高碳基肥减氮施用对土壤肥力和细菌多样性的影响

　　摘 要 化肥过量施用导致土壤环境恶化，严重影响作物生产。高碳基肥在改善农田土壤生态环境方面起到重要作用，对土壤肥力和微生物多样性影响较大。本研究通过田间试验，针对植烟土壤设置5个处理，NF (不施肥)、GCK (常规施肥纯氮为111 kg/hm2)、G3 (高碳基肥料450 kg/hm2+99.9 kg/hm2纯氮)(减氮10%)、G5 (高碳基肥料 750 kg/hm2+88.8 kg/hm2纯氮)(减氮 20%)、G7 (高碳基肥料 1 050 kg/hm2+77.7 kg/hm2 纯氮)(减氮30%)。采用高通量测序技术对土壤细菌多样性进行分析和土壤化学成分测定，明确高碳基肥减氮施用对土壤肥力和细菌多样性的影响。结果显示，1)高碳基肥减氮施用能够提高土壤pH、碱解氮、速效磷和 速效钾的含量。移栽后 90 d，G7 处理的土壤 pH、碱解氮、速效磷和速效钾分别提高了23.49%、8.78%、20.28%和27.81%。2)高碳基肥减氮施用对细菌多样性影响较大。在门水平上，G7处理提高了变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度，在移栽后30和60 d分别比对照提高了9.93%和2.28%。G3处理在移栽后60 d提高了拟杆菌门(Bacteroidetes)相对丰度，与对照相比提高了93.42%。高碳基肥减氮施用降低了酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度，其中G7处理在移栽后30 d降幅最大，相较于对照降低了35.39%。属水平上，G7 处理在移栽后 30 和 60 d 提高了鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)和假节杆菌属(Pseudarthrobacter)的相对丰度，在移栽后60 d降低了产黄杆菌属(Rhodanobacter)的相对丰度。整体来看，G7 处理对细菌多样性影响较大。3)冗余分析(redundancy analysis, RDA)表明，土壤pH、速效钾、速效磷和碱解氮均与变形菌门、拟杆菌门、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)呈正相关关系。施用1 050 kg/hm2高碳基肥+77.7 kg/hm2纯氮(减氮30%)对土壤肥力改善效果最优，对土壤细菌多样性影响较大。本研究为进一步探究高碳基肥减氮施用改良土壤及其对土壤微生物多样性的影响提供了科学线索。

　　关键词 高碳基肥;减氮施用;细菌多样性;植烟土壤

　　生物炭是生物质在无氧或缺氧条件下高温热解产生的富含碳的固体残渣，部分生物质转化为可燃气体、挥发油和焦油(Lehmann, Joseph, 2009)。生物炭在土壤改良和固碳减排中起到重要作用。生物炭可以改善土壤物理特性，如提高土壤孔隙度、降低土壤容重(王欢欢等, 2017)和保持土壤水分(Liang et al., 2006)。

　　其次，生物炭中稳定的芳香结构极难降解(Cheng et al., 2015)，即使在有利的环境和生物条件下，生物炭也不容易以二氧化碳的形式返回到大气中。生物炭还可以降低无机氮的流失，提高作物的养分利用效率(Steiner et al., 2010)，提高土壤pH (吴嘉楠, 2018)，减少N2O和CH4等温室气体的排放(Spokas et al., 2009)，降低重金属有效性等作用(Song et al., 2021)。此外，生物炭对土壤微生物的数量、多样性以及群落结构影响较大(李怡博等, 2021; Hua et al., 2021)。

　　田间施用生物炭能增加微生物中氧化亚氮还原酶(nitrous oxidereductase, nosZ)基因丰度，促进N2O转化为N2，从而降低 N2O 排放(Duan et al., 2019)。因此，农田生物炭施用是土壤改良和固碳减排的重要措施(陈温福等, 2013; Lehmann, Joseph, 2009)。生物炭基肥施用是提高土壤氮素存储和作物利用效率、缓解温室效应的重要措施之一(魏春辉等, 2016)。高碳基肥是以生物炭为主体的新型有机肥料，由生物炭(添加量为20%)、植物油粕、天然矿物质肥、腐殖酸、微量元素等原料组成(李文渊等, 2018)，有机养分和无机矿物质营养均衡，大中微量元素营养均衡，是“浓香型特色优质烟叶开发重大专项”的转化成果(李文渊等, 2018)。生物炭与化肥配施可以补偿土壤有机氮矿化的减少，并有助于调控氮的储存和利用(Prommer et al., 2014)。

