生物炭和AM真菌配施對連作辣椒生長和土壤養(yǎng)分的影響*

王 巖, 周 鵬, 白立偉, 吳康云, 邢 丹**, 郭 濤, 張成銘

生物炭和AM真菌配施對連作辣椒生長和土壤養(yǎng)分的影響*

王 巖1, 周 鵬1, 白立偉1, 吳康云1, 邢 丹1**, 郭 濤2, 張成銘3

(1. 貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院辣椒研究所 貴陽 550006; 2. 西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 重慶 400716; 3. 北海道大學(xué)農(nóng)學(xué)研究院 札幌市 060-0808)

研究生物炭和叢枝菌根(arbuscular mycorrhizal, AM)真菌對連作辣椒生長和土壤養(yǎng)分的影響, 可為辣椒連作土壤改良和新型肥料的開發(fā)提供理論依據(jù)。采用溫室盆栽試驗, 設(shè)置4個生物炭添加水平(0、1%、2%、3%), 2個接菌水平[接菌(+AM)和不接菌(-AM)]。辣椒生長60 d后收獲并測定其生理指標(biāo)、土壤酶活性及土壤養(yǎng)分含量。結(jié)果表明, 施加生物炭和接種AM真菌處理促進(jìn)了連作辣椒的生長, 提高了辣椒葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和葉綠素含量。接種AM真菌對辣椒的促生效果弱于生物炭, 而生物炭和AM真菌配施的促生效果最佳。接種AM真菌促進(jìn)辣椒對P吸收的效果優(yōu)于生物炭; 但對于K吸收來說, 施加生物炭的效果優(yōu)于接菌。生物炭(3%)和AM真菌配施條件下, 辣椒根部N、P、K含量分別較對照(0生物炭和-AM處理)顯著提高74.04%、106.42%和78.82%。生物炭(3%)與AM真菌配施處理菌根侵染效果最佳, 侵染率高達(dá)58.96%, 較0生物炭+AM處理提高41.59%。土壤pH隨生物炭添加量的增加呈增加趨勢, 但差異不顯著。土壤脲酶、蔗糖酶活性隨生物炭添加量的增加呈增加趨勢, 且差異顯著, 接種AM真菌處理對其影響不顯著。土壤速效鉀、有效磷、有機質(zhì)含量隨生物炭添加量的增加而增加, 接種AM真菌對土壤有機質(zhì)含量、陽離子交換量(CEC)無顯著影響。土壤速效鉀、有效磷、堿解氮含量均在生物炭(3%)和AM真菌配施條件下達(dá)最大。與單一處理相比, 生物炭和AM真菌配施在促進(jìn)連作辣椒生長、改善連作土壤養(yǎng)分方面具有顯著的協(xié)同增效作用, 尤其是3%生物炭與AM真菌配施條件下效果最佳。

辣椒; 生物炭; AM真菌; 土壤養(yǎng)分; 連作障礙; 協(xié)同效應(yīng)

辣椒(L)作為我國第一大蔬菜作物[1], 因其營養(yǎng)豐富、高經(jīng)濟價值, 受到廣大消費者和種植者的青睞。但隨著辣椒市場需求量和種植經(jīng)濟效益不斷增加, 導(dǎo)致種植區(qū)出現(xiàn)同一地塊連續(xù)種植多季辣椒的現(xiàn)象。即使在正常的栽培管理條件下, 在同一塊土地連續(xù)種植同一種作物或近親緣作物會導(dǎo)致植株生長變?nèi)?、病蟲害加劇、產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降等現(xiàn)象, 即連作障礙[2]。辣椒連作障礙是全世界主要辣椒產(chǎn)區(qū)普遍存在的問題, 已成為制約辣椒產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個重要因素。因此, 尋求安全有效的緩解和克服辣椒連作障礙的措施迫在眉睫。

叢枝菌根(arbuscular mycorrhizal, AM)真菌是一種能夠與80%以上的陸生植物形成共生體的根際微生物[3], 大量存在于農(nóng)田土壤及各種逆境環(huán)境中, 能夠增強宿主植物在逆境中的耐受性[4], 改善宿主植物的礦質(zhì)營養(yǎng)[5], 尤其是磷元素。AM真菌與作物共生不但可以增加宿主對無機磷的吸收[6], 還可以與解磷細(xì)菌互作提高有機磷的利用效率[7]。此外, 在連作土壤中, AM真菌可改善連作土壤環(huán)境, 誘導(dǎo)植物增強對連作土傳病害的抗病性[8], 并與其他有益土壤微生物互作緩解連作障礙[9]。

生物炭(biochar)作為近幾年新興的集肥料、吸附劑和改良劑于一體的新型材料, 因其獨特的結(jié)構(gòu)特征和理化性狀而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。生物炭能夠增加土壤有機物質(zhì)含量, 提高土壤保肥[10]、持水能力[11], 促進(jìn)作物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。生物炭的增產(chǎn)效應(yīng)已在水稻(L.)、小麥(L.)、玉米(L.)、番茄(L.)和甜椒(L.)等農(nóng)作物上得到驗證[12-14]。此外, 生物炭的施用可以改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu), 促進(jìn)有益微生物的生長[15]。生物炭與有益微生物或生防微生物配施的協(xié)同技術(shù)被越來越多的關(guān)注。已有研究表明, 生物炭和AM真菌配施對促進(jìn)植物生長[16]、改良土壤[17]有顯著的協(xié)同增效作用。那么, 生物炭和AM真菌配施是否具有緩解辣椒連作障礙的協(xié)同作用？目前有關(guān)問題尚鮮有研究?；诖? 本研究以辣椒連作土壤為基質(zhì), 研究生物炭和AM真菌配施對連作辣椒生長和土壤養(yǎng)分的影響, 以期為生物炭和AM真菌協(xié)同技術(shù)應(yīng)用于辣椒生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試?yán)苯菲贩N為‘辣研102’, 由貴州省辣椒研究所選育。種子用10% H2O2表面消毒10 min, 隨后用蒸餾水沖洗3次, 在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中催芽1夜。在盛有辣椒專用育苗基質(zhì)的漂盤中進(jìn)行漂浮育苗, 隨時補充水分和養(yǎng)分, 待辣椒出現(xiàn)4~5片真葉時, 選擇生長狀況一致的辣椒幼苗進(jìn)行移栽。

