连作土壤连续施入生物炭对黄瓜品质及根区微生态的影响

2022-06-09武春成周国彦曹霞王彩云窦维卉谢洋

江苏农业科学 2022年9期

武春成周国彦曹霞王彩云窦维卉谢洋

摘要：为了探讨连续施入生物炭对连作土壤黄瓜品质及根区微生态的影响，以黄瓜连作14、22茬土壤为研究对象，设置不施用、单次施用、连续3次施用生物炭处理。结果表明，与单次施入生物炭相比，连续施入生物炭的连作14、22茬土壤的黄瓜单株产量分别增加24.06%、19.68%;与同一茬次相比，連续施入可以显著提高黄瓜果实的蛋白质、维生素C和可溶性糖含量，降低硝酸盐含量;土壤pH值、阳离子交换量、有机质含量、速效钾含量、细菌数量以及细菌/真菌的值得到显著提高，同时可以显著降低真菌和尖孢镰刀菌数量，并提高土壤微生物代谢活性和多样性。综上，生物炭连续施入较单次施入对连作土壤微生态环境的改善作用更显著，由此可以提高连作黄瓜的单株产量，改善果实品质，更有利于缓解温室连作障碍。

关键词：生物炭;黄瓜品质;连作土壤;理化性质;微生物多样性

中图分类号：S642.206 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）09-0143-05

我国设施蔬菜产业无论是面积还是产量均居世界首位[1]，在农业生产中占有很重要的地位。由于设施蔬菜产业的高投入、高产出特性，多年来农民为追求高利益，过量施入化肥，且连作栽培普遍，造成严重的连作障碍现象，尤其是在一些发展设施蔬菜较早的产区，土壤已经严重退化，蔬菜产量和品质受到极大的影响。由此连作障碍已成为制约我国设施蔬菜产业可持续发展的重大问题[2]，必须采取有效的连作土壤修复措施。吕丰娟等认为，作物连作障碍的发生是作物与土壤相互影响和作用的综合表现，土壤理化性状、土壤微生物以及作物根系自毒物质等主要土壤因子失衡均可能引起连作障碍[3]。再加上设施蔬菜生产中不合理的生产习惯，如菜农为提高产量，习惯过量施肥，其中氮肥投入量是蔬菜吸收量的3～5倍，加之设施蔬菜商品化生产连作现象普遍，致使设施土壤中氮素大量积累，导致土壤表层次生盐渍化和酸化，不仅严重降低了土壤的氮素转化能力和氮肥利用率，影响植物根系对氮素的吸收，同时也制约了磷、钾、钙、镁等其他营养元素的有效性，引起蔬菜生育障碍，进而限制设施蔬菜产业可持续发展[4]。生物炭是利用农业废弃物如秸秆、污泥、动物粪便、菌渣等有机物料高温碳化的一种富碳产品，其结构稳定、多孔，比表面积大，吸附能力强，具有降低土壤容重、减缓土壤酸化、减少氮素损失等特性，同时其表面可定殖微生物，为土壤微生物提供栖息场所[5]。越来越多的研究结果表明，生物炭可以固定碳素、吸附重金属、改善土壤理化性状、减少温室气体排放、提高肥料利用率、改善修复连作土壤、提高作物产量等[6-7]。但目前的研究多局限于生物炭的单次施入，对于生物炭连续施入及其持续效应研究较少。因此，本试验通过分析连作土壤单次施入和连续3次施入生物炭对日光温室黄瓜生长发育及土壤微生态环境的影响，以期为生物炭应用在设施蔬菜连作土壤修复方面提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试品种

供试黄瓜品种为津优35，购于天津科润黄瓜研究所。

1.1.2 供试土壤

供试土壤取自河北科技师范学院2个连续栽培14、22茬黄瓜的日光温室土壤，分别用C 14和C 22表示，基本理化性质见表1。

1.1.3 供试生物炭

供试生物炭为玉米秸秆炭，由辽宁省生物炭工程技术中心提供，购自沈阳隆泰生物工程有限公司，其碳化温度为500 ℃，平均孔径16.27 nm，粒径1.5～2.0 mm，C、N、P、K 质量分数分别为70.38%、1.53%、0.78%、1.68%，pH值为 8.97。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

于2019 年3—9月在河北科技师范学院园艺试验站日光温室内进行盆栽试验。随机区组设计，共设6个处理（表2），3个重复，每个重复10盆。生物炭按5%质量分数加入土壤，同时每盆添加NPK复合肥10 g，混匀后装盆，折合干土10 kg/盆。于2019年4月10日黄瓜幼苗2叶1心时定植1株/盆，进行常规管理，于7月10日拉秧。

