减氮条件下生物炭基肥对土壤养分及细菌群落结构的影响.pdf

【目的】探究减氮条件下生物炭基肥对植烟土壤养分及细菌多样性和群落的影响。【方法】设置对照施肥(CK)、常规施肥减氮 10%+0.6 thm-2生物炭基肥(T1)、0.9 thm-2生物炭基肥(T2)和 1.2 thm-2生物炭基肥(T3)4 个大田试验处理,研究土壤速效养分及根际土壤细菌群落结构和功能的变化规律。【结果】施加生物炭基肥显著促进烟株生长,T2 处理对烟株农艺性状的提升最明显;各处理土壤有机质和速效养分含量较 CK 处理均显著升高,其中 T2 处理土壤有机质含量较 CK 处理增加了 27.63%;T3 处理土壤容积质量较 CK 处理降低了 16.46%。施加生物炭基肥对土壤细菌群落组成产生了显著的影响,增加了变形菌门的相对丰度,降低了酸杆菌门的相对丰度,纤线杆菌纲和放线菌纲的相对丰度显著提高,拟杆菌纲相对丰度降低,相关性分析表明,绿弯菌门受土壤理化性质的影响较大,与土壤理化指标均显著相关。【结论】生物炭基肥可以显著提高减氮条件下的土壤养分积累并保障烟株成熟期养分需求,改善土壤功能细菌群落结构。关键词:生物炭基肥;植烟土壤;理化性质;细菌;群落结构中图分类号:S154文献标志码:A文章编号:1000-2340(2023)04-0657-10Effects of biochar based fertilizer on soil nutrients and bacterial community structure under nitrogen reductionWU Dong1,LI Maosen2,LI Shuaibing3,DONG Xianchun4,MU Yi1,WANG Bo3,TANG Tingting3,TANG Yun1,HE Yingyu3,REN Tianbao2(1.Hubei Tobacco Industry Co.,Ltd,Wuhan 430048,China;2.College of Tobacco/Henan Biochar Engineering Technology Center,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China;3.Mudanjiang Tobacco Company,Heilongjiang Provincial Tobacco Company,Mudanjiang 157011,China;4.Yichang Branch of Hubei Provincial Tobacco Company,Yichang 420500,China)Abstract:【Objective】To investigate the effects of biochar based fertilizers on soil nutrients,bacterial diversity,and community in tobacco planting soil under nitrogen reduction conditions.【Method】Four field experimental treatments,namely control(CK),conventional fertilization with 10%N reduction+658 河南农业大学学报第 57 卷0.6 thm-2 biochar fertilizer(T1),0.9 thm-2 biochar fertilizer(T2)and 1.2 thm-2 biochar fer-tilizer(T3),were conducted to study the changes of soil available nutrients and rhizosphere bacterial community structure and function.【Result】The application of biochar based fertilizer significantly pro-moted the growth of tobacco plants,with T2 treatment showing the most significant improvement in the agronomic traits of tobacco plants;The content of soil organic matter and available nutrients in each treatment all significantly increased