烟秆生物质炭对烟草根际土壤养分及细菌群落的影响

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（1.福建省农业科学院农业生态研究所，福州 350013；2.土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008；3.福建省农业科学院生物技术研究所，福州 350003；4.福建省烟草专卖局烟草农业科学研究所，福州 350003）

烟秆生物质炭对烟草根际土壤养分及细菌群落的影响

王成己1,2，陈庆荣1，陈曦3，唐莉娜4，刘岑薇1，宋铁英3，黄毅斌1*

（1.福建省农业科学院农业生态研究所，福州 350013；2.土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008；3.福建省农业科学院生物技术研究所，福州 350003；4.福建省烟草专卖局烟草农业科学研究所，福州 350003）

通过田间小区试验研究了不同生物质炭用量对植烟土壤养分、微生物多样性和菌群丰度的影响。结果表明，梯度施入烟秆生物质炭提升了酸性土壤pH，促进了土壤有机质及全氮的积累，随着生物质炭用量的加大，土壤pH、有机质含量均有逐步升高的趋势，土壤速效钾释放速率也得到提高。施用烟秆生物质炭后，烟草根际土壤的微生物种类（OTU数）提高了26.4%。优势菌种中，变形菌门所占比例最大，达到47.19%～54.32%。生物质炭施用下，部分有利植物生长的促生菌呈增长趋势。将烟秆生物质炭用于烟田土壤改良，既可提升土壤肥力，又可缓解烟秆不合理利用导致的环境污染问题，但烟秆生物质炭推广应用还有一定的局限性。

烟秆生物质炭；根际土壤；土壤养分；促生菌；高通量测序

我国烤烟年产量约273万t[1]，若按烟叶与烟秆1:1的比例粗略计算[2]，每年约产生273万t烟秆。烟秆随意丢弃或焚烧，不但会传播烟草病害，同时会对生态环境造成不利影响，因此烟秆等废弃物的无害化处理成为烟草农业面临的重要难题[3]。生物质炭是在限氧条件下将生物质材料热解碳化后产生的高度芳香化富含碳的固态物质[4]。将生物质炭作为土壤改良剂应用于农业生产，既可改善土壤理化性质、提升土壤肥力、提高作物生产力[5-6]，又可提升土壤碳库、减少温室气体排放[7]。近年来，利用木醋液[8]、花生壳炭[9-11]、稻壳炭[12-13]、小麦秸秆炭[14]和玉米秸秆炭[15]等改良烟田土壤、改善烤烟品质的研究已多有报道，但将烟秆炭化并用于烟田土壤改良的报道还较少，本文以调控烟田连作障碍为切入点，将烟秆制备成生物质炭应用于烟田土壤改良，既提升了烟田土壤肥力，又缓解了烟秆不合理利用导致的环境污染问题，对促进烟草农业持续健康发展具有重要作用。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验位于福建省福州市晋安区宦溪镇福建省烟草农业科研基地（119°36′86″E，26°17′33″N）。烟田土壤为红壤性水稻土，耕作模式为烟稻年内轮作年际连作。试验前土壤养分状况：pH 5.45，有机质22.60 g/kg，碱解氮103.00 mg/kg，有效磷31.31 mg/kg，速效钾109.95 mg/kg[16]。

1.2 试验材料

烟秆生物质炭的制备：将烟秆风干后，委托河南商丘三利新能源有限公司通过炭化设备在无氧条件下高温热解（450 ℃左右）后产生生物质炭。其理化性状为：pH 9.66，有机碳475.92 g/kg，全氮15.01 g/kg，全磷1.40 g/kg，全钾20.10 g/kg。

1.3 试验设计

本试验烟秆生物质炭施用量分别为0、10、40和80 t/hm2（记为B0、B1、B2、B3）。试验采用随机区组设计，每个处理3次重复，小区面积144 m2（长24 m，宽6 m）。烟草种植前将烟秆生物质炭均匀撒施在地表，然后机器起垄。供试烤烟品种为K326，行株距1.2 m×0.5 m。各试验处理田间管理方式一致。

1.4 样品采集与测定

（1）根际土壤样品采集：在烟草旺长期采集烟草根际土壤。每个试验小区各随机取2株健康生长烟株，将烟株根系完整挖出，去除根际外围土壤，轻轻将根部附着的土壤（4 mm内）揉捏抖动到封口袋中，每个试验小区取混合土样约500 g放入冷藏箱运回实验室，除去杂根等后提取土壤DNA。剩余根际土壤用于理化性质的测定。

