生物炭對旱坡地宿根甘蔗土壤養分、酶活性及微生物多樣性的影響

桂意云　李海碧　韋金菊　毛蓮英　張榮華　區惠平　祝開　趙培方　周會　劉昔輝

摘要：【目的】分析旱坡地宿根甘蔗生長、土壤養分和微生物群落對生物炭的響應，揭示生物炭改良宿根甘蔗土壤的微生態機制，為緩解甘蔗連作障礙、宿根蔗病害及生物炭在甘蔗栽培中的應用提供科學依據?！痉椒ā恳院灯碌厮薷收幔ǚN植第4年，1年新植3年宿根）為試驗材料，設2個處理：不施用生物炭對照（CK）和施用生物炭處理（3 t/ha），分析生物炭對宿根甘蔗土壤養分、酶活性、微生物多樣性和甘蔗生長的影響?！窘Y果】與CK相比，施用生物炭可顯著增加土壤堿解氮、速效鉀和有機質含量（P<0.05，下同），顯著提高蔗糖酶和酸性磷酸酶活性。施用生物炭還可改變土壤細菌和真菌分類單元（OTUs）總數，對土壤中各優勢細菌門、細菌屬相對豐度影響不大，但降低了真菌子囊菌門（Ascomycota）、擔子菌門（Basidiomycota）及淀粉藻（Amyloflagellula）和鐮刀菌屬（Fusarium）相對豐度，增加了接合菌門（Zygomycota）及毛殼菌屬（Chaetomium）和被孢霉屬（Mortierella）的相對豐度。在甘蔗生長方面，施用生物炭可顯著降低甘蔗梢腐病發病率，使甘蔗產量顯著提高5.2%?！窘Y論】施用生物炭可改良甘蔗土壤，改變土壤微生物群落結構，增強宿根甘蔗抗梢腐病能力，提高旱坡地宿根甘蔗第4年產量。

關鍵詞： 甘蔗;生物炭;土壤;養分;微生物多樣性;梢腐病發病率;產量

中圖分類號： S566.1;S158.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2022）03-0776-09

Effects of biochar on soil nutrients，enzyme activities and microbial diversity of ratoon sugarcane in dry slope land

GUI Yi-yun LI Hai-bi WEI Jin-ju MAO Lian-ying ZHANG Rong-hua

OU Hui-ping ZHU Kai ZHAO Pei-fang ZHOU Hui LIU Xi-hui

（1Sugarcane Research Center， Chinese Academy of Agricultural Sciences/Sugarcane Research Institute， Guangxi Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Sugarcane Biotechnology and Genetic Improvement （Guangxi）， Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Key Laboratory of Sugarcane Genetic Improvement in Guangxi， Nanning， Guangxi 530007， China; 2Guangxi South Subtropical Agricultural Science Research Institute， Chongzuo， Guangxi? 532400，China; 3Sugarcane Research Institute， Yunnan Academy of Agricultural Sciences， Kaiyuan， Yunnan? 661699， China）

Abstract：【Objective】To explore the microecological mechanism of biochar on soil improvement by analyzing the growth of ratoon sugarcane soil nutrition and microbial diversity， so as to lay a theoretical foundation for application of biochar in sugarcane cultivation， the alleviation of ratoon sugarcane diseases and the reduction of obstacles to continuous cropping of sugarcane. 【Method】Sugarcane in the fourth year of planting was used as the experimental material and two treatments were set up. They were CK （without biochar） and biochar （3 t/ha）. The effect of the treatments on soil nu-trients， enzyme activities， microbial diversity and sugarcane growth were measured. 【Result】The application of biochar significantly increased the contents of alkali hydrolyzable nitrogen， available potassium and organic matter （P<0.05，the same below） compared with CK. Moreover， biochar also significantly increased the activities of sucrase and acid phosphatase. The application of biochar can also change the total number of bacterial and fungal OTUs in soil. The relative abundance of dominant bacterial phylum and genus in soil were equivalent between CK and biochar treatment. Biochar treatment decreased the relative abundance of Ascomycota， Basidiomycota， Amyloflagellula and Fusarium， while increasing the relative abundance of Zygomycota， Chaetomium and Mortierella. In terms of sugarcane growth， the application of biochar significantly reduced the incidence rate of pokkah boeng disease， and the sugarcane yield was significantly increased by 5.2%. 【Conclusion】The application of biochar can improve sugarcane soil， change the structure of the soil microbial community， increased the sugarcane resistance to Pokkah boeng， thus increased the sugarcane yield of ratoon sugarcane in the fourth year on dry slope land.

