涂玉婷，黃繼川，彭智平，吳雪娜，廖偉杰

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/廣東省養(yǎng)分資源循環(huán)利用與耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

【研究意義】化感自毒效應(yīng)是植物通過(guò)地上部及其凋落物的揮發(fā)、淋溶以及根系分泌和植株殘茬腐解等途徑，釋放出的次生代謝物，對(duì)自身或種內(nèi)其它植物生長(zhǎng)產(chǎn)生危害的一種現(xiàn)象［1］。已有研究表明，高等植物分泌的化感物質(zhì)主要是酚酸類和萜類，以及少數(shù)含氮化合物、聚乙炔和香豆素等次生物質(zhì)。其中酚酸類化感物質(zhì)因其活性強(qiáng)，相對(duì)總量高，被研究者們作為化感自毒物質(zhì)的重點(diǎn)研究對(duì)象［2-3］。高濃度的酚酸類化感物質(zhì)通過(guò)影響植物細(xì)胞膜透性、水分和養(yǎng)分吸收、光合速率、抗氧化酶活性等途徑對(duì)植物的生長(zhǎng)代謝過(guò)程和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用；自毒物質(zhì)對(duì)根際微生物具有趨化作用，使有益微生物減少，病原微生物增加［4-5］。近年來(lái)快速發(fā)展的設(shè)施蔬菜栽培技術(shù)存在種植結(jié)構(gòu)單一、復(fù)種指數(shù)高的特點(diǎn)，這種連作模式下，土壤中酚酸類物質(zhì)的累積導(dǎo)致的自毒作用和土壤微生態(tài)失衡，已被證實(shí)是造成連作障礙的根本原因［6］。開(kāi)發(fā)去除連作土壤中化感自毒物質(zhì)的技術(shù)，并明確其作用機(jī)制，是從根源上解決連作障礙的有效措施。

【前人研究進(jìn)展】為了緩解日益嚴(yán)重的連作障礙問(wèn)題，實(shí)際生產(chǎn)中采用客土法、土壤熏蒸、施用微生物制劑、施用土壤改良劑等，其中施用生物炭已經(jīng)被認(rèn)為是一種成本較低、效果穩(wěn)定的方法之一［7］。生物炭是以生物質(zhì)為原料，在高溫缺氧條件下熱解產(chǎn)生的一類具有微孔結(jié)構(gòu)豐富、比表面積大、穩(wěn)定性強(qiáng)等一系列優(yōu)異性質(zhì)的多功能材料。武春成等［8］研究發(fā)現(xiàn)按連作土壤質(zhì)量比5%施入玉米秸稈生物炭，可使土壤pH提高0.56個(gè)單位，速效鉀含量提高8.6%，有效降低土壤真菌和尖孢鐮刀菌數(shù)量，提高細(xì)菌數(shù)量，細(xì)菌/真菌比值是對(duì)照的14.3倍，通過(guò)對(duì)黃瓜根區(qū)土壤微生態(tài)環(huán)境的改善，促進(jìn)了黃瓜生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高。已有研究表明，生物炭的施用能有效降低土壤中殘余酚酸含量，并一定程度地緩解連作條件下化感物質(zhì)對(duì)番茄、黃瓜、蘋(píng)果、烤煙等作物的化感脅迫效應(yīng)［9-12］，還具有改善連作土壤理化性質(zhì)、提高土壤酶活性、優(yōu)化微生物群落結(jié)構(gòu)的作用［13-15］。

