丛枝菌根真菌和生物炭联合施用对土壤有机碳组分及团聚体的影响

陈雪冬， 刘雪龙， 吴孔阳， 唐 琳， 李 俊

(洛阳师范学院生命科学学院，河南洛阳 471934)

土壤有机碳是土壤质量的核心，不仅影响土壤质量和功能，而且对全球气候变化也有重要作用。土壤活性有机碳是指土壤中稳定性差、周转速率快、易矿化分解、易受微生物影响的那部分碳素，主要包括可溶性有机碳、易氧化态有机碳等，其变化可以表征土壤固碳能力。土壤团聚体是土壤结构的基本单位，由土壤颗粒胶结形成，团聚体的形成可以限制土壤微生物的活动，引起微生物与有机碳的空间隔离，从而提高土壤有机碳的稳定性。

生物炭是由废弃的生物质残体在高温限氧情况下热裂解而产生的高度芳香化物质，制备工艺简单，且原材料来源丰富，是一种环境友好型材料，具有含碳丰富、孔隙发达、表面积大、吸附能力强等突出优势，能够与土壤颗粒形成团聚体，避免土壤微生物的分解，长时间留存在土壤中，长期施用可增强土壤贮碳功能。

丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza，简称AM)真菌是一类分布广泛的土壤微生物，几乎存在于所有的陆地生态系统中。AM真菌具有丰富的外延菌丝，包含20%～30%的微生物生物量，相当于15%的土壤有机碳库，而且AM真菌可以通过丰富的菌丝网络将土壤缠绕在一起，使土壤颗粒按照一定的规律进行排列，提高土壤团聚体稳定性。此外，AM真菌菌丝会分泌球囊霉素，球囊霉素储存的碳可以在土壤中保留长达12～22年之久，而且球囊霉素是形成土壤团聚体的重要黏合剂，可以加速土壤团聚过程，提高土壤有机碳的稳定。目前许多研究已证实AM真菌和生物炭能提高土壤有机碳含量，但二者联合作用的研究仍然较少，尤其是AM真菌与生物炭配施对土壤活性碳组分和土壤结构的影响尚不明确。因此，为了探明AM真菌与生物炭联合施用对土壤有机碳和土壤结构的影响，本研究设计了盆栽试验研究不同温度制备的秸秆生物炭与AM真菌配施对土壤有机碳组分及团聚体分布的影响，以期为菌根技术和生物炭的联合应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年4—7月在洛阳师范学院生命科学学院科研温室进行。

土壤：选取郊外无污染的玉米农田，采集0～20 cm 土壤，除去生物残体、石块等杂物，充分混合后取足量土壤带回实验室，鲜土粉碎后过5 mm筛，装袋保存。

菌种：以玉米为宿主，选用笔者所在研究室保存的根内根生囊霉()菌种进行繁殖，60 d后收集其孢子、菌丝体和侵染根段，制备为接种菌剂，装袋保存。

生物炭：生物炭购自南京智融联科技有限公司，由玉米秸秆经过不同温度(300、400、500 ℃)制备而成。

玉米：选饱满程度相似的玉米种子，表面消毒后，萌发备用。

1.2 试验设计

将供试土壤经高温高压灭菌冷却后，各取 1.0 kg 土壤装入塑料花盆中(直径21 cm，高 12 cm)，试验设生物炭(不添加，添加300、400、500 ℃ 生物炭)和AM真菌(不接种、接种)2个因素，共8个处理，其中每种生物炭的添加量为3%，与土壤混匀。向需要接菌的土壤中添加30 g菌剂，不需接种的土壤添加等量灭菌菌剂和10 mL菌剂过滤液，使土壤中的其他微生物组成一致，然后将萌发的玉米种子撒在花盆中间，每个处理5盆重复，之后按常规育苗管理。