　　高碳基肥对土壤微生物代谢和多样性有着重要影响。张志浩等(2019)采用Biolog微平板法研究不同用量高碳基肥对土壤微生物碳代谢活性和群落多样性指数的影响，发现高碳基肥(1500 kg/hm2)能提高微生物多样性指数以及微生物对聚合物类、氨基酸类、羧酸类和碳水化合物类碳源利用率。Zhang等(2018)采用16S rRNA测序技术研究发现，高碳基肥能提高土壤中非优势类群微生物丰度，如鞘脂菌属和孢囊杆菌属(α-变形菌)、紫色杆菌属(β-变形菌)、水霉属(γ-变形菌)和亚硝基菌属(硝化细菌类)。

　　生物炭在改善农田土壤生态环境方面起到重要作用，以生物炭为原料研发的高碳基肥对土壤微生物多样性影响较大。然而，高碳基肥对植烟土壤肥力和微生物多样性的影响尚不明确。因此，本研究通过测定高碳基肥减氮施用对重庆市丰都县植烟土壤化学性质影响，并利用高通量测序技术分析其对土壤细菌群落的影响，探讨高碳基肥减氮施用下土壤化学成分与细菌群落结构的关系，为明确高碳基肥对土壤微生物多样性的影响提供科学线索。

　　1 材料与方法

　　1.1 实验地概况和材料实验

　　于2020年5~10月在重庆市丰都县武平基地单元太平坝示范区进行。试验田地理位置为东经29°44′10″，北纬108°9′27″，海拔1 514 m。气候类型为亚热带湿润季风气候，降雨量充沛，气候温和，年平均气温为17.3 ℃，常年降雨量在1 000 mm 以上，年平均日照1 333.3 h，无霜期230 d左右。实验土壤为黄壤土，实验品种为'云烟116' (Nicotianata⁃bacum cv. Yunyan 116)，供试土壤有机质 42.6 g/kg，碱解氮 215 mg/kg、有效磷 51.6 mg/kg、速效钾 431mg/kg，pH值为5.00。高碳基肥由河南惠农土质保育研发有限公司提 供 。 高 碳 基 肥 含 总 碳 (C) 27.09%、总 氮 (N)1.74%、磷 (P2O5) 1.28%、钾 (K2O) 0.86%、含 水 率26.36% 、pH 8.19，由河南百恩信检测技术有限公司检测。

　　1.2 实验设计

　　实验设置5个处理分别为，NF (不施肥)、GCK：常规施肥纯氮量为 111 kg/hm2、G3 (高碳基肥料450 kg/hm2+99.9 kg/hm2纯氮)(减氮10%)、G5 (高碳基肥料 750 kg/hm2+88.8 kg/hm2纯氮) (减氮 20%)、G7 (高碳基肥料1050 kg/hm2+77.7 kg/hm2纯氮)(减氮 30%)。采用过磷酸钙和硫酸钾调控磷钾含量。每个处理 3 次重复，小区随机排列，设保护行。行距 1.15 m，株距 0.52 m，小区面积为 147 m2。常规施肥(N∶P2O5∶K2O=1∶0.95∶3.37)，高碳基肥在移栽前随基肥条施，其他田间管理措施按当地优质烟叶生产技术规范进行。

　　1.3 土壤样品

　　采集分别于移栽 30、60 和 90 d 采集土壤样品。采用抖落取样法(Hua et al., 2021)采集烟草根际土壤，采集时去除表层 0~5 cm 土壤，并剔除石块和动植物残体后，采集烟草根系周围土壤，放入自封袋后用干冰将采集的样品放至-80 ℃保存。

　　1.4 样品测定土壤样品

　　各指标参照《土壤农化分析》中的方法进行测定(鲍士旦, 2000)。采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量;采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗显色分光光度法测定土壤速效磷含量;采用火焰光度法测定土壤速效钾含量;采用电位法测定土壤pH。土壤微生物16S rRNA测序由上海欧易生物技术有限公司的 Illumina MiSeq 平台完成。采用DNA 抽提试剂盒(DNeasy PowerSoil K)(QIAGEN,美国)提取土壤样本的基因组DNA，通过高通量测序对土壤细菌 16S rRNA 的V3 和V4 区进行测定。