Key words： sugarcane; biochar; soil; nutrients; microbial diversity; the incidence of pokkah boeng; yield

Foundation items： National Natural Science Foundation of China （31860350，32060293）; Central Guided Local Science and Technology Development Project （ZY20198005）; Guangxi Natural Science Foundation Project（2020GXNSFAA297132）

0 引言

【研究意義】廣西是我國最大的甘蔗產區，甘蔗種植面積占全國甘蔗面積的60%以上。受自然條件影響，廣西大部分甘蔗種植在耕層淺、瘦、酸的旱地上（謝國雪等，2018）。甘蔗連作現象普遍，導致土壤通氣不良、病害嚴重，加上季節性干旱嚴重，限制了廣西甘蔗產業的進一步發展。近年來，氮肥大量施用導致廣西蔗區土壤酸化加劇，需重視土壤酸化治理，尋求合適途徑來提高土壤肥力（孟博等，2021）。研究表明，施用適量秸稈生物炭能顯著增加土壤有機質含量（安寧等，2020;焦敏娜等，2020;Hu et al.，2020;Zhao et al.，2020），尤其是快速增加土壤穩定性碳庫（Smith，2016;Munir et al.，2019），也可增加土壤三大微生物類群的數量（陳心想等，2014;殷全玉等，2021）。因此，針對廣西蔗區特點，分析旱坡地宿根甘蔗生長、土壤理化性質和微生物群落對生物炭的響應，揭示生物炭改良宿根甘蔗土壤的微生態機制，可為緩解甘蔗連作障礙、宿根蔗病害及生物炭在甘蔗栽培中的應用提供理論基礎?！厩叭搜芯窟M展】大量研究表明，生物炭能改變土壤理化性質、提高土壤酶活性、優化微生物群落結構和降低土壤重金屬污染風險，也可提高作物的抗病能力，進而提高作物產量和品質（戴皖寧等，2019;Liu et al.，2019;郭懷剛等，2020;Weng et al.，2020;白珊等，2021）。施用生物炭基肥可顯著提高土壤有機碳、速效磷和速效鉀含量（呂澤先，2017）;在堿性石灰土中添加生物炭可顯著提高土壤陽離子交換量（Safrazr et al.，2017）;生物炭施用21 d后增加了土壤細菌群落結構的多樣性（Li et al.，2019）;隨著生物炭施用量的增加，可加速微生物的生長和繁殖（馮慧琳等，2021;劉領等，2021）。施用生物炭還可提高農作物產量，如溫室黃瓜單株產量提高11.4%（王彩云等，2019），大豆產量提高17.9%～33.3%（魏永霞等，2019）。生物炭在甘蔗生產中也已有應用。Yang等（2015）研究表明，施用生物炭對甘蔗苗期根系性狀有較好的改善作用，可提高甘蔗根冠比，施用20%生物炭可提高土壤pH，顯著增加有效磷、有效鉀和有機質的濃度。Alvarez-Camposa等（2018）研究發現施用生物炭提高了佛羅里達砂質土新植甘蔗的產量，并可改善土壤性質。Kaewpradit和Toomsan（2019）在輪作系統中施用桉樹生物炭，發現可提高甘蔗的氮利用效率。Weng等（2020）研究表明，施用13C和15N雙標記甘蔗秸稈生物炭可增加甘蔗土壤有機碳含量，提高氮肥利用效率。Lopes等（2021）設5種生物炭施用量（0、10、20、30和40 t/ha），連續2年采集甘蔗土壤，結果表明小于30 t/ha的生物炭施用量可提高甘蔗土壤中β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶、芳基硫酸酯酶和脲酶活性及土壤總微生物數量;然而，隨著時間的推移，較高的施用量會降低這些酶的活性及土壤總微生物數量。Tafti等（2021）研究指出生物炭有助于保持土壤養分，防止徑流和淋濾損失，提高甘蔗產量?！颈狙芯壳腥朦c】前人對生物炭在甘蔗生產上應用的研究大多局限于新植甘蔗，而針對生物炭施用對宿根甘蔗生長、土壤養分及微生物多樣性影響的研究鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】通過分析多年宿根甘蔗生長、土壤理化性質和微生物群落對生物炭的響應，明確施用生物炭對宿根甘蔗生長的積極作用，為緩解甘蔗連作障礙、宿根蔗病害及生物炭在甘蔗栽培上的應用提供科學依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗區概況及試驗材料

