生物炭与有机肥配施对褐土烟田微生物功能多样性的影响

许跃奇，阎海涛，王晓强，何晓冰，毛 娟，徐放达，马文辉，常 栋

（河南省烟草公司平顶山市公司，河南 平顶山 467000）

土壤作为烟草生长的承载体，为烟株提供直接的养分和水分。近年来，由于化肥的大量施用和连作，我国烟田出现了板结、养分失调等问题，在一定程度上制约了现代烟草农业的发展。生物炭作为近年来一种常见的土壤改良剂[1]，可以改变土壤的物理化学性状，增强土壤的保水保肥能力，但自身养分含量较低，很难为土壤提供足够可转化碳源；有机肥能向土壤输送有机碳及其他营养成分，但养分释放过程较为缓慢[2]。因此，开展生物炭与有机肥配施效果研究，对平衡土壤养分，改善土壤微生物群落结构，提高肥料利用效率有积极的意义[3]。

微生物是土壤生物系统中最庞大的群体，直接驱动土壤养分的转化与循环，对均衡土壤肥力、提高作物抗逆性以及优化土壤生态环境质量等起着重要作用[4]。河南郏县是“中华”、“黄金叶”等知名品牌的原料基地，植烟土壤主要是褐土。近年来出现了土壤酸化、有机质含量和微生物活性降低的现象。研究表明[5-6]，生物炭与有机肥配施能改善土壤微生物生态环境，但有机肥物料来源较多，不同有机肥与生物炭配施对褐土烟田微生物功能多样性的影响会存在一定的差异。本研究以郏县褐土烟田为研究对象，分析生物炭分别与复合肥、芝麻饼肥、生物有机肥、动植物有机肥配施对土壤微生物功能多样性的差异，以期为植烟土壤合理施肥提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018 年4—10 月在河南省平顶山市郏县李口镇进行，土壤类型为褐土，质地为壤土，碱解氮、速效磷、速效钾和有机质含量分别为55.39、21.56、80.28 mg/kg 和15.13 g/kg，pH 为6.95，前茬作物为烟草。试验所用的生物炭种类为花生壳炭，其氮、磷和钾含量分别为19.9、1.1 和1.7 g/kg，pH为8.82；复合肥的氮、磷和钾含量分别为80、120和200 g/kg；芝麻饼肥氮、磷和钾含量分别65、27和16 g/kg，有机质含量为500 g/kg，由平顶山金叶实业有限公司提供；生物有机肥（枯草芽孢杆菌、胶冻样类芽孢杆菌，有益活性菌≥2.0 亿/克）氮、磷和钾含量分别为30、28 和32 g/kg，有机质含量为550 g/kg，由南阳天冠环保科技有限公司提供；动植物有机肥原料主要由作物秸秆和动物残体发酵而成，氮、磷、钾含量分别为31、24 和28 g/kg，有机质含量为480 g/kg，由许昌绿之源肥料有限公司提供。

1.2 试验设计

烤烟供试品种为中烟100，试验设5 个处理，CK：单施复合肥；BT1：生物炭+复合肥；BT2：生物炭+芝麻饼肥+复合肥；BT3：生物炭+生物有机肥+复合肥；BT4：生物炭+动植物有机肥+复合肥。各处理氮素用量为52.5 kg/hm2，生物炭用量1.5 t/hm2。除CK 和BT1 外，其他处理无机氮∶有机氮为1∶1，用Ca(H2PO4)2和K2SO4补充磷、钾使各处理m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶1.5∶3.5，各处理施肥情况详见表1。试验采用随机区组设计，每个处理设3 次重复，行间距×株间距为1.25 m×0.55 m，植烟400株。生物炭、有机肥和复合肥全部用作基肥条施。4月25 日移栽，9 月20 日采摘完毕。烟田管理严格按照当地优质烟叶生产标准进行。

1.3 土壤样品采集及测定方法

1.3.1 土壤样品采集 在烟草旺长期（6月28日），每个小区采用梅花形5 点取样法采集0～20 cm 的烟株根际土壤，用冰盒带回实验室，剔除土内的杂质、植物活根等，混合后分为两部分，一部分在室内自然风干后过2 mm 筛，用于测定土壤化学指标；另一部分放入4 ℃冰箱保存，用于测定土壤微生物数量及功能多样性。

