徐广平，滕秋梅，沈育伊，邱正强，张德楠，何成新，牟海飞，周龙武*，韦绍龙，牟芝熠

1. 广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所/广西喀斯特植物保育与恢复生态学重点实验室，广西 桂林 541006；2. 广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所/广西植物功能物质研究与利用重点实验室，广西 桂林 541006；3. 河北建筑工程学院，河北 张家口，075000；4. 中国地质科学院岩溶地质研究所，自然资源部/广西岩溶动力学重点实验室，广西 桂林 541004；5. 广西农业科学院生物技术研究所，广西 南宁 530007；6. 广西师范大学生命科学学院，广西 桂林 541004

香蕉枯萎病是尖孢镰刀菌古巴专化型（Fusarium oxysporumf. sp. cubense，FOC）侵染植物后，引起的维管束病害（Tushemereirwe et al.，2000），属于真菌类土传病害，易发于 pH值 6.0以下、肥力较低的砂质、砂壤等酸性土壤中（Barbiéri et al.，2006），而土壤理化性状对土传病菌的生长和病害的发生起着关键作用（Alabouvetie，1986）。在中国蕉园等农田中，由于铵态氮等化肥的大量施用，加剧了土壤酸化（Guo et al.，2010），也破坏了蕉园的土壤结构，降低了土壤有机质、全氮和碱解氮含量，抑制了土壤酶活性和微生物数量（陈明智等，2008；洪珊等，2017），土壤酸化可能是造成作物枯萎病高发的一个重要原因（Barbiéri et al.，2006；彭双等，2014；姚燕来等，2015）。因此，选择能延缓土壤酸化、改善土壤养分、提高土壤酶活性、优化土壤微生物群落结构和有利于香蕉枯萎病防控的土壤改良剂，对蕉园土壤质量的提升和生态环境的改善，具有重要的理论与现实意义。

中国是香蕉种植大国，每年都会产生大量的香蕉茎叶等农业废弃物，焚烧和直接还田可能会带来一定的环境问题，如何实现香蕉茎叶废弃物资源的多种利用途径，是目前香蕉产业发展中亟待解决的问题。生物炭（biochar）是农作物秸秆等废弃物、动物粪肥等其他生物质在完全或部分限氧条件下经高温裂解产生的一类高度富碳的难熔性固态物质（孔丝纺等，2015），被视为有效的土壤改良剂，具有原材料丰富，比表面积大和吸附能力强等优点，尤其生物炭呈碱性，能显著提高土壤的 pH值（Spokas et al.，2012）。施用生物炭能促进作物生长，改善土壤理化性质和提高土壤肥力（袁金华等，2011；刘玉学等，2013；Agegnehu et al.，2017；Kumar et al.，2018），提高土壤酶活性，调节土壤微生物群落结构（El-Naggar et al.，2018；胡华英等，2019）。将农业废弃物转化为生物炭，在土壤改良和农业生产等领域中具有广泛的应用（张祥等，2013；房彬等，2014；蒋惠等，2017）。有报道生物炭被应用于因土壤病原菌引起的枫树（Staphylea forrestii）、橡树（Quercus palustris）、辣椒（Capsicum annuum）等农作物土传病害的防治中（Elmer et al.，2011；Zwart et al.，2012；王光飞等，2017），生物炭能抑制立枯丝核菌（Rhizoctonia solani）引起的萝卜猝倒病（Guijarro et al.，2010），也有不少关于生物炭防控番茄（Solanum lycopersicum）青枯病、芦笋（Asparagus officinalis）根腐病和黄瓜（Cucumis sativus）猝倒病等土传病害的报道（马艳等，2014；Graber et al.，2014），表明生物炭在土传病害的防控方面有一定的作用效果。但有关生物炭对土传病害防控效果与其对土壤性状影响的关联分析的研究报道还不多（王光飞等，2017）。

目前已有对花生壳、稻秆、玉米秆、麦秆、猪粪等材料制备生物炭的研究报道（韦思业，2017；柳瑞等，2020），对香蕉茎叶废弃物制备生物炭及其就地返还蕉园土壤的研究较少，而以上研究大部分是基于室内培养试验（Subedi et al.，2016），在野外大田原位输入生物炭的研究不多（田冬等，2017；程扬等，2018）。香蕉园每年产生大量的香蕉茎叶等农业废弃物，其含有丰富的营养成分，是较理想的生物炭材料，如果将香蕉园茎叶废弃物制备成生物炭并就地返还蕉园土壤，可能是香蕉茎叶废弃物资源化利用的途径之一，也可以避免对环境产生污染。同时，生物炭施用对农作物土传病害防治的影响较复杂，已有研究结果仍存在着较多的不确定性。以香蕉茎叶废弃物制备生物炭，并就地返还输入到蕉园土壤中，对香蕉枯萎病是否有防控效果？如果有正效应，是否与根际土壤理化性质、酶活性和微生物群落结构的变化有关？针对这一问题开展研究，对于科学评价香蕉茎叶废弃物生物炭在蕉园土壤改良中的应用效果十分必要。

