徐 晗, 鄢紫薇, 覃衛(wèi)林, 邢 丹, 王 璽, 鄭志杰, 林 杉

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢 430070;2.湖北省長(zhǎng)陽(yáng)土家族自治縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,湖北宜昌 443500; 3.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院辣椒研究所,貴州貴陽(yáng) 550006)

辣椒(CapsicumannuumL.)因其果實(shí)營(yíng)養(yǎng)豐富、味道鮮美而在世界各地廣泛栽培,在我國(guó)種植面積達(dá)210萬(wàn)hm2以上,其中在河南、貴州、云南和江蘇4省種植面積均超過(guò)13萬(wàn)hm2[1]。近年來(lái),由于連作障礙造成的產(chǎn)量下降且品質(zhì)變差等問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響到我國(guó)農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)收益。在我國(guó)辣椒主產(chǎn)區(qū)發(fā)生的生長(zhǎng)不良、產(chǎn)量下降、病害頻發(fā)等辣椒連作障礙問(wèn)題日益嚴(yán)重[2],有研究指出辣椒連作后產(chǎn)量和品質(zhì)都會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降[3],辣椒連作障礙已成為種植區(qū)的共性問(wèn)題。

由于意識(shí)到連作障礙在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)上的危害性,不少種植大戶(hù)通過(guò)改變耕作方式等農(nóng)藝措施來(lái)破除連作障礙,例如運(yùn)用輪作、間作等耕作方式[4-5],施用有機(jī)肥、進(jìn)行土壤強(qiáng)還原滅菌等措施[6-7]。這些方法都具有一定的局限性,難以大面積推廣,蔬菜連作障礙的問(wèn)題依然嚴(yán)峻。因此,明確蔬菜連作障礙的產(chǎn)生機(jī)理,探究減緩連作障礙的有效技術(shù)措施,具有一定理論研究意義和實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

生物質(zhì)炭是由生物質(zhì)在無(wú)氧或缺氧狀態(tài)下通過(guò)熱裂解過(guò)程得到的一種富碳物質(zhì),近年來(lái)在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用廣泛。大量研究指出,施用生物質(zhì)炭可以增強(qiáng)土壤肥力并改善植物根部環(huán)境,進(jìn)而抑制植物土傳病害的發(fā)生[8]。鑒于現(xiàn)階段辣椒連作障礙防治技術(shù)見(jiàn)效慢、周期長(zhǎng)等問(wèn)題,本文在分析辣椒連作障礙產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上探討了現(xiàn)有連作障礙防控技術(shù)的不足,同時(shí)對(duì)生物質(zhì)炭緩解辣椒連作障礙的機(jī)理及應(yīng)用前景進(jìn)行了闡述,以期為辣椒連作障礙防治技術(shù)的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 辣椒連作障礙的成因

連作障礙是指同一作物在連續(xù)種植多年后,即使保持正常的栽培與管理措施,也會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降、生育狀況變差、病害嚴(yán)重的現(xiàn)象[9]。目前認(rèn)為導(dǎo)致連作障礙的原因主要是3個(gè)方面:(1)土壤理化性質(zhì)改變;(2)植物通過(guò)各種途徑分泌自毒物質(zhì)而產(chǎn)生自毒作用;(3)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)改變,病原微生物增加,病蟲(chóng)害頻發(fā)。

