王雪玉，馬建華，李 明，劉金泉，胡 云，田 勇

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古包頭 014109）

在我國北方以玉米和小麥為主產(chǎn)區(qū)的黃河灌區(qū)一帶，大部分玉米及小麥秸稈直接被丟棄、焚燒，而僅有少部分用來飼喂牲畜，這樣就會造成大量資源被浪費，而且作物秸稈在焚燒過程中會產(chǎn)生大量的CO2，進(jìn)一步加劇溫室效應(yīng)[1]。作物秸稈生物炭具有穩(wěn)定的芳烴結(jié)構(gòu)，且對土壤中生物的氧化抗性較強(qiáng)，是俘獲CO2及碳封存的重要技術(shù)，已成為當(dāng)今科學(xué)研究熱點之一[2-4]。生物炭還具有較強(qiáng)的吸附性、吸濕性、穩(wěn)定性以及碳負(fù)性等[5]，已被廣泛應(yīng)用于空氣凈化、污水處理以及土壤改良等領(lǐng)域。張偉明[6]等研究表明，生物炭能夠改善土壤物理結(jié)構(gòu)，并且促進(jìn)種子萌發(fā)及根系生長。Lehmann等[7]研究表明，生物炭可以改變土壤微生物數(shù)量及微生物群落結(jié)構(gòu)，不同添加量的生物炭能夠提高豌豆根系的固氮量，并且能夠增強(qiáng)根部真菌的繁殖能力。李發(fā)虎等[8]研究表明，土壤中施入 20～60 t·hm-2生物炭可不同程度改善日光溫室黃瓜根際土壤有機(jī)質(zhì)含量、提高真菌豐度。

真菌是土壤微生物的重要成員之一，在土壤生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質(zhì)循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用，同時在土壤中發(fā)揮著重要的分解作用。研究表明，青霉屬（Penicillium）真菌能分解土壤中的纖維素、果膠、木質(zhì)素、淀粉等物質(zhì)[9]，接合菌門（Zygomycota）中的毛霉屬（Mucor）、根霉屬（Rhizopus）、被孢霉屬(Mortierella)等真菌能分解土壤中的糖類和簡單多糖物質(zhì)[10]，而毛殼屬(Chaetomium)、鐮刀菌屬（Fusarium）、木霉屬（Trichoderma）等真菌能很好地分解土壤中的纖維素[11]。真菌容易降解生物炭中的頑固性碳，而且能夠更好地在生物炭的孔隙中生長，并且能夠更有效地利用額外的資源[12]，因此，生物炭的添加可以增加真菌的豐度，提高土壤真菌與細(xì)菌豐度比。Bamminger等[13]通過將2%生物炭添加到溫帶農(nóng)田土壤后，生物炭顯著提高了土壤中真菌和細(xì)菌的比例。Muhammad等[14]分別將豬糞炭、果皮炭、蘆葦炭以及蕪菁炭采用培育試驗施加到砂質(zhì)壤土中，培育90 d后發(fā)現(xiàn)，土壤真菌豐度顯著增加，而且隨著生物炭用量的不斷增加，真菌豐度及真菌與細(xì)菌豐度比也隨之增加。

近年來，生物炭作為一種低碳還田模式在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛利用，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，但是，生物炭在設(shè)施環(huán)境中的應(yīng)用還比較少。筆者主要針對北方設(shè)施常年種植蔬菜導(dǎo)致土壤有益菌群逐漸減少及蔬菜生長發(fā)育不良的現(xiàn)狀，利用生物炭改良溫室土壤，研究生物炭對黃瓜生長發(fā)育及對根際真菌豐度的影響，為北方設(shè)施環(huán)境下黃瓜栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 供試土壤 供試土壤為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院日光溫室土壤，分別為連續(xù)種植20 a蔬菜土壤，連續(xù)種植10 a蔬菜土壤與種植1 a蔬菜土壤，分別用N20，N10與N1來表示，土壤均為沙壤土，基本理化性質(zhì)見表1。pH值分別為 7.5～8.0，7.5～8.5，8.0～8.5。

表1 不同種植年限土壤理化性質(zhì)

