張紅雪，朱巧蓮，郭力銘，吳鳳英，毛艷玲

煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施對(duì)植煙土壤有機(jī)碳組分及微生物的影響①

張紅雪1,2，朱巧蓮1,2，郭力銘1,2，吳鳳英1,2，毛艷玲1,3*

(1 福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福州 350002；2 土壤生態(tài)系統(tǒng)健康與調(diào)控福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350002；3 自然生物資源保育利用福建省高校工程研究中心，福州 350002)

采用盆栽試驗(yàn)，設(shè)置空白對(duì)照(CK)、化肥(F)、煙稈生物質(zhì)炭(B)、煙稈生物質(zhì)炭配施化肥(BF)4個(gè)施肥水平，配施化肥參考煙草專用肥養(yǎng)分配比(N︰P2O5︰K2O=12︰7︰22)與煙稈生物質(zhì)炭混合施用，探究煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施對(duì)植煙土壤有機(jī)碳組分及微生物的影響。結(jié)果表明：①與單施煙稈生物質(zhì)炭相比，煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施土壤pH顯著降低6.59%；土壤有機(jī)碳(SOC)和易氧化有機(jī)碳(EOC)含量顯著增加，但土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)含量顯著降低29.63%，土壤顆粒有機(jī)碳(POC)和微生物生物量碳(MBC)影響不顯著；②與單施化肥相比，煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施使得土壤脫氫酶活性大幅提高近2倍；而與單施煙稈生物質(zhì)炭相比，土壤蔗糖酶、脫氫酶和過(guò)氧化氫酶活性則顯著降低；③煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施，能夠提高土壤細(xì)菌群落豐富度及物種多樣性；同時(shí)，與單施煙稈生物質(zhì)炭相比，配施化肥使參與土壤有機(jī)質(zhì)分解的土壤綠彎菌門相對(duì)豐度提高了16.79%，但土壤細(xì)菌α、β多樣性顯著降低；④RDA分析表明，土壤SOC、EOC、POC、MBC是影響土壤有機(jī)質(zhì)分解和參與碳循環(huán)細(xì)菌分布的主要因素。綜上所述，煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施能夠提高土壤SOC、POC、EOC、MBC含量，降低土壤DOC含量，提高土壤酶活性和細(xì)菌多樣性，增加一些主要參與碳循環(huán)相關(guān)細(xì)菌如綠彎菌門、芽單胞菌門的相對(duì)豐度，促進(jìn)有機(jī)碳循環(huán)，提升土壤質(zhì)量，優(yōu)化土壤生態(tài)環(huán)境，為煙稈廢棄利用及煙草種植施肥管理提供參考依據(jù)。

煙稈生物質(zhì)炭；肥料；有機(jī)碳組分；土壤微生物

煙草作為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，其種植面積和產(chǎn)量均居世界首位。近年來(lái)，植煙土壤長(zhǎng)期連作及化肥的不合理施用，造成了土壤碳庫(kù)不足、酶活性降低、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)失衡等土壤質(zhì)量下降問(wèn)題[1]，煙稈的不合理利用，也加重了環(huán)境污染和病蟲害傳播的風(fēng)險(xiǎn)[2]，因此，我國(guó)煙草產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。良好的土壤質(zhì)量是煙葉質(zhì)量保障的重要條件[3-4]，土壤有機(jī)碳(SOC)能夠表征土壤質(zhì)量狀況、反映土壤質(zhì)量變化[5]，且土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)、顆粒有機(jī)碳(POC)、易氧化有機(jī)碳(EOC)和微生物生物量碳(MBC)等活性有機(jī)碳能在較短時(shí)間內(nèi)反映土壤質(zhì)量的變化，常被用來(lái)作為表征土壤質(zhì)量的指標(biāo)[5]。此外，土壤微生物群落是農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)積累和礦化的關(guān)鍵參與者[6]，煙草連作障礙與土壤碳代謝功能多樣性降低、細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)改變等有關(guān)[7]。因此，研究土壤有機(jī)碳組分及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)植煙土壤質(zhì)量的影響具有重要意義。

