牛亞茹，付祥峰，邱良祝，李戀卿，潘根興

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所，南京 210095)

施用生物質(zhì)炭對大棚土壤特性、黃瓜品質(zhì)和根結(jié)線蟲病的影響①

牛亞茹，付祥峰，邱良祝，李戀卿*，潘根興

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所，南京 210095)

選擇長期種植黃瓜并發(fā)生根結(jié)線蟲病的大棚，設(shè)計生物質(zhì)炭施用量為0(C0)、24(C1)、48(C2)t/hm2的田間試驗，研究生物質(zhì)炭對黃瓜生長、品質(zhì)以及根結(jié)線蟲病的影響。結(jié)果表明：生物質(zhì)炭顯著提高了土壤有機質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮、速效鉀含量和pH，同時降低土壤體積質(zhì)量11.0% 以上，C2處理黃瓜根系生物量較C0顯著增加了56.9%。與C0相比，C2處理顯著增加黃瓜可溶性糖和有機酸含量25.0% 和17.6%，C1處理顯著降低黃瓜硝酸鹽含量25.5%。C2處理黃瓜根系單株卵塊數(shù)比C0增加了3.8倍。施用生物質(zhì)炭對黃瓜產(chǎn)量沒有顯著影響。研究結(jié)果說明，蔬菜大棚土壤中施用生物質(zhì)炭可改善土壤理化性狀，提高黃瓜品質(zhì)，但有增加根系卵塊數(shù)的趨勢。由于生物質(zhì)炭與土壤、作物的相互作用會隨時間的變化而改變，因此，生物質(zhì)炭對大棚黃瓜品質(zhì)和根結(jié)線蟲病的影響效應(yīng)需進一步長期觀測。

生物質(zhì)炭；黃瓜；根結(jié)線蟲；品質(zhì)

農(nóng)業(yè)廢棄物熱裂解產(chǎn)生的生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用近年來越來越受到關(guān)注。許多研究證實生物質(zhì)炭能夠增加農(nóng)作物產(chǎn)量[1–2]，在改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤速效養(yǎng)分、增強土壤微生物的繁殖力等方面具有良好的效果[3–4]。同時，張萬杰等[5]和張登曉等[6]通過盆栽試驗證明生物質(zhì)炭能夠增加蔬菜產(chǎn)量，并減少蔬菜體內(nèi)硝酸鹽含量。生物質(zhì)炭對根結(jié)線蟲病害的研究近年來也受到關(guān)注。Huang 等[7]將麻梨木制備的生物質(zhì)炭適量施入土壤，能減少水稻根結(jié)線蟲引起的水稻根結(jié)線蟲病害的發(fā)生。陳威等[8]研究表明，在適當?shù)奶砑恿肯?，水稻秸稈生物質(zhì)炭能夠促進番茄生物量的積累，對番茄作物感染根結(jié)線蟲病具有一定的抑制作用。而生物質(zhì)炭對大棚黃瓜根結(jié)線蟲的影響鮮有報道。

在蔬菜產(chǎn)業(yè)中，病蟲害是影響蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素，其中根結(jié)線蟲對作物生長的危害逐漸嚴重[9]。根結(jié)線蟲病作為主要的土傳病害之一，不僅直接危害作物，還會和其他病原物互作造成復(fù)合浸染，如伴隨著枯萎病、根腐病等真菌病害的發(fā)生[10–11]。病害發(fā)生后，一般減產(chǎn)10% ~ 20%，嚴重達75% 以上[12]。目前對根結(jié)線蟲的防治主要以化學(xué)防治為主，由于化學(xué)殺線劑的毒性強、殘留高，對人類和環(huán)境造成了嚴重的危害[13]。同時，設(shè)施蔬菜生產(chǎn)由于無雨水淋洗，肥料投入大、復(fù)種指數(shù)高等問題，在一定種植年限后，土壤質(zhì)量退化、微生態(tài)環(huán)境惡化、病害加重，致使土地可持續(xù)利用能力下降，從而影響蔬菜的產(chǎn)量與品質(zhì)[14–16]。因此，在蔬菜生產(chǎn)過程中如何防治根結(jié)線蟲病、提高蔬菜品質(zhì)和產(chǎn)量成為大棚蔬菜高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的主要挑戰(zhàn)。

