生物炭對設施黃瓜根際土壤菌群結構及植株生長的影響

趙淑文，胡 云，李 明，劉金泉，李 紅，葛茂悅

（內蒙古農業大學 呼和浩特 010018）

生物炭是含碳豐富的多孔性物質，具有較強的吸附功能[1]，將生物炭施入土壤中，可以增加土壤有機碳的含量，同時增加土壤有效營養元素的含量，從而達到促進植物生長的目的。土壤微生物可以促進土壤中營養元素的分解、營養傳遞以及促進或抑制植物生長[2]。土壤微生物與植物根部營養有密切關系，大部分土壤微生物對作物生長發育是有益的，它們對土壤的形成發育、物質循環和肥力演變等均有重大影響，是衡量土壤肥力的重要指標[3]。土壤微生物對環境的變化非常敏感，生物炭的施入會影響到土壤微生物的區系組成，從而影響植物根系對土壤養分的吸收[2]。鄒春嬌等[4]通過盆栽試驗研究了3%和5%生物炭添加量下黃瓜根域微生物數量的變化，研究表明，栽培基質細菌和放線菌數量有所增加，且5%生物炭添加處理高于3%生物炭添加處理。安啟坤等[5]研究生物炭對土壤功能微生物的生長發現在培養基中添加生物炭后，生物炭對大部分細菌的生長有明顯的促進作用，對膠質芽孢桿菌1.217培養12 h后可明顯提高生長3.6倍。李航等[6]研究了生物炭對香蕉苗根際微生物群落的影響，指出不同量的生物炭添加對香蕉苗根際微生物的數量有較明顯的提高，同時提高了微生物群落平均顏色變化率。張娜等[7]研究了生物炭施用1 000、5 000和10 000 kg·hm-2的不同量下對夏玉米生長和產量的影響，表明不同生物炭添加量均能提高夏玉米的產量，但以1 000 kg·hm-2的處理效果最好，可提高產量8.8%。對于生物炭對設施黃瓜生長以及根際微生物多樣性的研究較少，筆者以內蒙古西部區常見栽培黃瓜為主要研究對象，通過生物炭量的梯度施入試驗，研究不同生物炭施用量下土壤細菌豐度的變化，為該地區設施高效生產提供一定的理論依據與技術支持，同時對預測和控制未來土壤生態系統中的碳循環具有一定理論和實踐意義。

1 材料和方法

1.1 材料

黃瓜選用本地區常用栽培品種‘改良津春2號’。試驗溫室土壤為沙壤土，基本理化性質為：有機質42.60 g·kg-1，全氮 1.39 g·kg-1，全磷 1.43 g·kg-1，全鉀13.67 g·kg-1。生物炭購于遼寧金和農業開發有限公司，為玉米秸稈400℃缺氧條件燃燒8 h制成，C、N、H質量分數分別為47.17%、0.71%和3.83%，C/N值67.03%，pH值9.04，有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為 925.74、159.15、394.18、783.98 g·kg-1。試驗分別于2015年和2016年3—7月在內蒙古農業大學科技園區日光溫室中進行。

1.2 方法

采用隨機區組處理，3次重復：在黃瓜定植前土壤表層0～30 cm處每hm2分別均勻施入5 t（C5）、10 t（C10）、20 t（C20）、40 t（C40）和60 t（C60）生物炭，以不施生物炭為對照（CK）。日光溫室南北跨度為7 m，東西長50 m，黃瓜于4月15日定植，采用小高壟栽培，株行距為35 cm×50 cm。在結果盛期（6月20日）測定黃瓜的莖粗、根系數、根體積、葉面積，在結果后期（7月20日）測定黃瓜干質量和總產量。莖粗用游標卡尺固定測定植株下部莖部直徑；黃瓜根系數為統計超過0.5 cm長的植株一級側根和二級側根的總和；根系體積是將根系均勻平鋪于Epson Perfv700掃描儀進行掃描，用WinRHIZO Pro2009a軟件分析測得；葉面積采用葉形紙稱重法；黃瓜干質量采用烘干法測定；總產量用千分之一天平測定。每個處理重復3次，每個重復隨機選取3株進行數據測定。在結果盛期采用抖落法對每個處理分別取3處樣地根際0～20 cm處土壤均勻混合，測定有機碳、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量，每處理重復3次。每處理重復取3次根際土壤均勻混合并過2 mm篩,測定細菌物種群落。對數據進行物種分類學分析。生長數據用Microsoft Excel2003整理，用SPSS19.0軟件進行方差分析。所得結果均為9次平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 不同處理對黃瓜結果盛期生長和產量的影響