供試土壤采自貴州省畢節(jié)市大方縣羊場鎮(zhèn)桶井村(105°41′0.62″E, 27°03′42.20″N), 該試驗地已經(jīng)連續(xù)種植辣椒7年。土壤類型為黃壤土, 土壤pH為6.20, 速效鉀121.33 mg×kg-1, 速效磷29.68 mg×kg-1, 硝態(tài)氮11.56 mg×kg-1, 銨態(tài)氮4.32 mg×kg-1, 有機質(zhì)9.45 g×kg-1。收集0~20 cm耕層土壤, 多點取樣混勻使用。

供試生物炭為水稻稻殼、秸稈混合物經(jīng)450 ℃缺氧條件下裂解9 min制成, 自然冷卻, 研磨后過100目篩備用。其基本理化性質(zhì)為: pH 9.9, 有機碳265.32 g×kg-1, 全氮2.31 g×kg-1, 全磷1.89 g×kg-1, 全鉀30.64 g×kg-1。

試驗菌劑為西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院植物營養(yǎng)學(xué)實驗室惠贈的根內(nèi)根孢囊霉([18], Ri), 菌劑包含菌根真菌孢子和植物根段。本試驗所用菌劑以河砂和土壤的混合物作為基質(zhì), 以三葉草(L.)和玉米為宿主將原種擴繁而得, 孢子密度為20~30個×g-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2019年7—9月在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院辣椒研究所植物生長室展開。采用二因素交互試驗, 共設(shè)置2個接菌水平[接菌(+AM)和不接菌(-AM)], 4個生物炭添加量水平(0、1%、2%、3%, 每盆土壤生物炭添加量分別為0×2 500 g=0 g、1%×2 500 g=25 g、2%×2 500 g=50 g、3%×2 500 g=75 g)。試驗共8個處理, 每個處理4個重復(fù)。將不同量生物炭與土壤混合均勻裝入塑料花盆(高17.5 cm, 底面直徑16 cm)至2/3處, 將接菌菌劑層鋪其上, 再裝入剩余土壤, 每盆凈重2.5 kg, 接菌量為每盆350 g。不接菌(-AM)處理分別添加相應(yīng)質(zhì)量的滅菌土壤, 保持各處理每盆重量一致。生長期間每隔2 d用稱重法補充去離子水, 水分保持在田間最大持水量的75%左右。在光照植物生長室內(nèi)培養(yǎng)60 d后收獲, LED植物生長燈補充光照14 h?d-1, 保持室溫(25±3) ℃。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生長指標(biāo)和光合指標(biāo)

株高、莖粗、生物量: 辣椒株高、莖粗于收獲前用刻度尺、游標(biāo)卡尺測定。植物生長60 d后將地上部、根部、果實分別收獲, 植株地上部和根系樣品洗凈后用濾紙吸干, 然后放入烘箱中, 先105 ℃殺青30 min后70 ℃烘干至樣品恒重, 分別稱取干物質(zhì)生物量, 計算干重。

葉片指數(shù): 辣椒生長60 d后, 每個處理隨機選擇3株辣椒測定, 用掃描式葉面積測量儀(YMJ-B)測定葉面積, 單株葉面積等于所有葉片面積總和。葉面積指數(shù)(LAI)指每盆辣椒葉面積之和與塑料花盆橫切面面積的商。

光合參數(shù): 采用美國Li-Cor公司生產(chǎn)的LI-6800型便攜式光合系統(tǒng)分析儀在定植后58 d上午09:00—11:00, 選取植株從上向下第3節(jié)位新成熟葉片, 分別測定辣椒葉片凈光合速率(n)、氣孔導(dǎo)度(s)和蒸騰速率(r); 每個處理選取3株, 每株辣椒選取代表性3片葉測定后取其平均值。測定光照強度為1 200 μmol×m-2×s-1。

葉綠素含量: 直接浸取法。在光合參數(shù)測定完采集葉片, 每個處理選具有代表性4片葉, 除去葉脈, 將剩余部分剪為2 mm左右細(xì)絲, 混勻稱取0.5 g樣品放入10 mL具塞離心管中, 用80%丙酮定容至刻度, 于暗柜中靜置72 h浸取, 取上清液于分光光度計下測定吸光度, 計算葉綠素含量。

1.3.2 菌根侵染率

根系用去離子水洗凈, 剪成1 cm左右的根段, 混勻后隨機取約1 g, 按照方格交叉法測定AM真菌侵染率[19-20]。

1.3.3 土壤和植株養(yǎng)分含量

植株根部、地上部養(yǎng)分含量: 參照魯如坤[21]的方法, 樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消煮, 全氮含量采用凱氏定氮法測定, 全磷含量采用鉬銻抗比色法測定, 全鉀含量采用火焰光度法測定。

