叢枝菌根真菌和生物炭聯合施用對土壤有機碳組分及團聚體的影響

陳雪冬， 劉雪龍， 吳孔陽， 唐 琳， 李 俊

(洛陽師范學院生命科學學院，河南洛陽 471934)

土壤有機碳是土壤質量的核心，不僅影響土壤質量和功能，而且對全球氣候變化也有重要作用。土壤活性有機碳是指土壤中穩(wěn)定性差、周轉速率快、易礦化分解、易受微生物影響的那部分碳素，主要包括可溶性有機碳、易氧化態(tài)有機碳等，其變化可以表征土壤固碳能力。土壤團聚體是土壤結構的基本單位，由土壤顆粒膠結形成，團聚體的形成可以限制土壤微生物的活動，引起微生物與有機碳的空間隔離，從而提高土壤有機碳的穩(wěn)定性。

生物炭是由廢棄的生物質殘體在高溫限氧情況下熱裂解而產生的高度芳香化物質，制備工藝簡單，且原材料來源豐富，是一種環(huán)境友好型材料，具有含碳豐富、孔隙發(fā)達、表面積大、吸附能力強等突出優(yōu)勢，能夠與土壤顆粒形成團聚體，避免土壤微生物的分解，長時間留存在土壤中，長期施用可增強土壤貯碳功能。

叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza，簡稱AM)真菌是一類分布廣泛的土壤微生物，幾乎存在于所有的陸地生態(tài)系統中。AM真菌具有豐富的外延菌絲，包含20%～30%的微生物生物量，相當于15%的土壤有機碳庫，而且AM真菌可以通過豐富的菌絲網絡將土壤纏繞在一起，使土壤顆粒按照一定的規(guī)律進行排列，提高土壤團聚體穩(wěn)定性。此外，AM真菌菌絲會分泌球囊霉素，球囊霉素儲存的碳可以在土壤中保留長達12～22年之久，而且球囊霉素是形成土壤團聚體的重要黏合劑，可以加速土壤團聚過程，提高土壤有機碳的穩(wěn)定。目前許多研究已證實AM真菌和生物炭能提高土壤有機碳含量，但二者聯合作用的研究仍然較少，尤其是AM真菌與生物炭配施對土壤活性碳組分和土壤結構的影響尚不明確。因此，為了探明AM真菌與生物炭聯合施用對土壤有機碳和土壤結構的影響，本研究設計了盆栽試驗研究不同溫度制備的秸稈生物炭與AM真菌配施對土壤有機碳組分及團聚體分布的影響，以期為菌根技術和生物炭的聯合應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年4—7月在洛陽師范學院生命科學學院科研溫室進行。

土壤：選取郊外無污染的玉米農田，采集0～20 cm 土壤，除去生物殘體、石塊等雜物，充分混合后取足量土壤帶回實驗室，鮮土粉碎后過5 mm篩，裝袋保存。

菌種：以玉米為宿主，選用筆者所在研究室保存的根內根生囊霉()菌種進行繁殖，60 d后收集其孢子、菌絲體和侵染根段，制備為接種菌劑，裝袋保存。

生物炭：生物炭購自南京智融聯科技有限公司，由玉米秸稈經過不同溫度(300、400、500 ℃)制備而成。

玉米：選飽滿程度相似的玉米種子，表面消毒后，萌發(fā)備用。

1.2 試驗設計

將供試土壤經高溫高壓滅菌冷卻后，各取 1.0 kg 土壤裝入塑料花盆中(直徑21 cm，高 12 cm)，試驗設生物炭(不添加，添加300、400、500 ℃ 生物炭)和AM真菌(不接種、接種)2個因素，共8個處理，其中每種生物炭的添加量為3%，與土壤混勻。向需要接菌的土壤中添加30 g菌劑，不需接種的土壤添加等量滅菌菌劑和10 mL菌劑過濾液，使土壤中的其他微生物組成一致，然后將萌發(fā)的玉米種子撒在花盆中間，每個處理5盆重復，之后按常規(guī)育苗管理。

1.3 生物炭比表面積的測定

利用比表面分析儀(V-Sorb2800P，北京)測定不同溫度制備的生物炭的比表面積。

1.4 玉米生長指標的測定

待玉米生長3個月后，拍照記錄玉米植株的生長狀況，使用長直尺測量玉米植株的株高并記錄，使用游標卡尺測定玉米植株的地徑并記錄。

1.5 土壤有機碳及活性碳組分的測定

土壤總有機碳含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定；土壤可溶性有機碳含量采用冷水浸提后用TOC儀測定；土壤易氧化有機碳含量采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化法測定。

