生物炭对植物土传病害的影响与作用机制研究进展

王思宇，刘赛男，黄玉威，兰 宇，鄂 洋，孟 军

（沈阳农业大学农学院/水稻研究所/国家生物炭研究院/农业农村部生物炭与土壤改良重点实验室，沈阳 110161）

近年来，由植物病原微生物引起的农作物病害日趋严重,对农作物产量和品质造成严重影响，已成为限制我国农业发展的重要瓶颈。采用以预防为主的综合防治措施是实现可持续发展农业的迫切要求。但在实际农业生产中，病害防治依然存在见病施药、重治轻防的问题[1]。

生物炭是农林有机废弃物(生物质)在限氧条件下热解形成的一种性质稳定的富碳材料。研究表明，生物炭在农业生产中具有长期固碳、提高作物生产力、提高土壤肥力等作用，在改良土壤方面具有很大的前景[2]。与此同时,生物炭作为新兴的集肥料、吸附剂和改良剂于一体的材料在防控植物病害方面的报道也日渐增多，有研究表明生物炭具有改善土壤功能和刺激植物防御系统启动的能力[3]。生物炭因其良好的理化性质(发达的孔隙结构、较强的吸附能力及丰富的官能团)而对改善土壤环境具有较大潜力，生物质碳化还田有望成为减轻或抑制植物病害的潜在长效途径[4]。

1 生物炭消减植物病害的效果

目前，已在多种植物病害的防治研究中发现生物炭应用于土壤或栽培基质后对植物病害的抑制作用，包括番茄枯萎病[5]、棉花枯萎病[6]、辣椒和番茄灰霉病及白粉病[7]、芦笋根腐病[8-9]、玉米茎腐病[10]、大豆根腐病[11]、烟草青枯病[12]等，涉及到的病原微生物主要有尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)、大丽轮枝菌(Verticillium dahliae Kleb)、辣椒疫霉菌(Phytophthora capsicaL.)、增殖镰刀菌(Fusarium proliferatum)、禾谷镰孢菌(Fusarium graminearum)、茄科劳尔氏菌(Ralstonia solanacearum)等。

在草本作物的研究中发现，施用生物炭可以减少芦笋栽培土壤中镰刀菌和根腐病的危害[8]，抑制病害的机制可能与增加丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhiza)的定殖和促进植物矿质营养的吸收有关。在土壤中施用生物炭后，随着丛枝菌根真菌定殖率的增加，由镰刀菌引起的根损伤明显降低。施用椰炭改良剂能够抑制镰刀菌和根腐病，并且提高丛枝菌根真菌在芦笋幼苗根系的定殖率(从32%增加到55%)。此外，土壤中施用椰炭后，pH值从5.4升到6.3，土壤的碱化作用可能抑制了镰刀菌致病的严重性，促进了根系健康和有益微生物的生长。以城市生活垃圾为原料制备的生物炭施入土壤中能够缓解青枯假单胞菌(Pseudomonas solanacearum)引起的番茄青枯病[6]。温室植株残体制备的生物炭在一定程度上抑制了立枯丝核菌(Rhizoctonia solani)引起的萝卜猝倒病[7]。桉树木和温室有机废弃物制备的生物炭均能促进黄瓜生长，并抑制立枯丝核菌(Rhizoctonia solani)引起的黄瓜猝倒病[10]。

在木本作物研究中发现，疫霉菌病原体可导致细根病、根颈或树冠腐烂，以及树干或茎部损伤，通常被称为“出血性溃疡”。生理上,疫霉引起的茎腐病会侵染韧皮部,通过环剥导致植物死亡，也会堵塞木质部，导致植物水分关系的改变[14]。在盆栽基质中施入5%的生物炭，可以减少2种常见园林树种(红栎和红槭)幼苗中由肉桂疫霉(P.cactorum)和红曲霉(Monascus purpureus Went)引起的病害，减少2种病变的水平扩展,还可以显著减少红曲霉的病变的垂直扩展[15]。生物炭对常见作物病害的影响效果见表1。

