生物炭对设施黄瓜根际土壤菌群结构及植株生长的影响

赵淑文，胡 云，李 明，刘金泉，李 红，葛茂悦

（内蒙古农业大学 呼和浩特 010018）

生物炭是含碳丰富的多孔性物质，具有较强的吸附功能[1]，将生物炭施入土壤中，可以增加土壤有机碳的含量，同时增加土壤有效营养元素的含量，从而达到促进植物生长的目的。土壤微生物可以促进土壤中营养元素的分解、营养传递以及促进或抑制植物生长[2]。土壤微生物与植物根部营养有密切关系，大部分土壤微生物对作物生长发育是有益的，它们对土壤的形成发育、物质循环和肥力演变等均有重大影响，是衡量土壤肥力的重要指标[3]。土壤微生物对环境的变化非常敏感，生物炭的施入会影响到土壤微生物的区系组成，从而影响植物根系对土壤养分的吸收[2]。邹春娇等[4]通过盆栽试验研究了3%和5%生物炭添加量下黄瓜根域微生物数量的变化，研究表明，栽培基质细菌和放线菌数量有所增加，且5%生物炭添加处理高于3%生物炭添加处理。安启坤等[5]研究生物炭对土壤功能微生物的生长发现在培养基中添加生物炭后，生物炭对大部分细菌的生长有明显的促进作用，对胶质芽孢杆菌1.217培养12 h后可明显提高生长3.6倍。李航等[6]研究了生物炭对香蕉苗根际微生物群落的影响，指出不同量的生物炭添加对香蕉苗根际微生物的数量有较明显的提高，同时提高了微生物群落平均颜色变化率。张娜等[7]研究了生物炭施用1 000、5 000和10 000 kg·hm-2的不同量下对夏玉米生长和产量的影响，表明不同生物炭添加量均能提高夏玉米的产量，但以1 000 kg·hm-2的处理效果最好，可提高产量8.8%。对于生物炭对设施黄瓜生长以及根际微生物多样性的研究较少，笔者以内蒙古西部区常见栽培黄瓜为主要研究对象，通过生物炭量的梯度施入试验，研究不同生物炭施用量下土壤细菌丰度的变化，为该地区设施高效生产提供一定的理论依据与技术支持，同时对预测和控制未来土壤生态系统中的碳循环具有一定理论和实践意义。

1 材料和方法

1.1 材料

黄瓜选用本地区常用栽培品种‘改良津春2号’。试验温室土壤为沙壤土，基本理化性质为：有机质42.60 g·kg-1，全氮 1.39 g·kg-1，全磷 1.43 g·kg-1，全钾13.67 g·kg-1。生物炭购于辽宁金和农业开发有限公司，为玉米秸秆400℃缺氧条件燃烧8 h制成，C、N、H质量分数分别为47.17%、0.71%和3.83%，C/N值67.03%，pH值9.04，有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为 925.74、159.15、394.18、783.98 g·kg-1。试验分别于2015年和2016年3—7月在内蒙古农业大学科技园区日光温室中进行。

1.2 方法

采用随机区组处理，3次重复：在黄瓜定植前土壤表层0～30 cm处每hm2分别均匀施入5 t（C5）、10 t（C10）、20 t（C20）、40 t（C40）和60 t（C60）生物炭，以不施生物炭为对照（CK）。日光温室南北跨度为7 m，东西长50 m，黄瓜于4月15日定植，采用小高垄栽培，株行距为35 cm×50 cm。在结果盛期（6月20日）测定黄瓜的茎粗、根系数、根体积、叶面积，在结果后期（7月20日）测定黄瓜干质量和总产量。茎粗用游标卡尺固定测定植株下部茎部直径；黄瓜根系数为统计超过0.5 cm长的植株一级侧根和二级侧根的总和；根系体积是将根系均匀平铺于Epson Perfv700扫描仪进行扫描，用WinRHIZO Pro2009a软件分析测得；叶面积采用叶形纸称重法；黄瓜干质量采用烘干法测定；总产量用千分之一天平测定。每个处理重复3次，每个重复随机选取3株进行数据测定。在结果盛期采用抖落法对每个处理分别取3处样地根际0～20 cm处土壤均匀混合，测定有机碳、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量，每处理重复3次。每处理重复取3次根际土壤均匀混合并过2 mm筛,测定细菌物种群落。对数据进行物种分类学分析。生长数据用Microsoft Excel2003整理，用SPSS19.0软件进行方差分析。所得结果均为9次平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 不同处理对黄瓜结果盛期生长和产量的影响

