生物炭配施芽孢桿菌對植煙土壤微生物群落結構及煙葉質量的影響

摘要：為探究枯草芽孢桿菌與生物炭配施對煙稻輪作區土壤微生物及煙葉質量的影響，為南方煙區煙稻輪作土壤保育、微生物群落調控及提高煙葉質量提供理論依據，采用大田試驗設計，設不施肥（CK1）、常規施肥（CK2）、常規施肥+900 kg/hm2生物炭（T1）、常規施肥+30 kg/hm2枯草芽孢桿菌（T2）和常規施肥+900 kg/hm2生物炭+30 kg/hm2枯草芽孢桿菌（T3）共5個處理，采用Illumina高通量測序技術對土壤微生物群落結構進行分析，并測定烤后煙葉化學成分和中性香氣物質含量。結果表明，施加生物炭配施枯草芽孢桿菌菌劑可顯著提高土壤有機質含量、總氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、pH值（Plt;0.05），增幅分別為13.43%、11.33%、13.62%、6.50%、3.70%。施加微生物炭基肥改變了土壤微生物多樣性和豐富度，尤其細菌多樣性和豐富度；對細菌和真菌微生物群落結構均有改善，增加了放線菌門、子囊菌門、厚壁菌門的相對豐度，分別增加了7.72%、3.65%和1.69%，降低了變形菌門、被孢霉門和壺菌門的相對豐度，分別減少了10.09%、2.09%和0.50%。土壤有機質含量和總氮含量是影響土壤微生物群落結構的重要影響因素。生物炭配施枯草芽孢桿菌菌劑提高了烤后煙葉總氮、煙堿、鉀和中性香氣物質含量，增幅分別為16.30%、27.78%、14.46%和45.25%。生物炭配施枯草芽孢桿菌菌劑可改善南方煙區長期煙稻輪作土壤理化性質，調節土壤微生物群落結構，協調煙葉化學成分，提高煙葉香氣物質含量。

關鍵詞：烤煙；生物炭；枯草芽孢桿菌；土壤微生物；煙葉質量

中圖分類號：S572.04；S572.06" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2025）03-0222-07

閆" 伸，王" 鵬，陳承亮，等. 生物炭配施芽孢桿菌對植煙土壤微生物群落結構及煙葉質量的影響［J］. 江蘇農業科學，2025，53（3）：222-228.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2025.03.030

收稿日期：2024-02-25

基金項目：福建省煙草公司科技攻關項目（編號：2022350000240060、2024350000240041）。

作者簡介：閆" 伸（1989—），男，河南許昌人，博士，助理研究員，研究方向為煙草栽培、調制與技術推廣。E-mail：yanshen@ctt.cn。

通信作者：張重義，教授，博士生導師，研究方向為經濟作物栽培生理與品質生態，E-mail：hauzzy@163.com；任天寶，博士，副教授，碩士生導師，主要研究方向為土壤碳氮調控與煙草栽培，E-mail：biochar2018@henau.edu.cn。

福建省地處南嶺以南，武夷山中南段中低山區，氣候屬于亞熱帶季風氣候，是我國三大優質煙葉生產區之一，當地煙葉種植面積約為20萬hm2，煙稻輪作是該地區主要的種植模式［1-3］。單一栽培模式和化肥過量施用，造成土壤肥力下降、板結、酸化、碳氮比失衡和土壤微生物群落失調等土壤質量下降問題，嚴重限制當地優質煙葉的生產［4］。

土壤微生物是土壤質量變化的重要衡量指標，其群落結構對維持土壤結構、有機質降解、物質和能量循環等方面起著重要的作用［5-7］。在自然生態系統中，植物難以吸收利用結合在有機物質中的氮、磷和硫等營養元素。土壤微生物通過礦化將有機質轉化為自身所需的營養物質，這些微生物細胞中的無機態營養元素通過微生物細胞死亡裂解釋放到土壤中供植物吸收利用［3］。土壤中主要生活著細菌、真菌、放線菌、古菌、藻類等微生物類群，其中細菌不僅可以分解動植物組織、排泄物和其他有機物以及參與土壤氮素循環，提高土壤養分，還可以通過與沉積物和礦物質相結合，改善土壤通透性和結構，此外，其代謝產物可以與植物相互作用，增強植物的免疫力［8-10］；真菌參與腐殖質的形成與分解，與土壤中的氨化作用和硝化作用密切相關［11-12］。