（2）根际土壤DNA的提取和浓度测定：采用Fast DNA SPIN Kit for soil进行根际土壤DNA的提取，提取后的DNA溶液用超微量紫外分光光度计测定其浓度，测得浓度＞50 µg/µL并用0.8%的琼脂糖电泳测定其片段完整视为合格，-40 ℃保存待测。

（3）根际土壤DNA的高通量测序：将冻存的根际土壤DNA样品干冰包装送至北京诺禾致源生物信息科技有限公司进行微生物16S扩增子高通量测序。以515F-806R引物扩增16S V4区片段，产物经过 2%的琼脂糖凝胶电泳检测后，使用 NEB Next® Ultra™ DNA Library Prep Kit for Illumina建库试剂盒进行文库的构建，经过Qubit定量和文库检测合格后，于MiSeq进行上机测序。

测序结果经过FLASH软件进行阅读、拼接和过滤。有效序列采用 UPARSE-OTU and UPARSEOTUref进行OTU（Operational Taxonomic Units，OTU表示的是一组来源于某一个相同分类单元的序列）聚类处理，同源率大于97%归入同一OTU片段。所有OTU采用RDP classifier进行聚类分析，并与Green Gene数据库进行LCA比较后得到物种注释结果和相对丰度值。

（4）根际土壤理化性质测定：土壤 pH值按NY/T1377—2007方法；有机质按 NY/T1121.6—2006方法；全氮按 NY/T53—1987方法；全磷按NY/T88—1988方法；全钾按NY/T87—1988方法；有效磷按 NY/T1121.7—2006方法；速效钾按NY/T889—2004方法；土壤容重、CEC和碱解氮按土壤农业化学分析方法[17]测定。

1.5 统计分析

数据处理用Microsoft Excel 2007进行，采用t检验进行差异显著性分析。

2 结 果

2.1 烟秆生物质炭对根际土壤理化性质的影响

由表1可知，烟秆生物质炭处理的土壤有机质含量较对照B0提高了12.20%～55.51%，表明施用烟秆生物质炭有利于植烟土壤有机质的形成和积累。随着生物质炭施用量的增加，土壤有机质含量增加趋于缓和。施用烟秆生物质炭后植烟土壤pH值较对照B0提高了3.15%～12.96%，说明施用烟秆生物质炭可改良酸性土壤。生物质炭处理土壤全氮含量相对于对照B0增加显著，但处理B2、B3间无差异。生物质炭处理对植烟土壤全磷、有效磷、全钾影响不显著，但对速效钾有显著影响，随着生物质炭用量增加，植烟土壤速效钾含量迅速升高，生物质炭处理的土壤速效钾含量比对照B0提高了27.12%～311.24%。

表1 烟草根际土壤pH、容重及主要养分含量Table 1 Rhizosphere soil pH, bulk density and nutrients of different treatments in tobacco field

2.2 根际土壤微生物多样性分析

烟草根际土壤 16S扩增子测序总共得到 142 014条有效序列（Tags），平均每个样本的测序深度为35 504个有效序列（13 764—55 823）。由表2可知，随着烟秆生物质炭的增加，烟草根际土壤OTU数与Chao1指数呈先降低后升高的趋势，在B2、B3水平上显著高于对照B0，B3水平时OTU数与Chao1指数比对照B0分别增加26.40%和32.84%。Shannon指数在试验处理间变化较小，B3处理比对照B0增加1.35%。

表2 烟草根际细菌多样性指数分析Table 2 Analysis of bacterial diversity indexes in the rhizosphere soil of tobacco field

2.3 根际土壤菌群丰度分析

2.3.1 烟秆生物质炭对主要菌群相对丰度的影响高通量测序结果表明（表3），烟草根际土壤微生物相对丰度较高的菌门为：变形菌门（Proteobacteria），酸 杆 菌 门 （Acidobacteria）， 芽 单 胞 菌门（Gemmatimonadetes），绿弯菌门（Chloroflexi），厚壁菌门（Firmicutes），放线菌门（Actinobacteria），疣 微 菌门（Verrucomicrobia）， 拟杆菌门（Bacteroidetes），硝化螺旋菌门（Nitrospirae），浮霉菌门（Planctomycetes）。这10个菌群的总量占根际土壤整个细菌群落的95.5%以上。

