有机碳肥对植烟土壤细菌群落结构和烤烟产质量的影响

关键词：有机碳肥；植烟土壤；细菌群落结构；烤烟产质量

中图分类号：S572.062：S154.38+1 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2024）11-0083-09

近年来，烟农的不合理施肥，导致植烟土壤肥力下降、土壤酸化加剧及微生物活性降低。有机碳肥是近年来开发的新型肥料，其有效碳含量是普通肥料的20倍左右，具有水溶和速效的特点，在土壤中可被作物根系和微生物快速利用。因此，有机碳肥可以活化土壤微生物，改善土壤结构，促进作物根系生长，为作物提供碳营养，增强作物光合作用和抗逆性，提高作物对化肥的利用效率，使作物增产提质。可见，有机碳肥的应用研究对改良植烟土壤和提高烤烟产质量具有重要意义。

有机碳肥溶解后形成的小分子碳极易被植物吸收，可以提高植物对肥料的利用率，在许多作物的栽培中应用效果良好。Du等研究表明，施加有机肥可促进土壤中有利于土壤肥力和作物生长的微生物的富集，提高土壤质量。Li等研究表明，施加有机肥可以提高土壤有机质、有效磷和有效氮含量，增加拟杆菌门（Bacteroidetes）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）相对丰度，减少绿弯菌门（Chloroflexi）和Planctomycetes的相对丰度，提高细菌多样性。王珏等研究表明，施用有机肥可以提高植烟土壤中芽单胞菌科（Gemmatimona-daceae）、根瘤菌科（Rhizobiaceae）和微球菌科（Micrococcaceae）等植物促生菌的丰度。向清著研究表明，施用有机碳肥有利于烤烟前期生长，不仅可以促进烤烟干物质积累，还提高了叶片中氮磷钾的积累，提升烟叶质量。

目前有研究表明，施用有机碳肥可以促进根系发育和叶片生长，并且能够提高作物产量。但施用有机碳肥对植烟土壤养分和土壤微生物群落的影响鲜有报道。因此，本试验以有机碳肥为材料，采用随机区组设计，通过田间小区试验，研究施用有机碳肥对烤烟产质量和土壤微生物群落的影响，以期为有机碳肥在烟草上的推广应用提供参考依据。

1材料与方法

1.1试验材料

供试烤烟品种为云烟87。试验用有机碳肥（有机质≥35%，N≤2%，P、K≥2%）由河南惠农土质保育有限公司提供。试验地土壤基础理论性质：pH7.65，碱解氮60.49mg/kg，速效磷63.01mg/kg，速效钾183.46mg/kg，有机质15.8g/kg。

1.2试验设计

本试验于2022年在河南省三门峡市灵宝市进行，设置4个处理，每个处理设置3个小区，每个小区66.7m²。试验设计如表1所示。采用漂浮育苗，5月11日移栽，株距0.5 m，行距1.2 m。各处理常规施肥一致：烟草专用复合肥（N：P₂O₅：K₂O=8：8：14）900kg/hm²、硫酸钾（K₂O≥52%） 225kg/hm²、商品有机肥（N+P₂O₅+K₂O≥5%）3000kg/hm²，全部作基肥起垄时条施，有机碳肥穴施。大田管理按照三门峡市特色优质烤烟生产技术实施。

1.3测定指标及方法

1.3.1农艺性状调查 记载各处理烟株的生育进程（移栽后45、60、75、90 d）；每个小区选取5株代表性烟株，根据YC/T 142-2010《烟草农艺性状调查测量方法》测定农艺性状。

1.3.2烟叶SPAD值测定 选择长势均匀的中部功能叶片，采用SPAD-502plus便携式叶绿素测定仪（日本柯尼卡美能达公司），在烟叶离主脉3cm两侧对称处各选择6个点进行SPAD值测量，求平均值。

1.3.3土壤样品采集及测定 于移栽后60d采用5点取样法、抖根法采集各处理根际土和非根际土。将采集后的土样分别等量混合后分为两部分，一部分置于-80℃超低温冰箱中用于土壤微生物测定，另一部分自然风干后过0.25 mm筛，参考文献测定土壤速效磷、速效钾、碱解氮、有机质、全碳、全氮含量。

