不同种类生物炭对植烟土壤微生物及根茎病害发生的影响

李成江 李大肥 周桂夙 许 龙 徐天养 赵正雄,*



不同种类生物炭对植烟土壤微生物及根茎病害发生的影响

李成江1李大肥2周桂夙1许 龙2徐天养2赵正雄1,*

1云南农业大学烟草学院, 云南昆明 650201;2云南省烟草公司文山州公司, 云南文山 663000

采用田间试验研究了稻壳炭、木屑炭对烤烟根区土壤微生物、根茎病害发生以及烟叶产量的影响。结果表明, 生物炭施用明显影响着烤烟根区土壤微生物数量及其对碳源的利用, 进而影响着青枯病、黑胫病的发生情况和烟叶的产量、产值, 但其效果因生物炭种类而异。木屑炭处理烤烟旺长期细菌和采烤前放线菌的数量明显比对照增加了11.7%和12.8%, 而稻壳炭处理旺长和初烤时的真菌数量显著增加。植烟土壤中青枯菌和黑胫病菌的数量及其占微生物总量的百分比也以施用生物炭处理显著低于对照, 而烤烟旺长期根区微生物对碳源的利用能力则相反; 到烟叶采烤前, 根区微生物对酚酸类和胺类的利用以生物炭处理相对最低; 上述情况以木屑炭处理较稻壳炭处理更为明显。与对照相比, 木屑炭处理青枯病的发病率和病情指数降低了24.3%和33.3%, 黑胫病的发病率和病情指数降低了23.9%和14.9%, 产量和产值增加了4.7%和21.1%; 稻壳炭处理青枯病发病率和病情指数降低了18.1%和23.9%, 黑胫病的发病率和病情指数降低了15.9%和6.0%, 产量和产值增加了2.2%和12.0%。综合而言, 施用生物炭能较好地改善土壤微生物状况及其对碳源的利用, 减少青枯病和黑胫病的发生, 增加烟叶的产量和产值; 其中以木屑炭处理效果更佳。

生物炭; 烤烟; 土壤微生物; 青枯病; 黑胫病; 产量; 产值

烟草青枯病和黑胫病一直是烟叶产量降低、品质变劣的影响因素。生产中采用化学药剂防治固然有较好的效果, 但长期施用化学药剂不仅给土壤带来巨大的负担, 容易导致土壤微生态系统失衡[1-2][2], 而且增加农田环境风险[3]。因此, 如何有效生态防控上述病害的发生一直是生产中关注的重点。

土传病害发生的根本原因是土壤微生物区系和多样性失调, 导致土壤中病原菌激增[4]。调控土壤微生物环境是有效防控土壤病害的重要途径之一。

生物炭(biochar)是农林有机废弃物和畜禽粪便等生物质在缺氧的情况下, 经高温慢热解(通常<700℃)而形成的一类难熔的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的固态产物[5-7], 因表面致密的孔隙结构和较高的碳素含量能为微生物生长繁衍提供良好的栖息场所及营养物质, 施入烟田后能增加土壤微生物数量及提高土壤微生物群落功能多样性[8-11], 提高烟叶产量[12-13]和产值[14-15]。近年来有不少生物炭防控土传病害的研究报道, 如生物炭防控番茄青枯病[16]、辣椒疫霉病[17]和黄瓜猝倒病[18]。初步显示生物炭在防控土传病害方面有巨大潜力和发展前景。生物炭的炭化材料、炭化温度及用量是制约防病效果的关键因素[18]。Jaiswal等[19]研究温室有机废弃物(GHW)炭和桉树木材(EUC)炭对黄瓜猝倒病的影响时就发现不同种类生物炭对病害的防控效果差异显著。Guijarro等[20]的试验也表明, 生物炭对萝卜猝倒病的抑制作用因生物炭而异。可见生物炭种类对病害的防控效果存在较大差异, 而引起差异的原因是否与土壤微生物区系、病原微生物变化有关, 还尚未清楚。本试验拟采用田间小区试验, 研究稻壳炭、木屑炭对烤烟根区土壤微生物、根茎病害发生以及产量的影响, 探讨生物炭种类对病害防控效果差异的土壤微生物影响因素, 以期为生物炭防控烤烟根茎病害及生物炭种类对土壤微生物的影响提供理论参考, 实现生产指导价值和理论价值。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2017年4月至9月在云南省文山市西畴县兴街镇空山小康村进行(23°14′N, 104°35′E)。该地区气候温暖湿润, 年平均气温18℃, 全年无霜期320 d, 年均降雨量1294 mm。供试土壤为红壤, 质地为中壤土, 土壤含有机质31.32 g kg–1、碱解氮111.76 mg kg–1、速效磷22.53 mg kg–1、速效钾441.37 mg kg–1、pH 7.30、交换性镁113.8 mg kg–1、水溶性氯离子35.35 mg kg–1。供试品种为云烟87。供试生物炭由稻壳、木屑粉碎后在400℃厌氧条件下制备而成, 由楚雄威鑫农业科技有限公司提供。基本理化特性见表1。

