近年来，连作障碍日益加剧，造成土壤板结、土壤微生物群落结构失衡和土壤酶活性降低等肥力下降与健康恶化问题，致使蔬菜作物生长发育不良，产量和品质降低，严重制约了蔬菜产业的可持续发展。人们一直在探索寻求解决这一难题的有效途径。

业已证实，丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza，AM)真菌不仅能促进寄主植物的生长发育，而且还能改善土壤理化性状^[1-2]。接种摩西斗管囊霉(Funneliformis mosseae)、变形球囊霉(Glomus versiforme)和根内根孢囊霉(Rhizophagus intraradices)能够提高土壤中有益微生物的数量，其丰富的根外菌丝结构也能改善土壤理化特性^[3]。试验表明，摩西斗管囊霉可以改善土壤团粒结构，促进有益微生物的繁殖，提高土壤酶活性，促进土壤养分的转运与利用^[4]。AM真菌还能减少连作西瓜土壤中酚酸化合物的积累，缓解连作障碍对西瓜造成的自毒现象^[5]。然而，一些条件下仅仅依靠AM真菌接种尚难以达到理想的效果。AM真菌配合其他农艺措施往往可以增大接种效应^[6-7]。

所谓生物质炭属于一种新型的土壤改良剂，独特的空间结构和组成成分使其在土壤改良方面具有重要作用^[8-9]。生物质炭在土壤中稳定性高，疏松多孔的结构可以显著促进土壤团聚体的形成，增加土壤孔隙度，防止土壤板结^[10]；丰富的官能团还可以为土壤微生物提供良好的附着空间和繁殖条件，对土壤微生物区系及土壤微生态环境有重要影响。生物质炭可通过自身携带养分、改善土壤理化性质和养分有效性等途径影响微生物数量、活性和群落结构^[11]。Maestrini等^[12]和Kuzyakov等^[13]采用¹³C或¹⁴C标记生物质炭的研究发现，生物质炭可以通过共生代谢来作为一种碳源。大量研究证实，添加生物质炭不仅改善土壤的理化特性^[14]、微生物群落结构和酶活性^[15]，而且对于连作土壤中有机质积累^[16]、有效养分转化^[14]和增强植物抗病性^[17]等过程同样发挥着重要作用，可直接或间接影响植物生长发育过程。

Ishii等^[18]的试验进一步表明生物质炭可以显著促进AM真菌对植物的侵染。Ezawa等^[19]发现无机土壤改良剂可以增强AM真菌对寄主植物的促生作用，其中无机多孔材料包括生物质炭具有显著的效果。接种AM真菌配施生物炭可以显著促进烟草的生长^[20]；修复矿区土壤，提高矿区土壤养分^[21]。可见AM真菌配合一定量的生物质炭之间可能存在相互促进，增强其生理生态效应。然而，有关AM真菌与生物质炭联合缓解设施土壤连作障碍的研究尚鲜见报道。本文通过探讨接种AM真菌和生物质炭协同增效作用及其对连作土壤理化性质和微生物区系的影响，以期为缓解设施蔬菜连作障碍提供技术基础。

1 材料与方法 1.1 试验材料

自青岛即墨区刘家庄采集5年以上西瓜连作土壤，其pH 6.24，全氮含量6.40 g/kg，速效磷54.60 mg/kg，速效钾119.30 mg/kg，有机质12.70 g/kg。

‘圆佳’西瓜品种和嫁接砧木‘全能铁甲’均由邹平华创农业科技有限公司提供。

AM真菌为保存于三叶草(Trifolium repens L.)上的变形球囊霉(Glomus versiforme，Gv)，由青岛农业大学菌根技术研究所提供。在灭菌砂土中经三叶草扩繁4−5个月，以菌根化根段、培育基质中的菌丝体、孢子和根围土壤组成混合接种物，每1 mL菌剂含20个孢子。

生物质炭为花生壳炭，由河南三利新能源有限公司提供。炭化温度为350−500 ℃，生物材料35%转化为生物质炭，pH 9.86，有机碳138.32 g/kg，土壤容重0.46 g/cm³，比表面积8.61 m²/g。