1.3.4高通量测序分析微生物群落 根据E.Z.N.A.@ soil DNA kit（Omega Bio-tek，Norcross， GA，U.S.）检测盒说明书进行微生物群落总DNA抽提，随后进行PCR扩增产物检测。由上海美吉生物医药科技有限公司构建高通量测序文库并完成基于Illumina MiSeq平台的测序。

1.3.5烤后烟常规化学成分测定 选取各处理最具代表性的中部烟叶，采用连续流动分析仪（德国BRAN+LU-EBBE公司）对常规化学成分进行分析。总糖和还原糖依据标准YC/T 159—2019测定，钾含量依据标准YC/T 217—2007测定，氯含量依据标准YC/T 162—2002测定，烟碱含量依据标准YC/T 160—2002测定。

1.3.6烤烟感官质量测定 选取C3F等级烤后烟叶，平衡水分后切丝卷制。根据YC/T 415—2011的方法并结合河南中烟工业有限责任公司加热卷烟烟叶原料感官品质特性评价方法，由浙江中烟、河南中烟和三门峡烟草公司的评吸专家分别对其进行感官质量评价，按照香气质、香气量、透发性、浓度、柔细度、余味、杂气、刺激性、劲头、燃烧性、灰色共11个单项指标打分。计算感官质量总分，感官质量总分=（香气质×0.3+香气量×0.3+杂气×0.08+刺激性×0.15+余味×0.17）×11.1。

1.3.7烤烟经济性状测定 各处理实采实收，分别计产。烤烟分期采收烘烤，各个时期实际采收烘烤量相加即为小区的实际产量，通过面积换算得到产值。烟叶分级依据标准GB 2635-1992进行。

1.4数据处理与分析

使用fastp软件对原始测序序列进行质控，使用Flash软件进行拼接。所有试验数据均通过Microsoft Excel 2016和DPS7.5软件进行统计分析，多重比较采用Duncan’s法。

2结果与分析

2.1有机碳肥对烟株不同生育期农艺性状的影响

如表2所示，移栽后45d，施加有机碳肥处理的株高、最大叶长和最大叶宽均显著提高，以T2处理效果最好，分别较CK提高24.34%、28.63%和30.06%。移栽后75d，T2处理的株高、有效叶数、最大叶长和最大叶宽均显著高于CK。说明施加有机碳肥可以促进烤烟生长发育，其中T2处理效果最好。

2.2有机碳肥对不同生育期中部烟叶SPAD值的影响

如图1所示，移栽后60d烟株生长旺盛，烟叶光合作用强，叶绿素含量达到最高。移栽后75d，T2、T3处理SPAD值较CK均显著提高。移栽后90d，施加有机碳肥处理的SPAD值较之前均有所降低，说明此时期叶绿素降解有利于烟叶落黄，而CK烟叶SPAD值变化较小，不利于烟叶落黄。

2.3有机碳肥对植烟土壤养分的影响

如表3所示，T2和T3处理土壤有机质、碱解氮和速效磷含量较CK分别显著提高了13.48%、20.00%、13.84%和18.67%、22.85%、27.53%。T3处理全碳和全氮含量分别较CK显著提高12.81%和16.67%。T1处理各养分含量较CK均有所提高，但差异不显著。

2.4有机碳肥对植烟土壤细菌多样性的影响

2.4.1对根际土壤细菌α多样性的影响 所有样本共获得707658条细菌有效序列，总长度为295195055bp，平均序列长度为417bp。根据97%的相似度阈值对细菌群落进行聚类判定与物种注释，共得到5013个OTUs，隶属于38门120纲281目445科832属1690种。由图2可知，T2和T3处理总OTU数最高，其次是T1处理。各处理共有OTU数为2440个，CK、T1、T2、T3独有OTU数分别为142、169、254个和192个。

由表4可知，施用有机碳肥对土壤细菌α多样性影响较大。T2处理细菌Shannon指数较CK显著提高2.91%，表明T2处理细菌群落的多样性提高。有机碳肥处理的Ace指数及Chaol指数均大于CK，但未达到显著性差异。4个处理覆盖率均大于99%，可满足后续样品分析需求。

