徐廣平，滕秋梅，沈育伊，邱正強，張德楠，何成新，牟海飛，周龍武*，韋紹龍，牟芝熠

1. 廣西壯族自治區(qū)中國科學院廣西植物研究所/廣西喀斯特植物保育與恢復生態(tài)學重點實驗室，廣西 桂林 541006；2. 廣西壯族自治區(qū)中國科學院廣西植物研究所/廣西植物功能物質研究與利用重點實驗室，廣西 桂林 541006；3. 河北建筑工程學院，河北 張家口，075000；4. 中國地質科學院巖溶地質研究所，自然資源部/廣西巖溶動力學重點實驗室，廣西 桂林 541004；5. 廣西農業(yè)科學院生物技術研究所，廣西 南寧 530007；6. 廣西師范大學生命科學學院，廣西 桂林 541004

香蕉枯萎病是尖孢鐮刀菌古巴?；停‵usarium oxysporumf. sp. cubense，F(xiàn)OC）侵染植物后，引起的維管束病害（Tushemereirwe et al.，2000），屬于真菌類土傳病害，易發(fā)于 pH值 6.0以下、肥力較低的砂質、砂壤等酸性土壤中（Barbiéri et al.，2006），而土壤理化性狀對土傳病菌的生長和病害的發(fā)生起著關鍵作用（Alabouvetie，1986）。在中國蕉園等農田中，由于銨態(tài)氮等化肥的大量施用，加劇了土壤酸化（Guo et al.，2010），也破壞了蕉園的土壤結構，降低了土壤有機質、全氮和堿解氮含量，抑制了土壤酶活性和微生物數(shù)量（陳明智等，2008；洪珊等，2017），土壤酸化可能是造成作物枯萎病高發(fā)的一個重要原因（Barbiéri et al.，2006；彭雙等，2014；姚燕來等，2015）。因此，選擇能延緩土壤酸化、改善土壤養(yǎng)分、提高土壤酶活性、優(yōu)化土壤微生物群落結構和有利于香蕉枯萎病防控的土壤改良劑，對蕉園土壤質量的提升和生態(tài)環(huán)境的改善，具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

中國是香蕉種植大國，每年都會產(chǎn)生大量的香蕉莖葉等農業(yè)廢棄物，焚燒和直接還田可能會帶來一定的環(huán)境問題，如何實現(xiàn)香蕉莖葉廢棄物資源的多種利用途徑，是目前香蕉產(chǎn)業(yè)發(fā)展中亟待解決的問題。生物炭（biochar）是農作物秸稈等廢棄物、動物糞肥等其他生物質在完全或部分限氧條件下經(jīng)高溫裂解產(chǎn)生的一類高度富碳的難熔性固態(tài)物質（孔絲紡等，2015），被視為有效的土壤改良劑，具有原材料豐富，比表面積大和吸附能力強等優(yōu)點，尤其生物炭呈堿性，能顯著提高土壤的 pH值（Spokas et al.，2012）。施用生物炭能促進作物生長，改善土壤理化性質和提高土壤肥力（袁金華等，2011；劉玉學等，2013；Agegnehu et al.，2017；Kumar et al.，2018），提高土壤酶活性，調節(jié)土壤微生物群落結構（El-Naggar et al.，2018；胡華英等，2019）。將農業(yè)廢棄物轉化為生物炭，在土壤改良和農業(yè)生產(chǎn)等領域中具有廣泛的應用（張祥等，2013；房彬等，2014；蔣惠等，2017）。有報道生物炭被應用于因土壤病原菌引起的楓樹（Staphylea forrestii）、橡樹（Quercus palustris）、辣椒（Capsicum annuum）等農作物土傳病害的防治中（Elmer et al.，2011；Zwart et al.，2012；王光飛等，2017），生物炭能抑制立枯絲核菌（Rhizoctonia solani）引起的蘿卜猝倒?。℅uijarro et al.，2010），也有不少關于生物炭防控番茄（Solanum lycopersicum）青枯病、蘆筍（Asparagus officinalis）根腐病和黃瓜（Cucumis sativus）猝倒病等土傳病害的報道（馬艷等，2014；Graber et al.，2014），表明生物炭在土傳病害的防控方面有一定的作用效果。但有關生物炭對土傳病害防控效果與其對土壤性狀影響的關聯(lián)分析的研究報道還不多（王光飛等，2017）。

目前已有對花生殼、稻稈、玉米稈、麥稈、豬糞等材料制備生物炭的研究報道（韋思業(yè)，2017；柳瑞等，2020），對香蕉莖葉廢棄物制備生物炭及其就地返還蕉園土壤的研究較少，而以上研究大部分是基于室內培養(yǎng)試驗（Subedi et al.，2016），在野外大田原位輸入生物炭的研究不多（田冬等，2017；程揚等，2018）。香蕉園每年產(chǎn)生大量的香蕉莖葉等農業(yè)廢棄物，其含有豐富的營養(yǎng)成分，是較理想的生物炭材料，如果將香蕉園莖葉廢棄物制備成生物炭并就地返還蕉園土壤，可能是香蕉莖葉廢棄物資源化利用的途徑之一，也可以避免對環(huán)境產(chǎn)生污染。同時，生物炭施用對農作物土傳病害防治的影響較復雜，已有研究結果仍存在著較多的不確定性。以香蕉莖葉廢棄物制備生物炭，并就地返還輸入到蕉園土壤中，對香蕉枯萎病是否有防控效果？如果有正效應，是否與根際土壤理化性質、酶活性和微生物群落結構的變化有關？針對這一問題開展研究，對于科學評價香蕉莖葉廢棄物生物炭在蕉園土壤改良中的應用效果十分必要。

