生物炭對連作土壤性質及菊花生長和品質的影響

張新俊,楊芳絨,張書文,高博垚

生物炭對連作土壤性質及菊花生長和品質的影響

張新俊1,楊芳絨2*,張書文2,高博垚2

1. 河南農業職業學院, 河南 中牟 451450 2.河南農業大學風景園林與藝術學院, 河南 鄭州 450002

為了緩解菊花（Ramat.）設施栽培中，連作障礙對生產造成的損失，本試驗以連作菊花3年的土壤為研究對象，考察不同生物炭施加量（1%，5%，10%和20%）對連作土壤性質和菊花生長的影響。結果表明：施用生物炭處理使連作菊花土壤的容重降低，含水量增加，土壤溫度略有增加；生物炭處理連作菊花土壤的pH值、氧化還原電位和土壤中的養分元素（全碳、全氮、全磷和全鉀）含量均不同程度增加；生物炭促進連作菊花土壤細菌、真菌和放線菌數量的增加。施用生物炭對菊花生長和產品品質有促進和提高的作用。研究結果表明，生物炭施用量為15%的處理，對連作菊花土壤性質改善和菊花生長、產品品質的促進效果最好，是緩解連作菊花栽培中的土壤障礙問題的有效手段。

生物炭; 菊花; 土壤

作為四大切花之一的菊花（Ramat.），是菊科多年生的草本植物，近年來隨著園林綠化和裝飾美化的需求越來越多，設施栽培菊花的面積不斷地擴大，生產專業化的程度不斷地提高，菊花的連作也成了不可避免的問題。連作障礙是在同一土壤中連續多年栽培同種或同科作物時產生的，即使栽培管理措施相同也不可避免地產生作物長勢變弱、品質和產量下降的現象。連作障礙現象廣泛地存在于蔬菜、果實、花卉等園藝作物的設施栽培生產中[1]。連作導致菊花生長發育不良，病蟲害多發，常表現為植株的矮化、葉片的腐爛和花型的畸變，不僅嚴重降低了菊花的觀賞性，也對菊花產業的經濟效益造成巨大的影響[2-4]。

土傳病蟲害的增加和土壤理化性質的惡化是連作障礙的重要成因。連作使得作物根系病害可以容易獲得寄主和繁殖的場所，進而導致土壤中病原菌的數量不斷地增加，尤其是生產上頻繁使用化肥導致的病原接抗菌減少，更促進了土傳病蟲害的發生。前人研究結果表明，土壤物理性質（如空隙度、水分含量、通透性等）對植物的根系生長以及養分吸收具有重要的影響，連年施用化肥導致土壤非活性空隙比例相對降低，通水透氣性能降低，進而影響植物根系的伸長生長，最終表現為連作障礙[5-7]。為了克服連作障礙的種種弊端，生產上常用輪作和間套作的栽培方式，以及利用抗病品種和采用嫁接技術等，但對于菊花的研究報道并不多。

有機物原料在完全缺氧或者部分缺氧的條件下，經過高溫熱裂解而產生的一類富碳、高度芳香化和高穩定性的有機物質稱為生物炭。生物炭可作為土壤改良劑，且對環境沒有污染，因而被廣泛應用在農業生產中，以應對農業障礙土壤的修復和改良[8]。近年來有大量的試驗研究結果表明，農田施用生物炭后，土壤的物理、化學和生物學性質均得到顯著的改善。施用生物炭可以降低土壤容重，增加土壤的孔隙度，提高土壤的持水力，并有利于保持土壤溫度的恒定[9]。而生物炭對土壤pH值的影響主要取決于施用生物炭的種類和含量[10]。生物炭可以減少土壤養分的流失，進而增加作物對土壤養分的利用效率。生物炭對土壤性質的改良和土壤微環境的改善，給作物根系提供了更適合的生長環境條件，進而表現為對作物生長發育和產量形成的促進效應[11]。但有關施用生物炭對連作菊花土壤的改善效果和對菊花生長發育的影響研究報道的不多。本試驗考察小麥秸稈生物炭對菊花連作3年土壤的理化性質以及對菊花生長發育的影響效果，以期為菊花生產中科學應用生物炭進行土壤改良提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試生物質炭為河南三利新能源公司生產，炭化原料是小麥秸稈，在350～550 ℃條件下限氧熱裂解炭化制成。使用前將小麥秸稈生物炭磨碎并過2 mm篩，并混合均勻。生物質炭的理化性質為：pH=10.4，有機碳含量為467 g·kg-1，全氮含量為5.9 g·kg-1。