表1 供试生物炭基本性质

1.2 试验设计

设3个处理, 即不施生物炭(CK)、稻壳炭处理(用量为600 kg hm–2)和木屑炭处理(用量为600 kg hm–2)。3次重复, 9个小区, 随机区组排列。每个小区3垄, 每垄20株, 即每小区共60株。

各处理肥料施用一致, 即氮肥用量按97.5 kg N hm–2施入, 其中基肥54 kg N hm–2, 追肥分2次, 第1次13.56 kg N hm–2, 第2次40.5 kg N hm–2, 总养分比例为N∶P2O5∶K2O = 1∶1∶3。基肥中还拌施90 kg hm–2硫酸镁、27 kg hm–2硫酸亚铁和9 kg hm–2硼沙。在移栽前一次性拌塘施入生物炭。4月22日移栽。试验中不打防治烤烟根茎病害的农药。其他田间管理按优质烟叶生产进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 病害调查 以处理为单位, 分别于旺长期(移栽后40~45 d)、采烤前(移栽后65~70 d)对烤烟主要病害调查和分级, 参考GB/T23222-2010《烟草病虫害分级及调查方法》计算其发病率和病情指数。发病率=发病的烟株数/调查的总烟株数×100%; 病情指数=Σ(各级病株数×该病害级值)/(调查总株数×最高级值)×100

1.3.2 土壤取样 在调查病害的同时, 按小区五点取样法, 采集烟株根区的土壤, 混匀后放入无菌自封袋中, 立即带回实验室, 放入4℃冰箱保存, 用于微生物数量的测定和微生物功能多样性分析。

1.3.3 微生物数量和功能多样性分析 以鲜土为测定对象。用稀释平板法测定细菌、真菌、放线菌及病原菌数量, 培养细菌用牛肉膏蛋白胨培养基、真菌用马丁氏培养基、放线菌用高氏1号培养基, 青枯菌用TTC培养基、黑胫病菌用PDA培养基[21]。参照Trillas等[22]的报道, 用BIOLOG ECO微平板法分析土壤微生物功能多样性。

1.4 数据处理

BIOLOG板每孔颜色单位变化率(average well color development, AWCD)反映土壤微生物总体活性及碳源利用总能力。AWCD = [∑(C–R)]/N, 其中C为有碳源各孔吸光度值, R为有水孔吸光度值; N为有碳源基孔数, 即31个微孔。

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0软件统计数据, 采用Duncan’s方法检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同种类生物炭对烤烟根区土壤微生物数量的影响

由表2可知, 烤烟从旺长期到烟叶采烤前, 根区土壤中真菌和放线菌数量呈增加趋势, 而细菌数量则下降。与不施生物炭(CK)相比, 两种生物炭处理均增加了根区土壤中可培养微生物的数量。其中, 木屑炭处理显著增加了烤烟旺长期细菌和采烤前放线菌的数量, 分别增加了11.7%和12.8%, 比稻壳炭处理增加了8.3%和9.8%, 两种生物炭处理间差异显著。而稻壳炭处理则明显增加了两个时期真菌的数量, 分别比CK增加33.3%和70.0%, 比木屑炭处理增加25.9%和27.1%, 两种生物炭间差异显著。

两种生物炭处理均明显增加了烤烟根区土壤中微生物的总量。在烤烟旺长期, 木屑炭处理较CK增加9.3%, 与稻壳炭处理有差异但差异不显著。到烟叶采烤前, 生物炭处理根区土壤微生物的总量均与CK差异显著, 但两种生物炭间差异没有达到统计学意义水平。

表2 根区土壤微生物数量

同列标明不同字母的值差异显著(<0.05)。CK: 不施生物炭; RB: 稻壳炭处理; WB: 木屑炭处理。

Values followed by different letters with in the same column are significant by different among treatments at the 0.05 probability level. CK: no biochar; RB: rice husk biochar; WB: wood biochar.

