張璐，閻海濤，任天寶, ，李帥，楊永鋒，彭桂新，于建春，劉國順,

1 河南農業(yè)大學，煙草行業(yè)煙草栽培重點實驗室，鄭州 450002；

2 河南省生物炭工程技術研究中心，鄭州 450002；

3 河南中煙工業(yè)有限責任公司，鄭州 450000

近年來，煙葉生產中由于過量施用化肥，造成植煙土壤養(yǎng)分供應失調[1]，不利于土壤碳含量的增加[2]，導致微生物群落多樣性降低[3]，嚴重影響著烤煙質量的提高。土壤微生物是土壤有機質和養(yǎng)分轉化、循環(huán)的動力[4]，參與有機質分解、腐殖質形成，并調控土壤中能量和養(yǎng)分循環(huán)等過程[5]。保障煙田土壤養(yǎng)分協調和微生態(tài)環(huán)境健康，是生產優(yōu)質烤煙的基礎。施用有機物料調控土壤微生物群落代謝功能和結構，改善土壤質量，已成為切實有效的農業(yè)管理措施。

目前，關于土壤微生物的研究方法已有大量報道[6]，其中BIOLOG-ECO培養(yǎng)技術是一種采用微生物對不同碳源利用情況來表征其群落多樣性的研究方法，能夠快捷簡便地得到分析結果。目前研究多集中于其他作物領域[7]，或是有機肥料對連作植煙土壤微生物功能多樣性的影響[8-9]。慕平[10]研究表明作物秸稈還田能夠顯著增加土壤微生物碳源供給；顧美英[11]研究發(fā)現棉桿生物炭能夠顯著提高根際土壤微生物多樣性，并改變土壤細菌群落結構；張逸飛[12]發(fā)現秸稈還田能夠提高土壤微生物群落物種均一性；喬潔[13]認為草炭與氮肥配施顯著提高了土壤微生物量碳、氮，有利于改善土壤結構和自我修復能力。此外，蒸汽爆破是利用蒸汽瞬間釋放的壓力以破壞物質結構的處理措施[14]，在農業(yè)領域作為有機物料改良植煙土壤效應的研究仍鮮見報道。因此，本試驗研究了生物炭、草炭和蒸汽爆破秸稈物料以相同施碳量施入土壤后對土壤速效養(yǎng)分及微生物功能多樣性的影響，以期探討不同有機物料對土壤的改良效應，為有機物料還田改土提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗概況

試驗于2017年5—10月在河南省登封市潁陽鎮(zhèn)進行，海拔447 m，屬暖溫帶大陸性季風氣候，年平均溫度15 ℃，≥0 ℃積溫5178.8 ℃，年平均降雨量614 mm，無霜期238 d。

供試土壤為壤質潮土，其基本理化性質為：有機碳6.67 g/kg，總氮1.35 g/kg，堿解氮51.8 mg/kg，速效磷14.3 mg/kg，速效鉀109.8 mg/kg，pH 7.12。試驗用土取自大田耕作層表土，風干過篩，除去石子和植物殘體。將風干后的有機物料和化肥、土壤混勻后裝盆，每盆裝土25 kg，肥料用量為氮素6 g/盆，m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）＝1∶1∶3，N、P、K肥分別為分析純硝酸銨（N 質量分數35 %）、磷酸二氫鉀（P2O5質量分數22.8 %）、硫酸鉀（K2O 質量分數50 %），70 %硝酸銨、全部磷酸二氫鉀和40 %硫酸鉀做基肥，剩余在移栽后20 d做追肥隨水施入?？緹熎贩N為豫煙6號，5月2日移栽，其他管理按照當地常規(guī)栽培方式進行。有機物料成分見表1。

表1 供試有機物料的主要化學特性Tab.1 Nutrients content of tested organic fertilizers

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗，共設5個處理：單施化肥（CK）；化肥+草炭（T1）；化肥+花生殼生物炭（T2）；化肥+汽爆煙梗（T3）；化肥+汽爆玉米秸稈（T4）。汽爆物料制取工藝：采用鶴壁市正道生物能源公司QBS-200B汽爆工藝試驗臺，將煙?；蛴衩捉斩挿鬯?～7 cm，在蒸汽壓力2.0±0.1 MPa的條件下保持約5 min后進行瞬時爆破，干燥后粉碎。除CK外，按總碳量一致的原則施用各有機物料，每盆總碳施用量為0.35 kg。各處理具體物料用量如表2所示。每個處理20個重復，按照行株距130 cm×70 cm放置盆栽，大田整地起壟后將盆埋入土中，避免高溫陽光直射以保水降溫。各處理盆缽按照隨機區(qū)組排列。盆底放置碎瓷片防止煙株根系伸出盆外。

