生物質炭和微生物菌劑配施對設施土壤理化特性及黃瓜產量和品質的影響

張功臣 趙征宇 王波 李磊 秦玉紅 王珍青 張守才

摘要：通過溫室盆栽試驗研究單施小麥秸稈炭（T1）、單施微生物菌劑“寧盾”（T2）、小麥秸稈炭和微生物菌劑配施（T3）對連作土壤理化性狀及黃瓜產量和品質的影響，以不進行任何處理的黃瓜連作土壤作對照（T0）。研究結果表明，生物質炭和微生物菌劑配施條件下，土壤速效氮含量、速效鉀含量、全氮含量、全鉀含量與對照相比顯著增加，而各處理間速效磷含量、全磷含量差異不顯著;在T2、T3處理條件下，土壤蔗糖酶活性顯著高于對照，而土壤脲酶活性顯著低于對照。與對照相比，T3處理條件下黃瓜根際土壤中可培養細菌數量顯著增加，真菌數量顯著降低。小麥秸稈炭和“寧盾”配施可顯著提高黃瓜的產量和品質，春季、秋季兩季黃瓜的總產量分別為114.41、85.80 t/hm2，比對照分別增加15.89%、12.36%;黃瓜果實的維生素C含量與對照相比增加21.22%，而硝酸鹽含量與對照相比降低37.63%。因此，生物質炭和微生物菌劑配施可增加連作土壤養分含量，改善土壤酶活性和微生物菌群結構，提高黃瓜產量和品質。

關鍵詞：連作土壤;黃瓜;微生物菌劑;協同作用;生物質炭

中圖分類號： S642.206文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）18-0155-05

收稿日期：2019-05-23

基金項目：現代農業產業技術體系建設專項資金（編號：CARS-23-G11）;青島市農業科學研究院博士基金（編號：2019-14-23）。

作者簡介：張功臣（1986—），男，山東青島人，博士，助理研究員，從事設施蔬菜栽培與環境調控技術研究。E-mail：gczhangnky@163.com。

通信作者：張守才，研究員，從事黃瓜遺傳育種與栽培技術研究。E-mail：zsc403@163.com。

設施蔬菜生產高度集約化，栽培管理難度大，特別是連作和長期不平衡施肥導致的土壤酸化、次生鹽漬化、土傳病害加劇、微生物群落功能劣變等土壤障礙問題逐年加重，嚴重影響設施蔬菜產業可持續發展[1]。因此，如何改善土壤微生態環境，增加土壤酶活性和根區微生物多樣性，緩解土壤連作障礙的發生，實現優質、高產、可持續栽培是設施園藝研究者和生產者關心的重要問題。

生物質炭是由農業廢棄物如秸稈、花生殼等經高溫（350～750 ℃）、限氧裂解形成的含碳量豐富、具有獨特多孔性結構的物質。相關研究報道，土壤中施用生物質炭可有效改善土壤理化性質，提高土壤的礦質養分含量，增加土壤有機質含量、碳氮比和pH值，提高根際有益菌的多樣性[2-3]。前期研究發現，連作土壤中施用小麥秸稈炭可以增加土壤肥力，改善土壤酶活性，促進黃瓜生長，提高產量[4]。然而，目前生物質炭生產成本較高，生產上一般作為炭基肥原料和高附加值園藝作物土壤改良劑使用。微生物菌劑“寧盾”主要是由2種芽孢桿菌和1種沙雷氏菌組成的復合微生物菌劑，對甜瓜枯萎病、番茄青枯病等土傳病害均有較好的防治效果[5]，此外，施用“寧盾”還可提高土壤微生物多樣性，增加植株根圍土壤酶活性，對土壤肥力和結構具有良好的改善作用[6]。然而，由于酸性肥料和殺菌劑的頻繁施用，導致設施土壤理化性狀惡化，微生物菌劑施用后，存在適應性差、促進作物生長及防控土壤病害的效果不明顯等問題。