【本研究切入點(diǎn)】目前已有的研究大多關(guān)注外源生物炭對(duì)化感脅迫下“植株-土壤-微生物”體系中某一個(gè)或幾個(gè)元素的變化情況，缺乏對(duì)體系中各元素之間變化的關(guān)聯(lián)性分析。番茄是世界上也是我國(guó)栽培面積最大的茄果類蔬菜之一，在連作條件下番茄根系分泌的酚酸類化感自毒物質(zhì)極易在土壤中累積，從而引發(fā)較為嚴(yán)重的連作障礙問(wèn)題。本研究以番茄為供試作物，通過(guò)盆栽試驗(yàn)，考察施用生物質(zhì)炭對(duì)酚酸脅迫下番茄植株生長(zhǎng)和生理指標(biāo)、果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)、土壤理化性質(zhì)及酚酸含量的影響，利用高通量測(cè)序技術(shù)研究番茄根際土壤中細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)對(duì)酚酸類化感物質(zhì)和生物炭輸入的響應(yīng)情況，通過(guò)相關(guān)性分析和冗余分析揭示“生物炭-土壤環(huán)境因子-根際土壤微生物-植株”之間的關(guān)聯(lián)性與相互作用機(jī)制。研究結(jié)果將為設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】探索酚酸脅迫下“植株-土壤-微生物”體系中各因子對(duì)外源生物炭輸入的響應(yīng)特征及各因子之間變化的關(guān)聯(lián)互作機(jī)制，對(duì)深入解析生物炭連作土壤生態(tài)調(diào)控效應(yīng)，開(kāi)發(fā)穩(wěn)定高效的生物炭基連作土壤調(diào)理劑具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試番茄品種千禧圣女果為廣東地區(qū)栽培的主要小番茄品種之一。苯甲酸、香草酸、對(duì)羥基苯甲酸、阿魏酸、肉桂酸均購(gòu)買(mǎi)自阿拉丁試劑（上海）有限公司。生物炭由花生殼在700 ℃下隔絕空氣熱解2 h制備，花生殼生物炭的產(chǎn)率為24.1%，灰分含量為1.4%，比表面積為83.4 m2/g，pHPZC為8.33，陽(yáng)離子交換量為7.42 cmol/kg。供試土壤為赤紅壤，前茬為水稻。土壤pH 6.21，EC值0.24 μs/cm，有機(jī)質(zhì)2.15%，堿解氮93.54 mg/kg，速效磷81.82 mg/kg，速效鉀59.8 mg/kg，全氮1.01 g/kg，全磷1.10 g/kg，全鉀12.25 g/kg。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019年10月至2020年4月在廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所溫網(wǎng)室（113°20′54.63″E，23°08′47.56″N）進(jìn)行。試驗(yàn)用直徑26.0 cm、高24.0 cm的塑料盆，每盆裝入已去除石礫和動(dòng)植物殘?bào)w的風(fēng)干土壤6.5 kg。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理：CK，風(fēng)干土壤+1.3 L無(wú)菌水（含水率20%）；T1處理，風(fēng)干土壤+1.3 L混合酚酸溶液；T2處理，風(fēng)干土壤+5%生物炭+1.3 L混合酚酸溶液。試驗(yàn)參照張玥琦等［16］和李亮亮等［17］研究確定的番茄根系和根際土壤中酚酸的種類和濃度進(jìn)行混合酚酸溶液的配制，施用后，使土壤中酚酸類物質(zhì)的初始濃度為苯甲酸50 μg/g、香草酸40 μg/g、對(duì)羥基苯甲酸25 μg/g、阿魏酸10 μg/g、肉桂酸10 μg/g，總酚酸含量為135 μg/g。挑選長(zhǎng)至六葉一心且長(zhǎng)勢(shì)基本一致的番茄幼苗進(jìn)行盆栽，每缽1株，每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)30株，此后每3 d澆1次水，以澆透而不滲出為度。采用單桿整枝，主枝長(zhǎng)至2 m時(shí)打頂，每穗留6個(gè)果實(shí)。試驗(yàn)期間各處理采用一致的施肥管理。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

移栽后30 d和120 d，用百分之一電子天平分別對(duì)各處理番茄植株的生物量、地上部和地下部鮮重進(jìn)行測(cè)定，采用TTC法（氯化三苯基四氮唑法）測(cè)定番茄根系活力。于2020年2月3日開(kāi)始采收番茄果實(shí)，每次采收時(shí)各株單獨(dú)計(jì)產(chǎn)，各次采摘的產(chǎn)量相加即為單株總產(chǎn)量，用萬(wàn)分之一電子天平稱量并計(jì)算各處理平均單果重。統(tǒng)一選取各處理第2穗和第3穗小番茄進(jìn)行果實(shí)品質(zhì)測(cè)定，其中維生素C含量測(cè)定采用2,6-二氯腚酚測(cè)定法，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定，有機(jī)酸含量采用酸堿滴定法測(cè)定。盛果期時(shí)每個(gè)處理選取5顆番茄采用抖土法收集各處理根際土壤，并均勻混合，一部分于-80 ℃超低溫冰箱保存用于土壤殘余酚酸含量和土壤微生物多樣性的測(cè)定，另一部分風(fēng)干后過(guò)1 mm篩用于土壤常規(guī)理化指標(biāo)測(cè)定。