栽培植株用的花盆上/下口直径为15/12 cm，高10 cm。

电导率仪，上海仪电科学仪器股份有限公司；等离子体发射光谱仪，PerkinElmer公司；凯氏定氮仪，Foss公司。

1.2 试验方法

试验在青岛农业大学日光温室进行。采用穴盘育苗，每穴接种AM真菌菌剂5 mL，一叶一心时选取长势一致的嫁接苗移栽至塑料盆中，每个处理10盆，每盆内2株，盆内装2 kg连作土和2%−4%的生物质炭均匀混合物。幼苗生长期间定期补充Hoagland营养液，其他则按照常规方法管理。

1.3 试验设计

试验共设8个处理：(1)不施加生物质炭，不接种AM真菌(CK)；(2)只接种AM真菌(Gv)；(3)生物质炭施加量为1% (1% C，质量比，下同)；(4)生物质炭施加量为1%并接种AM真菌(1% C+Gv)；(5)生物质炭施加量为2% (2% C)；(6)生物质炭施加量为2%并接种AM真菌(2% C+Gv)；(7)生物质炭施加量为4% (4% C)；(8)生物质炭施加量为4%并接种AM真菌(4% C+Gv)。完全随机排列，重复10次，共80盆。

1.4 试验指标测定

参照鲍士旦^[22]的方法用pH计测定pH (水:土=5:1，质量比，下同)，用电导率仪测定EC (水:土=5:1)，重铬酸钾容量法测定有机质含量，等离子体发射光谱仪测定土壤全磷、全钾、速效磷、速效钾、钙、镁和铜含量，凯氏定氮仪测定土壤全氮含量。

采用环刀法测定土壤容重，烘干法测定土壤饱和含水量，称重法测定土壤孔隙度，筛分法测定土壤团聚体含量，常规方法测定土壤酶活性。

稀释涂布平板法测定土壤微生物含量^[23]；酸性品红染色法测定AM真菌侵染率^[24]。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2019软件进行数据处理，采用DPS 7.05软件进行方差分析及LSD法进行多重比较。

2 结果与分析 2.1 AM真菌和生物质炭对西瓜连作土壤理化性质的影响

双因素方差分析表明，AM真菌对土壤pH、EC、土壤容重和土壤饱和含水量影响极显著，对总孔隙度影响显著，对通气孔隙影响不显著；生物质炭施用量对土壤理化性质各项指标影响均达到极显著水平。生物质炭施用量与AM真菌交互作用对土壤EC值、土壤总孔隙及通气孔隙影响极显著。

施加生物质炭可提高连作土壤pH，而且随着添加量的增加，土壤pH不断提高。相较于CK，施加1%、2%和4%生物质炭时，土壤pH分别提高了0.13、0.55和0.65；接种AM真菌的土壤pH均高于同施用量下不接种处理；施加生物质炭显著降低连作土壤EC，而且随着生物质炭添加量的增加，土壤EC呈线性下降趋势。未添加生物质炭和未接种AM真菌处理的连作土壤，其EC高达809.00 μS/cm，相较于CK，1% C、2% C和4% C处理的连作土壤EC分别下降了16%、42%和47%，处理间差异显著；接种AM真菌的连作土壤EC均低于同施用量下不接种处理；随着生物质炭施加量的增加，土壤容重显著下降，而土壤饱和含水量变化为CK < 1% C < 4% C < 2% C。当施加2%生物质炭时，接种AM真菌处理，土壤容重为1.31 g/cm³，此时土壤饱和含水量达到最高值，为20%。AM真菌与生物质炭交互作用能显著改善连作土壤容重、增加土壤饱和水量。AM真菌与生物质炭互作效应能显著提高土壤总孔隙度，表现效果为4% C+Gv > 2% C+Gv > 1% C+Gv > Gv。在单施加生物质炭的处理中，土壤通气孔隙度随着生物质炭施用量的提高呈先上升后下降的趋势，生物质炭施用量为2%的土壤通气孔隙度均高于其他处理；接种AM真菌处理中，以2% C+Gv处理后的连作土壤通气孔隙度最高，达到25% (表 1)。