compared to CK treatment,with T2 treatment showing a 27.63%increase in soil organic matter content compared to CK treatment;The soil volume mass of T3 treatment decreased by 16.46%compared to CK group.The application of biochar based fertilizer had a signifi-cant impact on the composition of soil bacterial community,with increasing the relative abundance of Proteobacteria,Fibromycetes and Actinomyces,and decreasing the relative abundance of Acidobacte-ria and Bacteroides.Correlation analysis showed that Chloroflexi was greatly affected by soil physical and chemical properties,and was significantly related to soil physical and chemical indicators.【Conclusion】Biochar-based fertilizer can significantly ameliorate soil nutrient accumulation under ni-trogen reduction conditions,ensure nutrient demand at the maturity stage of tobacco plants,and im-prove soil functional bacterial community structure.Key words:biochar-based fertilizer;tobacco-planting soil;physicochemical properties;bacteria;community structure土壤细菌是土壤微生物中数量最多,组成最复杂的一类生物,其相对丰度达到 70%90%,是土壤有机质分解,腐殖质形成的重要承担者,其物种多样性和群落组成结构是衡量土壤健康和养分水平的重要指标1-2。烟草是中国重要的经济作物,烟叶的品质决定了中国烟草行业的发展状况,由于耕地面积有限,目前中国烤烟生产中存在着常年连作和长期化肥施用等问题,导致植烟土壤微生物多样性降低,微生物群落结构失衡,土壤中益生菌丰度降低,病 原 菌 大 量 积 累,严 重 影 响 了 烟 叶 品质3。王伟华等4研究发现,长期单施化学提高了土壤总氮、全磷含量,但对有机质没有显著的影响,有机肥和氮肥配施显著提高了土壤有机质、总碳、总氮、全磷和速效磷含量。唐海明等5研究发现,60%无机肥和 40%化肥配施有利于提高微生物对土壤碳源的利用效率,长期单施化肥土壤细菌多样性显著降低。陈丹梅等6通过长期定位试验研究发现,长期施用化肥植烟土壤有机质含量下降20.56%,真菌种群数量增加,病原微生物相对比例增大。改变施肥模式,增加有机肥的施用可对土壤产生重要影响7。生物炭是一种富碳的黑色固体产物,主要由农林废弃物(秸秆、污泥、粪便等)在高温低氧环境中烧制而成,其碳含量高达 70%以上,对于土壤有机质提升、土壤碳氮比调节有着积极的作用。生物炭本身孔隙结构丰度,为土壤细菌和真菌提供生存环境,对提高土壤酶活性,增加土壤微生物量起着积极的作用8-9。生物炭由高温热解制成,其本身的养分含量有限,且难以被土壤微生物分解或矿化,已成为土壤改良重要的原料10,以生物炭主要原料制成 新型的生物炭 基肥,具有 减氮增效的 作用11。研究发现施加生物炭基肥能够显著提高土壤有机质含量,增加土壤速效养分含量,提高土壤酶活性和细菌群落多样性12-13。汪坤等14研究发现,施加生物炭基肥提高了烤烟土壤酶活性,增强了烤烟的抗病性。刘福童等15通过施加生物炭基肥,发现土壤有机质含量显著提高,土壤酶活性增强,土壤细菌多样性显著增加。高梦雨等16通过研究生物炭基肥与等量碳素或氮磷钾肥料对棕壤土碳组分的影响,发现长期施用生物炭和炭基肥可以显著提高土壤有机碳含量,且对土壤速效养分的提升效果更优。常栋等17研究发现,施加生物炭可以促进土壤微生物对土壤中碳源的利用程度,并显著提高了土壤脲酶、蔗糖酶和多酚氧化酶等土壤关键碳氮循环酶活性。