生物質炭基有機肥對西葫蘆生物性狀、土壤營養和微生物群落的影響

趙彥敏 梁玉紅 劉齊光 楊樹寶 韓振英 鄭博 岳鵬 李明威

摘要：為明確生物質炭基有機肥對冀西北地區西葫蘆生物性狀、果實品質及土壤營養、微生物群落的影響，以西葫蘆‘早青一代’為材料，進行3種不同施肥水平處理試驗。與不施肥（對照）相比，生物質炭基有機肥能明顯提高西葫蘆植株株高、莖粗度，改善土壤營養和微生物菌落，增加土壤中磷、鉀和有機質的含量。該地區最佳有機肥施用量為1500 kg/hm2，末瓜期該施肥水平下，株高、莖粗明顯增加，分別比對照增加22.8%、16.7%。宏基因組測序結果表明，生物質炭基有機肥增加了子囊菌門真菌表達的相對豐度，減少了被孢霉門真菌表達的相對豐度，新增隱真菌門和未知新真菌種類。施肥1000 kg/hm2時根際土壤微生物OTU最多，達到811個。研究結果可為生物質炭基有機肥在冀西北地區西葫蘆生產的應用提供理論依據。

關鍵詞：生物質炭基有機肥；西葫蘆；果實品質；土壤營養；土壤微生物

中圖分類號：S513文獻標志碼：A論文編號：cjas2020-0141

Effects of Biochar-based Organic Fertilizers on Biological Characters， Soil Nutrients and Microbial Communities of Cucurbita pepo ZHAO Yanmin1， LIANG Yuhong2， LIU Qiguang3， YANG Shubao4， HAN Zhenying4， ZHENG Bo1， YUE Peng1， LI Mingwei1（1Zhangjiakou Open University， Zhangjiakou 075000， Hebei， China；2Zhangjiakou Agricultural Radio and TV School in Hebei， Zhangjiakou 075000， Hebei， China；3Zhangjiakou Seed Management Station， Zhangjiakou 075000， Hebei， China； 4Agricultural and Rural Bureau of Huaian County， Zhangjiakou 075000， Hebei， China）

Abstract： To determine the effects of biochar- based organic fertilizers on the biological characters， fruit quality， soil nutrients and microbial communities of Cucurbita pepo in northwest Hebei， three treatments with different fertilization levels were carried out with C. pepo‘Zaoqingyidai’. Compared with the no fertilization（control）， biochar-based organic fertilizers could significantly increase plant height and stem diameter of C. pepo. Meantime， soil nutrients and microbial communities， and the content of P， K and organic matter in soil were also improved. The fertilization treatment of 1500 kg/hm2was the best in the study， under which， the plant height and stem diameter increased obviously， which were 22.8% and 16.7% more than those of control， respectively. The macro- genome sequencing results showed that biochar- based organic fertilizers could increase the relative abundance of Ascomycetes fungi expression， decrease the relative abundance of Sporomycetes fungi expression. The Russula was newly added. In the fertilization treatment of 1000 kg/hm2， the OTU number of rhizosphere soil microorganism was the most and reached 811. The results can provide a theoretical basis for the application of biochar- based organic fertilizers in the production of C. pepo in northwest Hebei.

Keywords： Biochar-based Organic Fertilizer； Cucurbita pepo； Fruit Quality； Soil Nutrients； Soil Microorganism

0引言

生物炭是生物質在無氧或缺氧條件下高溫裂解產生的一種固體產物，具有孔隙度好、吸附能力強、富含碳元素、礦質養分等特性，是一種集肥料、吸附劑和改良劑于一體的新型材料[1-2]。眾多研究表明，生物質炭具有改良土壤質地、增加土壤持水量和養分含量、增強土壤微生物活性、提高土壤肥力等功效[3-7]。王瀟敏等[8]將膠凍樣芽孢桿菌與生物質炭進行復配，發現能夠增加番茄果實中鉀、Vc含量，降低硝酸鹽含量，對番茄產量的增加和品質的改善有促進作用。在辣椒生產中，隨著生物炭用量的增加，土壤營養物質如有效磷、速效鉀等含量迅速上升；微生物代謝能力、多樣性及均勻度均與其用量呈倒U型曲線關系；1.33%生物炭用量對辣椒疫病的防效最好[9]；辣椒果長會減小，果徑會增大，果形指數變化不大[10]。王淑君等[11]明確，施入生