表1 生物炭对常见作物病害的影响效果Table 1 Effects of biochar on common crop diseases

2 生物炭消减植物病害的机制

植物病害的发生是由多方面因素决定的，包括病原菌的数量与活性、病原菌与宿主植物的相互识别、病原菌在宿主植物上的定殖与生长等过程，以及植物自身的防御能力。大量实验证明生物炭可以提高植株的生长性能和抑制土传病害的发生，但很少有研究涉及生物炭对植物土传病害的防控机制。总的来说，应用生物炭抑制植物土传病害和促进植物生长的可能机制是增强植物养分供应，提高寄主系统抗性，改变土壤微生物群落和功能，减少对抗性和植物毒性化合物，建立健康的根际-土壤防御系统[22]。

2.1 生物炭抑制病原微生物

2.1.1 消减病原微生物的数量研究表明，生物炭可减少土壤中病原微生物的数量和比例，从而降低其与植

物根系接触的机率。番茄枯萎病是尖孢镰刀菌侵染导致植株木质部导管堵塞，干扰水分运输，进而导致叶片萎蔫、变黄、植株生长迟缓甚至死亡的微生物病害,施用生物炭能够减少土壤中尖孢镰刀菌的数量，同时提高番茄植株的生长和生理指标,进而抑制番茄枯萎病的发生[5]。

在连作棉花的根际土壤中施用棉秆生物炭,能够增加土壤的养分含量，降低土壤中真菌的多样性，并且减少黄萎病致病病原菌黑白轮枝菌和大丽轮枝菌的数量。另外，在病原菌的固态培养基中加入棉秆生物炭能够降低大丽轮枝菌微菌核的萌发速度。同时，棉秆生物炭对接种了病原菌的棉花幼苗胚根、胚轴的生长有一定促进作用，并且表现出了对大丽轮枝菌毒素的减毒作用。因为单纯生物炭表面吸附作用，无法实现减毒效果，因此推测生物炭的减毒作用是通过对大丽轮枝菌毒素合成的抑制实现的[6]。

施用生物炭对中国东北黑土的真菌群落结构组成有显著影响[11]。其中，镰刀菌的相对丰度在前3个采样期随生物炭添加量的增加而降低。生物炭还降低了几种潜在植物病原菌的相对丰度，如乌司他拉戈菌、尖孢镰刀菌和木贼镰刀菌，后2个菌种都是引起大豆根腐病的病原菌，说明生物炭对控制植物病原菌的数量是有显著效果的[11]。施用生物炭可显著缓解辣椒和番茄植株所感染的白粉病和灰霉病[7]。王彩云等[16]认为连年施入生物炭对不同连作年限作物的根际土壤微生物的丰度具有显著的调节作用，并导致病原微生物的丰度降低。

由于生物炭的加入，拟杆菌门(Bacteroides,富含解磷菌属)的相对丰度从12%增加到30%[23]。生物炭对黄杆菌属(Flavobacterium)的诱导作用最强，其相对丰度从对4.2%增加到19.6%，生物炭诱导的微生物还包括甲壳噬菌体(Chitinophaga)和细胞弧菌(Cellvibrio)(甲壳素和纤维素降解菌)，以及氢噬菌体(Hydrogenophaga)和十二氯单胞菌(Dechloromonas)(芳香化合物降解菌)。经过生物炭处理后，潜在有益的芽孢杆菌属、假单胞菌属、伯克霍尔德菌属和短小芽孢杆菌的含量增加，同时显著抑制了尖孢镰刀菌、糖精镰刀菌(Fusarium saccharin)、白色念珠菌(Candida albicans)和吸附真菌孢子等植物病原微生物的生长[2]。这说明生物炭促进有益微生物的生长，并可能通过争夺微生物生长所需的空间和资源，进而影响了病原微生物生长。