試驗于2020年4月—2021年1月在廣西扶綏縣東亞集團甘蔗地（東經107°53′52″、北緯22°30′26″）進行。蔗地為山坡地，坡度5°～10°。試驗區屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫約21.7 ℃，年均降水量約1300.0 mm，年無霜期達342 d以上。2020年該區遭遇嚴重季節性干旱，年降水量為737.6 mm，其中甘蔗拔節的快速生長期（6—9月）降水量僅215.8 mm，占年降水量的29.3%。

供試土壤為第四紀紅土發育的赤紅壤，試驗前0～20 cm土層土壤pH 4.0、有機質24.4 g/kg、全氮1.4 g/kg、堿解氮128 mg/kg、速效磷69 mg/kg、速效鉀223 mg/kg。供試甘蔗品種為廣西主栽品種桂糖42號，由廣西農業科學院甘蔗研究所提供。寬窄行（1.35 m+0.50 m）種植，為種植第4年（1年新植3年宿根）的宿根甘蔗。由于甘蔗宿根年限久，疏于管理，梢腐病發生嚴重。試驗用生物炭為草本生物炭（湖南百威生物科技有限公司生產），稻殼材料制作，養分含量為全氮3.08 g/kg、全磷3.81 g/kg、全鉀14.3 g/kg、全碳55.3%。

1. 2 試驗方法

試驗設2個處理：不施用生物炭對照（CK）和施用生物炭處理（T，用量為3 t/ha）。每處理3個重復，共6個小區，小區面積0.13 ha。生物炭施用量依據前期甘蔗產量效應和生物炭施用量預試驗結果確定。2020年4月17日，甘蔗處于苗期，將生物炭均勻撒施在甘蔗種植壟上，培土覆蓋。大田管理按當地傳統方法進行。在甘蔗生長旺盛期、成熟期時進行農藝性狀調查，成熟期進行產量測定和土壤樣品采集與分析。

1. 3 測定項目及方法

甘蔗農藝性狀：于2020年7月13日和11月12日，選擇小區內長勢處于平均水平的連續20株甘蔗植株測定株高和莖徑。株高從地面測量到第1片見肥厚帶的葉鞘處（羅霆等，2021）。莖徑于距離地面1 m的節間中部測量。

甘蔗經濟性狀：2021年1月7日選取3行調查小區甘蔗有效莖，測算單位面積有效莖數;每小區選取株高大于1 m的連續蔗莖10根，采用ATAGO手持式折光儀測定甘蔗錘度。