生物炭是一種由農林廢棄物在低氧或者無氧條件經高溫裂解產生的一類富含碳的黑色固體物質，它具有疏松的多孔性、比表面積大、豐富的羥羧基官能團和芳烴結構及高電荷密度等特性，賦予了自身優異的離子交換能力和吸附能力［13-14］。目前生物炭在調節土壤物理結構、化學性質、養分含量及微生物群落等方面取得了很大研究進展［15-17］。在此基礎上，本試驗旨在探究枯草芽孢桿菌配施生物炭在土壤保育、微生物調控和煙葉質量等方面的積極作用，為南方煙區長期煙稻輪作區土壤健康生物調控和實現優質煙葉生產提供數據支撐。

1" 材料與方法

1.1" 研究區域概況

大田試驗于2022年1—7月在福建省三明市建寧縣里心煙站進行，位于武夷山中南段中低山區。獨特的地理位置和亞熱帶季風氣候使該地區具有溫暖濕潤、雨量充沛、日照時間長等氣候特點，為煙葉生產提供了有利的自然生態條件。該地區土壤類型為沙壤土，其基礎理化性質為有機質含量21.76 g/kg，總氮含量1.89 g/kg，速效磷含量 23.23 mg/kg，速效鉀含量181.86 mg/kg，pH值4.72。

1.2" 試驗設計

本試驗采用隨機區組試驗設計，共設置5個處理，每個處理設置3次重復。供試煙葉品種為翠碧1號。常規施肥為煙草專用肥800 kg/hm2（N含量12%，P2O5含量7%，K2O含量22%）、硫酸鉀 300 kg/hm2（K2O含量≥50%）、硝酸鉀300 kg/hm2（K2O含量≥43.5%，N含量≥13.5%）、餅肥 300 kg/hm2。生物炭理化性質：比表面積為 16.71 m2/g，容重為0.21 g/cm3，孔體積 0.029 m2/g，pH值為9.05，全碳含量為465.30 g/kg，總氮含量為8.30g/kg。所有肥料均在移栽前混勻一次性施入土壤。具體肥料用量見表1。

1.3" 樣品采集

1.3.1" 土壤樣品采集

土壤樣品于移栽后75 d，采用五點取樣法采集烤煙根際土壤，將過10目篩后的土壤分成2份。其中一份置于陰涼處自然陰干后密封保存，用于土壤基礎理化特性的測定。另一份收集于10 mL的無菌離心管中，放在-80 ℃超低溫冰箱中冷凍保存用于后續微生物多樣性分析。

1.3.2" 煙葉樣品采集

煙葉采收烘烤結束后，按照當地分級標準選取C3F等級的烤后煙，標記好后用牛皮紙和裝煙袋保存用于后續化學指標的分析。

1.4" 土壤理化性質測定

土壤pH值、有機質含量、速效磷含量、速效鉀含量、總氮含量等基本理化性質參照《土壤農化分析》［18］進行測定。

1.5" 土壤微生物測定

土壤樣本經DNA抽提試劑盒進行抽提后獲得的基因組DNA，用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的純度和濃度，以稀釋后的基因組DNA為模板進行后續分析。隨后的步驟包括采用特定引物進行PCR擴增、QuantiFluorTM-ST藍色熒光定量以及文庫構建和Illumina測序。PCR產物的回收、單鏈DNA的生成和Illumina平臺上的測序按照概述的方案進行。