　　PCR扩增引物为：F：5'-TACGGRAGGCAGCAG-3';R：5'-AGGGTATCTAATCCT-3'。PCR 反应体系(30μL)：2×G flex PCR Buffer 15 μL，1.25 U/μL TksGflex DNA Polymerase 0.6 μL，5 pmol/μL 正、反向引物各 1 μL，DNA 模板取 50 ng (≥1 μL)，ddH2O 补充至 30 μL。PCR 扩增条件为 94 ℃ 5 min;94 ℃30 s，56 ℃ 30 s，72 ℃ 20 s，7个循环;72 ℃ 5 min。

　　1.5 数据分析测序

　　数据进行预处理之后，采用Vsearch 2.4.2软件，将相似性≥97%的序列归为一个操作分类单元(operational taxonomic unit, OTU)单元，并将所有代表序列与数据库进行比对注释。利用 QIIME1.8.0 软件对得到的序列进行 α 多样性(α diversity)分析。土壤细菌群落结构分析采用主成分分析方法，利用 OriginPro 2021 软件进行冗余分析(redun‐dancy analysis, RDA)。使用 DPS 7.05 软件进行方差分析，采用Tukey氏固定差距检验法和最小显著差数法(least significant difference, LSD)进行数据间差异的显著性检验，数据使用Excel 2019软件进行处理。

　　2 结果与分析

　　2.1 高碳基肥减氮施用对土壤化学性质的影响

　　高碳基肥减氮施用对土壤化学性质的影响。高碳基肥减氮施用提高了土壤碱解氮的含量。移栽后 30 d，土壤的碱解氮含量表现为G5>G3>G7>GCK>NF，其中G5处理含量最高，比GCK增加了44.47%;移栽后60 d，碱解氮含量表现为 G3>G5>NF>GCK>G7，其中 G3 处理含量最高，比 GCK 显著增加了 51.92% (P<0.05);移栽后90 d，碱解氮含量表现为G5>G7>NF>GCK>G3，其 中 G5 和 G7 处 理 分 别 增 加 了 47.05% 和8.78% (P<0.05)。高碳基肥减氮施用提高了土壤速效磷的含量。

　　移栽后30 d，土壤的速效磷含量表现为 G7>G3>GCK>G5>NF，其中 G7 处理含量最高，比 GCK 增加了 19.70%;移栽后 60 d，速效磷含量表现为 G5>GCK>G7>NF>G3，其中 G5 处理含量最高，比 GCK 增加了 13.99%;移栽后 90 d，速效磷含量表现为 G7>GCK>G5>G3>NF，其中G7处理含量最高，比GCK增加了20.28%。高碳基肥减氮施用对不同时期土壤速效钾的含量影响有差异。移栽后 30 d，土壤的速效钾含量表现为G7>GCK>G3>G5>NF，其中G7处理含量最高，比 GCK 增加了 5.35%;移栽后 60 d，速效钾含量表现为 GCK>G5>G7>G3>NF;移栽后 90 d，速效钾含量表现为 G7>G5>GCK>G3>NF，其中 G7处理含量最高，比GCK增加了27. 81%。

　　高碳基肥减氮施用提高了土壤pH。移栽后30 d，土壤pH表现为 G7>G3>G5>GCK>NF，其中 G7 处理含量pH最高，比GCK提高了14.36%;移栽后60 d，土壤pH表现为G3>G7>G5>GCK>NF，其中G3处理pH最高，比GCK提高了17.19%;移栽后90 d，土壤pH表现为G7>G3>G5>GCK>NF，其中G7处理pH 最高，比 GCK 提高了 23.49%。以上表明，高碳基肥减氮施用提高了土壤pH、碱解氮、速效磷和速效钾的含量，其中G7处理提升土壤肥力效果较好。

　　2.2 土壤细菌16S rRNA测序和α多样性指数分析

　　对移栽后 30、60 和 90 d 的 5 个处理的 45 个土壤样品进行16S rRNA 测序，基于97%的序列相似度进行聚类分析。结果发现，测序获得的3 018 279条有效序列，可以分为14 667个OTUs，样本序列读数 的 平 均 长 度 为 412.15~415.85 bp。 覆 盖 度 在0.971 3~0.978 2之间，测序深度包含了样本中大部分微生物，测序数据合理。