病害調查：于2021年1月7日，在甘蔗收獲前，沿著甘蔗種植行向，調查連續100株甘蔗的梢腐病發病株數，并統計發病率。

土壤養分及生物學性狀：2021年1月7日，按照五點采樣法采集0～20 cm土層土壤樣品，混勻后采用四分法保留土壤樣品裝入密封袋中，放入冰盒，帶回實驗室用于土壤養分及生物學指標分析。土壤養分及土壤酶活性測定參照林先貴（2010）、魯如坤（2000）、李科和李志軍（2019）的方法。其中土壤過氧化氫酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、脲酶活性分別采用高錳酸鉀滴定法、磷酸苯二鈉比色法、3，5-二硝基水楊酸比色法、苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測定;堿解氮采用堿解擴散法測定;有效磷采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定;速效鉀采用1 mol/L NHOAc浸提，火焰光度法測定;有機質采用KCrO-HSO消煮，FeSO容量法測定;pH采用pH計測定（土水比1∶2.5）;陽離子交換量采用氯化鋇—硫酸強迫交換法測定。土壤微生物多樣性采用高通量測序技術測定，由生工生物工程（上海）股份有限公司完成。

1. 4 統計分析

試驗數據利用Excel 2007進行計算整理并作圖，采用SPSS 22.0進行統計分析。

2 結果與分析

2. 1 生物炭對宿根甘蔗土壤養分、土壤pH和酶活性的影響

由表1可知，與CK相比，施用生物炭的T處理顯著增加了土壤堿解氮、速效鉀和有機質含量（P<0.05，下同），增幅分別為34.6%、23.2%和11.7%;同時顯著降低了有效磷含量，降幅為10.4%。施用生物炭對土壤陽離子交換量和土壤pH影響不顯著（P>0.05，下同）。說明施用生物炭有助于提高土壤有效氮、有效鉀及有機質含量。

由表2可知，與CK相比，T處理土壤中脲酶和過氧化氫酶活性分別降低61.2%和14.5%，土壤蔗糖酶和酸性磷酸酶活性分別增加40.7%和1280.0%，差異均達顯著水平。

2. 2 生物炭對宿根甘蔗土壤微生物多樣性的影響

2. 2. 1 樣本測序結果 圖1-A顯示，土壤細菌分類單元（OTUs）總數為2445，CK和T處理共有細菌OTUs數為1604，二者特有細菌OTUs數分別為517和324。圖1-B顯示，土壤真菌OTUs總數為529，CK和T處理共有真菌OTUs數為312，二者特有真菌OTUs數分別為147和70?？梢?，施用生物炭后土壤中的細菌和真菌OTUs總數均減少，其中細菌總OTUs數減幅較真菌多。

2. 2. 2 土壤細菌和真菌群落結構分析 微生物群落結構分析結果表明，在門水平（圖2-A），CK和T處理根際土壤中各優勢細菌門相對豐度變化不明顯，變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Acidobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、酸桿菌門（Actinobacteria）均為土壤的優勢細菌門。從相對豐度來看，CK土壤中變形菌門和酸桿菌門的相對豐度高于T處理，而放線菌門和綠彎菌門的相對豐度低于T處理?？傮w來看，相對豐度變化幅度不大，為1.0%～7.0%。

由圖2-B可看出，各優勢真菌門相對豐度變化較大。子囊菌門（Ascomycota）和擔子菌門（Basidiomycota）為CK的優勢真菌門，子囊菌門和接合菌門（Zygomycota）為T處理的優勢真菌門。從相對豐度來看，CK和T處理土壤子囊菌門的相對豐度分別為67.0%和43.0%，T處理相對降低35.8%;接合菌門相對豐度分別為2.0%和55.0%，T處理相對增加2650.0%;土壤擔子菌門相對豐度分別為31.0%和1.0%，T處理相對降低96.7%。

在屬水平（圖3-A），CK和T處理土壤檢測到10個優勢細菌屬，各細菌屬的相對豐度在0.6%～7.0%，CK和T處理土壤中各細菌屬差異不大。CK和T處理土壤中檢測到5個優勢真菌屬（圖3-B），其中有3個優勢真菌屬在2個處理間變化明顯。CK土壤中毛殼菌屬（Chaetomium）的相對豐度為3.0%，T處理為20.0%，較CK增加566.7%;CK土壤中被孢霉屬（Mortierella）相對豐度為0.2%，T處理為18.0%，較CK增加8900.0%。CK土壤中淀粉藻（Amyloflagellula）相對豐度為12.0%，T處理接近0。CK土壤中鐮刀菌屬（Fusarium）相對豐度為6.0%，T處理為3.0%，較CK減少50.0%。