根圍土壤養(yǎng)分含量: 參照魯如坤[21]的方法, 土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-外加熱法(K2Cr2O7- H2SO4法)測定, 土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定, 土壤有效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定, 速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定。

pH測定: 采用pH計(上海精密科學(xué)儀器有限公司, 雷磁pHS—3C)進(jìn)行測定, 水土比為5∶1。

1.3.4 土壤酶活性

土壤脲酶采用靛酚藍(lán)比色法測定, 以24 h后1 g土壤中NH3-N的質(zhì)量表示脲酶活性; 土壤蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水楊酸比色法測定, 其活性以24 h后1 g土壤產(chǎn)生1 mg還原糖表示; 采用磷酸苯二鈉比色法測定堿性磷酸酶活性, 結(jié)果以酚含量(37 ℃, 24 h)表示[22]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2010進(jìn)行圖表制作; 采用SPSS 24.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析, LSD多重比較檢驗各處理平均值之間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭和AM真菌配施對辣椒生長與侵染率的影響

由表1可知, 添加生物炭和接種AM真菌顯著促進(jìn)辣椒生長。辣椒株高、莖粗、地上部生物量和根部生物量均隨生物炭添加量的增加呈增加趨勢, 且差異顯著(<0.05), 各生長指標(biāo)均在3%生物炭添加和AM真菌配施處理時達(dá)到最大。相同生物炭添加條件下, 接種AM真菌顯著增加辣椒的單株果重(<0.05), 0、1%、2%、3%生物炭添加量處理下,接菌處理使得辣椒單株果重分別提高26.69%、10.85%、21.54%、28.09%, 且差異顯著(<0.05)。接種AM真菌對辣椒根系有良好的侵染效果, 其侵染率均在40%以上, 說明AM真菌與辣椒根系能夠建立較好的共生關(guān)系。施用生物炭(3%)與接種AM真菌配施處理時菌根侵染效果最佳, 侵染率高達(dá)58.96%, 較無生物炭添加處理提高41.59%?？傮w而言, 接種AM真菌對促進(jìn)辣椒生長、產(chǎn)量形成效果弱于生物炭, 而生物炭和AM真菌配施處理效果最佳。

表1 不同生物炭和AM真菌處理對辣椒生長的影響

+M: AM真菌接種處理;-M: 未接種處理。同列不同小寫字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平。*:<0.05; **:<0.01; ***:<0.001; ns: 影響不顯著。+M: inoculation of AM fungus;-M: no AM fungus inoculation. Different lowercase letters in the same column mean significant difference among different treatments at 5% level. *:<0.05; **:<0.01; ***:<0.001; ns: no significant effect.

2.2 生物炭與AM真菌配施對辣椒光合特性的影響

生物炭和AM真菌接種處理對辣椒葉面積指數(shù)、葉綠素含量、植株n、s和r的影響極顯著(<0.001), 而生物炭和接菌交互效應(yīng)對葉綠素含量影響不顯著(表2)。在相同接菌條件下, 葉綠素含量隨生物炭添加量的增加呈現(xiàn)增加趨勢; 同一生物炭添加量(0、1%、2%、3%)下, 接菌處理顯著提高了葉綠素含量(<0.05), 分別提高9.43%、9.92%、6.05%、5.56%。未接菌條件下,n在3%生物炭添加時達(dá)最大, 其他生物炭添加量變化對n影響差異不顯著; 接菌條件下,n隨生物炭添加量的增加而顯著提高。s與n呈同樣的變化趨勢。無論接菌與否,r均隨生物炭添加量的增加而顯著提高(<0.05), 且在3%生物炭添加量和AM真菌配施處理時達(dá)最大。

2.3 生物炭和AM真菌配施對辣椒植株養(yǎng)分含量的影響

由表3可知生物炭添加對辣椒植株養(yǎng)分含量影響極顯著(<0.001), 而AM真菌接種處理對辣椒根部全氮含量、地上部全鉀含量影響不顯著, 生物炭和接菌交互效應(yīng)僅對根部全鉀含量影響不顯著。未添加生物炭條件下, AM真菌接種對辣椒植株全氮含量影響差異不顯著。對于磷元素來說, 接菌處理顯著提高其在植株中的含量(<0.05), 且其效果優(yōu)于生物炭處理, 但對于鉀元素來說生物炭處理效果明顯優(yōu)于接種菌處理。生物炭(3%)與接種AM真菌配施處理對提高辣椒植株中全氮、全磷、全鉀含量效果最佳, 辣椒根部中全氮、全磷、全鉀含量分別較對照(0生物炭和-AM處理)提高74.04%、106.42%和78.82%。綜上, 生物炭和AM真菌均能提高辣椒植株中全氮、全磷、全鉀含量, 其中AM真菌處理促進(jìn)辣椒磷的吸收效果優(yōu)于生物炭處理, 生物炭處理促進(jìn)辣椒對鉀的吸收效果較好, 生物炭、AM真菌二者配施處理對促進(jìn)辣椒氮、磷、鉀吸收效果最好。

表2 不同生物炭和AM真菌處理對辣椒葉面積指數(shù)、葉綠素含量、凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)的影響

+M: 接種處理;-M: 未接種處理。同列不同小寫字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平。*:<0.05; **:<0.01; ***:<0.001; ns: 影響不顯著。+M: inoculation of AM fungus;-M: no AM fungus inoculation. Different lowercase letters in the same column mean significant difference among different treatments at 5% level. *:<0.05; **:<0.01; ***:<0.001; ns: no significant effect.