由表1可見，在黃瓜結果盛期，各處理的莖粗、根系數、根體積、總產量均高于對照，C40處理的葉面積指數高于對照，C20處理、C40處理和C60處理的黃瓜干質量高于對照。與對照相比，莖粗最大的是C40處理，比對照高8.10%，但與對照差異不顯著；對于根系數，C10、C20、C40 處理和 C60 處理與對照差異顯著，分別比對照高36.01%、36.11%、49.65%和56.75%；對于根體積，各處理均與對照呈極顯著差異，C5、C10、C20、C40 和 C60 處理分別比對照高29.31%、68.50%、72.41%、78.37%和88.09%；對于葉面積指數，C40處理比對照高8.61%，與對照差異不顯著；對于黃瓜干質量，C20和C40處理分別比對照高11.66%和12.34%，與對照差異不顯著；對于黃瓜總產量，C20和C40處理與對照差異顯著而其余處理與對照差異不顯著，C5、C10、C20、C40和C60處理分別比對照高4.43%、5.31%、12.15%、6.10%和2.65%。

表1 不同處理對黃瓜結果盛期生長和產量的影響

2.2 不同處理對黃瓜根際土壤養分的影響

從表2可見，在黃瓜結果盛期，各處理的堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有機碳含量和全氮含量均高于對照，C20和C40的碳氮比值高于對照而其他處理低于對照。對于堿解氮含量，C20處理與對照差異極顯著，比對照高39.86%，C10、C40和C60處理與對照差異顯著，分別比對照高25.42、30.05%和22.69%；對于速效磷含量，C20、C40和C60處理與對照差異極顯著，分別比對照高135.95%、149.81%和66.45%，C10處理與對照差異顯著，比對照高28.75%；對于速效鉀含量，C10、C20、C40和C60處理與對照差異極顯著，分別比對照高27.80%、81.35%、72.07%和60.29%；對于有機碳，C10和C20處理與對照差異極顯著，分別比對照高64.85%和82.89%，C5處理與對照差異顯著，比對照高 40.78%；對于全氮含量，C5、C10、C20 和C60處理處理與對照差異極顯著，分別比對照高75.41%、68.85%、73.77%和57.38%；對于碳氮比值，C5和C60處理與對照差異顯著，分別比對照低22.97%和18.88%，其他處理與對照差異不顯著。

表2 不同處理對黃瓜結果盛期根際土壤養分影響

2.3 生物炭對黃瓜根際土壤細菌門、綱、科、屬分類水平的豐度比較

從表3可以看出，細菌在門分類水平上占優勢的為 Proteobacteria（變形菌門）、Acidobacteria（酸桿菌門）、Actinobacteria（放線菌門）、Chloroflexi（綠彎菌門）、Firmicutes（厚壁菌門）、Gemmatimonadetes（芽單胞菌門）、Bacteroidetes（擬桿菌門），與對照相比，優勢門所占比例有明顯增多的有變形菌門、放線菌門、厚壁菌門和擬桿菌門，而綠彎菌門只有C10處理高于對照，芽單胞菌門只有C20處理高于對照，酸酐菌門中只有C10處理略高于對照。與對照相比，變形菌門所占比例C20處理、C40處理和C60處理顯著高于對照，分別比對照高21.18%、22.06%和13.24%；放線菌門各處理均高于對照，C5、C10、C20、C40 和 C60 處理分別比對照高4.55%、5.84%、18.83%、18.83%和30.52%；厚壁菌門各處理均高于對照，C5、C10、C20、C40 和 C60 處理分別比對照高7.14%、10.71%、26.79%、17.86%和53.57%；擬桿菌門各處理均高于對照，C5、C10、C20、C40和 C60處理分別比對照高 10.00%、50.00%、30.00%、15.00%和10.00%。

