連作土壤連續(xù)施入生物炭對黃瓜品質(zhì)及根區(qū)微生態(tài)的影響

武春成 周國彥 曹霞 王彩云 竇維卉 謝洋

摘要：為了探討連續(xù)施入生物炭對連作土壤黃瓜品質(zhì)及根區(qū)微生態(tài)的影響，以黃瓜連作14、22茬土壤為研究對象，設(shè)置不施用、單次施用、連續(xù)3次施用生物炭處理。結(jié)果表明，與單次施入生物炭相比，連續(xù)施入生物炭的連作14、22茬土壤的黃瓜單株產(chǎn)量分別增加24.06%、19.68%;與同一茬次相比，連續(xù)施入可以顯著提高黃瓜果實的蛋白質(zhì)、維生素C和可溶性糖含量，降低硝酸鹽含量;土壤pH值、陽離子交換量、有機(jī)質(zhì)含量、速效鉀含量、細(xì)菌數(shù)量以及細(xì)菌/真菌的值得到顯著提高，同時可以顯著降低真菌和尖孢鐮刀菌數(shù)量，并提高土壤微生物代謝活性和多樣性。綜上，生物炭連續(xù)施入較單次施入對連作土壤微生態(tài)環(huán)境的改善作用更顯著，由此可以提高連作黃瓜的單株產(chǎn)量，改善果實品質(zhì)，更有利于緩解溫室連作障礙。

關(guān)鍵詞：生物炭;黃瓜品質(zhì);連作土壤;理化性質(zhì);微生物多樣性

中圖分類號：S642.206 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）09-0143-05

我國設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)無論是面積還是產(chǎn)量均居世界首位[1]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有很重要的地位。由于設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)的高投入、高產(chǎn)出特性，多年來農(nóng)民為追求高利益，過量施入化肥，且連作栽培普遍，造成嚴(yán)重的連作障礙現(xiàn)象，尤其是在一些發(fā)展設(shè)施蔬菜較早的產(chǎn)區(qū)，土壤已經(jīng)嚴(yán)重退化，蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)受到極大的影響。由此連作障礙已成為制約我國設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大問題[2]，必須采取有效的連作土壤修復(fù)措施。呂豐娟等認(rèn)為，作物連作障礙的發(fā)生是作物與土壤相互影響和作用的綜合表現(xiàn)，土壤理化性狀、土壤微生物以及作物根系自毒物質(zhì)等主要土壤因子失衡均可能引起連作障礙[3]。再加上設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中不合理的生產(chǎn)習(xí)慣，如菜農(nóng)為提高產(chǎn)量，習(xí)慣過量施肥，其中氮肥投入量是蔬菜吸收量的3～5倍，加之設(shè)施蔬菜商品化生產(chǎn)連作現(xiàn)象普遍，致使設(shè)施土壤中氮素大量積累，導(dǎo)致土壤表層次生鹽漬化和酸化，不僅嚴(yán)重降低了土壤的氮素轉(zhuǎn)化能力和氮肥利用率，影響植物根系對氮素的吸收，同時也制約了磷、鉀、鈣、鎂等其他營養(yǎng)元素的有效性，引起蔬菜生育障礙，進(jìn)而限制設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[4]。生物炭是利用農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈、污泥、動物糞便、菌渣等有機(jī)物料高溫碳化的一種富碳產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、多孔，比表面積大，吸附能力強(qiáng)，具有降低土壤容重、減緩?fù)寥浪峄?、減少氮素?fù)p失等特性，同時其表面可定殖微生物，為土壤微生物提供棲息場所[5]。越來越多的研究結(jié)果表明，生物炭可以固定碳素、吸附重金屬、改善土壤理化性狀、減少溫室氣體排放、提高肥料利用率、改善修復(fù)連作土壤、提高作物產(chǎn)量等[6-7]。但目前的研究多局限于生物炭的單次施入，對于生物炭連續(xù)施入及其持續(xù)效應(yīng)研究較少。因此，本試驗通過分析連作土壤單次施入和連續(xù)3次施入生物炭對日光溫室黃瓜生長發(fā)育及土壤微生態(tài)環(huán)境的影響，以期為生物炭應(yīng)用在設(shè)施蔬菜連作土壤修復(fù)方面提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試品種