2.2 不同种类生物炭对根区土壤微生物碳源利用能力的影响

2.2.1 根区土壤微生物碳源代谢活性 平均每孔颜色变化率(AWCD)表征微生物群落对单一碳源的利用率, 可反映土壤微生物的代谢活性[23]。由图1可知, 生物炭处理的土壤AWCD值始终高于对照。在烤烟旺长期, 木屑炭处理的土壤AWCD值高于稻壳炭处理, 从48~168 h差异达到显著水平, 说明木屑炭更能显著提高烤烟旺长期根区微生物的代谢活性, 提高微生物利用碳源的能力。到烟叶采烤前, 两种生物炭处理间差异不明显。

2.2.2 根区土壤微生物对不同碳源的利用强度

根据土壤微生物对BIOLOG ECO板中31种碳源的利用能力差异, 可以全面了解微生物群落代谢功能的特性[24]。表3表明, 在烤烟旺长期, 两种生物炭处理均提高了烤烟根区土壤微生物对六类碳源化合物的利用率。其中, 木屑炭处理的根区微生物对酚酸类、胺类的利用率最高, 与稻壳炭处理达到显著差异。到烟叶采烤前, 与不施生物炭(CK)相比, 两种生物炭处理提高了根区微生物对碳水化合物、氨基酸、聚合物的利用率, 但降低了酚酸类和胺类的利用率。两种生物炭间比较, 木屑炭处理的根区微生物对碳水化合物、氨基酸、聚合物的利用率高于稻壳炭, 而对酚酸类、胺类和羧酸类的利用率却低于稻壳炭。

2.3 不同种类生物炭对根区土壤病原菌数量及占微生物总量百分比的影响

由测定结果(图2)可知, 与不施生物炭(CK)相比, 两种生物炭处理明显降低了烤烟两个生育期根区土壤中青枯菌和黑胫病菌的数量及其占微生物总量的百分比。其中, 木屑炭处理青枯菌减少23.8%和35.7%, 占微生物总量的百分比降低24.3%和41.9%; 黑胫病菌减少49.0%和28.2%, 占微生物总量的百分比降低7.1%和35.7%。稻壳炭处理青枯菌减少11.8%和22.2%, 占微生物总量的百分比降低14.3%和28.6%; 黑胫病菌减少23.7%和4.2%, 占微生物总量的百分比降低5.6%和16.7%。两种生物炭处理相比较, 在烤烟旺长期, 以木屑炭处理最为显著, 与稻壳炭处理差异明显。到烟叶采烤前, 两种生物炭处理根区土壤中青枯菌数量及占微生物总量的百分比差异不显著, 而黑胫病菌数量及占微生物总量的百分比则达到差异显著水平。

图1 不同处理根区土壤微生物平均颜色变化率

CK: 不施生物炭; RB: 稻壳炭处理; WB: 木屑炭处理。

CK: no biochar; RB: rice husk biochar; WB: wood biochar.

表3 不同处理根区土壤微生物对六类碳源的利用

同列标明不同字母的值差异显著(<0.05)。CK: 不施生物炭; RB: 稻壳炭处理; WB: 木屑炭处理。

Values followed by different letters with in the same column are significant by different among treatments at the 0.05 probability level. CK: no biochar; RB: rice husk biochar; WB: wood biochar.

图2 不同处理根区土壤青枯菌、黑胫病菌的数量及占微生物的百分比

不同字母表示处理间差异显著性(<0.05)。CK: 不施生物炭; RB: 稻壳炭处理; WB: 木屑炭处理。

Bars respective indicated by different letters are significant by different at<0.05. Growing stage: vigorous growing stage;:var. CK: no biochar; RB: rice husk biochar; WB: wood biochar.