IBRAHIM 等18发现,施用烟秆炭基肥能够显著增强土壤氮循环酶活性,改善土壤微生物群落结构。GAO 等19研究发现,施加生物炭显著改变了土壤细菌群落组成,随着生物炭施加量的增加,土壤放线菌的丰度降低,变形菌门和酸杆菌门的相对丰度增加。而王明元等20研究发现,施加生物炭后,土壤拟杆菌门、疣微菌门和厚壁菌门的相对丰度显著增加,酸杆菌门、芽单胞第 4 期吴东,等:减氮条件下生物炭基肥对土壤养分及细菌群落结构的影响659 菌门明显减少。生物炭基肥在土壤健康培育、微生态调控等方面发挥着重要的作用。目前,有关生物炭基肥对烤烟生长发育、土壤理化特性已有较多研究,但关于生物炭基肥对植烟土壤微生物群落调控机制研究较少。本试验在植烟土壤中添加生物炭基肥,通过测定土壤中的养分指标,使用高通量测序技术分析土壤细菌群落,探究了生物炭基肥对土壤理化指标及细菌群落结构的影响,为生物炭基肥在西南高海拔山区植烟土壤微生物群落结构调节和土壤改良提供理论依据。1材料与方法1.1试验地概况于 2021 年 49 月在遵义市播州区乐山镇进行试验。该烟区为烟菜轮作,土壤为黄棕壤,其基础理化性质为:pH 值 6.35、有机质 20.12 gkg-1、碱解氮 120.45 mgkg-1、速效磷 42.36 mgkg-1、速效钾 224.62 mgkg-1。供试品种为云烟 87,由遵义烟草公司提供,烤烟大田栽培措施按照当地优质烟叶生产技术进行。1.2试验设计试验设置 1 个常规施肥处理和 3 个不同生物炭基肥梯 度处理:常规 施肥(CK)、0.6 t hm-2(T1)、0.9 thm-2(T2)和 1.2 thm-2(T3),每个处理重复 3 次。生物炭基肥由生物炭和植物油粕等制成:生物炭质量分数为 40.51%,芝麻饼肥质量分数 为 20.16%。其 中 有 机 质 质 量 分 数 大 于45.21%,有效养分质量分 数大于 5%,m(N)m(P2O5)m(K2O)=1 1 2.8。为保证试验的一致性,除 CK 处理外,其余处理均在常规施肥的基础上减氮 10%。常规施肥:烟草专用肥 0.525 thm-2,m(N)m(P2O5)m(K2O)=101024。生物炭基肥于起垄前条施。1.3测定方法1.3.1土壤样品的采集根据 5 点取样法,每个处理取长势一致的烟株 3 株,挖出整个根部,收集根系表面 04 mm 的土壤,保存在 10 mL 无菌离心管中,一部分用干冰保存进行微生物多样性检测,剩余部分在阴凉处自然风干后研磨,用于土壤理化性质分析。1.3.2农艺性状的测定参考 YC/T 1421998 烟草农艺性状调查方法,在移栽后 90 d 测定烤烟农艺性状,在每个处理选取 10 株长势均匀的烟株,分别测量株高、自上而下第 10 片叶处茎围,最大叶叶长、叶宽。1.3.3土壤理化指标及养分的测定参照文献21进行测定。土壤含水率(SWC)的测定采用烘干法;土壤容积质量(SBD)采用环刀法测定;pH 的测定采用超纯水做浸提剂,按照 m(土)m(水)=1 2.5 的比例浸提,用精密 pH 计(型号:BPH305)直接测定;土壤速效磷(AP)采用碳酸氢钠浸提法测定;土壤有机碳(SOM)采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法测定;碱解氮(AN)采用碱解扩散法。1.3.4土壤细菌的检测采用 DNA 抽提试剂盒(E.Z.N.A.soil)对样本的 DNA 进行提取,以稀释后的基因组 DNA 为模板,根据测序区域的选择,对 16SV3 V4 区进行扩增,引物序列为 343F(5-TACGGRAGGCAGCAG-3)和 798R(5-AGGGTATCTAATCCT-3)。使用 Takara 公司 的 Takara Ex Taq 高保真酶进行 PCR 扩增。PCR 产物使用电泳检测,检测后进行纯化,纯化后作为二轮PCR 模板,并进行二轮 PCR 扩增,并再次使用电泳检测,检测后再次纯化,纯化后对 PCR 产物进行 Qubit 定量,根据 PCR 产物浓度进行等量混样,并上机测序8。1.4数据分析采用 Microsoft Excel 2021 分析数据,用 SPSS 26.0 软件分析处理数据,方差分析采用最小显著性差异法,主成分分析和细菌群落结构弦图分别用用 R 语言中的 factoextra 和 circlize 包进行绘制。