1.3 生物炭比表面积的测定

利用比表面分析仪(V-Sorb2800P，北京)测定不同温度制备的生物炭的比表面积。

1.4 玉米生长指标的测定

待玉米生长3个月后，拍照记录玉米植株的生长状况，使用长直尺测量玉米植株的株高并记录，使用游标卡尺测定玉米植株的地径并记录。

1.5 土壤有机碳及活性碳组分的测定

土壤总有机碳含量采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定；土壤可溶性有机碳含量采用冷水浸提后用TOC仪测定；土壤易氧化有机碳含量采用333 mmol/L高锰酸钾氧化法测定。

1.6 土壤团聚体组成的测定

称取适量的风干土样，利用8411型电动振筛机进行土壤颗粒的筛分，筛分后得到6个粒径土壤颗粒(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)，对各粒径范围土壤质量进行称量，计算该土壤样品中土壤团聚体组成。

1.7 统计分析

利用SPSS 22.0分析不同生物炭和AM真菌处理后的玉米生长、有机碳组分及团聚体的差异，利用Origin 9.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同温度制备的生物炭的比表面积比较

对不同温度制备的玉米秸秆生物炭的比表面积进行表征，从表1可以看出，400 ℃热裂解制备的玉米秸秆生物炭的比表面积最大，为6.88 m/g；300 ℃ 制备的生物炭比表面积最小，为1.13 m/g；而500 ℃制备的生物炭比表面积介于二者之间，为4.83 m/g。

表1 不同温度制备的玉米秸秆生物炭的比表面积

2.2 不同处理对玉米幼苗生长的影响

从图1可以看出，同时添加生物炭和接种AM真菌处理下的玉米生长状况整体上要优于单接种AM真菌或单添加400、500 ℃生物炭处理。通过双因素交互分析，结果发现AM真菌和生物炭联合处理能够显著影响玉米的株高，二者交互作用达到了显著水平。在不接菌的情况下，单独添加300、500 ℃ 生物炭对玉米株高有促进作用，但400 ℃生物炭作用效果不明显。在接菌处理下，同时添加300、400、500 ℃生物炭对玉米的株高均有显著的促进作用(图2-a)。此外，生物炭对玉米地径具有显著影响，但AM真菌对玉米地径的影响并不显著。与单接种AM真菌相比，同时添加300 ℃生物炭处理下的玉米地径有显著改善(图2-b)。

2.3 不同温度生物炭和AM真菌联合处理对土壤有机碳及活性碳组分的影响

通过双因素交互分析，结果发现生物炭对土壤总有机碳、可溶性有机碳、易氧化有机碳含量均有极显著影响，而AM真菌主要对易氧化有机碳含量有极显著影响，生物炭和AM真菌对可溶性有机碳含量的交互影响达到显著水平。具体而言，添加生物炭后土壤总有机碳含量要显著高于未添加生物炭处理(图3-a)；未接种AM真菌的情况下，添加生物炭对土壤可溶性有机碳影响并不大，但接种AM真菌的条件下，添加300 ℃生物炭能显著提高土壤可溶性碳含量(图3-b)；接种AM真菌并添加 300 ℃ 生物炭能显著提高土壤易氧化有机碳含量，但接种AM真菌并添加500 ℃生物炭反而会降低土壤易氧化有机碳含量(图3-c)。

2.4 不同温度生物炭和AM真菌联合处理对土壤团聚体组成的影响

从表2可看出，生物炭和AM真菌处理对中等粒径的土壤团聚体(>1 000～2 000 μm和>250～1 000 μm)影响并不显著，但单独接种AM真菌能够显著增加大团聚体(>4 000 μm和>2 000～4 000 μm)的比例，减少微团聚体(58～250 μm和<58 μm)的比例，而且接种AM真菌添加400 ℃生物炭处理下的58 μm以下微团聚体比例有所降低。

