生物炭與有機(jī)肥配施對(duì)褐土煙田微生物功能多樣性的影響

許躍奇，閻海濤，王曉強(qiáng)，何曉冰，毛 娟，徐放達(dá)，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(zhǎng)的承載體，為煙株提供直接的養(yǎng)分和水分。近年來(lái)，由于化肥的大量施用和連作，我國(guó)煙田出現(xiàn)了板結(jié)、養(yǎng)分失調(diào)等問(wèn)題，在一定程度上制約了現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的發(fā)展。生物炭作為近年來(lái)一種常見(jiàn)的土壤改良劑[1]，可以改變土壤的物理化學(xué)性狀，增強(qiáng)土壤的保水保肥能力，但自身養(yǎng)分含量較低，很難為土壤提供足夠可轉(zhuǎn)化碳源；有機(jī)肥能向土壤輸送有機(jī)碳及其他營(yíng)養(yǎng)成分，但養(yǎng)分釋放過(guò)程較為緩慢[2]。因此，開(kāi)展生物炭與有機(jī)肥配施效果研究，對(duì)平衡土壤養(yǎng)分，改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，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(tǒng)中最龐大的群體，直接驅(qū)動(dòng)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與循環(huán)，對(duì)均衡土壤肥力、提高作物抗逆性以及優(yōu)化土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(lái)出現(xiàn)了土壤酸化、有機(jī)質(zhì)含量和微生物活性降低的現(xiàn)象。研究表明[5-6]，生物炭與有機(jī)肥配施能改善土壤微生物生態(tài)環(huán)境，但有機(jī)肥物料來(lái)源較多，不同有機(jī)肥與生物炭配施對(duì)褐土煙田微生物功能多樣性的影響會(huì)存在一定的差異。本研究以郟縣褐土煙田為研究對(duì)象，分析生物炭分別與復(fù)合肥、芝麻餅肥、生物有機(jī)肥、動(dòng)植物有機(jī)肥配施對(duì)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(yàn)材料

試驗(yàn)于2018 年4—10 月在河南省平頂山市郟縣李口鎮(zhèn)進(jìn)行，土壤類(lèi)型為褐土，質(zhì)地為壤土，堿解氮、速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)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(yàn)所用的生物炭種類(lèi)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(fù)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(jī)質(zhì)含量為500 g/kg，由平頂山金葉實(shí)業(yè)有限公司提供；生物有機(jī)肥（枯草芽孢桿菌、膠凍樣類(lèi)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(jī)質(zhì)含量為550 g/kg，由南陽(yáng)天冠環(huán)?？萍加邢薰咎峁?；動(dòng)植物有機(jī)肥原料主要由作物秸稈和動(dòng)物殘?bào)w發(fā)酵而成，氮、磷、鉀含量分別為31、24 和28 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量為480 g/kg，由許昌綠之源肥料有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

烤煙供試品種為中煙100，試驗(yàn)設(shè)5 個(gè)處理，CK：?jiǎn)问?fù)合肥；BT1：生物炭+復(fù)合肥；BT2：生物炭+芝麻餅肥+復(fù)合肥；BT3：生物炭+生物有機(jī)肥+復(fù)合肥；BT4：生物炭+動(dòng)植物有機(jī)肥+復(fù)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(wú)機(jī)氮∶有機(jī)氮為1∶1，用Ca(H2PO4)2和K2SO4補(bǔ)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(jiàn)表1。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)，行間距×株間距為1.25 m×0.55 m，植煙400株。生物炭、有機(jī)肥和復(fù)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(yán)格按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.3 土壤樣品采集及測(cè)定方法

1.3.1 土壤樣品采集 在煙草旺長(zhǎng)期（6月28日），每個(gè)小區(qū)采用梅花形5 點(diǎn)取樣法采集0～20 cm 的煙株根際土壤，用冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除土內(nèi)的雜質(zhì)、植物活根等，混合后分為兩部分，一部分在室內(nèi)自然風(fēng)干后過(guò)2 mm 篩，用于測(cè)定土壤化學(xué)指標(biāo)；另一部分放入4 ℃冰箱保存，用于測(cè)定土壤微生物數(shù)量及功能多樣性。