2结果与分析2.1生物炭基肥对成熟期烤烟农艺性状的影响由表 1 可以看出,施加生物炭基肥,烤烟的农艺性状指标显著提高,与 CK 处理相比,T1、T2、T3处理的烤烟株高分别增加了 11.07%、12.14%和8.21%;T2 和 T3 处理烟株茎围较 CK 处理有显著增加,分别为 7.46%和 7.96%;T1、T2、T3 处理的烟株最 大 叶 叶 长 分 别 增 加 了 6.03%、8.29%和3.52%,其中 T2 处理最大叶叶长较 CK 显著增加;T1、T2、T3 处理的烟株最大叶叶宽与 CK 处理均不存在显著差异,其中 T3 处理叶宽小于 CK 处理。2.2生物炭基肥对成熟期烤烟根际土壤理化性质的影响由表 2 可以看出,与 CK 处理相比,T1、T2、T3处理均显著提高了土壤 pH 值,且随着炭基肥施加量的增加,土壤 pH 值也呈增加的趋势;T1、T2、T3660 河南农业大学学报第 57 卷处理土 壤 容 积 质 量 较 CK 处 理 降 低 了 6.33%、12.41%和 16.46%,均达到显著水平。施加生物炭基肥后,土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量相较 于 CK 处 理 均 显 著 增 加,增 加 幅 度 分 别 为19.05%27.64%、5.25%14.67%、4.99%15.16%和 5.07%14.83%。表 1成熟期烤烟农艺性状Table 1Agronomic characters of flue-cured tobacco at maturity处理Treatment株高/cmPlant height茎围/cmStem girth叶长/cmLeaf length叶宽/cmLeaf widthCK93.334.04 b6.700.10 b66.332.25 b26.331.76 abT1103.672.08 a7.030.06 ab70.331.52 ab28.831.04 aT2104.671.53 a7.200.35 a71.831.61 a28.161.61 aT3101.001.00 a7.230.25 a68.673.51 ab25.500.50 b注:表中数字为平均值标准差,同列数据后不同小写字母表示差异显著(p0.05)。下同。Note:Data in the table are mean valueSD,and different small letters in the same column indicate significant differences(pT3T1CK。3 个生物炭基肥处理的拟杆菌门(Bacte-roidota)和酸杆菌门(Acidobacteriota)相对丰度均小于 CK 处理,降低的幅度分别为 39.60%72.85%和 10.43%45.08%。注:图中数值代表一个菌在 4 个处理中的丰度之和。下同。Note:The values in the figure represent the sum of the abundances of one bacterium in the four treatment.The same as below.图 2门水平细菌群落结构Fig.2Bacterial community structure on phylum level2.4.2生物炭基肥对纲水平细菌群落结构的影响从图 3 中可以看出,烤烟根际土壤优势门水平细菌群落为芽孢杆菌纲(Bacilli)、-变形菌纲(Gammaproteobacteria)、拟 杆 菌 纲(Bacteroidia)、纤线 杆 菌 纲(Ktedonobacteria)、-变 形 杆 菌 纲(Alphaproteobacteria)和 放 线 菌 纲(Actinobacte-ria)。T1 处理芽孢杆菌纲(Bacilli)相对丰度显著高于其余处理,较 CK 处理提高 543.69%,-变形菌 纲(Gammaproteobacteria)相 对 分 度 为 T1 T3CKT2,T1 处理较 CK 处理提高了 33.82%。拟杆菌纲(Bacteroidia)随着施加生物炭的量增加而降低,较 CK 处理分别降低了 70.58%、47.81%和 46.74%。施 加 生 物 炭 后,纤 线 杆 菌 纲(Kte-donobacteria)相对丰度变化量较大,T1、T2 和 T3处理分别提高了 434.45%、662.01%和 631.15%。除 T2 处理外,其余两处理的-变形杆菌纲(Al-phaproteobacteria)丰度相较于 CK 处理均降低,分别为 33.23%和 27.54%。2.5根际土壤细菌群落 LEfSe 分析利用 LEfSe 差异分析,筛选出 4 种土壤中具有显著差异的微生物(LDA 阈值为 2)。