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

      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。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。王伟华等研究发现，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，病原微生物相对占比增大。改变施肥模式，增加有机肥的施用可对土壤产生重要影响。
      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。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，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。研究发现施加生物炭基肥能够显著提高土壤有机含量，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。汪坤等研究发现，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[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，本试验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。

结论与讨论
      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。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，且 pH 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，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。宋大利等和 DEMISIE 等研究发现，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，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。

  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。生物炭含有大量的孔隙，是微生物生存的适宜场所，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、发育和代谢具有来 促进作用。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 NIELSEN 等的研究一致。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 生存模式，对微生物的生长、发育和代谢起到了一定的调节作用。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，这与苏鑫等研究结果 一致。相关性分析表明，土壤中优势细菌与土壤 pH、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，与 pH、有机质、碱解和速效钾呈负相关绿弯菌门与土壤 pH、 速效磷和速效钾有显著正相关，与土壤容积质量呈显著负相关。这与桑文等研究结果一致，但胡 坤等研究发现，绿弯菌门会随着土壤 pH 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（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）相对丰度，降低了拟杆菌门（Bacteroidota）和酸杆菌门 （Acidobacteriota）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、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。