炭基肥與化肥配施對植煙土壤生物學(xué)特性的影響

張 凱，許躍奇，王曉強，何曉冰，毛 娟，閻海濤，馬文輝，常 棟

（河南省煙草公司 平頂山市公司，河南 平頂山 476000）

煙葉生產(chǎn)對化肥長期的依賴導(dǎo)致了植煙土壤結(jié)構(gòu)變劣，有機質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分協(xié)調(diào)供應(yīng)能力下降，土壤微生物生態(tài)環(huán)境失調(diào)，進而降低了煙葉的品質(zhì)和可用性，成為了當(dāng)今煙葉生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展的主要限制因子之一。因此，科學(xué)合理地添加有機物料對于煙葉生產(chǎn)至關(guān)重要。由于烤煙較為特殊的需肥規(guī)律，有機質(zhì)過高或過低都會對煙葉品質(zhì)產(chǎn)生不利的影響［1-2］。而不同種類有機肥的營養(yǎng)成分、養(yǎng)分含量和C/N比值等均不相同，施入土壤后，其與土壤的相互作用，不僅影響到肥料本身的養(yǎng)分釋放和土壤本底有機質(zhì)的礦化，對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也存在不同程度的影響。豐富的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性對于土壤營養(yǎng)循環(huán)的推動及土壤質(zhì)量的維持至關(guān)重要。因此，在一定環(huán)境條件下，合理的有機與無機肥配施是煙葉生產(chǎn)肥料施用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，針對土壤微生物失衡，生物特性較差的問題，利用有機肥料和生物炭進行土壤改良的研究備受關(guān)注。炭基肥就是利用含碳量豐富的生物炭與其他類型肥料進行混配，具有改良和培肥土壤的多重特性。在煙田進行的有機無機肥配比研究主要集中在傳統(tǒng)有機肥，而利用炭基肥進行配比的研究相對較少。本研究選擇豫中典型植煙土壤為研究對象，在等氮條件下利用炭基肥開展有機肥與化肥配施田間試驗，探討不同配比對植煙土壤微生物功能多樣性的影響，以期為合理的烤煙施肥技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2019年在河南省平頂山市郟縣李口鎮(zhèn)進行，供試品種為中煙100，土壤質(zhì)地為壤土。采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)4個處理，CK：100%化肥；T1：60%化肥+40%炭基肥；T2：70%化肥+30%炭基肥；T3：80%化肥+20%炭基肥。每個處理設(shè)置3個重復(fù)，小區(qū)約130 m2。

各處理氮磷鉀養(yǎng)分含量相同，施用純氮60 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶1∶4。供試肥料中有機肥為炭基肥，由河南惠農(nóng)土質(zhì)保育有限公司生產(chǎn)，其中生物炭≥200 g/kg、有機質(zhì)≥45%（主要為油料餅肥）、N 20 g/kg、P2O510 g/kg、K2O 20 g/kg；化肥為煙草專用復(fù)合肥（N∶P2O5∶K2O=10∶10∶20）、重鈣、硝酸鉀和硫酸鉀。其中，炭基肥、復(fù)合肥、重鈣和硫酸鉀全部用作基肥，硝酸鉀在移栽后30 d追施。

1.2 樣品采集與測定

在煙草旺長期采用5點法對各小區(qū)采集根域土壤樣品，剔除植物殘體和石塊等雜物，一部分混勻過2 mm篩后在4 ℃冰箱保存，一部分風(fēng)干、粉碎并過篩保存。土壤堿解氮（AN）、速效磷（AP）和有機碳（SOC）含量采用魯如坤［3］的方法測定。微生物量碳（MBC）采用熏蒸浸提-重鉻酸鉀容量法測定，微生物量氮（MBN）采用熏蒸浸提法測定，土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮采用連續(xù)流動分析儀測定［4］。土壤微生物功能多樣性采用Biolog Eco微平板測定，微平板含96孔、共31種碳源，放置于28 ℃恒溫恒濕培養(yǎng)箱培養(yǎng)7 d，每24 h用酶標(biāo)儀讀取各孔在590 nm波長下的數(shù)值［5］。土壤酶活性的測定依照關(guān)松蔭［6］的方法。土壤酶活性綜合指數(shù)（GMea）利用所測酶活性的幾何平均值計算［7］，公式為：

公式（1）中：Ure表示脲酶活性，Inv表示轉(zhuǎn)化酶活性，Pol表示多酚氧化酶活性。

1.3 數(shù)據(jù)處理

土壤微生物對碳源的利用能力通過每孔平均顏色變化率（average well colour development，AWCD）來表示，數(shù)值小于0的全部記為0［8］。本研究采用培養(yǎng)了144 h的數(shù)據(jù)計算4種指數(shù)參數(shù)來表征土壤微生物群落功能代謝多樣性，其中Shannon多樣性指數(shù)（H）用來反映群落物種及其個體數(shù)和分布均勻程度，受群落物種豐富度影響較大；McIntosh多樣性指數(shù)（U）用來反映群落的均一性；Simpson多樣性指數(shù)（D）用來評估群落常見物種的優(yōu)勢度；Shannon均一性指數(shù)（E）用來反映Shannon指數(shù)的均勻度，各指數(shù)計算按照文獻(xiàn)方法進行［9-10］。試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019軟件進行初步處理，使用SPSS 26.0軟件進行單因素方差分析和Tukey HSD法多重比較檢驗處理間的差異顯著性（P＜0.05），利用Origin 9.0軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 炭基肥與化肥配施對土壤化學(xué)特征的影響