生物質炭發達的多孔性結構、豐富的官能團以及良好的酸堿緩沖能力可以為土壤微生物提供良好的附著空間和繁殖條件，因此與微生物菌肥配施可發揮協同增效作用[7-8]。目前，關于生物質炭和微生物菌劑配施在設施蔬菜栽培中的應用研究報道較少。為探討生物質炭和微生物菌劑配施改良設施連作土壤、促進作物生長的效果，本研究采用溫室盆栽試驗研究小麥秸稈炭和微生物菌劑“寧盾”配施對土壤理化性狀以及黃瓜生長、產量的影響，分析土壤酶活性和根際或根區可培養土壤微生物數量變化，以期為生產中生物質炭和微生物菌劑的施用提供科學依據。

1?材料與方法

1.1?試驗材料

供試土壤取自青島市農業科學研究院黃瓜育種溫室耕作層（0～20 cm），壤質為潮棕壤，試驗開始前充分晾干混勻備用。該溫室自1996年開始種植黃瓜，每年種植2茬，至取樣時已連作黃瓜22年。小麥秸稈炭購自河南三利新能源有限公司，由小麥秸稈在450～550 ℃高溫限氧條件下裂解而成，過2 mm篩后使用，其基本性狀為：有機碳含量303.3 g/kg、速效氮含量185.60 mg/kg、速效磷含量363.20 mg/kg、速效鉀含量6.50 g/kg、全氮含量1.19%、全磷含量0.20%、全鉀含量7.75%、pH值9.93、總鹽分含量9.94 g/kg。微生物菌劑“寧盾”的主要成分為復合芽孢桿菌，購自南京本源生態農業科技有限公司。試驗用植物材料黃瓜翠龍和南瓜砧木14F24，均由青島市農業科學研究院蔬菜研究所提供。

1.2?試驗設計

盆栽試驗在青島市農業科學研究院試驗基地玻璃溫室內進行。試驗采用完全隨機區組設計，設連作土壤單施0.25%（m/m）小麥秸稈炭（T1）;單施微生物菌劑（T2）;0.25%小麥秸稈炭和生物菌劑配施（T3）;以未進行任何處理的連作土壤作為對照（T0），每個處理3次重復。小麥秸稈炭在土壤裝盆前一次性混勻施入，“寧盾”用水稀釋至有效菌含量約為1×107 CFU/mL后，在黃瓜定植時按照1 L/株灌根，對照處理灌同等體積的清水。栽培方式按照筆者所在實驗室前期報道的方法[4]進行。采用吊蔓栽培方式，春季于2018年4月4日定植，秋季于2018年8月20日定植，每盆定植黃瓜2株，均勻擺放于溫室中，施肥灌溉采用常規水肥一體化的方式進行。春季控制白天平均溫度為26 ℃，夜間平均溫度為18 ℃，濕度控制在65%～80%范圍內;秋季控制白天平均溫度為30 ℃，夜間平均溫度為25 ℃，濕度控制在65%～85%范圍內。

1.3?土壤理化性質及酶活性的測定

土壤理化性質測定參照鮑士旦的方法[9]進行。在黃瓜結瓜期追肥之前，采用多點混合法取地表面5 cm以下的根圍土壤充分混勻后，風干過2 mm篩，分別測定其全氮含量、全磷含量、全鉀含量、速效氮含量、有效磷含量、速效鉀含量、有機質含量、pH值和總鹽分含量。土壤酶活性測定參照關蔭松等的方法[10]進行，分別在定植后0、20、40 d取根區土壤樣品，風干過篩后，利用分光光度法測定不同處理條件下土壤酶活性。