因此，本研究以香蕉茎叶废弃物为材料，通过开展施用生物炭试验（500 ℃，厌氧制备），研究生物炭不同用施用量对蕉园土壤理化性质、酶活性和微生物群落结构的影响，并探讨对香蕉枯萎病的防控效果，旨在为香蕉茎叶废弃物资源化利用、生物炭在蕉园农田土壤改良以及香蕉枯萎病的防控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地选择在海南省乐东黎族自治县，位于海南西南部，介于18°24′—18°58′N，108°39′—109°24′E之间。气候温暖，光照充足，雨量充沛，热量丰富，年平均降水量为1600 mm，年平均温度24 ℃，年日照时数1900 h。试验地为同一农户耕种、集中平坦的农田，已连作9年的香蕉种植地，2014年该农田香蕉枯萎病发病率达58%以上。土质为轻黏壤土，土层深厚。参考鲍士旦（2000）土壤理化性质的分析方法，经测定，试验地土壤理化性质的相关背景值为：阳离子交换量 8.21 cmol·kg-1，容重 0.99 g·m-3，pH 值 5.86，有机质 5.47 g·kg-1，全氮 1.08 g·kg-1，全磷 0.61 g·kg-1，全钾 2.27 g·kg-1，速效氮 65.18 mg·kg-1，速效磷 3.19 mg·kg-1，速效钾 93.99 mg·kg-1。

1.2 试验材料

种植的香蕉苗购买自广东省农业科学院果树研究所。2014年11月，以收集的乐东县同一香蕉种植地块及周边区域香蕉茎叶废弃物为原料，由济宁德汉齐机械工程科技有限公司制备生物炭，将香蕉茎叶废弃物洗净风干后放置于马弗炉中（日本，Yamato FO410C），采用限氧控温炭化法，按照 5 ℃·min-1升至目标温度500 ℃，炭化时间为2 h，关闭马弗炉，待温度自然冷却至室温后，将制得的生物炭用研钵磨细后过0.25 mm筛，装瓶备用。生物炭pH值采用木质活性炭pH值的测定方法（GB/T 12496.7—1999），使用PHS-3C酸度计（上海精科仪器厂）测定pH值；粗灰分使用木炭和木炭试验方法（GB/T 17664—1999），碳（C）、氮（N）、硫（S）采用德国 Elementar Vario EL III元素分析仪进行分析，磷（P）采用钼锑抗比色法，钙（Ca）、铁（Te）、铜（Cu）、镁（Mg）、钾（K）等元素含量采用IRIS1000ER/S型等离子体发射光谱仪测定，阳离子交换量（CEC）采用醋酸铵法测定，生物炭比表面积采用 ASAP-2020表面积分析仪（Micromeritics Instrument Corporation，US），N2作为吸附质，在液氮温度77 K下测定。

香蕉茎叶生物炭的基本性质为：比表面积80.51 m2·g-1，阳离子交换量 48.31 cmol·kg-1，粗灰分19.05%，pH值10.33，碳含量462.59 mg·g-1，氢含量 23.95 mg·g-1，氧含量 179.31 mg·g-1，氮含量 13.67 mg·g-1，磷含量 5.41 mg·g-1，硫含量 5.39 mg·g-1，钾含量 42.77 mg·g-1，钙含量 15.18 mg·g-1，镁含量 10.75 mg·g-1，铁含量 6.99 mg·g-1，铜含量 2.81 mg·g-1。

1.3 试验设计

于2015年1月布置田间小区试验，生物炭输入比例按生物炭与土壤的质量百分比进行控制（郭艳亮等，2015），设置CK（C0，无生物炭施用）、C1（0—20 cm土层重的1%）、C2（0—20 cm土层重的2%）和C3（0—20 cm土层重的3%）4个处理，每个处理设4个重复，采用完全随机区组设计，共设16个试验小区，每个处理小区面积为250 m2（50 m×5 m），小区之间由畦沟分隔开。使用农耕工具分别将各小区内表层 20 cm深的土壤均匀翻耕，将生物炭一次性按照设定的比例与翻耕的土壤充分混合再回填，并轻微压实以复原土位，对照样地采用同样的翻耕等处理。施用生物炭1个月后，移栽种植巴西蕉（MusaAAA Giant Cavendish cv.Baxi），每试验小区种植40株，株行距为2.5 m×2.5 m。在香蕉生长期间，其他施肥等果园管护措施按照当地的蕉园管理办法进行。