表3 不同生物炭和AM真菌處理對辣椒植株養(yǎng)分含量的影響

+M: 接種處理;-M: 未接種處理。同列不同小寫字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平。*:<0.05; **:<0.01; ***:<0.001; ns: 影響不顯著。+M: inoculation of AM fungus;-M: no AM fungus inoculation. Different lowercase letters in the same column mean significant difference among different treatments at 5% level. *:<0.05; **:<0.01; ***:<0.001; ns: no significant effect.

2.4 生物炭和AM真菌配施對辣椒連作土壤酶活性和根際pH的影響

土壤pH隨生物炭添加量的增加呈增加趨勢(表4)。相對于生物炭處理, 接種AM真菌對土壤pH影響較小。土壤脲酶、蔗糖酶活性均隨生物炭添加量的增加呈現(xiàn)增加的趨勢, 且差異顯著(<0.05)。接種AM真菌后土壤脲酶活性、蔗糖酶活性也有所增加, 但差異不顯著。當(dāng)添加3%生物炭和AM真菌配施處理時, 土壤脲酶、蔗糖酶活性達(dá)最大, 分別為0.45 mg×g-1×d-1、18.23 mg×g-1×d-1, 較0生物炭+AM處理提高84.05%、108.82%。未接菌條件下, 生物炭添加量為1%時, 相對于未添加生物炭處理, 土壤磷酸酶活性顯著提高41.91%(<0.05), 隨著生物炭添加量的繼續(xù)增加, 土壤磷酸酶活性呈增加趨勢; 接菌條件下, 土壤磷酸酶活性在無生物炭添加時達(dá)到最大, 生物炭的施用使其略有下降。

表4 不同生物炭和AM真菌處理對連作辣椒土壤酶活性和根際pH的影響

+M: 接種處理;-M: 未接種處理。同列不同小寫字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平。*:<0.05; **:<0.01; ***:<0.001; ns: 影響不顯著。+M: inoculation of AM fungus;-M: no AM fungus inoculation. Different lowercase letters in the same column mean significant difference among different treatments at 5% level. *:<0.05; **:<0.01; ***:<0.001; ns: no significant effect.

2.5 生物炭和AM真菌配施對辣椒連作土壤養(yǎng)分的影響

施用生物炭和接種AM真菌處理對辣椒連作土壤有良好的改善效果。無論接菌與否, 土壤速效鉀含量均隨生物炭添加量的增加而呈增加趨勢, 且均在3%生物炭添加條件下達(dá)最大(表5)。等量生物炭添加條件下, 接種AM真菌處理雖小幅提高了土壤速效鉀含量, 但差異不顯著。接種處理條件下, 土壤堿解氮含量隨生物炭添加量的增加而顯著增加(<0.05), 且在3%生物炭添加條件下達(dá)最大, 較0、1%、2%生物炭添加條件下分別提高55.85%、28.12%、15.21%。接種處理對土壤有機質(zhì)含量、土壤CEC無顯著影響, 而生物炭的添加均可顯著增加土壤有機質(zhì)含量和土壤CEC(<0.05), 且在3%生物炭添加條件下達(dá)最大。未接菌條件下, 生物炭添加顯著提高土壤有效磷含量(<0.05); 接種AM真菌條件下, 0、1%生物炭添加時, 土壤有效磷含量變化差異不顯著, 但在3%生物炭添加時達(dá)最大, 較0、1%、2%生物炭添加條件下土壤有效磷含量分別顯著提高40.03%、37.31%、22.10%(<0.05)。

表5 不同生物炭和AM真菌處理對連作辣椒土壤速效鉀、堿解氮、有機質(zhì)、有效磷和陽離子交換量(CEC)的影響

+M: 接種處理;-M: 未接種處理。同列不同小寫字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平。*:<0.05; **:<0.01; ***:<0.001; ns: 影響不顯著。+M: inoculation of AM fungus;-M: no AM fungus inoculation. Different lowercase letters in the same column mean significant difference among different treatments at 5% level. *:<0.05; **:<0.01; ***:<0.001; ns: no significant effect.

3 討論

長期連作可改變土壤的理化和生物特性[23], 同時也會進(jìn)一步影響作物的生長及產(chǎn)量。有研究表明AM真菌[24]或生物炭[25]單獨施用均促進(jìn)辣椒的生長。本研究發(fā)現(xiàn)生物炭和AM真菌配施處理對連作辣椒的促生效果優(yōu)于單獨施用生物炭或AM真菌(表1)。葉片光合色素含量直接影響植株的光合作用, 而光合作用是植物有機物合成的主要途徑, 是影響作物生長的關(guān)鍵因素之一[26]。連作條件下, 辣椒植株受土壤生境劣變的脅迫, 生長發(fā)育受到抑制, 葉綠素合成酶活性降低致使葉綠素合成受到抑制, 葉綠素降解速率增加導(dǎo)致n降低[27]。本研究表明, 生物炭和接種AM真菌能協(xié)同改善連作辣椒生長和光合特性, 辣椒葉綠素含量、n、s及r均隨生物炭添加量的增加而提高, 且在3%生物炭添加和AM真菌復(fù)合處理條件下效果最佳。這可能是因為AM真菌叢枝結(jié)構(gòu)和生物炭的保水、保肥特性協(xié)同提高辣椒對水分、養(yǎng)分的吸收, 進(jìn)而提高光合效率、促進(jìn)生長。