1.3.2 土壤指标测定方法 土壤化学指标采用常规方法进行测定[7]，其中土壤碱解氮采用碱解扩散法；速效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；速效钾采用NH4OAC 浸提-火焰光度法；有机碳采用重铬酸钾-外加热法；pH 采用电位计法。土壤细菌、真菌、放线菌数量采用平板培养计数法测定[8]，微生物功能多样性采用Biolog-Eco 微平板测定，微平板含96 孔、共31 种碳源，放置于25 ℃恒温恒湿培养箱培养8 d，每12 h 用酶标仪读取各孔在590 nm波长下的数值。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 软件进行数据计算，SPSS 20.0 统计软件进行单因素方差分析，Origin 9.0进行绘图。土壤微生物群落代谢功能多样性指数计算方法详见参考文献[9]。

表1 各处理施肥情况Table 1 Fertilization treatments kg/hm2

2 结果

2.1 生物炭与不同有机肥配施对土壤化学性质的影响

从表2 中可以看出，与CK 相比，生物炭与有机肥配施土壤的碱解氮、速效磷、速效钾和有机碳显著提升，且以BT3 提升最大，分别较对照提高了28.18%、54.81%、46.72%和31.12%；BT3 土壤pH有所下降，较CK 降低了0.08 个单位，与其他处理间差异显著。

2.2 生物炭与不同有机肥配施对土壤微生物功能多样性的影响

土壤微生物群落对碳源的利用能力可以通过平均颜色变化率（AWCD）来反映。由图1 看出，从整个培养过程来看，微生物对碳源的利用能力随着培养时间增加逐渐增强，总体表现为BT3＞BT2＞BT4＞BT1＞CK。培养的前36 h 内各处理微生物对碳源的利用能力不高；随后碳源被迅速利用，土壤微生物进入指数增长期，微生物的代谢活力显著增强；培养156 h 后AWCD 增速明显变缓，微生物代谢活性增速明显变缓。

对培养156 h 的土壤微生物碳源利用能力进行分析（图2）看出，与对照相比，生物炭与复合肥配施的土壤微生物对氨基酸、羧酸、酚酸类碳源的利用强度有所增加，对碳水化合物、多聚物类、胺类碳源利用强度有所下降，但均未达到显著性差异；生物炭与有机肥配施不同程度提高了土壤微生物对碳水化合物、氨基酸、羧酸、多聚物和酚酸类碳源的利用强度，BT3 微生物对碳水化合物的利用强度显著高于其他处理，氨基酸和羧酸类碳源利用强度虽然也有提升，但未达到显著水平；酚酸类碳源表现为施用有机肥处理显著高于未施用有机肥处理。

土壤微生物群落底物代谢功能多样性指数见表3。Shannon-Wiener 多样性指数、McIntosh 多样性指数BT3 最高，表明生物炭与生物有机肥配施（BT3）能改善土壤微生物群落功能多样性；Shannon-Wiener均匀度指数表现为CK＞BT1＞BT4＞BT2＞BT3，但各处理间差异不显著；Simpson 多样性指数、丰富度指数均表现为BT2、BT3 显著高于CK 和BT1。

表2 不同处理下土壤化学性质Table 2 Soil properties under different treatments

图1 不同处理下土壤微生物平均颜色变化率Fig.1 Variation in average well-colour development over time under different treatments

图2 不同处理下土壤微生物对6 类碳源利用特征Fig.2 Utilization characteristics of six substrate categories under different treatments

表3 不同处理下土壤微生物群落底物代谢功能多样性和均匀度指数Table 3 Diversity and evenness indices of soil microbial communities under different treatments

2.3 生物炭与不同有机肥配施对土壤微生物碳源利用特征的影响

图3 不同处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

各处理土壤微生物对31 种碳源利用的主成分分析结果表明（图3），第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）分别解释了所对应变量方差的42.26%和30.87%，两个主成分累计达到了73.13%，作为变异的主要来源，可以用来表征不同处理间微生物碳源利用的差异。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，各处理间微生物碳源利用差异较为明显。CK 与BT1 距离较近，说明生物炭对土壤微生物碳源利用差异影响较小；BT1 与BT2、BT3、BT4 距离较远，说明有机肥对微生物碳源利用差异影响较大。就不同有机肥处理来看，BT2 与BT4 间距离较近，BT3 与BT2、BT4 距离均较远，表明有机肥类型不同，微生物碳源利用存在差异。

