施用生物質炭對大棚土壤特性、黃瓜品質和根結線蟲病的影響①

牛亞茹，付祥峰，邱良祝，李戀卿，潘根興

(南京農業大學農業資源與生態環境研究所，南京 210095)

施用生物質炭對大棚土壤特性、黃瓜品質和根結線蟲病的影響①

牛亞茹，付祥峰，邱良祝，李戀卿*，潘根興

(南京農業大學農業資源與生態環境研究所，南京 210095)

選擇長期種植黃瓜并發生根結線蟲病的大棚，設計生物質炭施用量為0(C0)、24(C1)、48(C2)t/hm2的田間試驗，研究生物質炭對黃瓜生長、品質以及根結線蟲病的影響。結果表明：生物質炭顯著提高了土壤有機質、全氮、銨態氮、速效鉀含量和pH，同時降低土壤體積質量11.0% 以上，C2處理黃瓜根系生物量較C0顯著增加了56.9%。與C0相比，C2處理顯著增加黃瓜可溶性糖和有機酸含量25.0% 和17.6%，C1處理顯著降低黃瓜硝酸鹽含量25.5%。C2處理黃瓜根系單株卵塊數比C0增加了3.8倍。施用生物質炭對黃瓜產量沒有顯著影響。研究結果說明，蔬菜大棚土壤中施用生物質炭可改善土壤理化性狀，提高黃瓜品質，但有增加根系卵塊數的趨勢。由于生物質炭與土壤、作物的相互作用會隨時間的變化而改變，因此，生物質炭對大棚黃瓜品質和根結線蟲病的影響效應需進一步長期觀測。

生物質炭；黃瓜；根結線蟲；品質

農業廢棄物熱裂解產生的生物質炭在農業生產上的應用近年來越來越受到關注。許多研究證實生物質炭能夠增加農作物產量[1–2]，在改善土壤結構、提高土壤速效養分、增強土壤微生物的繁殖力等方面具有良好的效果[3–4]。同時，張萬杰等[5]和張登曉等[6]通過盆栽試驗證明生物質炭能夠增加蔬菜產量，并減少蔬菜體內硝酸鹽含量。生物質炭對根結線蟲病害的研究近年來也受到關注。Huang 等[7]將麻梨木制備的生物質炭適量施入土壤，能減少水稻根結線蟲引起的水稻根結線蟲病害的發生。陳威等[8]研究表明，在適當的添加量下，水稻秸稈生物質炭能夠促進番茄生物量的積累，對番茄作物感染根結線蟲病具有一定的抑制作用。而生物質炭對大棚黃瓜根結線蟲的影響鮮有報道。

在蔬菜產業中，病蟲害是影響蔬菜產量和品質的重要因素，其中根結線蟲對作物生長的危害逐漸嚴重[9]。根結線蟲病作為主要的土傳病害之一，不僅直接危害作物，還會和其他病原物互作造成復合浸染，如伴隨著枯萎病、根腐病等真菌病害的發生[10–11]。病害發生后，一般減產10% ~ 20%，嚴重達75% 以上[12]。目前對根結線蟲的防治主要以化學防治為主，由于化學殺線劑的毒性強、殘留高，對人類和環境造成了嚴重的危害[13]。同時，設施蔬菜生產由于無雨水淋洗，肥料投入大、復種指數高等問題，在一定種植年限后，土壤質量退化、微生態環境惡化、病害加重，致使土地可持續利用能力下降，從而影響蔬菜的產量與品質[14–16]。因此，在蔬菜生產過程中如何防治根結線蟲病、提高蔬菜品質和產量成為大棚蔬菜高產優質的主要挑戰。

