生物炭對香草蘭生長及根際土壤微生物的影響

趙秋芳　馬海洋　王輝　王華　趙青云

摘要：采用室內培養試驗，研究施用生物炭對香草蘭（Vanilla planifolia Andrews）生長和根際土壤微生物的影響。試驗共設5個處理，分別是不添加生物炭（CK）和干土中添加生物炭10 g/kg（C1）、30g/kg（C2）、50g/kg（C3）、100g/kg（C4）。結果表明，施用生物炭促進了香草蘭植株地上部和根系的生長，與CK相比，C2處理的地上部和根系干重分別增加50.0 %和74.7%。C2處理的總根長、根系表面積分別較CK增加28.7 %和12.9%。香草蘭連作土壤中施入生物炭增加了香草蘭根際土壤細菌和放線菌數量，以C2處理的細菌、放線菌數量最多，分別為CK處理的1.49倍和1.75倍。并且生物炭處理的根際土壤真菌數量顯著降低。總之，施用生物炭可以促進香草蘭生長，改善連作土壤的微生物環境，且以干土中添加生物炭30 g/kg處理的效果最佳。

關鍵詞：香草蘭（Vanilla planifolia Andrews）；生物炭；根系形態；土壤微生物

中圖分類號：S573+.9；S141.6；S154.36 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）22-5647-05

Abstract： A pot experiment was conducted to evaluate the effects of biochar on vanilla （Vanilla planifolia Andrews） growth and rhizosphere soil microbial community structure. There were five installed treatments， no biochar plus （CK）， dry soil plus 10 g/kg of biochar （C1）， dry soil plus 30 g/kg biochar （C2）， dry soil plus 50 g/kg of biochar（C3）， and dry soil plus 100 g/kg of biochar（C4）. Results show that biochar plays a very important role in promoting vanilla shoot growth and root development. C2 treatment could obviously increase vanilla plant above ground and root dry weight by 50.0% and 74.7% compared with control. The total root length， root surface area of C2 treatment was 28.7% and 12.9% higher than CK， respectively. Application of biochar in continuous cropping soil of vanilla could increase the quantity of bacteria and actinomycetes， and significantly decrease the quantity of fungi in rhizosphere soil. The quantity of bacteria and actinomycetes of C2 treatment was 1.49， 1.75 times higher than the control. In conclusion， application of biochar in continuous cropping soil of vanilla could effectively promote vanilla plant growth， significantly improve soil microbial environment， and dry soil plus 30 g/kg biochar effect is the best.

Key words： Vanilla planifolia Andrews； biochar； root morphology； soil microbes

香草蘭（Vanilla planifolia Andrews）是蘭科（Orchidaceae）熱帶攀緣藤本香料植物，素有“天然食品香料之王”的美譽。其鮮豆莢經過生香加工后含有250多種芳香成分，香氣獨特，被廣泛作為高級香煙、名酒、茶葉等各類高檔食品的配香原料使用[1]。香草蘭還是用途廣泛的天然藥材，已被列入美國、德國、英國的國家藥典，中醫認為有補腎、和胃、健脾等功效[2]。香草蘭分布于熱帶和亞熱帶的南北緯度25°以內地區，在中國的海南省及云南省的西雙版納地區可以種植。香草蘭為多年生植物，長期人工種植會出現植株長勢變弱、土壤容重增加、土壤微生物區系失衡等問題，形成連作障礙[3]，嚴重制約了香草蘭產業的可持續發展。

生物炭是指木材、農作物廢棄物、植物落葉等物質在厭氧或者無氧條件下經緩慢高溫（<700 ℃）分解得到的富含碳的有機物質。生物炭具備有機碳含量高、多孔性、堿性、吸附能力強等特點[4，5]。近年來，生物炭（Biochar）因其獨特的物理化學特點及其在提高土壤肥力、改善土壤結構、促進作物生長等方面的功效而受到國內外研究者的廣泛關注。李昌見等[6]研究表明，生物炭可以促進番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）植株生長，提高果實產量，且以40 t/hm2的施用量效果最佳。Lehmann等[7]研究表明，施用生物炭可以提高豇豆[Vigna unguiculata（L.）Walp.]和水稻（Oryza sativa L.）的生物量，促進作物對P、K、Ca、Zn、Cu的吸收量，提高土壤養分的有效性。張偉明等[8]以玉米（Zea mays L.）芯為材料制備生物炭，施用后，大豆[Glycine max（L.）Merr.]的株高，地上部干物質積累增加，產量與品質明顯提高，且較高的施炭量（1 500、3 000 kg/hm2）平均比對照增產10.98%。另外張偉明等[9]還在水稻上試驗過，結果表明生物炭可以促進水稻生育前期根系的主根長、根體積和根鮮重增長，提高水稻根系總吸收面積和活躍吸收面積，同時增加水稻產量，以20 g生物炭/kg土的處理效果出眾，產量提高了33.21%。