因此，本研究選擇發(fā)生根結(jié)線蟲病的黃瓜種植大棚，通過田間試驗研究施用生物質(zhì)炭對黃瓜生長、品質(zhì)以及根結(jié)線蟲病的影響，以期為生物質(zhì)炭在蔬菜優(yōu)質(zhì)、安全生產(chǎn)上的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗田位于山東省濰坊壽光市文家街道北潘曲村(36°51′N，118°40′E)，選擇發(fā)生根結(jié)線蟲病(鑒定為南方根結(jié)線蟲)，長期種植黃瓜的蔬菜大棚進行。該地處魯中北部沿海平原區(qū)，屬暖溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候。年平均溫度13.2℃，年平均降雨量為708.4 mm。試驗地耕作方式為每年春秋季種植兩季黃瓜。供試土壤為褐土，土壤 pH (H2O) 為7.50，有機碳14.82 g/kg，全氮1.86 g/kg，有效磷75.48 mg/kg，速效鉀413.72 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試生物質(zhì)炭由南京勤豐秸稈研發(fā)有限公司提供，其炭化原料為水稻秸稈，炭化溫度為550 ~ 650℃，過2 mm篩，備用。生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)見表1。供試黃瓜(Cucumis sativus L.)品種為“悅龍一號”，購買于壽光南潘育苗基地(山東省壽光市文家工業(yè)園)。

表1 生物質(zhì)炭基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of tested biochar

1.3 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置3個生物質(zhì)炭施用量水平，分別為24 t/hm2(C1)、48 t/hm2(C2)和不施加生物質(zhì)炭(C0)，在黃瓜苗移栽前將生物質(zhì)炭均勻撒在土壤表面，翻耕與0 ~ 20 cm土壤混勻，耙平。每個處理4次重復(fù)，共12個小區(qū)，采用隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為 3.25 m2(0.65 m × 5 m)，小區(qū)間起埂隔開。于2015年4月4日移栽黃瓜苗，各小區(qū)采用長勢均一的健康黃瓜苗30株種植。

試驗田采用常規(guī)水肥管理。施用500 kg/hm2復(fù)合肥(N︰P2O5︰K2O=15︰5︰20)和 18 t/ hm2有機肥(有機質(zhì)≥45%，N+P2O5+K2O≥5%)作基肥。在黃瓜結(jié)瓜期每周追施250 kg/hm2復(fù)合肥(N︰P2O5︰K2O = 20︰20︰20)。田間施用復(fù)合肥和有機肥均由戴威農(nóng)業(yè)科技發(fā)展股份有限公司提供。

1.4 樣品采集與處理

黃瓜于5月3日開始采摘至7月20日采摘結(jié)束。結(jié)瓜初期，每小區(qū)隨機采集4條成熟商品黃瓜，用于測定黃瓜的品質(zhì)。采摘完成后，分離莖葉和根系，每小區(qū)的所有黃瓜根系全部挖出，采集根圍土壤樣品。將根系和土壤樣品放在保鮮箱中帶回實驗室，于4℃冰箱保存。土壤樣品掰碎、剔除大中型土壤動物及根茬等，供土壤線蟲分離和土壤理化性質(zhì)的分析。

1.5 測定項目和方法

1.5.1 土壤理化性質(zhì)測定 參照《土壤農(nóng)化分析》[17]中相關(guān)方法進行土壤理化性質(zhì)的測定。

1.5.2 黃瓜產(chǎn)量及根莖葉干重 黃瓜分次采摘，共采收19次，各小區(qū)采摘成熟商品黃瓜稱量計產(chǎn)，最后估算總產(chǎn)量。將根系和莖葉用自來水沖洗后，用蒸餾水沖洗干凈，測定根系卵塊數(shù)和單個卵塊中的蟲卵數(shù)，之后烘干測定根干重。將莖葉和根分別放入烘箱中105℃ 殺青30 min，75℃ 烘干至恒重，稱重，計算各小區(qū)根系和莖葉干物質(zhì)重。

1.5.3 黃瓜品質(zhì)的測定 黃瓜果實中可溶性糖測定采用蒽酮比色法；有機酸測定采用水浴提取–堿液滴定法；硝酸鹽含量測定采用水楊酸比色法[18]。

1.5.4 單株根系卵塊數(shù)的測定 植株的根先用自來水清洗，再用蒸餾水洗凈，干凈紗布吸干水分，置于0.1 g/L伊紅Y(eosin-Y) 水溶液中，室溫下染色30 min，統(tǒng)計黃瓜根系單株卵塊數(shù)[19]。