對于連作土壤來說, 土壤營養(yǎng)失衡、理化性質(zhì)劣變、化感物質(zhì)積累等問題嚴(yán)重制約了作物對養(yǎng)分的吸收, 因此提高作物對養(yǎng)分的利用對克服或緩解連作障礙至關(guān)重要。本研究表明, 在辣椒連作土壤中施用生物炭和接種AM真菌對辣椒氮、磷和鉀營養(yǎng)具有明顯的改善作用, 其中接種AM真菌對提高植株磷含量的效果顯著, 施用生物炭對提高辣椒鉀吸收效果明顯, 而二者復(fù)合處理對連作辣椒養(yǎng)分吸收改善效果最佳。這可能是因為生物炭自身含有一定量的礦物質(zhì)養(yǎng)分(如鉀、鈣等), 同時生物炭的多孔結(jié)構(gòu)、大的表面積能夠吸持土壤養(yǎng)分, 達(dá)到緩釋效果, 提高養(yǎng)分利用率[28]; 另一方面, AM真菌誘導(dǎo)宿主根系生長, 通過菌絲途徑增加宿主植物的礦質(zhì)營養(yǎng)[29-30]。同時, 生物炭的添加有利于AM真菌與連作辣椒建立良好的共生關(guān)系。研究顯示土壤施入生物炭有益于菌根真菌在植物根部的定殖, Elmer[31]等報道3%的生物炭用量下叢枝菌根真菌在蘆筍(L.)根部的定殖量增加1倍。本研究也發(fā)現(xiàn)生物炭(3%)與AM真菌聯(lián)合處理時菌根侵染效果最佳。這可能是因為生物炭的多孔性為真菌的生存繁殖提供棲息地, 且利于微生物躲避土壤掠奪性動物的侵襲[32]; 同時, 球囊菌(叢枝菌根真菌)可產(chǎn)生胞外酶分解生物炭中穩(wěn)定性較差的組分得以生長繁殖[33]。

土壤酶活性是評價土壤肥力和表征土壤生物活性的重要指標(biāo)。長期連作會使土壤中的酶活性下降[34]。生物炭[35]和AM真菌[36]均能增加土壤酶活性, 從而緩解作物連作危害。本研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)添加3%生物炭和AM真菌復(fù)合處理時, 土壤脲酶、蔗糖酶活性達(dá)最大。生物炭和AM真菌配施協(xié)同促進(jìn)土壤酶活性, 可能是二者協(xié)同促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成[37]、大幅改善土壤質(zhì)量[38]的結(jié)果。值得注意的是, 土壤磷酸酶活性在無生物炭添加+AM真菌處理時達(dá)到最大, 生物炭添加量變化對其影響不顯著。這可能是根外菌絲與土壤解磷細(xì)菌互作[39], 提高了土壤磷酸酶活性。有機質(zhì)是土壤的重要組成部分, 可以改善土壤物理性質(zhì), 提高土壤蓄水、保肥能力[40]。本研究中, AM真菌對土壤pH、有機質(zhì)均無顯著影響。施加生物炭提高了土壤pH和土壤有機質(zhì)含量, 這與生物炭呈堿性和碳含量較高有關(guān)[41]。氮、磷、鉀含量是反映土壤養(yǎng)分供給的重要指標(biāo), 連作土壤因長期種植單一作物會導(dǎo)致土壤氮磷鉀比例失衡, 甚至?xí)霈F(xiàn)“養(yǎng)分衰竭”現(xiàn)象[42]。在本試驗中, 生物炭施用可顯著增加土壤速效鉀、有效磷、堿解氮含量和土壤陽離子交換量, 這與大多數(shù)的研究一致[12,14,43]。而接菌處理對土壤速效鉀、有機質(zhì)、陽離子交換量影響不顯著。這可能是因為AMF對土壤養(yǎng)分的影響主要體現(xiàn)在菌絲際土壤[44], 而本試驗研究的是整個根圍土壤的肥力大小。

綜上, 生物炭和AM真菌緩解辣椒連作障礙的協(xié)同增效作用, 一方面是因為生物炭顯著改善了連作土壤環(huán)境, 并為AM真菌提供了適宜的環(huán)境, 促進(jìn)菌根真菌在植物根部的侵染與增殖。另一方面, AM真菌[45]和生物炭[46]都可影響其他連作土壤微生物和吸附連作土壤中化感物質(zhì)[47], 進(jìn)而間接影響連作作物生長。這需要進(jìn)一步的試驗進(jìn)行探索。

4 結(jié)論

1)生物炭和AM真菌配施能顯著提高辣椒根部和地上部生物量、葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和葉綠素含量, 有效緩解連作土壤對辣椒生長的阻礙作用。生物炭和AM真菌配施對促進(jìn)連作辣椒養(yǎng)分吸收具有顯著的協(xié)同作用, 3%生物炭+AM真菌處理條件下, 辣椒根部全氮、全磷、全鉀含量分別較對照(0生物炭和-AM處理)提高74.04%、106.42% 和78.82%。生物炭(3%)與AM真菌配施處理時菌根侵染效果最佳, 侵染率高達(dá)58.96%, 較無生物炭添加處理提高41.59%。

2)當(dāng)添加3%生物炭和AM真菌配施處理時, 土壤脲酶、蔗糖酶活性達(dá)最大, 分別為0.45 mg×g-1×d-1、18.23 mg×g-1×d-1, 較0生物炭+AM處理提高84.05%、108.82%。生物炭施用可顯著提高土壤pH、土壤速效鉀、有效磷、堿解氮含量和土壤陽離子交換量, 而接種AM真菌處理對土壤pH、土壤速效鉀、有機質(zhì)、陽離子交換量影響不顯著。

