陳威，胡學玉, 2*，張陽陽，張迪，柯躍進，余忠，謝祖彬

1. 中國地質(zhì)大學（武漢）環(huán)境學院，湖北 武漢 430074；2. 中國地質(zhì)大學濕地演化與生態(tài)恢復湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074；3. 中國科學院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008

番茄根區(qū)土壤線蟲群落變化對生物炭輸入的響應

陳威1，胡學玉1, 2*，張陽陽1，張迪1，柯躍進1，余忠1，謝祖彬3

1. 中國地質(zhì)大學（武漢）環(huán)境學院，湖北 武漢 430074；2. 中國地質(zhì)大學濕地演化與生態(tài)恢復湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074；3. 中國科學院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008

摘要：根結(jié)線蟲屬于線蟲群落中的植食性線蟲，它們寄生于作物根部，能引起植株根結(jié)線蟲病，使得染病作物減產(chǎn)嚴重。生物炭作為一種土壤調(diào)理劑，對土壤理化及生物活性都有顯著影響。土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)變化及其作物效應對生物炭輸入的響應可為全面評價生物炭的農(nóng)業(yè)利用潛力提供依據(jù)。通過田間微區(qū)試驗，將生物炭分別以0.0%（CK）、0.1%（BC1）、0.5%（BC5）和2.0%（BC20）的添加量（質(zhì)量比）與土壤混合，以探討生物炭輸入對番茄根結(jié)線蟲病與土壤線蟲群落變化的影響。結(jié)果顯示，（1）生物炭輸入對番茄生長影響明顯，BC1和BC5兩種處理番茄生物量顯著高于對照的2749.16 g·plant-1，分別增加14.97%與12.94%。而在BC20處理中番茄生物量則下降了13.75%。（2）生物炭對番茄作物根部根結(jié)數(shù)有一定的抑制作用。隨著生物炭添加量的增加，番茄植株根結(jié)數(shù)逐漸降低。（3）土壤線蟲群落豐度隨著生物炭添加量增加顯著上升，CK、BC1、BC5和BC20處理的線蟲總數(shù)（以干土計）分別為1 490.0、1 657.8、2 100.2和2 300.2 ind.·kg-1。（4）生物炭對線蟲群落結(jié)構(gòu)影響明顯，與CK相比，BC5與BC20處理的食植性線蟲比例分別下降了33.4%與41.4%，且與對照處理差異顯著。與此相反，食真菌類線蟲比例則顯著上升，增幅分別達到70.7%與95.5%。在較高生物炭添加量條件下，土壤線蟲群落中食植性線蟲比例的下降，應該是番茄根結(jié)數(shù)降低的原因之一。基于以上結(jié)果推測，在適當?shù)奶砑恿肯?，生物炭對番茄作物感染根結(jié)線蟲病具有一定的抑制作用。

關(guān)鍵詞：生物炭；番茄產(chǎn)量；根結(jié)線蟲??；土壤線蟲群落

引用格式：陳威，胡學玉，張陽陽，張迪，柯躍進，余忠，謝祖彬. 番茄根區(qū)土壤線蟲群落變化對生物炭輸入的響應[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(6): 998-1003.

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線蟲是土壤生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在的一種后生動物，其類群和數(shù)量豐富，對土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量傳遞起著十分重要的作用, 是土壤生物的重要組成部分（邵元虎和傅聲雷，2007）。同時它們對土壤生態(tài)環(huán)境變化敏感，被看作是生態(tài)系統(tǒng)變化的敏感性指示生物之一（Urzelai等，2000；Ferris和Matute，2003；Schloter等，2003；張偉東等，2010；Wardle等，1995）。土壤線蟲以多種土壤有機體為食，根據(jù)其食性可以分為4大營養(yǎng)類群：植物寄生類線蟲、食細菌類線蟲、食真菌類線蟲和雜食類線蟲（侯本棟等，2008）。根結(jié)線蟲屬于植物寄生類線蟲，其適應性與繁殖能力強，寄主范圍廣泛，包括黃瓜、番茄、苦瓜等常見蔬菜（王艷艷等，2014；張鋒等，2012），在城郊農(nóng)業(yè)高度集約化生產(chǎn)條件下，其連作模式與重復種植往往導致城郊農(nóng)業(yè)區(qū)作物根結(jié)線蟲病高發(fā)，致作物減產(chǎn)甚至絕收（張博等，2002）。而已有研究顯示使用有機添加物能夠抑制根結(jié)線蟲的發(fā)生（Akhtar和Malik，2000；Liu等，2014）。生物炭作為一種有機碳源，進入土壤后將對土壤生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生某些影響，但是其對根結(jié)線蟲的影響結(jié)果還有待探明。