1.1 土壤理化性質(zhì)改變

1.1.2 土壤養(yǎng)分失衡 長(zhǎng)期種植同種或同科蔬菜,對(duì)于土壤中某種營(yíng)養(yǎng)元素的特異性吸收過(guò)多,并且缺乏配套的施肥管理措施,導(dǎo)致某些元素的超量或缺失,引起連作障礙[14]。在同一塊地長(zhǎng)期連作辣椒,會(huì)造成辣椒必需元素的缺失和有害物質(zhì)的積累,嚴(yán)重影響下茬辣椒的生長(zhǎng)。有研究指出,連作辣椒土壤中Mg2+、Na+、K+、Ca2+等離子含量和大量元素均高度富集,辣椒所需的營(yíng)養(yǎng)元素出現(xiàn)失衡,出現(xiàn)了嚴(yán)重的連作障礙[15]。劉來(lái)等的研究指出,化肥和復(fù)合肥的大量投入會(huì)導(dǎo)致辣椒連作土壤中Mg2+、Na+、K+、Ca2+含量隨著年限增加而升高,并且土壤有效磷和速效鉀含量也顯著升高[12]。周倩的研究指出,連作辣椒土壤中K、Mg等元素含量高于正茬土壤,但Mn、Cu、Mo等微量元素的含量減少,且連作辣椒植株中各元素含量均低于正茬辣椒,說(shuō)明連作土壤中富集的養(yǎng)分并未被辣椒植株吸收[16]。綜上可知,由于不合理的施肥管理措施,種植過(guò)程中土壤肥力降低和微量元素減少是導(dǎo)致辣椒連作障礙的原因之一。

1.2 化感自毒作用

自毒作用是辣椒連作障礙形成的重要原因[17]。江山等研究指出,辣椒根系分泌物中有6種化感物質(zhì)對(duì)線辣椒種子萌發(fā)有抑制作用[18]。王廣印等研究表明,辣椒的葉、根、莖和全株水浸液均有自毒作用[19]。辣椒化感物質(zhì)的來(lái)源包括淋溶、殘茬分解和根系分泌等,其中辣椒的最主要化感物質(zhì)為鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和鄰苯二甲酸叔二丁酯(DIBP)[20],這2種物質(zhì)對(duì)辣椒的產(chǎn)量和品質(zhì)有一定的負(fù)面影響,并且受到DBP污染的辣椒根莖和果實(shí)等部位會(huì)富集化感物質(zhì)[21]。另有研究表明,當(dāng)土壤中DBP或DIBP的濃度達(dá)到20 mg/kg時(shí),辣椒的生長(zhǎng)受到顯著抑制,且果實(shí)品質(zhì)降低[22]。

1.3 土壤微生物區(qū)系變化

土壤微生物對(duì)維持土壤生態(tài)系統(tǒng)健康起著重要的作用[23]。蔬菜連作會(huì)形成特殊的土壤環(huán)境,降低土壤微生物的數(shù)量和多樣性,從而提高土傳病害的發(fā)病率[24]。Wu等的研究表明,長(zhǎng)期連作土壤中微生物總量、細(xì)菌和放線菌等有益微生物的數(shù)量顯著降低[25];劉來(lái)等研究指出,辣椒土壤中真菌數(shù)量隨著連作年限升高而升高,且土壤嚴(yán)重酸化、土壤酶活性顯著降低[26];辣椒連作會(huì)引起土壤細(xì)菌和古菌的占比持續(xù)下降,土壤微生物結(jié)構(gòu)被破壞[27]。土壤連續(xù)種植同種作物后根系分泌物種類(lèi)單一,根系活動(dòng)對(duì)微生物的激活作用也相對(duì)較小[28],導(dǎo)致植物給微生物提供的營(yíng)養(yǎng)也相對(duì)單一,從而導(dǎo)致了連作障礙。

目前,通常所說(shuō)的連作障礙不僅是指連續(xù)種植同種作物本身引起的連作障礙,還包含施肥不合理而導(dǎo)致的土壤質(zhì)量下降所引起的作物障礙,即使更換耕作模式,隨著種植年限的延長(zhǎng),也可能引發(fā)作物生育障礙[29]。需要了解作物連作障礙與施肥不良障礙的聯(lián)系,針對(duì)不同作物和不同土壤的不同連作障礙的主導(dǎo)因素,對(duì)連作障礙形成機(jī)理開(kāi)展進(jìn)一步研究。

2 辣椒連作障礙防控技術(shù)