[1] 鄒學(xué)校, 馬艷青, 戴雄澤, 等. 辣椒在中國的傳播與產(chǎn)業(yè)發(fā)展[J/OL]. 園藝學(xué)報: 1-12 [2020-07-08]. https://doi.org/10. 16420/j.issn. 0513-353x. 2020-0103 ZOU X X, MA Y Q, DAI X Z, et al. Spread and industry development of pepper in China[J/OL]. Acta Horticulturae Sinica: 1-12 [2020-07-08]. https://doi.org/10.16420/j.issn. 0513-353x.2020-0103

[2] 王玫, 徐少卓, 劉宇松, 等. 生物炭配施有機肥可改善土壤環(huán)境并減輕蘋果連作障礙[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2018, 24(1): 220–227 WANG M, XU S Z, LIU Y S, et al. Improvement of soil properties and control of apple replanting disease by combined application of biochar and organic fertilizer[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2018, 24(1): 220–227

[3] WHITESIDE M D, DIGMAN M A, GRATTON E, et al. Organic nitrogen uptake by arbuscular mycorrhizal fungi in a boreal forest[J]. Soil Biology and Biochemistry,2012, 55: 7–13

[4] 孫吉慶, 劉潤進(jìn), 李敏. 叢枝菌根真菌提高植物抗逆性的效應(yīng)及其機制研究進(jìn)展[J]. 植物生理學(xué)報, 2012, 48(9): 845–852 SUN J Q, LIU R J, LI M. Advances in the study of increasing plant stress resistance and mechanisms by arbuscular mycorrhizal Fungi[J]. Plant Physiology Communications, 2012, 48(9): 845–852

[5] OSENI T O, SHONGWE N S, MASARIRAMBI M T. Effect of arbuscular mycorrhiza (AM) inoculation on the performance of tomato nursery seedlings in vermiculite[J]. International Journal of Agriculture and Biology, 2010, 12(5): 789–792

[6] WATTS-WILLIAMS S J, TURNEY T W, PATTI A F, et al. Uptake of zinc and phosphorus by plants is affected by zinc fertiliser material and arbuscular mycorrhizas[J]. Plant and Soil, 2014, 376(1/2): 165–175

[7] LIN Z, GU F, DECLERCK S. Signal beyond nutrient, fructose, exuded by an arbuscular mycorrhizal fungus triggers phytate mineralization by a phosphate solubilizing bacterium[J]. The ISME Journal, 2018, 12(10): 2339–2351

[8] HAUSE B, MROSK C, ISAYENKOV S, et al. Jasmonates in arbuscular mycorrhizal interactions[J]. Phytochemistry, 2007, 68(1): 101–110

[9] BHARADWAJ D P, ALSTR?M S, LUNDQUIST P O. Interactions among, arbuscular mycorrhizal spore-associated bacteria, and plant pathogens under in vitro conditions[J]. Mycorrhiza, 2012, 22(6): 437–447

[10] CHENG C H, LEHMANN J, ENGELHARD M H. Natural oxidation of black carbon in soils: Changes in molecular form and surface charge along a climosequence[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2008, 72(6): 1598–1610

[11] JEFFERY S, VERHEIJEN F G A, VAN DER VELDE M, et al. A quantitative review of the effects of biochar application to soils on crop productivity using meta-analysis[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2011, 144(1): 175–187

[12] ASAI H, SAMSON B K, STEPHAN H M, et al. Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos: 1. Soil physical properties, leaf SPAD and grain yield[J]. Field Crops Research, 2009, 111(1/2): 81–84

[13] GRABER E R, HAREL Y M, KOLTON M, et al. Biochar impact on development and productivity of pepper and tomato grown in fertigated soilless media[J]. Plant and Soil, 2010, 337(1/2): 481–496

[14] KAMAU S, KARANJA N K, AYUKE F O, et al. Short-term influence of biochar and fertilizer-biochar blends on soil nutrients, fauna and maize growth[J]. Biology and Fertility of Soils, 2019, 55(7): 661–673

[15] KOLTON M, MELLER HAREL Y, PASTERNAK Z, et al. Impact of Biochar application to soil on the root-associated bacterial community structure of fully developed greenhouse pepper plants[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2011, 77(14): 4924–4930

[16] 劉先良, 張春, 鄧茂, 等. 施用生物炭和AM真菌對烤煙根系形態(tài)、生理特性及化學(xué)成分的影響[J]. 煙草科技, 2017, 50(8): 30–36 LIU X L, ZHANG C, DENG M, et al. Effects of biochar and AM fungi on root morphology, physiological characteristics and chemical constituents of flue-cured tobacco[J]. Tobacco Science & Technology, 2017, 50(8): 30–36

[17] 郭雄飛. 生物炭和AM真菌對重金屬污染下土壤養(yǎng)分及望江南生長的影響[J]. 草業(yè)學(xué)報, 2018, 27(11): 150–161 GUO X F. Effects of biochar and arbuscular mycorrhizal fungi on soil nutrients and growth ofunder heavy metal contamination[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2018, 27(11): 150–161

[18] 王幼珊, 張淑彬, 殷曉芳, 等. 中國大陸地區(qū)叢枝菌根真菌菌種資源的分離鑒定與形態(tài)學(xué)特征[J]. 微生物學(xué)通報, 2016, 43(10): 2154-2165 WANG Y S, ZHANG S B, YIN X F, et al. Isolation and identification of arbuscular mycorrhizal fungi from mainland China[J]. Microbiology China, 2016, 43(10): 2154-2165