1.5.5 單個卵塊卵粒數(shù)的測定 根據(jù)Terefe 等[20]的方法并略作修改后測定單個卵塊的卵粒數(shù)。各處理隨機選取10棵黃瓜根系，用鑷子將卵塊從根系中挑出，單株根系選取大小一致的卵塊10個，加入1 ml 0.5% NaOCl溶液，強力振蕩2 min。將卵懸液定容至5 ml，吸取20 μl 觀察、計數(shù)。重復(fù)5次。

1.5.6 土壤中根結(jié)線蟲二齡幼蟲 (J2) 數(shù)量的測定 土壤中線蟲的分離提取采用蔗糖浮選離心法[21]。線蟲總數(shù)通過Olympus ZX10體視顯微鏡直接計數(shù)，將土壤線蟲數(shù)量換算成100 g干土中線蟲的數(shù)量，然后每個樣品隨機抽取 100 ~ 200條線蟲進行制片，于Olympus BX51光學(xué)顯微鏡下進行線蟲形態(tài)鑒定。

1.6 數(shù)據(jù)分析

試驗處理間的比較采用單因素方差分析 (ANOVA)，如差異顯著(P<0.05)，再用Duncan’s測驗進行具體比較。試驗數(shù)據(jù)和圖表制作采用Excel 2013處理，采用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析。測定結(jié)果數(shù)據(jù)均以平均值±標準誤的形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭對土壤理化性狀的影響

生物質(zhì)炭對土壤理化性質(zhì)的影響見表2。施用生物質(zhì)炭顯著提高土壤pH，同時降低土壤體積質(zhì)量，C2處理土壤體積質(zhì)量與 C0處理相比顯著降低12.6%。施用生物質(zhì)炭能顯著增加土壤有機碳和全氮的含量，C1和C2處理土壤有機碳含量比C0分別增加了22.4%、37.2%，C2處理土壤全氮含量比C0顯著提高10.2%。同時，生物質(zhì)炭影響土壤速效養(yǎng)分含量。由表2可知，C2處理土壤銨態(tài)氮和速效鉀含量與C0處理相比分別顯著增加了53.3% 和43.7%，而低用量水平(C1)下沒有達到顯著性差異。此外，生物質(zhì)炭對土壤硝態(tài)氮和有效磷的含量沒有顯著改變。

表2 生物質(zhì)炭對土壤理化性質(zhì)的影響Table 2 Effects of biochar on soil physical and chemical properties

2.2 生物質(zhì)炭對黃瓜生長及品質(zhì)的影響

由表3可知，C2處理下黃瓜根部干重較C0處理顯著提高了56.9%，而C1處理下黃瓜莖葉和根干重?zé)o顯著差異。雖然 C0處理產(chǎn)量的平均值高于 C1、C2處理，但由于測產(chǎn)是通過19次采摘稱重統(tǒng)計的，C0處理的產(chǎn)量變異性較大(表3)，經(jīng)統(tǒng)計檢驗，C2、C1處理與C0相比對黃瓜產(chǎn)量均沒有顯著影響(P>0.05)。

表3 生物質(zhì)炭對黃瓜生物量的影響Table 3 Effects of biochar on cucumber biomass

由表4可知，生物質(zhì)炭添加顯著增加黃瓜果實可溶性糖和有機酸的含量，且隨著生物質(zhì)炭用量的增加均呈現(xiàn)增加的趨勢，其中C2處理與C0處理相比分別顯著增加了25.0% 和17.6%。C1處理黃瓜硝酸鹽的含量比C0顯著降低了25.5%，C1和C2之間沒有顯著差異。

表4 生物質(zhì)炭對黃瓜可溶性糖、有機酸和硝酸鹽含量的影響Table 4 Effects of biochar on contents of soluble sugar, organic acid and nitrate in cucumber

2.3 生物質(zhì)炭處理對黃瓜根結(jié)線蟲病的影響

表 5為不同用量生物質(zhì)炭對根結(jié)線蟲密度和繁殖的影響，如表所示，各處理間土壤中根結(jié)線蟲二齡幼蟲數(shù)量、單個卵塊卵粒數(shù)無顯著差異。與C0處理相比，C2處理單株黃瓜根系的卵塊數(shù)和單位根重的卵塊數(shù)分別顯著增加3.8倍、2.5倍，而C1處理以上各項指標與C0處理相比均無顯著差異。

表5 生物質(zhì)炭對根結(jié)線蟲二齡幼蟲、卵塊和卵粒數(shù)量的影響Table 5 Effects of biochar on numbers of J2 root-knot nematode, egg masses and eggs