2.1.2 破坏病原微生物结构生物炭在抑制尖孢镰刀菌和螺旋镰刀菌(Fusarium spiralis)菌丝生长的同时，也能够影响其代谢过程，并显著影响其代谢产物，进而抑制菌丝生长和减弱毒力。生物炭不仅对尖孢镰刀菌和螺旋镰刀菌的代谢产物有显著的影响，还能够有效地降低病原真菌对目标植物的化感作用。因此，生物炭在抑制镰刀菌厚垣孢子侵染和减轻其植物生理胁迫方面具有巨大潜力[3，29]。

生物炭通过改变土壤微生态环境，促进有益微生物生长，增加土壤微生物生物量、酶活性，影响土壤微生物的丰度和群落结构，从而改善养分的流动性和供应，改善土壤结构和土壤性质，这些变化可能促进有益微生物代谢产生能够破坏病原微生物细胞结构的代谢产物，进而抑制病原微生物生长，并且降低其活性[27]。黄杆菌属成员广泛分布于自然界，在矿化各种类型的有机物质(碳水化合物、氨基酸、蛋白质和多糖)中发挥作用，它们通常拥有大量的胞外酶，如蛋白酶和几丁质酶，能够降解细菌和真菌细胞壁成分，并经常产生次生代谢物，包括多种抗生素[24]。

施用生物炭改良土壤后，甜椒植株的根际微生物群落结构发生了明显变化，其特征是诱导产生了大量的几丁质和芳香族化合物的降解菌，进而破坏了病原微生物细胞壁[23]，这些生物降解聚合物的细菌将根际节肢动物的外壳和真菌和细胞壁中的几丁质矿化，几丁质降解的低聚物产物是众所周知的ISR诱导子，这可以解释为生物炭的诱导抗性[31]。生物炭和噬菌体的配施也显著地改善了土壤微生物群落的结构和多样性，抑制了病原微生物的生长[28]。

另外，添加生物炭会对土壤中的病原微生物产生负面影响。在生物炭影响植物青枯病的研究中表明，植物的根系分泌物能够诱导特定病原微生物侵染植物，同时也能够诱导有益微生物之间的相互作用并对病原微生物引起的土传病害形成重要影响[29]。施用生物炭可以通过吸附根系分泌物直接或间接抑制病原菌的生长，降低青枯病的发生率。

2.1.3 吸附病原酶和有毒代谢物病原微生物通过穿透和降解植物细胞组织来侵染植物宿主，同时利用植物细胞释放出的单糖和寡糖进行生长和繁殖。为了破坏细胞壁，病原微生物产生一系列毒力因子，包括细胞壁降解酶：果胶酶、纤维素酶、木聚糖酶、磷酸酶和角质酶等[32]；病原微生物还能够产生并释放各种有毒的代谢产物，包括真菌毒素、抗生素和色素等。果胶分解酶和纤维素分解酶是病原微生物分泌的两大细胞壁降解酶，它们负责对宿主细胞的渗透和感染[34]。病原微生物在感染宿主的早期会大量产生果胶酶，特别是聚半乳糖醛酸酶(唯一能自己浸渍植物组织和杀死植物细胞的细胞壁降解酶)[33-34]。植物通过产生抑制细胞壁降解酶的蛋白质来保护细胞结构以避免受到破坏。任何干扰病原微生物的毒力因子(细胞壁降解酶和毒性代谢产物)与宿主细胞壁相互作用的过程(包括吸附、失活、转化等过程)都会影响病害的进展。