因此，本研究以香蕉莖葉廢棄物為材料，通過開展施用生物炭試驗（500 ℃，厭氧制備），研究生物炭不同用施用量對蕉園土壤理化性質、酶活性和微生物群落結構的影響，并探討對香蕉枯萎病的防控效果，旨在為香蕉莖葉廢棄物資源化利用、生物炭在蕉園農田土壤改良以及香蕉枯萎病的防控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地選擇在海南省樂東黎族自治縣，位于海南西南部，介于18°24′—18°58′N，108°39′—109°24′E之間。氣候溫暖，光照充足，雨量充沛，熱量豐富，年平均降水量為1600 mm，年平均溫度24 ℃，年日照時數(shù)1900 h。試驗地為同一農戶耕種、集中平坦的農田，已連作9年的香蕉種植地，2014年該農田香蕉枯萎病發(fā)病率達58%以上。土質為輕黏壤土，土層深厚。參考鮑士旦（2000）土壤理化性質的分析方法，經(jīng)測定，試驗地土壤理化性質的相關背景值為：陽離子交換量 8.21 cmol·kg-1，容重 0.99 g·m-3，pH 值 5.86，有機質 5.47 g·kg-1，全氮 1.08 g·kg-1，全磷 0.61 g·kg-1，全鉀 2.27 g·kg-1，速效氮 65.18 mg·kg-1，速效磷 3.19 mg·kg-1，速效鉀 93.99 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

種植的香蕉苗購買自廣東省農業(yè)科學院果樹研究所。2014年11月，以收集的樂東縣同一香蕉種植地塊及周邊區(qū)域香蕉莖葉廢棄物為原料，由濟寧德漢齊機械工程科技有限公司制備生物炭，將香蕉莖葉廢棄物洗凈風干后放置于馬弗爐中（日本，Yamato FO410C），采用限氧控溫炭化法，按照 5 ℃·min-1升至目標溫度500 ℃，炭化時間為2 h，關閉馬弗爐，待溫度自然冷卻至室溫后，將制得的生物炭用研缽磨細后過0.25 mm篩，裝瓶備用。生物炭pH值采用木質活性炭pH值的測定方法（GB/T 12496.7—1999），使用PHS-3C酸度計（上海精科儀器廠）測定pH值；粗灰分使用木炭和木炭試驗方法（GB/T 17664—1999），碳（C）、氮（N）、硫（S）采用德國 Elementar Vario EL III元素分析儀進行分析，磷（P）采用鉬銻抗比色法，鈣（Ca）、鐵（Te）、銅（Cu）、鎂（Mg）、鉀（K）等元素含量采用IRIS1000ER/S型等離子體發(fā)射光譜儀測定，陽離子交換量（CEC）采用醋酸銨法測定，生物炭比表面積采用 ASAP-2020表面積分析儀（Micromeritics Instrument Corporation，US），N2作為吸附質，在液氮溫度77 K下測定。

香蕉莖葉生物炭的基本性質為：比表面積80.51 m2·g-1，陽離子交換量 48.31 cmol·kg-1，粗灰分19.05%，pH值10.33，碳含量462.59 mg·g-1，氫含量 23.95 mg·g-1，氧含量 179.31 mg·g-1，氮含量 13.67 mg·g-1，磷含量 5.41 mg·g-1，硫含量 5.39 mg·g-1，鉀含量 42.77 mg·g-1，鈣含量 15.18 mg·g-1，鎂含量 10.75 mg·g-1，鐵含量 6.99 mg·g-1，銅含量 2.81 mg·g-1。

1.3 試驗設計

于2015年1月布置田間小區(qū)試驗，生物炭輸入比例按生物炭與土壤的質量百分比進行控制（郭艷亮等，2015），設置CK（C0，無生物炭施用）、C1（0—20 cm土層重的1%）、C2（0—20 cm土層重的2%）和C3（0—20 cm土層重的3%）4個處理，每個處理設4個重復，采用完全隨機區(qū)組設計，共設16個試驗小區(qū)，每個處理小區(qū)面積為250 m2（50 m×5 m），小區(qū)之間由畦溝分隔開。使用農耕工具分別將各小區(qū)內表層 20 cm深的土壤均勻翻耕，將生物炭一次性按照設定的比例與翻耕的土壤充分混合再回填，并輕微壓實以復原土位，對照樣地采用同樣的翻耕等處理。施用生物炭1個月后，移栽種植巴西蕉（MusaAAA Giant Cavendish cv.Baxi），每試驗小區(qū)種植40株，株行距為2.5 m×2.5 m。在香蕉生長期間，其他施肥等果園管護措施按照當?shù)氐慕秷@管理辦法進行。