2.4.2对土壤细菌群落组成的影响 如图3所示，相对丰度较高的菌门分别为放线菌门（Acti-nobacteriota）、变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门、酸杆菌门和厚壁菌门（Firmicutes），相对丰度分别为26.25%～27.93%、17.53%～26.99%、11.43%～15.89%、11.51%～18.27%和3.73%～5.18%。与CK相比，T2和T3处理的酸杆菌门相对丰度分别提高36.70%和35.13%，绿弯菌门相对丰度分别提高39.14%和32.05%，放线菌门和变形菌门的相对丰度较CK有所降低。4个处理芽单胞菌门和黏球菌门（Myxococcota）相对丰度变化较小。

2.4.3对土壤细菌β多样性的影响 基于OTUs相对丰度的土壤细菌群落PCA分析结果如图4A所示，CK和T2处理间的细菌群落明显分离，T1和T3处理之间的细菌群落差距较小，但也与CK明显分离，说明施加有机碳肥对土壤细菌群落组成有所影响。NMDS分析结果如图4B所示，施加有机碳肥处理和CK之间细菌群落存在明显的分离，并且T1和T2处理间的细菌群落也明显分离，说明施加有机碳肥及有机碳肥用量均对土壤细菌群落组成有显著影响。

2.5主要菌门的相对丰度与土壤化学因子的相关性分析

相关性分析结果（图5）表明，在门水平上，GAL15与速效磷和碱解氮呈显著正相关（Plt;0.05），与速效钾和全碳呈极显著正相关（Plt;0.01），与有机质呈极显著正相关（Plt;0.001）；盐厌氧菌门（Halanaerobiaeota）与碱解氮和速效钾呈显著正相关（Plt;0.05），与速效磷和有机质呈极显著正相关（Plt;0.01）。脱硫菌门（Desulfobacterota）与有机质、全碳呈显著正相关（Plt;0.05）。与速效钾呈极显著正相关（Plt;0.01）。蛭弧菌门（Bdell-ovibrio）与速效钾、碱解氮、有机质呈显著负相关（Plt;0.05）。髌骨细菌门（Patescibacteria）与速效钾呈极显著负相关（Plt;0.01），与碱解氮、有机质和全碳呈显著负相关（Plt;0.05）。表明土壤养分大多与土壤优势菌门存在显著相关关系。

2.6有机碳肥对烤后烟常规化学成分的影响

如表5所示，T2、T3处理烟碱含量较CK分别显著提高13.70%和12.59%。施加有机碳肥后各处理总糖、还原糖含量均有所提高，其中T2处理还原糖和总糖含量分别较CK显著增加16.84%和9.89%。T2、T3处理钾含量较CK均显著提高，以T3处理钾含量最高，较CK提高15.32%。各有机碳肥处理总氮含量较CK均有所提高，以T2处理最高，较CK显著提高7.04%。

2.7有机碳肥对烤烟感官质量的影响

由表6可知，各处理C3F等级烤烟感官质量评价总分顺序依次是T2gt;T3gt;CKgt;T1，其中T2处理香气质最优、香气量较足，各处理透发性、燃烧性和灰色评价一致。CK和T2处理烤烟烟气浓度较高，CK烤烟烟气劲头最大。施加有机碳肥后各处理烤烟刺激性较CK均有所降低。

2.8有机碳肥对烤后烟叶经济性状的影响

由表7可知，施加有机碳肥后，烤后烟叶产量、产值、上等烟比例、均价等经济指标均高于CK。各处理产量由高到低依次为T2gt;T3gt;T1gt;CK，T2处理产值较CK提高20.01%。总的来看，T2处理的经济效益最好。

3讨论

3.1有机碳肥对土壤养分的影响

土壤养分含量是农田生态系统健康状况和土壤肥力的重要评价指标。Hafez等研究表明，施用有机肥可以提高土壤有机碳含量、土壤酶活性以及土壤氮、磷和微量养分含量；黄琼慧等研究表明，施用有机肥可以提高土壤碳氮比，具有补充土壤碳短板的作用；蓝林等研究表明，施用有机碳肥可提高土壤有机质和速效养分含量；付红梅等研究显示，有机碳肥能提高土壤中的碳氮比，使土壤微生物大量繁殖，从而提高土壤的生物肥力和物理肥力。本研究结果表明，施用有机碳肥能够有效改良植烟土壤，提高土壤养分，其中225kg/hm²有机碳肥处理效果最佳，速效磷、速效钾、有机质、碱解氮含量相较于CK分别提高27.53%、29.32%、18.67%、22.85%，全碳和全氮较CK显著提高12.81%和16.67%。这与杨佳宜等的研究结果相似。