土壤pH值采用水土比2.5∶1 pH計(jì)法測(cè)定；土壤電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；堿解氮用堿解擴(kuò)散硼酸吸收法；速效磷采用鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定；土壤全氮采用全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定；全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定；全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法測(cè)定。

土壤中殘余酚酸的提取參考李培棟等［18］的方法。使用1 mol/L NaOH，按土水比1∶1對(duì)土壤中的酚酸進(jìn)行浸提24 h，并通過(guò)超聲波處理30 min以提高提取效率，離心分離后用12 mol/L鹽酸將溶液pH調(diào)整至2.5以沉淀胡敏酸。靜置2 h后8 000 r/min離心10 min，上清液過(guò)0.22 μm濾膜后于4 ℃保存。濾液中總酚酸的測(cè)定采用福林酚比色法［19］，濾液中苯甲酸、香草酸、對(duì)羥基苯甲酸、阿魏酸、肉桂酸的濃度采用Waters e2695 Alliance高效液相色譜檢測(cè)，色譜柱為Water Symmetry C18（5.0 μm,4.6 mm×250 mm），進(jìn)樣量為20 μL，柱溫30 ℃，檢測(cè)波長(zhǎng)280 nm，流動(dòng)相為0.1%甲酸溶液/甲醇（70∶30,V/V），流速0.8 mL/min，采用峰面積外標(biāo)法進(jìn)行定量分析。

土壤細(xì)菌和真菌的微生物多樣性測(cè)定由北京百邁客生物科技有限公司完成。采用德國(guó)Macherey-Nagel公司的NucleoSpin 96 Soi土壤DNA 提取試劑盒提取土壤總DNA，按照試劑盒說(shuō)明書(shū)進(jìn)行操作，采用1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)提取DNA的純度和濃度，檢測(cè)合格后對(duì)土壤DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增和高通量測(cè)序。土壤細(xì)菌16S rRNA（V3+V4）區(qū)的上游擴(kuò)增引物為338F（5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3'）；下游引物為806R（5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'）。真菌ITS1區(qū)上下游擴(kuò)增引物分別為ITS1F（5'-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3'）和ITS2（5'-GCATCGATGAAGAACGCAGC-3'）。在Illumina HiSeq平臺(tái)上完成測(cè)序后，使用百邁客云平臺(tái)進(jìn)行細(xì)菌/真菌豐富度和多樣性分析、菌群的分類學(xué)組成分析。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007 和SPSS 19.0 軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析，使用鄧肯氏新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性測(cè)驗(yàn)，使用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)番茄植株生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的影響

由圖1可知，施用外源酚酸的T1處理與CK相比，移栽后30 d、120 d番茄植株生物量分別減少23.6%和10.0%，地下部鮮重分別減少37.2%和24.0%，根冠比分別降低12.6%和18.8%，根系活力分別下降39.2%和48.5%，說(shuō)明試驗(yàn)所添加的外源酚酸對(duì)番茄植株的根系活力、地下部和地上部的生長(zhǎng)均表現(xiàn)出顯著抑制作用；施用生物炭的T2處理移栽后30 d、120 d番茄植株生物量比T1處理分別增加11.3%和8.0%，地下部鮮重增加27.0%和18.2%，根冠比分別提高15.2%和6.3%，根系活力分別增加30.6%和25.2%。與CK相比，移栽后30 d番茄苗各生長(zhǎng)和生理指標(biāo)的相對(duì)增幅均高于收獲期?？梢?jiàn)，施加適量的生物炭，有利于緩解酚酸對(duì)番茄幼苗根部和地上部的抑制效應(yīng)，提高根系活力，改善植株形態(tài)特征，且這種調(diào)控作用在番茄苗期的改善效果要優(yōu)于收獲期。

