番茄根区土壤线虫群落变化对生物炭输入的响应

陈威，胡学玉, 2*，张阳阳，张迪，柯跃进，余忠，谢祖彬

1. 中国地质大学（武汉）环境学院，湖北 武汉 430074；2. 中国地质大学湿地演化与生态恢复湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074；3. 中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008

番茄根区土壤线虫群落变化对生物炭输入的响应

陈威1，胡学玉1, 2*，张阳阳1，张迪1，柯跃进1，余忠1，谢祖彬3

1. 中国地质大学（武汉）环境学院，湖北 武汉 430074；2. 中国地质大学湿地演化与生态恢复湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074；3. 中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008

摘要：根结线虫属于线虫群落中的植食性线虫，它们寄生于作物根部，能引起植株根结线虫病，使得染病作物减产严重。生物炭作为一种土壤调理剂，对土壤理化及生物活性都有显著影响。土壤线虫群落结构变化及其作物效应对生物炭输入的响应可为全面评价生物炭的农业利用潜力提供依据。通过田间微区试验，将生物炭分别以0.0%（CK）、0.1%（BC1）、0.5%（BC5）和2.0%（BC20）的添加量（质量比）与土壤混合，以探讨生物炭输入对番茄根结线虫病与土壤线虫群落变化的影响。结果显示，（1）生物炭输入对番茄生长影响明显，BC1和BC5两种处理番茄生物量显著高于对照的2749.16 g·plant-1，分别增加14.97%与12.94%。而在BC20处理中番茄生物量则下降了13.75%。（2）生物炭对番茄作物根部根结数有一定的抑制作用。随着生物炭添加量的增加，番茄植株根结数逐渐降低。（3）土壤线虫群落丰度随着生物炭添加量增加显著上升，CK、BC1、BC5和BC20处理的线虫总数（以干土计）分别为1 490.0、1 657.8、2 100.2和2 300.2 ind.·kg-1。（4）生物炭对线虫群落结构影响明显，与CK相比，BC5与BC20处理的食植性线虫比例分别下降了33.4%与41.4%，且与对照处理差异显著。与此相反，食真菌类线虫比例则显著上升，增幅分别达到70.7%与95.5%。在较高生物炭添加量条件下，土壤线虫群落中食植性线虫比例的下降，应该是番茄根结数降低的原因之一。基于以上结果推测，在适当的添加量下，生物炭对番茄作物感染根结线虫病具有一定的抑制作用。

关键词：生物炭；番茄产量；根结线虫病；土壤线虫群落

引用格式：陈威，胡学玉，张阳阳，张迪，柯跃进，余忠，谢祖彬. 番茄根区土壤线虫群落变化对生物炭输入的响应[J]. 生态环境学报, 2015, 24(6): 998-1003.

CHEN Wei, HU Xueyu, ZHANG Yangyang, ZHANG Di, KE Yuejin, YU Zhong, XIE Zubin. Rsponse of Nematode Community in Tomato Rhizosphere Soil to Biochar Input [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(6): 998-1003.

线虫是土壤生态系统中普遍存在的一种后生动物，其类群和数量丰富，对土壤中物质转化和能量传递起着十分重要的作用, 是土壤生物的重要组成部分（邵元虎和傅声雷，2007）。同时它们对土壤生态环境变化敏感，被看作是生态系统变化的敏感性指示生物之一（Urzelai等，2000；Ferris和Matute，2003；Schloter等，2003；张伟东等，2010；Wardle等，1995）。土壤线虫以多种土壤有机体为食，根据其食性可以分为4大营养类群：植物寄生类线虫、食细菌类线虫、食真菌类线虫和杂食类线虫（侯本栋等，2008）。根结线虫属于植物寄生类线虫，其适应性与繁殖能力强，寄主范围广泛，包括黄瓜、番茄、苦瓜等常见蔬菜（王艳艳等，2014；张锋等，2012），在城郊农业高度集约化生产条件下，其连作模式与重复种植往往导致城郊农业区作物根结线虫病高发，致作物减产甚至绝收（张博等，2002）。而已有研究显示使用有机添加物能够抑制根结线虫的发生（Akhtar和Malik，2000；Liu等，2014）。生物炭作为一种有机碳源，进入土壤后将对土壤生态环境产生某些影响，但是其对根结线虫的影响结果还有待探明。