生物炭（Biochar）是黑碳（Black carbon）的一種，專指由各種生物質(zhì)材料（作物秸稈、木屑等）在無氧或缺氧條件下，經(jīng)低溫（<700 ℃）裂解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化的、抗分解能力極強的固態(tài)物質(zhì)，是一種富含碳元素的有機連續(xù)體（Karen，2007；Goldberg，1985）。生物炭作為一種土壤調(diào)理劑，對土壤生態(tài)環(huán)境具有顯著影響，如提高土壤pH值、影響土壤水分狀態(tài)以及土壤有機質(zhì)含量等（高海英等，2011；Major等，2010；柯躍進等，2014）。土壤線蟲作為土壤生態(tài)環(huán)境變化的敏感指標，可能會對土壤理化性質(zhì)的變化作出響應，其群落結(jié)構(gòu)會發(fā)生相應變化，對蔬菜植株根系的感染也會隨之改變，這種響應性的變化尺度有量化的必要。有研究顯示，當小麥秸稈生物炭添加到稻田土壤后，土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化（Zhang等，2013）。到目前為止，有關(guān)土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)變化及其作物效應對生物炭輸入的響應性研究還不多，涉及的作物種類、土壤類型和生物炭類別也十分有限。因此本研究以水稻秸稈生物炭為材料，探討不同添加量條件下，生物炭對城郊農(nóng)業(yè)土壤番茄根結(jié)線蟲病及其線蟲群落變化的影響，以期為生物炭的農(nóng)業(yè)應用提供一定的參考。

1　材料和方法

1.1供試材料

供試植物：“金瑞番茄”，由廣州市農(nóng)業(yè)科學研究院選育。

供試生物炭：采用專利設(shè)備（ZL200920232191.9）在低溫（400 ℃）限氧條件下裂解水稻秸稈得到，生物炭pH值為7.85，其基本元素組成分別為：C含量44.21%、N含量1.01%、O含量51.86%、H含量2.76%與S含量0.71%。

1.2微區(qū)試驗設(shè)計

試驗區(qū)概況：田間微區(qū)試驗安排在湖北省武漢市城郊某蔬菜種植基地（30°35′5.94″N，114°0′6.20″E），屬亞熱帶濕潤季風氣候，平均無霜期約250 d，年平均氣溫16.3 ℃，海拔約50 m，土壤質(zhì)地為壤土，供試土壤pH值為6.19、土壤含水率為16.4%、土壤總有機碳與易氧化態(tài)碳分別為16.74與6.95 g·kg-1。

試驗設(shè)計：按生物炭與土壤的質(zhì)量比設(shè)置4個處理，分別為CK：不施生物炭（0.0%）、BC1：0.1%生物炭施用量、BC5：0.5%生物炭施用量和BC20：2.0%生物炭施用量，3次重復，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積0.2 m2。

1.3取樣時間與方法

試驗開始于2013年10月11日，至2014年6 月7日收獲。

土壤取樣方法：每小區(qū)內(nèi)隨機確定4個點，取5～20 cm土層混合樣，保存于自封袋中，帶回實驗室后置于4 ℃冰柜中保存。

植物取樣方法：每小區(qū)內(nèi)隨機選取3株作物，分別稱取地上部番茄植株（果實與莖、葉）鮮重，并保存于自封袋中。切取作物根部置于自封袋中敞開保存，帶回實驗室用清水洗凈根部，觀測根結(jié)數(shù)，風干稱量根系重量。

1.4測定指標與分析方法

1.4.1土壤基本性狀測定（薛會英等，2013）

土壤pH測定采用電位法；土壤含水量測定采用烘干法；土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法，土壤易氧化態(tài)碳采用高錳酸鉀氧化法。

1.4.2植株根結(jié)分級（朱震等，2011；肖炎農(nóng)等，2000）

0級：沒有根結(jié)；1級：1%～24%的根有根結(jié)；2級：25%～49%的根有根結(jié)；3級：26%～50%的根有根結(jié)；4級；50%～74%的根有根結(jié)；5級：75%～100%的根有根結(jié)。按下式計算病情指數(shù)：