　　不同处理的土壤细菌属水平的群落结构如图4A 所示。移栽后 30 d，与 GCK 相比，高碳基肥减氮处理提高了鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、芽单胞菌属(Gemmatimonas)、假节杆菌属(Pseudarthro⁃bacter)、黄色杆菌属(Pseudolabrys)和马赛菌属(Mas⁃silia)的相对丰度。其中，G7处理提高了鞘氨醇单胞菌属、假节杆菌属(Pseudarthrobacter)和马赛菌属(Massilia)的相对丰度(分别为 23.64%, 28.32% 和90.30%);G3 处理提高了芽单胞菌属的相对丰度(39.65%);G5 处理提高了黄色杆菌属相对丰度(16.97%)。

　　移栽后 60 d，与 GCK 相比，高碳基肥减氮处理提高了鞘氨醇单胞菌属、芽单胞菌属、Can⁃didatus_Solibacter、溶杆菌属(Lysobacter)、拟杆菌属(Bacteroides)和非优势属类相对丰度，降低了产黄杆菌属(Rhodanobacter)、芽胞杆菌属(Bacillus)和布氏杆菌属(Bryobacter)的相对丰度。其中，G7 处理提高了鞘氨醇单胞菌属、Candidatus_Solibacter和拟杆菌 属 相 对 丰 度 ( 分 别 为 73.00%, 205.71% 和111.54%);G5 处理提高了芽单胞菌属和溶杆菌属(Lysobacter)相对丰度(分别为 73.58% 和 140.04%)。

　　G7处理降低了产黄杆菌属和芽胞杆菌属(Bacillus)相对丰度(50.79% 和 50.78%);G3 处理降低了布氏杆菌属(Bryobacter)相对丰度(37.64%)。移栽后 90d，与GCK 相比，高碳基肥减氮施用提高了鞘氨醇单胞菌属、黄色杆菌属、鞘脂菌属(Sphingobium)和拟杆菌属丰度，降低了Candidatus_Solibacter相对丰度。其中，G3处理提高了鞘氨醇单胞菌属和鞘脂菌属的相对丰度(分别为18.18%和49.90%);G7处理提高了黄色杆菌属和拟杆菌属的相对丰度(分别为 30.14% 和 446.19%)。G5 处理降低了 Candida⁃tus_Solibacter相对丰度(22.61%)。

　　3 讨论

　　3.1 高碳基肥减氮施用对土壤理化性质的影响

　　近年来，高碳基肥在植烟土壤改良中广泛使用。具有改良土壤物理、化学和生物学性质的作用和改善土壤微生态环境，提升烟叶产量与品质等效果(张珂等, 2016)。高碳基肥中的有机质和生物炭占比较大，为植物提供所需的速效养分和各种微量元素(张军等, 2015, 江苏农业科学, 43(11): 146-149)。

　　高碳基肥呈碱性，其田间施用提高了土壤pH，这与宋小宁(2018)研究结果一致。高碳基肥减氮施用提高了土壤碱解氮(移栽后30 d)、速效磷和速效钾(移栽后90 d)的含量，说明在减氮情况下高碳基肥施用可以给植物生长提供充足的养分。其原因是高碳基肥中所含有的生物炭具有丰富的孔隙度和较大的比表面积，能够有效地吸持各种盐基阳离子和磷酸根离子，降低了土壤氮素损失，增加土壤养分的固持能力(Gaskin et al., 2008)。

　　3.2 高碳基肥减氮施用对土壤细菌多样性和群落组成的影响

　　土壤微生物广泛参与肥料的转化和养分循环(殷全玉等, 2009)，其多样性对植物地上部分生物量也有着重要的影响(Yang et al., 2021 )。本研究结果表明，高碳基肥减氮施用能提高土壤细菌多样性和丰富度，在不同处理中细菌多样性和丰富度指数变化趋势不同。推测是高碳基肥引起的土壤的养分变化，影响了土壤细菌的群落结构(Lehmann et al., 2011)。高碳基肥特殊的孔隙结构为土壤微生物提供了良好的栖息环境，吸附和存储的物质为微生物提供了充足的养分，利于土壤微生物繁殖(饶霜等, 2016; Lehmann et al., 2003)，进而影响了土壤细菌群落的组成和结构(Farrell et al.,2013)。

