叢枝菌根真菌和生物炭聯(lián)合施用對土壤有機碳組分及團聚體的影響

陳雪冬， 劉雪龍， 吳孔陽， 唐 琳， 李 俊

(洛陽師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河南洛陽 471934)

土壤有機碳是土壤質(zhì)量的核心，不僅影響土壤質(zhì)量和功能，而且對全球氣候變化也有重要作用。土壤活性有機碳是指土壤中穩(wěn)定性差、周轉(zhuǎn)速率快、易礦化分解、易受微生物影響的那部分碳素，主要包括可溶性有機碳、易氧化態(tài)有機碳等，其變化可以表征土壤固碳能力。土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，由土壤顆粒膠結(jié)形成，團聚體的形成可以限制土壤微生物的活動，引起微生物與有機碳的空間隔離，從而提高土壤有機碳的穩(wěn)定性。

生物炭是由廢棄的生物質(zhì)殘體在高溫限氧情況下熱裂解而產(chǎn)生的高度芳香化物質(zhì)，制備工藝簡單，且原材料來源豐富，是一種環(huán)境友好型材料，具有含碳豐富、孔隙發(fā)達、表面積大、吸附能力強等突出優(yōu)勢，能夠與土壤顆粒形成團聚體，避免土壤微生物的分解，長時間留存在土壤中，長期施用可增強土壤貯碳功能。

叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza，簡稱AM)真菌是一類分布廣泛的土壤微生物，幾乎存在于所有的陸地生態(tài)系統(tǒng)中。AM真菌具有豐富的外延菌絲，包含20%～30%的微生物生物量，相當于15%的土壤有機碳庫，而且AM真菌可以通過豐富的菌絲網(wǎng)絡(luò)將土壤纏繞在一起，使土壤顆粒按照一定的規(guī)律進行排列，提高土壤團聚體穩(wěn)定性。此外，AM真菌菌絲會分泌球囊霉素，球囊霉素儲存的碳可以在土壤中保留長達12～22年之久，而且球囊霉素是形成土壤團聚體的重要黏合劑，可以加速土壤團聚過程，提高土壤有機碳的穩(wěn)定。目前許多研究已證實AM真菌和生物炭能提高土壤有機碳含量，但二者聯(lián)合作用的研究仍然較少，尤其是AM真菌與生物炭配施對土壤活性碳組分和土壤結(jié)構(gòu)的影響尚不明確。因此，為了探明AM真菌與生物炭聯(lián)合施用對土壤有機碳和土壤結(jié)構(gòu)的影響，本研究設(shè)計了盆栽試驗研究不同溫度制備的秸稈生物炭與AM真菌配施對土壤有機碳組分及團聚體分布的影響，以期為菌根技術(shù)和生物炭的聯(lián)合應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年4—7月在洛陽師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院科研溫室進行。

土壤：選取郊外無污染的玉米農(nóng)田，采集0～20 cm 土壤，除去生物殘體、石塊等雜物，充分混合后取足量土壤帶回實驗室，鮮土粉碎后過5 mm篩，裝袋保存。

菌種：以玉米為宿主，選用筆者所在研究室保存的根內(nèi)根生囊霉()菌種進行繁殖，60 d后收集其孢子、菌絲體和侵染根段，制備為接種菌劑，裝袋保存。

生物炭：生物炭購自南京智融聯(lián)科技有限公司，由玉米秸稈經(jīng)過不同溫度(300、400、500 ℃)制備而成。

玉米：選飽滿程度相似的玉米種子，表面消毒后，萌發(fā)備用。

1.2 試驗設(shè)計

將供試土壤經(jīng)高溫高壓滅菌冷卻后，各取 1.0 kg 土壤裝入塑料花盆中(直徑21 cm，高 12 cm)，試驗設(shè)生物炭(不添加，添加300、400、500 ℃ 生物炭)和AM真菌(不接種、接種)2個因素，共8個處理，其中每種生物炭的添加量為3%，與土壤混勻。向需要接菌的土壤中添加30 g菌劑，不需接種的土壤添加等量滅菌菌劑和10 mL菌劑過濾液，使土壤中的其他微生物組成一致，然后將萌發(fā)的玉米種子撒在花盆中間，每個處理5盆重復(fù)，之后按常規(guī)育苗管理。