2.4 不同种类生物炭对烤烟根茎病害发生的影响

由表4可知, 烤烟从旺长期到烟叶采烤前, 各种病害呈增加趋势。在烤烟旺长期, 与不施生物炭(CK)相比, 木屑类处理青枯病的发病率和病情指数下降了24.3%和33.3%, 黑胫病的发病率和病情指数下降23.9%和14.9%; 稻壳炭处理青枯病发病率和病情指数下降了18.1%和23.9%, 黑胫病的发病率和病情指数下降15.9%和6.0%。两种生物炭间差异显著。到烟叶采烤前, 由于文山地区不断降雨, 导致气候斑点病大面积爆发, 青枯病、黑胫病的发病率也较旺长期高, 但生物炭处理的烟株发病率及病情指数较对照低, 与CK相比, 木屑炭处理的青枯病和黑胫病的发病率下降19.91%和11.41%, 稻壳炭处理的下降22.27%和12.63%。

表4 生物质炭对烤烟主要病害的影响

同列标明不同字母的值差异显著(<0.05)。CK: 不施生物炭; RB: 稻壳炭处理; WB: 木屑炭处理。

Values followed by different letters with in the same column are significant by different among treatments at the 0.05 probability level. CK: no biochar; RB: rice husk biochar; WB: wood biochar.

2.5 不同种类生物炭对烤烟产值量的影响

由表5可知, 与不施生物炭(CK)相比, 生物炭处理能显著提高烤烟的产量、产值和上等烟叶比例。其中, 木屑炭处理烤烟的产量、产值和上等烟比例增幅为4.7%、21.1%和6.3%, 稻壳炭处理增幅为2.2%、12.0%和3.9%。两种生物炭间比较, 以木屑炭处理烤烟的产量、产值相对较好, 但两种生物炭处理间差异没有达到统计学意义水平。

表5 生物炭对烤烟经济性状的影响

同列标明不同字母的值差异显著(0.05)。CK: 不施生物炭; RB: 稻壳炭处理; WB: 木屑炭处理。

Values followed by different letters with in the same column are significant by different among treatments at the 0.05 probability level. CK: no biochar; RB: rice husk biochar; WB: wood biochar.

3 讨论

以往研究表明, 生物炭对土传病害的防控作用与其对土壤微生物性状的改善与降低根际土壤中病原菌数量有关[16,18,25-26]。生物炭的多孔性和巨大的比表面积为细菌、真菌和放线菌的生存繁殖提供栖息地, 且利于微生物躲避土壤掠夺动物的侵袭[18]。同时, 生物炭能为土壤微生物提供C源, 促进土壤中有益微生物的生长, 而抑制病原菌的生长[26]。王光飞等[17]认为土壤中细菌、真菌和放线菌数量的增加有利于营造健康的土壤微生物区系, 形成利于植物生长而不利于病原菌生长的健康土壤环境。此外, 生物炭极强的吸附能力和较大的离子交换量可改善土壤阳离子或阴离子交换量, 提高土壤的保水保肥性能, 减少养分流失及干燥环境对土壤微生物的不利影响, 使得含生物炭土壤更适于土壤微生物的生长繁殖, 从而直接影响病原菌的生长繁殖或通过影响其他微生物而间接影响病原微生物[9,11,18]。本试验结果表明稻壳炭和木屑炭处理均影响着烤烟根区土壤微生物数量情况。木屑炭处理明显影响着烤烟根区土壤中细菌、放线菌和微生物总量, 而稻壳炭处理却明显增加了两个时期真菌的数量。研究表明, 土壤中细菌数量的增加有利于土壤养分的转化, 能为植物生长提供良好的环境, 而土壤中放线菌的增加不仅能促进土壤有机质的转化, 还能产生抗生素, 对植物的土传病原菌起到一定的拮抗作用[27-28] [28]。与稻壳炭处理相比, 木屑炭更能促进旺长期细菌和采烤前放线菌形成烤烟根区的优势菌群, 更能降低烤烟根区土壤中病原菌数量和病原菌占微生物总量的百分比, 更能使根区微生物区系向健康的方向发展, 这可能是木屑炭防病效果优于稻壳炭的原因之一。