1.1.2 供試作物 黃瓜品種為‘改良津春2號’，購于阜陽四方蔬菜種子有限公司。

1.1.3 供試生物炭 生物炭由遼寧金和農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司提供，生物炭為玉米秸稈400℃缺氧條件燃燒8 h制成，C、N、H質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為47.17%、0.71%和 3.83%，C/N值 66.44，pH值 9.04，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量（w）分別為925.74 g·kg-1、159.15 g·kg-1、394.18 g·kg-1和 783.98 g·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2017年3—9月在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院日光溫室中進(jìn)行，采用溫室換土的方法，隨機(jī)區(qū)組，設(shè)6個處理：在黃瓜定植前分別取連續(xù)種植20 a蔬菜土壤（N20）、連續(xù)種植20 a蔬菜土壤添加生物炭（N20J）、連續(xù)種植 10 a蔬菜土壤（N10）、連續(xù)種植 10 a蔬菜土壤添加生物炭（N10J）、種植 1 a蔬菜土壤（N1）及種植 1 a蔬菜土壤添加生物炭（N1J），在其表層 0～30 cm處每 hm2分別均勻施入20 t生物炭，每個處理設(shè)3次重復(fù)。日光溫室南北跨度為7 m，東西長50 m，黃瓜種植方式為小高壟，行距50 cm，株距35 cm。黃瓜于4月15日定植，在黃瓜生長期每隔20 d分別對株高、莖粗、葉面積、葉片數(shù)、葉綠素含量、光合參數(shù)（蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、葉面溫度、細(xì)胞間隙、光合速率）進(jìn)行測定；在黃瓜結(jié)果期（6月15日）采用抖落法[15]對每個處理分別取3處樣地根際0～20 cm處土壤均勻混合，測定真菌物種群落，同時進(jìn)行黃瓜根系面積及根系側(cè)根的測定。

1.3 測定方法

真菌菌群采用ITS序列高通量測定[15]，遵循Illumina測序儀文庫構(gòu)建方法，以ITS2為目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行引物設(shè)計，使用 DNA模板 50 ng、25μL的PCR擴(kuò)增體系，對最終Clean數(shù)據(jù)進(jìn)行物種分類學(xué)分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Microsoft Excel 2003整理試驗數(shù)據(jù)及繪圖；SPSS 19.0分別進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA）（顯著水平為0.05，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示）。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對黃瓜根際土壤真菌多樣性的影響

各處理土壤真菌物種進(jìn)化關(guān)系的系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹見圖版（彩色插頁第11頁），可概括各處理真菌物種間親緣關(guān)系。進(jìn)化樹環(huán)形部分文字為分類等級，由內(nèi)到外等級為由低到高，節(jié)點大小表示豐度高低，綠色覆蓋區(qū)域表示低豐度，紅色覆蓋區(qū)域表示高豐度。從圖中對比分析可知，與不添加生物炭相比，N20J、N10J處理豐度相對較多，其中N20J處理內(nèi)外的紅色覆蓋區(qū)域最多，說明該處理真菌的低級和高級物種豐度都相對最高，效果較為明顯。

2.2 生物炭對黃瓜生長特性的影響

黃瓜于4月15日定植，黃瓜在生長期的生長狀況如圖1、圖2及表2所示，在株高方面，種植1 a蔬菜的土壤添加生物炭后株高顯著增加；莖粗方面，連續(xù)種植20 a土壤及種植1 a土壤添加生物炭后均不同程度提高黃瓜莖粗；在葉綠素含量方面，連續(xù)種植10 a土壤及種植1 a蔬菜土壤添加生物炭后均不同程度提高黃瓜葉片葉綠素含量，其中種植10 a蔬菜的土壤添加生物炭下黃瓜的葉綠色含量與不添加生物炭相比達(dá)到顯著水平；3種土壤添加生物炭后，均不同程度增加黃瓜葉面積，并且都達(dá)到了顯著水平。

圖1 不同處理對黃瓜株高的影響

圖2 不同處理對黃瓜莖粗的影響

表2 施用生物炭對黃瓜生長特性的影響

表3為不同處理對黃瓜根系生長相關(guān)指標(biāo)的影響。由表3可知，對于根系數(shù)，添加生物炭的處理分別高出不添加生物炭的處理，且各處理與不添加生物炭的處理相比差異顯著；對于根系體積，N20J、N1J處理分別高出 N20及 N1，且 N1J與 N1差異顯著；對于根冠比，N20J與N1J處理均與不添加生物炭相比差異顯著；對于根系活力，N10J與N1J處理分別高出不添加生物炭的處理，且N10J與N10之間差異顯著。

表3 不同處理對黃瓜根系數(shù)、根系體積、根冠比和根系活力的影響

表4為不同處理對黃瓜光合參數(shù)的影響。從表4可知，對于蒸騰速率，添加生物炭的處理均高于不添加生物炭的處理，且差異顯著；對于氣孔導(dǎo)度，N20J、N10J和 N1J處理分別顯著高出 20.00%、30.00%和40.00%；對于細(xì)胞間隙，N20J、N10J與N1J處理均高于不添加生物炭的處理，且N1J與N1間差異顯著；對于光合速率，N20J與N10J處理分別高出不添加生物炭的處理，其中N10J光合速率達(dá)到顯著水平；對于葉面溫度而言，添加生物炭處理均未提高葉面積溫度，可能與生物炭本身性質(zhì)有關(guān)。