1.4?可培養微生物平板計數

土壤可培養微生物數量采用稀釋平板法[11]測定。在黃瓜拉秧時將根系從土壤中輕輕拔出，用無菌小刀把根外大部分土塊去除，輕輕抖落松散地附在根上的土粒，收集10 g新鮮土樣，加入含有100 mL無菌水的250 mL三角瓶中，130 r/min，振蕩15 min，制備成根區（非根際）土壤懸液。取抖落表面土壤的根系10 g，置于含有100 mL無菌水的250 mL 三角瓶中，130 r/min，振蕩15 min，制備成根際土壤懸液，用無菌鑷子取出根系，濾紙吸干水分，稱根質量，洗劑前后質量差即為根際土的質量。將以上2種方法所得土壤懸液按10倍梯度稀釋，根際細菌采用稀釋至10-6～10-5濃度梯度的懸液接種，根際真菌采用稀釋至10-4～10-3濃度梯度的懸液接種;根區細菌采用稀釋濃度梯度10-4～10-3濃度梯度的懸液接種，根區真菌采用稀釋至10-3～10-2濃度梯度的懸液接種，各取100 μL涂布于平板上，在溫度為30 ℃條件下培養2～5 d，統計土壤中可培養微生物數量。

1.5?黃瓜生長、產量和品質的測定

春季、秋季2季分別在定植后30、40、50 d測定不同處理黃瓜植株的株高。在結瓜盛期測定不同處理植株的葉面積。拉秧后整株收獲，測定黃瓜地上部鮮質量。結瓜期分批采收商品瓜（瓜條長度18～22 cm，直徑3.5～4.0 cm），累計計產。黃瓜產量采用平均單株產量估算，產量=不同處理單株平均產量×52 500。其中52 500為設施生產中1 hm2平均定植黃瓜株數。結瓜盛期不同處理采收均勻一致的10個黃瓜果實，參照王學奎的方法[12]測定黃瓜品質，其中粗蛋白含量采用凱氏定氮法測定;可溶性糖含量采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定;維生素C含量采用2，6-二氯靛酚滴定法測定;硝酸鹽含量采用水楊酸比色法測定;果實干物質量采用烘干法測定，并計算干物率。

1.6?數據統計

所得數據用“平均值±標準差”表示，采用IBM SPSS 200統計軟件進行方差分析，并使用Duncans測驗（P<005）比較不同處理數據間的差異顯著性。

2?結果與分析

2.1?小麥秸稈炭與微生物菌劑配施對設施土壤養分的影響

春季黃瓜結瓜期追肥前測定不同處理土壤養分含量從表1可以看出，小麥秸稈炭和微生物菌劑配施處理條件下，土壤中的速效氮含量、速效鉀含量、全氮含量、全鉀含量與對照相比顯著增加;生物質炭（小麥秸稈炭）處理條件下土壤中速效磷含量與對照相比降低，但不同處理間差異不顯著。生物質炭和根際促生菌施用后，土壤pH值與對照相比差異不顯著，而土壤總鹽分含量顯著增加，特別是二者配施處理條件下，土壤鹽分含量與對照相比增加61.36%，這可能與小麥秸稈炭自身所含鹽分含量較高以及微生物菌劑施用促進難溶性礦質養分降解有關。

2.2?小麥秸稈炭與微生物菌劑施用對土壤酶活性的影響

土壤酶活性可在一定程度上反映土壤肥力和土壤微生物代謝情況。秋季分別在黃瓜定植后0、20、40 d測定不同處理條件下的土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶活性。從圖1可以看出，黃瓜生長過程中，土壤過氧化氫酶和脲酶活性總體呈現下降的趨勢（圖1-B、圖1-C），而蔗糖酶活性總體呈現升高的趨勢（圖1-A），酸性磷酸酶活性隨栽培時間延長變化不明顯（圖1-D）。在T2、T3處理條件下，土壤蔗糖酶活性顯著高于對照，而土壤脲酶活性顯著低于對照。除定植后40 d外，T2、T3處理條件下土壤過氧化氫酶活性顯著高于對照。定植后40 d時，生物質炭和微生物菌劑處理條件下土壤酸性磷酸酶活性顯著高于對照處理。

2.3?小麥秸稈炭與微生物菌劑配施對土壤可培養微生物數量的影響

從圖2可以看出，設施黃瓜根際土壤中的細菌和真菌數量明顯高于根區土壤。與對照相比，T1、T3處理條件下，根際土壤中細菌數量增加，而真菌數量降低。其中以T3處理最為顯著，根際土壤中細菌數量顯著高于對照，而真菌數量顯著低于對照。在根區土壤中，除T1處理的真菌數量顯著高于對照外，其他處理條件下可培養細菌和真菌數量與對照相比差異不顯著。