近年來(lái)，生物質(zhì)炭作為土壤改良劑和固碳劑，在改善農(nóng)田土壤質(zhì)量、提高土壤有機(jī)碳含量、影響土壤有機(jī)碳組分變化及土壤微生物群落多樣性變化等方面的研究較為廣泛[8-11]。生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在無(wú)氧或限氧條件下，在相對(duì)較低的溫度條件(<700 ℃)熱解生成的一類具堿性、多孔結(jié)構(gòu)、較大比表面積特征的富碳物質(zhì)[12]。在實(shí)際運(yùn)用中，生物質(zhì)炭大多數(shù)是與化肥一起施用的，通過(guò)與化肥的相互作用可以改變碳循環(huán)酶活性，改變土壤微生物群落[13]。Ibrahim等[14]通過(guò)竹炭、稻殼炭、牛糞和豬糞生物質(zhì)炭與化肥配施發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭與化肥配施能夠顯著降低土壤碳礦化能力，增加土壤DOC含量。由于煙稈含有大量的病原菌，不能直接還田，因此將煙稈利用炭化技術(shù)制成生物質(zhì)炭，不僅能有效提高土壤質(zhì)量、優(yōu)化土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，而且可以解決煙稈資源利用問(wèn)題，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。

目前針對(duì)煙稈生物質(zhì)炭的研究主要是制備條件和施用量等對(duì)土壤理化性質(zhì)、烤煙產(chǎn)量及品質(zhì)的影響[15]，煙稈生物質(zhì)炭對(duì)土壤有機(jī)碳組分及微生物群落結(jié)構(gòu)影響的研究較少。Zhao等[16]通過(guò)施用不同量的煙稈生物質(zhì)炭發(fā)現(xiàn)其能夠有效改善土壤性質(zhì)，提高土壤磷酸酶和蔗糖酶活性，增加細(xì)菌豐富度，改善細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。胡坤等[17]發(fā)現(xiàn)煙稈炭基肥能夠提高土壤有機(jī)碳組分含量，增加土壤酶活性和土壤細(xì)菌豐度，改良薏苡種植土壤，但煙稈生物質(zhì)炭和化肥配施對(duì)土壤有機(jī)碳組分及有關(guān)微生物的影響研究尚未見報(bào)導(dǎo)?；诖?，本研究以福建煙田土壤為研究對(duì)象，采用盆栽試驗(yàn)，探究煙稈生物質(zhì)炭與化肥施用對(duì)植煙土壤有機(jī)碳組分及有關(guān)微生物的影響，為解決植煙土壤碳庫(kù)不足、質(zhì)量下降等問(wèn)題提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科教基地(119°04′10″ E，26°13′31″ N)，土壤類型為水稻土。生物質(zhì)炭以煙稈為原材料，經(jīng)風(fēng)干后粉碎過(guò)1 cm篩，在500 ℃ 條件下采用便攜式生物質(zhì)炭化機(jī)(淮安華電環(huán)保機(jī)械制造有限公司研發(fā)制造)無(wú)氧炭化2 h后，冷卻研磨過(guò)2 mm篩而成。供試材料基本理化性質(zhì)見表1。供試煙草品種為翠碧一號(hào)，由福建省煙草專賣公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用盆栽試驗(yàn)，共設(shè)置4個(gè)處理：①對(duì)照(CK)；②施化肥(F)；③施煙稈生物質(zhì)炭(B)；④煙稈生物質(zhì)炭和化肥配施(BF)，每處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。肥料養(yǎng)分參考煙草專用肥N︰P2O5︰K2O=12︰7︰22制成，選取肥料種類為硫酸銨(N 210 g/kg)、磷酸二銨(N 180 g/kg，P2O5460 g/kg)、硫酸鉀(K2O 500 g/kg)。煙稈生物質(zhì)炭和化肥折合大田施用量分別為：煙稈生物質(zhì)炭20 t/hm2、硫酸銨206 kg/hm2、磷酸二銨106 kg/hm2、硫酸鉀709 kg/hm2。種植時(shí)，分別稱取統(tǒng)一過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土樣7 kg，根據(jù)處理與煙稈生物質(zhì)炭、化肥分別攪拌混合均勻后，裝入直徑25 cm、高30 cm的塑料盆中，澆水保持土壤濕潤(rùn)，待土壤穩(wěn)定后選擇生長(zhǎng)狀況相似的健康煙苗進(jìn)行移栽，每盆移栽1株。按照當(dāng)?shù)責(zé)煵莘N植方式進(jìn)行管理。

表1 供試材料基本理化性質(zhì)

1.3 樣品采集及測(cè)定方法

樣品采集：煙草收獲后采集0 ～ 20 cm表層土壤樣品，揀去根，部分鮮土儲(chǔ)存于 –80 ℃ 冰箱中用于測(cè)定土壤微生物，部分鮮土置于4 ℃ 冰箱內(nèi)保存用于測(cè)定土壤酶活性，其余土壤自然風(fēng)干后研磨過(guò)2 mm篩備用。