供試切花菊品種為優香，采用盆栽試驗進行處理；供試連作土壤取自菊花種植基地連作3年菊花的土壤，土壤基本理化性質為：pH=7.3，有機質含量為20.5 g·kg-1，堿解氮含量為140 mg·kg-1，速效磷含量為120.3 mg·kg-1，速效鉀含量為118.5 mg·kg-1。

細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基，真菌采用馬丁氏培養基，放線菌采用高氏一號培養基進行培養。

1.2 試驗方法

選取長勢健壯一致的腳芽，種植在20 cm×20 cm的塑料花盆中。塑料花盆裝土高度為澆水后距離盆口約2 cm，每盆種植1株切花菊。以不施加生物炭為對照，試驗設生物炭添加量分別為1%，5%，10%，20%共4個處理，分別記為CK、T1、T2、T3和T4。小麥秸稈生物炭按質量比均勻混入連作土壤中。每個處理20盆菊花，試驗設3次重復。正常田間栽培管理，處理40 d后取樣進行土壤性質和菊花生長指標測定。

1.2.1 施用生物炭處理后連作菊花土壤物理性質的變化施用生物炭處理40 d時每處理取土壤樣品5.0 g，用于土壤容重、水分含量和溫度的測定，考察不同生物炭施用量處理對連作菊花土壤物理性質的影響。采用環刀法測定土壤容重，采用烘干法測定土壤含水量，參照文獻中的方法測定土壤飽和持水量和土壤溫度[12]。

1.2.2 施用生物炭處理后連作菊花土壤化學性質的變化施用生物炭處理40 d時，每處理取土壤樣品1.0 g，用于土壤pH值、氧化還原電位（Eh）和土壤養分元素含量的測定，考察不同生物炭施用量處理對連作菊花土壤化學性質的影響。土壤pH值和氧化還原電位（Eh）采用便攜式pH計測定，水:土=2.5:1，室溫下振蕩30 min后進行測定。土壤取樣后風干過篩，用微波消解儀進行消解后，全磷（P）含量采用鉬銻抗比色法測定，全鉀（K）含量采用原子吸收分光光度計測定，土壤全氮和全炭含量均采用元素分析儀進行測定，并計算土壤的碳氮比[12]。

1.2.3 施用生物炭處理后連作菊花土壤微生物含量的變化取土樣5.0 g，加入無菌水，室溫下振蕩30 min，促使土壤中的微生物充分分散。制備系列濃度梯度稀釋液共涂布平板計數微生物數量使用。

采用平板涂抹法分離土壤懸濁液中的細菌、真菌和放線菌[12]。取0.1 mL土壤懸濁液稀釋液置于平板中央，用涂布器涂抹均勻，室溫下培養3～5 d后，顯微鏡下計數。

1.2.4 施用生物炭處理對菊花生長的影響處理60 d測定菊花的株高和莖粗，以及菊花花徑、小花總數和畸形花率，比較不同生物炭施用量對菊花生長和產品品質的影響。處理60 d取菊花第3葉采用乙醇/丙酮混合提取法測定葉片中葉綠素的含量[12]。

2 結果與分析

2.1 施用生物炭處理后連作菊花土壤物理性質的變化

由表1可知，施用生物炭后，連作菊花土壤的容重降低，土壤含水量增加，土壤溫度變化不大。隨著生物炭施用量的增加，連作菊花土壤的容重明顯降低，T4處理的土壤容重最低，為1.02 g·cm-3，比對照（1.39 g·cm-3）降低了26.7%。隨著生物炭施用量的增加，連作菊花土壤的含水量逐漸增加，T1處理的含水量與對照差異不大，T4處理的土壤含水量顯著高于對照，比對照增加了40%左右。不同生物炭施入量處理間，土壤溫度的差異不大。