蔬菜連作障礙的產(chǎn)生有多種原因,針對(duì)于不同原因?qū)е碌倪B作障礙,研究人員提出了農(nóng)藝調(diào)控技術(shù)、物理化學(xué)調(diào)控技術(shù)和生物調(diào)控技術(shù)等防控方法。

2.1 農(nóng)藝調(diào)控技術(shù)

2.1.1 改變種植模式 改變種植模式是緩解連作障礙的常見(jiàn)方法,即選擇適宜的作物采取輪作或間作,從而改善土壤微生態(tài)環(huán)境并控制連作障礙的發(fā)生[30]。有研究指出,采用玉米-辣椒間作和辣椒-草帶間作2種模式均可以顯著改善連作辣椒土壤微生物結(jié)構(gòu)特征[31],使土壤肥力提高。吳宏亮等研究表明,西瓜和辣椒輪作模式下,辣椒連作土壤中真菌數(shù)量顯著降低[32]。江冰冰等將韭菜和辣椒進(jìn)行間作后發(fā)現(xiàn),韭菜莖葉揮發(fā)物和浸提液對(duì)辣椒疫霉菌有抑制作用,可以顯著減輕辣椒疫病[33]。雖然間作、輪作等種植模式有助于作物減輕連作障礙,但隨著種植年限的延長(zhǎng)又會(huì)引發(fā)作物生育障礙,即采用改變種植模式調(diào)控連作障礙的優(yōu)勢(shì)維持時(shí)間較短,一般只能維持1～2年[34]。

2.1.2 嫁接技術(shù) 嫁接是克服連作障礙并實(shí)現(xiàn)抗病增產(chǎn)的有效途徑之一,其主要原理是通過(guò)抗病砧木的嫁接提高植株抗病性和抗逆性,從而克服連作障礙。劉業(yè)霞等研究指出,嫁接辣椒的根系活力更強(qiáng),對(duì)青枯病病菌有更強(qiáng)的抵抗力[35]。楊茹薇等的研究表明,嫁接處理可以提高3個(gè)品種辣椒的抗病能力[36]。嫁接不僅能提高辣椒的抗病性,還可調(diào)節(jié)辣椒根際土壤環(huán)境。于迪的研究表明,嫁接辣椒根際微生物總數(shù)及酶活性均顯著提高[11]。目前,應(yīng)用嫁接技術(shù)緩解辣椒連作障礙需要篩選優(yōu)良抗病砧木,對(duì)砧木的品質(zhì)要求嚴(yán)格,故在農(nóng)業(yè)實(shí)踐生產(chǎn)過(guò)程中大范圍的應(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)。

2.1.3 科學(xué)施肥 改變施肥方式并進(jìn)行科學(xué)施肥是預(yù)防辣椒連作障礙的一項(xiàng)重要調(diào)控技術(shù)。研究指出,緩解連作障礙的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是高效利用氮肥[37]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,農(nóng)戶(hù)往往大量施用氮磷鉀肥,其他微量元素和有機(jī)物質(zhì)被忽視,從而導(dǎo)致重茬種植的辣椒品質(zhì)差、產(chǎn)量低。辣椒科學(xué)施肥主要是指運(yùn)用有機(jī)肥替代化肥和微量元素對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)充。趙尊練等研究表明,在連作辣椒土壤中施用有機(jī)肥并補(bǔ)充鉀肥顯著提高了辣椒產(chǎn)量和單株果數(shù),明顯緩解了連作障礙[38]。施用有機(jī)肥不僅提高作物產(chǎn)量與品質(zhì),還有利于改善土壤微生態(tài)結(jié)構(gòu)并提高土壤微生物多樣性及酶活性[39]。除有機(jī)肥外,有研究指出,鈣鎂磷肥等微量元素肥料的施用可以改善連作土壤微生態(tài)環(huán)境,并有助于調(diào)控土壤養(yǎng)分平衡[40]。綜上所述,對(duì)連作辣椒進(jìn)行科學(xué)施肥處理,可以改善辣椒品質(zhì)、提高產(chǎn)量,是克服辣椒連作障礙的一項(xiàng)重要措施。