1.3 生物炭比表面積的測定

利用比表面分析儀(V-Sorb2800P，北京)測定不同溫度制備的生物炭的比表面積。

1.4 玉米生長指標的測定

待玉米生長3個月后，拍照記錄玉米植株的生長狀況，使用長直尺測量玉米植株的株高并記錄，使用游標卡尺測定玉米植株的地徑并記錄。

1.5 土壤有機碳及活性碳組分的測定

土壤總有機碳含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定；土壤可溶性有機碳含量采用冷水浸提后用TOC儀測定；土壤易氧化有機碳含量采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化法測定。

1.6 土壤團聚體組成的測定

稱取適量的風干土樣，利用8411型電動振篩機進行土壤顆粒的篩分，篩分后得到6個粒徑土壤顆粒(f1：>4 000 μm；f2：>2 000～4 000 μm；f3：>1 000～2 000 μm；f4：>250～1 000 μm；f5：58～250 μm；f6：<58 μm)，對各粒徑范圍土壤質(zhì)量進行稱量，計算該土壤樣品中土壤團聚體組成。

1.7 統(tǒng)計分析

利用SPSS 22.0分析不同生物炭和AM真菌處理后的玉米生長、有機碳組分及團聚體的差異，利用Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度制備的生物炭的比表面積比較

對不同溫度制備的玉米秸稈生物炭的比表面積進行表征，從表1可以看出，400 ℃熱裂解制備的玉米秸稈生物炭的比表面積最大，為6.88 m/g；300 ℃ 制備的生物炭比表面積最小，為1.13 m/g；而500 ℃制備的生物炭比表面積介于二者之間，為4.83 m/g。

表1 不同溫度制備的玉米秸稈生物炭的比表面積

2.2 不同處理對玉米幼苗生長的影響

從圖1可以看出，同時添加生物炭和接種AM真菌處理下的玉米生長狀況整體上要優(yōu)于單接種AM真菌或單添加400、500 ℃生物炭處理。通過雙因素交互分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)AM真菌和生物炭聯(lián)合處理能夠顯著影響玉米的株高，二者交互作用達到了顯著水平。在不接菌的情況下，單獨添加300、500 ℃ 生物炭對玉米株高有促進作用，但400 ℃生物炭作用效果不明顯。在接菌處理下，同時添加300、400、500 ℃生物炭對玉米的株高均有顯著的促進作用(圖2-a)。此外，生物炭對玉米地徑具有顯著影響，但AM真菌對玉米地徑的影響并不顯著。與單接種AM真菌相比，同時添加300 ℃生物炭處理下的玉米地徑有顯著改善(圖2-b)。

2.3 不同溫度生物炭和AM真菌聯(lián)合處理對土壤有機碳及活性碳組分的影響

通過雙因素交互分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物炭對土壤總有機碳、可溶性有機碳、易氧化有機碳含量均有極顯著影響，而AM真菌主要對易氧化有機碳含量有極顯著影響，生物炭和AM真菌對可溶性有機碳含量的交互影響達到顯著水平。具體而言，添加生物炭后土壤總有機碳含量要顯著高于未添加生物炭處理(圖3-a)；未接種AM真菌的情況下，添加生物炭對土壤可溶性有機碳影響并不大，但接種AM真菌的條件下，添加300 ℃生物炭能顯著提高土壤可溶性碳含量(圖3-b)；接種AM真菌并添加 300 ℃ 生物炭能顯著提高土壤易氧化有機碳含量，但接種AM真菌并添加500 ℃生物炭反而會降低土壤易氧化有機碳含量(圖3-c)。

2.4 不同溫度生物炭和AM真菌聯(lián)合處理對土壤團聚體組成的影響

從表2可看出，生物炭和AM真菌處理對中等粒徑的土壤團聚體(>1 000～2 000 μm和>250～1 000 μm)影響并不顯著，但單獨接種AM真菌能夠顯著增加大團聚體(>4 000 μm和>2 000～4 000 μm)的比例，減少微團聚體(58～250 μm和<58 μm)的比例，而且接種AM真菌添加400 ℃生物炭處理下的58 μm以下微團聚體比例有所降低。