2.4?小麥秸稈炭與微生物菌劑對黃瓜生長及產量的影響

2.4.1?小麥秸稈炭與微生物菌劑配施對黃瓜生長的影響

春季在定植后30、40、50 d分別測定黃瓜的株高。結果（表2）表明，連作土壤中施用0.25%小麥秸稈炭可促進黃瓜生長，特別是小麥秸稈炭和微生物菌劑配施處理條件下，黃瓜株高顯著高于對照，而單一施用根際微生物菌劑對黃瓜的株高影響不顯著。結瓜盛期測定不同處理黃瓜植株主莖最大葉葉面積，T1、T3處理條件下，黃瓜葉面積顯著高于對照;T2單施微生物菌劑處理條件下，黃瓜葉面積與對照差異不顯著。T3處理條件下，黃瓜地上部鮮質量明顯增加，但與對照相比差異不顯著。

秋季單施小麥秸稈炭和生物質炭與微生物菌劑配施條件下，黃瓜的株高、葉面積高于對照，但與對照處理相比差異不顯著。

2.4.2?小麥秸稈炭與微生物菌劑配施對黃瓜產量的影響

從表3可以看出，單施小麥秸稈炭和單施微生物菌劑處理條件下，春、秋2季黃瓜產量與對照相比差異不顯著，然而二者配施條件下黃瓜的增產效果最好，總產量顯著高于對照。二者配施條件下，春、秋2季黃瓜的前期產量分別為47.32、60.58 t/hm2，與對照相比分別增加28.13%、4.54%;總產量分別為114.41、85.80 t/hm2，與對照相比分別增加15.89%、12.36%。

2.4.3?小麥秸稈炭與微生物菌劑施用對黃瓜品質的影響?從表4可以看出，生物質炭與微生物菌劑配施條件下，黃瓜果實的維生素C含量顯著增加，新鮮果實中維生素C含量為9.94 mg/100 g，比對照增加21.22%。單施微生物菌劑以及生物質炭與微生物菌劑配施均可顯著降低果實中的硝酸鹽含量，T2、T3處理條件下，果實硝酸鹽含量與對照相比分別降低20.19%、37.63%。不同處理條件下黃瓜果實干物率、可溶性總糖含量、粗蛋白含量差異不顯著。

3?討論與結論

秸稈來源的生物質炭含碳量豐富，特別是鉀含量較高，因此施入土壤中可增加土壤養分含量，提高肥力。本試驗中，小麥秸稈來源的生物質炭，與花生殼炭和稻殼炭相比容重小，因此單位質量相同條件下，其所占體積較大。少量小麥秸稈炭（0.25%）和微生物菌劑配合施用后土壤速效氮含量、速效鉀含量、全氮含量、全鉀含量較對照顯著增加，而土壤全磷、速效磷含量與對照相比差異不顯著。然而，生物質炭處理條件下，土壤中速效磷含量與對照相比降低。這可能是由于生物質炭對有效磷具有一定的吸附作用，引起土壤中植物可利用磷含量降低[13]。諸海燾等報道，黃瓜對土壤中氮磷鉀養分的吸收比例一般為1 ∶0.48 ∶1.34[14]，然而，設施黃瓜生產中，由于長期不平衡施肥導致土壤中的磷大量累積，土壤中的磷肥處于過剩狀態[15]。因此，設施土壤中施用生物質炭可吸附一部分土壤中的磷素，減少磷的流失，提高磷肥的利用效率。

設施栽培的集約化特性以及長期的過量和不平衡施肥導致設施土壤極容易發生次生鹽漬化現象，鹽漬化土壤的鹽分組成以NO3-、SO42-、Ca2+為主。優化施肥，降低設施土壤鹽分含量，是設施栽培的重要目標。本研究結果表明，設施土壤中施用生物質炭和微生物菌肥可顯著提高連作土壤的總鹽含量，一方面因為小麥秸稈炭自身的可溶性鉀、速效氮、速效磷等養分含量較高[8]，引起土壤中可溶性鹽分含量升高;另一方面可能是復合芽孢桿菌菌劑的施用，促進了土壤有益微生物的大量繁殖，加速土壤中難溶性養分的分解[16-17]。因此，設施生產中應適量施用生物質炭，以免引起土壤中可溶性總鹽分過量積累，降低作物產量和品質。