1.2.2 黄瓜单株产量与品质测定方法

各处理分别单株计产，拉秧后统计单株产量。在黄瓜盛瓜期采摘结瓜部位相对一致、同等大小的果实，采用考马斯亮蓝法测定蛋白质含量[8]，采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量[9]，采用2，6-二氯酚靛酚滴定法测定维生素C含量[10]，采用数字折光仪测定可溶性固形物含量，采用紫外分光光度法测定硝酸盐含量[11]。

1.2.3 土壤理化性质测定

在黄瓜拉秧后每个区组随机选取3盆，收集黄瓜根区土壤，混合均匀，分为3份，一份保存于4 ℃冰箱中，1周内测定土壤微生物数量;一份放在-80 ℃超低温冰箱中保存，用于测定土壤微生物多样性;剩余部分阴干后用于测定土壤理化性状及土壤酶活性。采用烘干法测定土壤含水量，采用环刀取土-烘干法测定土壤容重，采用上海雷磁多参数水质分析仪DZS-708测定土壤pH值和EC值（土水质量比为1 ∶5），采用重铬酸钾容量-稀释热法测定土壤有机质含量，采用碱解扩散法测定碱解氮含量，采用钼蓝比色法测定速效磷含量，采用火焰光度法测定速效钾含量，采用氯化钡-硫酸强迫交换法测定阳离子交换量（CEC）[12]。

1.2.4 土壤酶活性测定

采用高锰酸钾滴定法测定土壤过氧化氢酶活性，采用磷酸苯二钠比色法测定中性磷酸酶活性，采用邻苯三酚比色法测定多酚氧化酶活性，采用苯酚-次氯酸钠比色法测定脲酶活性，采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性[13]。

1.2.5 土壤微生物数量及多样性测定

采用稀释平板法测定细菌、真菌、尖孢镰刀菌数量[14]，采用Biolog-ECO方法分析土壤微生物群落多样性[15]。7734BF27-AA32-4464-B9A6-40A90298E47A

1.2.6 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010软件对试验数据进行整理，用SPSS软件对试验数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 连续施入生物炭对黄瓜单株产量与品质的影响

由图1可知，连作22茬与连作14茬黃瓜相比减产70.33%;对于连作14茬土壤，C 14B 3单株产量较C 14B 0、C 14B 1分别提高24.06%、6.30%;对于连作22茬土壤，C 22B 3单株产量较C 22B 0、C 22B 1分别显著提高61.69%、19.68%。综上，土壤连作茬次越多，单株黄瓜减产越明显，连续施入生物炭可减少连作对黄瓜单株产量的影响。

由表3可知，生物炭施入均能显著提高黄瓜果实中的蛋白质含量、维生素C含量和可溶性糖含量，显著降低黄瓜果实中的硝酸盐含量，连续施入较单次施入效果更加明显。其中，C 14B 3蛋白质、维生素C、可溶性糖含量较C 14B 1分别提高15.79%、29.85%、17.43%，而硝酸盐含量显著降低14.48%;C 22B 3的蛋白质、维生素C和可溶性糖含量较C 22B 1分别提高6.99%、21.45%、19.57%，而硝酸盐含量显著降低10.55%。

2.2 连续施入生物炭对连作土壤理化性质的影响

由表4可知，施入生物炭可以相对改善土壤的理化性质，C 14B 3较C 14B 1可显著提高pH值、CEC值、有机质含量和速效钾含量，其中pH值提高0.60，有机质含量提高19.63%;C 22B 3较C 22B 1可显著提高pH值、CEC值、有机质含量和速效钾含量，其中pH值提高0.38，有机质含量提高13.13%，有效减缓了连作土壤的酸化。

2.3 连续施入生物炭对连作土壤酶活性的影响

由表5可知，C 14B 3/C 22B 3较C 14B 1/C 22B 1、C 14B 0/C 22B 0 多酚氧化酶活性分别降低18.89%/6.02%、45.11%/39.06%;C 14B 3/C 22B 3较C 14B 0/C 22B 0脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶的活性分别提高77.50%/69.44%、176.19%/255.56%、575.00%/0.00。综上，施入生物炭均能显著降低多酚氧化酶活性，提高脲酶和过氧化氢酶活性，但对中性磷酸酶活性影响不大，连续施入和单次施入之间无显著差异。