從表3可以看出，細菌在綱分類水平上占優勢的綱一共有17個，其中物種總數超過10 000種的綱為Alphaproteobacteria（變形菌門α-變形菌綱）、Actinobacteria（放線菌門放線菌綱）和Acidobacteria_Gp6（酸桿菌門Gp6酸桿菌綱）。與對照相比，優勢綱所占比例有明顯增多的有變形菌門γ-變形菌綱、放線菌門放線菌綱、厚壁菌門桿菌綱、擬桿菌門鞘脂桿菌綱。對于C20處理、C40處理只有酸桿菌門Gp6酸桿菌綱、酸桿菌門Gp16酸桿菌綱、酸桿菌門Gp4酸桿菌綱、綠彎菌門厭氧繩菌綱、綠彎菌門Gitt-GS-136綱低于對照，其他綱均高于對照。

從表3可以看出，細菌在科分類水平上占優勢的科一共有12個，酸桿菌門Gp6科的物種總數最多，與對照相比，所有處理均高于對照的科有變形菌門中華桿菌科、放線菌門小單孢菌科和厚壁菌門芽孢桿菌1科。對于酸桿菌門Gp6科和酸桿菌門Gp4科只有C10處理高于對照而其他處理均低于對照。變形菌門生絲微菌科的C20處理、C40處理、C60處理均高于對照，分別比對照高20.41%、40.82%和38.78%。變形菌門紅螺菌科的C20處理、C40處理、C60處理均高于對照，分別比對照高31.03%、31.03%和20.69%。變形菌門鞘脂單胞菌科的C20處理、C40處理、C60處理均高于對照，分別比對照高9.52%、19.05%和28.57%。變形菌門中華桿菌科的各處理均高于對照，C5處理、C10處理、C20處理、C40處理和C60處理分別比對照高24.14%、13.79%和37.93%、48.28%和31.03%。變形菌門魚立克次體科的C20處理、C40處理、C60處理均高于對照，分別比對照高25.00%、12.50%和6.25%。放線菌門小單孢菌科的各處理均高于對

照，C5處理、C10處理、C20處理、C40處理和C60處理分別比對照高7.69%、7.69%和46.15%、69.23%和46.15%。厚壁菌門芽孢桿菌1科的各處理均高于對照，C5處理、C10處理、C20處理、C40處理和C60處理分別比對照高25.00%、8.33%和41.67%、16.67%和66.67%。

表3 細菌在門、綱、科、屬分類水平的豐度比較

從表3可以看出，細菌在屬分類水平上的優勢屬一共有9個，其中包含四個未分類的屬，已經命名的屬為酸桿菌門Gp6屬、酸桿菌門Gp16屬、酸桿菌門Gp4屬、變形菌門生絲微菌屬和變形菌門紫色非硫細菌屬。與對照相比，酸桿菌門Gp6屬只有C10處理高于4.90%，其他處理均低于對照；酸酐菌門Gp16屬各處理均低于對照；酸桿菌門Gp4屬只有C10處理高于4.00%，其他處理均低于對照；變形菌門生絲微菌屬的C20處理、C40處理、C60處理均高于對照，分別比對照高33.33%、58.33%和58.33%；變形菌門紫色非硫細菌屬的C20處理、C40處理、C60處理均高于對照，分別比對照高20.00%、33.33%和6.67%。