2.4 生物炭与不同有机肥配施对土壤微生物数量的影响

表4 结果表明，与CK 相比，增施生物炭（BT1）能显著提升土壤细菌和放线菌数量，且细菌数量的增加幅度大于放线菌数量，分别较CK 增加了45.10%和12.21%；生物炭配施有机肥的3 个处理细菌数量较CK 增加了84.52%～192.45%，放线菌数量较CK增加了20.89%～45.77%，其中以BT3 增加最多。施用生物炭及有机肥均降低了土壤中的真菌数量，提高了细菌/真菌、放线菌/真菌比值，其中BT3 最大，且与其他处理达到显著性差异。

表4 不同处理下土壤微生物数量Table 4 Numbers of soil microorganisms under different treatments

3 讨 论

陈伟等[10]研究表明，生物炭与有机肥混合施用能提高土壤全氮及速效养分含量，改善土壤的水分、营养、通气等环境条件。本研究也取得了同样的结果，生物炭无论是单独施用还是与有机肥配施均能提高土壤碱解氮、有效磷、速效钾和有机碳含量，二者联合施用的增益效果更佳。主要是因为有机肥能有效补充氮磷钾等营养物质，且有机质含量丰富；生物炭作为营养元素的缓释载体，与有机肥配施后能有效降低营养元素的淋失几率，提高了土壤的保水保肥能力[11]。

宁赵等[12]研究发现，施用有机肥可显著增加土壤微生物的碳源利用能力，提高微生物对碳水化合物的代谢速率。本研究表现出一致的结果，生物炭与生物有机肥配施显著增加了微生物对碳水化合物的利用能力，可能是由于生物有机肥中易于分解的有机碳源和氮源含量较多，改善了土壤碳氮水平和养分储量，进而增强了微生物的代谢活性。生物炭配施3 种有机肥，微生物碳源利用能力大小为BT3＞BT2＞BT4，可能是生物有机肥中有机质含量相对较高，为土壤微生物提供的有机碳源较多，使微生物活性保持在较高的水平[13]。植物在生长过程中根系能向外界分泌酚酸类物质，这类物质可间接刺激土传病原微生物繁殖，提高植株发病率[14]。有研究发现，烤烟连作土壤中酚酸类物质具有明显积累特征[15]。从本研究结果来看，生物炭与有机肥配施能增强微生物对酚酸类碳源的利用能力，这可能会在一定程度上减少土壤中酚酸类物质的累积，对调控土壤微生物种类和数量起到积极作用。

土壤微生物数量和群落组成是衡量土壤质量和肥力的一个重要指标[16]。本研究结果表明，生物炭和生物有机肥配施可增加土壤细菌、放线菌的数量，这与黄媛媛等[17]、郑慧芬等[18]研究结果一致。一方面生物炭疏松多孔、比表面积较大，为微生物提供较为适宜的水分和养分环境；另一方面配施生物有机肥后，土壤摄入大量的有益功能菌，进一步刺激了细菌、放线菌的快速增殖[19]。此外，本研究中生物炭与不同有机肥配施降低了土壤中真菌的数量，这可能是细菌和放线菌的快速繁殖在一定程度上抑制了有害真菌的生存，实现了土壤微生物群落区系结构的优化。

需要指出的是，已有研究表明[20]，土壤中微生物的数量及群落结构能影响其生态系统的健康状况，细菌/真菌、放线菌/真菌比值与植物土传病害发生率呈显著的负相关。本研究中生物炭与生物有机肥配施提高了土壤细菌/真菌、放线菌/真菌值，但其能否缓解与防控烟草连作带来的根茎类病害，还有待开展进一步的研究。

4 结 论

生物炭与芝麻饼肥、生物有机肥和动植物有机肥配施能提高褐土烟田土壤速效养分和有机碳含量，增加土壤细菌、放线菌数量，降低土壤真菌数量。生物炭配施3 种有机肥均可以提高土壤微生物多样性，提高其对酚酸类碳源的利用能力；此外，生物炭与生物有机肥配施还可显著提升微生物对碳水化合物类碳源的利用能力。总之，生物炭与不同有机肥配施对提高土壤肥力和改善土壤生物学特性具有积极意义，本研究中生物炭配施生物有机肥效果最好。该施肥模式对烤烟提质增香的作用效果还有待进一步研究。