因此，本研究選擇發生根結線蟲病的黃瓜種植大棚，通過田間試驗研究施用生物質炭對黃瓜生長、品質以及根結線蟲病的影響，以期為生物質炭在蔬菜優質、安全生產上的應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗田位于山東省濰坊壽光市文家街道北潘曲村(36°51′N，118°40′E)，選擇發生根結線蟲病(鑒定為南方根結線蟲)，長期種植黃瓜的蔬菜大棚進行。該地處魯中北部沿海平原區，屬暖溫帶季風區大陸性氣候。年平均溫度13.2℃，年平均降雨量為708.4 mm。試驗地耕作方式為每年春秋季種植兩季黃瓜。供試土壤為褐土，土壤 pH (H2O) 為7.50，有機碳14.82 g/kg，全氮1.86 g/kg，有效磷75.48 mg/kg，速效鉀413.72 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試生物質炭由南京勤豐秸稈研發有限公司提供，其炭化原料為水稻秸稈，炭化溫度為550 ~ 650℃，過2 mm篩，備用。生物質炭的基本性質見表1。供試黃瓜(Cucumis sativus L.)品種為“悅龍一號”，購買于壽光南潘育苗基地(山東省壽光市文家工業園)。

表1 生物質炭基本性質Table 1 Basic properties of tested biochar

1.3 試驗設計

試驗設置3個生物質炭施用量水平，分別為24 t/hm2(C1)、48 t/hm2(C2)和不施加生物質炭(C0)，在黃瓜苗移栽前將生物質炭均勻撒在土壤表面，翻耕與0 ~ 20 cm土壤混勻，耙平。每個處理4次重復，共12個小區，采用隨機區組排列，小區面積為 3.25 m2(0.65 m × 5 m)，小區間起埂隔開。于2015年4月4日移栽黃瓜苗，各小區采用長勢均一的健康黃瓜苗30株種植。

試驗田采用常規水肥管理。施用500 kg/hm2復合肥(N︰P2O5︰K2O=15︰5︰20)和 18 t/ hm2有機肥(有機質≥45%，N+P2O5+K2O≥5%)作基肥。在黃瓜結瓜期每周追施250 kg/hm2復合肥(N︰P2O5︰K2O = 20︰20︰20)。田間施用復合肥和有機肥均由戴威農業科技發展股份有限公司提供。

1.4 樣品采集與處理

黃瓜于5月3日開始采摘至7月20日采摘結束。結瓜初期，每小區隨機采集4條成熟商品黃瓜，用于測定黃瓜的品質。采摘完成后，分離莖葉和根系，每小區的所有黃瓜根系全部挖出，采集根圍土壤樣品。將根系和土壤樣品放在保鮮箱中帶回實驗室，于4℃冰箱保存。土壤樣品掰碎、剔除大中型土壤動物及根茬等，供土壤線蟲分離和土壤理化性質的分析。

1.5 測定項目和方法

1.5.1 土壤理化性質測定 參照《土壤農化分析》[17]中相關方法進行土壤理化性質的測定。

1.5.2 黃瓜產量及根莖葉干重 黃瓜分次采摘，共采收19次，各小區采摘成熟商品黃瓜稱量計產，最后估算總產量。將根系和莖葉用自來水沖洗后，用蒸餾水沖洗干凈，測定根系卵塊數和單個卵塊中的蟲卵數，之后烘干測定根干重。將莖葉和根分別放入烘箱中105℃ 殺青30 min，75℃ 烘干至恒重，稱重，計算各小區根系和莖葉干物質重。

1.5.3 黃瓜品質的測定 黃瓜果實中可溶性糖測定采用蒽酮比色法；有機酸測定采用水浴提取–堿液滴定法；硝酸鹽含量測定采用水楊酸比色法[18]。

1.5.4 單株根系卵塊數的測定 植株的根先用自來水清洗，再用蒸餾水洗凈，干凈紗布吸干水分，置于0.1 g/L伊紅Y(eosin-Y) 水溶液中，室溫下染色30 min，統計黃瓜根系單株卵塊數[19]。