3 討論與結論

武春成等[8]研究表明,連作土壤施用適量的生物炭可以顯著降低土壤容重和電導率,提高田間持水量,pH和速效鉀含量,降低土壤真菌和尖孢鐮刀菌數量,提高細菌和細菌/真菌比值,從而改善了黃瓜根區土壤微生態環境,促進了黃瓜生長和產量的提高。李明等[9]研究表明：生物炭添加可以通過改善土壤性質，間接影響微生物群落結構，提高MBC和總量PLFA表征的微生物生物量水平。劉思宇等[3]認為,施用益生菌后,蔬菜苗床土壤微生物數量明顯增多,并隨著益生菌施用濃度的增加,不同蔬菜苗床土壤微生物呈現出不同的變化趨勢,茄子、黃瓜、甘藍施用濃度分別為0.3%、0.5%和0.7%。安啟坤等[5]研究結果表明,生物炭能夠改變土壤功能微生物的生長狀況,但是對于不同的微生物,生物炭的作用效果不同，對于部分細菌存在明顯生長促進作用，其中對芽單胞菌門細菌的促進和吸附作用較為明顯；而對于另外一部分細菌,生物炭對其生長基本沒有影響或有較小的抑制作用。陳敏等[10]研究表明,生物炭的施用促進了土壤中微生物數量的增加，且增施生物炭后增加了烤后煙葉的總產量。谷思玉等[11]研究表明,土壤中施入生物炭對大豆根際土壤養分含量及微生物數量產生顯著影響，在300～1 500 kg·hm-2范圍內，土壤中細菌、真菌和放線菌的數量分別提高1.95、1.65和1.69倍。

筆者通過對設施黃瓜添加不同量生物炭對黃瓜生長、土壤理化性質以及根域微生物的影響與前人研究結果一致，生物炭的添加均能促進植株生長，增加根際土壤微生物的數量與多樣性，在土壤中施入生物炭后，在黃瓜結果盛期，各處理的莖粗、根系數、根體積、總產量均有不同程度的提高，生物炭施用量為20 t·hm-2可提高黃瓜的根系數36.11%、根體積 72.41%、黃瓜干質量 11.66%、總產量12.15%，生物炭施用量為20 t·hm-2可明顯提高土壤中的堿解氮含量39.86%、速效磷含量135.95%、速效鉀含量 81.35%、有機碳 82.89%、全氮含量73.77%。生物炭施用量為 20、40、60 t·hm-2等較高濃度時對于根際土壤細菌的豐度影響較為明顯，可明顯提高變形菌門生絲微菌科、變形菌門紅螺菌科、變形菌門鞘脂單胞菌科、變形菌門中華桿菌科、變形菌門魚立克次體科、放線菌門小單孢菌科、厚壁菌門芽孢桿菌1科比例，提高變形菌門生絲微菌屬、變形菌門紫色非硫細菌屬的比例。土壤中還有很多有益真菌，活性炭對真菌有無影響，還需在今后的試驗中進一步探明。

[1]牛政洋，閆伸，郭青青，等．生物炭對兩種典型植煙土壤養分、碳庫及烤煙產質量的影響[J]．土壤通報，2017，48(1)：155-161.

[2]吳林坤，林向民，林文雄．根系分泌物介導下植物-土壤-微生物互作關系研究進展與展望[J]．植物生態學報，2014，38(3)：298-310．

[3]劉思宇，劉劍輝，李巖，等．益生菌對蔬菜根際土壤微生物的影響[J]．中國瓜菜，2014，27(5)：35-37．

[4]鄒春嬌，張勇勇，張一鳴，等．生物炭對設施連作黃瓜根域基質酶活性和微生物的調節[J]．應用生態學報，2015，26(6)：1772-1778．

[5]安啟坤，唐文竹．秸稈生物炭對土壤功能微生物生長及吸附的影響[J]．沈陽農業大學學報，2017，48(4)：411-417．

[6]李航，董濤，王明元．生物炭對香蕉苗根際土壤微生物群落與代謝活性的影響[J]．微生物學雜志，2016，36(1)：42-48．

[7]張娜，李佳，劉學歡，等．生物炭對夏玉米生長和產量的影響[J].農業環境科學學報，2014，33(8)：1569-1574．

[8]武春成，王彩云，曹霞，等．不同用量生物炭對連作土壤改良及黃瓜生長的影響[J]．北方園藝，2017，(19)：150-154．

[9]李明，李忠佩，劉明，等．不同秸稈生物炭對紅壤性水稻土養分及微生物群落結構的影響[J]．中國農業科學，2015，48(7)：1361-1369．

[10]陳敏，杜相革．生物炭對土壤特性及煙草產量和品質的影響[J].中國土壤與肥料，2015(1)：80-83．

[11]谷思玉，李欣潔，魏丹，等．生物炭對大豆根際土壤養分含量及微生物數量的影響[J]．大豆科學，2014，33(3)：393-397．