2.2 物理化學(xué)調(diào)控技術(shù)

2.2.1 土壤強(qiáng)還原 對(duì)土壤進(jìn)行強(qiáng)還原處理是防控土傳病害的一項(xiàng)重要措施[41],其機(jī)理是通過(guò)灌溉、淹水、覆膜等手段創(chuàng)造出缺氧強(qiáng)還原環(huán)境來(lái)消滅好氧病原菌。防控辣椒土傳病害常用的強(qiáng)還原措施包括土壤滅菌、高溫悶棚、土壤淹水等。侯永俠等研究指出,土壤滅菌措施可以顯著提高辣椒鮮質(zhì)量,并降低了有害微生物數(shù)量,減輕了連作障礙,但土壤滅菌不能消除由化感物質(zhì)引起的自毒作用[42]。王光飛等將連作辣椒土壤進(jìn)行淹水處理后,土壤中辣椒疫霉的數(shù)量顯著減少,但淹水處理防控辣椒疫病的效果隨辣椒疫霉數(shù)量的增加而減弱[43]。在實(shí)際生產(chǎn)中,土壤滅菌、淹水處理等強(qiáng)還原措施均有一定的局限性,并且不能完全消除連作障礙的影響。

2.2.2 添加改良劑 近年來(lái)隨著肥料行業(yè)的發(fā)展,眾多土壤改良劑應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,如硝化抑制劑、保水劑、脲酶抑制劑等,土壤改良劑的施用可以改善土壤理化性質(zhì),增強(qiáng)保水保肥能力,從而進(jìn)一步增加土壤養(yǎng)分并促進(jìn)微生物生長(zhǎng),緩解辣椒連作障礙。張福建等在連作辣椒土壤中施入生石灰可顯著抑制土壤酸化,降低辣椒發(fā)病率[44]。針對(duì)由化感物質(zhì)引起的連作障礙,研究人員提出用凹土等黏土礦物進(jìn)行改良,有研究發(fā)現(xiàn),在土壤中施用20～40 g/kg的凹土改良劑可以顯著降低化感物質(zhì)對(duì)作物的毒害作用[45]。土壤改良劑的混合配施在現(xiàn)階段得到廣泛關(guān)注,任旭琴等改良了辣椒自毒作用修復(fù)劑的配方,指出凹土、蜂窩煤渣和腐植酸的混合劑對(duì)辣椒連作障礙的改善效果更加顯著[22]。

2.3 生物調(diào)控技術(shù)

辣椒在連作過(guò)程中,往往伴隨著土壤養(yǎng)分失衡和微生物區(qū)系劣變等問(wèn)題的發(fā)生,向土壤中引入有益微生物可以使其拮抗有害病原菌或在根際形成生物屏障,從而減輕土傳病害[46]。高晶霞等在拱棚連作辣椒土壤中施用熒光假單胞桿菌、巨大芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌等微生物菌劑,結(jié)果表明微生物菌劑均可提高連作辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)[47]。除單獨(dú)施用微生物菌劑外,生物強(qiáng)化還原措施(BRSD)可以在一定程度上對(duì)連作土壤進(jìn)行改良,即在添加生物質(zhì)材料后創(chuàng)造強(qiáng)還原環(huán)境,從而達(dá)到殺滅土壤病原微生物的目的。郭樹(shù)根等在連作6年的辣椒土壤上進(jìn)行BRSD改良措施,結(jié)果表明處理后的辣椒產(chǎn)量提高47.5%,并且尖孢鐮刀菌數(shù)量顯著減少[48]。顧志光等在土壤淹水處理的基礎(chǔ)上加入0.25%的小麥秸稈的生物強(qiáng)還原處理可顯著降低辣椒疫霉數(shù)量[49]。針對(duì)辣椒連作過(guò)程中出現(xiàn)的養(yǎng)分有效性降低等問(wèn)題,楊冬艷等研究表明,在連作辣椒土壤中施用溶磷菌和解鉀菌能顯著提高土壤養(yǎng)分含量,并提高辣椒產(chǎn)量[50]。王巖等研究指出,施用叢枝菌根真菌(AM真菌)促進(jìn)了連作辣椒生長(zhǎng),有利于克服連作障礙[51]。利用生物調(diào)控技術(shù)防控辣椒連作障礙二次污染較小,但實(shí)施成本相對(duì)較高,需要與其他防控技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用達(dá)到最佳效果。

