论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.133710
•生物炭可以补偿氮气为根瘤菌土壤提供养分的肥料。
•生物炭增加了根瘤菌土壤中的有机质、磷和氮。
•生物炭有利于植物健康的根际微生态环境。
•土壤微生物多样性丰富，为植物养分提供活性池。
•用生物炭肥料减少氮肥促进土壤健康，减少土壤酸化。
植物是地球生态系统的生产者，对维持生态环境稳定具有重要意义。根际土壤是指与植物相邻的土壤部分，作为土壤微生物的栖息地.土壤微生物不仅负责土壤养分的矿化、吸附和固定，还通过调节有机质分解、土壤碳氮动态和养分循环.根际土壤养分和微生物多样性的有效性成为植物生长和生态稳定的关键。土壤质量评估经常考虑土壤微生物的功能、群落结构和多样性变化等信息。这是因为土壤微生物种群具有功能多样性，使其成为监测土壤质量的最有希望的指标。
近年来，生物炭（一种通常来自生物质热解的富碳固体产品）作为土壤改良剂的应用引起了研究人员的关注生物炭被认为具有增加土壤有机质含量和养分的能力，并在频繁耕种的情况下保持土壤肥力.此外，使用不同类型的原材料可以生产具有不同特性的生物炭，这些生物炭会影响土壤 pH 值、总磷、有效磷和钾含量。
虽然氮肥是植物生长最重要的养分，但过量使用氮肥会限制经济和生态效益。其中的氮很容易从土壤中浸出，造成土壤酸化、空气污染、水污染等一系列生态环境问题。.生物炭已在多项研究中被证明可以减少氮损失、提高氮利用率和促进植物生长.因此，提倡注意转移过剩的氮肥，特别是将氮肥与生物炭混合，希望减少过量施用氮肥对环境造成的危害.
据作者所知，目前关于花生壳生物炭在烟草种植中的应用信息有限，减少氮肥用量，烟草种植是一个关键的增长行业。因此，本研究探讨了施用氮肥用量减少的花生壳生物炭对烟草种植根际土壤土壤养分和微生物多样性/结构的影响。花生壳，即木质素和纤维素含量高，是中国最常见的农业废弃物之一。木质素含量高、含水量低的生物质废物有利于生产高产的生物炭.这项研究对于促进烟草种植植物的土壤健康，同时最大限度地减少资源浪费、土壤酸化和过度施氮造成的污染具有重要意义。
生物炭施用对土壤理化性质的影响
2020年对Svevo和Bramante品种的生产性状和植物生物量分析（图1）表明，意大利同季硬粒小麦和面包小麦的平均产量一致（艾米利亚-罗马涅大区，2021）。2021 年，这两个品种的产量与同年在艾米利亚-罗马涅大区的产量一致，如意大利农业联盟 （https://www.consorziagrariditalia.it/和（艾米利亚-罗马涅大区，2022 年）所示，与上一季相比增长了 20%。在这两个季节，补充联合体F1导致Svevo的籽粒产量增加，即6.84%–13.64%（图1），而CHAR处理确定增加6.72%–16.06%。据报道，品种 Svevo 在常规氮和水制度下表现出更高的氮利用效率，良好的抗旱性（Gullì 等人，2022 年），并受到丛枝菌根真菌存在的积极影响。生物炭可改善水分和养分保留以及土壤质量和肥力。PGPM可以固定氮并溶解磷，从而使这些营养物质可供植物使用。此外，PGPM通过增加抗氧化剂水平来调节植物激素的产生并促进植物对非生物胁迫的耐受性。考虑到在Svevo中，PGPM处理下的最终产量高于对照条件下的最终产量，可以说生物炭和
从 30 个样本中共获得 2,004,541 个有效序列，其中单个样本平均由 66,818 个有效序列组成。真菌α多样性指数（表2）和细菌群落（表3）使用Simpson、Shannon和Chao指数进行评估。对于真菌群落（表2），根据辛普森指数，生物炭添加剂以及对照处理和常规处理的α多样性指数存在显着差异。从Shannon指数可以看出，只有T3的α多样性指数显著升高，而从Chao指数来看，只有T2和T3的α多样性指数较高，与其他处理相比差异显著。对于细菌群落（表3），Simpson指数显示，CK1、CK2和T4的α多样性指数显著大于T1、T2和T3。对于香农指数，T1、T2和T3显著大于CK2。从Chao指数可以看出，CK1、CK2和T4明显低于T1、T2和T3。30个样本的真菌和细菌群落测序覆盖率均达到97.21%以上，测序深度足以满足后续分析要求。
样品测序结果和菌群α多样性
从 30 个样本中共获得 2,004,541 个有效序列，其中单个样本平均由 66,818 个有效序列组成。真菌α多样性指数（表2）和细菌群落（表3）使用Simpson、Shannon和Chao指数进行评估。对于真菌群落（表2），根据辛普森指数，生物炭添加剂以及对照处理和常规处理的α多样性指数存在显着差异。从Shannon指数可以看出，只有T3的α多样性指数显著升高，而从Chao指数来看，只有T2和T3的α多样性指数较高，与其他处理相比差异显著。对于细菌群落（表3），Simpson指数显示，CK1、CK2和T4的α多样性指数显著大于T1、T2和T3。对于香农指数，T1、T2和T3显著大于CK2。从Chao指数可以看出，CK1、CK2和T4明显低于T1、T2和T3。30个样本的真菌和细菌群落测序覆盖率均达到97.21%以上，测序深度足以满足后续分析要求。
