生物炭與有機肥配施對褐土煙田微生物功能多樣性的影響

許躍奇，閻海濤，王曉強，何曉冰，毛 娟，徐放達，馬文輝，常 棟

（河南省煙草公司平頂山市公司，河南 平頂山 467000）

土壤作為煙草生長的承載體，為煙株提供直接的養分和水分。近年來，由于化肥的大量施用和連作，我國煙田出現了板結、養分失調等問題，在一定程度上制約了現代煙草農業的發展。生物炭作為近年來一種常見的土壤改良劑[1]，可以改變土壤的物理化學性狀，增強土壤的保水保肥能力，但自身養分含量較低，很難為土壤提供足夠可轉化碳源；有機肥能向土壤輸送有機碳及其他營養成分，但養分釋放過程較為緩慢[2]。因此，開展生物炭與有機肥配施效果研究，對平衡土壤養分，改善土壤微生物群落結構，提高肥料利用效率有積極的意義[3]。

微生物是土壤生物系統中最龐大的群體，直接驅動土壤養分的轉化與循環，對均衡土壤肥力、提高作物抗逆性以及優化土壤生態環境質量等起著重要作用[4]。河南郟縣是“中華”、“黃金葉”等知名品牌的原料基地，植煙土壤主要是褐土。近年來出現了土壤酸化、有機質含量和微生物活性降低的現象。研究表明[5-6]，生物炭與有機肥配施能改善土壤微生物生態環境，但有機肥物料來源較多，不同有機肥與生物炭配施對褐土煙田微生物功能多樣性的影響會存在一定的差異。本研究以郟縣褐土煙田為研究對象，分析生物炭分別與復合肥、芝麻餅肥、生物有機肥、動植物有機肥配施對土壤微生物功能多樣性的差異，以期為植煙土壤合理施肥提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018 年4—10 月在河南省平頂山市郟縣李口鎮進行，土壤類型為褐土，質地為壤土，堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質含量分別為55.39、21.56、80.28 mg/kg 和15.13 g/kg，pH 為6.95，前茬作物為煙草。試驗所用的生物炭種類為花生殼炭，其氮、磷和鉀含量分別為19.9、1.1 和1.7 g/kg，pH為8.82；復合肥的氮、磷和鉀含量分別為80、120和200 g/kg；芝麻餅肥氮、磷和鉀含量分別65、27和16 g/kg，有機質含量為500 g/kg，由平頂山金葉實業有限公司提供；生物有機肥（枯草芽孢桿菌、膠凍樣類芽孢桿菌，有益活性菌≥2.0 億/克）氮、磷和鉀含量分別為30、28 和32 g/kg，有機質含量為550 g/kg，由南陽天冠環保科技有限公司提供；動植物有機肥原料主要由作物秸稈和動物殘體發酵而成，氮、磷、鉀含量分別為31、24 和28 g/kg，有機質含量為480 g/kg，由許昌綠之源肥料有限公司提供。

1.2 試驗設計

烤煙供試品種為中煙100，試驗設5 個處理，CK：單施復合肥；BT1：生物炭+復合肥；BT2：生物炭+芝麻餅肥+復合肥；BT3：生物炭+生物有機肥+復合肥；BT4：生物炭+動植物有機肥+復合肥。各處理氮素用量為52.5 kg/hm2，生物炭用量1.5 t/hm2。除CK 和BT1 外，其他處理無機氮∶有機氮為1∶1，用Ca(H2PO4)2和K2SO4補充磷、鉀使各處理m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶1.5∶3.5，各處理施肥情況詳見表1。試驗采用隨機區組設計，每個處理設3 次重復，行間距×株間距為1.25 m×0.55 m，植煙400株。生物炭、有機肥和復合肥全部用作基肥條施。4月25 日移栽，9 月20 日采摘完畢。煙田管理嚴格按照當地優質煙葉生產標準進行。

1.3 土壤樣品采集及測定方法

1.3.1 土壤樣品采集 在煙草旺長期（6月28日），每個小區采用梅花形5 點取樣法采集0～20 cm 的煙株根際土壤，用冰盒帶回實驗室，剔除土內的雜質、植物活根等，混合后分為兩部分，一部分在室內自然風干后過2 mm 篩，用于測定土壤化學指標；另一部分放入4 ℃冰箱保存，用于測定土壤微生物數量及功能多樣性。