病情指數(shù)=Σ(各級植株數(shù)×級別)/(調(diào)查總株數(shù)×最高病情級別)×100。

1.4.3土壤線蟲分離與鑒定

取新鮮土壤樣30 g，放在100 mL離心管內(nèi)，加約100 mL蒸餾水并充分小心攪勻，置于離心機內(nèi)以2000 r·min-1離心5 min，棄去上清液，再加入100 mL蔗糖溶液（800 g·L-1）攪勻，再次以2000 r·min-1離心5 min，將上清液注進預先裝有去離子水的500 mL燒杯里，用300目、400目、500目網(wǎng)篩套在一起，將燒杯內(nèi)的溶液倒入篩網(wǎng)，并用清水沖洗，最后將3個篩網(wǎng)里的線蟲分別洗到帶平行橫紋的塑料培養(yǎng)皿中，置于立體解剖鏡（型號OLYMPUS S261）下計數(shù)（毛小芳等，2004），光學顯微鏡（型號：SWIFT）下鑒別線蟲種類，依據(jù)《中國土壤動物檢索圖鑒》（尹文英，1998）對土壤線蟲食性進行分類。

1.5數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與制圖采用SPSS 13.0和Microsoft Excel 2007軟件完成，設(shè)置顯著性差異水平P=0.05。

2　結(jié)果與分析

2.1生物炭對土壤基本理化性質(zhì)與番茄生長的影響

在不同生物炭添加量下，土壤pH值變化范圍在6.19～6.53之間，且隨著生物炭添加量增加而上升，生物炭的輸入提高了土壤的pH值，但處理間未形成顯著差異。

土壤含水量隨著生物炭添加量增加而逐漸上升，與對照CK處理對比發(fā)現(xiàn)，BC5與BC20處理含水量分別增加了12.33%和12.75%，生物炭對土壤含水量增加效果顯著，而BC1與對照CK差異不顯著（P<0.05）。生物炭在較高添加量下對土壤含水率具有明顯提升效果，而在低量條件下，生物炭并不能顯著改變土壤含水量。

在生物炭添加條件下，土壤有機碳與易氧化態(tài)碳含量均高于對照處理，而且較高量生物炭對土壤有機碳與易氧化態(tài)碳含量的提高有更為明顯的作用，BC20處理的土壤有機碳與易氧化態(tài)碳含量分別達到19.89與9.09 g·kg-1，其土壤含水量也有顯著增加（表1）。

表1　不同生物炭添加量處理的土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Soil physical and chemical properties of different biochar addition treatments

由表2可見，CK處理番茄生物量為2749.16 g·plant-1，在較低生物炭添加量下，BC1與BC5處理中，番茄單株生物量顯著高于CK處理，分別較CK處理生物量提升14.97%與12.94%，而高量生物炭添加BC20處理的番茄生物量與CK相比，顯著降低，降低幅度達到13.75%。

表2　不同生物炭添加量處理單株番茄生物量Table 2 Tomato biomass of different biochar addition treatments g·plant-1

圖1　不同生物炭添加量處理對土壤線蟲群落變化影響Fig. 1 Effects of different biochar addition on soil nematode community change

2.2生物炭對番茄感染根結(jié)線蟲病的影響

隨著生物炭添加量的增加，番茄根結(jié)數(shù)逐漸降低（表3）。CK、BC1、BC5和BC20處理分別為26.3、23.6、20.7和20.6 ind.·plant-1，與對照處理相比，單株番茄根結(jié)數(shù)降幅分別為10.5%、21.5%和21.9%，其中BC5與BC20番茄根結(jié)數(shù)與CK處理差異顯著，顯然，生物炭在一定添加量下能有效降低番茄根系根結(jié)數(shù)量。但是，番茄根系感染根結(jié)線蟲病病情指數(shù)在處理間差異并不顯著。

表3　不同生物炭添加量處理番茄根系長度、根結(jié)數(shù)與病情指數(shù)Table 3 Tomato root length, knot number and disease index of different biochar addition treatments

2.3生物炭對土壤線蟲豐度及其群落結(jié)構(gòu)的影響

隨著生物炭添加量的增加，土壤線蟲豐度明顯增加。CK、BC1、BC5和BC20 4種處理土壤線蟲總數(shù)（以干土計）分別為1490.0、1657.8、2100.2 和2300.2 ind.·kg-1（圖1），處理間差異顯著（P<0.05）。