3 生物質(zhì)炭的性質(zhì)與特征

生物質(zhì)炭是在完全或部分缺氧條件下,動(dòng)植物生物質(zhì)(秸稈、畜禽糞便等)經(jīng)熱裂解炭化產(chǎn)生的高含碳量固態(tài)物質(zhì)[52]。生物質(zhì)炭現(xiàn)階段應(yīng)用較廣泛,有研究表明,生物質(zhì)炭可以改良土壤理化性質(zhì),如提高土壤持水量[53]、增加養(yǎng)分含量[54]、改良土壤質(zhì)地[55]等,生物質(zhì)炭具有吸附性、堿性等性質(zhì),使其可應(yīng)用于障礙土壤改良。

3.1 生物質(zhì)炭的吸附性

生物質(zhì)炭具有多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu),并且在極大的比表面積上存在多種官能團(tuán),所以具有極強(qiáng)的吸附能力[56],生物質(zhì)炭施入土壤后,其芳香結(jié)構(gòu)的邊緣會(huì)氧化為—COOH,進(jìn)一步增加了對(duì)陽(yáng)離子的吸附能力[57]。生物質(zhì)炭的強(qiáng)吸附性可以提高土壤保水性和養(yǎng)分固定能力[58],從而減少養(yǎng)分流失和干燥環(huán)境對(duì)土壤微生物的不利影響。Steiner等的研究指出,微生物的呼吸作用和微生物數(shù)量均隨木炭施入量的提高呈線性增加[59]。

3.2 生物質(zhì)炭的堿性

作物在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)吸收大量K+、Mg2+、Ca2+等陽(yáng)離子,植物會(huì)積累有機(jī)陰離子作為堿基來(lái)中和陽(yáng)離子,在熱解過(guò)程中這些堿基被濃縮保留從而使生物質(zhì)炭呈堿性[60]。熱解溫度和生物質(zhì)種類(lèi)的不同會(huì)影響生物質(zhì)炭的堿性,Yuan等在300、500、700 ℃ 下制備了不同作物秸稈的生物質(zhì)炭,發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的堿基含量和pH值均隨制備溫度的升高而增加[61]。生物質(zhì)炭中含有氧化物和碳酸鹽等成分,施入土壤中可以增加交換性鹽基離子含量[62],從而緩解土壤酸化。

3.3 生物質(zhì)炭的養(yǎng)分組成

有機(jī)物料自身含有一些養(yǎng)分,在制備生物質(zhì)炭的過(guò)程中這些營(yíng)養(yǎng)元素經(jīng)過(guò)熱解后在生物質(zhì)炭中富集,因此將生物質(zhì)炭施入土壤中可以顯著提高土壤肥力[63]。不同熱解溫度會(huì)影響生物質(zhì)炭的養(yǎng)分含量,其中C和N的含量隨溫度的升高而降低,而K、Ca、Mg和P等元素的含量隨溫度的升高而增加[64]。同時(shí)生物質(zhì)炭具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性,一定條件下可以在土壤中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定存在而不被微生物分解[65]。綜上所述,由于生物質(zhì)炭中含有大量碳、氮和微量元素等養(yǎng)分并且十分穩(wěn)定,故可以作為土壤有機(jī)碳源和養(yǎng)分來(lái)源長(zhǎng)期存在。

