有機碳肥對植煙土壤細菌群落結構和烤煙產質量的影響

關鍵詞：有機碳肥；植煙土壤；細菌群落結構；烤煙產質量

中圖分類號：S572.062：S154.38+1 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2024）11-0083-09

近年來，煙農的不合理施肥，導致植煙土壤肥力下降、土壤酸化加劇及微生物活性降低。有機碳肥是近年來開發(fā)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點，在土壤中可被作物根系和微生物快速利用。因此，有機碳肥可以活化土壤微生物，改善土壤結構，促進作物根系生長，為作物提供碳營養(yǎng)，增強作物光合作用和抗逆性，提高作物對化肥的利用效率，使作物增產提質。可見，有機碳肥的應用研究對改良植煙土壤和提高烤煙產質量具有重要意義。

有機碳肥溶解后形成的小分子碳極易被植物吸收，可以提高植物對肥料的利用率，在許多作物的栽培中應用效果良好。Du等研究表明，施加有機肥可促進土壤中有利于土壤肥力和作物生長的微生物的富集，提高土壤質量。Li等研究表明，施加有機肥可以提高土壤有機質、有效磷和有效氮含量，增加擬桿菌門（Bacteroidetes）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）相對豐度，減少綠彎菌門（Chloroflexi）和Planctomycetes的相對豐度，提高細菌多樣性。王玨等研究表明，施用有機肥可以提高植煙土壤中芽單胞菌科（Gemmatimona-daceae）、根瘤菌科（Rhizobiaceae）和微球菌科（Micrococcaceae）等植物促生菌的豐度。向清著研究表明，施用有機碳肥有利于烤煙前期生長，不僅可以促進烤煙干物質積累，還提高了葉片中氮磷鉀的積累，提升煙葉質量。

目前有研究表明，施用有機碳肥可以促進根系發(fā)育和葉片生長，并且能夠提高作物產量。但施用有機碳肥對植煙土壤養(yǎng)分和土壤微生物群落的影響鮮有報道。因此，本試驗以有機碳肥為材料，采用隨機區(qū)組設計，通過田間小區(qū)試驗，研究施用有機碳肥對烤煙產質量和土壤微生物群落的影響，以期為有機碳肥在煙草上的推廣應用提供參考依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試烤煙品種為云煙87。試驗用有機碳肥（有機質≥35%，N≤2%，P、K≥2%）由河南惠農土質保育有限公司提供。試驗地土壤基礎理論性質：pH7.65，堿解氮60.49mg/kg，速效磷63.01mg/kg，速效鉀183.46mg/kg，有機質15.8g/kg。

1.2試驗設計

本試驗于2022年在河南省三門峽市靈寶市進行，設置4個處理，每個處理設置3個小區(qū)，每個小區(qū)66.7m²。試驗設計如表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。各處理常規(guī)施肥一致：煙草專用復合肥（N：P₂O₅：K₂O=8：8：14）900kg/hm²、硫酸鉀（K₂O≥52%） 225kg/hm²、商品有機肥（N+P₂O₅+K₂O≥5%）3000kg/hm²，全部作基肥起壟時條施，有機碳肥穴施。大田管理按照三門峽市特色優(yōu)質烤煙生產技術實施。

1.3測定指標及方法

1.3.1農藝性狀調查 記載各處理煙株的生育進程（移栽后45、60、75、90 d）；每個小區(qū)選取5株代表性煙株，根據YC/T 142-2010《煙草農藝性狀調查測量方法》測定農藝性狀。

1.3.2煙葉SPAD值測定 選擇長勢均勻的中部功能葉片，采用SPAD-502plus便攜式葉綠素測定儀（日本柯尼卡美能達公司），在煙葉離主脈3cm兩側對稱處各選擇6個點進行SPAD值測量，求平均值。

1.3.3土壤樣品采集及測定 于移栽后60d采用5點取樣法、抖根法采集各處理根際土和非根際土。將采集后的土樣分別等量混合后分為兩部分，一部分置于-80℃超低溫冰箱中用于土壤微生物測定，另一部分自然風干后過0.25 mm篩，參考文獻測定土壤速效磷、速效鉀、堿解氮、有機質、全碳、全氮含量。

1.3.4高通量測序分析微生物群落 根據E.Z.N.A.@ soil DNA kit（Omega Bio-tek，Norcross， GA，U.S.）檢測盒說明書進行微生物群落總DNA抽提，隨后進行PCR擴增產物檢測。由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司構建高通量測序文庫并完成基于Illumina MiSeq平臺的測序。

