赵秋芳　马海洋　王辉　王华　赵青云

摘要：采用室内培养试验，研究施用生物炭对香草兰（Vanilla planifolia Andrews）生长和根际土壤微生物的影响。试验共设5个处理，分别是不添加生物炭（CK）和干土中添加生物炭10 g/kg（C1）、30g/kg（C2）、50g/kg（C3）、100g/kg（C4）。结果表明，施用生物炭促进了香草兰植株地上部和根系的生长，与CK相比，C2处理的地上部和根系干重分别增加50.0 %和74.7%。C2处理的总根长、根系表面积分别较CK增加28.7 %和12.9%。香草兰连作土壤中施入生物炭增加了香草兰根际土壤细菌和放线菌数量，以C2处理的细菌、放线菌数量最多，分别为CK处理的1.49倍和1.75倍。并且生物炭处理的根际土壤真菌数量显著降低。总之，施用生物炭可以促进香草兰生长，改善连作土壤的微生物环境，且以干土中添加生物炭30 g/kg处理的效果最佳。

关键词：香草兰（Vanilla planifolia Andrews）；生物炭；根系形态；土壤微生物

中图分类号：S573+.9；S141.6；S154.36 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）22-5647-05

Abstract： A pot experiment was conducted to evaluate the effects of biochar on vanilla （Vanilla planifolia Andrews） growth and rhizosphere soil microbial community structure. There were five installed treatments， no biochar plus （CK）， dry soil plus 10 g/kg of biochar （C1）， dry soil plus 30 g/kg biochar （C2）， dry soil plus 50 g/kg of biochar（C3）， and dry soil plus 100 g/kg of biochar（C4）. Results show that biochar plays a very important role in promoting vanilla shoot growth and root development. C2 treatment could obviously increase vanilla plant above ground and root dry weight by 50.0% and 74.7% compared with control. The total root length， root surface area of C2 treatment was 28.7% and 12.9% higher than CK， respectively. Application of biochar in continuous cropping soil of vanilla could increase the quantity of bacteria and actinomycetes， and significantly decrease the quantity of fungi in rhizosphere soil. The quantity of bacteria and actinomycetes of C2 treatment was 1.49， 1.75 times higher than the control. In conclusion， application of biochar in continuous cropping soil of vanilla could effectively promote vanilla plant growth， significantly improve soil microbial environment， and dry soil plus 30 g/kg biochar effect is the best.

Key words： Vanilla planifolia Andrews； biochar； root morphology； soil microbes

香草兰（Vanilla planifolia Andrews）是兰科（Orchidaceae）热带攀缘藤本香料植物，素有“天然食品香料之王”的美誉。其鲜豆荚经过生香加工后含有250多种芳香成分，香气独特，被广泛作为高级香烟、名酒、茶叶等各类高档食品的配香原料使用[1]。香草兰还是用途广泛的天然药材，已被列入美国、德国、英国的国家药典，中医认为有补肾、和胃、健脾等功效[2]。香草兰分布于热带和亚热带的南北纬度25°以内地区，在中国的海南省及云南省的西双版纳地区可以种植。香草兰为多年生植物，长期人工种植会出现植株长势变弱、土壤容重增加、土壤微生物區系失衡等问题，形成连作障碍[3]，严重制约了香草兰产业的可持续发展。

生物炭是指木材、农作物废弃物、植物落叶等物质在厌氧或者无氧条件下经缓慢高温（<700 ℃）分解得到的富含碳的有机物质。生物炭具备有机碳含量高、多孔性、碱性、吸附能力强等特点[4，5]。近年来，生物炭（Biochar）因其独特的物理化学特点及其在提高土壤肥力、改善土壤结构、促进作物生长等方面的功效而受到国内外研究者的广泛关注。李昌见等[6]研究表明，生物炭可以促进番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）植株生长，提高果实产量，且以40 t/hm2的施用量效果最佳。Lehmann等[7]研究表明，施用生物炭可以提高豇豆[Vigna unguiculata（L.）Walp.]和水稻（Oryza sativa L.）的生物量，促进作物对P、K、Ca、Zn、Cu的吸收量，提高土壤养分的有效性。张伟明等[8]以玉米（Zea mays L.）芯为材料制备生物炭，施用后，大豆[Glycine max（L.）Merr.]的株高，地上部干物质积累增加，产量与品质明显提高，且较高的施炭量（1 500、3 000 kg/hm2）平均比对照增产10.98%。另外张伟明等[9]还在水稻上试验过，结果表明生物炭可以促进水稻生育前期根系的主根长、根体积和根鲜重增长，提高水稻根系总吸收面积和活跃吸收面积，同时增加水稻产量，以20 g生物炭/kg土的处理效果出众，产量提高了33.21%。