供試黃瓜品種為津優(yōu)35，購于天津科潤黃瓜研究所。

1.1.2 供試土壤

供試土壤取自河北科技師范學(xué)院2個連續(xù)栽培14、22茬黃瓜的日光溫室土壤，分別用C 14和C 22表示，基本理化性質(zhì)見表1。

1.1.3 供試生物炭

供試生物炭為玉米秸稈炭，由遼寧省生物炭工程技術(shù)中心提供，購自沈陽隆泰生物工程有限公司，其碳化溫度為500 ℃，平均孔徑16.27 nm，粒徑1.5～2.0 mm，C、N、P、K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為70.38%、1.53%、0.78%、1.68%，pH值為 8.97。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計

于2019 年3—9月在河北科技師范學(xué)院園藝試驗站日光溫室內(nèi)進(jìn)行盆栽試驗。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，共設(shè)6個處理（表2），3個重復(fù)，每個重復(fù)10盆。生物炭按5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入土壤，同時每盆添加NPK復(fù)合肥10 g，混勻后裝盆，折合干土10 kg/盆。于2019年4月10日黃瓜幼苗2葉1心時定植1株/盆，進(jìn)行常規(guī)管理，于7月10日拉秧。

1.2.2 黃瓜單株產(chǎn)量與品質(zhì)測定方法

各處理分別單株計產(chǎn)，拉秧后統(tǒng)計單株產(chǎn)量。在黃瓜盛瓜期采摘結(jié)瓜部位相對一致、同等大小的果實，采用考馬斯亮藍(lán)法測定蛋白質(zhì)含量[8]，采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量[9]，采用2，6-二氯酚靛酚滴定法測定維生素C含量[10]，采用數(shù)字折光儀測定可溶性固形物含量，采用紫外分光光度法測定硝酸鹽含量[11]。

1.2.3 土壤理化性質(zhì)測定

在黃瓜拉秧后每個區(qū)組隨機(jī)選取3盆，收集黃瓜根區(qū)土壤，混合均勻，分為3份，一份保存于4 ℃冰箱中，1周內(nèi)測定土壤微生物數(shù)量;一份放在-80 ℃超低溫冰箱中保存，用于測定土壤微生物多樣性;剩余部分陰干后用于測定土壤理化性狀及土壤酶活性。采用烘干法測定土壤含水量，采用環(huán)刀取土-烘干法測定土壤容重，采用上海雷磁多參數(shù)水質(zhì)分析儀DZS-708測定土壤pH值和EC值（土水質(zhì)量比為1 ∶5），采用重鉻酸鉀容量-稀釋熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，采用堿解擴(kuò)散法測定堿解氮含量，采用鉬藍(lán)比色法測定速效磷含量，采用火焰光度法測定速效鉀含量，采用氯化鋇-硫酸強(qiáng)迫交換法測定陽離子交換量（CEC）[12]。

1.2.4 土壤酶活性測定

采用高錳酸鉀滴定法測定土壤過氧化氫酶活性，采用磷酸苯二鈉比色法測定中性磷酸酶活性，采用鄰苯三酚比色法測定多酚氧化酶活性，采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定脲酶活性，采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定蔗糖酶活性[13]。

1.2.5 土壤微生物數(shù)量及多樣性測定

采用稀釋平板法測定細(xì)菌、真菌、尖孢鐮刀菌數(shù)量[14]，采用Biolog-ECO方法分析土壤微生物群落多樣性[15]。7734BF27-AA32-4464-B9A6-40A90298E47A

1.2.6 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，用SPSS軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 連續(xù)施入生物炭對黃瓜單株產(chǎn)量與品質(zhì)的影響