表4 施用生物炭對黃瓜光合參數(shù)的影響

3 討論與結(jié)論

在北方設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中，隨著種植年限增加，土壤質(zhì)量也逐年下降，蔬菜品質(zhì)隨之降低，不僅造成病蟲害增多，還會導(dǎo)致土壤肥力不斷下降，而且大部分集中在20 cm耕層土壤[16]。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，施入大量的無機(jī)肥，嚴(yán)重破壞了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，而且減少了土壤微生物的多樣性[17-18]。由于經(jīng)過處理的生物炭比未經(jīng)過處理的生物炭在土壤中穩(wěn)定性高，逐漸成為植物的改良物質(zhì)之一[19]。

曹雪娜等[20]研究表明，在設(shè)施土壤中施入生物炭可提高土壤全氮、全鉀、全磷含量及速效養(yǎng)分含量，并能夠促進(jìn)設(shè)施番茄生長及增加產(chǎn)量。裴志強(qiáng)等[21]利用生物炭、木本源泥炭、連作調(diào)理劑不同配比對設(shè)施蔬菜土壤的研究表明，生物炭+木本源泥炭+連作調(diào)理劑處理可以提高土壤持水量，改善土壤結(jié)構(gòu)，并且使作物總生物量明顯提高。韓光明等[22]研究表明，生物炭可以提高土壤細(xì)菌、放線菌、氨代細(xì)菌、好氧自生固氮菌及反硝化細(xì)菌的數(shù)量及比例，并且能夠改善土壤理化性質(zhì)及板結(jié)程度。程效義等[23]研究表明，對連作 15 a土壤施用 20 t·hm-2及40 t·hm-2生物炭，可分別提高土壤酶活性15.7%及23.8%，而且可以提高速效養(yǎng)分含量及pH值，黃瓜根系性狀與部分土壤理化性質(zhì)呈顯著相關(guān)，利于根系生長發(fā)育，提高黃瓜產(chǎn)量。楊冬艷等[24]通過對設(shè)施西芹施入生物炭，結(jié)果表明，生物炭可提高根際土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌的生物量及N、C含量。趙淑文等[25]通過對設(shè)施無土基質(zhì)栽培黃瓜根際土壤細(xì)菌群落的影響研究表明，生物炭通過改變細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而通過增加根際土壤速效養(yǎng)分含量供給狀態(tài)，促進(jìn)根際纖維素生成葡萄糖，刺激根系對鐵吸收并促進(jìn)根系生長，最終使黃瓜植株生長及產(chǎn)量提高。該試驗中，N20J與N10J不同處理在結(jié)果期均在一定程度提高了黃瓜根部土壤中真菌的豐度，與前人的研究結(jié)果一致。

試驗結(jié)果表明，生物炭處理下有利于黃瓜地上部及地下部生長，且能提高黃瓜光合速率，尤其表現(xiàn)在生物炭添加能顯著促進(jìn)黃瓜植株地下部分生長，這與Chan等[26]向蘿卜施用以農(nóng)業(yè)殘余物為原料制得的生物炭所得的結(jié)果一致。但是筆者研究發(fā)現(xiàn)，在黃瓜生育周期內(nèi)，連續(xù)種植10 a蔬菜土壤添加生物炭能顯著增加黃瓜地上及地下部分生長，而在黃瓜株高、莖粗方面添加生物炭沒有顯著增加，這與不同生物炭自身理化性質(zhì)以及分解和養(yǎng)分釋放過程的不同有關(guān)，同時可能與與黃瓜自身遺傳基因有關(guān)，具體原因還需要進(jìn)一步深入的研究。

設(shè)施黃瓜土壤經(jīng)一定量的生物炭處理后，總體上來看可提高根層20～40 cm根際土壤真菌豐度，同時不同程度分別提高黃瓜葉面積、葉綠素含量、根系數(shù)、根體積、根系活力及光合速率。綜合分析認(rèn)為，連續(xù)種植10 a蔬菜的土壤在添加生物炭處理優(yōu)于其他處理，與不添加生物炭相比，顯著或極顯著地提高20～40 cm土壤真菌豐度，并且能促進(jìn)黃瓜植株地上部分生長及地下部分生長。