2.2 不同處理對(duì)番茄果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

由表1可知，與CK相比，施用外源酚酸后番茄單株產(chǎn)量和單果重分別降低9.5%和11.9%，且差異顯著。與T1處理相比，施用生物炭（T2處理）可顯著提高酚酸脅迫下番茄單株產(chǎn)量和單果重，增幅分別為15.2%和4.3%。番茄品質(zhì)方面，外源酚酸的添加導(dǎo)致番茄維生素C和可溶性糖含量分別降低18.2%和11.0%，有機(jī)酸含量增加26.2%，糖酸比降低29.9%。而添加生物炭能使酚酸脅迫下番茄果實(shí)的維生素C、可溶性糖和糖酸比分別增加17.6%、6.6%和32.0%，有效提高番茄果實(shí)品質(zhì)，改善果實(shí)風(fēng)味。

2.3 不同處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

由表2可知，與對(duì)照相比，施用外源酚酸處理的土壤pH值降低，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效鉀、全氮、全鉀含量均發(fā)生下降現(xiàn)象，降幅為2.1%～18.3%；土壤EC值、有效磷和全磷含量出現(xiàn)不同程度升高。施用生物炭可顯著提高土壤pH值，降低EC值，并緩解外源酚酸對(duì)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的影響。與T1處理相比，T2處理土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效鉀、全氮、全鉀含量分別提高64.2%、6.1%、8.6%、13.8%和5.8%。

表1 不同處理對(duì)番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的影響Table 1 Effect of different treatments on tomato yield and quality

表2 不同處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響Table 2 Effects of different treatments on soil physical and chemical properties

由表3可知，T1處理土壤中殘余的苯甲酸、香草酸、對(duì)羥基苯甲酸、阿魏酸、肉桂酸和總酚酸含量均顯著高于CK。而與T1處理相比，T2處理可使土壤中5種殘余酚酸含量降低14.6%～36.6%，總酚酸含量降低25.3%，表明生物炭能一定程度地降低土壤中殘余酚酸含量。但是施用外源酚酸的T1處理土壤殘余總酚酸含量?jī)H比CK增加1.2 μg/g，占初始添加總酚酸用量的0.9%，說(shuō)明施入土壤中的酚酸會(huì)經(jīng)過(guò)土壤吸附、微生物分解等作用導(dǎo)致游離酚酸含量的降低。

2.4 不同處理對(duì)根際土壤微生物多樣性的影響

由表4可知，T1處理反映土壤樣本細(xì)菌群落豐富度的ACE指數(shù)和Chao1指數(shù)分別比CK降低4.7%和5.5%，且差異顯著；辛普森指數(shù)和香農(nóng)指數(shù)則可同時(shí)反映物種豐富度和均勻度，T1處理辛普森指數(shù)低于CK，香農(nóng)指數(shù)比CK高5.9%。

表3 不同處理對(duì)土壤殘余酚酸含量的影響Table 3 Effects of different treatments on the contents of residual phenolic acids in soil（ng/g）

表4 不同處理土壤樣品細(xì)菌多樣性指數(shù)Table 4 Diversity indexes of bacteria in soil samples under different treatments

由表5可知，與CK相比，T1處理反映土壤真菌豐富度的ACE指數(shù)和Chao1指數(shù)平均值分別增加34.1和32.4%，辛普森指數(shù)下降0.2%，香農(nóng)指數(shù)增加6.7%，表明施用外源酚酸可導(dǎo)致番茄根際土壤細(xì)菌群落豐富度顯著降低，真菌群落豐富度顯著提升，而土壤中細(xì)菌和真菌群落的均勻度都得到一定程度的增加。與T1處理相比，施用生物炭（T2處理）可有效提升酚酸脅迫下土壤樣品細(xì)菌群落ACE指數(shù)、Chao1指數(shù)和香農(nóng)指數(shù)，分別提高18.0%、18.4%和10.7%；真菌多樣性指數(shù)則呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，T2處理的土壤樣品真菌群落ACE指數(shù)、Chao1指數(shù)和香農(nóng)指數(shù)比T1處理分別降低10.3%、9.6%和5.5%，且差異顯著。由此可見(jiàn)，施用生物炭可顯著增加酚酸脅迫下番茄根際土壤的細(xì)菌群落多樣性，降低真菌群落多樣性。