此外, 土壤微生物群落代谢活性与作物发病情况有较好的一致性[29]。一般认为, 根区微生物对糖类、氨基酸类、羧酸类、多聚物类、胺类和酚酸类的利用愈高, 土传病害发生越轻, 而土壤AWCD值与土传病害发生呈负相关[30]。本研究发现, 在烤烟旺长期, 两种生物炭处理均明显提高根区土壤AWCD值, 增强根区土壤微生物对六类碳源的利用能力, 特别是对酚酸类、胺类和羧酸类的利用能力。研究表明, 土壤中酚酸类物质的积累降低, 可在一定程度上减轻作物的连作障碍及土传病害的发生[27,31]。与稻壳炭处理相比, 木屑炭效果更明显, 可能是木屑炭处理使得有益微生物对碳源的利用更强, 与土传病原菌形成“营养竞争”, 从而使病原菌得不到足够的营养物质而不能大量繁殖[32]。这可能是旺长期木屑炭防病效果较稻壳炭优的另一个原因。到烟叶采烤前, 稻壳炭与木屑炭之间防病效果差异不明显, 可能的原因是后期两种生物炭处理的土壤AWCD值差异不明显, 降低了对6类碳源中酚酸类、胺类的利用, 与稻壳炭处理相比, 木屑炭降低幅度更明显。还有可能是稻壳炭处理前期作用不明显, 到后期才表现出促进作用。

4 结论

施用生物炭能在一定程度上提高烤烟根区土壤三大类可培养微生物数量及其对碳源的利用, 降低青枯菌和黑胫病菌的数量及占微生物总量的百分比, 进而影响青枯病、黑胫病的发生情况和烟叶的产量、产值, 但木屑炭处理效果较稻壳炭处理优。前期木屑炭处理主要以提高根区土壤中细菌、放线菌和促进土壤中利用酚酸类和胺类物质为碳源微生物的生长来改善根区土壤微生物的区系, 从而影响病原菌生长。

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Effects of different types of biochar on soil microorganism and rhizome diseases occurrence of flue-cured tobacco

LI Cheng-Jiang1, LI Da-Fei2, ZHOU Gui-Su1, XU Long2, XU Tian-Yang2, and ZHAO Zheng-Xiong1,*

1College of Tobacco Science, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, Yunnan, China;2Wenshan Tobacco Company, Yunnan Tobacco Company, Wenshan 663000, Yunnan, China

A field experiment was carried out to study effects of rice husk biochar and wood biochar application respectively on rhizosphere microorganisms, rhizome diseases occurrence, and leaf yield of flue-cured tobacco. The application of biochar significantly affected the amount of rhizosphere microorganisms and the use of carbon sources of flue-cured tobacco. In turn, as well as the occurrences of granville wilt and tobacco black shank, also the yield and output value of tobacco leaf, which varied with the types of biochar. The treatment of wood biochar significantly increased the number of bacteria at vigorous growth stage and actinomycete at mature stage in flue-cured tobacco by 11.7% and 12.8% respectively, while the treatment of rice husk biochar significantly increased the number of fungus in both stages. Compared with the control, the application of biochar significantly reduced the number ofandvarand the percentage to total microorganism. But rhizosphere microorganisms of flue-cured tobacco had the opposite effect on the carbon use ability in vigorous growing stage; before mature stage, phenolic acids and amines used byrhizospheremicroorganisms were the lowest.The effect above,was more obvious in treatment of wood biochar than in treatment of rice husk biochar. Compared with control, the treatment of wood biochar decreased the incidence and disease index of granville wilt by 24.3% and 33.3%, and those of tobacco black shank decreased by 23.9% and 14.9%, while increased the output and output value by 4.7% and 21.1%.In rice husk biochar treatment, the incidence and disease index of granville wilt decreased by 18.1% and 23.9%, the incidence and disease index of tobacco black shank decreased by 15.9% and 6.0%, and the output and output value increased by 2.2% and 12.0%. In summary,the application of biochar can significantly impactive thesituations of rhizosphere microorganisms of flue-cured tobacco and the utilization of different types of biochar, reducing the occurrence of granville wilt and black shank, and increasing the yield and output value of tobacco leaf. The effect of wood biochar is better.

biochar; flue-cured tobacco; root-zone microorganisms; granville wilt; tobacco black shank; yield; output value

2018-05-30;

2018-10-08;

2018-11-01.

10.3724/SP.J.1006.2019.01105

赵正雄, E-mail:zhaozx0801@163.com,Tel: 0871-65227816

E-mail: 1311541782@qq.com

本研究由云南省烟草公司科技计划项目(2016YN14)资助。

This study was supported by the Science and Technology Project of Yunnan Tobacco Company (2016YN14).

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20181030.1751.012.html