生物炭（Biochar）是黑碳（Black carbon）的一种，专指由各种生物质材料（作物秸秆、木屑等）在无氧或缺氧条件下，经低温（<700 ℃）裂解炭化产生的一类高度芳香化的、抗分解能力极强的固态物质，是一种富含碳元素的有机连续体（Karen，2007；Goldberg，1985）。生物炭作为一种土壤调理剂，对土壤生态环境具有显著影响，如提高土壤pH值、影响土壤水分状态以及土壤有机质含量等（高海英等，2011；Major等，2010；柯跃进等，2014）。土壤线虫作为土壤生态环境变化的敏感指标，可能会对土壤理化性质的变化作出响应，其群落结构会发生相应变化，对蔬菜植株根系的感染也会随之改变，这种响应性的变化尺度有量化的必要。有研究显示，当小麦秸秆生物炭添加到稻田土壤后，土壤线虫群落结构发生了明显变化（Zhang等，2013）。到目前为止，有关土壤线虫群落结构变化及其作物效应对生物炭输入的响应性研究还不多，涉及的作物种类、土壤类型和生物炭类别也十分有限。因此本研究以水稻秸秆生物炭为材料，探讨不同添加量条件下，生物炭对城郊农业土壤番茄根结线虫病及其线虫群落变化的影响，以期为生物炭的农业应用提供一定的参考。

1　材料和方法

1.1供试材料

供试植物：“金瑞番茄”，由广州市农业科学研究院选育。

供试生物炭：采用专利设备（ZL200920232191.9）在低温（400 ℃）限氧条件下裂解水稻秸秆得到，生物炭pH值为7.85，其基本元素组成分别为：C含量44.21%、N含量1.01%、O含量51.86%、H含量2.76%与S含量0.71%。

1.2微区试验设计

试验区概况：田间微区试验安排在湖北省武汉市城郊某蔬菜种植基地（30°35′5.94″N，114°0′6.20″E），属亚热带湿润季风气候，平均无霜期约250 d，年平均气温16.3 ℃，海拔约50 m，土壤质地为壤土，供试土壤pH值为6.19、土壤含水率为16.4%、土壤总有机碳与易氧化态碳分别为16.74与6.95 g·kg-1。

试验设计：按生物炭与土壤的质量比设置4个处理，分别为CK：不施生物炭（0.0%）、BC1：0.1%生物炭施用量、BC5：0.5%生物炭施用量和BC20：2.0%生物炭施用量，3次重复，随机区组排列，小区面积0.2 m2。

1.3取样时间与方法

试验开始于2013年10月11日，至2014年6 月7日收获。

土壤取样方法：每小区内随机确定4个点，取5～20 cm土层混合样，保存于自封袋中，带回实验室后置于4 ℃冰柜中保存。

植物取样方法：每小区内随机选取3株作物，分别称取地上部番茄植株（果实与茎、叶）鲜重，并保存于自封袋中。切取作物根部置于自封袋中敞开保存，带回实验室用清水洗净根部，观测根结数，风干称量根系重量。

1.4测定指标与分析方法

1.4.1土壤基本性状测定（薛会英等，2013）

土壤pH测定采用电位法；土壤含水量测定采用烘干法；土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法，土壤易氧化态碳采用高锰酸钾氧化法。

1.4.2植株根结分级（朱震等，2011；肖炎农等，2000）

0级：没有根结；1级：1%～24%的根有根结；2级：25%～49%的根有根结；3级：26%～50%的根有根结；4级；50%～74%的根有根结；5级：75%～100%的根有根结。按下式计算病情指数：