1.6" 烤后煙化學常規測定

采用連續流動分析儀（德國BRAN+LU-EBBE公司）對常規化學成分進行分析。總氮含量的測定依據YC/T 161—2002《煙草及煙草制品" 總氮的測定" 連續流動法》，總糖和還原糖含量的測定依據YC/T 159—2019《煙草及煙草制品" 水溶性糖的測定" 連續流動法》標準，鉀含量依據YC/T 217—2007《煙草及煙草制品" 鉀的測定" 連續流動法標準》，氯含量依據YC/T 162—2011《煙草及煙草制品" 氯的測定" 連續流動法》標準，煙堿依據YC/T 160—2002《煙草及煙草制品" 總植物堿的測定" 連續流動法》標準。

1.7" 烤后煙中性香氣物質測定

采用同時蒸餾萃取法（SDE）對各處理代表性的C3F中性香氣物質進行提取。利用GC/MS的NIST譜庫檢索定性，采用內標法進行定量。

1.8" 數據處理

使用SPSS 21軟件進行LSD顯著性分析和相關性分析，Origin 2019b 繪制圖形。

2" 結果與分析

2.1" 不同處理土壤理化性質的影響

由表2可知，與對照的CK1、CK2處理相比，試驗組處理顯著提高了土壤中養分含量（Plt;0.05）。與CK2處理相比，T1、T2和T3處理的土壤有機質含量分別提高了8.68%、4.53%和13.43%；土壤總氮含量分別提高了5.91%、1.48%和11.33%；土壤速效磷含量分別提高了6.47%、17.31%和13.62%；土壤速效鉀含量分別提高了2.83%、9.73%和6.50%；土壤pH值分別提高了2.61%、1.30%和3.70%。綜上所述，單施枯草芽孢桿菌菌劑對提高土壤速效磷和速效鉀的含量效果更優，而生物炭配施枯草芽孢桿菌菌劑對有機質含量、總氮含量、pH值的提升效果最佳。

2.2" 不同處理土壤微生物群落組成多樣性分析

為進一步探究各處理根際土壤微生物群落組成上的異同，使用非度量多維尺度分析展示了土壤微生物群落間的異質性。結果（圖1）表明，不同處理中植煙根際土壤細菌群落存在較大差距。真菌群落組成在CK1和CK2處理中較為相似，而T1、T2和T3處理中真菌群落與CK1和CK2相比存在較大差距。這說明不同施肥處理可能導致微生物組成上的差異。

由表3可知，T3處理中細菌群落的香農（Shannon）指數、ACE指數和Chao1指數均高于CK1和CK2處理，而T2和T3處理的真菌Shannon指數、ACE指數和Chao1指數均低于CK1和CK2處理，且T2處理的Shannon指數、Caho1指數顯著低于CK1、CK2處理。這說明生物炭配施枯草芽孢桿菌菌劑能夠提高土壤細菌群落多樣性。施用生物炭后，土壤真菌群落的Shannon指數與CK2處理幾乎一致，而T2和T3處理的Shannon指數較CK2處理分別降低了28.64%和7.04%，Chao1指數較CK2處理分別降低了20.16%和12.61%。

2.3" 不同處理的土壤微生物群落組成

從圖2-a可以看出，土壤中細菌優勢菌門為變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteriota）、厚壁菌門（Firmicutes）、綠灣菌門（Chloroflexi）和酸桿菌門（Acidobacteriota）。T1、T2和T3處理中變形菌門的相對豐度均低于CK2處理，分別較CK2降低了4.55%、7.82%和10.09%。由圖2-b可知，子囊菌門（Ascomycota）、被孢菌門（Mortierellomycota）、擔子菌門（Basidiomycota）占土壤真菌群落的絕大多數。T1處理中子囊菌門的相對豐度較CK1和CK2處理分別降低了16.59%和15.92%，而被孢菌門和擔子菌門的相對豐度較CK1處理分別增加了48.95%和27.37%，較CK2處理分別增加了43.14 %和30.43%。T2和T3處理的子囊菌門相對豐度較CK2處理分別增加了5.84%和5.17%。與CK2相比，物炭配施枯草芽孢桿菌菌劑增加了放線菌門、子囊菌門厚壁菌門的相對豐度，分別為7.72%、3.65%和1.69%，降低了變形菌門、被孢菌門和壺菌門的相對豐度，分別為10.09%、2.09%和0.50%。這說明生物炭配施枯草芽孢桿菌菌劑更有利于降低土壤微生物群落優勢菌門相對豐度，增加微生物群落多樣性，維持土壤生態系統多樣性。