2.2 AM真菌和生物质炭对西瓜连作土壤团聚体含量的影响

表 2结果表明，> 2 mm的土壤团聚体颗粒含量最高的处理为4% C+Gv，含量最低的处理为CK。0.25−0.50 mm和 < 0.25 mm的土壤团聚体颗粒含量最高的处理均为CK，而这两种粒级团聚体颗粒的最低含量分别出现在处理4% C和4% C+Gv；AM真菌对 > 2 mm、1−2 mm和 < 0.25 mm的土壤团聚体颗粒含量影响极显著；生物质炭施用量对 > 2 mm、1−2 mm和 < 0.25 mm的土壤团聚体颗粒含量影响极显著，对0.5−1.0 mm和0.25−0.50 mm的土壤团聚体颗粒含量影响显著；两者相互作用对0.5−1.0 mm和0.25−0.50 mm的土壤团聚体颗粒含量影响极显著，对1−2 mm的土壤团聚体颗粒含量影响显著。

2.3 AM真菌和生物质炭对西瓜连作土壤氮、磷、钾元素含量的影响

如表 3所示，随着生物质炭施用量的增加，土壤中氮含量呈先上升后下降的趋势。生物质炭施用量为2%时土壤氮含量最高，达到16.29 g/kg，接种AM真菌提高了土壤含氮量；随着生物质炭施用量的增加，土壤中磷含量呈持续上升，生物质炭施用量为4%处理的连作土壤中磷含量比CK上升了21%；接种AM真菌与施加生物质炭交互处理的土壤磷含量呈先减少后增加的趋势；土壤全钾量因生物质炭添加量的增大而先增加后减少，在生物质炭施用量为2%时土壤钾含量最高，为58.20 g/kg，同一生物质炭施用量下接种AM真菌使土壤含钾量减少，而且在生物质炭施用量为2%时下降幅度最大；在同一生物质炭施用量下，接种AM真菌的土壤中速效磷和速效钾含量均低于未接种处理，而在4种生物质炭施用量中，又以CK的含量最低，速效磷和速效钾含量随着生物质炭添加量的增加而不断提高，在所有未接种处理中的连作土壤中生物质炭施用量为4%时速效磷和速效钾含量最高。

2.4 AM真菌和生物质炭对西瓜连作土壤其他矿物质含量的影响

如表 4所示，施用生物质炭可明显增加土壤中Cu、Mg和Ca的含量，与CK相比，各处理的土壤钙含量分别增加了19%、21%和36%；土壤中镁含量分别增加了5%、7%和19%；土壤铜含量分别增加了15%、27%和33%；同施用量下接种AM真菌处理的3种矿物质含量均低于未接种处理；土壤有机质含量随着生物质炭添加量的增多而不断上升，接种AM真菌的土壤有机质含量均低于同施用量下未接种处理，各处理分别降低17%、22%、18%和15%。

2.5 AM真菌和生物质炭对西瓜连作土壤酶活性的影响

施加生物质炭处理可显著提高连作土壤的蔗糖酶活性，1% C、2% C和4% C处理的蔗糖酶活性比CK分别增加了26%、56%和120%；脲酶活性随着生物质炭施用量的增加呈先上升后下降的趋势，在生物质炭施用量为2%和4%时最高。接种AM真菌处理的连作土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶和脲酶活性均高于未接种处理的土壤。土壤中蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶活性最高的处理分别为4% C+Gv、2% C+Gv和2% C+Gv，分别高于最低值79%、59%和6%。通过方差分析可见，接种AM真菌、施加生物质炭都对3种土壤酶活性产生极显著的影响，而二者交互作用对蔗糖酶和脲酶活性影响不显著，对过氧化氢酶影响极显著(表 5)。

2.6 西瓜连作土壤养分与酶活性相关性分析

相关性分析(表 6)表明，土壤EC与土壤蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶有极显著负相关，而土壤pH与其呈现极显著正相关。土壤全磷、全钾含量与土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶并没有显著相关性，但土壤速效磷与蔗糖酶和过氧化氢酶呈显著正相关，相关系数分别为r=0.730和r=0.816，土壤速效钾与蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶显著正相关，相关系数为r=0.724、r=0.711和r=0.763。全氮含量与脲酶显著正相关，与过氧化氢酶极显著正相关。土壤有机质含量与过氧化氢酶呈显著正相关。

2.7 AM真菌和生物质炭对西瓜连作土壤微生物含量的影响

施用生物质炭后土壤中细菌、放线菌数量均有所增加，土壤中真菌数量呈下降趋势(表 7)。与CK相比，不同生物质炭施用量处理的土壤细菌数量分别增加了26%、65%和56%；真菌数量随生物质炭施用量升高而不断下降；放线菌数量随生物质炭施用量升高而不断增加。同生物质炭施用量下接种AM真菌的土壤中真菌数量显著低于未接种处理，细菌数量显著高于未接种处理，放线菌数量高于未接种处理(表 7)。