1.4 香蕉株高测量和枯萎病调查

2015年7月，对各试验小区的所有香蕉植株，使用卷尺测定香蕉株高（从香蕉基部到倒数第三片叶叶柄处的高度），同时观察香蕉枯萎病的发病情况，以典型症状（黄叶、维管束堵塞坏死和叶片下垂等）作为发病标准（杨秀娟等，2006），统计香蕉染病率及病情指数，将香蕉枯萎病分为0—4级5个标准。相关计算公式如下：

式中，Ryl为香蕉黄叶率（%）；Ny为黄叶数；Ng为绿叶数。M为香蕉枯萎病发病率（%）；Nd为染病植株总数；Nh为健康植株总数。Id为病情指数；Pdi为各级病株数；Ri为该级级数值；Np为总株数；Rmax为最高级级数值。Edp为防病效果（%）；Id-ck为对照病情指数；Id-tm为处理病情指数。

1.5 土壤样品采集及测定

施用生物炭1年后，于香蕉成熟收获期，采用五点取样法在试验地各小区内每5株香蕉附近采集土样，距离植株根围20—30 cm，采集0—20 cm土壤，5株香蕉根际的土壤均匀混合。将采集的土壤样品装在无菌保鲜袋中，用密封冰盒带回实验室，一部分鲜样保存于4 ℃冰箱，分析土壤酶活性、土壤微生物数量及微生物多样性等备用，另一部分土壤样品风干用于养分含量测定。

土壤理化性质测定参照鲍士旦（2000）的方法，环刀法测定田间持水量和土壤容重，pH值采用电位法；土壤阳离子交换量（CEC）采用乙酸钠-火焰光度法；土壤有机质（OM）采用重铬酸钾氧化法；全氮（TN）通过德国Vario ELIII元素分析仪分析；全磷（TP）用浓硫酸-高氯酸消煮，钼锑抗比色法，美国Agilent 8453紫外-可见分光光度计；全钾（TK）用硫酸-高氯酸消煮，火焰光度法；速效氮（AN）用碱解扩散法；速效磷（AP）用碳酸氢钠浸提，钼锑抗比色法；速效钾（AK）用火焰光度法。

土壤酶活性分析参考关松荫（1986）的方法，通过苯酚钠比色法测定土壤脲酶活性，以 37 ℃脲酶作用48 h内1 g土壤中NH3-N的质量表示；采用3, 5-二硝基水杨酸比色法，测定土壤蔗糖酶活性，以37 ℃蔗糖酶作用下24 h内1 g土壤中葡萄糖的质量表示；采用高锰酸钾滴定法，测定土壤过氧化氢酶活性，以过氧化氢酶作用下1 g土壤24 h所消耗的0.1 mol·L-1KMnO4的体积表示；采用磷酸苯二钠比色法，测定土壤酸性磷酸酶活性，以 37 ℃磷酸酶作用下24 h内1 g土壤中酚的质量表示。土壤可培养微生物数量通过稀释平板计数法统计（许光辉等，1986），可培养细菌、放线菌、真菌的数量的培养基分别为牛肉膏蛋白胨培养基、改良高氏1号（苯酚500 mg·L-1）培养基、马丁（Martin）孟加拉红-链霉素（链霉素30 mg·L-1）培养基，尖孢镰刀菌采用Komada 改良培养基（Smith et al.，2008），以CFU/g（干土）表示。土壤微生物功能多样性采用基于31种碳源的生态板（Biolog-ECO）进行测定，土壤微生物活性用单孔平均颜色变化率（Average well color development，AWCD）表示（Kurten et al.，2016）：

式中，Ci为每个有培养基孔的光密度值；R为对照孔的光密度值；n为培养基碳源数量，本研究为31。

丰富度指数（Richness index）是指被利用碳源的总数目，为每孔中（Ci−R）数值大于0.25的孔数。

多样性指数Shannon-Wiener（H'）：

式中，Pi为有培养基的孔和对照孔的光密度值差与整板总差的比值，即Pi=(Ci−R)/∑(Ci−R)。

1.6 数据处理

运用 Excel 2010进行数据整理和作图，SPSS 22.0软件对数据进行单因素方差分析（One-way ANOVA），并用最小显著差数法（Least significant difference，LSD）进行差异显著性检验（显著性水平设定为α=0.05）。利用Pearson相关系数分析土壤酶活性、微生物群落结构、AWCD值、Shannon-Wiener指数、丰富度指数与土壤理化性质间的相关性。