2.4" 土壤基礎養分對微生物群落的影響

基于冗余分析研究土壤理化性質與土壤微生物群落之間的關系，結果如圖3所示。RDA1和RDA2分別解釋了33.80%和10.69%的細菌群落變量，其中土壤有機質（P=0.028）、土壤總氮（P=0.023）和土壤pH值（P=0.020）顯著影響土壤細菌門水平上的群落組成；RDA1和RDA2分別解釋了64.82%和4.56%的真菌群落變量，土壤有機質含量（P=0.003）和土壤總氮含量（P=0.003）顯著影響真菌群落組成。T1和T2處理與土壤pH值呈正相關關系，與T1處理呈負相關關系。

2.5" 不同處理中烤煙化學性質分析

由表4可知，總糖、還原糖、總氮、煙堿、鉀、氯和淀粉的含量以及兩糖比、糖堿比和鉀氯比在不同處理間存在顯著差異。與常規施肥（CK2處理）相比，T1、T2和T3處理顯著降低了烤后煙的淀粉含量，降幅分別為20.92%、14.11%和46.91%；增加了烤后煙葉鉀離子含量，增幅分別為14.06%、5.62%、14.46%。值得注意的是，在T2處理中，烤后煙中氯離子含量較其他處理顯著升高，鉀氯比顯著降低，降低煙葉質量。與CK2處理相比，T3處理烤后煙的總氮和煙堿含量顯著增加，增幅為16.30%、27.78%。與T1處理相比，T3處理烤后煙的總糖和還原糖的含量無顯著變化，煙堿和總氮含量顯著增加，導致煙葉糖堿比降低，煙葉化學成分更加協調。

2.6" 不同處理中烤煙中性香氣物質含量分析

由表5可知，T1、T2和T3處理的中性香氣物質與常規施肥處理相比均有所提高，增幅分別為22.28%、41.81%和45.25%。生物炭配施枯草芽孢桿菌處理對烤煙煙葉香氣物質積累效果最為顯著，與其他4個處理相比，顯著增加糠醛、2-乙酰基呋喃、6-甲基-5-庚烯-2-酮、二氫獼猴桃內酯、新植二烯，這5種中性香氣物質屬于棕色化反應產、葉綠素降解產物、類胡蘿卜素降解產物這三大類。

3" 討論

3.1" 不同施肥條件對土壤理化性質和微生物群落結構的影響

根際作為植物根系-土壤-微生物共同存在的場所影響著烤煙的生態環境，土壤化學性質、微生物群落結構是評價土壤質量和土壤肥力的重要指標［19］。在本研究中，T1、T2和T3處理均顯著提高了土壤養分含量和pH值，其中單施微生物菌劑對提高土壤速效磷和速效鉀的含量效果最好，而生物炭配施枯草芽孢桿菌菌劑對提高土壤有機質含量、總氮含量和pH值效果最好。有研究表明，生物炭本身含有有機質、少量氮素及一些微量元素，且自然狀態下呈堿性，pH值一般為 7.0～10.5，對于提高土壤有機質和全氮的含量，以及提高土壤pH值具有顯著作用［20-21］；枯草芽孢桿菌對提高土壤速效磷、速效鉀含量具有顯著的效果，而生物炭對速效養分具有吸附、固持的作用，與本試驗的T2處理下土壤速效鉀和速效磷含量高于T3處理相印證［22］。

