牛亚茹，付祥峰，邱良祝，李恋卿，潘根兴

(南京农业大学农业资源与生态环境研究所，南京 210095)

施用生物质炭对大棚土壤特性、黄瓜品质和根结线虫病的影响①

牛亚茹，付祥峰，邱良祝，李恋卿*，潘根兴

(南京农业大学农业资源与生态环境研究所，南京 210095)

选择长期种植黄瓜并发生根结线虫病的大棚，设计生物质炭施用量为0(C0)、24(C1)、48(C2)t/hm2的田间试验，研究生物质炭对黄瓜生长、品质以及根结线虫病的影响。结果表明：生物质炭显著提高了土壤有机质、全氮、铵态氮、速效钾含量和pH，同时降低土壤体积质量11.0% 以上，C2处理黄瓜根系生物量较C0显著增加了56.9%。与C0相比，C2处理显著增加黄瓜可溶性糖和有机酸含量25.0% 和17.6%，C1处理显著降低黄瓜硝酸盐含量25.5%。C2处理黄瓜根系单株卵块数比C0增加了3.8倍。施用生物质炭对黄瓜产量没有显著影响。研究结果说明，蔬菜大棚土壤中施用生物质炭可改善土壤理化性状，提高黄瓜品质，但有增加根系卵块数的趋势。由于生物质炭与土壤、作物的相互作用会随时间的变化而改变，因此，生物质炭对大棚黄瓜品质和根结线虫病的影响效应需进一步长期观测。

生物质炭；黄瓜；根结线虫；品质

农业废弃物热裂解产生的生物质炭在农业生产上的应用近年来越来越受到关注。许多研究证实生物质炭能够增加农作物产量[1–2]，在改善土壤结构、提高土壤速效养分、增强土壤微生物的繁殖力等方面具有良好的效果[3–4]。同时，张万杰等[5]和张登晓等[6]通过盆栽试验证明生物质炭能够增加蔬菜产量，并减少蔬菜体内硝酸盐含量。生物质炭对根结线虫病害的研究近年来也受到关注。Huang 等[7]将麻梨木制备的生物质炭适量施入土壤，能减少水稻根结线虫引起的水稻根结线虫病害的发生。陈威等[8]研究表明，在适当的添加量下，水稻秸秆生物质炭能够促进番茄生物量的积累，对番茄作物感染根结线虫病具有一定的抑制作用。而生物质炭对大棚黄瓜根结线虫的影响鲜有报道。

在蔬菜产业中，病虫害是影响蔬菜产量和品质的重要因素，其中根结线虫对作物生长的危害逐渐严重[9]。根结线虫病作为主要的土传病害之一，不仅直接危害作物，还会和其他病原物互作造成复合浸染，如伴随着枯萎病、根腐病等真菌病害的发生[10–11]。病害发生后，一般减产10% ~ 20%，严重达75% 以上[12]。目前对根结线虫的防治主要以化学防治为主，由于化学杀线剂的毒性强、残留高，对人类和环境造成了严重的危害[13]。同时，设施蔬菜生产由于无雨水淋洗，肥料投入大、复种指数高等问题，在一定种植年限后，土壤质量退化、微生态环境恶化、病害加重，致使土地可持续利用能力下降，从而影响蔬菜的产量与品质[14–16]。因此，在蔬菜生产过程中如何防治根结线虫病、提高蔬菜品质和产量成为大棚蔬菜高产优质的主要挑战。

因此，本研究选择发生根结线虫病的黄瓜种植大棚，通过田间试验研究施用生物质炭对黄瓜生长、品质以及根结线虫病的影响，以期为生物质炭在蔬菜优质、安全生产上的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验田位于山东省潍坊寿光市文家街道北潘曲村(36°51′N，118°40′E)，选择发生根结线虫病(鉴定为南方根结线虫)，长期种植黄瓜的蔬菜大棚进行。该地处鲁中北部沿海平原区，属暖温带季风区大陆性气候。年平均温度13.2℃，年平均降雨量为708.4 mm。试验地耕作方式为每年春秋季种植两季黄瓜。供试土壤为褐土，土壤 pH (H2O) 为7.50，有机碳14.82 g/kg，全氮1.86 g/kg，有效磷75.48 mg/kg，速效钾413.72 mg/kg。

1.2 试验材料

供试生物质炭由南京勤丰秸秆研发有限公司提供，其炭化原料为水稻秸秆，炭化温度为550 ~ 650℃，过2 mm筛，备用。生物质炭的基本性质见表1。供试黄瓜(Cucumis sativus L.)品种为“悦龙一号”，购买于寿光南潘育苗基地(山东省寿光市文家工业园)。