2. 3 生物炭對宿根甘蔗生長的影響

由表3可知，與CK相比，T處理不同生長時期的甘蔗株高有所降低、莖徑略有變細，但成熟期（2021年1月7日）的有效莖數較多，錘度也略高于CK。施用生物碳后，T處理的梢腐病發生率為23.1%，顯著低于CK的發病率（38.8%），且T處理預估產量也較CK顯著增加5.2%。說明施用生物炭可明顯降低甘蔗梢腐病發生率并提高甘蔗產量。

3 討論

3. 1 施用生物炭對旱坡地宿根甘蔗土壤養分和土壤酶活性的影響

土壤養分是土壤肥力的重要指標，其含量高低直接影響作物生長。前人研究表明，施用生物炭可不同程度地提高土壤養分含量，如李明等（2016）、涂玉婷等（2021）研究發現施用生物炭不同程度地提高了土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質含量。但也有學者的研究結果與上述結論不盡一致，如呂波等（2018）認為施加生物炭可增加土壤速效磷、速效鉀及有機質含量，但顯著降低土壤堿解氮含量;魏永霞等（2019）在黑土區施用生物炭，發現土壤有效磷無顯著變化。由于生物炭自身的分解，生物炭施用下黑土的碳氮增幅顯著高于潮棕壤（劉興等，2021）。在本研究中，施用生物炭顯著增加旱坡地宿根甘蔗的土壤堿解氮、速效鉀和有機質含量，降低速效磷含量。說明生物炭施用促進了土壤氮鉀的有效性，降低了磷的有效性。施用生物炭對土壤養分影響不同的原因可能與生物炭原料、土壤性質和生物炭施用量等有關。

土壤酶在維持土壤健康和養分循環方面發揮重要作用，可作為衡量土壤質量的生物指標（Ghani et al.，2019;Wang et al.，2019）。脲酶在土壤尿素水解中發揮重要作用，其水解產物是植物生長發育的氮源之一（Teng and Zhou，2018）。蔗糖酶促進土壤中蔗糖水解成單糖，為微生物提供能量。生物炭施入土壤后，其豐富的多孔結構既能為微生物繁殖提供良好的生存空間，又能吸附反應底物有助于酶促反應而提高土壤酶活性。相反，酶分子也能被生物炭吸附從而隱蔽酶促反應結合位點，抑制酶促反應（丁艷麗等，2013）。不同土壤條件下，生物炭施用對土壤酶的影響不同。Wang等（2019）研究表明，在蘋果土壤中施用生物炭后，土壤轉化酶、脲酶、蛋白酶和過氧化氫酶活性增強。Pokharel等（2020）研究發現，生物炭可增加土壤微生物生物量及脲酶、堿性磷酸酶和脫氫酶活性，增幅分別為22%、23%、25%和20%。Wu等（2020）通過盆栽試驗，研究4種生物炭對桃樹幼苗土壤酶活性的影響，結果顯示施用生物炭可增加土壤脲酶活性，抑制土壤過氧化氫酶和中性磷酸酶活性。本研究結果表明，生物炭的施用增加了宿根甘蔗土壤蔗糖酶和酸性磷酸酶活性，但降低了脲酶和過氧化氫酶活性。其原因可能與生物炭提高土壤有機質含量有關，有機質含有較多可利用的碳源，從而為土壤微生物生長提供營養物質。本研究中土壤有效磷含量降低說明生物炭通過對磷的吸附促進了酸性磷酸酶活性。然而，可能由于脲酶和過氧化氫酶本身分子結構的復雜性，導致土壤脲酶和過氧化氫酶與土壤蔗糖酶和酸性磷酸酶活性的變化存在差異。