病情指数=Σ(各级植株数×级别)/(调查总株数×最高病情级别)×100。

1.4.3土壤线虫分离与鉴定

取新鲜土壤样30 g，放在100 mL离心管内，加约100 mL蒸馏水并充分小心搅匀，置于离心机内以2000 r·min-1离心5 min，弃去上清液，再加入100 mL蔗糖溶液（800 g·L-1）搅匀，再次以2000 r·min-1离心5 min，将上清液注进预先装有去离子水的500 mL烧杯里，用300目、400目、500目网筛套在一起，将烧杯内的溶液倒入筛网，并用清水冲洗，最后将3个筛网里的线虫分别洗到带平行横纹的塑料培养皿中，置于立体解剖镜（型号OLYMPUS S261）下计数（毛小芳等，2004），光学显微镜（型号：SWIFT）下鉴别线虫种类，依据《中国土壤动物检索图鉴》（尹文英，1998）对土壤线虫食性进行分类。

1.5数据分析

数据统计分析与制图采用SPSS 13.0和Microsoft Excel 2007软件完成，设置显著性差异水平P=0.05。

2　结果与分析

2.1生物炭对土壤基本理化性质与番茄生长的影响

在不同生物炭添加量下，土壤pH值变化范围在6.19～6.53之间，且随着生物炭添加量增加而上升，生物炭的输入提高了土壤的pH值，但处理间未形成显著差异。

土壤含水量随着生物炭添加量增加而逐渐上升，与对照CK处理对比发现，BC5与BC20处理含水量分别增加了12.33%和12.75%，生物炭对土壤含水量增加效果显著，而BC1与对照CK差异不显著（P<0.05）。生物炭在较高添加量下对土壤含水率具有明显提升效果，而在低量条件下，生物炭并不能显著改变土壤含水量。

在生物炭添加条件下，土壤有机碳与易氧化态碳含量均高于对照处理，而且较高量生物炭对土壤有机碳与易氧化态碳含量的提高有更为明显的作用，BC20处理的土壤有机碳与易氧化态碳含量分别达到19.89与9.09 g·kg-1，其土壤含水量也有显著增加（表1）。

表1　不同生物炭添加量处理的土壤基本理化性质Table 1 Soil physical and chemical properties of different biochar addition treatments

由表2可见，CK处理番茄生物量为2749.16 g·plant-1，在较低生物炭添加量下，BC1与BC5处理中，番茄单株生物量显著高于CK处理，分别较CK处理生物量提升14.97%与12.94%，而高量生物炭添加BC20处理的番茄生物量与CK相比，显著降低，降低幅度达到13.75%。

表2　不同生物炭添加量处理单株番茄生物量Table 2 Tomato biomass of different biochar addition treatments g·plant-1

图1　不同生物炭添加量处理对土壤线虫群落变化影响Fig. 1 Effects of different biochar addition on soil nematode community change

2.2生物炭对番茄感染根结线虫病的影响

随着生物炭添加量的增加，番茄根结数逐渐降低（表3）。CK、BC1、BC5和BC20处理分别为26.3、23.6、20.7和20.6 ind.·plant-1，与对照处理相比，单株番茄根结数降幅分别为10.5%、21.5%和21.9%，其中BC5与BC20番茄根结数与CK处理差异显著，显然，生物炭在一定添加量下能有效降低番茄根系根结数量。但是，番茄根系感染根结线虫病病情指数在处理间差异并不显著。

表3　不同生物炭添加量处理番茄根系长度、根结数与病情指数Table 3 Tomato root length, knot number and disease index of different biochar addition treatments

2.3生物炭对土壤线虫丰度及其群落结构的影响

随着生物炭添加量的增加，土壤线虫丰度明显增加。CK、BC1、BC5和BC20 4种处理土壤线虫总数（以干土计）分别为1490.0、1657.8、2100.2 和2300.2 ind.·kg-1（图1），处理间差异显著（P<0.05）。