由图 4 可知,CK 处理硝化螺旋菌门(Nitrospirota)、硝化螺旋菌目(Nitrospirales)和梭菌科(Pyrinomonadaceae)显著富集;T1 处理肠球菌科(Enterococcaceae)和肠球菌属(Enterococcus)显著富集;T2 处理弧菌(Vibri-o)、-变形菌纲(Alphaproteobacteria)、纤线杆菌纲(Ktedonobacteria)显 著 富 集;T3 处 理 绿 弯 菌 门(Chloroflexi)显著富集。2.6生物炭基肥对细菌 多样性的影响如图 5 所示,样本组成差异在 PC1 轴和 PC2轴上的值分别为 57.5%和 31.5%。从图 5 中可以看出,CK 处理与施加生物炭处理在 PC1 轴上分离,说明施加生物炭对土壤细菌群落有明显的影响。T1、T2 和 T3 处理样本点依次在 PC2 轴上分布,T1 和 T3 处理样本点距离较近,说明 T1 和 T3处理的土壤细菌群落结构相似,T2 处理与其他 3662 河南农业大学学报第 57 卷个处理样本点距离较远。图 3纲水平细菌群落结构Fig.3Bacterial community structure on class level图 4根际土壤细菌群落 LEfSe 分析Fig.4Lefse analysis of bacterial community in rhizosphere soil图 5基于 OTUs 的土壤细菌群落 PCA 分析Fig.5PCA analysis of soil bacterial community based on OTUs2.7土壤门水平细菌群落结构与土壤理化性质相关性分析表 4 为门水平上优势菌群与土壤理化性质之间的关系。从表 4 中可以看出,绿弯菌门(Chlo-roflexi)与土壤速效磷和速效钾有显著正相关(p0.05),与土壤 pH 和有机质呈极显著正相关(p0.01),与土壤容积质量呈显著负相关(p0.05)。变形菌门(Proteobacteria)与土壤容积质量呈正相关,与土壤 pH 值、有机质、碱解氮、速效磷和速效钾呈负相关。厚壁菌门(Firmicutes)与土壤 pH 值和有机质呈正相关关系,与土壤容积质量、碱解氮、速效磷和速效钾呈负相关。第 4 期吴东,等:减氮条件下生物炭基肥对土壤养分及细菌群落结构的影响663 表 4细菌优势门类与土壤理化性质的相关关系Table 4Correlation between dominant bacterial species and soil physical and chemical properties细菌门类BacteriophylapH土壤容质量Soil bulk density有机质Organic matter碱解氮Alkali hydrolyzed nitrogen速效磷Available phosphorus速效钾Available potassium变形菌门 Proteobacteria-0.2390.412-0.101-0.091-0.367-0.254厚壁菌门 Firmicutes0.198-0.0420.219-0.119-0.059-0.115放线菌门 Actinobacteriota0.632-0.5750.7060.8410.6480.745绿弯菌门 Chloroflexi0.999-0.9690.995 0.9440.9600.955拟杆菌门 Bacteroidota-0.6800.529-0.711-0.440-0.456-0.428酸杆菌门 Acidobacteriota-0.5600.409-0.670-0.672-0.450-0.546蓝细菌门 Cyanobacteria-0.0620.0430.0070.2990.0740.194疣微菌门 Verrucomicrobiota-0.7670.620-0.804-0.568-0.562-0.547注:表示 p0.05,表示 p0.01。Note:“”indicated p0.05,“”indicated p0.01.3结论与讨论3.1生物炭基肥对烤烟土壤理化性质的影响已有研究表明,在土壤中施加炭基肥后,土壤速效养分和有机碳含量有显著的提高,作物生长发育得到促进,从而作物的产量也有显著的增加22。本研究发现,在土壤中施加生物炭基肥可以显著的提高土壤 pH 值,且土壤 pH 值随着生物炭基肥施加量的增加而增加,这是因为生物炭其本身呈碱性,pH 值在 7 至 10.5 之间23,以生物炭为载体的生物炭基肥在很大程度上保留了生物炭的特性,因此可以显著的增加土壤的 pH 值,对于酸性土壤改良具有良好的效果。