1.3.2 土壤指標(biāo)測(cè)定方法 土壤化學(xué)指標(biāo)采用常規(guī)方法進(jìn)行測(cè)定[7]，其中土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)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(jī)碳采用重鉻酸鉀-外加熱法；pH 采用電位計(jì)法。土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量采用平板培養(yǎng)計(jì)數(shù)法測(cè)定[8]，微生物功能多樣性采用Biolog-Eco 微平板測(cè)定，微平板含96 孔、共31 種碳源，放置于25 ℃恒溫恒濕培養(yǎng)箱培養(yǎng)8 d，每12 h 用酶標(biāo)儀讀取各孔在590 nm波長(zhǎng)下的數(shù)值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，SPSS 20.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析，Origin 9.0進(jìn)行繪圖。土壤微生物群落代謝功能多樣性指數(shù)計(jì)算方法詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9]。

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

2 結(jié)果

2.1 生物炭與不同有機(jī)肥配施對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

從表2 中可以看出，與CK 相比，生物炭與有機(jī)肥配施土壤的堿解氮、速效磷、速效鉀和有機(jī)碳顯著提升，且以BT3 提升最大，分別較對(duì)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(gè)單位，與其他處理間差異顯著。

2.2 生物炭與不同有機(jī)肥配施對(duì)土壤微生物功能多樣性的影響

土壤微生物群落對(duì)碳源的利用能力可以通過(guò)平均顏色變化率（AWCD）來(lái)反映。由圖1 看出，從整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程來(lái)看，微生物對(duì)碳源的利用能力隨著培養(yǎng)時(shí)間增加逐漸增強(qiáng)，總體表現(xiàn)為BT3＞BT2＞BT4＞BT1＞CK。培養(yǎng)的前36 h 內(nèi)各處理微生物對(duì)碳源的利用能力不高；隨后碳源被迅速利用，土壤微生物進(jìn)入指數(shù)增長(zhǎng)期，微生物的代謝活力顯著增強(qiáng)；培養(yǎng)156 h 后AWCD 增速明顯變緩，微生物代謝活性增速明顯變緩。

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

土壤微生物群落底物代謝功能多樣性指數(shù)見(jiàn)表3。Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、McIntosh 多樣性指數(shù)BT3 最高，表明生物炭與生物有機(jī)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(shù)表現(xiàn)為CK＞BT1＞BT4＞BT2＞BT3，但各處理間差異不顯著；Simpson 多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)均表現(xiàn)為BT2、BT3 顯著高于CK 和BT1。

表2 不同處理下土壤化學(xué)性質(zhì)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(duì)6 類(lèi)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(shù)Table 3 Diversity and evenness indices of soil microbial communities under different treatments

2.3 生物炭與不同有機(jī)肥配施對(duì)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(duì)31 種碳源利用的主成分分析結(jié)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(duì)應(yīng)變量方差的42.26%和30.87%，兩個(gè)主成分累計(jì)達(dá)到了73.13%，作為變異的主要來(lái)源，可以用來(lái)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(shuō)明生物炭對(duì)土壤微生物碳源利用差異影響較??；BT1 與BT2、BT3、BT4 距離較遠(yuǎn)，說(shuō)明有機(jī)肥對(duì)微生物碳源利用差異影響較大。就不同有機(jī)肥處理來(lái)看，BT2 與BT4 間距離較近，BT3 與BT2、BT4 距離均較遠(yuǎn)，表明有機(jī)肥類(lèi)型不同，微生物碳源利用存在差異。