物炭基肥不僅可提高花生根際土壤銨態氮和速效鉀含量、植株氮鉀養分吸收和水分生產率，對植株的抗旱能力也有一定的提高。李中陽等[12]發現，小麥中施入生物質炭顯著增加了冬小麥莖蘗數、有效穗數和產量；施用量為40 t/hm2的生物質炭處理對冬小麥產量、水分利用效率及根系生長的促進作用最為顯著。王峰等[13]采用15N同位素示蹤技術，研究了生物質炭配施氮肥對茶樹生長及氮素利用率的影響，結果表明，生物質炭配施氮肥促進了茶樹對氮的吸收，增加土壤氮素持留，提高了氮素利用率。生物炭基有機肥已投入辣椒、番茄的蔬菜生產中，起到明顯的增產、改善品質的功效，而生物質炭基有機肥對西葫蘆保肥和增產的影響研究還未見相關報道。本研究主要分析不同用量生物質炭基有機肥對冀西北地區西葫蘆生長、品質和產量等方面的影響，以期為生物質炭基有機肥在該地區蔬菜生產中的廣泛應用提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗時間、地點

田間試驗于2019年在河北省張家口市橋東區姚家莊鎮南莊村進行，室內試驗在河北北方學院實驗室和北京奧維森基因科技有限公司進行。張家口（113°50′—116°30′E，39°30′—42°10′N）地勢西北高、東南低，陰山山脈橫貫中部，將張家口劃分為壩上、壩下2個部分，屬溫帶大陸性季風氣候，年降水量為330～400 mm，屬半干旱地區，水資源嚴重不足。

1.2試驗處理

供試生物質炭基有機肥由張家口市萬生生物技術有限公司提供，其中生物質炭（玉米秸稈）占20%、有機肥占80%。以西葫蘆‘早青一代’為材料，以不施生物質炭基有機肥為對照（CK）。生物質炭基有機肥用量設500、1000、1500 kg/hm23個水平（編號T1、T2和T3）。每處理3個重復，每個小區面積為20 m2（5 m×4 m）。小區設置好后將生物質炭撒施在相應小區，并人工翻埋混勻，翻耕深度約12 cm。生物質炭基有機肥為一次性施用，之后不再施用。其他管理同高產田。

1.3測定項目與方法

1.3.1西葫蘆生物性狀、果實品質測定采用5點取樣法，分別于西葫蘆初花期、初瓜期、末瓜期測量植株高度、莖粗度、功能葉葉綠素含量。取末瓜期果實，分別利用北京索萊寶科技有限公司試劑盒測定果實可溶性糖、淀粉含量。每小區5株，每株3個果實。

1.3.2西葫蘆根際土壤營養物質、微生物群落結構測定于末瓜期，利用5點取樣法取根際土（根際20 cm以內）。采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定土壤有機質，采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀，采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定速效磷，采用堿解擴散法測定堿解氮。

在各小區取根際土，5點混合取樣?；旌暇鶆蚝?，按四分法取部分土樣裝入已經滅菌的無菌袋中。土樣于4℃冰箱內存放，用于土壤真菌ITS多樣性分析（由北京奧維森基因科技有限公司完成）。

1.4數據處理與統計分析

所有試驗數據均采用Microsoft Excel 2003進行均值計算，作圖。

2結果與分析

2.1生物質炭基有機肥對西葫蘆生物性狀、果實品質的影響

隨著西葫蘆生育進程的推進，株高、莖粗逐漸升高。不同生育期，同一施肥處理水平下植株高度、莖粗度增加速度隨施肥量的增加而加快，且明顯高于CK。末瓜期，施肥處理T3植株株高為最高，達到129 cm；莖粗度為最大，達到35.3 mm（圖1）。