由圖1可知，連作22茬與連作14茬黃瓜相比減產(chǎn)70.33%;對于連作14茬土壤，C 14B 3單株產(chǎn)量較C 14B 0、C 14B 1分別提高24.06%、6.30%;對于連作22茬土壤，C 22B 3單株產(chǎn)量較C 22B 0、C 22B 1分別顯著提高61.69%、19.68%。綜上，土壤連作茬次越多，單株黃瓜減產(chǎn)越明顯，連續(xù)施入生物炭可減少連作對黃瓜單株產(chǎn)量的影響。

由表3可知，生物炭施入均能顯著提高黃瓜果實中的蛋白質(zhì)含量、維生素C含量和可溶性糖含量，顯著降低黃瓜果實中的硝酸鹽含量，連續(xù)施入較單次施入效果更加明顯。其中，C 14B 3蛋白質(zhì)、維生素C、可溶性糖含量較C 14B 1分別提高15.79%、29.85%、17.43%，而硝酸鹽含量顯著降低14.48%;C 22B 3的蛋白質(zhì)、維生素C和可溶性糖含量較C 22B 1分別提高6.99%、21.45%、19.57%，而硝酸鹽含量顯著降低10.55%。

2.2 連續(xù)施入生物炭對連作土壤理化性質(zhì)的影響

由表4可知，施入生物炭可以相對改善土壤的理化性質(zhì)，C 14B 3較C 14B 1可顯著提高pH值、CEC值、有機(jī)質(zhì)含量和速效鉀含量，其中pH值提高0.60，有機(jī)質(zhì)含量提高19.63%;C 22B 3較C 22B 1可顯著提高pH值、CEC值、有機(jī)質(zhì)含量和速效鉀含量，其中pH值提高0.38，有機(jī)質(zhì)含量提高13.13%，有效減緩了連作土壤的酸化。

2.3 連續(xù)施入生物炭對連作土壤酶活性的影響

由表5可知，C 14B 3/C 22B 3較C 14B 1/C 22B 1、C 14B 0/C 22B 0 多酚氧化酶活性分別降低18.89%/6.02%、45.11%/39.06%;C 14B 3/C 22B 3較C 14B 0/C 22B 0脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶的活性分別提高77.50%/69.44%、176.19%/255.56%、575.00%/0.00。綜上，施入生物炭均能顯著降低多酚氧化酶活性，提高脲酶和過氧化氫酶活性，但對中性磷酸酶活性影響不大，連續(xù)施入和單次施入之間無顯著差異。

2.4 連續(xù)施入生物炭對連作土壤微生物數(shù)量的影響

由圖2可知，生物炭施入對土壤微生物數(shù)量有顯著影響，C 14B 3/C 22B 3較C 14B 1/C 22B 1細(xì)菌數(shù)量、細(xì)菌/真菌分別增加123.78%/116.84%、42.86%/41.72%，真菌、尖孢鐮刀菌數(shù)量分別減少29.00%/31.93%、28.17%/28.94%。生物炭的施入改善了根區(qū)土壤的種群結(jié)構(gòu)， 連續(xù)施入較單次施入效果更加顯著。

2.5 連續(xù)施入生物炭對連作土壤微生物多樣性的影響

AWCD值代表土壤微生物的代謝活性，由圖3可知，在整個培養(yǎng)過程中，各處理的AWCD值由高到低為C 14B 3>C 14B 1>C 14B 0、C 22B 3>C 22B 1>C 22B 0，生物炭連續(xù)施入較單次施入對提高土壤微生物群落代謝活性的影響更大。

根據(jù)不同處理碳源的利用情況，取分型較好且相對穩(wěn)定的144 h（圖3）的AWCD值進(jìn)行微生物多樣性分析，結(jié)果見表6?？梢?，C 14B 3/C 22B 3較C 14B 0/C 22B 0提高了香農(nóng)指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)，其中香農(nóng)指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)差異達(dá)顯著水平，分別提高1.51%/1.22%、0.42%/0.31%、27.59%/28.65%。C 14B 3的均勻度指數(shù)顯著高于C 14B 1，C 22B 3的香農(nóng)指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)顯著高于C 22B 1。綜上，連續(xù)施入生物炭

