生物质炭基有机肥对西葫芦生物性状、土壤营养和微生物群落的影响

赵彦敏 梁玉红 刘齐光 杨树宝 韩振英 郑博 岳鹏 李明威

摘要：为明确生物质炭基有机肥对冀西北地区西葫芦生物性状、果实品质及土壤营养、微生物群落的影响，以西葫芦‘早青一代’为材料，进行3种不同施肥水平处理试验。与不施肥（对照）相比，生物质炭基有机肥能明显提高西葫芦植株株高、茎粗度，改善土壤营养和微生物菌落，增加土壤中磷、钾和有机质的含量。该地区最佳有机肥施用量为1500 kg/hm2，末瓜期该施肥水平下，株高、茎粗明显增加，分别比对照增加22.8%、16.7%。宏基因组测序结果表明，生物质炭基有机肥增加了子囊菌门真菌表达的相对丰度，减少了被孢霉门真菌表达的相对丰度，新增隐真菌门和未知新真菌种类。施肥1000 kg/hm2时根际土壤微生物OTU最多，达到811个。研究结果可为生物质炭基有机肥在冀西北地区西葫芦生产的应用提供理论依据。

关键词：生物质炭基有机肥；西葫芦；果实品质；土壤营养；土壤微生物

中图分类号：S513文献标志码：A论文编号：cjas2020-0141

Effects of Biochar-based Organic Fertilizers on Biological Characters， Soil Nutrients and Microbial Communities of Cucurbita pepo ZHAO Yanmin1， LIANG Yuhong2， LIU Qiguang3， YANG Shubao4， HAN Zhenying4， ZHENG Bo1， YUE Peng1， LI Mingwei1（1Zhangjiakou Open University， Zhangjiakou 075000， Hebei， China；2Zhangjiakou Agricultural Radio and TV School in Hebei， Zhangjiakou 075000， Hebei， China；3Zhangjiakou Seed Management Station， Zhangjiakou 075000， Hebei， China； 4Agricultural and Rural Bureau of Huaian County， Zhangjiakou 075000， Hebei， China）

Abstract： To determine the effects of biochar- based organic fertilizers on the biological characters， fruit quality， soil nutrients and microbial communities of Cucurbita pepo in northwest Hebei， three treatments with different fertilization levels were carried out with C. pepo‘Zaoqingyidai’. Compared with the no fertilization（control）， biochar-based organic fertilizers could significantly increase plant height and stem diameter of C. pepo. Meantime， soil nutrients and microbial communities， and the content of P， K and organic matter in soil were also improved. The fertilization treatment of 1500 kg/hm2was the best in the study， under which， the plant height and stem diameter increased obviously， which were 22.8% and 16.7% more than those of control， respectively. The macro- genome sequencing results showed that biochar- based organic fertilizers could increase the relative abundance of Ascomycetes fungi expression， decrease the relative abundance of Sporomycetes fungi expression. The Russula was newly added. In the fertilization treatment of 1000 kg/hm2， the OTU number of rhizosphere soil microorganism was the most and reached 811. The results can provide a theoretical basis for the application of biochar- based organic fertilizers in the production of C. pepo in northwest Hebei.

Keywords： Biochar-based Organic Fertilizer； Cucurbita pepo； Fruit Quality； Soil Nutrients； Soil Microorganism

0引言

生物炭是生物質在无氧或缺氧条件下高温裂解产生的一种固体产物，具有孔隙度好、吸附能力强、富含碳元素、矿质养分等特性，是一种集肥料、吸附剂和改良剂于一体的新型材料[1-2]。众多研究表明，生物质炭具有改良土壤质地、增加土壤持水量和养分含量、增强土壤微生物活性、提高土壤肥力等功效[3-7]。王潇敏等[8]将胶冻样芽孢杆菌与生物质炭进行复配，发现能够增加番茄果实中钾、Vc含量，降低硝酸盐含量，对番茄产量的增加和品质的改善有促进作用。在辣椒生产中，随着生物炭用量的增加，土壤营养物质如有效磷、速效钾等含量迅速上升；微生物代谢能力、多样性及均匀度均与其用量呈倒U型曲线关系；1.33%生物炭用量对辣椒疫病的防效最好[9]；辣椒果长会减小，果径会增大，果形指数变化不大[10]。王淑君等[11]明确，施入生

物炭基肥不仅可提高花生根际土壤铵态氮和速效钾含量、植株氮钾养分吸收和水分生产率，对植株的抗旱能力也有一定的提高。李中阳等[12]发现，小麦中施入生物质炭显著增加了冬小麦茎蘖数、有效穗数和产量；施用量为40 t/hm2的生物质炭处理对冬小麦产量、水分利用效率及根系生长的促进作用最为显著。王峰等[13]采用15N同位素示踪技术，研究了生物质炭配施氮肥对茶树生长及氮素利用率的影响，结果表明，生物质炭配施氮肥促进了茶树对氮的吸收，增加土壤氮素持留，提高了氮素利用率。生物炭基有机肥已投入辣椒、番茄的蔬菜生产中，起到明显的增产、改善品质的功效，而生物质炭基有机肥对西葫芦保肥和增产的影响研究还未见相关报道。本研究主要分析不同用量生物质炭基有机肥对冀西北地区西葫芦生长、品质和产量等方面的影响，以期为生物质炭基有机肥在该地区蔬菜生产中的广泛应用提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验时间、地点

