連作土壤連續施入生物炭對黃瓜品質及根區微生態的影響

武春成 周國彥 曹霞 王彩云 竇維卉 謝洋

摘要：為了探討連續施入生物炭對連作土壤黃瓜品質及根區微生態的影響，以黃瓜連作14、22茬土壤為研究對象，設置不施用、單次施用、連續3次施用生物炭處理。結果表明，與單次施入生物炭相比，連續施入生物炭的連作14、22茬土壤的黃瓜單株產量分別增加24.06%、19.68%;與同一茬次相比，連續施入可以顯著提高黃瓜果實的蛋白質、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、有機質含量、速效鉀含量、細菌數量以及細菌/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量，并提高土壤微生物代謝活性和多樣性。綜上，生物炭連續施入較單次施入對連作土壤微生態環境的改善作用更顯著，由此可以提高連作黃瓜的單株產量，改善果實品質，更有利于緩解溫室連作障礙。

關鍵詞：生物炭;黃瓜品質;連作土壤;理化性質;微生物多樣性

中圖分類號：S642.206 ??文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）09-0143-05

我國設施蔬菜產業無論是面積還是產量均居世界首位[1]，在農業生產中占有很重要的地位。由于設施蔬菜產業的高投入、高產出特性，多年來農民為追求高利益，過量施入化肥，且連作栽培普遍，造成嚴重的連作障礙現象，尤其是在一些發展設施蔬菜較早的產區，土壤已經嚴重退化，蔬菜產量和品質受到極大的影響。由此連作障礙已成為制約我國設施蔬菜產業可持續發展的重大問題[2]，必須采取有效的連作土壤修復措施。呂豐娟等認為，作物連作障礙的發生是作物與土壤相互影響和作用的綜合表現，土壤理化性狀、土壤微生物以及作物根系自毒物質等主要土壤因子失衡均可能引起連作障礙[3]。再加上設施蔬菜生產中不合理的生產習慣，如菜農為提高產量，習慣過量施肥，其中氮肥投入量是蔬菜吸收量的3～5倍，加之設施蔬菜商品化生產連作現象普遍，致使設施土壤中氮素大量積累，導致土壤表層次生鹽漬化和酸化，不僅嚴重降低了土壤的氮素轉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、鎂等其他營養元素的有效性，引起蔬菜生育障礙，進而限制設施蔬菜產業可持續發展[4]。生物炭是利用農業廢棄物如秸稈、污泥、動物糞便、菌渣等有機物料高溫碳化的一種富碳產品，其結構穩定、多孔，比表面積大，吸附能力強，具有降低土壤容重、減緩土壤酸化、減少氮素損失等特性，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、改善修復連作土壤、提高作物產量等[6-7]。但目前的研究多局限于生物炭的單次施入，對于生物炭連續施入及其持續效應研究較少。因此，本試驗通過分析連作土壤單次施入和連續3次施入生物炭對日光溫室黃瓜生長發育及土壤微生態環境的影響，以期為生物炭應用在設施蔬菜連作土壤修復方面提供科學依據。

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院2個連續栽培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 質量分數分別為70.38%、1.53%、0.78%、1.68%，pH值為 8.97。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

于2019 年3—9月在河北科技師范學院園藝試驗站日光溫室內進行盆栽試驗。隨機區組設計，共設6個處理（表2），3個重復，每個重復10盆。生物炭按5%質量分數加入土壤，同時每盆添加NPK復合肥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，進行常規管理，于7月10日拉秧。

1.2.2 黃瓜單株產量與品質測定方法

各處理分別單株計產，拉秧后統計單株產量。在黃瓜盛瓜期采摘結瓜部位相對一致、同等大小的果實，采用考馬斯亮藍法測定蛋白質含量[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 土壤理化性質測定

在黃瓜拉秧后每個區組隨機選取3盆，收集黃瓜根區土壤，混合均勻，分為3份，一份保存于4 ℃冰箱中，1周內測定土壤微生物數量;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，采用環刀取土-烘干法測定土壤容重，采用上海雷磁多參數水質分析儀DZS-708測定土壤pH值和EC值（土水質量比為1 ∶5），采用重鉻酸鉀容量-稀釋熱法測定土壤有機質含量，采用堿解擴散法測定堿解氮含量，采用鉬藍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 土壤微生物數量及多樣性測定