3. 2 施用生物炭對旱坡地宿根甘蔗土壤微生物多樣性的影響

土壤是土壤微生物的生活場所，土壤結構對土壤微生物群落結構有較大影響。生物炭可通過吸附和封存作用降低土壤養分，導致微生物豐度降低（Kaewpradit and Toomsan，2019）。生物炭造就的土壤環境能促進一部分微生物群體快速增殖成為競爭優勢群落，進而改變群落組成（雷海迪等，2016）。Zhang等（2021）研究表明，生物炭施用降低了細菌和真菌的多樣性。Hassink等（1993）認為添加生物炭后土壤真菌多樣性減少的原因，可能是生物炭中有效碳含量太少，從而抑制了擔子菌門和變型菌門的生長繁殖。本研究結果顯示，施用生物炭改變了旱坡地宿根甘蔗土壤微生物群落結構，不僅減少了土壤中細菌和真菌OTUs總數，同時降低了子囊菌門和擔子菌門的相對豐度，與Zheng等（2016）、Li等（2020）的研究結果一致。

3. 3 施用生物炭對旱坡地宿根甘蔗病害的影響

宿根甘蔗種植能減少勞作和投入成本，但多年的單一種植結構，蔗地土壤退化嚴重，病害發生風險加?。ㄋ螡?，2016）。其中宿根蔗病害程度高于新植蔗（劉曉燕等，2015）。生物炭可影響通過植物葉面和土壤傳播的病害（Jaiswal et al.，2017），對空氣傳播（如灰霉病菌及不同種類的白粉?。┖屯寥纻鞑ィㄧ牭毒鷮?、疫霉屬、立枯絲核菌）的病原體也有顯著抑制作用（Bonanomi et al.，2015）。眾多研究表明，生物炭可有效抑制鐮刀菌引起的土傳疾?。℅u et al.，2017;Jaiswal et al.，2018;Zhao et al.，2019;Lucas et al.，2020）。生物炭通過吸收根系分泌物直接或間接地吸引病原體，顯著降低細菌性枯萎病發病率（Gu et al.，2017），長期施用生物炭可減少番茄單一栽培引起的枯萎?。╖hao et al.，2019），增強番茄幼苗抗病性，減少病害發生的嚴重程度（Jaiswal et al.，2018;Lucas et al.，2020）。Tian等（2021）也發現生物炭應用能有效防治西洋參鐮刀菌根腐病。甘蔗梢腐病是真菌性病害，病原菌的有性態屬于子囊菌亞門，主要致病菌為鐮刀菌，該病菌侵染甘蔗后會引起甘蔗產量降低和糖分下降（Wang et al.，2017）。本研究中，宿根甘蔗第4年梢腐病發生嚴重，施用生物炭后甘蔗梢腐病發病率顯著降低。結合高通量技術下細菌16S rDNA和真菌ITS1基因擴增子測序分析，生物炭施用對細菌門的影響不明顯，而對真菌門影響較大，在真菌屬中甘蔗梢腐病的致病菌（鐮刀菌屬）相對豐度減少。說明施用生物炭可抑制蔗地土壤梢腐病病原菌的繁衍，減少甘蔗梢腐病的發病率，提高甘蔗產量。Frenkel等（2017）研究表明低濃度（≤1%）的生物炭施用可抑制多種病害，但較高濃度（≥3%）生物炭施用對大多數病害無效或誘發植物病害，建議合理控制生物炭施用量。本研究中生物炭施用量為3 t/ha，對甘蔗梢腐病發病抑制作用明顯，可作為甘蔗梢腐病防控的合理施用量。

4 結論

施用生物炭可改良甘蔗土壤，改變土壤微生物群落結構，提高宿根甘蔗抗梢腐病能力和甘蔗產量。因此，生物炭應用有利于廣西旱坡地宿根甘蔗生長及提高抵御病害的能力。

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（責任編輯 王 暉）