表1 生物质炭基本性质Table 1 Basic properties of tested biochar

1.3 试验设计

试验设置3个生物质炭施用量水平，分别为24 t/hm2(C1)、48 t/hm2(C2)和不施加生物质炭(C0)，在黄瓜苗移栽前将生物质炭均匀撒在土壤表面，翻耕与0 ~ 20 cm土壤混匀，耙平。每个处理4次重复，共12个小区，采用随机区组排列，小区面积为 3.25 m2(0.65 m × 5 m)，小区间起埂隔开。于2015年4月4日移栽黄瓜苗，各小区采用长势均一的健康黄瓜苗30株种植。

试验田采用常规水肥管理。施用500 kg/hm2复合肥(N︰P2O5︰K2O=15︰5︰20)和 18 t/ hm2有机肥(有机质≥45%，N+P2O5+K2O≥5%)作基肥。在黄瓜结瓜期每周追施250 kg/hm2复合肥(N︰P2O5︰K2O = 20︰20︰20)。田间施用复合肥和有机肥均由戴威农业科技发展股份有限公司提供。

1.4 样品采集与处理

黄瓜于5月3日开始采摘至7月20日采摘结束。结瓜初期，每小区随机采集4条成熟商品黄瓜，用于测定黄瓜的品质。采摘完成后，分离茎叶和根系，每小区的所有黄瓜根系全部挖出，采集根围土壤样品。将根系和土壤样品放在保鲜箱中带回实验室，于4℃冰箱保存。土壤样品掰碎、剔除大中型土壤动物及根茬等，供土壤线虫分离和土壤理化性质的分析。

1.5 测定项目和方法

1.5.1 土壤理化性质测定 参照《土壤农化分析》[17]中相关方法进行土壤理化性质的测定。

1.5.2 黄瓜产量及根茎叶干重 黄瓜分次采摘，共采收19次，各小区采摘成熟商品黄瓜称量计产，最后估算总产量。将根系和茎叶用自来水冲洗后，用蒸馏水冲洗干净，测定根系卵块数和单个卵块中的虫卵数，之后烘干测定根干重。将茎叶和根分别放入烘箱中105℃ 杀青30 min，75℃ 烘干至恒重，称重，计算各小区根系和茎叶干物质重。

1.5.3 黄瓜品质的测定 黄瓜果实中可溶性糖测定采用蒽酮比色法；有机酸测定采用水浴提取–碱液滴定法；硝酸盐含量测定采用水杨酸比色法[18]。

1.5.4 单株根系卵块数的测定 植株的根先用自来水清洗，再用蒸馏水洗净，干净纱布吸干水分，置于0.1 g/L伊红Y(eosin-Y) 水溶液中，室温下染色30 min，统计黄瓜根系单株卵块数[19]。

1.5.5 单个卵块卵粒数的测定 根据Terefe 等[20]的方法并略作修改后测定单个卵块的卵粒数。各处理随机选取10棵黄瓜根系，用镊子将卵块从根系中挑出，单株根系选取大小一致的卵块10个，加入1 ml 0.5% NaOCl溶液，强力振荡2 min。将卵悬液定容至5 ml，吸取20 μl 观察、计数。重复5次。

1.5.6 土壤中根结线虫二龄幼虫 (J2) 数量的测定 土壤中线虫的分离提取采用蔗糖浮选离心法[21]。线虫总数通过Olympus ZX10体视显微镜直接计数，将土壤线虫数量换算成100 g干土中线虫的数量，然后每个样品随机抽取 100 ~ 200条线虫进行制片，于Olympus BX51光学显微镜下进行线虫形态鉴定。

1.6 数据分析

试验处理间的比较采用单因素方差分析 (ANOVA)，如差异显著(P<0.05)，再用Duncan’s测验进行具体比较。试验数据和图表制作采用Excel 2013处理，采用SPSS 20.0软件进行统计分析。测定结果数据均以平均值±标准误的形式表示。

2 结果与分析

2.1 生物质炭对土壤理化性状的影响

生物质炭对土壤理化性质的影响见表2。施用生物质炭显著提高土壤pH，同时降低土壤体积质量，C2处理土壤体积质量与 C0处理相比显著降低12.6%。施用生物质炭能显著增加土壤有机碳和全氮的含量，C1和C2处理土壤有机碳含量比C0分别增加了22.4%、37.2%，C2处理土壤全氮含量比C0显著提高10.2%。同时，生物质炭影响土壤速效养分含量。由表2可知，C2处理土壤铵态氮和速效钾含量与C0处理相比分别显著增加了53.3% 和43.7%，而低用量水平(C1)下没有达到显著性差异。此外，生物质炭对土壤硝态氮和有效磷的含量没有显著改变。