田间试验于2019年在河北省张家口市桥东区姚家庄镇南庄村进行，室内试验在河北北方学院实验室和北京奥维森基因科技有限公司进行。张家口（113°50′—116°30′E，39°30′—42°10′N）地势西北高、东南低，阴山山脉横贯中部，将张家口划分为坝上、坝下2个部分，属温带大陆性季风气候，年降水量为330～400 mm，属半干旱地区，水资源严重不足。

1.2试验处理

供试生物质炭基有机肥由张家口市万生生物技术有限公司提供，其中生物质炭（玉米秸秆）占20%、有机肥占80%。以西葫芦‘早青一代’为材料，以不施生物质炭基有机肥为对照（CK）。生物质炭基有机肥用量设500、1000、1500 kg/hm23个水平（编号T1、T2和T3）。每处理3个重复，每个小区面积为20 m2（5 m×4 m）。小区设置好后将生物质炭撒施在相应小区，并人工翻埋混匀，翻耕深度约12 cm。生物质炭基有机肥为一次性施用，之后不再施用。其他管理同高产田。

1.3测定项目与方法

1.3.1西葫芦生物性状、果实品质测定采用5点取样法，分别于西葫芦初花期、初瓜期、末瓜期测量植株高度、茎粗度、功能叶叶绿素含量。取末瓜期果实，分别利用北京索莱宝科技有限公司试剂盒测定果实可溶性糖、淀粉含量。每小区5株，每株3个果实。

1.3.2西葫芦根际土壤营养物质、微生物群落结构测定于末瓜期，利用5点取样法取根际土（根际20 cm以内）。采用重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤有机质，采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾，采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定速效磷，采用碱解扩散法测定碱解氮。

在各小区取根际土，5点混合取样。混合均匀后，按四分法取部分土样装入已经灭菌的无菌袋中。土样于4℃冰箱内存放，用于土壤真菌ITS多样性分析（由北京奥维森基因科技有限公司完成）。

1.4数据处理与统计分析

所有试验数据均采用Microsoft Excel 2003进行均值计算，作图。

2结果与分析

2.1生物质炭基有机肥对西葫芦生物性状、果实品质的影响

随着西葫芦生育进程的推进，株高、茎粗逐渐升高。不同生育期，同一施肥处理水平下植株高度、茎粗度增加速度随施肥量的增加而加快，且明显高于CK。末瓜期，施肥处理T3植株株高为最高，达到129 cm；茎粗度为最大，达到35.3 mm（图1）。

图2为末瓜期西葫芦果实品质测定结果。施肥处理T2和T3果实可溶性糖含量低于CK，而施肥处理T1，明显高于CK。施肥处理T1和T2果实淀粉含量高于CK，施肥处理T3低于CK。不同施肥水平间淀粉含量差异不明显。

2.2生物质炭基有机肥对西葫芦根际土壤营养物质含量的影响

经测定，末瓜期西葫芦根际土壤（20 cm内）营养物质含量随着施肥量的增加而增加。在3个施肥处理水平下，除碱解氮含量外，其他3种营养物质含量均明显高于CK。与CK相比，施肥处理T3的速效磷、速效钾和有机质含量增加幅度最大（图3）。

2.3生物质炭基有机肥对西葫芦根际土壤真菌群落的影响

利用高通量测序技术，对不同施肥处理下西葫芦根际土壤真菌ITS序列进行了测序。经双端拼接、质量控制、嵌合体过滤后，进行高质量数据统计。测序结果（图4）表明，多数序列标签的长度为200～260之间。CK含有743个OUT（operational taxonomic unit），施肥处理T1含有719個OUT，施肥处理T2含有811个OUT，施肥处理T3含有755个OTU。OTU数目越多，表示含有较多的微生物种类。与CK比较，T1、T2、T3处理中特有的OTU数目分别为64、90、76。

根据物种丰度表和物种注释表，选取丰度最高的20个物种分类，进行相对丰度计算，绘制样品丰度比较的柱状图（图5）。从图中可以看出，不同施肥水平处理下，西葫芦根际土壤中真菌不同类群的相对丰度变化不同。与CK相比，各施肥水平处理均增加了子囊菌门真菌表达的相对丰度，减少了被孢霉门真菌表达的相对丰度。尤其是在T3处理水平下，子囊菌相对丰度值为最大，被孢霉相对丰度值为最小。T2和T3处理水平下，新增加了隐真菌门和未知新真菌种类。