众所周知，生物炭是包括酶在内的大小有机化合物的强吸附剂，通过吸附信号分子并降低酶活性[39]，通过吸附病原菌产生的细胞壁降解酶及有毒代谢产物，有助于植物根系抵御病原菌侵染，研究表明，有毒代谢物在12h内对番茄幼苗有严重毒性，使其在24h后出现更严重的萎蔫和脱水，生物炭吸附后的酶被固定化，固定化后的酶基本失活。在用生物炭处理的酶溶液中，番茄幼苗的干重显著增加。生物炭处理显著缓解了由毒性代谢物引起的病症[38]。生物炭和噬菌体的结合不仅能够阻碍抗生素耐药病原菌在土壤中的垂直运输，同时还可以靶向灭活抗生素耐药病原微生物[28]。但生物炭通过吸附致病酶和有毒代谢物去抑制病害的作用可能随着时间的推移而减弱。致病菌对根分泌物处理的生物炭产生最强的趋化反应，这导致致病菌在生物炭上的吸附增加。生物炭通过吸附青枯病病原菌和减少病原菌的群集运动和根际定殖来遏制其侵染植物宿主，这些结果表明施用生物炭可能是降低青枯病发病率的一种潜在途径[30]。

2.2 生物炭诱导增强植物系统防御能力

植物的诱导抗病性是一种由特定刺激引起的增强防御能力的生理状态，通过这种生理状态，植物的固有防御能力可以增强并抵御外界不良环境的挑战。诱导抗性根据诱导子的性质和调控途径可分为系统获得抗性和诱导系统抗性[52]。生物(有毒、无毒和非致病微生物)和化学(茉莉酸甲酯、几丁质、壳聚糖、海带蛋白和海藻酸钠)激发子都能触发系统获得抗性[53-54]。土壤微生物的种类，如芽孢杆菌、假单胞菌和木霉，在许多植物系统(番茄、辣椒和豆类植物等)[55-56]中都能介导系统获得抗性。

生物炭诱导植物系统抗性效应的一个潜在假设是，生物炭形成调节植物根际微生物群落，吸附有益微生物或干扰病原微生物的增殖，从而刺激植物生长并诱导植物抗性[23]。生物炭的施用能够显著地改变植物根际微生物群落结构和功能，根际微生物群落与促进植物生长和抑制病原微生物有密切的关系：增加养分的利用和吸收，产生植物生长刺激激素，与病原菌争夺资源，产生抑制病原菌的化合物，甚至诱导许多植物品种对病害的抗性[57-58]。生物炭能够促进多种植物根际有益微生物的生长和活性，部分根际有益微生物定殖于植物根系，并与之形成互利共生的关系，可以促进植物根系对土壤养分的吸收，并形成种群优势，通过抢占植物根系微生物侵染位点来减少病原微生物对植物根系的侵染。研究表明，施用生物炭能够减少芦笋复种土壤中镰刀菌和根腐病的危害，抑制病害的机制可能与增加丛枝菌根真菌的定殖和植物根系对矿质营养的吸收有关[8]。另外，施用生物炭同样能够诱导植物抑制由叶部真菌病原微生物引起的疾病。鉴于生物炭在空间上远离叶部病原微生物的侵袭部位，其诱导作用显然与激活植物全系统防御有关。

病原真菌菌丝体堵塞植株导管并且分泌毒性物质，会降低植物的光合作用效率、气孔导度、蒸腾速率和其他生理活动。生物炭能够提高土壤的水分含量，间接促进植物系统的水分运动，促进植物的光合作用、二氧化碳固定和蒸腾作用的速率，进而增强植物系统防御能力。施用生物炭能够提高番茄植株的光合效率、气孔导度、蒸腾速率和电子传递速率，甚至弥补了病原菌对番茄植株生长和生理条件的一些不利影响[5]，这可能是施用生物炭促进植物系统的水分运动，减少病原微生物的定殖；也可能是由于诱导了植物某些保护性激素含量的增加。施用生物炭后，拟南芥基因中调节生长激素和光合作用的片段有明显变化[57-58]。