在不同生物炭添加量條件下，4種處理的土壤線蟲群落組成也表現(xiàn)出顯著差異。在檢測出的34屬線蟲中，不論有無生物炭添加，針屬線蟲（Paratylenchus）均表現(xiàn)出一定優(yōu)勢（相對多度大于10%）。另外，在生物炭添加的3個處理中，滑刃屬（Aphelenchoides）的相對多度也大于10%（表4）。其中引起植物感染根結(jié)線蟲病的根結(jié)線蟲屬（Meloidogyne）在土壤中的相對多度隨生物炭添加量增加而減少，各處理中檢測出根結(jié)線蟲屬相對多度從9.52%減少至0.90%。

表4　不同生物炭添加量處理土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)Table 4 Soil nematodes communities of different biochar addition treatments

同時，由表4可知，CK、BC1、BC5和BC20 這4種處理的食植性線蟲占土壤線蟲群落比率分別為47.62%、48.33%、31.71%、27.93%?？梢婋S生物炭添加，土壤中食植性線蟲比例顯著降低。這與前文番茄根結(jié)線蟲數(shù)減少的趨勢相互印證。另外，食真菌類線蟲比例在CK、BC1、BC5和BC20這4種處理中分別為14.29%、18.33%、24.39%和27.93%，隨生物炭添加量增加而顯著增加，食細菌類線蟲占有率與食真菌類線蟲變化趨勢類似，從CK的30.16%增至BC20的37.84%。

3　討論

3.1較高生物炭添加量對作物生物量的影響

本研究中，當生物炭在0.5%（12 t·hm-2）添加量條件下，生物炭明顯促進了番茄作物生長，有研究顯示按照10 t·hm-2施用生物炭進入土壤后，番茄的產(chǎn)量增幅超過了50%（Liang等，2006），但是在添加量增加至2.0%（48 t·hm-2）時，番茄生長被抑制。與CK相比，BC20處理番茄總生物量下降了13.75%，較高生物炭添加量處理使得番茄生物量減少。有研究表明大量添加作物秸稈與生物炭這類C/N比值較高的有機物料時，作物生長將會受到一定的抑制（曹志平等，2010；Haefele等，2011），這與本研究結(jié)果一致。而配合N肥施用的情況下則對作物生長有明顯促進作用（Santalla等，2011）。由此推測高量生物炭對作物生長的抑制作用可能與水稻秸稈生物炭本身C/N比值較高有關(guān)，其高達43.8的碳氮比值，使得番茄生長過程中N元素的供給受到抑制，而且這種作用部分抵消了土壤環(huán)境改善對番茄生長的促進效果，使得BC20中番茄生物量明顯低于對照。

3.2番茄根結(jié)線蟲病對生物炭輸入的響應

隨著生物炭添加量的增加，番茄根結(jié)數(shù)逐漸減少，其中較高量生物炭處理的根結(jié)數(shù)顯著低于對照，但是根據(jù)五級法計算得到的番茄病情指數(shù)顯示，CK、BC1、BC5和BC20 4種處理根結(jié)線蟲病情指數(shù)分別為31.25、33.33、35.42和35.42（表3），處理間未形成顯著差異。這可能與番茄根系生長情況有關(guān)，生物炭處理番茄根系主根明顯長于CK處理（表2），且質(zhì)量較大，在實驗室內(nèi)觀測發(fā)現(xiàn)，有生物炭輸入的番茄根系側(cè)根數(shù)量更多，故在根結(jié)數(shù)差異較明顯的BC5與BC20處理中，根系植株病情指數(shù)計算結(jié)果未表現(xiàn)出顯著差異。

3.3土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)對生物炭輸入的響應

生物炭作為一種有機碳源，其含碳量達到44.21%，將其添加到土壤后，土壤水分、土壤有機碳含量尤其是易氧化態(tài)碳含量顯著增加（表1），改善了土壤微生物的生存環(huán)境，其生長繁殖加快，同時也增加了土壤線蟲的食物來源，這可能是生物炭促進土壤線蟲豐度顯著上升的原因之一。

生物炭對土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)影響明顯，其中食植物類線蟲占有率隨生物炭添加量增加而下降，食細菌類線蟲與食真菌類線蟲變化趨勢則與之相反，二者占有率均隨生物炭添加量增加而上升，這個結(jié)果與相關(guān)研究類似（Zhang等，2013；李琪等，2007）。這可能是因為生物炭的多孔結(jié)構(gòu)使其對土壤水分、養(yǎng)分具有很好的保蓄作用，為土壤真菌類與細菌類微生物提供了良好的棲息環(huán)境（何緒生等，2011），同時也豐富了食真菌類線蟲與食細菌類線蟲食物來源，使它們數(shù)量上升，而且通過非寄生類線蟲與植物寄生類線蟲的競爭與拮抗作用，降低了食植性線蟲的種群數(shù)量。