由于生活习性和生态适应性的差异，不同土壤微生物对烟秆生物质炭的响应也不同，主要归为3种响应趋势：（1）施用烟秆生物质炭后相对丰度有提高的趋势：主要有变形菌门、酸杆菌门、疣微菌门、拟杆菌门，然而变形菌门的相对丰度在达到80 t/hm2（B3）的高施炭水平则表现急剧下降；（2）施用烟秆生物质炭后相对丰度有下降的趋势：主要有芽单胞菌门、绿弯菌门、硝化螺旋菌门、浮霉菌门；（3）施用烟秆生物质炭后相对丰度变化没有明显规律特征：主要有厚壁菌门与放线菌门。

表3 主要根际土壤微生物菌群的丰度Table 3 The abundance of the primary rhizosphere soil microbes %

2.3.2 烟秆生物质炭对变形菌门丰度变化的影响烟草根际土壤中，在门类水平上变形菌门所占比例最大，为47.19%～54.32%。变形菌门下分5个纲（表 4）。随着烟秆生物质炭的增加，δ-变形菌纲（Deltaproteobacteria）的相对丰度呈增加趋势，α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）和 γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）的相对丰度先增加后减少，最大值分别出现在B1和B2水平，而β-变形杆菌（Betaproteobacteria）的相对丰度则表现为先减少后增加，最大值出现在B0水平。

表4 变形菌门的变化情况Table 4 Variations inProteobacteriabetween groups %

2.3.3 烟秆生物质炭对部分功能菌群变化的影响由表5可以看出，施用烟秆生物质炭后，一些已报导的促生菌的相对比例有提高的趋势。随着烟秆生物质炭的增加，硫杆菌属（Thiobacillus）的菌群丰度呈明显的上升趋势，B3处理比对照 B0增加84.21%。而对埃希氏杆菌属（Escherichia）、链霉菌属（Streptomyces）、Dyella属、产黄杆菌属（Rhodanobacter）来说，B1、B2、B3处理的菌群丰度均高于对照 B0，最大值分别出现在 B1、B1、B1、B2水平，比对照B0分别增加45.45%、66.67%、111.76%、89.22%。

表5 根际土壤的部分特殊菌群在烟秆生物质炭施用下的变化情况Table 5 Variations in special groups of rhizosphere soil microbes with different biochar levels

3 讨 论

3.1 烟秆生物质炭对土壤理化性质及肥力的影响

本研究表明，施用烟秆生物质炭有利于植烟土壤有机质的积累，这与李静静等[14]的研究结果一致。随着生物质炭用量的增加，植烟土壤pH、有机质含量均表现出随之增高的趋势，而土壤容重随之降低，与陈山等[13]研究结果一致。生物质炭处理后植烟土壤全氮增加效果明显。当生物质材料经处理转变为生物质炭后，其芳基碳及羧基碳的含量显著增加，化学结构更趋于稳定，可延缓肥料养分在土壤中的分解和释放速率，提高作物的养分利用率[24]。本研究表明，烟秆生物质炭施用促进了土壤速效钾的释放，这与张晗芝等[25]研究结果一致。生物质炭处理的土壤速效钾含量比对照 B0提高了 27.12%～311.24%，这可能与烟秆生物质炭独特的物理性状有关，烟秆生物质炭的多孔结构为微生物的生长提供了较好的环境，使得微生物活性增加、活化养分能力增强。使用生物质炭提高了土壤中速效钾含量，而烟草具有喜钾特性，因此高水平的速效钾对生产优质烟叶具有积极作用。

3.2 烟秆生物质炭对土壤微生物的影响

本研究表明，随着烟秆生物质炭的增加，烟草根际土壤OTU数与Chao1指数呈先降低后升高的趋势，在B2、B3水平上显著高于对照B0，B3水平时 OTU数与 Chao1指数比对照 B0分别增加26.40%和32.84%。Shannon指数在试验处理间变化较小，B3处理比对照B0增加1.35%。Kim等[26]通过16S的测序结果进行OTU对比，得到黑土细菌种群比森林土壤高出约25%的丰富度。生物质炭表面的多孔隙结构能为微生物提供更好的栖息地[27]。Gundale等[28]与 Yamato等[29]表明生物质炭本身包含少量的营养物质，可提供给土壤生物（包括菌根真菌）和植物根系。根际作为植物与土壤进行物质交换的重要界面，其微生物的变化对植物营养吸收等功能有重要影响[30]。本研究表明，施用烟秆生物质炭后，土壤的微生物菌群发生了较大的改变，部分促生菌的相对比例有增加趋势。随着烟秆生物质炭的增加，硫杆菌属（Thiobacillus）的菌群丰度呈明显的上升趋势，B3处理比对照B0增加84.21%。而对埃希氏杆菌属（Escherichia）、链霉菌属（Streptomyces）、Dyella属、产黄杆菌属（Rhodanobacter）来说，B1、B2、B3处理的菌群丰度比对照B0分别增加45.45%、66.67%、111.76%、89.22%。