微生物群落結構是土壤質量健康評價的重要指標之一。在本研究中，生物炭配施枯草芽孢桿菌菌劑施用后顯著提高了土壤細菌多樣性和豐富度，對真菌多樣性和豐富度影響較小。枯草芽孢桿菌是芽孢桿菌屬的一種，它生長速度快，能在低營養條件下存活，并且能夠分泌大量蛋白及其他代謝產物。在T2和T3處理中真菌群落中表現出更低的多樣性，這可能是因為枯草芽孢桿菌分泌的代謝物或搶占生態位，抑制了真菌的生長繁殖。生物炭配施枯草芽孢桿菌菌劑增加了土壤中放線菌門、厚壁菌門、綠灣菌門、酸桿菌門、子囊菌門和擔子菌門等優勢菌門的相對豐度，減少了變形菌門、被孢菌門和壺菌門等優勢菌門的相對豐度。冗余分析結果表明，土壤有機質含量、總氮含量和pH值是影響門水平上細菌群落結構的主要影響因子；土壤有機質含量和總氮含量是影響門水平上真菌群落結構的主要影響因子。

3.2" 不同施肥條件對煙葉質量的影響

生物炭配施枯草芽孢桿菌菌劑對提高烤后煙葉總氮含量、煙堿含量、鉀含量、中性香氣物質總量效果最優，且降低了煙葉淀粉含量。總氮和煙堿的含量與煙葉勁頭和刺激性密切相關，在一定范圍內，煙葉總氮含量和煙堿含量與勁頭呈正相關關系，與刺激性呈負相關關系［23］；煙葉鉀含量一直被國內外作為評定煙葉質量的一個重要指標，提高煙葉鉀含量可以使煙葉油分更充足，燃燒性和香氣指標更優越［24］；煙葉淀粉含量與香型風格關系密切，隨著淀粉含量的降低，感官質量有變好的趨勢，國內煙葉淀粉含量一般在4%～6%之間［25-26］；香氣物質是衡量煙葉品質的重要指標，生物炭與微生物菌劑混施后，顯著增加了葉綠素降解產物。新植二烯是葉綠素降解產物，也是重要的中性香氣物質。生物炭的施加引起了葉綠素代謝途徑的重大變化，導致葉綠素的積累量增加，進而使新植二烯含量得到顯著提高，而枯草芽孢桿菌分泌的纖維素酶可以使煙葉中新植二烯含量顯著提高［24］。因此，生物炭配施枯草芽孢桿菌菌劑可以增加煙葉勁頭、燃燒性及香氣、降低刺激性。

4" 結論

施加生物炭或者枯草芽孢桿菌菌劑以及二者配施均可改善南方煙區長期煙稻輪作土壤理化性質，調節土壤微生物群落結構，協調煙葉化學成分，提高煙葉香氣物質含量，其中施用生物炭配施枯草芽孢桿菌菌劑效果最優。

參考文獻：

［1］房體磊，李小龍，劉高峰，等. 不同秸稈還田方式對煙稻輪作土壤細菌群落多樣性和結構的影響［J］. 農業資源與環境學報，2024，41（2）：482-492.

［2］熊德中，蔡海洋，羅" 光，等. 福建煙區土壤主要物理化學性狀的研究［J］. 中國生態農業學報，2007，15（3）：21-24.

［3］張書泰. 福建植煙土壤微生物群落結構及煙草根際生態效應研究［D］. 廈門：集美大學，2015.

［4］劉福童，李茂森，陳" 敏，等. 高碳基土壤修復肥對烤煙根際土壤細菌群落結構及煙葉產值的影響［J］. 河南農業大學學報，2022，56（5）：724-731.

［5］Alami M M，Xue J Q，Ma Y T，et al. Structure，function，diversity，and composition of fungal communities in rhizospheric soil of Coptis chinensis franch under a successive cropping system［J］. Plants，2020，9（2）：244.