3.2有机碳肥对土壤微生物群落结构的影响

土壤细菌是土壤生物群的主要组成部分，不仅是土壤养分循环过程的关键驱动因素，而且在抑制土传疾病和促进植物生长方面发挥着不可替代的作用。本研究结果表明，与常规施肥相比，施加有机碳肥提高了绿弯菌门、酸杆菌门和厚壁菌门的相对丰度，降低了放线菌门和变形菌门的相对丰度。其中绿弯菌门有固定CO，的作用，厚壁菌门能够改善土壤质量和土壤中的水分分布，增加土壤肥力，促进植物生长，减少土壤污染，抑制有害微生物的繁殖，增加土壤中有益微生物的数量，从而达到改良土壤的目的。本研究中T2和T3处理土壤有机质、碱解氮、速效钾和速效磷含量较CK均显著提高，这可能与土壤中绿弯菌门和厚壁菌门相对丰度的提高有关。施加有机碳肥后，T2处理的Shannon指数较CK显著提高，这可能是因为有机碳肥易溶于水并且容易被植物吸收，能够提高土壤肥力，为土壤提供额外的代谢养分，为细菌繁殖提供充足养分。PCA和NMDS分析结果表明，有机碳肥处理与CK明显分离，说明施加有机碳肥对土壤细菌群落组成有所影响。相关性分析表明，土壤中优势细菌门与速效磷、速效钾、碱解氮和有机质均存在一定的相关关系，其中GAL15与速效磷和碱解氮呈显著正相关（Plt;0.05），与速效钾、有机质和全碳呈极显著正相关（Plt;0.01）。GAL15与有机质呈显著正相关，这可能是因为其生长主要依赖土壤养分，在碳和营养丰富的环境中生长更加有利，因此GAL15与多数土壤养分存在显著正相关性。有机质在土壤中的分解为厚壁菌门提供了丰富的碳源，有利于厚壁菌门在土壤中的生存和繁殖，因此厚壁菌门与有机质含量呈显著正相关。

3.3有机碳肥对烤烟生长发育及产质量的影响

本研究结果表明，施加有机碳肥提高了烟叶叶绿素含量（SPAD值），有利于烟叶的光合作用，并且对烤烟株高、叶长和叶宽具有促进作用。其中T2处理效果最好，移栽后45d时株高、最大叶长和最大叶宽较CK分别提高24.34%、28.63%和30.06%，SPAD值较CK提高21.37%。虽然T3处理的肥料用量较T2处理有所提高，但对烤烟生长发育的促进效果没有进一步提高，反而有所降低。这可能是因为有机碳肥用量过高对烤烟的生长发育产生了抑制作用，只有适宜用量的有机碳肥才能发挥最好的效果。施用有机碳肥后各处理烤后烟还原糖和总糖含量有所提高，烟叶糖碱比和钾氯比更为协调，更符合优质烤烟标准。烤烟常规化学成分的适宜协调在很大程度上提高了烤烟的感官质量。其中150kg/hm²有机碳肥处理效果最好，烤后烟还原糖和总糖含量较CK分别提高16.84%和9.89%，产量和产值较CK分别提高17.24%和20.01%。这可能是因为施加有机碳肥提高了土壤有机质、总碳和总氮含量，土壤有机碳有利于提高作物光合作用水平，增强作物长势；氮素通过影响生物量的分配以及光合作用等来最终调节植物的生长发育以及产质量。同时外源碳的输入提高了光化学效率，加强了烟株的光合碳同化能力，进而促使光合碳同化产物积累量增加，形成较多的碳水化合物。此外，厚壁菌门等优势菌门的增加，能够分解更多的有机物，降解土壤中一些难溶化合物供植株吸收利用，为烟株生长发育提供充足的养分，这与高传俊等的研究结果相似。

4结论

施加有机碳肥有利于提高土壤养分，进而改善植烟土壤环境，促进土壤细菌群落的变化，提高功能微生物酸杆菌门和厚壁菌门的相对丰度，促进烟株的生长发育，使得烤后烟叶化学成分更加适宜协调，改善烟叶品质，并提高烟叶经济性状，尤其以150kg/hm²有机碳肥处理效果最佳。