此外，生物炭因其特有的疏松多孔結構和巨大的比表面積性質，在施入土壤后可為土壤微生物的聚集、生長和繁殖提供良好的生態環境，減少微生物之間的生存競爭，進而提高微生物的生物量[10]。韓光明等[11]研究表明，設施栽培的菠菜（Spinacia oleracea L.）其土壤添加生物炭后，土壤中的根際細菌、真菌、放線菌及氨化細菌、好氧自生固氮菌和反硝化細菌等功能性細菌的數量均有增加。Prayogo等[12]發現生物炭施用能夠增加土壤細菌生物量，顯著增加革蘭氏陰性菌和放線菌的豐度。王曉輝等[13]發現設施栽培退化土壤添加生物炭后，土壤中氨氧化細菌與氨氧化細菌和nirK型反硝化細菌的豐度顯著增加，進而提高土壤的硝化潛勢。

眾多研究表明，生物炭在改良土壤和促進作物生長上發揮著重要作用。試驗采用玉米秸稈炭化后的生物炭為試驗材料，通過盆栽試驗研究施用生物炭對連作土壤上種植香草蘭的影響，同時探討生物炭對香草蘭根際微生物的影響，旨在為解決香草蘭連續種植中出現的長勢衰弱和土壤質量變差等連作障礙問題提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤采自中國熱帶農業科學院香料飲料研究所種植20年的香草蘭園土壤，土壤質地為沙壤土，養分含量為全氮10.3 g/kg，速效磷62.71 mg/kg，速效鉀145.00 mg/kg，有機質14.68 g/kg。試驗用生物炭原材料為玉米秸稈，粒徑1.5～2.0 mm，制備溫度為500 ℃。生物炭pH 9.05，其含氮10.6 g/kg，含磷31.2 g/kg，含鉀24.4 g/kg。

1.2 試驗設計

試驗用容器采用周轉箱（規格600 mm×420 mm×165 mm），每箱裝干土10 kg。試驗設置5個處理：處理1為對照（CK），不施生物炭；處理2（C1）：在干土里施加生物炭10 g/kg；處理3（C2）：在干土里施加生物炭30 g/kg；處理4（C3）：在干土里施加生物炭50 g/kg；處理5（C4）在干土里施加生物炭100 g/kg。每處理3次重復，共15箱，隨機排列。選取長勢一致的健康香草蘭苗，每箱栽種2株，1株用于測定生物量，另外1株用于根系形態掃描，同時采集根際土壤用于微生物測定。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 植物生物量及根系形態 在香草蘭移栽9個月后挖出全株，抖凈泥土，將根系及莖葉分別裝入牛皮紙袋中，迅速帶回實驗室；清洗干凈后晾干，采用EPSON根系掃描儀掃描整個根系，應用WINRhizo軟件分析根系各生長參數；將根系及莖葉置烘箱里殺青并烘至恒重，稱量。

1.3.2 土壤微生物數量測定 細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基培養，配方為牛肉膏3 g、蛋白胨10 g、NaCl 5 g、瓊脂20 g、蒸餾水1 000 mL，用濃度為1 mol/L的HCl或NaOH 調pH 至 7.0～7.2，在121 ℃高壓下滅菌20 min。放線菌采用改良高氏一號培養基培養，配方為可溶性淀粉 20 g、KNO3 1 g、NaCl 0.5 g、K2HPO4 0.5 g、MgSO4·7H2O 0.5 g、FeSO4 0.01 g、瓊脂 20 g、蒸餾水1 000 mL，調pH 至7.2～7.4，在121 ℃滅菌20 min。真菌采用馬丁氏培養基培養，配方為葡萄糖10 g、蛋白胨5 g、KH2PO4 0.5 g、MgSO4·7H2O 0.5 g、1/3 000孟加拉紅100 mL、瓊脂20 g，pH自然，蒸餾水800 mL，在115 ℃高壓下滅菌30 min，臨用前加入0.03 %硫酸鏈霉素稀釋液100 mL[14]。采用平板稀釋涂布計數法，稱取新鮮保存的土壤樣品10 g，倒入含有90 mL無菌水的250 mL三角瓶中，放入搖床振蕩混勻（170 r/min，30 min）。土壤懸濁液用無菌水依次稀釋至10-2、10-3、10-4、10-5。取10-3、10-4、10-5濃度梯度稀釋液各0.1 mL涂布至牛肉膏蛋白胨培養基上。取10-2、10-3、10-4、10-5濃度梯度稀釋液各0.1 mL涂布至改良高氏一號培養基上，取10-3、10-4、10-5稀釋液各0.1 mL涂布至馬丁氏培養基上。細菌、放線菌平板置于30 ℃培養箱中培養3 d，真菌平板放置于28 ℃培養箱中培養5 d，培養結束后進行計數。