圖2為末瓜期西葫蘆果實品質測定結果。施肥處理T2和T3果實可溶性糖含量低于CK，而施肥處理T1，明顯高于CK。施肥處理T1和T2果實淀粉含量高于CK，施肥處理T3低于CK。不同施肥水平間淀粉含量差異不明顯。

2.2生物質炭基有機肥對西葫蘆根際土壤營養物質含量的影響

經測定，末瓜期西葫蘆根際土壤（20 cm內）營養物質含量隨著施肥量的增加而增加。在3個施肥處理水平下，除堿解氮含量外，其他3種營養物質含量均明顯高于CK。與CK相比，施肥處理T3的速效磷、速效鉀和有機質含量增加幅度最大（圖3）。

2.3生物質炭基有機肥對西葫蘆根際土壤真菌群落的影響

利用高通量測序技術，對不同施肥處理下西葫蘆根際土壤真菌ITS序列進行了測序。經雙端拼接、質量控制、嵌合體過濾后，進行高質量數據統計。測序結果（圖4）表明，多數序列標簽的長度為200～260之間。CK含有743個OUT（operational taxonomic unit），施肥處理T1含有719個OUT，施肥處理T2含有811個OUT，施肥處理T3含有755個OTU。OTU數目越多，表示含有較多的微生物種類。與CK比較，T1、T2、T3處理中特有的OTU數目分別為64、90、76。

根據物種豐度表和物種注釋表，選取豐度最高的20個物種分類，進行相對豐度計算，繪制樣品豐度比較的柱狀圖（圖5）。從圖中可以看出，不同施肥水平處理下，西葫蘆根際土壤中真菌不同類群的相對豐度變化不同。與CK相比，各施肥水平處理均增加了子囊菌門真菌表達的相對豐度，減少了被孢霉門真菌表達的相對豐度。尤其是在T3處理水平下，子囊菌相對豐度值為最大，被孢霉相對豐度值為最小。T2和T3處理水平下，新增加了隱真菌門和未知新真菌種類。

圖6為不同真菌在屬級水平相對豐度圖。在T3處理水平下，紅菇屬菌為新增加真菌。其余真菌為CK和施肥處理下均含有的種類。不同處理下各真菌表達相對豐度變化不同。

3結論

研究明確了在冀西北地區，生物質炭基有機肥能明顯提高西葫蘆植株株高、莖粗度，增加土壤中磷、鉀和有機質的含量。施肥處理1500 kg/hm2為該地區最佳的施用量。T2和T3處理增加了子囊菌門真菌表達的相對豐度、減少了被孢霉門真菌表達的相對豐度，新增加了隱真菌門和未知新真菌種類。施肥處理1000 kg/hm2時根際土壤微生物OTU最多。

4討論

生物質炭基有機肥是利用生物炭與養分元素結合而產生的一種新型復合肥料，具有改良土壤、延緩養分釋放和提高作物養分吸收等功效。研究報道，生物質炭因富含P、K、Mg、Ca等元素，施入后土壤能夠影響其各種養分的含量。劉小虎等[14]發現，種植花生的土壤在施用炭基肥后養分含量顯著增加。杜衍紅等[15]研究表明，與不施生物質炭的對照處理相比，稻殼生物質炭的添加導致土壤速效氮含量下降10%。張文娟等[16]的研究表明，生物炭添加量、灌水量及其交互作用對土壤銨態氮含量均有顯著影響。本研究發現，與CK相比，除氮含量外，施用生物質炭基有機肥植株根際土壤磷、鉀和有機質的含量明顯增加。土壤有效磷和速效鉀含量的增加可能有利于提高植株抗病性。同時本研究還發現，在施肥處理T2和T3下，西葫蘆果實可溶性糖含量下降，且明顯低于CK。與李大偉等[6]研究的結果一致。

本研究利用宏基因組測序法，發現生物質炭基有機肥處理明顯增加了子囊菌門真菌表達的相對豐度、減少了被孢霉門真菌表達的相對豐度，新增加了隱真菌門和未知新真菌種類。研究表明，生物質炭可以增強土壤微生物活性，提高土壤肥力。而土壤微生物活性變化對土壤肥力的影響還有待于進一步研究。

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