施用生物炭可使番茄灰霉病的严重度降低50%，添加生物炭诱导番茄早期和晚期防御反应的启动，特别是在Pti5(ET相关)和Pi2(JA相关)基因中，这两个基因在抗灰霉病中起着关键作用[2]。另有研究表明，生物炭和氮素还原联合作用显著改变了玉米根系分泌物中某些氨基酸(异亮氨酸增加1.75倍)和有机酸(丙二酸增加2.16倍，乙酸增加2.15倍)的水平[25]，说明玉米根系在生物炭和氮素还原的联合作用下能够重塑根际代谢组分，其机制可能与土壤环境因子、根系生长和运输相关基因表达的协同效应有关。生物炭控制番茄青枯病的能力也可能与根际有机酸和氨基酸组成的改变有关。生物炭能够改善大豆根系形态特征，促进养分吸收，促进地上植株的生长，并改善氮磷养分在植株体内的转运和再分配，提高向籽粒中的养分转运量和养分收获指数，从而促进了产量的提高[47]。生物炭配合有机无机肥施用，能够有效改善土壤的理化性质，减少化肥用量，促进青菜地上部磷钾养分的累积，从而提高青菜的抗性和产量，并改善青菜品质[48]。生物炭还可以调控植物根际土壤中糖类、有机酸、氨基酸和羧酸类等物质的含量，进而促进以此类物质为碳源的微生物生长，提高土壤微生物的数量及活性，改善土壤微生态条件，促进有益微生物生长，在与病原微生物在营养竞争中占优势，进而增加土壤生态系统的稳定性和抑病性[24]。

2.3 生物炭改良土壤环境

2.3.1 生物炭促进土壤养分循环微生物群落组成与土壤水分、全碳、全氮、全钾和有效钾等含量和土壤pH值相关，这些土壤性质的变化与生物炭的添加量显著相关，生物炭通过影响土壤理化性质进而改变了土壤微生物群落。生物炭施入土壤能够降低土壤容重、提高土壤孔隙度、改善土壤团聚体结构、改良土壤的pH值、提高土壤持水性能、提高土壤阳离子交换量，提高土壤有机碳含量、增加土壤矿质养分含量，以及减轻土壤有毒元素的危害等[17-20]。研究表明，生物炭的施用可以提高多种对植物有益的微生物种群的丰度，对土壤微生物代谢产生积极影响[21]。

生物炭还可以通过影响土壤-植物系统中的氮循环(即通过生物炭吸附和微生物固定减少氨气挥发和硝酸盐淋失)和植物根系-土壤相互作用(与根系分泌物相关)来减少氮肥需求，同时保持作物生产力，提高作物的抗性[25]。生物炭对土壤养分的影响可以总结为两方面：(1)生物炭本身富含矿质养分，施用后一部分养分可以返还给土壤；(2)生物炭的吸附性可减少养分流失，生物炭带有负电荷，能够增强土壤对阳离子的吸附，提高土壤养分的有效性[36-37]。

生物炭肥料配施微生物菌剂显著提高了土壤全氮和硝态氮的含量[44-45]。生物炭自身具有较强的阳离子交换能力，可以吸附土壤中的铵态氮，同时能够有效减少土壤中硝态氮的流失，从而提高土壤对氮素的固持能力和作物对氮肥的利用率；其次，生物炭能够通过吸附土壤中的溶解态苯酚和萜烯类抑制硝化反应的物质以及增强土壤的通气性来促进土壤中的硝化作用，有助于长期促进植株对养分的吸收。

生物炭施入土壤的长期效应包括：植物可以循环利用生物炭原料收获的养分，生物炭的灰分中含有水溶性的营养元素磷、钙、镁等，能直接提高土壤中有效态营养元素含量[38]；生物炭通过增加土壤水分和保留土壤养分，减少土壤氧化亚氮、二氧化碳和甲烷的排放，释放可溶性碳和微量营养素的有效性[39]；并通过吸附氮磷元素，促进氮和磷的矿化，增加阳离子交换等途径，减少土壤中氮磷流失，进而提高土壤中氮磷有效性[40-42]；生物炭与解磷菌剂配施可以明显提高土壤有效磷的含量[43]。在西瓜连作系统中，西瓜的产量与土壤中氨态氮、速效磷、速效钾、微生物多样性和均匀性呈显著正相关，生物炭与堆肥联合施用显著提高了土壤氨态氮、速效磷和速效钾的含量[46]。