1.4 數據分析

試驗所得數據采用Microsoft Office Excel 2007軟件進行處理并作圖，用SPSS 16.0軟件進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 生物炭處理對香草蘭生物量的影響

施加生物炭對香草蘭植株地上部及根系生物量（干重）的影響情況見圖1。由圖1-A可知，C2處理香草蘭地上部的干重最大，與對照相比提高了50.0%。差異達到了顯著水平（P<0.05）；另外，C1、C4處理地上部的干重分別比對照增加了13.1%和6.7%，但差異不顯著（P>0.05）。由圖1-B可知，C2處理的根系干重最大，顯著高于其他處理（P<0.05），分別比對照、C1、C3、C4處理增加了74.7%、107.3%、102.6%、63.3%；其余4個處理間無顯著差異（P>0.05）。由此可見，C2處理（在干土里施加生物炭30 g/kg）可以顯著促進香草蘭地上部及根系生物量的增長。

2.2 生物炭處理對香草蘭根系生長的影響

施加生物炭對香草蘭植株根系生長的影響情況見表1。從表1可見，C2處理的總根長最長，較對照增加了28.7%，但是差異不顯著（P>0.05）；C2處理的總根長分別較C1、C3處理增加了42.6%、40.6%，差異顯著（P<0.05）。C4處理的根系表面積最大，顯著（P<0.05）高于C1、C3處理，分別比C1、C3處理增加了33.4%、24.7%；比對照、C2處理增加了19.8%、6.2%，但差異不顯著（P>0.05）。C2處理的根系表面積分別比對照、C1、C3處理增加了12.9%、25.7%、17.3%，差異不顯著（P>0.05）。C4處理的根系體積最大，分別比對照、C1、C2、C3處理增加了33.2%、45.8%、35.7%、32.9%，差異均達顯著水平（P<0.05），其余4個處理間差異不顯著（P>0.05）。C4處理的根系平均直徑最大，分別比對照、C1、C2、C3處理增加了9.4%、8.2%、18.0%、5.3%，且與C2處理間的差異達到了顯著水平（P<0.05）。上述結果說明施用生物炭后可促進香草蘭根系的生長發育，且以C2、C4處理對培育香草蘭發達的根系具有較好的效果。

2.3 生物炭處理對香草蘭植株根際土壤微生物數量的影響

2.3.1 土壤細菌 施加生物炭對香草蘭植株根際土壤細菌數量的影響情況見圖2。由圖2可知，C2處理的香草蘭植株根際土壤細菌數量顯著高于對照（P<0.05），為對照的1.49倍；同時顯著高于C1、C3、C4處理，分別是C1、C2、C4處理細菌數量的1.41、1.51、1.46倍。而C1、C3、C4處理的香草蘭植株根際土壤細菌數量與對照相比均有少量增加，但是差異不顯著（P>0.05）。由此可見，C2處理（在干土里施加生物炭30 g/kg））可以顯著增加香草蘭根際土壤中的細菌數量。

2.3.2 土壤放線菌 施加生物炭對香草蘭植株根際土壤放線菌數量的影響情況見圖3。由圖3可知，C2處理的香草蘭植株根際土壤放線菌數量為對照的1.75倍，差異顯著（P<0.05）；同時C2處理的放線菌數量高于C1、C3處理，分別為C1、C3處理的1.27、1.11倍，但差異不顯著（P>0.05）；不過C2處理的放線菌數量顯著高于C4處理（P<0.05）。C3處理的放線菌數量顯著高于對照（P<0.05），為對照的1.58倍。C1處理的放線菌數量與對照差異不顯著（P>0.05）。C4處理的放線菌數量最低，顯著低于C1、C2、C3處理（P<0.05）。這說明適量添加生物炭可以增加香草蘭根際土壤中的放線菌數量，但是生物炭添加量為100 g/kg時，香草蘭植株根際土壤放線菌的數量反而降低。