土壤pH的測(cè)定：采用水土比為2.5︰1(/)浸提，濾液用pH計(jì)(PHS-3E，INESA，中國(guó))測(cè)定。

土壤有機(jī)碳組分的測(cè)定：土壤有機(jī)碳(SOC)采用全自動(dòng)微量碳氮元素分析儀(LECO TruMac，美國(guó))測(cè)定；可溶性有機(jī)碳(DOC)采用土水比為1︰10純水浸提–TOC分析儀(SHIMADZU，日本)測(cè)定；易氧化有機(jī)碳(EOC)采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化法測(cè)定；顆粒有機(jī)碳(POC)采用5 g/L六偏磷酸鈉溶液分散土壤后用元素分析儀測(cè)定；微生物生物量碳(MBC)采用硫酸鉀浸提–氯仿熏蒸法測(cè)定。

土壤酶活性的測(cè)定：土壤酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定；土壤蛋白酶活性采用福林比色法測(cè)定；土壤蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶、脫氫酶分別采用3,5-二硝基水楊酸比色法、高錳酸鉀滴定法、2,3,5-三苯基四唑氯化物顯色法(TTC法)測(cè)定。

土壤微生物量的測(cè)定：采取不同處理下煙草成熟期土壤進(jìn)行細(xì)菌豐度及多樣性的測(cè)定。用0.8% 瓊脂凝膠電泳檢測(cè)DNA提取質(zhì)量，并用紫外分光光度計(jì)對(duì)DNA進(jìn)行定量，采用Illumina Miseq測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序，PCR擴(kuò)增引物為16S rDNA V3-V4區(qū)515 F和806 R(北京奧維森基因科技有限公司)。使用QIIME軟件，以UCLUST序列為比對(duì)工具，按97% 的序列相似度進(jìn)行歸并和OTU劃分，以每個(gè)OTU中豐度最高的序列作為該OTU的代表序列。細(xì)菌的基因數(shù)據(jù)庫(kù)采用Green genes。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2019整理數(shù)據(jù)，用SPSS 20.0軟件對(duì)土壤碳組分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和SNK法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(<0.05)，運(yùn)用Origin 2019繪制土壤細(xì)菌PCoA分析圖，基于RDP分類器下對(duì)土壤細(xì)菌門、屬水平的菌群分布情況進(jìn)行分析，利用Canoco 5對(duì)土壤pH、有機(jī)碳組分含量、酶活性及土壤細(xì)菌群落相對(duì)豐度做RDA分析。

2 結(jié)果

2.1 土壤pH及有機(jī)碳組分含量的變化

煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施對(duì)土壤pH和有機(jī)碳組分含量的影響見表2，與對(duì)照相比，施用煙稈生物質(zhì)炭后，土壤pH顯著提高了12.98%，而施用化肥則顯著降低了6.11%；煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施后，與單施生物質(zhì)炭處理相比，土壤pH顯著降低了6.59%。對(duì)比不同施肥處理下土壤有機(jī)碳組分變化，可以看出，除MBC外，單施化肥對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響不顯著；施用煙稈生物質(zhì)炭后，土壤有機(jī)碳各組分含量均顯著增加。煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施能顯著增加SOC及EOC含量，與單施煙稈生物質(zhì)炭相比，分別顯著提高了14.52%、26.91%。但煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施使土壤DOC含量顯著降低了29.63%，這可能與化肥和煙稈生物質(zhì)炭配施后土壤pH降低有關(guān)，土壤pH降低影響了土壤微生物活動(dòng)，使得有關(guān)土壤碳循環(huán)的酶活性降低，且化肥中氮的補(bǔ)充促進(jìn)土壤中氮循環(huán)有關(guān)微生物的生長(zhǎng)，與碳分解有關(guān)微生物之間形成競(jìng)爭(zhēng)，減少土壤DOC的累積。而煙稈生物質(zhì)炭施用后，是否配施化肥對(duì)土壤POC和MBC影響不顯著。

表2 不同施肥處理下土壤pH及有機(jī)碳組分分布特征

注：CK：對(duì)照；F：施化肥；B：施生物質(zhì)炭；BF：生物質(zhì)炭和化肥配施。同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)，下同。

2.2 土壤酶活性變化

不同施肥處理對(duì)土壤酶活性的影響見表3。由表可知，單施化肥提高了土壤蛋白酶活性，但降低了土壤脫氫酶活性。施用煙稈生物質(zhì)炭處理土壤蛋白酶、蔗糖酶、脫氫酶和過(guò)氧化氫酶活性均顯著提高。煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施后，與單施化肥處理相比，除土壤酸性磷酸酶外，土壤蛋白酶、蔗糖酶、脫氫酶和過(guò)氧化氫酶活性均顯著提高，其中土壤脫氫酶提高近2倍；與單施煙稈生物質(zhì)炭相比，生物質(zhì)炭與化肥配施后，土壤蔗糖酶、脫氫酶和過(guò)氧化氫酶顯著降低，分別降低了23.23%、34.39% 和12.26%，但土壤蛋白酶活性與單施煙稈生物質(zhì)炭處理相比無(wú)顯著影響。

