量及速效养分含量，并能够促进设施番茄生长及增加产量。裴志强等[21]利用生物炭、木本源泥炭、连作调理剂不同配比对设施蔬菜土壤的研究表明，生物炭+木本源泥炭+连作调理剂处理可以提高土壤持水量，改善土壤结构，并且使作物总生物量明显提高。韩光明等[22]研究表明，生物炭可以提高土壤细菌、放线菌、氨代细菌、好氧自生固氮菌及反硝化细菌的数量及比例，并且能够改善土壤理化性质及板结程度。程效义等[23]研究表明，对连作 15 a土壤施用 20 t·hm-2及40 t·hm-2生物炭，可分别提高土壤酶活性15.7%及23.8%，而且可以提高速效养分含量及pH值，黄瓜根系性状与部分土壤理化性质呈显著相关，利于根系生长发育，提高黄瓜产量。杨冬艳等[24]通过对设施西芹施入生物炭，结果表明，生物炭可提高根际土壤中细菌、真菌和放线菌的生物量及N、C含量。赵淑文等[25]通过对设施无土基质栽培黄瓜根际土壤细菌群落的影响研究表明，生物炭通过改变细菌群落结构，进而通过增加根际土壤速效养分含量供给状态，促进根际纤维素生成葡萄糖，刺激根系对铁吸收并促进根系生长，最终使黄瓜植株生长及产量提高。该试验中，N20J与N10J不同处理在结果期均在一定程度提高了黄瓜根部土壤中真菌的丰度，与前人的研究结果一致。

试验结果表明，生物炭处理下有利于黄瓜地上部及地下部生长，且能提高黄瓜光合速率，尤其表现在生物炭添加能显著促进黄瓜植株地下部分生长，这与Chan等[26]向萝卜施用以农业残余物为原料制得的生物炭所得的结果一致。但是笔者研究发现，在黄瓜生育周期内，连续种植10 a蔬菜土壤添加生物炭能显著增加黄瓜地上及地下部分生长，而在黄瓜株高、茎粗方面添加生物炭没有显著增加，这与不同生物炭自身理化性质以及分解和养分释放过程的不同有关，同时可能与与黄瓜自身遗传基因有关，具体原因还需要进一步深入的研究。

设施黄瓜土壤经一定量的生物炭处理后，总体上来看可提高根层20～40 cm根际土壤真菌丰度，同时不同程度分别提高黄瓜叶面积、叶绿素含量、根系数、根体积、根系活力及光合速率。综合分析认为，连续种植10 a蔬菜的土壤在添加生物炭处理优于其他处理，与不添加生物炭相比，显著或极显著地提高20～40 cm土壤真菌丰度，并且能促进黄瓜植株地上部分生长及地下部分生长。