2 结果与分析

2.1 生物炭施用后蕉园香蕉株高和枯萎病的变化

从表 1看出，与对照处理相比，施用生物炭后株高显著增加了13.62%—34.56%（P＜0.05），大小顺序为 C3＞C2＞C1＞CK。C1、C2和 C3处理的黄叶率分别降低了17.42%、31.65%和40.84%，香蕉黄叶率和枯萎病密切相关，发病率越高，黄叶越多，病害就越严重。C1、C2和C3处理的发病率分别降低了 5.82%、15.22%和 27.09%，病情指数分别降低了 9.57%、16.19%和 32.16%。香蕉枯萎病的防病效果随着生物炭施用量的增加而显著增强（P＜0.05）。

2.2 生物炭对蕉园土壤物理性状的影响

施用生物炭对土壤主要物理性质的影响如图 1所示。与对照相比，C1、C2、C3处理的土壤田间持水量显著增加8.07%、21.74%和35.40%；土壤容重显著降低15.4%—34.34%，土壤毛管孔隙度和总毛管孔隙度分别显著增加 14.36%—34.21%和11.96%—31.96%。

表1 生物炭处理对香蕉株高和枯萎病发生的影响Table 1 Effects of different biochar treatments on plant height and Fusarium wilt of banana plantation

图1 生物炭处理对蕉园土壤物理性状的影响Fig. 1 Effects of different biochar treatments on soil physical properties of banana plantation

2.3 蕉园土壤化学性状的变化

如表2所示，施用生物炭1年后，蕉园土壤pH值、阳离子交换量、有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾以及碳氮比表现出一致的变化趋势，均随生物炭施用量的增加而增大，相对于对照，生物炭施用后以上各指标分别增加了23.55%—33.96%、98.17%—273.45%、50.82%—140.77%、8.33%—34.26%、36.07%—90.16%、16.74%—63.0%、36.04%—84.73%、22.57%—288.09%、33.77%—124.70%和 38.31%—79.57%，其中，速效磷、阳离子交换量、速效钾和有机质的增幅较大。除全氮和速效磷之外，其他指标在各处理间均达到显著差异（P＜0.05）。

2.4 蕉园土壤酶活性和微生物数量的变化

从表3可知，脲酶和过氧化氢酶活性随着生物炭施加量的增加而显著增加，C3＞C2＞C1＞CK。与CK处理相比，生物炭处理（C1、C2，C3）分别显著增加了脲酶和过氧化氢酶活性 23.94%—78.87%和32.95%—95.45%。土壤蔗糖酶和酸性磷酸活性变化规律一致，大小关系为 C2＞C3＞C1＞CK，增幅分别为7.84%—29.51%和36.78%—112.64%。除蔗糖酶在C1与CK间无显著差异之外，C2和C3处理与对照间均达到显著差异。与 CK相比，C1、C2和C3处理分别显著增加了细菌、放线菌和固氮菌数量2.45%—13.07%、6.64%—19.14%和14.10%—78.31%；显著降低了真菌和镰刀菌数量 5.38%—23.19%和4.73%—28.13%。

2.5 蕉园土壤微生物碳源利用能力和代谢活性的变化

从图 2可知，对照处理和生物炭处理 AWCD的变化趋势基本相似，在0—120 h处于增加状态，到120 h时出现最大值，120—144 h略有降低，144 h之后逐渐趋于增加。在144 h，C1、C2和C3处理的AWCD值分别为0.95、1.06和1.22，比CK处理分别提高了4.40%、16.12%和33.70%，高施用量生物炭处理（C2和C3）与对照间的差异显著。在整个培养过程中，不同处理土壤微生物群落的AWCD大小顺序为 C3＞C2＞C1＞CK。

2.6 蕉园土壤微生物群落多样性指数的变化

根据不同处理碳源利用情况（图 3），与 CK处理相比，多样性指数只有在C3处理达到显著差异，而对丰富度指数来说，C1、C2和C3处理均显著高于对照处理。C3处理的多样性指数和丰富度指数均最大，与 CK相比分别增加了 20.92%和41.53%，表明C3处理土壤微生物种类最多、分布较均匀且对碳源利用程度最高。