1.3.2 土壤指標測定方法 土壤化學指標采用常規方法進行測定[7]，其中土壤堿解氮采用堿解擴散法；速效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀采用NH4OAC 浸提-火焰光度法；有機碳采用重鉻酸鉀-外加熱法；pH 采用電位計法。土壤細菌、真菌、放線菌數量采用平板培養計數法測定[8]，微生物功能多樣性采用Biolog-Eco 微平板測定，微平板含96 孔、共31 種碳源，放置于25 ℃恒溫恒濕培養箱培養8 d，每12 h 用酶標儀讀取各孔在590 nm波長下的數值。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016 軟件進行數據計算，SPSS 20.0 統計軟件進行單因素方差分析，Origin 9.0進行繪圖。土壤微生物群落代謝功能多樣性指數計算方法詳見參考文獻[9]。

表1 各處理施肥情況Table 1 Fertilization treatments kg/hm2

2 結果

2.1 生物炭與不同有機肥配施對土壤化學性質的影響

從表2 中可以看出，與CK 相比，生物炭與有機肥配施土壤的堿解氮、速效磷、速效鉀和有機碳顯著提升，且以BT3 提升最大，分別較對照提高了28.18%、54.81%、46.72%和31.12%；BT3 土壤pH有所下降，較CK 降低了0.08 個單位，與其他處理間差異顯著。

2.2 生物炭與不同有機肥配施對土壤微生物功能多樣性的影響

土壤微生物群落對碳源的利用能力可以通過平均顏色變化率（AWCD）來反映。由圖1 看出，從整個培養過程來看，微生物對碳源的利用能力隨著培養時間增加逐漸增強，總體表現為BT3＞BT2＞BT4＞BT1＞CK。培養的前36 h 內各處理微生物對碳源的利用能力不高；隨后碳源被迅速利用，土壤微生物進入指數增長期，微生物的代謝活力顯著增強；培養156 h 后AWCD 增速明顯變緩，微生物代謝活性增速明顯變緩。

對培養156 h 的土壤微生物碳源利用能力進行分析（圖2）看出，與對照相比，生物炭與復合肥配施的土壤微生物對氨基酸、羧酸、酚酸類碳源的利用強度有所增加，對碳水化合物、多聚物類、胺類碳源利用強度有所下降，但均未達到顯著性差異；生物炭與有機肥配施不同程度提高了土壤微生物對碳水化合物、氨基酸、羧酸、多聚物和酚酸類碳源的利用強度，BT3 微生物對碳水化合物的利用強度顯著高于其他處理，氨基酸和羧酸類碳源利用強度雖然也有提升，但未達到顯著水平；酚酸類碳源表現為施用有機肥處理顯著高于未施用有機肥處理。

土壤微生物群落底物代謝功能多樣性指數見表3。Shannon-Wiener 多樣性指數、McIntosh 多樣性指數BT3 最高，表明生物炭與生物有機肥配施（BT3）能改善土壤微生物群落功能多樣性；Shannon-Wiener均勻度指數表現為CK＞BT1＞BT4＞BT2＞BT3，但各處理間差異不顯著；Simpson 多樣性指數、豐富度指數均表現為BT2、BT3 顯著高于CK 和BT1。

表2 不同處理下土壤化學性質Table 2 Soil properties under different treatments

圖1 不同處理下土壤微生物平均顏色變化率Fig.1 Variation in average well-colour development over time under different treatments

圖2 不同處理下土壤微生物對6 類碳源利用特征Fig.2 Utilization characteristics of six substrate categories under different treatments

表3 不同處理下土壤微生物群落底物代謝功能多樣性和均勻度指數Table 3 Diversity and evenness indices of soil microbial communities under different treatments

2.3 生物炭與不同有機肥配施對土壤微生物碳源利用特征的影響

圖3 不同處理下微生物的碳源利用主成分分析Fig.3 PCA for carbon source utilization of soil microorganism under different treatments

各處理土壤微生物對31 種碳源利用的主成分分析結果表明（圖3），第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）分別解釋了所對應變量方差的42.26%和30.87%，兩個主成分累計達到了73.13%，作為變異的主要來源，可以用來表征不同處理間微生物碳源利用的差異。BT3 位于第一象限，BT1 位于第二象限，CK 位于第三象限，BT2 和BT4 主要位于第四象限，各處理間微生物碳源利用差異較為明顯。CK 與BT1 距離較近，說明生物炭對土壤微生物碳源利用差異影響較小；BT1 與BT2、BT3、BT4 距離較遠，說明有機肥對微生物碳源利用差異影響較大。就不同有機肥處理來看，BT2 與BT4 間距離較近，BT3 與BT2、BT4 距離均較遠，表明有機肥類型不同，微生物碳源利用存在差異。