表3 不同施肥處理下土壤酶活性變化

2.3 土壤細(xì)菌α、β多樣性變化

施用煙稈生物質(zhì)炭有利于提高土壤細(xì)菌豐富度和多樣性。不同處理土壤細(xì)菌α多樣性指數(shù)的變化如表4所示。α多樣性反映了土壤微生物群落的豐度和多樣性，α多樣性越大，細(xì)菌豐富度越大，細(xì)菌群落多樣性越高。其中Observed_species表征實(shí)際觀測(cè)到的OTU個(gè)數(shù)，Chao1指數(shù)表征菌種豐富度指數(shù)，Shannon指數(shù)綜合觀察群落的均勻度和豐富度。由表4可知，煙稈生物質(zhì)炭施用能夠顯著提高土壤細(xì)菌α多樣性，土壤細(xì)菌Observed_species值和Chao1指數(shù)分別比CK顯著提高了5.02% 和6.31%，但Shannon指數(shù)各處理之間差異不顯著。煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施后，對(duì)比單施生物質(zhì)炭處理，土壤細(xì)菌Observed_species值和Chao1指數(shù)分別顯著降低了4.79% 和7.01%。

表4 不同施肥處理下土壤細(xì)菌α多樣性

β多樣性分析可以考察不同處理間群落結(jié)構(gòu)的相似性，本研究在OTU水平上對(duì)細(xì)菌群落組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行PCoA主成分分析，PCoA分析能夠提取樣本間最主要的差異特征，將樣本在低維坐標(biāo)系中依次排序，通過(guò)觀察樣本間距離，觀測(cè)樣本間差異，差異越小，距離越近。如圖1所示，PC1和PC2兩軸分別表示第一主成分(69.5%)和第二主成分(25.7%)，兩個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率為95.2%。如PCoA圖所示，β多樣性分析表明，與對(duì)照相比，單施化肥處理對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)無(wú)顯著影響；而煙稈生物質(zhì)炭顯著影響土壤細(xì)菌群落組成；煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施處理與其他處理之間距離較大，在土壤中的細(xì)菌群落組成與單施煙稈生物質(zhì)炭相比具顯著影響，表明煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施進(jìn)一步影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化。

圖1 不同施肥處理下土壤細(xì)菌群落分布PCoA分析圖

2.4 土壤細(xì)菌群落組成變化

不同施肥處理土壤細(xì)菌門水平的群落結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖可知，使用RDP分類器將觀察到的序列分為10個(gè)優(yōu)勢(shì)門和一個(gè)其他門，其中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門為變形菌門(Proteobacteria，平均相對(duì)豐度為31.33%)、放線菌門(Actinobacteria，27.54%)、綠彎菌門(Chloroflexi，20.39%)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes，12.37%)和酸桿菌門(Acidobacteria，7.64%)，占細(xì)菌門水平總數(shù)的84.53% ～ 88.42%。煙稈生物質(zhì)炭施用后，與對(duì)照相比，提高了土壤變形菌門、芽單胞菌門和放線菌門的相對(duì)豐度，降低了綠彎菌門和酸桿菌門的相對(duì)豐度。煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施后，與單施化肥相比，土壤變形菌門、芽單胞菌門、擬桿菌門(Bacteroidetes)、硝化菌門(Nitrospirae)相對(duì)豐度分別提高了1.68%、36.07%、127.81% 和40.79%，而土壤綠彎菌門、酸桿菌門、厚壁菌門(Firmicutes)等相對(duì)豐度降低，其中厚壁菌門的降低幅度最大，降低了37.82%；與單施煙稈生物質(zhì)炭相比，煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施后，土壤綠彎菌門、放線菌門、酸桿菌門相對(duì)豐度顯著提高，其中對(duì)綠彎菌門的提高幅度最大，為16.79%，而土壤變形菌門、芽單胞菌門、厚壁菌門、擬桿菌門和疣微菌門(Verrucomicrobia)相對(duì)豐度有所下降。