1.4 香蕉株高測量和枯萎病調查

2015年7月，對各試驗小區(qū)的所有香蕉植株，使用卷尺測定香蕉株高（從香蕉基部到倒數(shù)第三片葉葉柄處的高度），同時觀察香蕉枯萎病的發(fā)病情況，以典型癥狀（黃葉、維管束堵塞壞死和葉片下垂等）作為發(fā)病標準（楊秀娟等，2006），統(tǒng)計香蕉染病率及病情指數(shù)，將香蕉枯萎病分為0—4級5個標準。相關計算公式如下：

式中，Ryl為香蕉黃葉率（%）；Ny為黃葉數(shù)；Ng為綠葉數(shù)。M為香蕉枯萎病發(fā)病率（%）；Nd為染病植株總數(shù)；Nh為健康植株總數(shù)。Id為病情指數(shù)；Pdi為各級病株數(shù)；Ri為該級級數(shù)值；Np為總株數(shù)；Rmax為最高級級數(shù)值。Edp為防病效果（%）；Id-ck為對照病情指數(shù)；Id-tm為處理病情指數(shù)。

1.5 土壤樣品采集及測定

施用生物炭1年后，于香蕉成熟收獲期，采用五點取樣法在試驗地各小區(qū)內每5株香蕉附近采集土樣，距離植株根圍20—30 cm，采集0—20 cm土壤，5株香蕉根際的土壤均勻混合。將采集的土壤樣品裝在無菌保鮮袋中，用密封冰盒帶回實驗室，一部分鮮樣保存于4 ℃冰箱，分析土壤酶活性、土壤微生物數(shù)量及微生物多樣性等備用，另一部分土壤樣品風干用于養(yǎng)分含量測定。

土壤理化性質測定參照鮑士旦（2000）的方法，環(huán)刀法測定田間持水量和土壤容重，pH值采用電位法；土壤陽離子交換量（CEC）采用乙酸鈉-火焰光度法；土壤有機質（OM）采用重鉻酸鉀氧化法；全氮（TN）通過德國Vario ELIII元素分析儀分析；全磷（TP）用濃硫酸-高氯酸消煮，鉬銻抗比色法，美國Agilent 8453紫外-可見分光光度計；全鉀（TK）用硫酸-高氯酸消煮，火焰光度法；速效氮（AN）用堿解擴散法；速效磷（AP）用碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法；速效鉀（AK）用火焰光度法。

土壤酶活性分析參考關松蔭（1986）的方法，通過苯酚鈉比色法測定土壤脲酶活性，以 37 ℃脲酶作用48 h內1 g土壤中NH3-N的質量表示；采用3, 5-二硝基水楊酸比色法，測定土壤蔗糖酶活性，以37 ℃蔗糖酶作用下24 h內1 g土壤中葡萄糖的質量表示；采用高錳酸鉀滴定法，測定土壤過氧化氫酶活性，以過氧化氫酶作用下1 g土壤24 h所消耗的0.1 mol·L-1KMnO4的體積表示；采用磷酸苯二鈉比色法，測定土壤酸性磷酸酶活性，以 37 ℃磷酸酶作用下24 h內1 g土壤中酚的質量表示。土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量通過稀釋平板計數(shù)法統(tǒng)計（許光輝等，1986），可培養(yǎng)細菌、放線菌、真菌的數(shù)量的培養(yǎng)基分別為牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、改良高氏1號（苯酚500 mg·L-1）培養(yǎng)基、馬?。∕artin）孟加拉紅-鏈霉素（鏈霉素30 mg·L-1）培養(yǎng)基，尖孢鐮刀菌采用Komada 改良培養(yǎng)基（Smith et al.，2008），以CFU/g（干土）表示。土壤微生物功能多樣性采用基于31種碳源的生態(tài)板（Biolog-ECO）進行測定，土壤微生物活性用單孔平均顏色變化率（Average well color development，AWCD）表示（Kurten et al.，2016）：

式中，Ci為每個有培養(yǎng)基孔的光密度值；R為對照孔的光密度值；n為培養(yǎng)基碳源數(shù)量，本研究為31。

豐富度指數(shù)（Richness index）是指被利用碳源的總數(shù)目，為每孔中（Ci?R）數(shù)值大于0.25的孔數(shù)。

多樣性指數(shù)Shannon-Wiener（H'）：

式中，Pi為有培養(yǎng)基的孔和對照孔的光密度值差與整板總差的比值，即Pi=(Ci?R)/∑(Ci?R)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

運用 Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理和作圖，SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（One-way ANOVA），并用最小顯著差數(shù)法（Least significant difference，LSD）進行差異顯著性檢驗（顯著性水平設定為α=0.05）。利用Pearson相關系數(shù)分析土壤酶活性、微生物群落結構、AWCD值、Shannon-Wiener指數(shù)、豐富度指數(shù)與土壤理化性質間的相關性。