2.8 AM真菌和生物质炭对连作西瓜生长量的影响

接种AM真菌的西瓜幼苗与未接种处理的相比，各项指标均显著高于同生物质炭施用量下不接种的处理，其中在生物质炭施用量为2%时差异最显著，株高、茎粗、地上部、地下部鲜重分别增加了25%、19%、20%和22%。AM真菌和生物质炭的交互处理中，各项指标都显著高于CK，其中2% C+AM真菌处理效果最优，各项指标分别比CK增加了91%、34%、50%和70%。通过方差分析可见，施加生物质炭、接种AM真菌都对连作西瓜生长产生极显著的影响，而二者交互作用影响不显著；与CK相比，施加生物质炭处理的菌根侵染率均有所提高，分别较CK提高了3%、10%和5%，表明添加生物质炭有利于AM真菌对寄主植物的侵染，生物质炭对AM真菌活动有增益作用(表 8)。

3 讨论与结论

单独施用生物质炭^[25]或单独接种AM真菌^[3]均可改善土壤团聚体构成。本试验观测到施加生物质炭和/或接种AM真菌减少 < 0.25 mm和0.25−0.5 mm的团聚体相对含量，而增加大团聚体相对含量，从而可以有效防止土壤板结，提高土壤孔隙度和饱和含水量，显著降低土壤容重。土壤团聚体结构的改变可能与以下因素相关：(1)生物质炭表面较多的官能团可以与土壤胶粒结合，形成较为稳定的大团粒结构；生物质较大的比表面积、较多的表面负电荷和较高的电荷密度，对小分子物质和金属离子具有较强的吸附能力，借助于吸附的小分子物质和金属离子生物质炭也可以对土壤胶粒进行结合。(2)土壤中分布的AM真菌庞大的菌丝网络可以促进土壤团聚体的形成和结构稳定，其与植物根系结合而成的菌根结构会分泌酚酸和类黄酮等物质，这些分泌物可以进一步增强菌根在土壤团聚体形成中的作用^[26-28]。(3)本研究将生物质炭与AM真菌配合施用，AM真菌菌丝可以从生物质炭颗粒的多孔结构中穿过，AM真菌庞大的菌丝网络与生物质炭的多孔结构相结合，形成稳定性更高的土壤团粒结构。

本试验生物质炭处理的土壤养分状况得到显著改善，这与所施用的生物质炭为花生壳加工而成，自身含有一定的可溶性有机质和N、P、K、Ca、Mg、Cu等营养物质，可以提高土壤养分含量不无关系。土壤团粒结构的改善进而改善了土壤的毛管结构，有利于土壤养分的转运^[29]；AM真菌也可以协助土壤养分的转运^[1]。生物质炭具有较强的吸附能力，可以有效避免淋溶损失，有利于保持土壤肥力，增加土壤阳离子交换能力^[30]。

研究表明，土壤有机质和土壤养分与土壤酶活性之间具有相关系^[31-32]，而酶主要集中在土壤团聚体中，本研究中添加生物质炭并接种AM真菌以后土壤总孔隙度、通气孔隙度增加，土壤微团聚体构成改善，因此土壤中酶活性随之增强，进而提高土壤养分含量^[33]。土壤微生物群落结构在添加生物质炭并接种AM真菌后得到显著改善，土壤理化性质的改善能够为土壤微生物提供附着位点和较大的生存空间。张志龙等^[34]发现向黄瓜连作土壤中施加生物质炭后土壤微生物量显著提高；于小彦等^[35]研究发现向土壤中添加生物质炭对土壤微生物类群丰度和群落结构影响显著，并且受生物质炭添加时间和土壤含水量的影响。生物质炭所含有的易分解有机物质可以为微生物提供碳源^[14]。因此，生物质炭和AM菌剂配施可以促进根围土壤中有益微生物的定殖，提高菌体的成活率，发挥协同增效作用。

综上所述，接种AM真菌并施用生物质炭可以提高连作土壤的饱和含水量及孔隙度，降低了土壤容重，有利于土壤大颗粒团聚体的形成，提高了土壤酶活性，改善了根围土壤微生物结构，其中生物质炭施用量为2%时生物质炭经济效果最佳。