4 生物質(zhì)炭對(duì)辣椒連作障礙的調(diào)控作用

4.1 生物質(zhì)炭改善土壤理化性質(zhì)

4.1.1 生物質(zhì)炭改良酸化土壤 辣椒連作過(guò)程中酸化現(xiàn)象十分嚴(yán)重,其中肥料的過(guò)度施用是主要原因之一[66]。張福建等對(duì)江西省設(shè)施辣椒的調(diào)查中指出,連作辣椒土壤pH值與連作年限呈負(fù)相關(guān),并且土壤電導(dǎo)率與連作年限呈正相關(guān)[67],說(shuō)明辣椒連作土壤在酸化的同時(shí)富集了大量離子。國(guó)內(nèi)外諸多研究指出,生物質(zhì)炭可顯著提高酸性土壤的pH值[68]。生物質(zhì)炭改良酸性土壤的主要機(jī)制是生物質(zhì)炭的鹽基離子與交換性H+、交換性Al3+進(jìn)行陽(yáng)離子交換反應(yīng),并將活躍的酸性離子轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化合物[69]。李秋霞等在江西紅壤上進(jìn)行的連續(xù)3年的試驗(yàn)表明,生物質(zhì)炭的連續(xù)施用提高了土壤pH值和陽(yáng)離子交換量,并且施用量越高改良效果越好[70]。有研究指出,制備生物質(zhì)炭的熱解溫度越高,生物質(zhì)炭含有的鹽基離子越多,施用后土壤pH值提高越顯著[71]。不同種類(lèi)、不同熱解溫度以及不同用量的生物質(zhì)炭對(duì)酸性土壤的改良效果有所差異(表1)[70-73]。

表1 不同生物質(zhì)炭的改良效果差異

4.1.2 生物質(zhì)炭調(diào)控土壤養(yǎng)分 連作土壤養(yǎng)分并非隨著栽培時(shí)間延長(zhǎng)而線性增長(zhǎng),盡管肥料施用量增加,但土壤養(yǎng)分會(huì)呈拋物線式下降[74]。在養(yǎng)分失衡的土壤中施入生物質(zhì)炭不僅可以增加土壤碳儲(chǔ)量,還可通過(guò)調(diào)節(jié)土壤pH值提高磷、鉀、鎂、鈣等元素的生物有效性[75]。生物質(zhì)炭由于其吸附性良好可在土壤中形成較大的團(tuán)聚體,從而提高土壤對(duì)養(yǎng)分的固持作用[55];另一方面,生物炭自身也能夠吸持養(yǎng)分并固定在土壤中,達(dá)到緩釋效果[76]。國(guó)內(nèi)外許多研究指出,生物質(zhì)炭可以改良養(yǎng)分失衡的土壤并提高養(yǎng)分利用率,Zhao等的研究指出,在連作土壤中施用生物質(zhì)炭會(huì)顯著提高土壤pH值和養(yǎng)分利用率[77]。Li等的研究指出,在酸化紫色土中施用生物質(zhì)炭可以促進(jìn)土壤碳氮循環(huán)與作物生長(zhǎng)[78]。Khadem等研究指出,生物質(zhì)炭影響土壤有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)酶的活性,有助于維持土壤養(yǎng)分平衡[79]。張福建等研究指出,在連作辣椒土壤中施加谷殼生物質(zhì)炭后,土壤中的有效養(yǎng)分含量顯著升高,并且單株辣椒產(chǎn)量提高[44]。說(shuō)明生物質(zhì)炭不僅可以改變土壤理化性質(zhì),增加土壤養(yǎng)分含量,還可以提高作物養(yǎng)分利用率從而增加產(chǎn)量。