图6为不同真菌在属级水平相对丰度图。在T3处理水平下，红菇属菌为新增加真菌。其余真菌为CK和施肥处理下均含有的种类。不同处理下各真菌表达相对丰度变化不同。

3结论

研究明确了在冀西北地区，生物质炭基有机肥能明显提高西葫芦植株株高、茎粗度，增加土壤中磷、钾和有机质的含量。施肥处理1500 kg/hm2为该地区最佳的施用量。T2和T3处理增加了子囊菌门真菌表达的相对丰度、减少了被孢霉门真菌表达的相对丰度，新增加了隐真菌门和未知新真菌种类。施肥处理1000 kg/hm2时根际土壤微生物OTU最多。

4讨论

生物质炭基有机肥是利用生物炭与养分元素结合而产生的一种新型复合肥料，具有改良土壤、延缓养分释放和提高作物养分吸收等功效。研究报道，生物质炭因富含P、K、Mg、Ca等元素，施入后土壤能够影响其各种养分的含量。刘小虎等[14]发现，种植花生的土壤在施用炭基肥后养分含量显著增加。杜衍红等[15]研究表明，与不施生物质炭的对照处理相比，稻壳生物质炭的添加导致土壤速效氮含量下降10%。张文娟等[16]的研究表明，生物炭添加量、灌水量及其交互作用对土壤铵态氮含量均有显著影响。本研究发现，与CK相比，除氮含量外，施用生物质炭基有机肥植株根际土壤磷、钾和有机质的含量明显增加。土壤有效磷和速效钾含量的增加可能有利于提高植株抗病性。同时本研究还发现，在施肥处理T2和T3下，西葫芦果实可溶性糖含量下降，且明显低于CK。与李大伟等[6]研究的结果一致。

本研究利用宏基因组测序法，发现生物质炭基有机肥处理明显增加了子囊菌门真菌表达的相对丰度、减少了被孢霉门真菌表达的相对丰度，新增加了隐真菌门和未知新真菌种类。研究表明，生物质炭可以增强土壤微生物活性，提高土壤肥力。而土壤微生物活性变化对土壤肥力的影响还有待于进一步研究。

参考文献

[1]JOSEPH S D， CAMPS- ARBESTAIN M， LIN Y， et al. An investigation in to the reaction of biochar in soil[J]. Australian Journal of soil research，2010，48（7）：501-515.

[2]LEHMANN J， RILLIG M C， THIES J， et al. Biochar effects on soil biota-Areview[J]. Soil biology & biochemistry，2011，43：1812-1836.

[3]韩召强，陈效民，曲成闯，等.生物质炭对黄瓜连作土壤理化性状、酶活性及土壤质量的持续效应[J].植物营养与肥料学报，2018，24（5）：1227-1236.

[4]周加顺，郑金伟，池忠志，等.施用生物质炭对作物产量和氮、磷、钾养分吸收的影响[J].南京农业大学学报，2016，39（5）：791-799.

[5]李丽，王雪艳，田彦芳，等.生物质炭对土壤养分及设施蔬菜产量与品质的影响[J].植物营养与肥料学报，2018，24（5）：1237-1244.

[6]李大偉，周加顺，潘根兴，等.生物质炭基肥施用对蔬菜产量和品质以及氮素农学利用率的影响[J].南京农业大学学报，2016，39（3）： 433-440.

[7]南学军，蔡立群，武均，等.生物质炭与氮肥配施对春小麦产量及其C：N：P的影响[J].中国生态农业学报，2017，25（8）：1154-1162.

[8]王潇敏，李恋卿，潘根兴，等.胶冻样芽孢杆菌与生物质炭复配及对番茄产量和品质的影响[J].土壤，2016，48（3）：479-485.

[9]王光飞，马艳，郭德杰，等.不同用量秸秆生物炭对辣椒疫病防控效果及土壤性状的影响[J].土壤学报，2017，54（1）：204-215.

[10]李泽锋，李娜，刘金华，等.生物质炭对辣椒果实品质和产量的影响[J].吉林农业大学学报，2016，38（6）：686-692.

[11]王淑君，夏桂敏，李永发，等.生物炭基肥和水分胁迫对花生产量、耗水和养分吸收的影响[J].水土保持学报，2017，31（6）：285-301.

[12]李中阳，齐学斌，樊向阳，等.生物质炭对冬小麦产量、水分利用效率及根系形态的影响[J].农业工程学报，2015，31（12）：119-124.

[13]王峰，吴志丹，陈玉真，等.生物质炭配施氮肥对茶树生长及氮素利用率的影响[J].茶叶科学，2018，38（4）：331-341.

[14]刘小虎，赖鸿雁，韩晓日，等.炭基缓释花生专用肥对花生产量和土壤养分的影响[J].土壤通报，2013，44（3）：698-702.

[15]杜衍红，蒋恩臣，王明峰，等.稻壳炭对红壤理化特性及芥菜生长的影响[J].土壤，2016，48（6）：1159-1165.

[16]张文娟，佘冬立，AGBNA G H D，等.生物炭添加和灌溉对温室番茄地土壤反硝化损失的影响[J].环境科学，2016，37（10）：3979-3986.