炭基肥与化肥配施对植烟土壤生物学特性的影响

张 凯，许跃奇，王晓强，何晓冰，毛 娟，阎海涛，马文辉，常 栋

（河南省烟草公司 平顶山市公司，河南 平顶山 476000）

烟叶生产对化肥长期的依赖导致了植烟土壤结构变劣，有机质转化和养分协调供应能力下降，土壤微生物生态环境失调，进而降低了烟叶的品质和可用性，成为了当今烟叶生产高质量发展的主要限制因子之一。因此，科学合理地添加有机物料对于烟叶生产至关重要。由于烤烟较为特殊的需肥规律，有机质过高或过低都会对烟叶品质产生不利的影响［1-2］。而不同种类有机肥的营养成分、养分含量和C/N比值等均不相同，施入土壤后，其与土壤的相互作用，不仅影响到肥料本身的养分释放和土壤本底有机质的矿化，对土壤微生物群落结构也存在不同程度的影响。丰富的土壤微生物群落结构和功能多样性对于土壤营养循环的推动及土壤质量的维持至关重要。因此，在一定环境条件下，合理的有机与无机肥配施是烟叶生产肥料施用的关键技术之一。

目前，针对土壤微生物失衡，生物特性较差的问题，利用有机肥料和生物炭进行土壤改良的研究备受关注。炭基肥就是利用含碳量丰富的生物炭与其他类型肥料进行混配，具有改良和培肥土壤的多重特性。在烟田进行的有机无机肥配比研究主要集中在传统有机肥，而利用炭基肥进行配比的研究相对较少。本研究选择豫中典型植烟土壤为研究对象，在等氮条件下利用炭基肥开展有机肥与化肥配施田间试验，探讨不同配比对植烟土壤微生物功能多样性的影响，以期为合理的烤烟施肥技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2019年在河南省平顶山市郏县李口镇进行，供试品种为中烟100，土壤质地为壤土。采用随机区组设计，共设4个处理，CK：100%化肥；T1：60%化肥+40%炭基肥；T2：70%化肥+30%炭基肥；T3：80%化肥+20%炭基肥。每个处理设置3个重复，小区约130 m2。

各处理氮磷钾养分含量相同，施用纯氮60 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶1∶4。供试肥料中有机肥为炭基肥，由河南惠农土质保育有限公司生产，其中生物炭≥200 g/kg、有机质≥45%（主要为油料饼肥）、N 20 g/kg、P2O510 g/kg、K2O 20 g/kg；化肥为烟草专用复合肥（N∶P2O5∶K2O=10∶10∶20）、重钙、硝酸钾和硫酸钾。其中，炭基肥、复合肥、重钙和硫酸钾全部用作基肥，硝酸钾在移栽后30 d追施。

1.2 样品采集与测定

在烟草旺长期采用5点法对各小区采集根域土壤样品，剔除植物残体和石块等杂物，一部分混匀过2 mm筛后在4 ℃冰箱保存，一部分风干、粉碎并过筛保存。土壤碱解氮（AN）、速效磷（AP）和有机碳（SOC）含量采用鲁如坤［3］的方法测定。微生物量碳（MBC）采用熏蒸浸提-重铬酸钾容量法测定，微生物量氮（MBN）采用熏蒸浸提法测定，土壤硝态氮和铵态氮采用连续流动分析仪测定［4］。土壤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28 ℃恒温恒湿培养箱培养7 d，每24 h用酶标仪读取各孔在590 nm波长下的数值［5］。土壤酶活性的测定依照关松荫［6］的方法。土壤酶活性综合指数（GMea）利用所测酶活性的几何平均值计算［7］，公式为：

公式（1）中：Ure表示脲酶活性，Inv表示转化酶活性，Pol表示多酚氧化酶活性。

1.3 数据处理

土壤微生物对碳源的利用能力通过每孔平均颜色变化率（average well colour development，AWCD）来表示，数值小于0的全部记为0［8］。本研究采用培养了144 h的数据计算4种指数参数来表征土壤微生物群落功能代谢多样性，其中Shannon多样性指数（H）用来反映群落物种及其个体数和分布均匀程度，受群落物种丰富度影响较大；McIntosh多样性指数（U）用来反映群落的均一性；Simpson多样性指数（D）用来评估群落常见物种的优势度；Shannon均一性指数（E）用来反映Shannon指数的均匀度，各指数计算按照文献方法进行［9-10］。试验数据采用Microsoft Excel 2019软件进行初步处理，使用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析和Tukey HSD法多重比较检验处理间的差异显著性（P＜0.05），利用Origin 9.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 炭基肥与化肥配施对土壤化学特征的影响