[19] PHILLIPS J M, HAYMAN D S. Improved procedures for clearing roots and staining parasitic and vesicular-arbuscular mycorrhizal fungi for rapid assessment of infection[J]. Transactions of the British Mycological Society, 1970, 55(1): 158–161

[20] GIOVANNETTI M, MOSSE B. An evaluation of techniques for measuring vesicular arbuscular mycorrhizal infection in roots[J]. New Phytologist, 1980, 84(3): 489–500

[21] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科技出版社, 2000: 312–314 LU R K. Methods of Soil and Agro-Chemistry Analysis[M]. Beijing: China Agricultural Science Technology Press, 2000: 312–314

[22] 關(guān)松蔭, 張德生, 張志明. 土壤酶及其研究法[M]. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1986: 260–334 GUAN S Y, ZHANG D S, ZHANG Z M. Soil Enzyme and its Research Methods[M]. Beijing: Agriculture Press, 1986: 260–334

[23] 李亮, 蔡柏巖. 叢枝菌根真菌緩解連作障礙的研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2016, 35(5): 1372–1377 LI L, CAI B Y. Advances in arbuscular mycorrhizal fungi alleviating continuous cropping obstacles[J]. Chinese Journal of Ecology, 2016, 35(5): 1372–1377

[24] 江盼盼, 宋述堯, 趙春波, 等. 三種叢枝菌根真菌對辣椒根系生長的影響及效應(yīng)分析[J]. 中國蔬菜, 2010, (6): 58–62 JIANG P P, SONG S Y, ZHAO C B, et al. Studies on effects of three arbuscular mycorrhizal fungi inoculation on pepper root system[J]. China Vegetables,2010, (6): 58–62

[25] 張福建, 陳昱, 楊磊, 等. 施用生物質(zhì)炭和生石灰對連作辣椒生長的影響[J]. 核農(nóng)學(xué)報, 2019, 33(6): 1240–1247 ZHANG F J, CHEN Y, YANG L, et al. Effects of biomass charcoal and lime on growth of pepper[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2019, 33(6): 1240–1247

[26] 張福建, 王馨悅, 陳昱, 等. 3種作物幼嫩莖葉干粉對連作辣椒幼苗生長及根際土壤生物特性的影響[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2019, 25(9): 1569–1576 ZHANG F J, WANG X Y, CHEN Y, et al. Effects of applying dry powders of three crop seedlings on pepper seedling growth and rhizosphere soil biological characteristics in continuous cropping system[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers,2019, 25(9): 1569–1576

[27] SANTOS C V. Regulation of chlorophyll biosynthesis and degradation by salt stress in sunflower leaves[J]. Scientia Horticulturae, 2004, 103(1): 93–99

[28] JONES D L, ROUSK J, EDWARDS-JONES G, et al. Biochar-mediated changes in soil quality and plant growth in a three year field trial[J]. Soil Biology and Biochemistry,2012, 45: 113–124

[29] HODGE A, FITTER a H. Substantial nitrogen acquisition by arbuscular mycorrhizal fungi from organic material has implications for N cycling[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2010, 107(31): 13754–13759

[30] LAPARRE J, MALBREIL M, LETISSE F, et al. Combining metabolomics and gene expression analysis reveals that propionyl- and butyryl-carnitines are involved in late stages of arbuscular mycorrhizal symbiosis[J]. Molecular Plant,2014, 7(3): 554–566

[31] ELMER W H, PIGNATELLO J J. Effect of biochar amendments on mycorrhizal associations and Fusarium crown and root rot of asparagus in replant soils[J]. Plant Disease, 2011, 95(8): 960–966

[32] WARNOCK D D, LEHMANN J , KUYPER T W, et al. Mycorrhizal responses to biochar in soil —Concepts and mechanisms[J]. Plant & Soil, 2007, 300(1/2): 9–20

[33] JIN H. Characterization of microbial life colonizing biochar and biocharamended soils[D]. Ithaca, New York: Cornell University, 2010

[34] 馬海燕, 徐瑾, 鄭成淑, 等. 非洲菊連作對土壤理化性狀與生物性狀的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 44(18): 3733–3740 MA H Y, XU J, ZHENG C S, et al. Effects of continuous cropping system on the soil physical-chemical properties and biological properties of[J]. Scientia Agricultura Sinica,2011, 44(18): 3733–3740

[35] 胡華英, 殷丹陽, 曹升, 等. 生物炭對杉木人工林土壤養(yǎng)分、酶活性及細(xì)菌性質(zhì)的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2019, 39(11): 4138–4148 HU H Y, YIN D Y, CAO S, et al. Effects of biochar on soil nutrient, enzyme activity, and bacterial properties of Chinese fir plantation[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(11): 4138–4148

[36] XUN F F, XIE B M, LIU S S, et al. Effect of plant growth-promoting bacteria (PGPR) and arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) inoculation on oats in saline-alkali soil contaminated by petroleum to enhance phytoremediation[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2015, 22(1): 598–608

[38] RILLIG M C, WRIGHT S F, EVINER V T. The role of arbuscular mycorrhizal fungi and glomalin in soil aggregation: Comparing effects of five plant species[J]. Plant and Soil, 2002, 238(2): 325–333

[39] CHEN W L, KOIDE R T, ADAMS T S, et al. Root morphology and mycorrhizal symbioses together shape nutrient foraging strategies of temperate trees[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2016, 113(31): 8741–8746