2.7 土壤理化性质与土壤酶活性、土壤微生物、香蕉枯萎病相关指标间的相关性

表4是施用生物炭后蕉园土壤理化性质与酶活性、土壤微生物、香蕉枯萎病相关指标间的相关性分析。香蕉株高与田间持水量、速效磷和速效钾显著正相关（P＜0.05）；脲酶活性与田间持水量、速效氮呈显著正相关，与全氮呈极显著正相关（P＜0.01）；蔗糖酶仅与全钾含量呈显著正相关（P＜0.05）；过氧化氢酶与速效钾呈显著正相关，与有机质呈极显著正相关（P＜0.01）；酸性磷酸酶与土壤容重呈极显著负相关（P＜0.01），与全氮、速效氮和速效磷呈显著正相关（P＜0.05）；可培养细菌与田间持水量、全氮呈显著正相关（P＜0.05）；可培养真菌与速效氮、速效磷呈显著负相关（P＜0.05）；可培养放线菌与土壤理化性质间无显著相关性；尖孢镰刀菌与容重呈显著正相关，与田间持水量、有机质呈显著负相关，与pH值呈极显著负相关（P＜0.01）；固氮菌与全氮、速效磷呈显著正相关，与速效氮呈极显著正相关（P＜0.01）；AWCD与田间持水量、全氮和速效氮呈显著正相关（P＜0.05）；丰富度与容重呈极显著负相关，与有机质呈显著正相关（P＜0.05）；微生物多样性指数与容重呈极显著负相关，与有机质、速效氮呈显著正相关（P＜0.05）；黄叶率与容重呈显著正相关，与CEC、有机质、速效钾呈显著负相关（P＜0.05）；发病率与田间持水量呈极显著负相关，与 pH、全氮呈显著负相关（P＜0.05）；病情指数与容重、速效磷呈显著正相关（P＜0.05），防病效果与速效氮、速效磷呈显著正相关（P＜0.05）。

表2 生物炭处理对蕉园土壤化学性状的影响Table 2 Effects of different biochar treatments on soil chemical properties of banana plantation

表3 生物炭处理对土壤酶活性和微生物数量的影响Table 3 Effects of different biochar treatments on soil enzyme activity and soil microbial population

图2 生物炭处理对蕉园土壤微生物AWCD的影响Fig. 2 Effects of different biochar treatments on soil microbial AWCD of banana plantation

图3 不同生物炭处理蕉园土壤微生物多样性指数的变化Fig. 3 Changes of soil microbial diversity index of banana plantation in different biochar treatments

表4 土壤理化性质与土壤酶活性、土壤微生物、香蕉枯萎病相关指标间的相关性Table 4 Correlation of soil physic-chemical properties, enzyme activity, microorganism and banana Fusarium wilt

2.8 土壤酶活性、土壤微生物、香蕉枯萎病相关指标间的相关性

在表5中，细菌与酸性磷酸酶、防病效果呈显著正相关（P＜0.05），与发病率极显著呈负相关（P＜0.01）；真菌与蔗糖酶呈显著负相关，与病情指数呈显著正相关（P＜0.05）；放线菌分别与脲酶、过氧化氢酶呈显著正相关（P＜0.05，P＜0.01）；尖孢镰刀菌与脲酶呈极显著正相关（P＜0.01），固氮菌与蔗糖酶、防病效果呈显著正相关，与病情指数呈显著负相关（P＜0.05）；AWCD与蔗糖酶呈显著正相关，与发病率呈显著负相关（P＜0.05）；丰富度、多样性指数均与土壤脲酶呈显著负相关（P＜0.05），丰富度与黄叶率呈显著负相关，多样性指数与防病效果呈显著正相关（P＜0.05）。

3 讨论

3.1 施用生物炭对蕉园土壤理化性质的影响

本研究中，与对照相比，随着香蕉茎叶生物炭输入量的增加，降低了土壤容重，增加了土壤田间持水量，提高了毛管孔隙度和总毛管孔隙度，说明生物炭有利于改善蕉园土壤结构和土壤水分状况，这与其他学者（张祥等，2013；房彬等，2014；胡华英等，2019）的研究结果相似。这是因为生物炭具有多孔结构，其容重小于土壤的容重，且对土壤容重会产生一定的稀释效应（Burrell et al.，2016）。生物炭还能改善土壤通气状况，有利于养分和水分的保持，可增强矿物质颗粒与菌体间的相互作用，降低了土壤的容重（Lei et al.，2013）。前人研究表明，生物炭具有较大的比表面积、较强的持水能力，可以增加生物炭颗粒和水分之间的吸附力，因此有利于提高田间持水量（Rajapaksha et al.，2016）。生物炭还田措施能提供充足的营养物质给土壤动物、微生物、菌根等，促进了土壤孔隙度的改善（胡华英等，2019）。

有研究表明，施加生物炭2年后，土壤pH、有机碳含量均显著增加，磷、钾的有效利用率显著增强（Liu et al.，2012）。添加香蕉假茎生物炭，蕉园土壤有机质、有效钾和有效磷含量显著增加，提高了土壤pH值（王明元等，2019）。本研究与上述等研究结果相似（Liu et al.，2012；Spokas et al.，2012；Rajapaksha et al.，2016；王明元等，2019），香蕉茎叶生物炭施用大田1年后，显著增加了土壤阳离子交换量（CEC）和土壤pH值。蕉园土壤阳离子交换量的增幅较大，主要原因可能是生物炭提高了土壤的pH值，随着土壤pH升高，pH值进一步促进土壤中胶体微粒表面羟基发生变化，其所带负电荷增大，也相应增加了 CEC含量。而且，由于生物炭比表面积较大，其氧化作用能显著增加表面的含氧官能团，通过增强对阳离子的吸附能力，进而提高阳离子交换量（Topoliantz et al.，2005）。