1.5.5 單個卵塊卵粒數的測定 根據Terefe 等[20]的方法并略作修改后測定單個卵塊的卵粒數。各處理隨機選取10棵黃瓜根系，用鑷子將卵塊從根系中挑出，單株根系選取大小一致的卵塊10個，加入1 ml 0.5% NaOCl溶液，強力振蕩2 min。將卵懸液定容至5 ml，吸取20 μl 觀察、計數。重復5次。

1.5.6 土壤中根結線蟲二齡幼蟲 (J2) 數量的測定 土壤中線蟲的分離提取采用蔗糖浮選離心法[21]。線蟲總數通過Olympus ZX10體視顯微鏡直接計數，將土壤線蟲數量換算成100 g干土中線蟲的數量，然后每個樣品隨機抽取 100 ~ 200條線蟲進行制片，于Olympus BX51光學顯微鏡下進行線蟲形態鑒定。

1.6 數據分析

試驗處理間的比較采用單因素方差分析 (ANOVA)，如差異顯著(P<0.05)，再用Duncan’s測驗進行具體比較。試驗數據和圖表制作采用Excel 2013處理，采用SPSS 20.0軟件進行統計分析。測定結果數據均以平均值±標準誤的形式表示。

2 結果與分析

2.1 生物質炭對土壤理化性狀的影響

生物質炭對土壤理化性質的影響見表2。施用生物質炭顯著提高土壤pH，同時降低土壤體積質量，C2處理土壤體積質量與 C0處理相比顯著降低12.6%。施用生物質炭能顯著增加土壤有機碳和全氮的含量，C1和C2處理土壤有機碳含量比C0分別增加了22.4%、37.2%，C2處理土壤全氮含量比C0顯著提高10.2%。同時，生物質炭影響土壤速效養分含量。由表2可知，C2處理土壤銨態氮和速效鉀含量與C0處理相比分別顯著增加了53.3% 和43.7%，而低用量水平(C1)下沒有達到顯著性差異。此外，生物質炭對土壤硝態氮和有效磷的含量沒有顯著改變。

表2 生物質炭對土壤理化性質的影響Table 2 Effects of biochar on soil physical and chemical properties

2.2 生物質炭對黃瓜生長及品質的影響

由表3可知，C2處理下黃瓜根部干重較C0處理顯著提高了56.9%，而C1處理下黃瓜莖葉和根干重無顯著差異。雖然 C0處理產量的平均值高于 C1、C2處理，但由于測產是通過19次采摘稱重統計的，C0處理的產量變異性較大(表3)，經統計檢驗，C2、C1處理與C0相比對黃瓜產量均沒有顯著影響(P>0.05)。

表3 生物質炭對黃瓜生物量的影響Table 3 Effects of biochar on cucumber biomass

由表4可知，生物質炭添加顯著增加黃瓜果實可溶性糖和有機酸的含量，且隨著生物質炭用量的增加均呈現增加的趨勢，其中C2處理與C0處理相比分別顯著增加了25.0% 和17.6%。C1處理黃瓜硝酸鹽的含量比C0顯著降低了25.5%，C1和C2之間沒有顯著差異。

表4 生物質炭對黃瓜可溶性糖、有機酸和硝酸鹽含量的影響Table 4 Effects of biochar on contents of soluble sugar, organic acid and nitrate in cucumber

2.3 生物質炭處理對黃瓜根結線蟲病的影響

表 5為不同用量生物質炭對根結線蟲密度和繁殖的影響，如表所示，各處理間土壤中根結線蟲二齡幼蟲數量、單個卵塊卵粒數無顯著差異。與C0處理相比，C2處理單株黃瓜根系的卵塊數和單位根重的卵塊數分別顯著增加3.8倍、2.5倍，而C1處理以上各項指標與C0處理相比均無顯著差異。

表5 生物質炭對根結線蟲二齡幼蟲、卵塊和卵粒數量的影響Table 5 Effects of biochar on numbers of J2 root-knot nematode, egg masses and eggs