表2 生物质炭对土壤理化性质的影响Table 2 Effects of biochar on soil physical and chemical properties

2.2 生物质炭对黄瓜生长及品质的影响

由表3可知，C2处理下黄瓜根部干重较C0处理显著提高了56.9%，而C1处理下黄瓜茎叶和根干重无显著差异。虽然 C0处理产量的平均值高于 C1、C2处理，但由于测产是通过19次采摘称重统计的，C0处理的产量变异性较大(表3)，经统计检验，C2、C1处理与C0相比对黄瓜产量均没有显著影响(P>0.05)。

表3 生物质炭对黄瓜生物量的影响Table 3 Effects of biochar on cucumber biomass

由表4可知，生物质炭添加显著增加黄瓜果实可溶性糖和有机酸的含量，且随着生物质炭用量的增加均呈现增加的趋势，其中C2处理与C0处理相比分别显著增加了25.0% 和17.6%。C1处理黄瓜硝酸盐的含量比C0显著降低了25.5%，C1和C2之间没有显著差异。

表4 生物质炭对黄瓜可溶性糖、有机酸和硝酸盐含量的影响Table 4 Effects of biochar on contents of soluble sugar, organic acid and nitrate in cucumber

2.3 生物质炭处理对黄瓜根结线虫病的影响

表 5为不同用量生物质炭对根结线虫密度和繁殖的影响，如表所示，各处理间土壤中根结线虫二龄幼虫数量、单个卵块卵粒数无显著差异。与C0处理相比，C2处理单株黄瓜根系的卵块数和单位根重的卵块数分别显著增加3.8倍、2.5倍，而C1处理以上各项指标与C0处理相比均无显著差异。

表5 生物质炭对根结线虫二龄幼虫、卵块和卵粒数量的影响Table 5 Effects of biochar on numbers of J2 root-knot nematode, egg masses and eggs

3 讨论

3.1 生物质炭对土壤理化性状的影响

研究结果表明，生物质炭通过降低土壤体积质量，增加土壤有机碳、铵态氮、速效钾等养分含量，达到改善土壤质量、提高养分有效性的效果，与之前的研究结果[22–24]相似。可能是因为生物质炭具有丰富的孔隙结构，促进土壤团聚体的形成，有效地改善土壤的通气状况[24]。生物质炭较大的比表面积，带有负电荷，具有较高的 CEC[23]，可以提高土壤对养分离子钾和 NH4+的吸附能力，增加土壤铵态氮和速效钾的含量。并且生物质炭自身含有一定量的养分，对土壤有效态养分的提高有重要的贡献。本试验显示，土壤有机碳随生物质炭用量的增加而显著提高，这是由于生物质炭主要是以具有较高稳定性的高度芳香化有机物为主，在土壤环境中具有较高的稳定性[25–26]。

3.2 生物质炭对黄瓜生长及品质的影响

生物质炭对作物生长及产量的研究在国内外已有大量报道[1–2,4,27–28]，并且在菠菜、辣椒等蔬菜种植中也有增产效应[5,29]。然而生物质炭的增产效应受生物质炭自身特性、土壤类型、农田管理措施等诸多因素制约，具有很大的不确定性[28]。本试验结果表明，不同用量的生物质炭施入土壤显著提高黄瓜根系的生物量，这与生物质炭对土壤理化性质的改善有关。一方面生物质炭降低土壤体积质量，提高土壤的通气性，为根系的伸展提供足够的空间；另一方面生物质炭能够提高土壤营养元素的有效性，调节土壤的供肥状况。但本研究表明，施用生物质炭对黄瓜产量和茎叶干重均没有影响。Abiven 等[30]指出，生物质炭在低肥力土壤中的增产效应大于高肥力土壤。Haefele等[31]将稻壳生物质炭施入 3种肥力不同的土壤发现，生物质炭应用于低肥力土壤作物产量显著提高，而在中、高肥力土壤上没有增产效果。而本研究所选的试验地土壤肥力较高(土壤有机质25.5 g/kg，全氮1.8 g/kg)，黄瓜种植过程中施肥量也较大，这些因素均可能削弱了生物质炭的增产效应。此外，生物质炭对作物生长的影响存在年际的变异。Major等[32]研究发现，第1年施用生物质炭处理与CK相比，玉米产量无显著变化；而在施炭后的第2 ~ 4年中，施炭处理玉米产量大幅度增加。本试验仅基于黄瓜一个生长季的研究，生物质炭对黄瓜产量的影响需要进一步持续观察。