不同比例炭基肥与化肥配施下土壤化学指标如表1所示。从表1中可以看出，与对照相比，配施炭基肥处理的各个指标均有不同程度的提高。土壤碱解氮含量表现为T1处理显著高于其他各处理，土壤速效磷则以T1和T3处理显著高于CK和T2。配施40%炭基肥（T1）和30%（T2）炭基肥处理的有机质、微生物量碳和微生物量氮含量均显著高于纯化肥处理（CK），提高幅度分别为23.4%、15.9%，56.2%、49.4%，34.0%、23.9%，以配施40%炭基肥处理的提升效果最好。土壤微生物量碳含量占土壤有机碳含量的百分率称为土壤微生物熵［11］。不同处理微生物熵范围在0.98%～1.27%之间，T1和T2处理显著高于CK和T3处理。土壤矿质氮含量表现为炭基肥与化肥配施处理显著高于CK，提高幅度为23.1%～47.8%，矿质氮含量随着炭基肥比例的提高而增加，配施40%炭基肥处理的土壤矿质氮含量最高。

表1 各处理土壤化学性质

2.2 炭基肥与化肥配施对土壤主要酶活性的影响

对各个处理的土壤主要酶活性进行测定，并计算出了各处理酶活性综合指数（GMea），结果见表2。土壤脲酶活性表现为配施处理显著高于单施化肥处理，提高幅度为30.4%～58.7%，且随着炭基肥比例的提高，脲酶活性呈增加趋势，配施40%炭基肥（T1）和配施30%炭基肥（T2）处理的脲酶活性显著高于配施20%炭基肥（T3）处理的。配施炭基肥处理的土壤转化酶和多酚氧化酶活性均比单施化肥有所提高，但差异没有达到显著水平。炭基肥的配施增大了酶活性综合指数，与对照相比，各配施处理的酶活性综合指数显著提高，提升幅度在16.7%～29.2%。

表2 各处理土壤主要酶活性

2.3 炭基肥与化肥配施对土壤微生物功能多样性的影响

每隔24 h测定各个处理的OD值，计算平均颜色变化率（图1）。从图1中可以看出，培养的前24 h内各处理土壤微生物群落对碳源的利用不高，随着培养时间的增加，碳源被迅速利用，在96 h之前平均颜色变化率值表现为T1＞T2＞CK＞T3。在培养至144 h时，CK的平均颜色变化率最低（1.23），分别为T1、T2和T3处理的74%、84%和87%。从整个培养过程来看，T1处理土壤微生物碳源利用始终保持在较高的水平，T2和T3处理在培养稳定后的碳源利用差异较小。

图1 不同处理下土壤微生物平均颜色变化率

在不同比例炭基肥与化肥配施条件下，烟草根域土壤微生物对不同类别碳源的利用程度存在一定的差异。通过对培养了144 h的土壤微生物碳源利用能力进行分析（图2）可知，与CK相比，炭基肥与化肥配施条件下，土壤微生物对碳水化合物、氨基酸、羧酸、酚酸和胺类碳源的利用程度均有所增加；从配施比例来看，T1处理土壤微生物对氨基酸、羧酸、多聚物、酚酸和胺类碳源的利用强度最高，其中，多聚物和酚酸类碳源指标与其他处理达到显著性差异；T3处理土壤微生物对碳水化合物的利用强度显著高于其他处理。

图2 各处理土壤微生物对6类碳源利用能力分析

土壤微生物的种类及丰度是影响其活动的重要因素。为了进一步明确炭基肥与化肥配施对土壤微生物功能多样性的影响，对培养了144 h的微生物功能多样性指数进行分析（表3）。配施40%炭基肥处理（T1）的Shannon多样性指数和Simpson多样性指数均显著高于其他各处理；McIntosh多样性指数表现为炭基肥与化肥配施处理均显著高于CK；Shannon均一性指数为CK高于各配施处理，但未达到显著差异。