表2 不同温度生物炭和AM真菌处理下的土壤团聚体分布

3 讨论与结论

3.1 生物炭和AM真菌联合作用对玉米生长的影响

AM真菌可以侵染玉米根系，帮助玉米吸收养分，进而促进玉米幼苗的生长，生物炭具有丰富的比表面积和发达的孔隙结构，可以为AM真菌提供生长发育的场所，也有利于其他根际微生物的生存繁衍，二者联用既可以有效改善土壤微生态环境，又能提高土壤理化性质，活化土壤养分，促进作物生长。本研究也发现AM真菌与生物炭联合施用可显著增加玉米的株高和地径，这与刘先良等的研究结果是一致的。目前多数研究已证实生物炭的施加具有良好的增产作用，但实际施用效果仍然与生物炭的原料、制备温度等有关，本研究中施用300 ℃生物炭的玉米幼苗生长状况要优于400、500 ℃生物炭，说明高温制备的生物炭可能会阻碍植物的生长，这与Yang等的结果是一致的。此外，本研究还发现生物炭和AM真菌联合处理下，生物炭对玉米生长的影响作用要显著大于AM真菌，这与Liu等的研究结果是一致的，主要是由于生物炭本身有丰富的碳含量，还含有一定数量的氮、磷、钾等大量元素及其他一些微量元素，可以为植物的生长发育提供直接的营养来源，宿主植物养分充足的情况下对AM真菌的依赖性有所减弱。

3.2 生物炭和AM真菌联合作用对土壤有机碳及其活性组分的影响

本研究结果表明，施加生物炭处理能显著提高土壤总有机碳含量，因为生物炭本身是含碳丰富的有机材料，施加生物炭相当于直接输入了外源有机碳，有利于土壤固碳。生物炭与AM真菌联合施用对土壤活性碳也有显著影响，但单独施加生物炭并未改变土壤可溶性有机碳含量，而接种AM真菌同时添加300 ℃生物炭却显著增加了土壤可溶性有机碳，这主要是因为可溶性有机碳主要来源于植物凋落物、微生物活动、根系分泌物以及施肥等途径，生物炭所含碳是高度芳香化的惰性碳，生物稳定性很强，难以被土壤微生物分解转化为可溶性碳，而AM真菌的存在可以引起根际激发效应，增强土壤微生物活性，促进根系分泌物的增加，引起土壤中难溶物质的活化与分解，因而会增加土壤可溶性碳含量。此外，本研究还发现单施300、400 ℃生物炭、接种AM真菌配施300 ℃生物炭较空白处理均显著增加了土壤易氧化有机碳的含量，易氧化有机碳是容易被微生物分解矿化的有机碳，由于生物炭结构疏松，孔隙发达，施用后能够增加土壤含氧量，促进植物根系生长，增加根系分泌物，同时也为微生物的繁殖提供了有利场所，因此能够促进土壤本底碳的矿化，这与已有的研究结果是一致的，但是接种AM真菌配施500 ℃生物炭却会明显降低土壤易氧化碳，这可能是由于500 ℃制备的秸秆生物炭表面的活性官能团基本上被去除，主要以稳定的高度芳香化碳结构物质为主，更适用于碳的封存。

3.3 生物炭和AM真菌联合作用对土壤团聚体的影响

本研究发现接种AM真菌可以促进土壤团聚体的形成，这与相关研究结果是一致的，因为AM真菌能够分泌球囊霉素和菌丝分泌物，可以增加土壤黏结和团聚， 但是AM真菌与生物炭配施后大团聚体的比例却减少，微团聚体比例反而增加，说明生物炭与AM真菌联合作用并不利于土壤大团聚体的形成。由于生物炭具有偏碱性、疏松多孔等特征，目前多数研究报道施用生物炭能够提高土壤大团聚体的形成和结构稳定性，但也有学者认为，生物炭并不能像其他有机物料一样提高土壤团聚体的稳定性，本研究也发现施用生物炭对土壤团聚体的分布影响并不显著，说明生物炭对土壤团聚体的作用效果会受到材料来源、土壤类型、施用量等多种因素的影响。

AM真菌和生物炭联合作用能够促进玉米植株的生长，显著提高农田土壤总有机碳含量。对土壤活性碳组分而言，AM真菌和300 ℃生物炭配施能提高土壤可溶性有机碳和易氧化有机碳含量，促进土壤活性碳转化，而AM真菌和500 ℃生物炭配施反而会降低土壤易氧化有机碳含量。但是AM真菌和生物炭联合作用并不利于土壤大团聚体的形成，单接种AM真菌可以提高土壤结构的稳定性。