2.4 连续施入生物炭对连作土壤微生物数量的影响

由图2可知，生物炭施入对土壤微生物数量有显著影响，C 14B 3/C 22B 3较C 14B 1/C 22B 1细菌数量、细菌/真菌分别增加123.78%/116.84%、42.86%/41.72%，真菌、尖孢镰刀菌数量分别减少29.00%/31.93%、28.17%/28.94%。生物炭的施入改善了根区土壤的种群结构，连续施入较单次施入效果更加显著。

2.5 连续施入生物炭对连作土壤微生物多样性的影响

AWCD值代表土壤微生物的代谢活性，由图3可知，在整个培养过程中，各处理的AWCD值由高到低为C 14B 3>C 14B 1>C 14B 0、C 22B 3>C 22B 1>C 22B 0，生物炭连续施入较单次施入对提高土壤微生物群落代谢活性的影响更大。

根据不同处理碳源的利用情况，取分型较好且相对稳定的144 h（图3）的AWCD值进行微生物多样性分析，结果见表6。可见，C 14B 3/C 22B 3较C 14B 0/C 22B 0提高了香农指数、优势度指数、均匀度指数和丰富度指数，其中香农指数、优势度指数和均匀度指数差异达显著水平，分别提高1.51%/1.22%、0.42%/0.31%、27.59%/28.65%。C 14B 3的均匀度指数显著高于C 14B 1，C 22B 3的香农指数和优势度指数显著高于C 22B 1。综上，连续施入生物炭

对连作土壤微生物群落多样性提高水平要高于单次施入。

3 讨论与结论

王彩云等认为，施入生物炭能够促进黄瓜生长，提高黄瓜单株产量[16]。本研究结果表明，连作土壤施入生物炭可显著提高黄瓜的单株产量及果实蛋白质、维生素C、可溶性糖含量，显著降低果实中的硝酸盐含量，且连续施入对黄瓜单株产量及品质的提高影响更大;其中C 14B 3单株产量较C 14B 0、C 14B 1分别提高24.06%、6.30%，C 22B 3单株产量较C 22B 0、C 22B 1分别显著提高61.69%、19.68%。

随着作物连作年限的增加，设施土壤质量逐渐下降，普遍表现为土壤容重增大、土壤通气孔隙比例降低、有机质含量下降、土壤pH值降低，EC值升高等现象[17-18]。黄剑等认为，施入生物炭能够提高土壤中团聚体的含量，使土壤疏松，通气透水性良好，土壤含水量增加[19]。本研究也发现了相似的规律，尤其是连续施入生物炭较单次施入在提高连作土壤含水量、CEC值、pH值、有机质含量、速效磷含量、速效钾含量，降低容重、EC值，改善土壤理化性质上的作用更加明显。

土壤酶活性对土壤微生态环境的物质转化、能量流动及土壤肥力的形成起着重要作用，可以作为评价土壤肥力的重要指标[21]。本研究发现，施入生物炭均能显著降低多酚氧化酶活性，提高脲酶和过氧化氢酶的活性，但对中性磷酸酶活性影响不大，连续施入和单次施入之间无显著差异。可能是由于连作年限过长，土壤酶活性受到严重破坏，生物炭的施入量与频次可能会影响连作土壤的修复改善情况。

连作作物根系分泌物和植株残茬腐解物给病原菌提供了丰富的营养，使病原菌数量增加，病原拮抗菌和有益菌数量减少，增加了设施蔬菜土传病害发生的程度[22]。本研究也发现，长期连作改变了土壤微生物的种群结构，促使由“细菌型”向“真菌型” 转变;连续施入生物炭可以显著改善微生物的菌群数量，增加有益菌群，减少有害菌群。如C 22B 3较C 22B 1细菌数量、细菌/真菌的值分别增加1.17、1.72倍，真菌、尖孢镰刀菌数量分别减少68%、71%。通过Biolog-ECO方法分析可知，连续施入较单次施入生物炭可以提高土壤微生物的AWCD值，增加微生物的代谢活性，同时提高微生物多样性指数，改善土壤微生物生态环境。7734BF27-AA32-4464-B9A6-40A90298E47A

综上可知，相对于单次生物炭施入，连作土壤连续施入对温室黄瓜产量与品质提高效果更加明显，可能是由于生物炭连续施入可以改善土壤的理化性状，提高土壤相关酶活性、细菌数量及细菌/真菌以及土壤微生物群落多样性，降低真菌以及尖孢镰刀菌数量等方面作用更加明显，从而有效改善黄瓜根区的土壤微生态环境，减弱了连作对黄瓜生长发育的抑制作用。

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