2.3.2 生物炭提高土壤酶活性生物炭通过影响土壤微生物的新陈代谢和生化反应等过程，来影响土壤酶活性，从而提高土壤防控病害的能力。生物炭改良土壤能够提高部分土壤酶的活性(包括β-葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶、葡聚糖酶、β-木糖酶、土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和脱氢酶等)，其中土壤脲酶和碱性磷酸酶活性与土壤肥力指标有较好的相关性。生物炭对土壤过氧化氢酶活性的促进作用弱于蔗糖酶，对土壤蔗糖酶活性有显著的促进作用，随着施用量增加更为明显。

生物炭对土壤酶活性影响可能是由于生物炭的丰富的孔隙结构及吸附性能决定了其对土壤酶作用的复杂性[49]：(1)生物炭吸附聚集酶反应底物，有利于酶促反应进行，提高了一部分土壤酶活性；(2)生物炭对酶分子的吸附，隐蔽了酶促反应的结合位点，从而阻遏某些酶促反应的进行。

生物炭能够显著提高水稻土壤过氧化氢酶的活性和土壤酶指数，水稻分蘖期后，氧化氢酶逐渐参与有机碳的合成、分解和转化等过程，因此节水灌溉与秸秆生物炭的施用相结合，有利于土壤有机碳积累，改善土壤性质和肥力[50]。另有研究表明，添加玉米生物炭可以增加参与碳和氮循环的土壤酶的活性。在低肥力热带土壤中，添加生物炭显著增加了参与碳、氮和磷循环的酶[51]。

3 展望

本研究分析了生物炭影响土传病害病原微生物的可能机制，但尚不确定机制间是否相互独立或者存在协同效应。然而，由于生物炭与土壤、植物和病原微生物之间的相互作用，很难确定一个单独的因子来解释生物炭对土传病害的影响[3]，还需要更多的实验数据支撑。

研究土壤微生物群落对生物炭改良的响应对于更好地理解生物炭与土壤以及植物的相互作用具有重要意义。基于已有的研究，以下方向可能对于未来研究生物炭改善土传病害很有前景：(1)生物炭表面富含芳香类化合物和含氧官能团，其自然老化分解的过程中，可能引入更多含氧官能团并向负电荷表面移动，从而潜在地改变土壤物质与微生物之间的界面反应[26,60]，其反应机制有待进一步研究。(2)在电子运动层面，生物炭同样具有影响微生物代谢活动的潜力。随着生物炭的应用，电子转移过程增强，生物炭作为电子穿梭机的作用，同时具有直接电子转移和官能团的充电和放电的作用[59]，其影响病原微生物活性的机制亟待明确。(3)生物炭可能影响某些微生物代谢途径，包括次生代谢产物的生物合成和生物降解、碳水化合物代谢途径(磷酸肌醇代谢)、辅助因子和维生素代谢(电子转移载体)、感觉系统(离子通道)、转录(基础转录因子)、翻译(核糖体在真核生物中的生物发生)，以及异种生物的生物降解和代谢(多环芳烃降解)等机制均有待研究人员进一步研究明确。

生物炭在土传病害防控中有着广泛的应用前景，如生物炭可以作为有益功能菌的载体，提高接种菌在土壤中的存活率，其对微生物的活性及其多样性具有正效应，特别是在低肥力土壤中，生物炭可能刺激微生物活性，因此生物炭是改善土壤微生态环境的优良材料[13]。