圖2 基于RDP分析下不同施肥處理細(xì)菌門水平的菌群分布

如圖3所示，使用RDP分類器對(duì)序列進(jìn)行屬水平分類，結(jié)果顯示，除了一個(gè)未確認(rèn)的屬外，處理中的土壤細(xì)菌被分為9個(gè)屬和一個(gè)其他屬。相對(duì)豐度較高的屬是鞘氨醇單胞菌屬(，占比4.79% ～ 8.15%)、芽單胞菌屬(，4.30% ～ 8.11%)、稻田土壤菌屬(，2.76% ～ 6.65%)、赭黃嗜鹽囊菌屬(，1.08% ～ 2.60%)和酸性嗜熱菌屬(，1.31% ～ 2.53%)。煙稈生物質(zhì)炭施用使得土壤芽單胞菌屬水平和稻田土壤菌屬水平相比CK分別提高了1.76倍和1.11倍；煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施后，與單施化肥處理相比，土壤芽單胞菌屬、赭黃嗜鹽囊菌屬、玫瑰彎菌屬()、馬賽菌屬()提升效果較為明顯，其中馬賽菌屬比單施化肥處理提高了339.25%；與單施煙稈生物質(zhì)炭處理相比，土壤鞘氨醇單胞菌屬、酸性嗜熱菌屬、厭氧粘桿菌屬()、馬賽菌屬分別提高了17.91%、19.32%、16.84%、32.09%，而芽單胞菌屬、稻田土壤菌屬、淡赭黃嗜鹽囊菌屬、玫瑰彎菌屬則降低了13.85%、6.16%、22.00% 和37.09%。

圖3 基于RDP分析下不同施肥處理細(xì)菌屬水平的菌群分布

2.5 土壤pH、有機(jī)碳組分與土壤酶活性及細(xì)菌群落的相關(guān)性

圖4為冗余分析(RDA)，空心箭頭代表土壤pH及土壤有機(jī)碳組分含量，箭頭長(zhǎng)短可以代表影響因子對(duì)于細(xì)菌種群分布的影響程度的大小，可見土壤SOC、EOC、POC、MBC 是影響土壤有機(jī)質(zhì)分解和參與碳循環(huán)的細(xì)菌分布的主要參數(shù)，而土壤pH、DOC的影響較小。實(shí)心箭頭代表土壤5種酶活性和細(xì)菌在門分類水平上10種優(yōu)勢(shì)物種土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落的相對(duì)豐度，影響因子與細(xì)菌種群箭頭間的夾角代表正、負(fù)相關(guān)性，夾角越小(< 90°)則表示兩者正相關(guān)越顯著，反之(> 90°)則負(fù)相關(guān)越顯著。由圖4可以看出，土壤pH、SOC、DOC、POC、EOC、MBC含量與土壤各種酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.05)，與放線菌門、厚壁菌門、擬桿菌門、浮霉?fàn)罹T呈顯著正相關(guān)，與綠彎菌門、酸桿菌門、疣微菌門呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤DOC含量與變形菌門、硝化螺旋菌門呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 討論

3.1 煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施對(duì)土壤pH和有機(jī)碳組分的影響

本研究表明，煙稈生物質(zhì)炭施用顯著提高了土壤pH，而與化肥配施后，與單施煙稈生物質(zhì)炭相比pH顯著降低了6.59%。Ibrahim等[14]通過(guò)不同類型生物質(zhì)炭配施化肥進(jìn)行盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭和化肥同時(shí)施用與單獨(dú)施用相比，土壤pH顯著降低。究其原因，生物質(zhì)炭通常是堿性的，其疏松多孔的表面結(jié)構(gòu)富含豐富的碳酸鹽和堿性官能團(tuán)，有助于提高酸性土壤的酸堿度[18]。而化肥施用后，作物吸收了大量的陽(yáng)離子，使得殘留在土壤中的陰離子增多，從而使酸度提高，與生物質(zhì)炭配施后有機(jī)膠體數(shù)量增加，吸附鹽基離子的能力逐漸增強(qiáng)，土壤中陰離子含量增加，降低了土壤pH[19]。本研究中，煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施后對(duì)土壤酸堿度影響與單施煙稈生物質(zhì)炭的差異不顯著，可能與煙稈生物質(zhì)炭本身性質(zhì)及施用量有關(guān)。