另外，生物质炭本身的含碱量较高，对土壤酸度的改良效应起主导作用，也与生物炭中碳酸盐的总量和结晶态碳酸盐的含量与制备温度呈正相关有关（袁金华等，2011），由于其比表面积和孔隙度较大，大量羰基、羧基和羟基等含氧官能团，对土壤中的 H+产生吸附作用，因而提高土壤 pH值（Yuan et al.，2011）。本研究中，香蕉茎叶生物炭自身呈碱性，pH值为 10.33，pH值会影响土壤的阳离子交换量和土壤的缓冲能力，随着香蕉茎叶生物炭输入量的增加，显著降低了蕉园土壤的酸度，可为香蕉苗的健康生长提供适宜的土壤环境，这对于减缓蕉园土壤酸化具有积极的正作用，对连作蕉园的酸化土壤有一定的改良效果，这与其他研究结果相似（Haefele et al.，2011；张祥等，2013；胡华英等，2019）。

表5 土壤酶活性、土壤微生物、香蕉枯萎病相关指标间的相关性Table 5 Correlation of soil enzyme activity among soil microorganis and banana Fusarium wilt

由于生物炭自身含有N、P、K、Ca、Mg、S等矿质营养元素，输入土壤后有利于提高土壤的养分含量，另一方面，生物炭可提高土壤持水量，明显增加红壤碱解氮含量，可给作物生长提供良好的环境（张祥等，2013）。本研究中，施用香蕉茎叶生物炭不同程度增加了蕉园土壤有机质、全磷、全钾、速效氮、速效磷和速效钾等养分含量，既可以改善土壤结构，也增加了土壤有机碳含量，这与其它研究结果相似（张晗芝等，2010；张祥等，2013；蒋惠等，2017）。施用15 t·hm-2稻秆生物炭可以稳定水稻（Oryza sativa）产量，实现水稻氮肥管理的“减量增效”（柳瑞等，2020）。秸秆生物炭显著促进番茄养分吸收，提高番茄产量，当施用量为15 t·hm-2时，增幅最大（勾芒芒等，2013），施用秸秆生物炭1.33%的用量对辣椒疫病的防效最好（王光飞等，2017）。本研究结果表明，香蕉茎叶生物炭对蕉园酸化土壤的理化性质有积极的正效应，在蕉园0—20 cm土层施用3%的施用量时，对土壤培肥的综合效果表现较显著。

3.2 施用生物炭对蕉园土壤酶活性和微生物数量的影响

生物炭可促进土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶活性，对脲酶、酸性磷酸酶的影响不明显（顾美英等，2016）。许云翔等（2019）研究表明，生物炭输入增加了脲酶、酸性磷酸酶活性，降低了过氧化氢酶活性。可见，生物炭对土壤酶活性的影响不完全一致，这可能与生物炭自身的性质有关，不同生物炭的组分和吸附能力也具有差异性，因此对土壤酶活性的影响也并非单一的抑制或促进；也与生物炭输入引起土壤理化性质的变化有联系（Zwart et al.，2012）。本试验结果表明，与对照比较，香蕉茎叶生物炭对土壤酶活性产生了促进作用，可以显著提高蕉园土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶和酸性磷酸酶的活性，这与丁文娟等（2014）研究结果相同。究其原因，可能是香蕉茎叶生物炭自身对土壤酶的反应底物产生吸附作用，从而促进了土壤酶活性。脲酶是土壤氮素循环中的关键酶，其活性与土壤氮素的转化关系密切，生物炭增加了土壤中全氮含量、速效氮含量和 C/N（表 2），并且尿酶与全氮有极显著的正相关性（P＜0.01），与速效氮有显著的正相关性（P＜0.05，表 4），这均表明生物炭对脲酶活性产生了显著影响。蔗糖酶活性可以表征土壤有机碳的转化情况（关松荫，1986），与其相一致，本研究中，施用香蕉茎叶生物炭增加了蔗糖酶含量，有利于土壤有机质的提高，促进了过氧化氢酶的活性，说明过氧化氢酶参与了土壤中有机物质的氧化过程。土壤磷酸酶一般参与土壤有机磷水解转化为磷酸盐的过程，施用香蕉茎叶生物炭提高了酸性磷酸酶活性，而酸性磷酸酶与速效磷有显著的正相关性（P＜0.05，表 4），这表明施用香蕉茎叶生物炭，能补充蕉园土壤及香蕉苗生长对磷元素的需求，促进了香蕉植株的生长。