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭對土壤理化性狀的影響

研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭通過降低土壤體積質(zhì)量，增加土壤有機碳、銨態(tài)氮、速效鉀等養(yǎng)分含量，達到改善土壤質(zhì)量、提高養(yǎng)分有效性的效果，與之前的研究結(jié)果[22–24]相似?？赡苁且驗樯镔|(zhì)炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，促進土壤團聚體的形成，有效地改善土壤的通氣狀況[24]。生物質(zhì)炭較大的比表面積，帶有負電荷，具有較高的 CEC[23]，可以提高土壤對養(yǎng)分離子鉀和 NH4+的吸附能力，增加土壤銨態(tài)氮和速效鉀的含量。并且生物質(zhì)炭自身含有一定量的養(yǎng)分，對土壤有效態(tài)養(yǎng)分的提高有重要的貢獻。本試驗顯示，土壤有機碳隨生物質(zhì)炭用量的增加而顯著提高，這是由于生物質(zhì)炭主要是以具有較高穩(wěn)定性的高度芳香化有機物為主，在土壤環(huán)境中具有較高的穩(wěn)定性[25–26]。

3.2 生物質(zhì)炭對黃瓜生長及品質(zhì)的影響

生物質(zhì)炭對作物生長及產(chǎn)量的研究在國內(nèi)外已有大量報道[1–2,4,27–28]，并且在菠菜、辣椒等蔬菜種植中也有增產(chǎn)效應(yīng)[5,29]。然而生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效應(yīng)受生物質(zhì)炭自身特性、土壤類型、農(nóng)田管理措施等諸多因素制約，具有很大的不確定性[28]。本試驗結(jié)果表明，不同用量的生物質(zhì)炭施入土壤顯著提高黃瓜根系的生物量，這與生物質(zhì)炭對土壤理化性質(zhì)的改善有關(guān)。一方面生物質(zhì)炭降低土壤體積質(zhì)量，提高土壤的通氣性，為根系的伸展提供足夠的空間；另一方面生物質(zhì)炭能夠提高土壤營養(yǎng)元素的有效性，調(diào)節(jié)土壤的供肥狀況。但本研究表明，施用生物質(zhì)炭對黃瓜產(chǎn)量和莖葉干重均沒有影響。Abiven 等[30]指出，生物質(zhì)炭在低肥力土壤中的增產(chǎn)效應(yīng)大于高肥力土壤。Haefele等[31]將稻殼生物質(zhì)炭施入 3種肥力不同的土壤發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭應(yīng)用于低肥力土壤作物產(chǎn)量顯著提高，而在中、高肥力土壤上沒有增產(chǎn)效果。而本研究所選的試驗地土壤肥力較高(土壤有機質(zhì)25.5 g/kg，全氮1.8 g/kg)，黃瓜種植過程中施肥量也較大，這些因素均可能削弱了生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效應(yīng)。此外，生物質(zhì)炭對作物生長的影響存在年際的變異。Major等[32]研究發(fā)現(xiàn)，第1年施用生物質(zhì)炭處理與CK相比，玉米產(chǎn)量無顯著變化；而在施炭后的第2 ~ 4年中，施炭處理玉米產(chǎn)量大幅度增加。本試驗僅基于黃瓜一個生長季的研究，生物質(zhì)炭對黃瓜產(chǎn)量的影響需要進一步持續(xù)觀察。

本研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭顯著降低黃瓜果實中硝酸鹽的含量，這與張萬杰等[5]和劉玉學(xué)等[33]的研究結(jié)果相似。一方面可能因為生物質(zhì)炭對土壤中的銨根離子的吸附性較強，減少植株對氮素的吸收。另一方面，可能由于生物質(zhì)炭能夠調(diào)控土壤含水量進而抑制作物蒸騰作用，減少作物對氮素的吸收，進而降低蔬菜中硝酸鹽的積累[34]。施用生物質(zhì)炭可顯著增加黃瓜果實中可溶性糖和有機酸的含量。生物質(zhì)炭能夠有效保持土壤含水量[4,35–36]，而土壤含水量控制在適宜水平有助于提高果蔬中可溶性糖含量[37]。綜上，生物質(zhì)炭在溫室大棚蔬菜種植中能夠有效改善蔬菜品質(zhì)。