2.5 番茄產(chǎn)量、品質(zhì)與土壤環(huán)境因子及微生物的相關(guān)性分析

對(duì)番茄單株產(chǎn)量和反應(yīng)品質(zhì)的糖酸比與土壤理化性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果（表6）表明，番茄產(chǎn)量與土壤pH、總氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)，與堿解氮和有效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)，與殘余總酚酸呈極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)；糖酸比與有效鉀、總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)，與pH也存在顯著正相關(guān)關(guān)系，與有效磷、總磷、殘余總酚酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。

表5 不同處理土壤樣品真菌多樣性指數(shù)Table 5 Diversity index es of fungus in soil samples under different treatments

表6 番茄產(chǎn)量和品質(zhì)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of tomato yield and quality with soil physical and chemical properties

進(jìn)一步選取與產(chǎn)量和品質(zhì)有顯著相關(guān)性的土壤環(huán)境因子，包括pH、堿解氮、有效磷、速效鉀、總氮、總磷、總酚酸含量，采用冗余分析（Redundancy analysis,RDA）解析3個(gè)處理根際土壤細(xì)菌和真菌主要群落、土壤環(huán)境因子、番茄產(chǎn)量與品質(zhì)之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果（圖2）顯示3個(gè)處理的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成具有顯著差異，RDA分析的軸1和軸2解釋了土壤細(xì)菌綱水平上群落變異程度的74.0%。向量擬合結(jié)果顯示番茄產(chǎn)量和品質(zhì)與γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria）、δ-變形菌綱（Deltaproteobacteria）、放線菌綱（Actinobacteria）的豐度呈正相關(guān)，與酸桿菌綱（Acidobacteriia）的豐度呈負(fù)相關(guān)。其中γ-變形菌綱、δ-變形菌綱的豐度與總氮、pH、堿解氮呈正相關(guān)，放線菌綱豐度與速效鉀呈正相關(guān)。施用生物炭的T2處理與這3個(gè)土壤環(huán)境因子也呈正相關(guān)，說(shuō)明施用外源生物炭可通過(guò)提高土壤pH、總氮、堿解氮含量，進(jìn)而促進(jìn)與番茄產(chǎn)量和品質(zhì)呈正相關(guān)的變形菌豐度的增加。此外，施用生物炭處理還與芽孢桿菌綱（Gemmatimonadetes）豐度呈顯著正相關(guān)。從圖2還可以看出，施用外源酚酸處理與土壤殘余酚酸呈正相關(guān)，而TPhA與酸桿菌綱（Acidobacteriia）豐度呈正相關(guān)，表明施用外源酚酸會(huì)導(dǎo)致土壤總酚酸含量升高，從而促進(jìn)與番茄產(chǎn)量和品質(zhì)呈負(fù)相關(guān)的細(xì)菌群落豐度增加。

3個(gè)處理根際土壤真菌群落結(jié)構(gòu)與土壤環(huán)境因子和番茄產(chǎn)量、糖酸比的冗余分析結(jié)果（圖3）顯示，前2個(gè)排序軸公共解釋了不同處理真菌綱水平上群落結(jié)構(gòu)變異的51.2%，屬水平上群落豐度與番茄產(chǎn)量和品質(zhì)呈正相關(guān)的真菌有傘菌屬（Agaricomycetes）、小壺菌綱（Spizellomycetes），呈負(fù)相關(guān)的有座囊菌綱（Dothideomycetes）、糞殼 菌綱（Sordariomycetes）、被 孢霉 綱（Mortierellomycetes）。T1處理與座囊菌綱（Dothideomycetes）、糞殼菌綱（Sordariomycetes）、被孢霉綱（Mortierellomycetes）的豐度呈正相關(guān)，T2處理則與傘菌綱（Agaricomycetes）、小壺菌綱（Spizellomycetes）豐度呈正相關(guān)?？梢?jiàn)，外源酚酸的添加會(huì)導(dǎo)致與番茄產(chǎn)量和品質(zhì)呈負(fù)相關(guān)的細(xì)菌和真菌群落豐度的增加，而添加生物炭有利于促進(jìn)與番茄產(chǎn)量和品質(zhì)呈正相關(guān)的細(xì)菌和真菌群落豐度的提高。