1.6 土壤團聚體組成的測定

稱取適量的風干土樣，利用8411型電動振篩機進行土壤顆粒的篩分，篩分后得到6個粒徑土壤顆粒(f1：>4 000 μm；f2：>2 000～4 000 μm；f3：>1 000～2 000 μm；f4：>250～1 000 μm；f5：58～250 μm；f6：<58 μm)，對各粒徑范圍土壤質量進行稱量，計算該土壤樣品中土壤團聚體組成。

1.7 統計分析

利用SPSS 22.0分析不同生物炭和AM真菌處理后的玉米生長、有機碳組分及團聚體的差異，利用Origin 9.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同溫度制備的生物炭的比表面積比較

對不同溫度制備的玉米秸稈生物炭的比表面積進行表征，從表1可以看出，400 ℃熱裂解制備的玉米秸稈生物炭的比表面積最大，為6.88 m/g；300 ℃ 制備的生物炭比表面積最小，為1.13 m/g；而500 ℃制備的生物炭比表面積介于二者之間，為4.83 m/g。

表1 不同溫度制備的玉米秸稈生物炭的比表面積

2.2 不同處理對玉米幼苗生長的影響

從圖1可以看出，同時添加生物炭和接種AM真菌處理下的玉米生長狀況整體上要優(yōu)于單接種AM真菌或單添加400、500 ℃生物炭處理。通過雙因素交互分析，結果發(fā)現AM真菌和生物炭聯合處理能夠顯著影響玉米的株高，二者交互作用達到了顯著水平。在不接菌的情況下，單獨添加300、500 ℃ 生物炭對玉米株高有促進作用，但400 ℃生物炭作用效果不明顯。在接菌處理下，同時添加300、400、500 ℃生物炭對玉米的株高均有顯著的促進作用(圖2-a)。此外，生物炭對玉米地徑具有顯著影響，但AM真菌對玉米地徑的影響并不顯著。與單接種AM真菌相比，同時添加300 ℃生物炭處理下的玉米地徑有顯著改善(圖2-b)。

2.3 不同溫度生物炭和AM真菌聯合處理對土壤有機碳及活性碳組分的影響

通過雙因素交互分析，結果發(fā)現生物炭對土壤總有機碳、可溶性有機碳、易氧化有機碳含量均有極顯著影響，而AM真菌主要對易氧化有機碳含量有極顯著影響，生物炭和AM真菌對可溶性有機碳含量的交互影響達到顯著水平。具體而言，添加生物炭后土壤總有機碳含量要顯著高于未添加生物炭處理(圖3-a)；未接種AM真菌的情況下，添加生物炭對土壤可溶性有機碳影響并不大，但接種AM真菌的條件下，添加300 ℃生物炭能顯著提高土壤可溶性碳含量(圖3-b)；接種AM真菌并添加 300 ℃ 生物炭能顯著提高土壤易氧化有機碳含量，但接種AM真菌并添加500 ℃生物炭反而會降低土壤易氧化有機碳含量(圖3-c)。

2.4 不同溫度生物炭和AM真菌聯合處理對土壤團聚體組成的影響

從表2可看出，生物炭和AM真菌處理對中等粒徑的土壤團聚體(>1 000～2 000 μm和>250～1 000 μm)影響并不顯著，但單獨接種AM真菌能夠顯著增加大團聚體(>4 000 μm和>2 000～4 000 μm)的比例，減少微團聚體(58～250 μm和<58 μm)的比例，而且接種AM真菌添加400 ℃生物炭處理下的58 μm以下微團聚體比例有所降低。