表2 不同溫度生物炭和AM真菌處理下的土壤團聚體分布

3 討論與結(jié)論

3.1 生物炭和AM真菌聯(lián)合作用對玉米生長的影響

AM真菌可以侵染玉米根系，幫助玉米吸收養(yǎng)分，進而促進玉米幼苗的生長，生物炭具有豐富的比表面積和發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)，可以為AM真菌提供生長發(fā)育的場所，也有利于其他根際微生物的生存繁衍，二者聯(lián)用既可以有效改善土壤微生態(tài)環(huán)境，又能提高土壤理化性質(zhì)，活化土壤養(yǎng)分，促進作物生長。本研究也發(fā)現(xiàn)AM真菌與生物炭聯(lián)合施用可顯著增加玉米的株高和地徑，這與劉先良等的研究結(jié)果是一致的。目前多數(shù)研究已證實生物炭的施加具有良好的增產(chǎn)作用，但實際施用效果仍然與生物炭的原料、制備溫度等有關(guān)，本研究中施用300 ℃生物炭的玉米幼苗生長狀況要優(yōu)于400、500 ℃生物炭，說明高溫制備的生物炭可能會阻礙植物的生長，這與Yang等的結(jié)果是一致的。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)生物炭和AM真菌聯(lián)合處理下，生物炭對玉米生長的影響作用要顯著大于AM真菌，這與Liu等的研究結(jié)果是一致的，主要是由于生物炭本身有豐富的碳含量，還含有一定數(shù)量的氮、磷、鉀等大量元素及其他一些微量元素，可以為植物的生長發(fā)育提供直接的營養(yǎng)來源，宿主植物養(yǎng)分充足的情況下對AM真菌的依賴性有所減弱。

3.2 生物炭和AM真菌聯(lián)合作用對土壤有機碳及其活性組分的影響

本研究結(jié)果表明，施加生物炭處理能顯著提高土壤總有機碳含量，因為生物炭本身是含碳豐富的有機材料，施加生物炭相當于直接輸入了外源有機碳，有利于土壤固碳。生物炭與AM真菌聯(lián)合施用對土壤活性碳也有顯著影響，但單獨施加生物炭并未改變土壤可溶性有機碳含量，而接種AM真菌同時添加300 ℃生物炭卻顯著增加了土壤可溶性有機碳，這主要是因為可溶性有機碳主要來源于植物凋落物、微生物活動、根系分泌物以及施肥等途徑，生物炭所含碳是高度芳香化的惰性碳，生物穩(wěn)定性很強，難以被土壤微生物分解轉(zhuǎn)化為可溶性碳，而AM真菌的存在可以引起根際激發(fā)效應(yīng)，增強土壤微生物活性，促進根系分泌物的增加，引起土壤中難溶物質(zhì)的活化與分解，因而會增加土壤可溶性碳含量。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)單施300、400 ℃生物炭、接種AM真菌配施300 ℃生物炭較空白處理均顯著增加了土壤易氧化有機碳的含量，易氧化有機碳是容易被微生物分解礦化的有機碳，由于生物炭結(jié)構(gòu)疏松，孔隙發(fā)達，施用后能夠增加土壤含氧量，促進植物根系生長，增加根系分泌物，同時也為微生物的繁殖提供了有利場所，因此能夠促進土壤本底碳的礦化，這與已有的研究結(jié)果是一致的，但是接種AM真菌配施500 ℃生物炭卻會明顯降低土壤易氧化碳，這可能是由于500 ℃制備的秸稈生物炭表面的活性官能團基本上被去除，主要以穩(wěn)定的高度芳香化碳結(jié)構(gòu)物質(zhì)為主，更適用于碳的封存。

3.3 生物炭和AM真菌聯(lián)合作用對土壤團聚體的影響

本研究發(fā)現(xiàn)接種AM真菌可以促進土壤團聚體的形成，這與相關(guān)研究結(jié)果是一致的，因為AM真菌能夠分泌球囊霉素和菌絲分泌物，可以增加土壤黏結(jié)和團聚， 但是AM真菌與生物炭配施后大團聚體的比例卻減少，微團聚體比例反而增加，說明生物炭與AM真菌聯(lián)合作用并不利于土壤大團聚體的形成。由于生物炭具有偏堿性、疏松多孔等特征，目前多數(shù)研究報道施用生物炭能夠提高土壤大團聚體的形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但也有學(xué)者認為，生物炭并不能像其他有機物料一樣提高土壤團聚體的穩(wěn)定性，本研究也發(fā)現(xiàn)施用生物炭對土壤團聚體的分布影響并不顯著，說明生物炭對土壤團聚體的作用效果會受到材料來源、土壤類型、施用量等多種因素的影響。

AM真菌和生物炭聯(lián)合作用能夠促進玉米植株的生長，顯著提高農(nóng)田土壤總有機碳含量。對土壤活性碳組分而言，AM真菌和300 ℃生物炭配施能提高土壤可溶性有機碳和易氧化有機碳含量，促進土壤活性碳轉(zhuǎn)化，而AM真菌和500 ℃生物炭配施反而會降低土壤易氧化有機碳含量。但是AM真菌和生物炭聯(lián)合作用并不利于土壤大團聚體的形成，單接種AM真菌可以提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。