2 結果與分析

2.1 生物炭施用后蕉園香蕉株高和枯萎病的變化

從表 1看出，與對照處理相比，施用生物炭后株高顯著增加了13.62%—34.56%（P＜0.05），大小順序為 C3＞C2＞C1＞CK。C1、C2和 C3處理的黃葉率分別降低了17.42%、31.65%和40.84%，香蕉黃葉率和枯萎病密切相關，發(fā)病率越高，黃葉越多，病害就越嚴重。C1、C2和C3處理的發(fā)病率分別降低了 5.82%、15.22%和 27.09%，病情指數(shù)分別降低了 9.57%、16.19%和 32.16%。香蕉枯萎病的防病效果隨著生物炭施用量的增加而顯著增強（P＜0.05）。

2.2 生物炭對蕉園土壤物理性狀的影響

施用生物炭對土壤主要物理性質的影響如圖 1所示。與對照相比，C1、C2、C3處理的土壤田間持水量顯著增加8.07%、21.74%和35.40%；土壤容重顯著降低15.4%—34.34%，土壤毛管孔隙度和總毛管孔隙度分別顯著增加 14.36%—34.21%和11.96%—31.96%。

表1 生物炭處理對香蕉株高和枯萎病發(fā)生的影響Table 1 Effects of different biochar treatments on plant height and Fusarium wilt of banana plantation

圖1 生物炭處理對蕉園土壤物理性狀的影響Fig. 1 Effects of different biochar treatments on soil physical properties of banana plantation

2.3 蕉園土壤化學性狀的變化

如表2所示，施用生物炭1年后，蕉園土壤pH值、陽離子交換量、有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀以及碳氮比表現(xiàn)出一致的變化趨勢，均隨生物炭施用量的增加而增大，相對于對照，生物炭施用后以上各指標分別增加了23.55%—33.96%、98.17%—273.45%、50.82%—140.77%、8.33%—34.26%、36.07%—90.16%、16.74%—63.0%、36.04%—84.73%、22.57%—288.09%、33.77%—124.70%和 38.31%—79.57%，其中，速效磷、陽離子交換量、速效鉀和有機質的增幅較大。除全氮和速效磷之外，其他指標在各處理間均達到顯著差異（P＜0.05）。

2.4 蕉園土壤酶活性和微生物數(shù)量的變化

從表3可知，脲酶和過氧化氫酶活性隨著生物炭施加量的增加而顯著增加，C3＞C2＞C1＞CK。與CK處理相比，生物炭處理（C1、C2，C3）分別顯著增加了脲酶和過氧化氫酶活性 23.94%—78.87%和32.95%—95.45%。土壤蔗糖酶和酸性磷酸活性變化規(guī)律一致，大小關系為 C2＞C3＞C1＞CK，增幅分別為7.84%—29.51%和36.78%—112.64%。除蔗糖酶在C1與CK間無顯著差異之外，C2和C3處理與對照間均達到顯著差異。與 CK相比，C1、C2和C3處理分別顯著增加了細菌、放線菌和固氮菌數(shù)量2.45%—13.07%、6.64%—19.14%和14.10%—78.31%；顯著降低了真菌和鐮刀菌數(shù)量 5.38%—23.19%和4.73%—28.13%。

2.5 蕉園土壤微生物碳源利用能力和代謝活性的變化

從圖 2可知，對照處理和生物炭處理 AWCD的變化趨勢基本相似，在0—120 h處于增加狀態(tài)，到120 h時出現(xiàn)最大值，120—144 h略有降低，144 h之后逐漸趨于增加。在144 h，C1、C2和C3處理的AWCD值分別為0.95、1.06和1.22，比CK處理分別提高了4.40%、16.12%和33.70%，高施用量生物炭處理（C2和C3）與對照間的差異顯著。在整個培養(yǎng)過程中，不同處理土壤微生物群落的AWCD大小順序為 C3＞C2＞C1＞CK。

2.6 蕉園土壤微生物群落多樣性指數(shù)的變化

根據(jù)不同處理碳源利用情況（圖 3），與 CK處理相比，多樣性指數(shù)只有在C3處理達到顯著差異，而對豐富度指數(shù)來說，C1、C2和C3處理均顯著高于對照處理。C3處理的多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)均最大，與 CK相比分別增加了 20.92%和41.53%，表明C3處理土壤微生物種類最多、分布較均勻且對碳源利用程度最高。