表2 試驗施肥設計 Tab.2 The experiment design of fertilization treatments

1.3 樣品采集及處理

于烤煙移栽后90 d，每個處理選代表性烤煙3株，每盆取10 cm以下相同土層的3個不同部位的鮮土約200 g，去除石礫和植物殘體，混勻過10目篩后一部分保存于4 ℃冰箱中用于土壤微生物量碳、氮和微生物群落功能多樣性測定，一部分風干過40目篩用于測定土壤酶活性、有機碳、堿解氮、速效磷、速效鉀和pH。

1.4 測定方法

土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量用常規(guī)方法測定[15]；pH值采用pH計測定，土水比1∶2.5；有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀外加熱法測定[15]；全氮（TN）采用全自動CN元素分析儀測定（型號：vario MACRO CNS）；可溶性有機碳（DOC）采用蒸餾水提取，島津TOC-VCPH儀測定；蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水楊酸比色法[16]測定；脲酶活性采用比色法[16]測定；土壤微生物量碳（SMBC）、氮（SMBN）采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法[17-18]測定；土壤微生物熵（qMB）取SMBC與SOC的比值。

土壤微生物群落功能多樣性采用96孔BIOLOG ECO板進行檢測，每一測試板內有96個小孔，其中含有3個重復的系列，每個系列中包含1個空白對照（水）和31種碳源。根據微生物利用碳源引起指示劑的變化檢測和判斷不同的微生物群落結構，接種后28℃下恒溫培養(yǎng)7 d，每隔24 h用BIOLOG自動讀板儀在590 nm下讀數。上述操作均在無菌條件下進行。

1.5 數據處理

土壤微生物活性測定結果以烘干土重為基礎（105℃，24 h）。微生物對碳源的利用采用微平板每孔顏色平均變化率（Average well color development，AWCD）描述，其中數值小于0的按0處理。應用Shannon、Simpson和McIntosh這3個多樣性指數計算培養(yǎng)72 h時的土壤微生物碳源利用的多樣性，其中在計算Simpson指數時，數據擴大1000倍以防止出現負數[19]。采用Excel 2013和SPSS 22.0軟件進行數據處理和統(tǒng)計分析，采用Origin 8.0進行繪圖。

表3 不同有機物料對土壤養(yǎng)分含量和pH的影響Tab.3 Effects of different organic fertilizer on soil nutrients content and pH value

2 結果與分析

2.1 不同有機物料對土壤速效養(yǎng)分和pH的影響

從表3可見，施用有機物料可以顯著提高土壤堿解氮（AN）、速效磷（AP）和速效鉀（AK）含量。T3和T4處理AN含量顯著高于其他處理，比CK分別提高74.68 %和82.20 %。T3處理AP和AK含量在各處理中最高，與CK相比分別增加185.32 %和147.51 %，其次為T4處理。T1和T2處理AN和AP含量增加幅度小于T3和T4處理，但T2對土壤AK的提升效果好于T1。不同處理對土壤pH值影響不一致，除T2處理提高了土壤pH之外，其他處理都有一定程度降低。

2.2 不同有機物料對土壤碳、氮組分和微生物量的影響

由表4可知，施用有機物料可顯著提高SOC和TN含量，均以T4處理效果最好，比CK分別提高97.16 %和82.81 %；其次為T2和T3處理，且提高幅度顯著高于T1處理。土壤DOC以T4處理提高最多，相比CK提高2.37 %，T1、T2和T3處理相比CK都有不同程度的下降且達到顯著水平，分別降低18.86 %、42.75 %和16.76 %。施用有機物料對土壤微生物量碳也有顯著提高作用，處理間效果具有顯著差異；其中均以T4處理效果最好，其微生物量碳、氮含量均處于最高水平，分別較對照提高177.96 %和120.96 %，T1處理對SMBC有顯著提高作用，但對SMBN促進作用不顯著。從土壤微生物熵qMB來看，T1、T3和T4處理均表現出促進作用，其中T3和T4處理達到顯著水平，但T2處理顯著降低了qMB，相比CK下降11.22 %。

表4 不同有機物料對土壤碳、氮組分和微生物量的影響Tab.4 Effects of different organic fertilizers on soil carbon and nitrogen fractions and microbial biomass