本研究发现,施加生物炭后,土壤碱解氮等速效养分含量相较于 CK 处理有较明显的增加,但随着生物炭基肥施加量的增加,土壤中的养分的含量没有明显的变化,这可能是由于生物炭本身具有吸附的性质,减缓了生物炭基肥料中养分的释放,这可以为烟草中后期的生长发育提供良好的肥效,这与陈懿等24研究结果一致,施加炭基肥显著的提高了土壤 pH 和速效养分含量,同时研究发现生物炭对肥料的养分具有良好的吸持效果,可以有效的促进土地肥力。宋大利等25和DEMISIE 等26研究发现,将生物炭和无机肥粒配施显著的增加了土壤有机碳及其组分含量,可以更好地改善土壤质量。本研究发现,施加炭基肥后土壤有机质含量有着明显的增加趋势,这和冯慧琳等27研究结果相似。这是由于生物炭基肥本身含有的有机质释放到了土壤中,增加了土壤中有机质的含量。WANG 等28研究发现,施加化肥和生物炭均能显著增加土壤的碳氮组分,施加生物炭可以显著的提高土壤碳氮比,但是单施化肥会对土壤碳氮比产生不利的影响。本研究发现,土壤有机质和速效养分含量随着生物炭基肥施加量的增加,呈现先上升后趋向稳定的趋势;烤烟株高和最大叶长宽也是随着炭基肥施加量的增加呈现先上升后下降的趋势,其中 T2 处理的各个指标均为最高。本试验为生物炭基肥和化肥混合施用,随着生物炭基肥施加量的增加,土壤中生物炭和氮肥、钾肥的比例升高,生物炭表面较活跃的离子交换量和活跃的基团对速效养分的吸附效果增强,限制了肥料养分的释放29。因此,施加适量的生物炭基肥更有利于土壤养分的提高和植株的生长发育。3.2生物炭基肥对烤烟土壤细菌多样性及群落结构的影响生物炭基肥的施用会驱动土壤生物化学环境发生变化,影响土壤微生物的生存条件,从而改变土壤微生物群落的组成和多样性30。生物炭含有大量的孔隙,是微生物生存的适宜场所31,同时生物炭具有的一些有机质也为微生物的繁殖提供了一定的养分,对微生物的生长、发育和代谢具有促进作用32。在本试验中,与常规施肥相比,施加炭基肥增加了放线菌门的丰度,这与 REN 等33的研究一致。放线菌适宜在碱性环境下生存,施加生物炭基肥后,土壤 pH 值上升,更加适合放线菌生长发育。研究发现,施加生物炭基肥后,拟杆菌门和酸杆菌门丰度降低,与放线菌门相反,酸杆菌门是嗜酸性细菌,酸性土壤更有利于其生存,施加生物炭后,土壤 pH 值上升,导致酸杆菌门丰度降低。本研究表明,施加炭基肥促进了土壤变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)的生长,生物炭独特的孔隙结构为微生物的生长发育提供了生存基础,从而影响了细菌的群落结构。同时,生物炭基肥可以调节土壤的理化性状,如降低土壤容积质量等,间接影响了微生物在土壤中的生存模664 河南农业大学学报第 57 卷式,对微生物的生长、发育和代谢起到了一定的调节作用34。细菌群落主成分分析结果表明,生物炭基肥驱动了土壤中的细菌群落结构发生改变,并具有一定的趋向性,这与苏鑫等35研究结果一致。相关性分析表明,土壤中优势细菌与土壤 pH 值,有机碳、速效钾等理化特性均存在相关性。其中,变形菌门与土壤容积质量呈正相关关系,与土壤pH 值、有机质、碱解和速效钾呈负相关绿弯菌门与土壤 pH 值、速效磷和速效钾有显著正相关关系,与土壤容积质量呈显著负相关。这与桑文等36研究结果一致,但胡坤等1研究发现,绿弯菌门会随着土壤 pH 值的上升呈下降的趋势,这可能是由于研究对象的不同,生物炭基肥对土壤中的微生物产生了不同的驱动效应。生物炭基肥显著增加了土壤 pH 和有机质含量,提升土壤肥力,促进烟株的生长发育。低施肥量可以增加土壤细菌丰富度,施加生物炭基肥显著的影响了细菌群落结构,提高了变形菌门(Pro-teobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)相对丰度,降低了拟杆菌门(Bacteroidota)和酸杆菌门(Acidobacte-riota)的相对丰度。相关性分析结果表明,绿弯菌门(Chloroflexi)受土壤理化性质的驱动较为明显,与多种土壤理化指标均显著相关。综上所述,生物炭基肥对土壤 pH 值、有机质、速效养分含量和土壤微生物有着积极的影响,对西南高海拔烟区烤烟栽培减氮施肥和土壤改良具有重要意义。参考文献 References:1胡坤,张红雪,郭力铭,等.烟秆炭基肥对薏苡土壤有机碳组分及微生物群落结构和丰度的影响 J.中国生态农业学报,2021,29(9):1592-1603.HU K,ZHANG H X,GUO L M,et al.Effects of to-bacco stalk biochar-based fertilizer on adlay soil organic carbon fractions and 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