前人研究表明，由于生物炭具有巨大的比表面积和特殊的孔隙结构，可作为土壤微生物生长的载体，进而对土壤微生物种群丰度和群落结构产生重要影响（丁艳丽等，2013）。生物炭添加促进了秸秆还田土壤细菌群落组成结构变化，添加不同比例的生物炭对土壤中微生物群落结构有明显的影响（程扬等，2018），王明元等（2019）的研究结果表明，高比例生物炭添加量对细菌丰富度和群落结构的改变更加显著，而Dempster et al.（2012）发现生物炭高施用量会降低土壤微生物数量。本研究中，施用香蕉茎叶生物炭改变了蕉园微生物群落结构，显著提高了土壤可培养细菌、固氮菌和放线菌的数量，降低了可培养真菌和尖孢镰刀菌的数量，尤其高施用量生物炭的作用效果更明显，这类似与程扬等（2018）和王明元等（2019）的研究结果，与Dempster et al.（2012）的结论有所不同。尖孢镰刀菌和真菌数量的减少，可能是因为其生理生化反应受到体内外微环境中pH值的影响（Tasaki et al.，2015），尖孢镰刀菌是一种真菌类土传病菌，类似真菌，多在在pH 6.0以下的酸性环境下生长。本研究结果表明，生物炭施用后土壤pH值均达到7.20以上（表 2），对真菌类的生长可能有一定的抑制作用；而放线菌和细菌是喜碱性环境的微生物，香蕉茎叶生物炭自身的pH值为10.33，输入蕉园后改善了土壤环境，有利于放线菌和细菌的生长和繁殖。这与李进等（2016）碱性肥料对香蕉枯萎病发生及土壤微生物群落影响的研究结果相类似。

3.3 施用生物炭对蕉园土壤微生物活性及多样性的影响

土壤施用生物炭可以促进某些微生物种群的生长，也会抑制到一些微生物种群，改变了微生物群落结构，引起微生物丰富度及多样性指数的变化（Jaiswal et al.，2017）。丰富度指数表示被利用碳源的总数目，Shannon-Wiener多样性指数值越大，说明微生物种类多且分布均匀；AWCD值越大，表明微生物对碳源的利用活性越强，其活性越高，植株易感病的级别则越低。本研究表明，蕉园土壤微生物 AWCD值随生物炭施用量的增加而增大，这可能是生物炭输入蕉园土壤后，改变了土壤原有微生物的酸碱环境，进一步改善了土壤微生物群落的生境，增加了蕉园土壤中数量最多的细菌和放线菌数量，增大了微生物总量，从而使微生物对碳源的利用率随之增强，因此土壤微生物的活性增大，这与其它研究结果相一致（周凤等，2019）。不同比例的生物炭对 AWCD值的影响有差异，这与生物炭施用导致了土壤微生物数量的不同有关，从而影响了对碳源的利用能力，此结果与李航等（2016）的研究结论相似。施用香蕉茎叶生物炭，提高了蕉园土壤微生物群落的代谢活性，高施用量生物炭的作用效果更显著。

本研究中，生物炭处理的丰富度及 Shannon-Wiener指数均大于 CK处理，丰富度、Shannon-Wiener指数间分别在C1处理与CK处理间无显著差异。这可能与孢镰刀菌和可培养真菌的数量有关，C1处理与CK处理的尖孢镰刀菌和真菌数量均没有达到显著水平，反映了此时土壤中可能还有较多的尖孢镰刀菌和可培养真菌存在，其活性还较强，为维持生长和繁殖其可能还会与细菌、放线菌、固氮菌等微生物竞争生长所需的碳源等养分和生境，从而引起其它微生物生长所需养分及空间的不足；另外，大量存在的真菌和尖孢镰刀菌，也会衍生某类物质，从而抑制其它微生物的生长（李航等，2016），导致土壤微生物多样性的增加不明显。而C3处理的丰富度及Shannon-Wiener指数均达到显著水平，这可能与此时生物炭高施用量有关（3%），前人研究表明，高输入量生物炭会引起土壤理化性质和土壤酶活性的显著变化，改变土壤微生物需要的酸碱环境，对尖孢镰刀菌和真菌等有害病菌的生长和繁殖有抑制作用，进而促进了细菌、放线菌、固氮菌等的生长（Huang et al.，2015）。因此，高施用量的香蕉茎叶生物炭对微生物种群数量的影响更明显，尤其增加了细菌、放线菌、固氮菌等数量，可能是蕉园土壤微生物多样性显著提高的主要原因。可见，施用香蕉茎叶生物炭提高了香蕉土壤微生物的多样性、丰富度以及利用碳源的能力，且高施用量（3%）生物炭处理的影响较显著。这与王颖等（2019）的研究结果相类似，其认为生物炭输入提高了土壤细菌群落的多样性，3%比例锯末生物炭的作用效果最佳。