本研究发现生物质炭显著降低黄瓜果实中硝酸盐的含量，这与张万杰等[5]和刘玉学等[33]的研究结果相似。一方面可能因为生物质炭对土壤中的铵根离子的吸附性较强，减少植株对氮素的吸收。另一方面，可能由于生物质炭能够调控土壤含水量进而抑制作物蒸腾作用，减少作物对氮素的吸收，进而降低蔬菜中硝酸盐的积累[34]。施用生物质炭可显著增加黄瓜果实中可溶性糖和有机酸的含量。生物质炭能够有效保持土壤含水量[4,35–36]，而土壤含水量控制在适宜水平有助于提高果蔬中可溶性糖含量[37]。综上，生物质炭在温室大棚蔬菜种植中能够有效改善蔬菜品质。

3.3 生物质炭对大棚黄瓜生产中根结线虫病的影响

本研究发现，在高用量生物质炭处理(C2)下黄瓜根系单株卵块数及单位根重卵块数显著提高，说明生物质炭施用量的提高在一定程度上促进了根结线虫的生长繁殖。但 Huang 等[7]研究发现生物质炭用量在1.2% 以上水平能显著降低水稻根结线虫病。这可能与生物质炭和植物种类等因素有关。George 等[38]研究了5种不同材料(4种生物质炭和沸石)对胡萝卜穿刺短体线虫的影响，发现松树皮、松针等生物质炭对线虫的侵染均有抑制作用，但松木生物质炭对线虫没有抑制效应，说明生物质炭对根结线虫病的影响因生物质炭种类、用量等的不同而具有不同的效应。此外，根结线虫病主要发生在作物根系上，以侧根和须根最易受害[39]。本试验显示生物质炭对根系生长具有促进作用。已有研究表明，施用生物质炭显著促进番茄和大麦等作物须根(或侧根)的生长[40,8]。根系体积的增大，特别是须根增多，从而增加了根结线虫的侵染位点，这可能也是生物质炭增加黄瓜根结线虫病发病率的原因之一。此外，根结线虫在土壤中的孵化、存活及完成生活史与土壤环境密切相关，如土壤中的离子、酸碱性、温度、湿度、土壤类型和微生物等[41]。本试验中生物质炭降低土壤体积质量、增加土壤通气性和土壤有机质含量、改变土壤环境，进而影响根结线虫的生存与繁殖。生物质炭对根结线虫病的影响可能因生物质炭种类、施用剂量、土壤类型以及作物种类的不同而存在差异，而生物质炭与土壤的相互作用以及生物质炭对植物的促根效应也会随着施炭时间的推移而发生改变，这些变化均会影响线虫对施炭措施的响应。因此，生物质炭对根结线虫生长的效应需要进一步进行长期的试验研究。

4 结论

本试验研究结果表明，施用生物质炭显著提高土壤有机质、全氮、铵态氮和速效钾的含量，降低土壤体积质量。土壤中添加生物质炭显著增加黄瓜果实中可溶性糖和有机酸的含量，降低黄瓜硝酸盐含量，改善黄瓜品质。高施炭量条件下显著提高黄瓜根系生物量，增加了根结线虫卵块数，但对黄瓜产量没有显著影响。

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Effects of Biochar on Soil Properties, Cucumber Quality and Root-knot Nematode Disease in Plastic Greenhouse

NIU Yaru, FU Xiangfeng, QIU Liangzhu, LI Lianqing*, PAN Genxing
(Institute of Resource, Ecosystem and Environment of Agriculture, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

In order to explore the effects of biochar on the quality and the root-knot nematode of cucumber, an experiment was conducted in a plastic greenhouse with serious root-knot nematode disease after long-term of cucumber planting with three levels of biochar amendment designed as follows: C0 (no biochar, CK), C1 (biochar 24 t/hm2) and C2 (biochar 48 t/hm2). The results indicated that biochar addition significantly increased soil organic matter, total N, NH4+, available K and pH, and decreased soil bulk density by more than 11.0%. Compared to CK, C2 treatment enhanced cucumber root biomass, soluble sugar content, organic acid content, egg masses by 56.9%, 25.0%, 17.6% and 3.8 times, respectively, while C1 treatment decreased nitrate content by 25.5%. However, biochar had no significant effect on cucumber yield. The experiment indicated that biochar can improve soil properties, enhance cucumber quality, while increase the egg masses on cucumber roots. However, long-term observation is necessary in the future studies because the interaction of biochar-soil-crop system is changeable with time.

Biochar; Cucumber; Root-knot nematode; Cucumber quality

S642.2；S435.79

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.01.009

农业科技成果转化资金项目(2013GB23600666)资助。

* 通讯作者(lqli@njau.edu.cn)

牛亚茹( 1992—)，女，河南许昌人，硕士研究生，主要从事土壤与环境质量及管理研究。E-mail: 2013103075@njau.edu.cn