2.7 土壤理化性質與土壤酶活性、土壤微生物、香蕉枯萎病相關指標間的相關性

表4是施用生物炭后蕉園土壤理化性質與酶活性、土壤微生物、香蕉枯萎病相關指標間的相關性分析。香蕉株高與田間持水量、速效磷和速效鉀顯著正相關（P＜0.05）；脲酶活性與田間持水量、速效氮呈顯著正相關，與全氮呈極顯著正相關（P＜0.01）；蔗糖酶僅與全鉀含量呈顯著正相關（P＜0.05）；過氧化氫酶與速效鉀呈顯著正相關，與有機質呈極顯著正相關（P＜0.01）；酸性磷酸酶與土壤容重呈極顯著負相關（P＜0.01），與全氮、速效氮和速效磷呈顯著正相關（P＜0.05）；可培養(yǎng)細菌與田間持水量、全氮呈顯著正相關（P＜0.05）；可培養(yǎng)真菌與速效氮、速效磷呈顯著負相關（P＜0.05）；可培養(yǎng)放線菌與土壤理化性質間無顯著相關性；尖孢鐮刀菌與容重呈顯著正相關，與田間持水量、有機質呈顯著負相關，與pH值呈極顯著負相關（P＜0.01）；固氮菌與全氮、速效磷呈顯著正相關，與速效氮呈極顯著正相關（P＜0.01）；AWCD與田間持水量、全氮和速效氮呈顯著正相關（P＜0.05）；豐富度與容重呈極顯著負相關，與有機質呈顯著正相關（P＜0.05）；微生物多樣性指數(shù)與容重呈極顯著負相關，與有機質、速效氮呈顯著正相關（P＜0.05）；黃葉率與容重呈顯著正相關，與CEC、有機質、速效鉀呈顯著負相關（P＜0.05）；發(fā)病率與田間持水量呈極顯著負相關，與 pH、全氮呈顯著負相關（P＜0.05）；病情指數(shù)與容重、速效磷呈顯著正相關（P＜0.05），防病效果與速效氮、速效磷呈顯著正相關（P＜0.05）。

表2 生物炭處理對蕉園土壤化學性狀的影響Table 2 Effects of different biochar treatments on soil chemical properties of banana plantation

表3 生物炭處理對土壤酶活性和微生物數(shù)量的影響Table 3 Effects of different biochar treatments on soil enzyme activity and soil microbial population

圖2 生物炭處理對蕉園土壤微生物AWCD的影響Fig. 2 Effects of different biochar treatments on soil microbial AWCD of banana plantation

圖3 不同生物炭處理蕉園土壤微生物多樣性指數(shù)的變化Fig. 3 Changes of soil microbial diversity index of banana plantation in different biochar treatments

表4 土壤理化性質與土壤酶活性、土壤微生物、香蕉枯萎病相關指標間的相關性Table 4 Correlation of soil physic-chemical properties, enzyme activity, microorganism and banana Fusarium wilt

2.8 土壤酶活性、土壤微生物、香蕉枯萎病相關指標間的相關性

在表5中，細菌與酸性磷酸酶、防病效果呈顯著正相關（P＜0.05），與發(fā)病率極顯著呈負相關（P＜0.01）；真菌與蔗糖酶呈顯著負相關，與病情指數(shù)呈顯著正相關（P＜0.05）；放線菌分別與脲酶、過氧化氫酶呈顯著正相關（P＜0.05，P＜0.01）；尖孢鐮刀菌與脲酶呈極顯著正相關（P＜0.01），固氮菌與蔗糖酶、防病效果呈顯著正相關，與病情指數(shù)呈顯著負相關（P＜0.05）；AWCD與蔗糖酶呈顯著正相關，與發(fā)病率呈顯著負相關（P＜0.05）；豐富度、多樣性指數(shù)均與土壤脲酶呈顯著負相關（P＜0.05），豐富度與黃葉率呈顯著負相關，多樣性指數(shù)與防病效果呈顯著正相關（P＜0.05）。

3 討論

3.1 施用生物炭對蕉園土壤理化性質的影響

本研究中，與對照相比，隨著香蕉莖葉生物炭輸入量的增加，降低了土壤容重，增加了土壤田間持水量，提高了毛管孔隙度和總毛管孔隙度，說明生物炭有利于改善蕉園土壤結構和土壤水分狀況，這與其他學者（張祥等，2013；房彬等，2014；胡華英等，2019）的研究結果相似。這是因為生物炭具有多孔結構，其容重小于土壤的容重，且對土壤容重會產(chǎn)生一定的稀釋效應（Burrell et al.，2016）。生物炭還能改善土壤通氣狀況，有利于養(yǎng)分和水分的保持，可增強礦物質顆粒與菌體間的相互作用，降低了土壤的容重（Lei et al.，2013）。前人研究表明，生物炭具有較大的比表面積、較強的持水能力，可以增加生物炭顆粒和水分之間的吸附力，因此有利于提高田間持水量（Rajapaksha et al.，2016）。生物炭還田措施能提供充足的營養(yǎng)物質給土壤動物、微生物、菌根等，促進了土壤孔隙度的改善（胡華英等，2019）。

有研究表明，施加生物炭2年后，土壤pH、有機碳含量均顯著增加，磷、鉀的有效利用率顯著增強（Liu et al.，2012）。添加香蕉假莖生物炭，蕉園土壤有機質、有效鉀和有效磷含量顯著增加，提高了土壤pH值（王明元等，2019）。本研究與上述等研究結果相似（Liu et al.，2012；Spokas et al.，2012；Rajapaksha et al.，2016；王明元等，2019），香蕉莖葉生物炭施用大田1年后，顯著增加了土壤陽離子交換量（CEC）和土壤pH值。蕉園土壤陽離子交換量的增幅較大，主要原因可能是生物炭提高了土壤的pH值，隨著土壤pH升高，pH值進一步促進土壤中膠體微粒表面羥基發(fā)生變化，其所帶負電荷增大，也相應增加了 CEC含量。而且，由于生物炭比表面積較大，其氧化作用能顯著增加表面的含氧官能團，通過增強對陽離子的吸附能力，進而提高陽離子交換量（Topoliantz et al.，2005）。