3 討論

本試驗(yàn)所用酚酸濃度下，番茄根系活力出現(xiàn)顯著下降，植株生物量、單株產(chǎn)量、單果重、可溶性糖、維生素C含量均出現(xiàn)明顯下降，表明酚酸脅迫下番茄植株生長(zhǎng)受到抑制，果實(shí)品質(zhì)變劣。這一結(jié)果與已有的研究報(bào)道相似。翟彩霞等［20］研究發(fā)現(xiàn)每公斤土壤添加100～200 μg/mL苯甲酸或香豆素對(duì)番茄苗期的生長(zhǎng)具有顯著的抑制作用，具體表現(xiàn)為株高降低0.35～2.02 cm，復(fù)葉數(shù)、復(fù)葉長(zhǎng)和葉面積減少；張恩平等［21］的研究表明，苯甲酸和肉桂酸的施用均會(huì)導(dǎo)致番茄幼苗根部丙二醛含量的增加，并打破番茄根部保護(hù)酶系統(tǒng)原有的平衡，造成根系的膜質(zhì)過(guò)氧化。這主要是由于酚酸類化感物質(zhì)可引發(fā)植物體內(nèi)活性氧自由基的大量生成，同時(shí)，酚酸類化感物質(zhì)對(duì)植株體內(nèi)的抗氧化酶活性具有抑制作用，阻礙自由基的清除，過(guò)多的自由基易攻擊細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)中的多不飽和脂肪酸，造成細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)氧化損傷，細(xì)胞膜透性升高，根系活力降低，嚴(yán)重影響根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，從而導(dǎo)致植株生長(zhǎng)受限、果實(shí)品質(zhì)下降［2,5］。施用生物炭可顯著緩解酚酸對(duì)番茄生長(zhǎng)的抑制作用。本研究中添加5%生物炭可有效促進(jìn)番茄根系發(fā)育，提高植株生物量和果實(shí)產(chǎn)量，果實(shí)的可溶性糖、維生素C含量和糖酸比得到提高，與酚酸脅迫處理相比，添加生物炭可有效改善番茄品質(zhì)。金巖等［9］、吳玨等［22］的研究也發(fā)現(xiàn)添加生物炭對(duì)番茄具有促生、增產(chǎn)、提質(zhì)的效果，與本研究結(jié)果一致。

為了探究生物炭對(duì)酚酸脅迫下番茄生長(zhǎng)的促進(jìn)和果實(shí)品質(zhì)提升的作用機(jī)制，本研究進(jìn)一步測(cè)定了3個(gè)處理中土壤理化性質(zhì)和番茄根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化情況。結(jié)果表明，外源酚酸的添加導(dǎo)致土壤EC值和磷含量增加，pH、有機(jī)質(zhì)、氮和鉀含量均出現(xiàn)不同程度的下降。這與陳龍池等［23］的研究結(jié)果相似。由于酚酸類物質(zhì)可以與土壤中的Al、Fe、Mn、P結(jié)合形成復(fù)合物，導(dǎo)致可溶性鹽類含量增加，EC值升高，同時(shí)增加土壤中磷的供給。此外，高濃度酚酸還會(huì)抑制與土壤碳循環(huán)相關(guān)的多酚氧化酶和蔗糖酶的活性，降低與氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)的脲酶和蛋白酶活性，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，供氮能力減弱［24-25］。

添加生物炭的處理，可有效緩解酚酸對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，表現(xiàn)為土壤pH、有機(jī)質(zhì)、氮和鉀含量顯著提高。已有研究表明，由于生物炭具有較強(qiáng)的堿性，施入土壤后可顯著提高土壤pH值。此外，生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)土壤水分、鹽分、養(yǎng)分吸附能力強(qiáng)，可有效降低土壤EC值，保持土壤肥力［26］。番茄收獲期土壤殘余酚酸的測(cè)定結(jié)果表明，添加生物炭可有效降低土壤中殘余酚酸的含量，這種去除作用一方面源于生物炭對(duì)酚酸的吸附［27］，另一方面可能源于生物炭輸入導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而加速酚酸的生物降解。