表3 各处理土壤微生物群落功能多样性和均匀度指数

对各处理土壤微生物31种碳源的利用进行主成分分析（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39.12%和25.54%，2个主成分累计达到64.66%。T1处理位于第一象限和第四象限，T2处理位于第二象限，CK和T3处理位于第三象限，各处理间微生物碳源利用能力在坐标轴上分布明显。在PC1轴上，CK、T2和T3处理主要分布在负轴方向上，离散度较小，T1处理分布在正轴方向，与其他各处理距离较远；在PC2轴上，CK和T3处理分布在负轴方向，离散较小，T2处理分布在正轴方向，T1处理位于中间，表明因炭基肥与化肥配施比例不同，土壤微生物碳源利用能力存在较为明显的差异。

图3 不同处理下微生物的碳源利用主成分分析

3 讨论

炭基肥兼具生物炭和有机肥的特点，含碳量高且具有较强的生物和非生物稳定性，同时能够为土壤补充氮磷钾等营养物质［12］。本研究结果显示，利用炭基肥进行有机无机的配施显著提高了土壤碱解氮、矿质氮和速效磷的含量，这与较多研究结论一致［13-15］。生物炭对营养物质具有吸持效应，烟田配施炭基肥后，增强了土壤对养分的截获，并能有效降低营养元素的淋失，提高了土壤的保肥能力［16］。土壤微生物量与土壤生物肥力关系紧密，是反映土壤微生物学特性的重要指标。Schloter等［17］认为土壤有机碳与土壤微生物量具有较强的正相关关系。很多学者研究表明，施肥措施对土壤微生物量具有很大的影响，有机肥的添加能够显著增加土壤微生物量［18-20］。本试验中，炭基肥与化肥配施处理的土壤有机碳、微生物量碳和微生物量氮显著高于对照，且炭基肥配施比例越高，土壤微生物量越大，这与前人的研究结果较为一致。炭基肥的结构和营养特性，既能为土壤微生物提供良好的空间环境，也能直接为微生物的生长提供所需养分［21-22］。本研究中微生物熵表现为配施40%炭基肥和30%炭基肥处理显著高于对照，表明炭基肥与化肥配施尤其是高量炭基肥的配施有利于土壤微生物熵的增加。

陈懿等［13］研究认为，与常规施肥相比，炭基肥的施用显著提高了土壤脲酶和过氧化氢酶的活性。本研究中，炭基肥与化肥配施提高了转化酶和多酚氧化酶的活性，配施高量炭基肥处理显著提升了脲酶活性。土壤酶活性综合指数是土壤酶活性的几何平均值，能够综合评价土壤生物质量。本研究结果显示，与对照相比，炭基肥的施用显著提高了土壤酶活性综合指数，这与前人研究结论一致［7］，这可能是由于炭基肥通过促进土壤微生物的生长进而提高了微生物对大多数酶活性的贡献，但不同配施比例间没有显著差异。

通过Biolog Eco微平板分析微生物对不同碳源底物的利用，能够较好地反映土壤微生物群落代谢能力的差异性。陈伟等［23］研究认为，生物炭与有机肥混合施用能够有效增加土壤微生物对碳源的利用能力。Gomez等［24］研究也表明，向土壤中添加有机物料能够增加微生物的数量及活性。宁赵等［25］研究发现，施用有机物料能提高土壤微生物对碳水化合物、羧酸类和氨基酸的代谢速率。本研究结果显示，炭基肥与化肥配施提高了土壤微生物AWCD值，配施高量炭基肥处理显著增加了微生物对氨基酸、多聚物、酚酸和胺类碳源的利用强度，表明外源碳的添加有利于提升土壤微生物的碳源利用能力。同时，有机无机配施提高了微生物功能多样性指数，降低了均一性指数，而配施比例的不同也造成了微生物物种的优势度和多度的差异性。

4 结论

利用炭基肥进行有机无机配施对烟田土壤主要养分及酶活性综合指数有显著的提升作用，不同配施比例均可提高土壤微生物功能多样性和碳源利用能力。但配施比例对不同土壤指标的影响程度存在一定的差异。综合来看，在豫中烟区利用60%化肥和40%炭基肥配施的土壤改良效果较好，对烟田土壤微生物区系向健康方向转变有积极作用。