對(duì)于土壤有機(jī)碳組分，本研究發(fā)現(xiàn)施用煙稈生物質(zhì)炭顯著增加土壤有機(jī)碳各組分含量，這與Demisie等[20]和Yang等[21]研究結(jié)論相似。Demisie等[20]通過(guò)設(shè)置不同施用量的橡木生物質(zhì)炭和竹炭，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的施用增加了土壤總有機(jī)碳含量，提高了土壤質(zhì)量。Yang等[21]通過(guò)3年田間試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭摻入顯著提高了土壤有機(jī)碳(SOC)、顆粒有機(jī)碳(POC)、易氧化有機(jī)碳(EOC)、微生物生物量碳(MBC)含量，顯著改善土壤質(zhì)量，提高了土壤長(zhǎng)期的固碳速率。本研究中，煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施后，土壤SOC、EOC含量顯著提高。這可能是因?yàn)榛实氖┯么龠M(jìn)了植物根系和微生物的活動(dòng)[19]，一方面提升了土壤SOC含量，另一方面通過(guò)提高土壤酶活性及細(xì)菌分解有機(jī)物質(zhì)的能力，釋放出更多的EOC。而土壤DOC相比單施煙稈生物質(zhì)炭處理顯著降低。Ibrahim等[14]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭與化肥配施時(shí)，與僅施用生物質(zhì)炭相比，土壤DOC含量在第4周時(shí)較低，但卻在第15周時(shí)呈增加趨勢(shì)。這可能與土壤DOC本身受多種因素影響以及生物質(zhì)炭類型不同有關(guān)。煙稈生物質(zhì)炭與化肥施用一方面降低了土壤pH，影響土壤碳循環(huán)的酶活性，如土壤中蔗糖酶、脫氫酶活性降低；另一方面，化肥中氮的補(bǔ)充促進(jìn)了土壤中氮循環(huán)有關(guān)微生物的生長(zhǎng)，與碳分解有關(guān)微生物之間形成競(jìng)爭(zhēng)，減少土壤可溶性有機(jī)碳的累積。

3.2 煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施對(duì)土壤酶活性的影響

土壤中的酶活性是土壤物質(zhì)代謝程度的重要指標(biāo)，是土壤微生物的一部分，受土壤肥力水平、酸堿性、施肥方式等的影響[22-23]。本研究表明，煙稈生物質(zhì)炭施用顯著增加了土壤蛋白酶、蔗糖酶、脫氫酶、過(guò)氧化氫酶活性，這與Zhao等[16]研究的結(jié)論并非完全一致。Zhao等[16]研究煙稈生物質(zhì)炭施用對(duì)連作8年的酸性紅壤土酶活性變化，發(fā)現(xiàn)煙稈生物質(zhì)炭顯著提高了土壤酸性磷酸酶和蔗糖酶的活性(<0.05)，但對(duì)土壤脲酶和蛋白酶活性的影響不顯著，這可能與土壤類型和施用量不同有關(guān)。煙稈生物質(zhì)炭施用后對(duì)不同土壤性質(zhì)影響不同，進(jìn)而對(duì)酶的活性產(chǎn)生不同影響。但有研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對(duì)土壤蛋白酶和酸性磷酸酶活性呈積極效應(yīng)，Wang等[24]在蘋果幼苗土壤中施用20 g/kg稻殼生物質(zhì)炭，使蛋白酶和土壤磷酸酶的活性提高1.5倍以上。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施后，與單施生物質(zhì)炭處理相比，土壤蔗糖酶、脫氫酶、過(guò)氧化氫酶活性顯著降低，這可能與微生物多樣性和豐富度的降低有關(guān)，煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施后，化肥降低了土壤酸度，抑制微生物活動(dòng)，使得土壤細(xì)菌多樣性顯著降低，細(xì)菌豐富度及群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

3.3 煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和豐度的影響

本研究表明，煙稈生物質(zhì)炭施用能顯著提高土壤微生物物種多樣性及豐度，且與單施煙稈生物質(zhì)炭相比，煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施顯著降低土壤細(xì)菌α多樣性，是否配施化肥對(duì)土壤細(xì)菌β多樣性的影響較大。一方面，生物質(zhì)炭的多微孔結(jié)構(gòu)與表面性能為微生物生長(zhǎng)提供了良好的生存環(huán)境，減少了生存競(jìng)爭(zhēng)，使得土壤細(xì)菌α多樣性提高，OTU數(shù)、Chao1指數(shù)、Shannon指數(shù)增大[25]，況帥等[26]也發(fā)現(xiàn)施用油菜秸稈生物質(zhì)炭后，土壤細(xì)菌OTU數(shù)顯著增加，平均增幅為31.20%；另一方面，配施化肥后與單施生物質(zhì)炭相比，土壤pH降低，使土壤微生物生存環(huán)境受影響，進(jìn)而使微生物群落多樣性降低，Ibrahim等[14]同樣證實(shí)了這一點(diǎn)。