[40] KHEIRFAM H, SADEGHI S H, HOMAEE M, et al. Quality improvement of an erosion-prone soil through microbial enrichment[J]. Soil and Tillage Research, 2017, 165: 230–238

[41] FELLET G, MARCHIOL L, DELLE VEDOVE G, et al. Application of biochar on mine tailings: Effects and perspectives for land reclamation[J]. Chemosphere, 2011, 83(9): 1262–1267

[42] 張子龍, 王文全. 植物連作障礙的形成機制及其調(diào)控技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 生物學(xué)雜志, 2010, 27(5): 69–72 ZHANG Z L, WANG W Q. Progress on formation mechanism and control measurements of continuous cropping obstacles in plants[J]. Journal of Biology, 2010, 27(5): 69–72

[43] AMEUR D, ZEHETNER F, JOHNEN S, et al. Activated biochar alters activities of carbon and nitrogen acquiring soil enzymes[J]. Pedobiologia,2018, 69: 1–10

[44] LINDERMAN R G. Mycorrhizal interactions with the rhizosphere microflora: The mycorrhizosphere effect[J]. Phytopathology, 1987, 78(3): 366–371

[45] KIM J S, SPAROVEK G, LONGO R M, et al. Bacterial diversity of terra preta and pristine forest soil from the western Amazon[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2007, 39(2): 684–690

[46] GRAVEL V, DORAIS M, MéNARD C. Organic potted plants amended with biochar: Its effect on growth andcolonization[J]. Canadian Journal of Plant Science, 2013, 93(6): 1217–1227

[47] ROGOVSKA N, LAIRD D, CRUSE R M, et al. Germination tests for assessing biochar quality[J]. Journal of Environmental Quality, 2012, 41(4): 1014–1022

Effects of biochar and arbuscular mycorrhizal fungi on the growth of continuous cropping pepper and soil nutrient status*

WANG Yan1, ZHOU Peng1, BAI Liwei1, WU Kangyun1, XING Dan1**, GUO Tao2, ZHANG Chengming3

(1. Pepper Research Institute, Guizhou Academy of Agricultural Sciences, Guiyang 550006, China; 2. College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716, China; 3. Research Faculty of Agriculture, Hokkaido University, Sapporo, Hokkaido 060-0808, Japan)

In this study, a pot experiment was conducted to investigate the synergistic effects of biochar and arbuscular mycorrhizal (AM) fungi on the alleviation of the continuous cropping obstacles of pepper, improve soil nutrient status, and further provide theoretical foundations for continuous cropping soil improvement and new fertilizer development. A total of eight treatments were set as growth conditions of pepper consisting of four biochar addition levels (0, 1%, 2%, and 3%) with or without AM fungal inoculations (+AM and-AM), each treatment was replicated four times. Peppers were harvested after 60 days, and the physiological index, soil enzyme activity, and soil nutrient content were analyzed. Results showed that the biochar+AM treatments significantly promoted the growth of successive cropping pepper and increased the net photosynthetic rate (n), transpiration rate (r), stomata conductance (s), and chlorophyll content in pepper leaves. The treatments of only AM fungi inoculation also showed an increase in the growth and yield of peppers; however, biochar+AM had the best combined treatment effect. The effect of only AM fungal inoculation on P absorption in pepper plants and fruits showed a better result compared with that of only biochar, while the effect was opposite on K absorption. Moreover, the contents of N, P, and K in the root of pepper treated with 3% biochar+AM fungi increased by 74.04%, 106.42%, and 78.82%, compared with 0 biochar without AM fungi (control), respectively. The mycorrhizal infection rate under the treatment of 3% biochar+AM was 58.96%, which was 41.59% higher than that of the control. Soil pH and activities of urease and sucrase increased with an increase in biochar application; although, there was no significant difference in pH. AM inoculation showed not significant effects on soil enzyme activity. In addition, the available contents of K, P, and organic matter in the soil also increased with an increase in biochar application. The most significant improvement was achieved under the 3% biochar+AM treatment, while the treatment of only AM fungal inoculation showed no marked effect on these indexes. In conclusion, biochar, especially the treatment of 3% biochar+AM, had a significant synergistic effect on the growth and soil nutrient improvement of the continuous cropping pepper.

Pepper; Biochar; AM fungi; Soil nutrients; Continuous cropping obstacle; Synergistic

S641.3; S156.2

10.13930/j.cnki.cjea.200196

王巖, 周鵬, 白立偉, 吳康云, 邢丹, 郭濤, 張成銘. 生物炭和AM真菌配施對連作辣椒生長和土壤養(yǎng)分的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2020, 28(10): 1600-1608

WANG Y, ZHOU P, BAI L W, WU K Y, XING D, GUO T, ZHANG C M. Effects of biochar and arbuscular mycorrhizal fungi on the growth of continuous cropping pepper and soil nutrient status[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(10): 1600-1608

* 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項資金(CARS-24-G-19)和貴州省科技計劃項目([2017]5709, [2018]2329)資助

邢丹, 主要研究方向為辣椒栽培管理。E-mail: 2004xingdan@163.com

王巖, 主要從事植物養(yǎng)分資源管理研究。E-mail: 270237985@qq.com

2020-03-17

2020-05-25

* This study was supported by the Special Fund for Modern Agricultural Industrial Technology System of China (CARS-24-G-19) and the Science and Technology Project of Guizhou Province ([2017]5709,[2018]2329).

, E-mail: 2004xingdan@163.com

Mar. 17, 2020;

May 25, 2020