此外，生物炭因其特有的疏松多孔结构和巨大的比表面积性质，在施入土壤后可为土壤微生物的聚集、生长和繁殖提供良好的生态环境，减少微生物之间的生存竞争，进而提高微生物的生物量[10]。韩光明等[11]研究表明，设施栽培的菠菜（Spinacia oleracea L.）其土壤添加生物炭后，土壤中的根际细菌、真菌、放线菌及氨化细菌、好氧自生固氮菌和反硝化细菌等功能性细菌的数量均有增加。Prayogo等[12]发现生物炭施用能够增加土壤细菌生物量，显著增加革兰氏阴性菌和放线菌的丰度。王晓辉等[13]发现设施栽培退化土壤添加生物炭后，土壤中氨氧化细菌与氨氧化细菌和nirK型反硝化细菌的丰度显著增加，进而提高土壤的硝化潜势。

众多研究表明，生物炭在改良土壤和促进作物生长上发挥着重要作用。试验采用玉米秸秆炭化后的生物炭为试验材料，通过盆栽试验研究施用生物炭对连作土壤上种植香草兰的影响，同时探讨生物炭对香草兰根际微生物的影响，旨在为解决香草兰连续种植中出现的长势衰弱和土壤质量变差等连作障碍问题提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤采自中国热带农业科学院香料饮料研究所种植20年的香草兰园土壤，土壤质地为沙壤土，养分含量为全氮10.3 g/kg，速效磷62.71 mg/kg，速效钾145.00 mg/kg，有机质14.68 g/kg。试验用生物炭原材料为玉米秸秆，粒径1.5～2.0 mm，制备温度为500 ℃。生物炭pH 9.05，其含氮10.6 g/kg，含磷31.2 g/kg，含钾24.4 g/kg。

1.2 试验设计

试验用容器采用周转箱（规格600 mm×420 mm×165 mm），每箱装干土10 kg。试验设置5个处理：处理1为对照（CK），不施生物炭；处理2（C1）：在干土里施加生物炭10 g/kg；处理3（C2）：在干土里施加生物炭30 g/kg；处理4（C3）：在干土里施加生物炭50 g/kg；处理5（C4）在干土里施加生物炭100 g/kg。每处理3次重复，共15箱，随机排列。选取长势一致的健康香草兰苗，每箱栽种2株，1株用于测定生物量，另外1株用于根系形态扫描，同时采集根际土壤用于微生物测定。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 植物生物量及根系形态 在香草兰移栽9个月后挖出全株，抖净泥土，将根系及茎叶分别装入牛皮纸袋中，迅速带回实验室；清洗干净后晾干，采用EPSON根系扫描仪扫描整个根系，应用WINRhizo软件分析根系各生长参数；将根系及茎叶置烘箱里杀青并烘至恒重，称量。

1.3.2 土壤微生物数量测定 细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基培养，配方为牛肉膏3 g、蛋白胨10 g、NaCl 5 g、琼脂20 g、蒸馏水1 000 mL，用浓度为1 mol/L的HCl或NaOH 调pH 至 7.0～7.2，在121 ℃高压下灭菌20 min。放线菌采用改良高氏一号培养基培养，配方为可溶性淀粉 20 g、KNO3 1 g、NaCl 0.5 g、K2HPO4 0.5 g、MgSO4·7H2O 0.5 g、FeSO4 0.01 g、琼脂 20 g、蒸馏水1 000 mL，调pH 至7.2～7.4，在121 ℃灭菌20 min。真菌采用马丁氏培养基培养，配方为葡萄糖10 g、蛋白胨5 g、KH2PO4 0.5 g、MgSO4·7H2O 0.5 g、1/3 000孟加拉红100 mL、琼脂20 g，pH自然，蒸馏水800 mL，在115 ℃高压下灭菌30 min，临用前加入0.03 %硫酸链霉素稀释液100 mL[14]。采用平板稀释涂布计数法，称取新鲜保存的土壤样品10 g，倒入含有90 mL无菌水的250 mL三角瓶中，放入摇床振荡混匀（170 r/min，30 min）。土壤悬浊液用无菌水依次稀释至10-2、10-3、10-4、10-5。取10-3、10-4、10-5浓度梯度稀释液各0.1 mL涂布至牛肉膏蛋白胨培养基上。取10-2、10-3、10-4、10-5浓度梯度稀释液各0.1 mL涂布至改良高氏一号培养基上，取10-3、10-4、10-5稀释液各0.1 mL涂布至马丁氏培养基上。细菌、放线菌平板置于30 ℃培养箱中培养3 d，真菌平板放置于28 ℃培养箱中培养5 d，培养结束后进行计数。