在不同生物炭添加量条件下，4种处理的土壤线虫群落组成也表现出显著差异。在检测出的34属线虫中，不论有无生物炭添加，针属线虫（Paratylenchus）均表现出一定优势（相对多度大于10%）。另外，在生物炭添加的3个处理中，滑刃属（Aphelenchoides）的相对多度也大于10%（表4）。其中引起植物感染根结线虫病的根结线虫属（Meloidogyne）在土壤中的相对多度随生物炭添加量增加而减少，各处理中检测出根结线虫属相对多度从9.52%减少至0.90%。

表4　不同生物炭添加量处理土壤线虫群落结构Table 4 Soil nematodes communities of different biochar addition treatments

同时，由表4可知，CK、BC1、BC5和BC20 这4种处理的食植性线虫占土壤线虫群落比率分别为47.62%、48.33%、31.71%、27.93%。可见随生物炭添加，土壤中食植性线虫比例显著降低。这与前文番茄根结线虫数减少的趋势相互印证。另外，食真菌类线虫比例在CK、BC1、BC5和BC20这4种处理中分别为14.29%、18.33%、24.39%和27.93%，随生物炭添加量增加而显著增加，食细菌类线虫占有率与食真菌类线虫变化趋势类似，从CK的30.16%增至BC20的37.84%。

3　讨论

3.1较高生物炭添加量对作物生物量的影响

本研究中，当生物炭在0.5%（12 t·hm-2）添加量条件下，生物炭明显促进了番茄作物生长，有研究显示按照10 t·hm-2施用生物炭进入土壤后，番茄的产量增幅超过了50%（Liang等，2006），但是在添加量增加至2.0%（48 t·hm-2）时，番茄生长被抑制。与CK相比，BC20处理番茄总生物量下降了13.75%，较高生物炭添加量处理使得番茄生物量减少。有研究表明大量添加作物秸秆与生物炭这类C/N比值较高的有机物料时，作物生长将会受到一定的抑制（曹志平等，2010；Haefele等，2011），这与本研究结果一致。而配合N肥施用的情况下则对作物生长有明显促进作用（Santalla等，2011）。由此推测高量生物炭对作物生长的抑制作用可能与水稻秸秆生物炭本身C/N比值较高有关，其高达43.8的碳氮比值，使得番茄生长过程中N元素的供给受到抑制，而且这种作用部分抵消了土壤环境改善对番茄生长的促进效果，使得BC20中番茄生物量明显低于对照。

3.2番茄根结线虫病对生物炭输入的响应

随着生物炭添加量的增加，番茄根结数逐渐减少，其中较高量生物炭处理的根结数显著低于对照，但是根据五级法计算得到的番茄病情指数显示，CK、BC1、BC5和BC20 4种处理根结线虫病情指数分别为31.25、33.33、35.42和35.42（表3），处理间未形成显著差异。这可能与番茄根系生长情况有关，生物炭处理番茄根系主根明显长于CK处理（表2），且质量较大，在实验室内观测发现，有生物炭输入的番茄根系侧根数量更多，故在根结数差异较明显的BC5与BC20处理中，根系植株病情指数计算结果未表现出显著差异。

3.3土壤线虫群落结构对生物炭输入的响应

生物炭作为一种有机碳源，其含碳量达到44.21%，将其添加到土壤后，土壤水分、土壤有机碳含量尤其是易氧化态碳含量显著增加（表1），改善了土壤微生物的生存环境，其生长繁殖加快，同时也增加了土壤线虫的食物来源，这可能是生物炭促进土壤线虫丰度显著上升的原因之一。

生物炭对土壤线虫群落结构影响明显，其中食植物类线虫占有率随生物炭添加量增加而下降，食细菌类线虫与食真菌类线虫变化趋势则与之相反，二者占有率均随生物炭添加量增加而上升，这个结果与相关研究类似（Zhang等，2013；李琪等，2007）。这可能是因为生物炭的多孔结构使其对土壤水分、养分具有很好的保蓄作用，为土壤真菌类与细菌类微生物提供了良好的栖息环境（何绪生等，2011），同时也丰富了食真菌类线虫与食细菌类线虫食物来源，使它们数量上升，而且通过非寄生类线虫与植物寄生类线虫的竞争与拮抗作用，降低了食植性线虫的种群数量。