1.3.5烤后煙常規(guī)化學成分測定 選取各處理最具代表性的中部煙葉，采用連續(xù)流動分析儀（德國BRAN+LU-EBBE公司）對常規(guī)化學成分進行分析。總糖和還原糖依據標準YC/T 159—2019測定，鉀含量依據標準YC/T 217—2007測定，氯含量依據標準YC/T 162—2002測定，煙堿含量依據標準YC/T 160—2002測定。

1.3.6烤煙感官質量測定 選取C3F等級烤后煙葉，平衡水分后切絲卷制。根據YC/T 415—2011的方法并結合河南中煙工業(yè)有限責任公司加熱卷煙煙葉原料感官品質特性評價方法，由浙江中煙、河南中煙和三門峽煙草公司的評吸專家分別對其進行感官質量評價，按照香氣質、香氣量、透發(fā)性、濃度、柔細度、余味、雜氣、刺激性、勁頭、燃燒性、灰色共11個單項指標打分。計算感官質量總分，感官質量總分=（香氣質×0.3+香氣量×0.3+雜氣×0.08+刺激性×0.15+余味×0.17）×11.1。

1.3.7烤煙經濟性狀測定 各處理實采實收，分別計產。烤煙分期采收烘烤，各個時期實際采收烘烤量相加即為小區(qū)的實際產量，通過面積換算得到產值。煙葉分級依據標準GB 2635-1992進行。

1.4數據處理與分析

使用fastp軟件對原始測序序列進行質控，使用Flash軟件進行拼接。所有試驗數據均通過Microsoft Excel 2016和DPS7.5軟件進行統(tǒng)計分析，多重比較采用Duncan’s法。

2結果與分析

2.1有機碳肥對煙株不同生育期農藝性狀的影響

如表2所示，移栽后45d，施加有機碳肥處理的株高、最大葉長和最大葉寬均顯著提高，以T2處理效果最好，分別較CK提高24.34%、28.63%和30.06%。移栽后75d，T2處理的株高、有效葉數、最大葉長和最大葉寬均顯著高于CK。說明施加有機碳肥可以促進烤煙生長發(fā)育，其中T2處理效果最好。

2.2有機碳肥對不同生育期中部煙葉SPAD值的影響

如圖1所示，移栽后60d煙株生長旺盛，煙葉光合作用強，葉綠素含量達到最高。移栽后75d，T2、T3處理SPAD值較CK均顯著提高。移栽后90d，施加有機碳肥處理的SPAD值較之前均有所降低，說明此時期葉綠素降解有利于煙葉落黃，而CK煙葉SPAD值變化較小，不利于煙葉落黃。

2.3有機碳肥對植煙土壤養(yǎng)分的影響

如表3所示，T2和T3處理土壤有機質、堿解氮和速效磷含量較CK分別顯著提高了13.48%、20.00%、13.84%和18.67%、22.85%、27.53%。T3處理全碳和全氮含量分別較CK顯著提高12.81%和16.67%。T1處理各養(yǎng)分含量較CK均有所提高，但差異不顯著。

2.4有機碳肥對植煙土壤細菌多樣性的影響

2.4.1對根際土壤細菌α多樣性的影響 所有樣本共獲得707658條細菌有效序列，總長度為295195055bp，平均序列長度為417bp。根據97%的相似度閾值對細菌群落進行聚類判定與物種注釋，共得到5013個OTUs，隸屬于38門120綱281目445科832屬1690種。由圖2可知，T2和T3處理總OTU數最高，其次是T1處理。各處理共有OTU數為2440個，CK、T1、T2、T3獨有OTU數分別為142、169、254個和192個。

由表4可知，施用有機碳肥對土壤細菌α多樣性影響較大。T2處理細菌Shannon指數較CK顯著提高2.91%，表明T2處理細菌群落的多樣性提高。有機碳肥處理的Ace指數及Chaol指數均大于CK，但未達到顯著性差異。4個處理覆蓋率均大于99%，可滿足后續(xù)樣品分析需求。

2.4.2對土壤細菌群落組成的影響 如圖3所示，相對豐度較高的菌門分別為放線菌門（Acti-nobacteriota）、變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門、酸桿菌門和厚壁菌門（Firmicutes），相對豐度分別為26.25%～27.93%、17.53%～26.99%、11.43%～15.89%、11.51%～18.27%和3.73%～5.18%。與CK相比，T2和T3處理的酸桿菌門相對豐度分別提高36.70%和35.13%，綠彎菌門相對豐度分別提高39.14%和32.05%，放線菌門和變形菌門的相對豐度較CK有所降低。4個處理芽單胞菌門和黏球菌門（Myxococcota）相對豐度變化較小。