采用稀釋平板法測定細菌、真菌、尖孢鐮刀菌數量[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 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件對試驗數據進行整理，用SPSS軟件對試驗數據進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 連續施入生物炭對黃瓜單株產量與品質的影響

由圖1可知，連作22茬與連作14茬黃瓜相比減產70.33%;對于連作14茬土壤，C 14B 3單株產量較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，單株黃瓜減產越明顯，連續施入生物炭可減少連作對黃瓜單株產量的影響。

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，連續施入較單次施入效果更加明顯。其中，C 14B 3蛋白質、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、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 連續施入生物炭對連作土壤理化性質的影響

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

2.3 連續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，連續施入和單次施入之間無顯著差異。

2.4 連續施入生物炭對連作土壤微生物數量的影響

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

2.5 連續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。

根據不同處理碳源的利用情況，取分型較好且相對穩定的144 h（圖3）的AWCD值進行微生物多樣性分析，結果見表6。可見，C 14B 3/C 22B 3較C 14B 0/C 22B 0提高了香農指數、優勢度指數、均勻度指數和豐富度指數，其中香農指數、優勢度指數和均勻度指數差異達顯著水平，分別提高1.51%/1.22%、0.42%/0.31%、27.59%/28.65%。C 14B 3的均勻度指數顯著高于C 14B 1，C 22B 3的香農指數和優勢度指數顯著高于C 22B 1。綜上，連續施入生物炭

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 討論與結論

王彩云等認為，施入生物炭能夠促進黃瓜生長，提高黃瓜單株產量[16]。本研究結果表明，連作土壤施入生物炭可顯著提高黃瓜的單株產量及果實蛋白質、維生素C、可溶性糖含量，顯著降低果實中的硝酸鹽含量，且連續施入對黃瓜單株產量及品質的提高影響更大;其中C 14B 3單株產量較C 14B 0、C 14B 1分別提高24.06%、6.30%，C 22B 3單株產量較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，設施土壤質量逐漸下降，普遍表現為土壤容重增大、土壤通氣孔隙比例降低、有機質含量下降、土壤pH值降低，EC值升高等現象[17-18]。黃劍等認為，施入生物炭能夠提高土壤中團聚體的含量，使土壤疏松，通氣透水性良好，土壤含水量增加[19]。本研究也發現了相似的規律，尤其是連續施入生物炭較單次施入在提高連作土壤含水量、CEC值、pH值、有機質含量、速效磷含量、速效鉀含量，降低容重、EC值，改善土壤理化性質上的作用更加明顯。

土壤酶活性對土壤微生態環境的物質轉化、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[21]。本研究發現，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，連續施入和單次施入之間無顯著差異。可能是由于連作年限過長，土壤酶活性受到嚴重破壞，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，使病原菌數量增加，病原拮抗菌和有益菌數量減少，增加了設施蔬菜土傳病害發生的程度[22]。本研究也發現，長期連作改變了土壤微生物的種群結構，促使由“細菌型”向“真菌型” 轉變;連續施入生物炭可以顯著改善微生物的菌群數量，增加有益菌群，減少有害菌群。如C 22B 3較C 22B 1細菌數量、細菌/真菌的值分別增加1.17、1.72倍，真菌、尖孢鐮刀菌數量分別減少68%、71%。通過Biolog-ECO方法分析可知，連續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，改善土壤微生物生態環境。7734BF27-AA32-4464-B9A6-40A90298E47A

綜上可知，相對于單次生物炭施入，連作土壤連續施入對溫室黃瓜產量與品質提高效果更加明顯，可能是由于生物炭連續施入可以改善土壤的理化性狀，提高土壤相關酶活性、細菌數量及細菌/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量等方面作用更加明顯，從而有效改善黃瓜根區的土壤微生態環境，減弱了連作對黃瓜生長發育的抑制作用。

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