不同比例炭基肥與化肥配施下土壤化學(xué)指標(biāo)如表1所示。從表1中可以看出，與對照相比，配施炭基肥處理的各個指標(biāo)均有不同程度的提高。土壤堿解氮含量表現(xiàn)為T1處理顯著高于其他各處理，土壤速效磷則以T1和T3處理顯著高于CK和T2。配施40%炭基肥（T1）和30%（T2）炭基肥處理的有機質(zhì)、微生物量碳和微生物量氮含量均顯著高于純化肥處理（CK），提高幅度分別為23.4%、15.9%，56.2%、49.4%，34.0%、23.9%，以配施40%炭基肥處理的提升效果最好。土壤微生物量碳含量占土壤有機碳含量的百分率稱為土壤微生物熵［11］。不同處理微生物熵范圍在0.98%～1.27%之間，T1和T2處理顯著高于CK和T3處理。土壤礦質(zhì)氮含量表現(xiàn)為炭基肥與化肥配施處理顯著高于CK，提高幅度為23.1%～47.8%，礦質(zhì)氮含量隨著炭基肥比例的提高而增加，配施40%炭基肥處理的土壤礦質(zhì)氮含量最高。

表1 各處理土壤化學(xué)性質(zhì)

2.2 炭基肥與化肥配施對土壤主要酶活性的影響

對各個處理的土壤主要酶活性進行測定，并計算出了各處理酶活性綜合指數(shù)（GMea），結(jié)果見表2。土壤脲酶活性表現(xiàn)為配施處理顯著高于單施化肥處理，提高幅度為30.4%～58.7%，且隨著炭基肥比例的提高，脲酶活性呈增加趨勢，配施40%炭基肥（T1）和配施30%炭基肥（T2）處理的脲酶活性顯著高于配施20%炭基肥（T3）處理的。配施炭基肥處理的土壤轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶活性均比單施化肥有所提高，但差異沒有達(dá)到顯著水平。炭基肥的配施增大了酶活性綜合指數(shù)，與對照相比，各配施處理的酶活性綜合指數(shù)顯著提高，提升幅度在16.7%～29.2%。

表2 各處理土壤主要酶活性

2.3 炭基肥與化肥配施對土壤微生物功能多樣性的影響

每隔24 h測定各個處理的OD值，計算平均顏色變化率（圖1）。從圖1中可以看出，培養(yǎng)的前24 h內(nèi)各處理土壤微生物群落對碳源的利用不高，隨著培養(yǎng)時間的增加，碳源被迅速利用，在96 h之前平均顏色變化率值表現(xiàn)為T1＞T2＞CK＞T3。在培養(yǎng)至144 h時，CK的平均顏色變化率最低（1.23），分別為T1、T2和T3處理的74%、84%和87%。從整個培養(yǎng)過程來看，T1處理土壤微生物碳源利用始終保持在較高的水平，T2和T3處理在培養(yǎng)穩(wěn)定后的碳源利用差異較小。

圖1 不同處理下土壤微生物平均顏色變化率

在不同比例炭基肥與化肥配施條件下，煙草根域土壤微生物對不同類別碳源的利用程度存在一定的差異。通過對培養(yǎng)了144 h的土壤微生物碳源利用能力進行分析（圖2）可知，與CK相比，炭基肥與化肥配施條件下，土壤微生物對碳水化合物、氨基酸、羧酸、酚酸和胺類碳源的利用程度均有所增加；從配施比例來看，T1處理土壤微生物對氨基酸、羧酸、多聚物、酚酸和胺類碳源的利用強度最高，其中，多聚物和酚酸類碳源指標(biāo)與其他處理達(dá)到顯著性差異；T3處理土壤微生物對碳水化合物的利用強度顯著高于其他處理。

圖2 各處理土壤微生物對6類碳源利用能力分析

土壤微生物的種類及豐度是影響其活動的重要因素。為了進一步明確炭基肥與化肥配施對土壤微生物功能多樣性的影響，對培養(yǎng)了144 h的微生物功能多樣性指數(shù)進行分析（表3）。配施40%炭基肥處理（T1）的Shannon多樣性指數(shù)和Simpson多樣性指數(shù)均顯著高于其他各處理；McIntosh多樣性指數(shù)表現(xiàn)為炭基肥與化肥配施處理均顯著高于CK；Shannon均一性指數(shù)為CK高于各配施處理，但未達(dá)到顯著差異。