對連作土壤微生物群落多樣性提高水平要高于單次施入。

3 討論與結(jié)論

王彩云等認(rèn)為，施入生物炭能夠促進(jìn)黃瓜生長，提高黃瓜單株產(chǎn)量[16]。本研究結(jié)果表明，連作土壤施入生物炭可顯著提高黃瓜的單株產(chǎn)量及果實蛋白質(zhì)、維生素C、可溶性糖含量，顯著降低果實中的硝酸鹽含量，且連續(xù)施入對黃瓜單株產(chǎn)量及品質(zhì)的提高影響更大;其中C 14B 3單株產(chǎn)量較C 14B 0、C 14B 1分別提高24.06%、6.30%，C 22B 3單株產(chǎn)量較C 22B 0、C 22B 1分別顯著提高61.69%、19.68%。

隨著作物連作年限的增加，設(shè)施土壤質(zhì)量逐漸下降，普遍表現(xiàn)為土壤容重增大、土壤通氣孔隙比例降低、有機(jī)質(zhì)含量下降、土壤pH值降低，EC值升高等現(xiàn)象[17-18]。黃劍等認(rèn)為，施入生物炭能夠提高土壤中團(tuán)聚體的含量，使土壤疏松，通氣透水性良好，土壤含水量增加[19]。本研究也發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律，尤其是連續(xù)施入生物炭較單次施入在提高連作土壤含水量、CEC值、pH值、有機(jī)質(zhì)含量、速效磷含量、速效鉀含量，降低容重、EC值，改善土壤理化性質(zhì)上的作用更加明顯。

土壤酶活性對土壤微生態(tài)環(huán)境的物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量流動及土壤肥力的形成起著重要作用，可以作為評價土壤肥力的重要指標(biāo)[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，施入生物炭均能顯著降低多酚氧化酶活性，提高脲酶和過氧化氫酶的活性，但對中性磷酸酶活性影響不大，連續(xù)施入和單次施入之間無顯著差異?？赡苁怯捎谶B作年限過長，土壤酶活性受到嚴(yán)重破壞，生物炭的施入量與頻次可能會影響連作土壤的修復(fù)改善情況。

連作作物根系分泌物和植株殘茬腐解物給病原菌提供了豐富的營養(yǎng)，使病原菌數(shù)量增加，病原拮抗菌和有益菌數(shù)量減少，增加了設(shè)施蔬菜土傳病害發(fā)生的程度[22]。本研究也發(fā)現(xiàn)，長期連作改變了土壤微生物的種群結(jié)構(gòu)，促使由“細(xì)菌型”向“真菌型” 轉(zhuǎn)變;連續(xù)施入生物炭可以顯著改善微生物的菌群數(shù)量，增加有益菌群，減少有害菌群。如C 22B 3較C 22B 1細(xì)菌數(shù)量、細(xì)菌/真菌的值分別增加1.17、1.72倍，真菌、尖孢鐮刀菌數(shù)量分別減少68%、71%。通過Biolog-ECO方法分析可知，連續(xù)施入較單次施入生物炭可以提高土壤微生物的AWCD值，增加微生物的代謝活性，同時提高微生物多樣性指數(shù)，改善土壤微生物生態(tài)環(huán)境。7734BF27-AA32-4464-B9A6-40A90298E47A

綜上可知，相對于單次生物炭施入，連作土壤連續(xù)施入對溫室黃瓜產(chǎn)量與品質(zhì)提高效果更加明顯，可能是由于生物炭連續(xù)施入可以改善土壤的理化性狀，提高土壤相關(guān)酶活性、細(xì)菌數(shù)量及細(xì)菌/真菌以及土壤微生物群落多樣性，降低真菌以及尖孢鐮刀菌數(shù)量等方面作用更加明顯，從而有效改善黃瓜根區(qū)的土壤微生態(tài)環(huán)境，減弱了連作對黃瓜生長發(fā)育的抑制作用。

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