土壤微生物區系的惡化失調是設施土壤連作障礙發生的重要原因[18]。設施黃瓜連作可導致土壤由細菌型向真菌型轉變，根際微生物平衡狀態被破壞，特別是引起植物病原真菌的積累[19]。本研究發現，生物質炭和微生物菌劑處理對黃瓜根際土壤微生物的數量影響較大，特別是在二者配施條件下，根際土壤中細菌數量顯著高于對照，而真菌數量顯著低于對照，類似的現象在水稻栽培上也有報道[20]。首先，生物質炭自身的吸附作用及獨特的理化性質，可改善土壤根際微生物數量及群落結構。Egamberdieva等研究發現，土壤中施用2%通過水熱方法制備的生物質炭可顯著提高大豆根際微生物的多樣性，并且使根際促生細菌的比例增加，從而證明了生物質炭可以間接通過改變根際微生物群落結構，增加根際有益微生物，進而促進作物生長[3]。其次，微生物菌劑和小麥秸稈炭配施增加了根部土壤細菌數量，而這些有益菌對部分土壤病原真菌又有直接的拮抗作用，因此，可減少真菌的數量[21]。

生物質炭作為一種新型的土壤改良劑，對黃瓜和番茄等多種設施蔬菜具有促進生長和增產的作用[22-24]。本研究發現，連作土壤中施用小麥秸稈炭可促進黃瓜生長，增加產量。特別是小麥秸稈炭和微生物菌劑配施對黃瓜的增產效果優于單一施用小麥秸稈炭，表現出協同效應。這一方面是由于生物質炭獨特的結構，可改善土壤容重，增加土壤肥力和持水力，促進黃瓜的生長。另一方面，本試驗所用復合芽孢桿菌菌劑，可改善植株根圍土壤理化性狀，增加根圍土壤肥力，進而促進黃瓜吸收養分和生長發育。此外，微生菌劑對土壤中的枯萎病等病原菌會產生拮抗作用，減少土傳病害的發生，間接地提高作物產量[5]。生物質炭和微生物菌劑配施條件下，生物質炭的多孔隙結構，能夠為微生物提供附著位點和較大的生存空間。同時，生物質炭所含有的易分解有機物質可以為微生物提供碳源和氮源。因此，二者配施可以促進微生物菌劑在根際土壤中定殖，提高菌體的成活率，發揮協同增效作用。

維生素C、硝酸鹽含量是評價蔬菜品質的重要指標，施用生物質炭或生物質炭基肥可以提高蔬菜中的維生素含量，降低硝酸鹽含量[25]。本研究也發現，在連作土壤中添加生物質炭和微生物菌肥處理條件下，黃瓜果實維生素C含量明顯高于對照，而硝酸鹽含量與對照相比明顯降低。生物質炭可通過影響植物對養分的吸收，影響維生素C和硝酸鹽的合成或代謝途徑。劉曉雨等研究表明，生物質炭施用后小白菜葉片硝酸鹽含量與鉀含量呈極顯著的負相關關系，隨著小白菜體內鉀素的增加硝酸鹽含量降低[26]，這是因為鉀離子能夠誘導硝酸鹽還原酶的合成，增強其活性，有利于硝酸鹽還原。而微生物菌劑可直接降低植物根際土壤中硝酸鹽含量，減少植物對硝酸鹽的吸收。從而減少果實中硝酸鹽的積累[27]。

綜上所述，黃瓜連作土壤中小麥秸稈炭和微生物菌劑配施可增加連作土壤養分含量，改善土壤酶活性，增加根際土壤可培養細菌數量且降低根際真菌數量，促進黃瓜生長，提高產量及品質。

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