2.4 生物炭與不同有機(jī)肥配施對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

表4 結(jié)果表明，與CK 相比，增施生物炭（BT1）能顯著提升土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量，且細(xì)菌數(shù)量的增加幅度大于放線菌數(shù)量，分別較CK 增加了45.10%和12.21%；生物炭配施有機(jī)肥的3 個(gè)處理細(xì)菌數(shù)量較CK 增加了84.52%～192.45%，放線菌數(shù)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(jī)肥均降低了土壤中的真菌數(shù)量，提高了細(xì)菌/真菌、放線菌/真菌比值，其中BT3 最大，且與其他處理達(dá)到顯著性差異。

表4 不同處理下土壤微生物數(shù)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(jī)肥混合施用能提高土壤全氮及速效養(yǎng)分含量，改善土壤的水分、營(yíng)養(yǎng)、通氣等環(huán)境條件。本研究也取得了同樣的結(jié)果，生物炭無(wú)論是單獨(dú)施用還是與有機(jī)肥配施均能提高土壤堿解氮、有效磷、速效鉀和有機(jī)碳含量，二者聯(lián)合施用的增益效果更佳。主要是因?yàn)橛袡C(jī)肥能有效補(bǔ)充氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，且有機(jī)質(zhì)含量豐富；生物炭作為營(yíng)養(yǎng)元素的緩釋載體，與有機(jī)肥配施后能有效降低營(yíng)養(yǎng)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(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥可顯著增加土壤微生物的碳源利用能力，提高微生物對(duì)碳水化合物的代謝速率。本研究表現(xiàn)出一致的結(jié)果，生物炭與生物有機(jī)肥配施顯著增加了微生物對(duì)碳水化合物的利用能力，可能是由于生物有機(jī)肥中易于分解的有機(jī)碳源和氮源含量較多，改善了土壤碳氮水平和養(yǎng)分儲(chǔ)量，進(jìn)而增強(qiáng)了微生物的代謝活性。生物炭配施3 種有機(jī)肥，微生物碳源利用能力大小為BT3＞BT2＞BT4，可能是生物有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高，為土壤微生物提供的有機(jī)碳源較多，使微生物活性保持在較高的水平[13]。植物在生長(zhǎng)過(guò)程中根系能向外界分泌酚酸類(lèi)物質(zhì)，這類(lèi)物質(zhì)可間接刺激土傳病原微生物繁殖，提高植株發(fā)病率[14]。有研究發(fā)現(xiàn)，烤煙連作土壤中酚酸類(lèi)物質(zhì)具有明顯積累特征[15]。從本研究結(jié)果來(lái)看，生物炭與有機(jī)肥配施能增強(qiáng)微生物對(duì)酚酸類(lèi)碳源的利用能力，這可能會(huì)在一定程度上減少土壤中酚酸類(lèi)物質(zhì)的累積，對(duì)調(diào)控土壤微生物種類(lèi)和數(shù)量起到積極作用。

土壤微生物數(shù)量和群落組成是衡量土壤質(zhì)量和肥力的一個(gè)重要指標(biāo)[16]。本研究結(jié)果表明，生物炭和生物有機(jī)肥配施可增加土壤細(xì)菌、放線菌的數(shù)量，這與黃媛媛等[17]、鄭慧芬等[18]研究結(jié)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(yǎng)分環(huán)境；另一方面配施生物有機(jī)肥后，土壤攝入大量的有益功能菌，進(jìn)一步刺激了細(xì)菌、放線菌的快速增殖[19]。此外，本研究中生物炭與不同有機(jī)肥配施降低了土壤中真菌的數(shù)量，這可能是細(xì)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(shí)現(xiàn)了土壤微生物群落區(qū)系結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

需要指出的是，已有研究表明[20]，土壤中微生物的數(shù)量及群落結(jié)構(gòu)能影響其生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，細(xì)菌/真菌、放線菌/真菌比值與植物土傳病害發(fā)生率呈顯著的負(fù)相關(guān)。本研究中生物炭與生物有機(jī)肥配施提高了土壤細(xì)菌/真菌、放線菌/真菌值，但其能否緩解與防控?zé)煵葸B作帶來(lái)的根莖類(lèi)病害，還有待開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 論

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