在細(xì)菌門水平上，變形菌門是相對(duì)豐度最高的菌群，其包括很多可以進(jìn)行固氮的細(xì)菌，這些細(xì)菌可能與碳循環(huán)相關(guān)細(xì)菌形成競(jìng)爭(zhēng)，來(lái)調(diào)節(jié)有機(jī)碳的循環(huán)[27]；綠彎菌門和酸桿菌門參與有機(jī)物質(zhì)的降解，分解土壤有機(jī)質(zhì)[28]；芽單胞菌門包含一系列與有機(jī)碳代謝相關(guān)的基因，在碳循環(huán)中發(fā)揮主導(dǎo)作用[14]。使用RDP分類器對(duì)細(xì)菌群落進(jìn)行觀察，結(jié)果表明，與單施煙稈生物質(zhì)炭相比，煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施后，土壤放線菌門、酸桿菌門和綠彎菌門相對(duì)豐度顯著提升，而土壤變形菌門、芽單胞菌門、厚壁菌門相對(duì)豐度有所下降。這可能與土壤可溶性有機(jī)碳含量降低有關(guān)，已有研究[29]表明，土壤酸桿菌門宜生長(zhǎng)在可溶性有機(jī)碳含量較低的土壤中，化肥配施后土壤DOC較單施煙稈生物質(zhì)炭含量顯著降低，為酸桿菌門的生長(zhǎng)提供了更有利的生長(zhǎng)條件。但對(duì)于變形菌門、芽單胞菌門和厚壁菌門來(lái)說(shuō)，化肥的施用為土壤補(bǔ)充了大量氮源，促進(jìn)了一部分有關(guān)氮循環(huán)的微生物的活動(dòng)，進(jìn)而影響了有關(guān)碳循環(huán)微生物的生長(zhǎng)。試驗(yàn)在細(xì)菌屬水平上發(fā)現(xiàn)，以氮源為生長(zhǎng)條件的氨醇單胞菌屬提高了17.91%，而與有機(jī)碳代謝相關(guān)的芽單胞菌屬、稻田土壤菌屬則降低了13.85%、6.16%。王成己等[30]通過(guò)對(duì)煙稈生物質(zhì)炭施用后土壤細(xì)菌群落的變化研究，發(fā)現(xiàn)施用煙稈生物質(zhì)炭后，土壤芽單胞菌門、綠彎菌門、硝化螺旋菌門、浮霉菌門相對(duì)豐度呈下降趨勢(shì)，這可能是因?yàn)椴煌瑹峤鉁囟葘?duì)土壤性質(zhì)的影響不同，從而對(duì)土壤微生物群落的影響存在差異，但目前對(duì)于生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制還不明確，有待進(jìn)行深入研究。

3.4 各處理間土壤pH、有機(jī)碳組分、酶活性、細(xì)菌門豐度之間的相關(guān)性

運(yùn)用RDA處理器對(duì)土壤pH、有機(jī)碳組分、酶活性和細(xì)菌門分類水平上10個(gè)優(yōu)勢(shì)物種豐度進(jìn)行冗余分析，結(jié)果表明土壤pH、MBC、EOC、SOC等是影響土壤酶活性及細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的主導(dǎo)因子。煙稈生物質(zhì)炭的施用，提高土壤pH和SOC含量，直接影響蔗糖酶水解增加土壤中易溶營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和蛋白酶促進(jìn)氨基酸、蛋白質(zhì)等有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化，顯著提高土壤脫氫酶和過(guò)氧化氫酶的活性；其次，煙稈生物質(zhì)炭和化肥的施用，促進(jìn)了土壤中POC、EOC、MBC、DOC含量的提升，加快土壤碳循環(huán)進(jìn)程，進(jìn)而提升芽單胞菌門、擬桿菌門、放線菌門的相對(duì)豐度，使得其與影響因子之間呈正相關(guān)關(guān)系。原因在于，除細(xì)菌本身對(duì)土壤酸堿度較為敏感外，土壤酶活性也能夠影響土壤微生物活動(dòng)。一方面，土壤酶活性受土壤酸堿度的影響，能夠反映土壤微生物生長(zhǎng)生理過(guò)程，酶活性越高，微生物活動(dòng)也發(fā)生不同程度的變化，進(jìn)而影響其豐富度及群落組成；另一方面，酶的作用促進(jìn)了土壤中有機(jī)物質(zhì)的分解，使土壤碳循環(huán)加速，與此同時(shí)，土壤SOC、MBC、EOC在有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)等方面發(fā)揮著重要作用，增強(qiáng)土壤有機(jī)碳物質(zhì)的循環(huán)。碳循環(huán)加快，增強(qiáng)了土壤生產(chǎn)力，為細(xì)菌生長(zhǎng)提供能量物質(zhì)，利于細(xì)菌繁殖生長(zhǎng)，優(yōu)化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。但土壤細(xì)菌微生物中的綠彎菌門、酸桿菌門與土壤影響因子之間呈顯著負(fù)相關(guān)，這可能和化肥施用影響土壤酸堿度及土壤細(xì)菌之間的相互作用有關(guān)，故有關(guān)煙稈生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物門水平的影響機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施能夠顯著提高土壤pH，顯著增加土壤有機(jī)碳(SOC)和易氧化有機(jī)碳(EOC)含量，但使土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)含量顯著降低，對(duì)土壤顆粒有機(jī)碳(POC)和微生物生物量碳(MBC)影響不顯著；此外，煙稈生物質(zhì)炭施用能夠顯著提高土壤中酶的活性，且與化肥配施后使土壤脫氫酶活性大幅提高；煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施，在提升土壤與碳循環(huán)有關(guān)的細(xì)菌群落豐富度及多樣性的同時(shí)，促進(jìn)了土壤中固氮細(xì)菌——變形菌門的相對(duì)豐度增加，同時(shí)提高了土壤參與有機(jī)質(zhì)降解的綠彎菌門及酸桿菌門的細(xì)菌豐度，但土壤細(xì)菌群落多樣性顯著降低；土壤SOC、EOC、POC、MBC是影響土壤有機(jī)質(zhì)分解和參與碳循環(huán)細(xì)菌分布的主要因素?？傮w而言，煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施促進(jìn)了土壤活性有機(jī)碳的積累，增加了主要參與碳氮循環(huán)相關(guān)細(xì)菌——綠彎菌門、芽單胞菌門的相對(duì)豐度，對(duì)于植煙土壤碳循環(huán)、土壤質(zhì)量提升具有重要意義。