3.4 施用生物炭对香蕉枯萎病发生的影响

Philipp et al.（2017）的研究表明，通过调节土壤微生物结构的差异，可能是防控香蕉枯萎病的关键措施之一，土壤微生物群落多样性及丰富度越高，代谢活性越强，防病效果越好，本研究结果与其结果相符。本研究结果表明，随着香蕉茎叶生物炭施用量的增加，降低了香蕉的黄叶率、香蕉枯萎病发病率和病情指数，提高了香蕉枯萎病的防病效果，香蕉植株高度随之升高，且高施用量C3（3%）的效果优于低施用量（C1：1%；C2：2%）和对照，说明蕉园大田施用生物炭措施，能有效的抑制香蕉枯萎病的发生。本研究中，伴随细菌、放线菌和固氮菌数量的增加，降低了真菌和尖孢镰刀菌的数量，而真菌和尖孢镰刀菌的数量降低则会减小枯萎病病菌的发病率。土壤固氮微生物的固氮作用，可以提高土壤中的氮素含量，固氮菌数量的增加有利于促进香蕉苗的生长。同时，提高了土壤微生物活性及多样性，并且细菌、放线菌、固氮菌、微生物的 AWCD值、丰富度指数和多样性指数均分别与黄叶率、发病率、病情指数呈负相关，表明香蕉枯萎病的发生与这些指数密切关联。

前人研究结果表明，生物炭疏松多孔，施入土壤后可改善土壤结构（张祥等，2013；房彬等，2014；郭艳亮等，2015；蒋惠等，2017），可为有益微生物提供良好生态环境（丁艳丽等，2013；程扬等，2018）。本研究中，土壤理化性质与大部分土壤酶、土壤微生物数量、土壤微生物多样性及代谢活性、香蕉枯萎病相关指标等之间具有显著或极显著的相关关系，这表明香蕉茎叶生物炭通过对土壤理化性质、土壤酶活性等的改善作用，调节了不同微生物数量的大小比例关系，给有益微生物（细菌、放线菌和固氮菌）提供了适宜生长的生长环境，优化了土壤微生物的群落结构，进一步支持了生物炭对土传病害的防治有一定积极效果的结论（Shi et al.，2017）。

秸秆制备生物炭输入土壤，既能提高土壤肥力和肥料利用效率，又可以增加作物产量，有利于农田生态环境的改良，促进了农业的可持续发展（王典等，2012）。中国是香蕉种植大国，每年产生大量的香蕉茎叶废弃物，将香蕉茎叶废弃物制备成生物炭，并将其就地还田，将有利于其资源化利用。土壤质量是土壤物理、化学性质和生物学特性等的综合反映，香蕉枯萎病发病率的降低，与香蕉茎叶生物炭施用后蕉园土壤理化性质的改善，酶活性的提高，土壤微生物群落结构等的优化以及三者间的相互作用密切相关。香蕉茎叶生物炭对蕉园土壤性状、香蕉枯萎病的持续调控效应及其内在的分子微生物驱动机制，微生物与香蕉植株抗病性的关系，还需要在后续试验中深入研究。

4 结论

（1）施用香蕉茎叶生物炭，增加了蕉园土壤中细菌、放线菌和固氮菌的数量，降低了与枯萎病传染相关联的真菌和尖孢镰刀菌的数量，增加了土壤微生物多样性，提高了蕉园土壤微生物群落的代谢活性；增加了香蕉植株高度，降低了黄叶率、香蕉枯萎病发病率和病情指数，增强了香蕉枯萎病防病效果指数，对香蕉枯萎病的发生具有良好的防控效果。

（2）施用香蕉茎叶生物炭对蕉园土壤理化性质有显著影响，改善了土壤结构，增加了土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾和速效氮等养分含量，促进了蕉园土壤的培肥效应，对蕉园酸化土壤有积极的正效应和一定的改良效果，提高了土壤质量。

（3）施用香蕉茎叶生物炭引起了土壤理化性质、土壤酶活性、微生物数量及微生物群落结构的变化，是对香蕉枯萎病产生防控效果的重要原因。在蕉园0—20 cm土层，生物炭输入量在3%时，对土壤质量的提升和香蕉枯萎病的防控效果较好。香蕉茎叶生物炭可作为香蕉茎叶废弃物资源化利用的有效途径。