4　結(jié)論

（1）生物炭輸入對番茄作物生長影響明顯，在較低生物炭添加量的BC1與BC5處理中，生物炭顯著促進了番茄生物量的積累，但是在BC20處理中，水稻秸稈生物炭對番茄生長產(chǎn)生了一定的抑制作用。

（2）供試番茄作物根系感染線蟲的根結(jié)數(shù)隨著生物炭添加量增加而下降，在一定添加量下生物炭對番茄根系根結(jié)數(shù)量有一定的抑制作用。

（3）生物炭輸入顯著增加了土壤線蟲豐度，同時在較高生物炭添加量下，線蟲營養(yǎng)群落組成明顯改變，食植性線蟲占有率由CK處理的47.62%降至BC20的27.93%，而食真菌類線蟲與食細菌類線蟲均隨生物炭添加量的增加而顯著增加，且均在BC20處理中達到最大占有率，分別為37.84%與27.93%。

致謝：感謝中國地質(zhì)大學（武漢）環(huán)境學院的李繼紅老師提供線蟲計數(shù)與鑒定所需顯微鏡等精密儀器。感謝南京農(nóng)業(yè)大學李輝信老師團隊對線蟲鑒定給予的指導與建議。

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Rsponse of Nematode Community in Tomato Rhizosphere Soil to Biochar Input

CHEN Wei1, 2, HU Xueyu1, 2*, ZHANG Yangyang1, 2, ZHANG Di1, 2, KE Yuejin1, 2, YU Zhong1, 2, XIE Zubin
1. School of Environmental Studies, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 2. Hubei Province key laboratory of wetland evolution and ecological restoration, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 3. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Science, Nanjing 210008, China

Abstract:In recent years, in the interaction between soil nematodes community and its ecological changes and soil quality management were more and more attrctive Root knot nematodes belonged to plant-parasite nematodes, mainly parasitized in crop roots and lead to plant caught root-knot nematode disease, then the production of infected crop decreased seriously. Biochar had a significant effect on soil physical and chemical properties and biological activity as a soil conditioner. It may provide a basic for evaluating the potential of biochar input for agricultural use through which changes of soil nematode community structure and the crop effects. In this paper, we investigated the effect of biochar input on the tomato root knot nematode disease and the change of soil nematode community through micro-area experiment in field, the biochar mixed with soil by mass ratio which were 0.0% (CK), 0.1% (BC1), 0.5% (BC5) and 2.0% (BC20) respectively. The results showed: (1) Tomato biomass changed significantly after biochar input, and tomato biomass in CK was 2 749.16 g·plant-1, BC1 and BC5 two kinds of treatments tomato biomass were significantly 14.97% and 14.97% higher than CK, respectively, while in BC20 treaments, tomato biomass fell by 13.75%; (2) Biochar had a certain inhibitory effect on number of tomato root knot. Tomato root knot number gradually deceased as biochar addition increased; (3) Abundance of soil nematodes community increased significantly as biochar addition increased, nematodes number of 4 treatments were 1 490.0, 1 657.8, 2 100.2 and 2 300.2 ind.·kg-1in dry soil, respectively. And (4) biochar changed nematode community composition obviously, in BC5 and BC20 treatments, plant-parasite nematodes fell by 33.4% and 41.4%, significantly lower than CK, On the contrary, the ratio of fungivore significantly increased, the growth rate reached 70.7% and 95.5% respectively. Under the condition of higher biochar addition, the ratio of plant-parasite nematodes declined in soil nematode community, it should be one of the reasons for the number of tomato root knots declined. Biochar had certain inhibitory effect on tomato crop root knot disease in an appropriate addition.

Key words:biochar; biomass of tomato; root-knot nematode disease; soil nematode community

收稿日期：2015-03-01

作者簡介：陳威（1987年生），男，碩士研究生，主要從事土壤污染修復的研究。E-mail: 872516150@qq.com*責任作者：胡學玉，E-mail: huxueyu@cug.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金項目（41071159；41371485）；湖北省公益性科技研究項目（GYS0022）；湖北省自然科學基金重點項目（2014CFA116）

中圖分類號：X17, Q145+.2

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2015）06-0998-06

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.06.014