2.4 生物炭與不同有機肥配施對土壤微生物數量的影響

表4 結果表明，與CK 相比，增施生物炭（BT1）能顯著提升土壤細菌和放線菌數量，且細菌數量的增加幅度大于放線菌數量，分別較CK 增加了45.10%和12.21%；生物炭配施有機肥的3 個處理細菌數量較CK 增加了84.52%～192.45%，放線菌數量較CK增加了20.89%～45.77%，其中以BT3 增加最多。施用生物炭及有機肥均降低了土壤中的真菌數量，提高了細菌/真菌、放線菌/真菌比值，其中BT3 最大，且與其他處理達到顯著性差異。

表4 不同處理下土壤微生物數量Table 4 Numbers of soil microorganisms under different treatments

3 討 論

陳偉等[10]研究表明，生物炭與有機肥混合施用能提高土壤全氮及速效養分含量，改善土壤的水分、營養、通氣等環境條件。本研究也取得了同樣的結果，生物炭無論是單獨施用還是與有機肥配施均能提高土壤堿解氮、有效磷、速效鉀和有機碳含量，二者聯合施用的增益效果更佳。主要是因為有機肥能有效補充氮磷鉀等營養物質，且有機質含量豐富；生物炭作為營養元素的緩釋載體，與有機肥配施后能有效降低營養元素的淋失幾率，提高了土壤的保水保肥能力[11]。

寧趙等[12]研究發現，施用有機肥可顯著增加土壤微生物的碳源利用能力，提高微生物對碳水化合物的代謝速率。本研究表現出一致的結果，生物炭與生物有機肥配施顯著增加了微生物對碳水化合物的利用能力，可能是由于生物有機肥中易于分解的有機碳源和氮源含量較多，改善了土壤碳氮水平和養分儲量，進而增強了微生物的代謝活性。生物炭配施3 種有機肥，微生物碳源利用能力大小為BT3＞BT2＞BT4，可能是生物有機肥中有機質含量相對較高，為土壤微生物提供的有機碳源較多，使微生物活性保持在較高的水平[13]。植物在生長過程中根系能向外界分泌酚酸類物質，這類物質可間接刺激土傳病原微生物繁殖，提高植株發病率[14]。有研究發現，烤煙連作土壤中酚酸類物質具有明顯積累特征[15]。從本研究結果來看，生物炭與有機肥配施能增強微生物對酚酸類碳源的利用能力，這可能會在一定程度上減少土壤中酚酸類物質的累積，對調控土壤微生物種類和數量起到積極作用。

土壤微生物數量和群落組成是衡量土壤質量和肥力的一個重要指標[16]。本研究結果表明，生物炭和生物有機肥配施可增加土壤細菌、放線菌的數量，這與黃媛媛等[17]、鄭慧芬等[18]研究結果一致。一方面生物炭疏松多孔、比表面積較大，為微生物提供較為適宜的水分和養分環境；另一方面配施生物有機肥后，土壤攝入大量的有益功能菌，進一步刺激了細菌、放線菌的快速增殖[19]。此外，本研究中生物炭與不同有機肥配施降低了土壤中真菌的數量，這可能是細菌和放線菌的快速繁殖在一定程度上抑制了有害真菌的生存，實現了土壤微生物群落區系結構的優化。

需要指出的是，已有研究表明[20]，土壤中微生物的數量及群落結構能影響其生態系統的健康狀況，細菌/真菌、放線菌/真菌比值與植物土傳病害發生率呈顯著的負相關。本研究中生物炭與生物有機肥配施提高了土壤細菌/真菌、放線菌/真菌值，但其能否緩解與防控煙草連作帶來的根莖類病害，還有待開展進一步的研究。

4 結 論

生物炭與芝麻餅肥、生物有機肥和動植物有機肥配施能提高褐土煙田土壤速效養分和有機碳含量，增加土壤細菌、放線菌數量，降低土壤真菌數量。生物炭配施3 種有機肥均可以提高土壤微生物多樣性，提高其對酚酸類碳源的利用能力；此外，生物炭與生物有機肥配施還可顯著提升微生物對碳水化合物類碳源的利用能力。總之，生物炭與不同有機肥配施對提高土壤肥力和改善土壤生物學特性具有積極意義，本研究中生物炭配施生物有機肥效果最好。該施肥模式對烤煙提質增香的作用效果還有待進一步研究。