土壤菌落的主成分分析
在分类单位(OTU)水平上对土壤群落结构的主成分分析如下所示图1(a)真菌群落和图1(b)细菌群落。在图1(a)中，CK2、T1、T2和T4处理的子样本点彼此比较接近，表明这些处理的土壤真菌群落结构具有相似的主成分。然而，距离很远图1(b)，表明细菌群落结构的主要成分存在差异。在两种处理中，CK1的子采样点与 CK2、T1、T2、T3 和 T4 处理的距离最远图1(a)以及(二)，表明CK1与其他处理在土壤真菌主成分和细菌群落结构上存在明显差异。T3和T2处理的子采样点彼此接近图1(a)，表示土壤真菌群落结构的相似主成分。然而，T3 的子采样点与CK1、CK2、T1和T4处理相去甚远图1(a)以及(二)表明它们之间土壤菌落结构的主要成分存在差异。在图1(a)、T1和T3处理的采样点依次排列在PC2的正轴上。这表明大量生物炭的使用对土壤真菌群落结构有明显的变化。图1(b)表明常规施肥与生物炭施肥距离较远，表明土壤细菌群落结构的主成分明显不同。因此，生物炭在根际土壤中的应用被认为对土壤微生物群落的结构有重大影响。
土壤真菌群落的组成分析
从图2(a) 中可以看出烟草种植土壤的主要真菌菌群包括子囊菌门、纤毛菌属、壶菌属、担子菌属和一些相对稀有但分类地位不明的真菌菌群。与空白处理相比，除T3外，子囊菌在受精处理中的相对丰度分别高出0.106(CK2)、0.025(T1)、0.047(T2)和0.027(T4)。与空白施肥相比，常规施肥担子菌相对丰度下降了0.086。然而，添加生物炭后，T1、T2、T3和T4处理担子菌的相对丰度分别比CK2增加了93.76%60.84%、107.59%和83.37%。对于Ciliophora，T1和T4处理的相对丰度分别是空白施肥的1.04倍和2.02倍。发现生物炭应用对 Glomeromycota和 Chytridiomycota影响不大。不同处理之间其他真菌菌群的相对丰度也反映在图2(b),整体而言，在根际土壤中施用生物炭可以改变真菌群落的相对丰度。
根际土壤中细菌群落的组成
从中可以看出图3(a)在根际土壤中施用生物炭增加了放线菌的相对丰度，降低了变形菌的相对丰度。与生物炭应用和 CK1相比，用CK2处理的Chloroflexi和 Acidobacteria 的相对丰度显着降低。与常规施肥相比，施用生物炭的处理在T1、T2、T3和T4中，绿化菌的相对丰度分别提高了49.67%、78.61%、65.85%和62.56%，而酸杆菌的相对丰度分别增加了32.60%、39.13%、19.78%和14.79%。图3(b)显示了每个样品门水平细菌群落的群落热图聚类分析。T1 和 CK1 处理聚集在一起，表明T1和 CK1 的细菌菌群相似。T2 首先与 T3 聚类，然后是T4，表明T2、T3 和 T4 处理之间的细菌菌群群落相似
根际土壤中细菌群落的组成
从中可以看出图3(a)在根际土壤中施用生物炭增加了放线菌的相对丰度，降低了变形菌的相对丰度。与生物炭应用和 CK1相比，用CK2处理的Chloroflexi和 Acidobacteria 的相对丰度显着降低。与常规施肥相比，施用生物炭的处理在T1、T2、T3和T4中，绿化菌的相对丰度分别提高了49.67%、78.61%、65.85%和62.56%，而酸杆菌的相对丰度分别增加了32.60%、39.13%、19.78%和14.79%。图3(b)显示了每个样品门水平细菌群落的群落热图聚类分析。T1 和 CK1 处理聚集在一起，表明T1和 CK1 的细菌菌群相似。T2 首先与 T3 聚类，然后是T4，表明T2、T3 和 T4 处理之间的细菌菌群群落相似。
结语
在根际土壤中施用生物炭可提高土壤速效磷、有机质、速效钾、全氮和pH含量。同时增加了土壤微生物菌群多样性，改变了微生物菌群结构，增加了担子菌门、放线菌门、绿曲菌门和酸杆菌门的相对丰度，降低了子囊菌门和变形菌门的相对丰度。结果表明，生物炭可以改变土壤理化性质，改善土壤质量，改变土壤根际微生物的种群结构，从而在土壤保持中发挥重要作用，为烤烟生产的可持续发展提供重要的理论支持。综合考虑烟草种植土壤生物炭的整体性能和成本，在常规施肥基础上减少氮肥15%，生物炭施用量为900 kg/hm 2 的模型效果最好。因此，本研究结果对于烟草种植利用减少氮肥用量的花生壳生物炭在减少土壤酸度和氮肥过量造成的污染方面具有重要意义。今后应加强生物炭性质的改性与改良研究，以改善根际土壤和微生物的理化性质。
作者简介
刘国顺，1954年1月生，男，汉族,教授，博士生导师，河南农业大学教学名师。曾任烟草学院院长、河南农业大学国家烟草栽培生理生化研究基地主任、烟草行业烟草栽培重点实验室主任。兼任中国烟草学会副理事长，河南省烟草学会副理事长，国家烟草专卖局科技委委员，烟草行业标准化委员会委员。
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