另外，生物質炭本身的含堿量較高，對土壤酸度的改良效應起主導作用，也與生物炭中碳酸鹽的總量和結晶態(tài)碳酸鹽的含量與制備溫度呈正相關有關（袁金華等，2011），由于其比表面積和孔隙度較大，大量羰基、羧基和羥基等含氧官能團，對土壤中的 H+產(chǎn)生吸附作用，因而提高土壤 pH值（Yuan et al.，2011）。本研究中，香蕉莖葉生物炭自身呈堿性，pH值為 10.33，pH值會影響土壤的陽離子交換量和土壤的緩沖能力，隨著香蕉莖葉生物炭輸入量的增加，顯著降低了蕉園土壤的酸度，可為香蕉苗的健康生長提供適宜的土壤環(huán)境，這對于減緩蕉園土壤酸化具有積極的正作用，對連作蕉園的酸化土壤有一定的改良效果，這與其他研究結果相似（Haefele et al.，2011；張祥等，2013；胡華英等，2019）。

表5 土壤酶活性、土壤微生物、香蕉枯萎病相關指標間的相關性Table 5 Correlation of soil enzyme activity among soil microorganis and banana Fusarium wilt

由于生物炭自身含有N、P、K、Ca、Mg、S等礦質營養(yǎng)元素，輸入土壤后有利于提高土壤的養(yǎng)分含量，另一方面，生物炭可提高土壤持水量，明顯增加紅壤堿解氮含量，可給作物生長提供良好的環(huán)境（張祥等，2013）。本研究中，施用香蕉莖葉生物炭不同程度增加了蕉園土壤有機質、全磷、全鉀、速效氮、速效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量，既可以改善土壤結構，也增加了土壤有機碳含量，這與其它研究結果相似（張晗芝等，2010；張祥等，2013；蔣惠等，2017）。施用15 t·hm-2稻稈生物炭可以穩(wěn)定水稻（Oryza sativa）產(chǎn)量，實現(xiàn)水稻氮肥管理的“減量增效”（柳瑞等，2020）。秸稈生物炭顯著促進番茄養(yǎng)分吸收，提高番茄產(chǎn)量，當施用量為15 t·hm-2時，增幅最大（勾芒芒等，2013），施用秸稈生物炭1.33%的用量對辣椒疫病的防效最好（王光飛等，2017）。本研究結果表明，香蕉莖葉生物炭對蕉園酸化土壤的理化性質有積極的正效應，在蕉園0—20 cm土層施用3%的施用量時，對土壤培肥的綜合效果表現(xiàn)較顯著。

3.2 施用生物炭對蕉園土壤酶活性和微生物數(shù)量的影響

生物炭可促進土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶活性，對脲酶、酸性磷酸酶的影響不明顯（顧美英等，2016）。許云翔等（2019）研究表明，生物炭輸入增加了脲酶、酸性磷酸酶活性，降低了過氧化氫酶活性?？梢姡锾繉ν寥烂富钚缘挠绊懖煌耆恢?，這可能與生物炭自身的性質有關，不同生物炭的組分和吸附能力也具有差異性，因此對土壤酶活性的影響也并非單一的抑制或促進；也與生物炭輸入引起土壤理化性質的變化有聯(lián)系（Zwart et al.，2012）。本試驗結果表明，與對照比較，香蕉莖葉生物炭對土壤酶活性產(chǎn)生了促進作用，可以顯著提高蕉園土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶和酸性磷酸酶的活性，這與丁文娟等（2014）研究結果相同。究其原因，可能是香蕉莖葉生物炭自身對土壤酶的反應底物產(chǎn)生吸附作用，從而促進了土壤酶活性。脲酶是土壤氮素循環(huán)中的關鍵酶，其活性與土壤氮素的轉化關系密切，生物炭增加了土壤中全氮含量、速效氮含量和 C/N（表 2），并且尿酶與全氮有極顯著的正相關性（P＜0.01），與速效氮有顯著的正相關性（P＜0.05，表 4），這均表明生物炭對脲酶活性產(chǎn)生了顯著影響。蔗糖酶活性可以表征土壤有機碳的轉化情況（關松蔭，1986），與其相一致，本研究中，施用香蕉莖葉生物炭增加了蔗糖酶含量，有利于土壤有機質的提高，促進了過氧化氫酶的活性，說明過氧化氫酶參與了土壤中有機物質的氧化過程。土壤磷酸酶一般參與土壤有機磷水解轉化為磷酸鹽的過程，施用香蕉莖葉生物炭提高了酸性磷酸酶活性，而酸性磷酸酶與速效磷有顯著的正相關性（P＜0.05，表 4），這表明施用香蕉莖葉生物炭，能補充蕉園土壤及香蕉苗生長對磷元素的需求，促進了香蕉植株的生長。