1.4 数据分析

试验所得数据采用Microsoft Office Excel 2007软件进行处理并作图，用SPSS 16.0软件进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 生物炭处理对香草兰生物量的影响

施加生物炭对香草兰植株地上部及根系生物量（干重）的影响情况见图1。由图1-A可知，C2处理香草兰地上部的干重最大，与对照相比提高了50.0%。差异达到了显著水平（P<0.05）；另外，C1、C4处理地上部的干重分别比对照增加了13.1%和6.7%，但差异不显著（P>0.05）。由图1-B可知，C2处理的根系干重最大，显著高于其他处理（P<0.05），分别比对照、C1、C3、C4处理增加了74.7%、107.3%、102.6%、63.3%；其余4个处理间无显著差异（P>0.05）。由此可见，C2处理（在干土里施加生物炭30 g/kg）可以显著促进香草兰地上部及根系生物量的增长。

2.2 生物炭处理对香草兰根系生长的影响

施加生物炭对香草兰植株根系生长的影响情况见表1。从表1可见，C2处理的总根长最长，较对照增加了28.7%，但是差异不显著（P>0.05）；C2处理的总根长分别较C1、C3处理增加了42.6%、40.6%，差异显著（P<0.05）。C4处理的根系表面积最大，显著（P<0.05）高于C1、C3处理，分别比C1、C3处理增加了33.4%、24.7%；比对照、C2处理增加了19.8%、6.2%，但差异不显著（P>0.05）。C2处理的根系表面积分别比对照、C1、C3处理增加了12.9%、25.7%、17.3%，差异不显著（P>0.05）。C4处理的根系体积最大，分别比对照、C1、C2、C3处理增加了33.2%、45.8%、35.7%、32.9%，差異均达显著水平（P<0.05），其余4个处理间差异不显著（P>0.05）。C4处理的根系平均直径最大，分别比对照、C1、C2、C3处理增加了9.4%、8.2%、18.0%、5.3%，且与C2处理间的差异达到了显著水平（P<0.05）。上述结果说明施用生物炭后可促进香草兰根系的生长发育，且以C2、C4处理对培育香草兰发达的根系具有较好的效果。

2.3 生物炭處理对香草兰植株根际土壤微生物数量的影响

2.3.1 土壤细菌 施加生物炭对香草兰植株根际土壤细菌数量的影响情况见图2。由图2可知，C2处理的香草兰植株根际土壤细菌数量显著高于对照（P<0.05），为对照的1.49倍；同时显著高于C1、C3、C4处理，分别是C1、C2、C4处理细菌数量的1.41、1.51、1.46倍。而C1、C3、C4处理的香草兰植株根际土壤细菌数量与对照相比均有少量增加，但是差异不显著（P>0.05）。由此可见，C2处理（在干土里施加生物炭30 g/kg））可以显著增加香草兰根际土壤中的细菌数量。

2.3.2 土壤放线菌 施加生物炭对香草兰植株根际土壤放线菌数量的影响情况见图3。由图3可知，C2处理的香草兰植株根际土壤放线菌数量为对照的1.75倍，差异显著（P<0.05）；同时C2处理的放线菌数量高于C1、C3处理，分别为C1、C3处理的1.27、1.11倍，但差异不显著（P>0.05）；不过C2处理的放线菌数量显著高于C4处理（P<0.05）。C3处理的放线菌数量显著高于对照（P<0.05），为对照的1.58倍。C1处理的放线菌数量与对照差异不显著（P>0.05）。C4处理的放线菌数量最低，显著低于C1、C2、C3处理（P<0.05）。这说明适量添加生物炭可以增加香草兰根际土壤中的放线菌数量，但是生物炭添加量为100 g/kg时，香草兰植株根际土壤放线菌的数量反而降低。