3.3 生物質(zhì)炭對大棚黃瓜生產(chǎn)中根結(jié)線蟲病的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，在高用量生物質(zhì)炭處理(C2)下黃瓜根系單株卵塊數(shù)及單位根重卵塊數(shù)顯著提高，說明生物質(zhì)炭施用量的提高在一定程度上促進了根結(jié)線蟲的生長繁殖。但 Huang 等[7]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭用量在1.2% 以上水平能顯著降低水稻根結(jié)線蟲病。這可能與生物質(zhì)炭和植物種類等因素有關(guān)。George 等[38]研究了5種不同材料(4種生物質(zhì)炭和沸石)對胡蘿卜穿刺短體線蟲的影響，發(fā)現(xiàn)松樹皮、松針等生物質(zhì)炭對線蟲的侵染均有抑制作用，但松木生物質(zhì)炭對線蟲沒有抑制效應(yīng)，說明生物質(zhì)炭對根結(jié)線蟲病的影響因生物質(zhì)炭種類、用量等的不同而具有不同的效應(yīng)。此外，根結(jié)線蟲病主要發(fā)生在作物根系上，以側(cè)根和須根最易受害[39]。本試驗顯示生物質(zhì)炭對根系生長具有促進作用。已有研究表明，施用生物質(zhì)炭顯著促進番茄和大麥等作物須根(或側(cè)根)的生長[40,8]。根系體積的增大，特別是須根增多，從而增加了根結(jié)線蟲的侵染位點，這可能也是生物質(zhì)炭增加黃瓜根結(jié)線蟲病發(fā)病率的原因之一。此外，根結(jié)線蟲在土壤中的孵化、存活及完成生活史與土壤環(huán)境密切相關(guān)，如土壤中的離子、酸堿性、溫度、濕度、土壤類型和微生物等[41]。本試驗中生物質(zhì)炭降低土壤體積質(zhì)量、增加土壤通氣性和土壤有機質(zhì)含量、改變土壤環(huán)境，進而影響根結(jié)線蟲的生存與繁殖。生物質(zhì)炭對根結(jié)線蟲病的影響可能因生物質(zhì)炭種類、施用劑量、土壤類型以及作物種類的不同而存在差異，而生物質(zhì)炭與土壤的相互作用以及生物質(zhì)炭對植物的促根效應(yīng)也會隨著施炭時間的推移而發(fā)生改變，這些變化均會影響線蟲對施炭措施的響應(yīng)。因此，生物質(zhì)炭對根結(jié)線蟲生長的效應(yīng)需要進一步進行長期的試驗研究。

4 結(jié)論

本試驗研究結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭顯著提高土壤有機質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮和速效鉀的含量，降低土壤體積質(zhì)量。土壤中添加生物質(zhì)炭顯著增加黃瓜果實中可溶性糖和有機酸的含量，降低黃瓜硝酸鹽含量，改善黃瓜品質(zhì)。高施炭量條件下顯著提高黃瓜根系生物量，增加了根結(jié)線蟲卵塊數(shù)，但對黃瓜產(chǎn)量沒有顯著影響。

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Effects of Biochar on Soil Properties, Cucumber Quality and Root-knot Nematode Disease in Plastic Greenhouse

NIU Yaru, FU Xiangfeng, QIU Liangzhu, LI Lianqing*, PAN Genxing
(Institute of Resource, Ecosystem and Environment of Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

In order to explore the effects of biochar on the quality and the root-knot nematode of cucumber, an experiment was conducted in a plastic greenhouse with serious root-knot nematode disease after long-term of cucumber planting with three levels of biochar amendment designed as follows: C0 (no biochar, CK), C1 (biochar 24 t/hm2) and C2 (biochar 48 t/hm2). The results indicated that biochar addition significantly increased soil organic matter, total N, NH4+, available K and pH, and decreased soil bulk density by more than 11.0%. Compared to CK, C2 treatment enhanced cucumber root biomass, soluble sugar content, organic acid content, egg masses by 56.9%, 25.0%, 17.6% and 3.8 times, respectively, while C1 treatment decreased nitrate content by 25.5%. However, biochar had no significant effect on cucumber yield. The experiment indicated that biochar can improve soil properties, enhance cucumber quality, while increase the egg masses on cucumber roots. However, long-term observation is necessary in the future studies because the interaction of biochar-soil-crop system is changeable with time.

Biochar; Cucumber; Root-knot nematode; Cucumber quality

S642.2；S435.79

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.01.009

農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目(2013GB23600666)資助。

* 通訊作者(lqli@njau.edu.cn)

牛亞茹( 1992—)，女，河南許昌人，碩士研究生，主要從事土壤與環(huán)境質(zhì)量及管理研究。E-mail: 2013103075@njau.edu.cn