前人研究表明，由于生物炭具有巨大的比表面積和特殊的孔隙結構，可作為土壤微生物生長的載體，進而對土壤微生物種群豐度和群落結構產(chǎn)生重要影響（丁艷麗等，2013）。生物炭添加促進了秸稈還田土壤細菌群落組成結構變化，添加不同比例的生物炭對土壤中微生物群落結構有明顯的影響（程揚等，2018），王明元等（2019）的研究結果表明，高比例生物炭添加量對細菌豐富度和群落結構的改變更加顯著，而Dempster et al.（2012）發(fā)現(xiàn)生物炭高施用量會降低土壤微生物數(shù)量。本研究中，施用香蕉莖葉生物炭改變了蕉園微生物群落結構，顯著提高了土壤可培養(yǎng)細菌、固氮菌和放線菌的數(shù)量，降低了可培養(yǎng)真菌和尖孢鐮刀菌的數(shù)量，尤其高施用量生物炭的作用效果更明顯，這類似與程揚等（2018）和王明元等（2019）的研究結果，與Dempster et al.（2012）的結論有所不同。尖孢鐮刀菌和真菌數(shù)量的減少，可能是因為其生理生化反應受到體內外微環(huán)境中pH值的影響（Tasaki et al.，2015），尖孢鐮刀菌是一種真菌類土傳病菌，類似真菌，多在在pH 6.0以下的酸性環(huán)境下生長。本研究結果表明，生物炭施用后土壤pH值均達到7.20以上（表 2），對真菌類的生長可能有一定的抑制作用；而放線菌和細菌是喜堿性環(huán)境的微生物，香蕉莖葉生物炭自身的pH值為10.33，輸入蕉園后改善了土壤環(huán)境，有利于放線菌和細菌的生長和繁殖。這與李進等（2016）堿性肥料對香蕉枯萎病發(fā)生及土壤微生物群落影響的研究結果相類似。

3.3 施用生物炭對蕉園土壤微生物活性及多樣性的影響

土壤施用生物炭可以促進某些微生物種群的生長，也會抑制到一些微生物種群，改變了微生物群落結構，引起微生物豐富度及多樣性指數(shù)的變化（Jaiswal et al.，2017）。豐富度指數(shù)表示被利用碳源的總數(shù)目，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)值越大，說明微生物種類多且分布均勻；AWCD值越大，表明微生物對碳源的利用活性越強，其活性越高，植株易感病的級別則越低。本研究表明，蕉園土壤微生物 AWCD值隨生物炭施用量的增加而增大，這可能是生物炭輸入蕉園土壤后，改變了土壤原有微生物的酸堿環(huán)境，進一步改善了土壤微生物群落的生境，增加了蕉園土壤中數(shù)量最多的細菌和放線菌數(shù)量，增大了微生物總量，從而使微生物對碳源的利用率隨之增強，因此土壤微生物的活性增大，這與其它研究結果相一致（周鳳等，2019）。不同比例的生物炭對 AWCD值的影響有差異，這與生物炭施用導致了土壤微生物數(shù)量的不同有關，從而影響了對碳源的利用能力，此結果與李航等（2016）的研究結論相似。施用香蕉莖葉生物炭，提高了蕉園土壤微生物群落的代謝活性，高施用量生物炭的作用效果更顯著。

本研究中，生物炭處理的豐富度及 Shannon-Wiener指數(shù)均大于 CK處理，豐富度、Shannon-Wiener指數(shù)間分別在C1處理與CK處理間無顯著差異。這可能與孢鐮刀菌和可培養(yǎng)真菌的數(shù)量有關，C1處理與CK處理的尖孢鐮刀菌和真菌數(shù)量均沒有達到顯著水平，反映了此時土壤中可能還有較多的尖孢鐮刀菌和可培養(yǎng)真菌存在，其活性還較強，為維持生長和繁殖其可能還會與細菌、放線菌、固氮菌等微生物競爭生長所需的碳源等養(yǎng)分和生境，從而引起其它微生物生長所需養(yǎng)分及空間的不足；另外，大量存在的真菌和尖孢鐮刀菌，也會衍生某類物質，從而抑制其它微生物的生長（李航等，2016），導致土壤微生物多樣性的增加不明顯。而C3處理的豐富度及Shannon-Wiener指數(shù)均達到顯著水平，這可能與此時生物炭高施用量有關（3%），前人研究表明，高輸入量生物炭會引起土壤理化性質和土壤酶活性的顯著變化，改變土壤微生物需要的酸堿環(huán)境，對尖孢鐮刀菌和真菌等有害病菌的生長和繁殖有抑制作用，進而促進了細菌、放線菌、固氮菌等的生長（Huang et al.，2015）。因此，高施用量的香蕉莖葉生物炭對微生物種群數(shù)量的影響更明顯，尤其增加了細菌、放線菌、固氮菌等數(shù)量，可能是蕉園土壤微生物多樣性顯著提高的主要原因。可見，施用香蕉莖葉生物炭提高了香蕉土壤微生物的多樣性、豐富度以及利用碳源的能力，且高施用量（3%）生物炭處理的影響較顯著。這與王穎等（2019）的研究結果相類似，其認為生物炭輸入提高了土壤細菌群落的多樣性，3%比例鋸末生物炭的作用效果最佳。