　　本研究中，高碳基肥减氮施用G3处理提高了土壤细菌的丰富度和多样性(移栽后60和90 d)，然而G5处理降低了土壤细菌的多样性(移栽后30和 90 d)，这可能与高碳基肥的施用量有关。殷全玉等(2021)研究发现随着生物炭用量的增加，土壤微生物群落结构差异先增大后减小，说明高碳基肥用量对土壤微生物的多样性影响较大。本研究中土壤细菌的丰富度和多样性随着烟草生长逐渐升高，在移栽后90 d达到峰值，其可能原因是移栽后30~90 d，烟草根系逐渐发育，其分泌的有机物有利于根际微生物的生长(朱丽霞等, 2003)。高碳基肥对土壤微生物的多样性和群落结构有较大影响(Lin et al., 2017)。

　　本研究中不同处理中 Top 10 的优势细菌门类包括变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、拟杆菌门、芽单胞菌门和厚壁菌门等，这与高碳基肥对舞阳县植烟土壤细菌群落结构的影响研究结果相近(Zhang et al., 2018)。高碳基肥减氮施用提高了变形菌门和拟杆菌门相对丰度。变形菌门和拟杆菌门均为富营养菌，土壤有机质的增加能提高其丰度(Fierer et al., 2012)。其中，变形菌门是土壤碳激发效应的主要“参与者”(Zhao etal., 2022)，因此高碳基肥减氮施用可能通过影响变形菌门相对丰度，参与了土壤碳循环。

　　4 结论

　　本研究通过对不同高碳基肥减氮施用处理下丰都县植烟区土壤化学成分测定以及土壤细菌多样性的高通量测序分析，发现高碳基肥减氮施用能提高土壤肥力，增加土壤细菌多样性和丰富度，改变细菌群落结构。在门水平上，高碳基肥减氮施用提高了变形菌门和拟杆菌门相对丰度，降低了酸杆菌门相对丰度。

　　在属水平上，高碳基肥减氮施用增加了植物根际促生菌(鞘氨醇单胞菌属)、假节杆菌属和鞘脂菌属的相对丰度，降低了反硝化细菌(产黄杆菌属)的相对丰度。土壤 pH、碱解氮、速效磷和速效钾对丰都植烟土壤细菌群落组成影响较大。每公顷施用高碳基肥料 1 050 kg/hm2+77.7 kg/hm2纯氮(减氮30%)对土壤肥力改善效果最优，对土壤细菌多样性影响较大。

　　参考文献

　　鲍士旦 . 2000. 土壤农化分析[M]. 北京: 中国农业出版社,pp. 25-113. (Bao S D. 2000. Soil Agro-chemistry Analy‐sis[M]. China Agriculture Press, Beijing, China, pp. 25-113.)

　　陈温福, 张伟明, 孟军 . 2013. 农用生物炭研究进展与前景[J]. 中 国 农 业 科 学 , 46(16): 3324-3333.

　　(Chen W F,Zhang W M, Meng J. 2013. Advances and prospects inresearch of biochar utilization in agriculture[J]. ScientiaAgricultura Sinica, 46(16): 3324-3333.)

　　李文渊, 程传策, 刁朝强, 等. 2018. 高碳基土壤修复肥对植烟土壤理化性质和烤烟质量的影响[J]. 湖南农业大学学报(自然科学版), 44(04): 18-24.

　　(Li W Y, Cheng C C,Diao C Q, et al. 2018. Effects of high-carbon-based soilremediation fertilizer on physicochemical properties oftobacco-growing soil and tobacco quality[J]. Journal ofHunan Agricultural University (Natural Sciences), 44(04): 18-24.)

　　李怡博, 翟春贺, 苏梦迪,等. 2021. 微生物肥与高碳基肥配施对植烟土壤微生物数量和土壤肥力的影响[J]. 烟草科技, 54(4): 23-32.

　　(Li Y B, Zhai C H, Su M D, et al.2021. Effects of combined application of microbial fer‐tilizers and high-carbon base fertilizers on soil microbialpopulation and fertility of tobacco growing soil[J]. To‐bacco Science and Technology, 54(4): 23-32.)

　　作者：苏梦迪1 马啸2 胡丽涛2 赵龙杰2 彭军2 王欢欢1 张松涛1*

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