［6］Wang H T，Zhang W，Chen L J，et al. Biochar induced negative priming effect on soil organic carbon mineralisation by changing the microbial community structure across plant growth stages［J］. Journal of Soils and Sediments，2020，20（9）：3340-3350.

［7］耿和田，王旭東，石思博，等. 菌渣與化肥配施對稻田土壤微生物群落組成及多樣性的影響［J］. 環境科學，2023，44（4）：2338-2347.

［8］李茂森. 生物炭基肥對山地植煙土壤微生態及烤煙生長影響研究［D］. 鄭州：河南農業大學，2023.

［9］納小凡，鄭國琦，彭" 勵，等. 不同種植年限寧夏枸杞根際微生物多樣性變化［J］. 土壤學報，2016，53（1）：241-252.

［10］葉" 雯，李永春，喻衛武，等. 不同種植年限香榧根際土壤微生物多樣性［J］. 應用生態學報，2018，29（11）：3783-3792.

［11］Wang L X，Fu S J，Gao H Y，et al. Linking fungal community structure with soil nitrogen dynamics following forest conversion in a subalpine forest in China［J］. Geoderma，2023，433：116448.

［12］Qiang W，Gunina A，Kuzyakov Y，et al. Shifts of understory vegetation induced by thinning drive the expansion of soil rare fungi［J］. Journal of Environmental Management，2023，342：118119.

［13］Johannes L，Stephen J. Biochar for environmental management：science，technology and implementation ［M］. London：Taylor and Francis，2015.

［14］姚麗茹，李" 偉，朱員正，等. 施用生物炭對麥田土壤細菌群落多樣性和冬小麥生長的影響［J］. 環境科學，2023，44（6）：3396-3407.

［15］馮慧琳，徐辰生，何歡輝，等. 生物炭對土壤酶活和細菌群落的影響及其作用機制［J］. 環境科學，2021，42（1）：422-432.

［16］李茂森，王麗淵，楊" 波，等. 生物炭對烤煙成熟期根際真菌群落結構的影響及功能預測分析［J］. 農業資源與環境學報，2022，39（5）：1041-1048.

［17］楊煥煥，李茂森，王麗淵，等. 生物炭對烤煙成熟期土壤養分及根際細菌群落結構的影響［J］. 華中農業大學學報，2021，40（5）：62-71.

［18］鮑士旦. 土壤農化分析［M］. 3版.北京：中國農業出版社，2000.

［19］吳" 東，劉福童，王" 博，等. 減氮條件下高碳基肥對烤煙土壤真菌群落結構及煙葉質量的影響［J］. 南方農業學報，2023，54（5）：1417-1425.

［20］丁" 澳. 障礙調理與番茄生長相適應的人工土壤構建［D］. 哈爾濱：東北農業大學，2023.

［21］李佳軼，劉" 文，任天寶，等. 植煙土壤物理特性及碳庫對不同粒徑生物質炭的動態響應［J］. 中國土壤與肥料，2019（2）：14-23.

［22］劉玉連，盧" 紅，李" 明，等. 2種微生物菌肥對穿心蓮根際土壤理化性質、微生物數量及酶活性的影響［J］. 江蘇農業科學，2023，51（12）：208-214.

［23］江厚龍，彭" 奎，張" 艷，等. 重慶烤煙化學成分與感官品質典型相關分析［J］. 中國煙草科學，2019，40（2）：80-86.

［24］Piel J，Atzorn R，Gbler R，et al. Cellulysin from the plant parasitic fungus Trichoderma viride elicits volatile biosynthesis in higher plants via the octadecanoid signalling cascade［J］. FEBS Letters，1997，416（2）：143-148.

［25］王紅剛，董維杰，竇玉青，等. 烤煙煙葉淀粉含量與其感官質量的相關性研究［J］. 西南農業學報，2017，30（7）：1533-1537.

［26］趙曉軍. 成熟度與調制方法對吉林曬紅煙品質的影響［D］. 鄭州：河南農業大學，2016.