本研究對(duì)根際土壤微生物α多樣性分析結(jié)果表明，外源酚酸的施入總體上降低土壤細(xì)菌多樣性，提高真菌多樣性。已有研究表明，酚酸類化感物質(zhì)能夠選擇性地抑制根際土壤中氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、根際促生細(xì)菌，酸化的土壤環(huán)境對(duì)真菌的生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用［28-29］。添加生物炭可促進(jìn)酚酸脅迫下細(xì)菌微生物多樣性的增加，并降低真菌多樣性。這主要是由于施入生物炭引起土壤酸堿度、電導(dǎo)率、水分等理化指標(biāo)發(fā)生改變，升高的pH值有利于抑制真菌的繁殖，碳氮比的優(yōu)化則有利于促進(jìn)細(xì)菌豐度的增加。本研究的相關(guān)性分析結(jié)果表明提高土壤pH、堿解氮、有效磷和總氮含量，降低有效磷、總磷和土壤總酚酸含量，均有利于番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的提升。冗余分析結(jié)果表明，以上土壤理化性質(zhì)的改變有利于促進(jìn)變形菌、放線菌、芽孢桿菌、小壺菌豐度的增加，研究已證實(shí)這些菌中具有較多根際促生菌和病原菌拮抗菌。酸桿菌常作為土壤惡化的生物學(xué)指標(biāo)［30］，冗余分析表明酸桿菌豐度與番茄產(chǎn)量和品質(zhì)呈負(fù)相關(guān)。施用外源酚酸處理會(huì)促進(jìn)酸桿菌豐度增加，而添加生物炭與酸桿菌豐度呈負(fù)相關(guān)，即具有抑制作用。

4 結(jié)論

本研究采用盆栽試驗(yàn)，并結(jié)合土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法和基于16S rRNA/ITS1基因的Illumina HiSeq 高通量測(cè)序技術(shù)，研究施用生物炭對(duì)酚酸脅迫下番茄生長(zhǎng)和生理特性、土壤理化性質(zhì)、根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，與外源酚酸脅迫處理相比，添加生物炭可顯著提高番茄植株提高根系活力，增加生物量和單株果實(shí)產(chǎn)量，并改善果實(shí)品質(zhì)。5%生物炭的添加量可顯著提高酚酸脅迫下土壤的pH值，降低EC值和總酚酸含量，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效鉀、全氮、全鉀均有不同程度提高。相關(guān)性分析表明，土壤pH、堿解氮、速效鉀、總氮含量與番茄果實(shí)產(chǎn)量或品質(zhì)存在顯著或極顯著的正相關(guān)性，而有效磷、總磷、總酚酸含量與番茄果實(shí)產(chǎn)量或品質(zhì)存在顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)性。冗余分析結(jié)果表明，與番茄果實(shí)產(chǎn)量和糖酸比呈正相關(guān)的變形菌鋼（Proteobacteria）、放線菌鋼（Actinobacteria）、傘菌鋼（Agaricomycetes）、小壺菌鋼（Spizellomycetes）的豐度與土壤總氮、pH、堿解氮、速效鉀也存在一定程度的正相關(guān)。與番茄果實(shí)產(chǎn)量和糖酸比呈負(fù)相關(guān)的酸桿菌鋼（Acidobacteriia）、座囊菌鋼（Dothideomycetes）、糞殼 菌鋼（Sordariomycetes）、被 孢霉 鋼（Mortierellomycetes）的豐度與土壤總酚酸含量呈正相關(guān)。說(shuō)明生物炭施入導(dǎo)致土壤pH、堿解氮、速效鉀等理化性質(zhì)的提高和總酚酸含量的降低，土壤環(huán)境因子的改變能夠驅(qū)動(dòng)與番茄果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)呈正相關(guān)的微生物種群豐度的增加，并對(duì)番茄果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)呈負(fù)相關(guān)的微生物種群起到抑制作用。生物炭通過(guò)對(duì)土壤理化因子和微生物群落結(jié)構(gòu)的雙重調(diào)控作用，從而緩解酚酸類化感物質(zhì)對(duì)番茄植株生長(zhǎng)的抑制，實(shí)現(xiàn)果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的提升。