4　结论

（1）生物炭输入对番茄作物生长影响明显，在较低生物炭添加量的BC1与BC5处理中，生物炭显著促进了番茄生物量的积累，但是在BC20处理中，水稻秸秆生物炭对番茄生长产生了一定的抑制作用。

（2）供试番茄作物根系感染线虫的根结数随着生物炭添加量增加而下降，在一定添加量下生物炭对番茄根系根结数量有一定的抑制作用。

（3）生物炭输入显著增加了土壤线虫丰度，同时在较高生物炭添加量下，线虫营养群落组成明显改变，食植性线虫占有率由CK处理的47.62%降至BC20的27.93%，而食真菌类线虫与食细菌类线虫均随生物炭添加量的增加而显著增加，且均在BC20处理中达到最大占有率，分别为37.84%与27.93%。

致谢：感谢中国地质大学（武汉）环境学院的李继红老师提供线虫计数与鉴定所需显微镜等精密仪器。感谢南京农业大学李辉信老师团队对线虫鉴定给予的指导与建议。

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Rsponse of Nematode Community in Tomato Rhizosphere Soil to Biochar Input

CHEN Wei1, 2, HU Xueyu1, 2*, ZHANG Yangyang1, 2, ZHANG Di1, 2, KE Yuejin1, 2, YU Zhong1, 2, XIE Zubin
1. School of Environmental Studies, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 2. Hubei Province key laboratory of wetland evolution and ecological restoration, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 3. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Science, Nanjing 210008, China

Abstract:In recent years, in the interaction between soil nematodes community and its ecological changes and soil quality management were more and more attrctive Root knot nematodes belonged to plant-parasite nematodes, mainly parasitized in crop roots and lead to plant caught root-knot nematode disease, then the production of infected crop decreased seriously. Biochar had a significant effect on soil physical and chemical properties and biological activity as a soil conditioner. It may provide a basic for evaluating the potential of biochar input for agricultural use through which changes of soil nematode community structure and the crop effects. In this paper, we investigated the effect of biochar input on the tomato root knot nematode disease and the change of soil nematode community through micro-area experiment in field, the biochar mixed with soil by mass ratio which were 0.0% (CK), 0.1% (BC1), 0.5% (BC5) and 2.0% (BC20) respectively. The results showed: (1) Tomato biomass changed significantly after biochar input, and tomato biomass in CK was 2 749.16 g·plant-1, BC1 and BC5 two kinds of treatments tomato biomass were significantly 14.97% and 14.97% higher than CK, respectively, while in BC20 treaments, tomato biomass fell by 13.75%; (2) Biochar had a certain inhibitory effect on number of tomato root knot. Tomato root knot number gradually deceased as biochar addition increased; (3) Abundance of soil nematodes community increased significantly as biochar addition increased, nematodes number of 4 treatments were 1 490.0, 1 657.8, 2 100.2 and 2 300.2 ind.·kg-1in dry soil, respectively. And (4) biochar changed nematode community composition obviously, in BC5 and BC20 treatments, plant-parasite nematodes fell by 33.4% and 41.4%, significantly lower than CK, On the contrary, the ratio of fungivore significantly increased, the growth rate reached 70.7% and 95.5% respectively. Under the condition of higher biochar addition, the ratio of plant-parasite nematodes declined in soil nematode community, it should be one of the reasons for the number of tomato root knots declined. Biochar had certain inhibitory effect on tomato crop root knot disease in an appropriate addition.

Key words:biochar; biomass of tomato; root-knot nematode disease; soil nematode community

收稿日期：2015-03-01

作者简介：陈威（1987年生），男，硕士研究生，主要从事土壤污染修复的研究。E-mail: 872516150@qq.com*责任作者：胡学玉，E-mail: huxueyu@cug.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金项目（41071159；41371485）；湖北省公益性科技研究项目（GYS0022）；湖北省自然科学基金重点项目（2014CFA116）

中图分类号：X17, Q145+.2

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2015）06-0998-06

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.06.014