2.4.3對土壤細菌β多樣性的影響 基于OTUs相對豐度的土壤細菌群落PCA分析結果如圖4A所示，CK和T2處理間的細菌群落明顯分離，T1和T3處理之間的細菌群落差距較小，但也與CK明顯分離，說明施加有機碳肥對土壤細菌群落組成有所影響。NMDS分析結果如圖4B所示，施加有機碳肥處理和CK之間細菌群落存在明顯的分離，并且T1和T2處理間的細菌群落也明顯分離，說明施加有機碳肥及有機碳肥用量均對土壤細菌群落組成有顯著影響。

2.5主要菌門的相對豐度與土壤化學因子的相關性分析

相關性分析結果（圖5）表明，在門水平上，GAL15與速效磷和堿解氮呈顯著正相關（Plt;0.05），與速效鉀和全碳呈極顯著正相關（Plt;0.01），與有機質呈極顯著正相關（Plt;0.001）；鹽厭氧菌門（Halanaerobiaeota）與堿解氮和速效鉀呈顯著正相關（Plt;0.05），與速效磷和有機質呈極顯著正相關（Plt;0.01）。脫硫菌門（Desulfobacterota）與有機質、全碳呈顯著正相關（Plt;0.05）。與速效鉀呈極顯著正相關（Plt;0.01）。蛭弧菌門（Bdell-ovibrio）與速效鉀、堿解氮、有機質呈顯著負相關（Plt;0.05）。髕骨細菌門（Patescibacteria）與速效鉀呈極顯著負相關（Plt;0.01），與堿解氮、有機質和全碳呈顯著負相關（Plt;0.05）。表明土壤養(yǎng)分大多與土壤優(yōu)勢菌門存在顯著相關關系。

2.6有機碳肥對烤后煙常規(guī)化學成分的影響

如表5所示，T2、T3處理煙堿含量較CK分別顯著提高13.70%和12.59%。施加有機碳肥后各處理總糖、還原糖含量均有所提高，其中T2處理還原糖和總糖含量分別較CK顯著增加16.84%和9.89%。T2、T3處理鉀含量較CK均顯著提高，以T3處理鉀含量最高，較CK提高15.32%。各有機碳肥處理總氮含量較CK均有所提高，以T2處理最高，較CK顯著提高7.04%。

2.7有機碳肥對烤煙感官質量的影響

由表6可知，各處理C3F等級烤煙感官質量評價總分順序依次是T2gt;T3gt;CKgt;T1，其中T2處理香氣質最優(yōu)、香氣量較足，各處理透發(fā)性、燃燒性和灰色評價一致。CK和T2處理烤煙煙氣濃度較高，CK烤煙煙氣勁頭最大。施加有機碳肥后各處理烤煙刺激性較CK均有所降低。

2.8有機碳肥對烤后煙葉經濟性狀的影響

由表7可知，施加有機碳肥后，烤后煙葉產量、產值、上等煙比例、均價等經濟指標均高于CK。各處理產量由高到低依次為T2gt;T3gt;T1gt;CK，T2處理產值較CK提高20.01%。總的來看，T2處理的經濟效益最好。

3討論

3.1有機碳肥對土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分含量是農田生態(tài)系統(tǒng)健康狀況和土壤肥力的重要評價指標。Hafez等研究表明，施用有機肥可以提高土壤有機碳含量、土壤酶活性以及土壤氮、磷和微量養(yǎng)分含量；黃瓊慧等研究表明，施用有機肥可以提高土壤碳氮比，具有補充土壤碳短板的作用；藍林等研究表明，施用有機碳肥可提高土壤有機質和速效養(yǎng)分含量；付紅梅等研究顯示，有機碳肥能提高土壤中的碳氮比，使土壤微生物大量繁殖，從而提高土壤的生物肥力和物理肥力。本研究結果表明，施用有機碳肥能夠有效改良植煙土壤，提高土壤養(yǎng)分，其中225kg/hm²有機碳肥處理效果最佳，速效磷、速效鉀、有機質、堿解氮含量相較于CK分別提高27.53%、29.32%、18.67%、22.85%，全碳和全氮較CK顯著提高12.81%和16.67%。這與楊佳宜等的研究結果相似。