3 討論

3.1 生物質炭對土壤理化性狀的影響

研究結果表明，生物質炭通過降低土壤體積質量，增加土壤有機碳、銨態氮、速效鉀等養分含量，達到改善土壤質量、提高養分有效性的效果，與之前的研究結果[22–24]相似。可能是因為生物質炭具有豐富的孔隙結構，促進土壤團聚體的形成，有效地改善土壤的通氣狀況[24]。生物質炭較大的比表面積，帶有負電荷，具有較高的 CEC[23]，可以提高土壤對養分離子鉀和 NH4+的吸附能力，增加土壤銨態氮和速效鉀的含量。并且生物質炭自身含有一定量的養分，對土壤有效態養分的提高有重要的貢獻。本試驗顯示，土壤有機碳隨生物質炭用量的增加而顯著提高，這是由于生物質炭主要是以具有較高穩定性的高度芳香化有機物為主，在土壤環境中具有較高的穩定性[25–26]。

3.2 生物質炭對黃瓜生長及品質的影響

生物質炭對作物生長及產量的研究在國內外已有大量報道[1–2,4,27–28]，并且在菠菜、辣椒等蔬菜種植中也有增產效應[5,29]。然而生物質炭的增產效應受生物質炭自身特性、土壤類型、農田管理措施等諸多因素制約，具有很大的不確定性[28]。本試驗結果表明，不同用量的生物質炭施入土壤顯著提高黃瓜根系的生物量，這與生物質炭對土壤理化性質的改善有關。一方面生物質炭降低土壤體積質量，提高土壤的通氣性，為根系的伸展提供足夠的空間；另一方面生物質炭能夠提高土壤營養元素的有效性，調節土壤的供肥狀況。但本研究表明，施用生物質炭對黃瓜產量和莖葉干重均沒有影響。Abiven 等[30]指出，生物質炭在低肥力土壤中的增產效應大于高肥力土壤。Haefele等[31]將稻殼生物質炭施入 3種肥力不同的土壤發現，生物質炭應用于低肥力土壤作物產量顯著提高，而在中、高肥力土壤上沒有增產效果。而本研究所選的試驗地土壤肥力較高(土壤有機質25.5 g/kg，全氮1.8 g/kg)，黃瓜種植過程中施肥量也較大，這些因素均可能削弱了生物質炭的增產效應。此外，生物質炭對作物生長的影響存在年際的變異。Major等[32]研究發現，第1年施用生物質炭處理與CK相比，玉米產量無顯著變化；而在施炭后的第2 ~ 4年中，施炭處理玉米產量大幅度增加。本試驗僅基于黃瓜一個生長季的研究，生物質炭對黃瓜產量的影響需要進一步持續觀察。

本研究發現生物質炭顯著降低黃瓜果實中硝酸鹽的含量，這與張萬杰等[5]和劉玉學等[33]的研究結果相似。一方面可能因為生物質炭對土壤中的銨根離子的吸附性較強，減少植株對氮素的吸收。另一方面，可能由于生物質炭能夠調控土壤含水量進而抑制作物蒸騰作用，減少作物對氮素的吸收，進而降低蔬菜中硝酸鹽的積累[34]。施用生物質炭可顯著增加黃瓜果實中可溶性糖和有機酸的含量。生物質炭能夠有效保持土壤含水量[4,35–36]，而土壤含水量控制在適宜水平有助于提高果蔬中可溶性糖含量[37]。綜上，生物質炭在溫室大棚蔬菜種植中能夠有效改善蔬菜品質。