2.3.3 土壤真菌 施加生物炭对香草兰植株根际土壤真菌数量的影响情况见图4。由图4可知，C2处理的香草兰植株根际土壤真菌数量最低，比对照减少的程度最大，显著低于对照（P<0.05），并且与 C1、C3、C4处理相比，分别降低了77.4%、65.0%、72.0%，但差异不显著（P>0.05）。另外C1、C3、C4处理与对照相比，根际土壤真菌数量分别降低了62.1%、75.6%、69.5%，差异均达到了显著水平（P<0.05）。由此可见，施用生物炭可以显著降低香草兰植株根际土壤中的真菌数量。

3 小结与讨论

3.1 生物炭对香草兰地上部及根系生长的影响

植物在炭化以后，大多保留了原有生物质的良好孔隙结构，具有较大的孔隙度和比表面积[15]。生物炭施入土壤后可以增加土壤的孔隙度，降低土壤容重，并可以有效的固持土壤水分，增加土壤含水量。Oguntunde等[16]研究表明，施用生物炭可使土壤容重降低9%，而总孔隙率则从45.7%增加到50.6%，饱和导水率提高了88%。土壤容重降低和通气孔隙提高为植物根系提供了良好的生长空间，有利于根系生长。同时施加生物炭促进了番茄根系的发育和产量的提高。勾芒芒等[17]研究表明，施加生物炭促进了番茄根系生长和产量提高，在干土里施加生物炭40 g/kg处理的主根长、主根直径、总根系鲜质量和产量分别是对照的1.20、1.24、1.21和2.67倍。本试验中，施加生物炭可以促进香草兰植株地上部和根系的生长，在干土里施加生物炭30 g/kg处理的地上部干重比不施加生物炭的对照增加50.0%，根系干重较对照增加74.7%。另外添加生物炭可以促进香草兰根系的生长，在土里施加生物炭30 g/kg处理的总根长、根系表面积分别比对照增加了28.7%、12.9%；在土里施加生物炭100 g/kg处理的根系表面积、根系体积和根系直径分别比对照提高了19.8%、33.2%、9.4%，这与张伟明等[9]在水稻上的研究结果相一致。

3.2 生物炭对香草兰根际微生物生长的影响

众多研究表明，生物炭能够促进土壤微生物生长有两个方面的原因，一是生物炭本身具有疏松多孔的结构和巨大的表面积、能够保持水分和空气的特点，可为土壤微生物聚集、生长与繁殖提供良好的环境[10]；另外，生物炭含碳量丰富，在培养过程中会部分降解，为微生物提供碳源，可促进特定微生物的生长[18]，改变土壤中微生物群落的结构[19]。试验发现，在香草兰连作土壤里施入生物炭能够提高香草兰根际土壤的细菌和放线菌数量，且以在土里施加生物炭30 g/kg处理的细菌和放线菌数量最多，分别为不施加生物炭的对照的1.49、1.75倍。另外施用生物炭显著降低了香草兰根际土壤中的真菌数量，其中30 g/kg处理的真菌数量最低，究其原因可能是不同微生物群体对生物炭的响应方式不同造成的。Jin[20]通过比较亚马逊黑色土壤和生物炭改良土壤的研究发现，改良土壤的真菌多样性比未改良的土壤低。另外还有研究表明生物炭提高了土壤中磷的有效性，导致菌根真菌的丰度下降[21]。Aciego等[22]发现，随着土壤pH上升，微生物的量有所增加，但真菌和细菌对pH有不同的反应；随着 pH上升到大约7时，细菌的丰度增加，而真菌的丰度变化并不一致，或者在总生物量上没有变化[22]，或者在较高的pH时显著降低[23，24]。在本试验中，添加生物炭提高了土壤的pH，对照处理的pH为6.02，在土里施加生物炭100 g/kg处理的pH提高至7.05（另文发表），这也可能是香草兰根际真菌降低的原因。另外真菌是造成香草兰出现根腐病的主要病原菌，施用生物炭能显著降低根际土壤中的真菌数量，可以降低香草兰根腐病发生的风险。

综上所述，在香草兰连作土壤里施用生物炭可以促进香草兰植株地上部及根系的生长，增加根际土壤细菌和放线菌的数量，同时降低根际土壤的真菌数量，且以在干土里施加生物炭30 g/kg处理的效果最佳。不过由于试验仅就生物炭对香草兰生长及其根际土壤微生物的影响进行了初步研究，生物炭是否能够用于改良香草兰连作土壤，仍需要进一步试验来验证。

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（责任编辑 王珞）