表3 各處理土壤微生物群落功能多樣性和均勻度指數(shù)

對各處理土壤微生物31種碳源的利用進行主成分分析（圖3），第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）分別解釋了所對應(yīng)變量方差的39.12%和25.54%，2個主成分累計達(dá)到64.66%。T1處理位于第一象限和第四象限，T2處理位于第二象限，CK和T3處理位于第三象限，各處理間微生物碳源利用能力在坐標(biāo)軸上分布明顯。在PC1軸上，CK、T2和T3處理主要分布在負(fù)軸方向上，離散度較小，T1處理分布在正軸方向，與其他各處理距離較遠(yuǎn)；在PC2軸上，CK和T3處理分布在負(fù)軸方向，離散較小，T2處理分布在正軸方向，T1處理位于中間，表明因炭基肥與化肥配施比例不同，土壤微生物碳源利用能力存在較為明顯的差異。

圖3 不同處理下微生物的碳源利用主成分分析

3 討論

炭基肥兼具生物炭和有機肥的特點，含碳量高且具有較強的生物和非生物穩(wěn)定性，同時能夠為土壤補充氮磷鉀等營養(yǎng)物質(zhì)［12］。本研究結(jié)果顯示，利用炭基肥進行有機無機的配施顯著提高了土壤堿解氮、礦質(zhì)氮和速效磷的含量，這與較多研究結(jié)論一致［13-15］。生物炭對營養(yǎng)物質(zhì)具有吸持效應(yīng)，煙田配施炭基肥后，增強了土壤對養(yǎng)分的截獲，并能有效降低營養(yǎng)元素的淋失，提高了土壤的保肥能力［16］。土壤微生物量與土壤生物肥力關(guān)系緊密，是反映土壤微生物學(xué)特性的重要指標(biāo)。Schloter等［17］認(rèn)為土壤有機碳與土壤微生物量具有較強的正相關(guān)關(guān)系。很多學(xué)者研究表明，施肥措施對土壤微生物量具有很大的影響，有機肥的添加能夠顯著增加土壤微生物量［18-20］。本試驗中，炭基肥與化肥配施處理的土壤有機碳、微生物量碳和微生物量氮顯著高于對照，且炭基肥配施比例越高，土壤微生物量越大，這與前人的研究結(jié)果較為一致。炭基肥的結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)特性，既能為土壤微生物提供良好的空間環(huán)境，也能直接為微生物的生長提供所需養(yǎng)分［21-22］。本研究中微生物熵表現(xiàn)為配施40%炭基肥和30%炭基肥處理顯著高于對照，表明炭基肥與化肥配施尤其是高量炭基肥的配施有利于土壤微生物熵的增加。

陳懿等［13］研究認(rèn)為，與常規(guī)施肥相比，炭基肥的施用顯著提高了土壤脲酶和過氧化氫酶的活性。本研究中，炭基肥與化肥配施提高了轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶的活性，配施高量炭基肥處理顯著提升了脲酶活性。土壤酶活性綜合指數(shù)是土壤酶活性的幾何平均值，能夠綜合評價土壤生物質(zhì)量。本研究結(jié)果顯示，與對照相比，炭基肥的施用顯著提高了土壤酶活性綜合指數(shù)，這與前人研究結(jié)論一致［7］，這可能是由于炭基肥通過促進土壤微生物的生長進而提高了微生物對大多數(shù)酶活性的貢獻(xiàn)，但不同配施比例間沒有顯著差異。

通過Biolog Eco微平板分析微生物對不同碳源底物的利用，能夠較好地反映土壤微生物群落代謝能力的差異性。陳偉等［23］研究認(rèn)為，生物炭與有機肥混合施用能夠有效增加土壤微生物對碳源的利用能力。Gomez等［24］研究也表明，向土壤中添加有機物料能夠增加微生物的數(shù)量及活性。寧趙等［25］研究發(fā)現(xiàn)，施用有機物料能提高土壤微生物對碳水化合物、羧酸類和氨基酸的代謝速率。本研究結(jié)果顯示，炭基肥與化肥配施提高了土壤微生物AWCD值，配施高量炭基肥處理顯著增加了微生物對氨基酸、多聚物、酚酸和胺類碳源的利用強度，表明外源碳的添加有利于提升土壤微生物的碳源利用能力。同時，有機無機配施提高了微生物功能多樣性指數(shù)，降低了均一性指數(shù)，而配施比例的不同也造成了微生物物種的優(yōu)勢度和多度的差異性。

4 結(jié)論

利用炭基肥進行有機無機配施對煙田土壤主要養(yǎng)分及酶活性綜合指數(shù)有顯著的提升作用，不同配施比例均可提高土壤微生物功能多樣性和碳源利用能力。但配施比例對不同土壤指標(biāo)的影響程度存在一定的差異。綜合來看，在豫中煙區(qū)利用60%化肥和40%炭基肥配施的土壤改良效果較好，對煙田土壤微生物區(qū)系向健康方向轉(zhuǎn)變有積極作用。