由表1可见，在黄瓜结果盛期，各处理的茎粗、根系数、根体积、总产量均高于对照，C40处理的叶面积指数高于对照，C20处理、C40处理和C60处理的黄瓜干质量高于对照。与对照相比，茎粗最大的是C40处理，比对照高8.10%，但与对照差异不显著；对于根系数，C10、C20、C40 处理和 C60 处理与对照差异显著，分别比对照高36.01%、36.11%、49.65%和56.75%；对于根体积，各处理均与对照呈极显著差异，C5、C10、C20、C40 和 C60 处理分别比对照高29.31%、68.50%、72.41%、78.37%和88.09%；对于叶面积指数，C40处理比对照高8.61%，与对照差异不显著；对于黄瓜干质量，C20和C40处理分别比对照高11.66%和12.34%，与对照差异不显著；对于黄瓜总产量，C20和C40处理与对照差异显著而其余处理与对照差异不显著，C5、C10、C20、C40和C60处理分别比对照高4.43%、5.31%、12.15%、6.10%和2.65%。

表1 不同处理对黄瓜结果盛期生长和产量的影响

2.2 不同处理对黄瓜根际土壤养分的影响

从表2可见，在黄瓜结果盛期，各处理的碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量、有机碳含量和全氮含量均高于对照，C20和C40的碳氮比值高于对照而其他处理低于对照。对于碱解氮含量，C20处理与对照差异极显著，比对照高39.86%，C10、C40和C60处理与对照差异显著，分别比对照高25.42、30.05%和22.69%；对于速效磷含量，C20、C40和C60处理与对照差异极显著，分别比对照高135.95%、149.81%和66.45%，C10处理与对照差异显著，比对照高28.75%；对于速效钾含量，C10、C20、C40和C60处理与对照差异极显著，分别比对照高27.80%、81.35%、72.07%和60.29%；对于有机碳，C10和C20处理与对照差异极显著，分别比对照高64.85%和82.89%，C5处理与对照差异显著，比对照高 40.78%；对于全氮含量，C5、C10、C20 和C60处理处理与对照差异极显著，分别比对照高75.41%、68.85%、73.77%和57.38%；对于碳氮比值，C5和C60处理与对照差异显著，分别比对照低22.97%和18.88%，其他处理与对照差异不显著。

表2 不同处理对黄瓜结果盛期根际土壤养分影响

2.3 生物炭对黄瓜根际土壤细菌门、纲、科、属分类水平的丰度比较

从表3可以看出，细菌在门分类水平上占优势的为 Proteobacteria（变形菌门）、Acidobacteria（酸杆菌门）、Actinobacteria（放线菌门）、Chloroflexi（绿弯菌门）、Firmicutes（厚壁菌门）、Gemmatimonadetes（芽单胞菌门）、Bacteroidetes（拟杆菌门），与对照相比，优势门所占比例有明显增多的有变形菌门、放线菌门、厚壁菌门和拟杆菌门，而绿弯菌门只有C10处理高于对照，芽单胞菌门只有C20处理高于对照，酸酐菌门中只有C10处理略高于对照。与对照相比，变形菌门所占比例C20处理、C40处理和C60处理显著高于对照，分别比对照高21.18%、22.06%和13.24%；放线菌门各处理均高于对照，C5、C10、C20、C40 和 C60 处理分别比对照高4.55%、5.84%、18.83%、18.83%和30.52%；厚壁菌门各处理均高于对照，C5、C10、C20、C40 和 C60 处理分别比对照高7.14%、10.71%、26.79%、17.86%和53.57%；拟杆菌门各处理均高于对照，C5、C10、C20、C40和 C60处理分别比对照高 10.00%、50.00%、30.00%、15.00%和10.00%。