3.4 施用生物炭對香蕉枯萎病發(fā)生的影響

Philipp et al.（2017）的研究表明，通過調節(jié)土壤微生物結構的差異，可能是防控香蕉枯萎病的關鍵措施之一，土壤微生物群落多樣性及豐富度越高，代謝活性越強，防病效果越好，本研究結果與其結果相符。本研究結果表明，隨著香蕉莖葉生物炭施用量的增加，降低了香蕉的黃葉率、香蕉枯萎病發(fā)病率和病情指數(shù)，提高了香蕉枯萎病的防病效果，香蕉植株高度隨之升高，且高施用量C3（3%）的效果優(yōu)于低施用量（C1：1%；C2：2%）和對照，說明蕉園大田施用生物炭措施，能有效的抑制香蕉枯萎病的發(fā)生。本研究中，伴隨細菌、放線菌和固氮菌數(shù)量的增加，降低了真菌和尖孢鐮刀菌的數(shù)量，而真菌和尖孢鐮刀菌的數(shù)量降低則會減小枯萎病病菌的發(fā)病率。土壤固氮微生物的固氮作用，可以提高土壤中的氮素含量，固氮菌數(shù)量的增加有利于促進香蕉苗的生長。同時，提高了土壤微生物活性及多樣性，并且細菌、放線菌、固氮菌、微生物的 AWCD值、豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)均分別與黃葉率、發(fā)病率、病情指數(shù)呈負相關，表明香蕉枯萎病的發(fā)生與這些指數(shù)密切關聯(lián)。

前人研究結果表明，生物炭疏松多孔，施入土壤后可改善土壤結構（張祥等，2013；房彬等，2014；郭艷亮等，2015；蔣惠等，2017），可為有益微生物提供良好生態(tài)環(huán)境（丁艷麗等，2013；程揚等，2018）。本研究中，土壤理化性質與大部分土壤酶、土壤微生物數(shù)量、土壤微生物多樣性及代謝活性、香蕉枯萎病相關指標等之間具有顯著或極顯著的相關關系，這表明香蕉莖葉生物炭通過對土壤理化性質、土壤酶活性等的改善作用，調節(jié)了不同微生物數(shù)量的大小比例關系，給有益微生物（細菌、放線菌和固氮菌）提供了適宜生長的生長環(huán)境，優(yōu)化了土壤微生物的群落結構，進一步支持了生物炭對土傳病害的防治有一定積極效果的結論（Shi et al.，2017）。

秸稈制備生物炭輸入土壤，既能提高土壤肥力和肥料利用效率，又可以增加作物產(chǎn)量，有利于農田生態(tài)環(huán)境的改良，促進了農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展（王典等，2012）。中國是香蕉種植大國，每年產(chǎn)生大量的香蕉莖葉廢棄物，將香蕉莖葉廢棄物制備成生物炭，并將其就地還田，將有利于其資源化利用。土壤質量是土壤物理、化學性質和生物學特性等的綜合反映，香蕉枯萎病發(fā)病率的降低，與香蕉莖葉生物炭施用后蕉園土壤理化性質的改善，酶活性的提高，土壤微生物群落結構等的優(yōu)化以及三者間的相互作用密切相關。香蕉莖葉生物炭對蕉園土壤性狀、香蕉枯萎病的持續(xù)調控效應及其內在的分子微生物驅動機制，微生物與香蕉植株抗病性的關系，還需要在后續(xù)試驗中深入研究。

4 結論

（1）施用香蕉莖葉生物炭，增加了蕉園土壤中細菌、放線菌和固氮菌的數(shù)量，降低了與枯萎病傳染相關聯(lián)的真菌和尖孢鐮刀菌的數(shù)量，增加了土壤微生物多樣性，提高了蕉園土壤微生物群落的代謝活性；增加了香蕉植株高度，降低了黃葉率、香蕉枯萎病發(fā)病率和病情指數(shù)，增強了香蕉枯萎病防病效果指數(shù)，對香蕉枯萎病的發(fā)生具有良好的防控效果。

（2）施用香蕉莖葉生物炭對蕉園土壤理化性質有顯著影響，改善了土壤結構，增加了土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀和速效氮等養(yǎng)分含量，促進了蕉園土壤的培肥效應，對蕉園酸化土壤有積極的正效應和一定的改良效果，提高了土壤質量。

（3）施用香蕉莖葉生物炭引起了土壤理化性質、土壤酶活性、微生物數(shù)量及微生物群落結構的變化，是對香蕉枯萎病產(chǎn)生防控效果的重要原因。在蕉園0—20 cm土層，生物炭輸入量在3%時，對土壤質量的提升和香蕉枯萎病的防控效果較好。香蕉莖葉生物炭可作為香蕉莖葉廢棄物資源化利用的有效途徑。