4.2 生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物的影響

4.2.1 生物質(zhì)炭改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu) 導(dǎo)致連作障礙發(fā)生的原因有多種,最根本的原因是土壤微生物豐度和多樣性降低,病原微生物富集而引起各種土傳病害[80]。有報(bào)道指出,作物連作后土壤環(huán)境惡化會(huì)導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)改變,有益微生物豐度和多樣性降低,酸性細(xì)菌增加等問(wèn)題[81-84]。生物質(zhì)炭本身含有大量礦質(zhì)養(yǎng)分[60],同時(shí)其固定的養(yǎng)分會(huì)在土壤中緩慢釋放,為微生物生長(zhǎng)提供必要條件[59]。Ameur等研究指出,隨著生物質(zhì)炭施用量升高,土壤微生物生物量、多樣性指數(shù)和功能微生物數(shù)量均呈線性增加[85],使得土壤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、更穩(wěn)定。一方面,生物質(zhì)炭作為土壤改良劑,可以改善土壤理化性狀從而改善根系微生物群落,達(dá)到抑制土傳病害的效果[86]。Wang等研究表明,施用生物質(zhì)炭顯著提高了連作土壤中細(xì)菌的豐富度[87];Zhao等研究指出,生物質(zhì)炭可以改善連作土壤根際微生物群落結(jié)構(gòu)[77],使微生物群落更穩(wěn)定。另一方面,生物質(zhì)炭由于其自身孔隙度大、吸附性強(qiáng),可以成為土壤中有益微生物的載體[88]。Gu等研究指出,生物質(zhì)炭的施入增加了土壤中有益微生物的數(shù)量并促進(jìn)了抗生素的分泌,還進(jìn)一步減少了土壤中的病原菌數(shù)量[89]。生物質(zhì)炭不僅單獨(dú)施用可以改良連作土壤,并且可以與有益微生物菌劑配施,增強(qiáng)其改良作用[90]。王巖等研究指出,連作辣椒土壤養(yǎng)分含量、酶活性隨生物質(zhì)炭添加而升高,并且以生物質(zhì)炭與AM真菌配施處理效果最佳[51]。

4.2.2 生物質(zhì)炭抑制辣椒疫病 辣椒連作引起的代表性土傳病害是由辣椒疫霉菌(PhytophthoracapsiciL.)引起的辣椒疫病,辣椒疫病的嚴(yán)重程度不僅與病原菌數(shù)量相關(guān),還與土壤理化和生物學(xué)性狀息息相關(guān)。張福建等研究指出,單施生物質(zhì)炭或與生石灰配施均能降低連作辣椒疫病發(fā)病率,并提高果實(shí)產(chǎn)量[44]。有研究指出,生物質(zhì)炭可增加辣椒土壤有益微生物數(shù)量,有效降低了土壤中病原菌數(shù)量和土傳病害發(fā)生率[91]。王光飛等研究指出,生物質(zhì)炭的添加并未減少辣椒連作土壤中疫霉菌的數(shù)量[92],但辣椒疫病發(fā)生率降低,說(shuō)明生物質(zhì)炭克服辣椒疫病的機(jī)理并非只有減少病原菌數(shù)量,在后續(xù)研究中表明,木霉菌、曲霉菌、芽孢桿菌、假單胞菌、鏈霉菌等9種菌株可以與生物質(zhì)炭協(xié)同抑制辣椒疫霉[93],這說(shuō)明生物質(zhì)炭抑制辣椒疫病的原理之一是其較大的孔隙度和較強(qiáng)的吸附能力促使其成為了有益微生物的載體,進(jìn)一步減少了辣椒疫霉菌的數(shù)量,從而克服辣椒連作障礙。