从表3可以看出，细菌在纲分类水平上占优势的纲一共有17个，其中物种总数超过10 000种的纲为Alphaproteobacteria（变形菌门α-变形菌纲）、Actinobacteria（放线菌门放线菌纲）和Acidobacteria_Gp6（酸杆菌门Gp6酸杆菌纲）。与对照相比，优势纲所占比例有明显增多的有变形菌门γ-变形菌纲、放线菌门放线菌纲、厚壁菌门杆菌纲、拟杆菌门鞘脂杆菌纲。对于C20处理、C40处理只有酸杆菌门Gp6酸杆菌纲、酸杆菌门Gp16酸杆菌纲、酸杆菌门Gp4酸杆菌纲、绿弯菌门厌氧绳菌纲、绿弯菌门Gitt-GS-136纲低于对照，其他纲均高于对照。

从表3可以看出，细菌在科分类水平上占优势的科一共有12个，酸杆菌门Gp6科的物种总数最多，与对照相比，所有处理均高于对照的科有变形菌门中华杆菌科、放线菌门小单孢菌科和厚壁菌门芽孢杆菌1科。对于酸杆菌门Gp6科和酸杆菌门Gp4科只有C10处理高于对照而其他处理均低于对照。变形菌门生丝微菌科的C20处理、C40处理、C60处理均高于对照，分别比对照高20.41%、40.82%和38.78%。变形菌门红螺菌科的C20处理、C40处理、C60处理均高于对照，分别比对照高31.03%、31.03%和20.69%。变形菌门鞘脂单胞菌科的C20处理、C40处理、C60处理均高于对照，分别比对照高9.52%、19.05%和28.57%。变形菌门中华杆菌科的各处理均高于对照，C5处理、C10处理、C20处理、C40处理和C60处理分别比对照高24.14%、13.79%和37.93%、48.28%和31.03%。变形菌门鱼立克次体科的C20处理、C40处理、C60处理均高于对照，分别比对照高25.00%、12.50%和6.25%。放线菌门小单孢菌科的各处理均高于对

照，C5处理、C10处理、C20处理、C40处理和C60处理分别比对照高7.69%、7.69%和46.15%、69.23%和46.15%。厚壁菌门芽孢杆菌1科的各处理均高于对照，C5处理、C10处理、C20处理、C40处理和C60处理分别比对照高25.00%、8.33%和41.67%、16.67%和66.67%。

表3 细菌在门、纲、科、属分类水平的丰度比较

从表3可以看出，细菌在属分类水平上的优势属一共有9个，其中包含四个未分类的属，已经命名的属为酸杆菌门Gp6属、酸杆菌门Gp16属、酸杆菌门Gp4属、变形菌门生丝微菌属和变形菌门紫色非硫细菌属。与对照相比，酸杆菌门Gp6属只有C10处理高于4.90%，其他处理均低于对照；酸酐菌门Gp16属各处理均低于对照；酸杆菌门Gp4属只有C10处理高于4.00%，其他处理均低于对照；变形菌门生丝微菌属的C20处理、C40处理、C60处理均高于对照，分别比对照高33.33%、58.33%和58.33%；变形菌门紫色非硫细菌属的C20处理、C40处理、C60处理均高于对照，分别比对照高20.00%、33.33%和6.67%。