3.2有機碳肥對土壤微生物群落結構的影響

土壤細菌是土壤生物群的主要組成部分，不僅是土壤養(yǎng)分循環(huán)過程的關鍵驅動因素，而且在抑制土傳疾病和促進植物生長方面發(fā)揮著不可替代的作用。本研究結果表明，與常規(guī)施肥相比，施加有機碳肥提高了綠彎菌門、酸桿菌門和厚壁菌門的相對豐度，降低了放線菌門和變形菌門的相對豐度。其中綠彎菌門有固定CO，的作用，厚壁菌門能夠改善土壤質量和土壤中的水分分布，增加土壤肥力，促進植物生長，減少土壤污染，抑制有害微生物的繁殖，增加土壤中有益微生物的數量，從而達到改良土壤的目的。本研究中T2和T3處理土壤有機質、堿解氮、速效鉀和速效磷含量較CK均顯著提高，這可能與土壤中綠彎菌門和厚壁菌門相對豐度的提高有關。施加有機碳肥后，T2處理的Shannon指數較CK顯著提高，這可能是因為有機碳肥易溶于水并且容易被植物吸收，能夠提高土壤肥力，為土壤提供額外的代謝養(yǎng)分，為細菌繁殖提供充足養(yǎng)分。PCA和NMDS分析結果表明，有機碳肥處理與CK明顯分離，說明施加有機碳肥對土壤細菌群落組成有所影響。相關性分析表明，土壤中優(yōu)勢細菌門與速效磷、速效鉀、堿解氮和有機質均存在一定的相關關系，其中GAL15與速效磷和堿解氮呈顯著正相關（Plt;0.05），與速效鉀、有機質和全碳呈極顯著正相關（Plt;0.01）。GAL15與有機質呈顯著正相關，這可能是因為其生長主要依賴土壤養(yǎng)分，在碳和營養(yǎng)豐富的環(huán)境中生長更加有利，因此GAL15與多數土壤養(yǎng)分存在顯著正相關性。有機質在土壤中的分解為厚壁菌門提供了豐富的碳源，有利于厚壁菌門在土壤中的生存和繁殖，因此厚壁菌門與有機質含量呈顯著正相關。

3.3有機碳肥對烤煙生長發(fā)育及產質量的影響

本研究結果表明，施加有機碳肥提高了煙葉葉綠素含量（SPAD值），有利于煙葉的光合作用，并且對烤煙株高、葉長和葉寬具有促進作用。其中T2處理效果最好，移栽后45d時株高、最大葉長和最大葉寬較CK分別提高24.34%、28.63%和30.06%，SPAD值較CK提高21.37%。雖然T3處理的肥料用量較T2處理有所提高，但對烤煙生長發(fā)育的促進效果沒有進一步提高，反而有所降低。這可能是因為有機碳肥用量過高對烤煙的生長發(fā)育產生了抑制作用，只有適宜用量的有機碳肥才能發(fā)揮最好的效果。施用有機碳肥后各處理烤后煙還原糖和總糖含量有所提高，煙葉糖堿比和鉀氯比更為協調，更符合優(yōu)質烤煙標準。烤煙常規(guī)化學成分的適宜協調在很大程度上提高了烤煙的感官質量。其中150kg/hm²有機碳肥處理效果最好，烤后煙還原糖和總糖含量較CK分別提高16.84%和9.89%，產量和產值較CK分別提高17.24%和20.01%。這可能是因為施加有機碳肥提高了土壤有機質、總碳和總氮含量，土壤有機碳有利于提高作物光合作用水平，增強作物長勢；氮素通過影響生物量的分配以及光合作用等來最終調節(jié)植物的生長發(fā)育以及產質量。同時外源碳的輸入提高了光化學效率，加強了煙株的光合碳同化能力，進而促使光合碳同化產物積累量增加，形成較多的碳水化合物。此外，厚壁菌門等優(yōu)勢菌門的增加，能夠分解更多的有機物，降解土壤中一些難溶化合物供植株吸收利用，為煙株生長發(fā)育提供充足的養(yǎng)分，這與高傳俊等的研究結果相似。

4結論

施加有機碳肥有利于提高土壤養(yǎng)分，進而改善植煙土壤環(huán)境，促進土壤細菌群落的變化，提高功能微生物酸桿菌門和厚壁菌門的相對豐度，促進煙株的生長發(fā)育，使得烤后煙葉化學成分更加適宜協調，改善煙葉品質，并提高煙葉經濟性狀，尤其以150kg/hm²有機碳肥處理效果最佳。