表2 不同溫度生物炭和AM真菌處理下的土壤團聚體分布

3 討論與結論

3.1 生物炭和AM真菌聯合作用對玉米生長的影響

AM真菌可以侵染玉米根系，幫助玉米吸收養(yǎng)分，進而促進玉米幼苗的生長，生物炭具有豐富的比表面積和發(fā)達的孔隙結構，可以為AM真菌提供生長發(fā)育的場所，也有利于其他根際微生物的生存繁衍，二者聯用既可以有效改善土壤微生態(tài)環(huán)境，又能提高土壤理化性質，活化土壤養(yǎng)分，促進作物生長。本研究也發(fā)現AM真菌與生物炭聯合施用可顯著增加玉米的株高和地徑，這與劉先良等的研究結果是一致的。目前多數研究已證實生物炭的施加具有良好的增產作用，但實際施用效果仍然與生物炭的原料、制備溫度等有關，本研究中施用300 ℃生物炭的玉米幼苗生長狀況要優(yōu)于400、500 ℃生物炭，說明高溫制備的生物炭可能會阻礙植物的生長，這與Yang等的結果是一致的。此外，本研究還發(fā)現生物炭和AM真菌聯合處理下，生物炭對玉米生長的影響作用要顯著大于AM真菌，這與Liu等的研究結果是一致的，主要是由于生物炭本身有豐富的碳含量，還含有一定數量的氮、磷、鉀等大量元素及其他一些微量元素，可以為植物的生長發(fā)育提供直接的營養(yǎng)來源，宿主植物養(yǎng)分充足的情況下對AM真菌的依賴性有所減弱。

3.2 生物炭和AM真菌聯合作用對土壤有機碳及其活性組分的影響

本研究結果表明，施加生物炭處理能顯著提高土壤總有機碳含量，因為生物炭本身是含碳豐富的有機材料，施加生物炭相當于直接輸入了外源有機碳，有利于土壤固碳。生物炭與AM真菌聯合施用對土壤活性碳也有顯著影響，但單獨施加生物炭并未改變土壤可溶性有機碳含量，而接種AM真菌同時添加300 ℃生物炭卻顯著增加了土壤可溶性有機碳，這主要是因為可溶性有機碳主要來源于植物凋落物、微生物活動、根系分泌物以及施肥等途徑，生物炭所含碳是高度芳香化的惰性碳，生物穩(wěn)定性很強，難以被土壤微生物分解轉化為可溶性碳，而AM真菌的存在可以引起根際激發(fā)效應，增強土壤微生物活性，促進根系分泌物的增加，引起土壤中難溶物質的活化與分解，因而會增加土壤可溶性碳含量。此外，本研究還發(fā)現單施300、400 ℃生物炭、接種AM真菌配施300 ℃生物炭較空白處理均顯著增加了土壤易氧化有機碳的含量，易氧化有機碳是容易被微生物分解礦化的有機碳，由于生物炭結構疏松，孔隙發(fā)達，施用后能夠增加土壤含氧量，促進植物根系生長，增加根系分泌物，同時也為微生物的繁殖提供了有利場所，因此能夠促進土壤本底碳的礦化，這與已有的研究結果是一致的，但是接種AM真菌配施500 ℃生物炭卻會明顯降低土壤易氧化碳，這可能是由于500 ℃制備的秸稈生物炭表面的活性官能團基本上被去除，主要以穩(wěn)定的高度芳香化碳結構物質為主，更適用于碳的封存。

3.3 生物炭和AM真菌聯合作用對土壤團聚體的影響

本研究發(fā)現接種AM真菌可以促進土壤團聚體的形成，這與相關研究結果是一致的，因為AM真菌能夠分泌球囊霉素和菌絲分泌物，可以增加土壤黏結和團聚， 但是AM真菌與生物炭配施后大團聚體的比例卻減少，微團聚體比例反而增加，說明生物炭與AM真菌聯合作用并不利于土壤大團聚體的形成。由于生物炭具有偏堿性、疏松多孔等特征，目前多數研究報道施用生物炭能夠提高土壤大團聚體的形成和結構穩(wěn)定性，但也有學者認為，生物炭并不能像其他有機物料一樣提高土壤團聚體的穩(wěn)定性，本研究也發(fā)現施用生物炭對土壤團聚體的分布影響并不顯著，說明生物炭對土壤團聚體的作用效果會受到材料來源、土壤類型、施用量等多種因素的影響。

AM真菌和生物炭聯合作用能夠促進玉米植株的生長，顯著提高農田土壤總有機碳含量。對土壤活性碳組分而言，AM真菌和300 ℃生物炭配施能提高土壤可溶性有機碳和易氧化有機碳含量，促進土壤活性碳轉化，而AM真菌和500 ℃生物炭配施反而會降低土壤易氧化有機碳含量。但是AM真菌和生物炭聯合作用并不利于土壤大團聚體的形成，單接種AM真菌可以提高土壤結構的穩(wěn)定性。