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Effects of Combined Application of Tobacco Stem Biochar and Chemical Fertilizers on Organic Carbon Fractions and Microorganism in Tobacco-growing Soil

ZHANG Hongxue1,2, ZHU Qiaolian1,2, GUO Liming1,2, WU Fengying1,2, MAO Yanling1,3*

(1 College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China; 2 University Key Lab of Soil Ecosystem Health and Regulation in Fujian, Fuzhou 350002, China; 3 Fujian Colleges and Universities Engineering Research Institute of Conservation & Utilization of Natural Bioresources, Fuzhou 350002, China)

To study the effects of the combined application of tobacco stem biochar and chemical fertilizers on soil organic carbon fractions and soil microorganisms, a pot experiment was conducted with four fertilization levels, including blank control (CK), chemical fertilizers (F), tobacco stem biochar (B), and tobacco stem biochar combined with chemical fertilizers (BF), and the combined application of chemical fertilizers according to the mixture of the chemical fertilizers (N︰P2O5︰K2O=12︰7︰22) with tobacco stem biochar. The results show that, 1) compared to B treatment, soil pH is decreased by 6.59% under BF. Also, BF results in a significant increase in the contents of soil organic carbon (SOC) and easily oxidized organic carbon (EOC), while soil soluble organic carbon content is decreased significantly by 29.63%. However, the effects of BF on extremely unstable soil particulate organic carbon (POC) and microbial biomass carbon (MBC) are not significant. 2)Soil dehydrogenase activity is significantly increased nearly twice under BF compared to F, while soil invertase, dehydrogenase and catalase activities are decreased under BF compared to B. 3) BF improves the richness and species diversity of soil bacterial community, Compared with B, the relative abundance of soil Chloroflexi which is involved in soil organic matter decomposition is increased by 16.79%, while the α and β diversities of soil bacteria are decreased. 4)RDA analysis shows that SOC, EOC, POC and MBC are the main factors affecting the decomposition of soil organic matter and the distribution of bacteria involved in carbon cycling. In conclusion, The combined application of tobacco stem biochar and chemical fertilizers can improve SOC, POC, EOC and MBC contents, reduce DOC content, improve soil enzyme activities and bacterial diversities, increase the relative abundances of some bacteria mainly involved in carbon cycle, such as Chloroflexi and Gemmatimonadetes, promote organic carbon cycling, improve soil quality, optimize soil ecological environment, thus can provide reference for tobacco stem waste utilization and tobacco planting fertilization management.

Tobacco stem biochar; Fertilizer; Organic carbon fractions; Soil microorganism

S154.3

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.06.008

張紅雪, 朱巧蓮, 郭力銘, 等. 煙稈生物質(zhì)炭與化肥配施對(duì)植煙土壤有機(jī)碳組分及微生物的影響. 土壤, 2022, 54(6): 1149–1156.

福建省高校產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新項(xiàng)目(2021N5002)、福建省林業(yè)科技推廣項(xiàng)目(2020TG17)和科技創(chuàng)新專項(xiàng)基金項(xiàng)目(CXZX2019080S)資助。

通訊作者(fafum@126.com)

張紅雪(1997—)，女，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，主要從事土壤碳氮循環(huán)研究。E-mail: ameliaisnow@163.com