表1 不同生物炭施用量對連作菊花土壤物理性質的影響

2.2 施用生物炭處理后連作菊花土壤化學性質的變化

由表2可以看出，施用生物炭后，連作菊花土壤pH值、氧化還原電位和土壤中的養分元素含量均不同程度增加。隨著生物炭施用量的增加，連作菊花土壤的pH值逐漸增大，T2、T3處理和T4處理的pH值均顯著高于對照和T1處理。隨著生物炭施用量的增加，土壤氧化還原電位逐漸增加，T3處理的氧化還原電位最高，達136 mV，比對照升高了63.9%。隨著生物炭施用量的增加，土壤養分元素含量呈逐漸增加的趨勢，T1處理全碳含量略高于對照，T3處理和T4處理全碳含量顯著高于對照，且T3處理和T4處理間全碳含量差異不大；T1處理全氮含量略高于對照，T3處理的全氮含量最高，達1.83 g·kg-1，比對照增加了15.8%；T4處理的碳氮比最高（11.13），施用生物炭處理的碳氮比均顯著高于對照。T3處理的全鉀和全磷含量均最高，T4和T2的全鉀和全磷含量比較接近。

表2 不同生物炭施用量對連作菊花土壤化學性質的影響

2.3 施用生物炭處理后連作菊花土壤微生物含量的變化

由圖1可知，施用生物炭處理后，菊花連作土壤細菌含量升高。隨著生物炭施用量的增加，土壤細菌數量呈先增加后降低的趨勢，T3處理的土壤細菌數量最多，T2處理與T4處理土壤細菌數量差異不大，均略低于T3處理。由圖2可知，施用生物炭處理菊花連作土壤中真菌的數量升高。不同生物炭施用量處理中，T3處理的土壤真菌數量最高，達5.6×107CFU·g-1，T4和T1處理次之，T2處理的土壤真菌數量最低。由圖3可知，施用生物炭處理使連作菊花土壤中放線菌數量顯著增加。隨著生物炭施用量的增加，土壤放線菌數量呈先增加后降低的趨勢，其中T3處理的放線菌數量最高。

圖1 不同生物炭施用量對連作菊花土壤細菌數量的影響

圖2 不同生物炭施用量對連作菊花土壤真菌數量的影響

圖3 不同生物炭施用量對連作菊花土壤放線菌數量的影響

2.4 施用生物炭處理對菊花生長的影響

由表3可知，施用生物炭處理對菊花的生長和花朵品質有明顯的促進作用。T1處理的株高與對照相比略有升高，隨著生物炭施用量的增加，菊花的株高逐漸增高，T3處理的株高最高，比對照高5.2%。隨著生物炭施用量的增加，菊花的莖粗也逐漸增粗，T4處理的莖粗最大。菊花葉片中的葉綠素含量也隨著生物炭施用量的增加呈增加趨勢，T3和T4處理的葉綠素含量均較高。

由表3可知，菊花的花徑隨著生物炭施用量的增加，明顯增大。T3處理的花徑最大，比對照增幅達28.5%。菊花的小花總數隨生物炭施用量的增加逐漸增加，T4處理小花總數最高，達229朵。隨著生物炭施用量的增加，菊花畸形花率逐漸降低，T4處理的畸形花率最低，比對照小24.1%。

表3 不同生物炭施用量對連作菊花生長和花朵品質的影響

3 討論與結論

隨著菊花生產集約化程度的逐漸提高，設施栽培中化肥施用量的逐漸增長，設施菊花連作栽培土壤問題越來越嚴重，成為限制菊花產值進一步提高的重要瓶頸[13-15]。前人研究結果表明，生物炭的表面多孔特性可以為微生物的生長和繁殖提供適宜的環境，并且對植物根際土壤的理化性質起到改善的作用，進而促進作物的生長和發育[16]。生物炭的多孔特性使其對土壤中的養分元素具有更強的吸附作用，對土壤中水分的保持能力更強[17]。本試驗結果表明，施用15%生物炭的處理，連作菊花土壤的容重和含水量均較對照有顯著的升高。此外，連作菊花土壤的溫度也隨生物炭的施用略有升高。

本試驗結果表明，施用小麥秸稈生物炭能顯著改善連作菊花土壤的化學性質。生物炭施用量為15%的處理，連作菊花土壤pH值和氧化還原電位均較高，有效改善了設施連作土壤的酸化問題，增加了土壤中養分元素的有效性。施用生物炭處理后，連作菊花土壤中的養分元素含量也明顯增加，其中以施用15%生物炭的處理，全碳、全氮、全磷和全鉀的含量最高。黃超等[18]的研究結果表明，施用生物炭處理后，土壤水穩定性團聚體數量增加，土壤速效養分含量增加，增強了土壤保水保肥能力，改善了黑麥的生長環境進而促進黑麥生長。本研究通過實驗也表明，施用生物炭處理后，連作菊花土壤的物理性質和化學性質明顯改善，且菊花的生長和產品品質也得到了改善。