3.3 烟秆生物质炭的应用前景分析

我国烟田普遍存在施用有机肥少、靠施用化肥提高烟叶产量的现象，不仅造成土壤有机质含量低，土壤理化性质差，还影响烟叶的品质，使香气成分不足，降低烟叶的价值，减少烟农的经济收入[31-35]。随着烟田土壤酸化板结以及连作障碍的加剧，烟秆生物质炭的农业利用越来越受到重视[36]。烟秆热裂解生物能转化在能量利用上优于其他生物能技术，这不仅是因为其产物保留了更多的生物质炭，更重要的是采用这种技术得到的生物质炭产品可以消灭烟秆中残存的病虫害，既可解决烟秆无法直接还田的问题，同时施用生物质炭又可以提高烟叶内在化学成分协调性、改善烟叶品质[37]，提高烤烟产量、产值及上等烟比例[38]。将烟秆生物质炭用于烟田土壤改良，可缓解烟秆不合理利用导致的环境污染问题，但是由于目前烟秆大规模炭化水平还较低，还没有解决烟秆就地炭化问题，生物质炭生产成本特别是运输成本还很高，烟秆生物质炭推广应用还有一定的局限性。因此解决烟秆的就地炭化及推广应用成为今后研究的新方向。

4 结 论

（1）施用烟秆生物质炭能有效改善植烟土壤理化性质，对提高土壤肥力、稳定土壤有机碳库有积极作用。（2）施用烟秆生物质炭后，植烟土壤微生物菌群发生了较大的改变，部分促生菌的相对比例有增加趋势；随着烟秆生物质炭的增加，烟草根际土壤OTU数与Chao1指数呈先降低后升高的趋势。（3）生物质炭的特性使其成为解决烟秆转化还田、提升土壤肥力的新途径，但烟杆生物质炭推广应用还有一定的局限性。

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Effects of Tobacco Stalk-Derived Biochar on Rhizosphere Soil Nutrients and Bacterial Communities in the Tobacco Field

WANG Chengji1,2, CHEN Qingrong1, CHEN Xi3, TANG Lina4, LIU Cenwei1, SONG Tieying3, HUANG Yibin1*
(1. Institute of Agricultural Ecology, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou 350013, China; 2. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Nanjing 210008, China; 3. Institute of Biotechnology, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou 350003, China; 4. Tobacco Agriculture Science Research Institute of Fujian Province, Fuzhou 350003, China)

The field experiments were conducted to study the impacts of tobacco stalk-derived biochar at different levels on soil nutrients, microbial diversity and abundance of flora. The results showed that gradient application of tobacco biochar increased pH of acidic soil, promoted soil organic matter and total N accumulation gradually, and improved the releasing of available K. The results also indicated that the amount of rhizosphere soil microbes increased after the application of biochar, and the greatest increment (3.25 times) was achieved by the group at the level of 80 t/hm2. The operational taxonomic unit (OTU) increased by 26.4%. The OTU analysis on bacteria at 97% similarity demonstrated that there was no difference at the top 10 dominant phyla between the groups at different levels. The highest distribution was observed inProteobacteriathat accounted for 47.19% to 54.32% of the total bacteria. This association was also applied to the increase of plant growth-promoting microorganisms (PGPMs). The applications of tobacco biochar can not only improve the soil fertility, but also ease the environmental pollution problems caused by unreasonable use of tobacco stems. However some limitations also existed in the popularization and application of tobacco stalk-derived biochar in tobacco agriculture.

tobacco stalk-derived biochar; rhizosphere soil; soil nutrients; PGPMs; high throughput sequencing

S572.062

1007-5119（2017）01-0042-06

10.13496/j.issn.1007-5119.2017.01.007

福建省自然科学基金项目“烟秆生物质炭对烟田土壤的改良效应及调控机制研究”（2016J01179）；中国烟草总公司福建省公司项目“烟秆等废弃物生物黑炭转化及其在烟田改良上的应用”{闽烟合同[2013]031}；土壤与农业可持续发展国家重点实验室开放基金课题“生物质炭输入对果园土壤质量的影响及其作用机制”（Y412201409）

王成己（1972-），男，博士，副研究员，研究方向为土壤碳循环与气候变化。E-mail：ecowcj@163.com。*通信作者，E-mail：ecohyb@163.com

2016-05-25

2017-01-12