3 讨论与结论

武春成等[8]研究表明,连作土壤施用适量的生物炭可以显著降低土壤容重和电导率,提高田间持水量,pH和速效钾含量,降低土壤真菌和尖孢镰刀菌数量,提高细菌和细菌/真菌比值,从而改善了黄瓜根区土壤微生态环境,促进了黄瓜生长和产量的提高。李明等[9]研究表明：生物炭添加可以通过改善土壤性质，间接影响微生物群落结构，提高MBC和总量PLFA表征的微生物生物量水平。刘思宇等[3]认为,施用益生菌后,蔬菜苗床土壤微生物数量明显增多,并随着益生菌施用浓度的增加,不同蔬菜苗床土壤微生物呈现出不同的变化趋势,茄子、黄瓜、甘蓝施用浓度分别为0.3%、0.5%和0.7%。安启坤等[5]研究结果表明,生物炭能够改变土壤功能微生物的生长状况,但是对于不同的微生物,生物炭的作用效果不同，对于部分细菌存在明显生长促进作用，其中对芽单胞菌门细菌的促进和吸附作用较为明显；而对于另外一部分细菌,生物炭对其生长基本没有影响或有较小的抑制作用。陈敏等[10]研究表明,生物炭的施用促进了土壤中微生物数量的增加，且增施生物炭后增加了烤后烟叶的总产量。谷思玉等[11]研究表明,土壤中施入生物炭对大豆根际土壤养分含量及微生物数量产生显著影响，在300～1 500 kg·hm-2范围内，土壤中细菌、真菌和放线菌的数量分别提高1.95、1.65和1.69倍。

笔者通过对设施黄瓜添加不同量生物炭对黄瓜生长、土壤理化性质以及根域微生物的影响与前人研究结果一致，生物炭的添加均能促进植株生长，增加根际土壤微生物的数量与多样性，在土壤中施入生物炭后，在黄瓜结果盛期，各处理的茎粗、根系数、根体积、总产量均有不同程度的提高，生物炭施用量为20 t·hm-2可提高黄瓜的根系数36.11%、根体积 72.41%、黄瓜干质量 11.66%、总产量12.15%，生物炭施用量为20 t·hm-2可明显提高土壤中的碱解氮含量39.86%、速效磷含量135.95%、速效钾含量 81.35%、有机碳 82.89%、全氮含量73.77%。生物炭施用量为 20、40、60 t·hm-2等较高浓度时对于根际土壤细菌的丰度影响较为明显，可明显提高变形菌门生丝微菌科、变形菌门红螺菌科、变形菌门鞘脂单胞菌科、变形菌门中华杆菌科、变形菌门鱼立克次体科、放线菌门小单孢菌科、厚壁菌门芽孢杆菌1科比例，提高变形菌门生丝微菌属、变形菌门紫色非硫细菌属的比例。土壤中还有很多有益真菌，活性炭对真菌有无影响，还需在今后的试验中进一步探明。

[1]牛政洋，闫伸，郭青青，等．生物炭对两种典型植烟土壤养分、碳库及烤烟产质量的影响[J]．土壤通报，2017，48(1)：155-161.

[2]吴林坤，林向民，林文雄．根系分泌物介导下植物-土壤-微生物互作关系研究进展与展望[J]．植物生态学报，2014，38(3)：298-310．

[3]刘思宇，刘剑辉，李岩，等．益生菌对蔬菜根际土壤微生物的影响[J]．中国瓜菜，2014，27(5)：35-37．

[4]邹春娇，张勇勇，张一鸣，等．生物炭对设施连作黄瓜根域基质酶活性和微生物的调节[J]．应用生态学报，2015，26(6)：1772-1778．

[5]安启坤，唐文竹．秸秆生物炭对土壤功能微生物生长及吸附的影响[J]．沈阳农业大学学报，2017，48(4)：411-417．

[6]李航，董涛，王明元．生物炭对香蕉苗根际土壤微生物群落与代谢活性的影响[J]．微生物学杂志，2016，36(1)：42-48．

[7]张娜，李佳，刘学欢，等．生物炭对夏玉米生长和产量的影响[J].农业环境科学学报，2014，33(8)：1569-1574．

[8]武春成，王彩云，曹霞，等．不同用量生物炭对连作土壤改良及黄瓜生长的影响[J]．北方园艺，2017，(19)：150-154．

[9]李明，李忠佩，刘明，等．不同秸秆生物炭对红壤性水稻土养分及微生物群落结构的影响[J]．中国农业科学，2015，48(7)：1361-1369．

[10]陈敏，杜相革．生物炭对土壤特性及烟草产量和品质的影响[J].中国土壤与肥料，2015(1)：80-83．

[11]谷思玉，李欣洁，魏丹，等．生物炭对大豆根际土壤养分含量及微生物数量的影响[J]．大豆科学，2014，33(3)：393-397．