綜上可知，生物炭施用量為15%時，連作菊花土壤的物理性質（容重、含水量和溫度）、化學性質（pH值、氧化還原電位和養分元素含量）及微生物數量均較高，菊花生長和產品質量均有明顯改善，是設施菊花連作栽培土壤改良的適宜施用量。

[1] Zhou ZJ, Du CW, Li T,Biodegradation of a biochar-modified materborne polyacrylate membrane coating for controlled-release fertilizer and its effects on soil bacterial community profiles [J]. Environmental Science and Pollution Research, 2015,22(11):8672–8682

[2] 喻景權,杜堯舜.蔬菜設施栽培可持續發展中的連作障礙問題[J].沈陽農業大學學報,2000(1):124-126

[3] 劉曉珍,肖逸,戴傳超.鹽城藥用菊花連作障礙形成原因初步研究[J].土壤,2012,44(6):1035-1040

[4] 趙寶泉,王茂文,丁海榮,等.藥用菊花連作障礙及其緩解措施研究進展[J].安徽農業科學,2016,44(9):150-152

[5] 吳鳳芝,趙鳳艷.根系分泌物與連作障礙[J].東北農業大學學報,2003,34(1):114-118

[6] 張子龍,王文全.植物連作障礙的形成機制及其調控技術研究進展[J].生物學雜志,2010,27(5):69-72

[7] 侯慧,董坤,楊智仙,等.連作障礙發生機理研究進展[J].土壤,2016,48(6):1068-1076

[8] 文中華,劉喜雨,孟軍,等.生物炭和腐熟秸稈組配基質對水稻幼苗生長的影響[J].沈陽農業大學學報,2020,51(1):10-17

[9] 蓋霞普,翟麗梅,王洪媛,等.生物炭對土壤微生物量及其群落結構的影響[J].沈陽農業大學學報,2017,48(4):399-410

[10] 韓光明,孟軍,曹婷,等.生物炭對菠菜根際微生物及土壤理化性質的影響[J].沈陽農業大學學報,2012,43(5):515-520

[11] 馬麗,郭學良,齊紅志,等.生物炭對連作草莓光合特性及光響應的影響[J].西北林學院學報,2020,35(2):72-78

[12] 中國科學院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上海科技出版社,1978

[13] 楊迎東,馮秀麗,胡新穎.氮營養對切花菊優香品質的影響[J].江蘇農業科學,2014,42(9):142-144

[14] 杜忠友,王文華,梁華強,等.貴陽地區出口切花菊栽培及管理技術[J].貴州農業科學,2009,37(3):129-130,132

[15] 祝朋芳,齊丹,段玉璽,等.菊花白銹病病原菌侵染循環的顯微觀察[J].沈陽農業大學學報,2010,41(2):221-223

[16] 武玉,徐剛,呂迎春,等.生物炭對土壤理化性質影響的研究進展[J].地球科學進展,2014,29(1):68-79

[17] 黃超,劉麗君,章明奎.生物質炭對紅壤性質和黑麥草生長的影響[J].浙江大學學報(農業與生命科學版),2011,37(4):439-445

Effect of Biochar on Soil Properties of ContinuousRamat. Cropping and Plant Growth as well as Flower Quality

ZHANG Xin-jun1, YANG Fang-rong2*, ZHANG Shu-wen2, GAO Bo-yao2

1.451450,2.450002,

In order to overcome continuous cropping obstacles, biochar was used as soil conditioner in agricultural production widely. In this study, soils of continuous croppingRamat for 3 years were taken as material to investigate the effects of different application amount( 0, 1%,5%,10%,15% and 20%) by biochar on soil properties and plant growth as well as flower quality. The results showed that the biochar application decreased the soil bulk density, increased the water content, and slightly increased the soil temperatures. The soil pH values and Eh, as well as nutrient elements contents increased with the application of biochar. The microorganism quantities of bacteria, fungi and actinomycetes were increased, too. The applications of biochar were good for plant growth and flower quality of. In conclusion, biochar application amount of 15% was suitable for continuouscropping to improve soil property and improve plant growth and flower quanlity.

Biochar;Ramat; soil

S682.11

A

1000-2324(2022)01-0034-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.01.006

2021-12-04

2022-01-26

河南省科技廳科技攻關重點研發與推廣專項(212102110188)

張新俊(1982-),女,本科,講師,主要從事園藝栽培研究. E-mail:zhangxinjun0630@163.com

Author for correspondence. E-mail:1140344807@qq.com