3.3 生物質炭對大棚黃瓜生產中根結線蟲病的影響

本研究發現，在高用量生物質炭處理(C2)下黃瓜根系單株卵塊數及單位根重卵塊數顯著提高，說明生物質炭施用量的提高在一定程度上促進了根結線蟲的生長繁殖。但 Huang 等[7]研究發現生物質炭用量在1.2% 以上水平能顯著降低水稻根結線蟲病。這可能與生物質炭和植物種類等因素有關。George 等[38]研究了5種不同材料(4種生物質炭和沸石)對胡蘿卜穿刺短體線蟲的影響，發現松樹皮、松針等生物質炭對線蟲的侵染均有抑制作用，但松木生物質炭對線蟲沒有抑制效應，說明生物質炭對根結線蟲病的影響因生物質炭種類、用量等的不同而具有不同的效應。此外，根結線蟲病主要發生在作物根系上，以側根和須根最易受害[39]。本試驗顯示生物質炭對根系生長具有促進作用。已有研究表明，施用生物質炭顯著促進番茄和大麥等作物須根(或側根)的生長[40,8]。根系體積的增大，特別是須根增多，從而增加了根結線蟲的侵染位點，這可能也是生物質炭增加黃瓜根結線蟲病發病率的原因之一。此外，根結線蟲在土壤中的孵化、存活及完成生活史與土壤環境密切相關，如土壤中的離子、酸堿性、溫度、濕度、土壤類型和微生物等[41]。本試驗中生物質炭降低土壤體積質量、增加土壤通氣性和土壤有機質含量、改變土壤環境，進而影響根結線蟲的生存與繁殖。生物質炭對根結線蟲病的影響可能因生物質炭種類、施用劑量、土壤類型以及作物種類的不同而存在差異，而生物質炭與土壤的相互作用以及生物質炭對植物的促根效應也會隨著施炭時間的推移而發生改變，這些變化均會影響線蟲對施炭措施的響應。因此，生物質炭對根結線蟲生長的效應需要進一步進行長期的試驗研究。

4 結論

本試驗研究結果表明，施用生物質炭顯著提高土壤有機質、全氮、銨態氮和速效鉀的含量，降低土壤體積質量。土壤中添加生物質炭顯著增加黃瓜果實中可溶性糖和有機酸的含量，降低黃瓜硝酸鹽含量，改善黃瓜品質。高施炭量條件下顯著提高黃瓜根系生物量，增加了根結線蟲卵塊數，但對黃瓜產量沒有顯著影響。

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Effects of Biochar on Soil Properties, Cucumber Quality and Root-knot Nematode Disease in Plastic Greenhouse

NIU Yaru, FU Xiangfeng, QIU Liangzhu, LI Lianqing*, PAN Genxing
(Institute of Resource, Ecosystem and Environment of Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

In order to explore the effects of biochar on the quality and the root-knot nematode of cucumber, an experiment was conducted in a plastic greenhouse with serious root-knot nematode disease after long-term of cucumber planting with three levels of biochar amendment designed as follows: C0 (no biochar, CK), C1 (biochar 24 t/hm2) and C2 (biochar 48 t/hm2). The results indicated that biochar addition significantly increased soil organic matter, total N, NH4+, available K and pH, and decreased soil bulk density by more than 11.0%. Compared to CK, C2 treatment enhanced cucumber root biomass, soluble sugar content, organic acid content, egg masses by 56.9%, 25.0%, 17.6% and 3.8 times, respectively, while C1 treatment decreased nitrate content by 25.5%. However, biochar had no significant effect on cucumber yield. The experiment indicated that biochar can improve soil properties, enhance cucumber quality, while increase the egg masses on cucumber roots. However, long-term observation is necessary in the future studies because the interaction of biochar-soil-crop system is changeable with time.

Biochar; Cucumber; Root-knot nematode; Cucumber quality

S642.2；S435.79

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.01.009

農業科技成果轉化資金項目(2013GB23600666)資助。

* 通訊作者(lqli@njau.edu.cn)

牛亞茹( 1992—)，女，河南許昌人，碩士研究生，主要從事土壤與環境質量及管理研究。E-mail: 2013103075@njau.edu.cn