2.3.3 土壤真菌 施加生物炭對香草蘭植株根際土壤真菌數量的影響情況見圖4。由圖4可知，C2處理的香草蘭植株根際土壤真菌數量最低，比對照減少的程度最大，顯著低于對照（P<0.05），并且與 C1、C3、C4處理相比，分別降低了77.4%、65.0%、72.0%，但差異不顯著（P>0.05）。另外C1、C3、C4處理與對照相比，根際土壤真菌數量分別降低了62.1%、75.6%、69.5%，差異均達到了顯著水平（P<0.05）。由此可見，施用生物炭可以顯著降低香草蘭植株根際土壤中的真菌數量。

3 小結與討論

3.1 生物炭對香草蘭地上部及根系生長的影響

植物在炭化以后，大多保留了原有生物質的良好孔隙結構，具有較大的孔隙度和比表面積[15]。生物炭施入土壤后可以增加土壤的孔隙度，降低土壤容重，并可以有效的固持土壤水分，增加土壤含水量。Oguntunde等[16]研究表明，施用生物炭可使土壤容重降低9%，而總孔隙率則從45.7%增加到50.6%，飽和導水率提高了88%。土壤容重降低和通氣孔隙提高為植物根系提供了良好的生長空間，有利于根系生長。同時施加生物炭促進了番茄根系的發育和產量的提高。勾芒芒等[17]研究表明，施加生物炭促進了番茄根系生長和產量提高，在干土里施加生物炭40 g/kg處理的主根長、主根直徑、總根系鮮質量和產量分別是對照的1.20、1.24、1.21和2.67倍。本試驗中，施加生物炭可以促進香草蘭植株地上部和根系的生長，在干土里施加生物炭30 g/kg處理的地上部干重比不施加生物炭的對照增加50.0%，根系干重較對照增加74.7%。另外添加生物炭可以促進香草蘭根系的生長，在土里施加生物炭30 g/kg處理的總根長、根系表面積分別比對照增加了28.7%、12.9%；在土里施加生物炭100 g/kg處理的根系表面積、根系體積和根系直徑分別比對照提高了19.8%、33.2%、9.4%，這與張偉明等[9]在水稻上的研究結果相一致。

3.2 生物炭對香草蘭根際微生物生長的影響

眾多研究表明，生物炭能夠促進土壤微生物生長有兩個方面的原因，一是生物炭本身具有疏松多孔的結構和巨大的表面積、能夠保持水分和空氣的特點，可為土壤微生物聚集、生長與繁殖提供良好的環境[10]；另外，生物炭含碳量豐富，在培養過程中會部分降解，為微生物提供碳源，可促進特定微生物的生長[18]，改變土壤中微生物群落的結構[19]。試驗發現，在香草蘭連作土壤里施入生物炭能夠提高香草蘭根際土壤的細菌和放線菌數量，且以在土里施加生物炭30 g/kg處理的細菌和放線菌數量最多，分別為不施加生物炭的對照的1.49、1.75倍。另外施用生物炭顯著降低了香草蘭根際土壤中的真菌數量，其中30 g/kg處理的真菌數量最低，究其原因可能是不同微生物群體對生物炭的響應方式不同造成的。Jin[20]通過比較亞馬遜黑色土壤和生物炭改良土壤的研究發現，改良土壤的真菌多樣性比未改良的土壤低。另外還有研究表明生物炭提高了土壤中磷的有效性，導致菌根真菌的豐度下降[21]。Aciego等[22]發現，隨著土壤pH上升，微生物的量有所增加，但真菌和細菌對pH有不同的反應；隨著 pH上升到大約7時，細菌的豐度增加，而真菌的豐度變化并不一致，或者在總生物量上沒有變化[22]，或者在較高的pH時顯著降低[23，24]。在本試驗中，添加生物炭提高了土壤的pH，對照處理的pH為6.02，在土里施加生物炭100 g/kg處理的pH提高至7.05（另文發表），這也可能是香草蘭根際真菌降低的原因。另外真菌是造成香草蘭出現根腐病的主要病原菌，施用生物炭能顯著降低根際土壤中的真菌數量，可以降低香草蘭根腐病發生的風險。

綜上所述，在香草蘭連作土壤里施用生物炭可以促進香草蘭植株地上部及根系的生長，增加根際土壤細菌和放線菌的數量，同時降低根際土壤的真菌數量，且以在干土里施加生物炭30 g/kg處理的效果最佳。不過由于試驗僅就生物炭對香草蘭生長及其根際土壤微生物的影響進行了初步研究，生物炭是否能夠用于改良香草蘭連作土壤，仍需要進一步試驗來驗證。

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（責任編輯 王珞）