4.3 生物質(zhì)炭對(duì)自毒作用的抑制作用

作物會(huì)向土壤環(huán)境中釋放自毒物質(zhì),化感物質(zhì)會(huì)促進(jìn)病原菌增殖從而導(dǎo)致連作障礙[94]。有研究指出,辣椒根系分泌物對(duì)辣椒種子萌發(fā)有較強(qiáng)的自毒作用,且濃度越高抑制作用越強(qiáng)[24]。生物質(zhì)炭由于具有強(qiáng)吸附性,可以吸附和固定DBP等化感物質(zhì)并降低其生物有效性,從而顯著降低植物各器官對(duì)化感物質(zhì)的富集[95]。許多報(bào)道指出,生物質(zhì)炭可以通過(guò)改良化感作用從而抑制連作障礙,Elmer等研究發(fā)現(xiàn),在連作土壤中施加生物質(zhì)炭可有效改善連作過(guò)程中化感作用產(chǎn)生的負(fù)面影響[96]。Wang等研究表明,生物炭通過(guò)吸附作用能有效降低連作土壤中酚酸濃度,激活抗氧化酶活性[97],從而有效抑制連作障礙。Rogovska等研究指出,生物質(zhì)炭處理可減輕玉米植株水浸液對(duì)種子胚根生長(zhǎng)的抑制作用[98]。添加生物質(zhì)炭可緩解辣椒葉中浸提液對(duì)辣椒幼芽的化感作用,并且可以抑制疫霉病菌的增殖[99],說(shuō)明生物質(zhì)炭可以吸附辣椒葉浸提液中的化感物質(zhì)從而緩解了對(duì)自身的自毒作用。綜上所述,生物質(zhì)炭對(duì)于辣椒化感作用的抑制有良好的應(yīng)用潛力。

5 總結(jié)與展望

辣椒種植過(guò)程中的連作障礙會(huì)引起植株養(yǎng)分利用率降低、疫病嚴(yán)重以及果實(shí)中硝酸鹽含量過(guò)高等問(wèn)題。根據(jù)生物質(zhì)炭具有吸附性、堿性以及富含養(yǎng)分等特點(diǎn),有助于改良土壤酸化、促進(jìn)有益微生物富集、提供緩釋養(yǎng)分和改善化感作用,故生物質(zhì)炭在改良辣椒連作障礙方面具有理想的應(yīng)用潛力。

生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有較多的研究,但目前有關(guān)生物質(zhì)炭調(diào)控辣椒連作障礙的研究較少。因此,今后需加強(qiáng)以下4個(gè)方面的研究:(1)明確不同生物質(zhì)炭的改良效果。不同生物質(zhì)炭(種類(lèi)不同、熱解溫度不同)對(duì)不同連作年限辣椒土壤的調(diào)控效果存在差異,未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)研究不同生物質(zhì)炭對(duì)辣椒連作土壤的調(diào)控效果,明確不同來(lái)源生物質(zhì)炭的適用范圍,從而優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn),提升辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)。(2)探究生物質(zhì)炭調(diào)控化感作用的內(nèi)在機(jī)制。生物質(zhì)炭可以抑制化感作用,緩解連作障礙,但對(duì)于生物質(zhì)炭對(duì)連作辣椒植株及化感物質(zhì)的內(nèi)在作用機(jī)制尚未闡明,需加強(qiáng)對(duì)生物質(zhì)炭與化感效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理研究。(3)加強(qiáng)對(duì)生物質(zhì)炭的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。由于目前的研究基本集中于生物質(zhì)炭的短期效應(yīng),缺乏長(zhǎng)期研究,且施于土壤中的生物質(zhì)炭存在老化現(xiàn)象,今后需要加強(qiáng)生物質(zhì)炭施用后的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)研究。(4)完善生物質(zhì)炭調(diào)控不同類(lèi)型連作土壤效果的評(píng)價(jià)體系。目前有關(guān)生物質(zhì)炭對(duì)土壤改良效應(yīng)的評(píng)價(jià)體系尚未形成,需要制定合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)明確不同生物質(zhì)炭對(duì)土壤的改良效果,針對(duì)不同種類(lèi)的土壤和生物質(zhì)炭確立適宜當(dāng)?shù)厍闆r的評(píng)價(jià)指標(biāo),使得評(píng)價(jià)結(jié)論更合理。