2.3 不同有機物料對土壤酶活性的影響

從圖1可見，T2、T3和T4處理蔗糖酶活性相比CK有顯著提高，且T3和T4處理均高于T2處理，分別比CK提高88.74 %和91.23 %。T1處理蔗糖酶活性與CK相比無明顯差異。土壤脲酶活性以T4處理最高，且顯著高于其他處理，相比CK增加了124.42 %；T2和T3處理次之，且顯著高于T1處理。從土壤酶活性來看，T4處理效果最好，T1處理下土壤酶活性與CK對比無明顯改變。

圖1 不同有機物料施用對土壤酶活性的影響Fig.1 Effects of different organic fertilizers on soil enzyme activities

2.4 不同處理土壤微生物的代謝功能分析

圖2 不同有機物料處理平均顏色變化率（AWCD）變化Fig.2 Variations of average well color development (AWCD) for different organic fertilizer treatments

圖3 不同處理有機物料處理土壤微生物對6類碳源的利用情況Fig.3 Relative absorbance of the six kinds of carbon sources by soil microorganism treated with different organic fertlizers

2.4.1 不同有機物料施用下土壤微生物碳源利用情況各處理土壤微生物碳源利用的平均顏色變化率（AWCD）如圖2所示。不同處理的AWCD有差異且上升速度不同，并且這種差異隨著時間的延長逐漸加大。與CK相比，各處理AWCD都有提高，說明施用有機物料能夠提高土壤微生物對底物碳源的利用能力，其中T2、T3和T4處理微生物利用碳源能力無明顯差異，但都明顯高于T1和CK處理。從不同處理土壤微生物對6類碳源的相對利用率分析看（圖3），T1處理對氨基酸類碳源的相對利用率最高，T2處理主要利用羧酸類和多聚物類的碳源，T3處理土壤微生物對酚酸類碳源的利用最多，T4處理利用最多的為碳水化合物類碳源；CK處理單施化肥條件下，對多聚物類碳源的利用率顯著低于其他處理。

2.4.2 不同有機物料施用下土壤微生物利用碳源的主成分分析

BIOLOG的主成分分析能夠解釋不同處理土壤微生物碳源利用的差異。BIOLOG ECO平板中31種碳源分為6大類（表5）。利用培養(yǎng)72 h后的BIOLOG比色結果進行主成分分析，結果表明PC1和PC2分別可以解釋所用變量方差的64.86 %和20.48 %（圖4）。根據分析結果將6類碳源分為2大類，由表5可知PC1包含的碳源有4類，分別是碳水化合物類、氨基酸類、酚酸類和胺類；PC2中包含的碳源有2類，分別是羧酸類和多聚物類。

進一步分析表明（圖4），各處理之間有明顯的空間分異，T2處理所對應的投影點主要分布于PC2軸的正端，說明該處理土壤中的土壤微生物主要利用PC2軸所荷載的碳源（羧酸類和多聚物類）；T4處理投影點主要分布于PC1軸正端，說明該處理土壤微生物主要利用PC1軸所荷載的碳源（碳水化合物類、氨基酸類、酚酸類和胺類）；T1和T3處理投影點主要分布于PC1和PC2軸的負端。

表5 元件荷載矩陣Tab.5 Component matrix

圖4 不同處理土壤微生物碳源利用特性的主成分分析Fig.4 PCA analysis of carbon utilization for microbial communities in soil treated by different organic fertilizers

2.4.3 不同有機物料施用下土壤微生物代謝功能多樣性分析

Shannon指數、Simpson指數和McIntosh指數分別代表了微生物群落的豐富度、最常見種的優(yōu)勢度和物種的均勻度。從表6可以看出，土壤微生物的Shannon指數、Simpson指數和McIntosh指數在各處理之間差異顯著（P＜0.05）。與對照相比，不同有機物料處理均能夠提高土壤微生物豐富度，以T2和T4處理較高，T1和T3處理次之。T2、T3和T4處理土壤微生物優(yōu)勢度指數均顯著高于對照，T1與對照差異不顯著。各處理均勻度指數與對照相比均有顯著提高，但4個施有機物料的處理間差異不明顯。

表6 不同處理的土壤微生物代謝功能多樣性指數Tab.6 Diversity indexes of soil microbial community metabolic function under different organic fertilizer treatments

3 討論

3.1 不同有機物料施用對土壤碳、氮組分及速效養(yǎng)分的影響

本研究中，施用有機物料顯著提高了土壤SOC和TN含量，這與李新華[20]和陳源泉[21]研究結果一致。草炭富含腐殖酸和有機質[13]，生物炭含碳量豐富[22]、汽爆煙梗和玉米秸稈含有大量纖維素和木質素[23-24]，在土壤微生物分解下進入土壤，在相同總碳含量條件下，物料組分不同可能造成在土壤中的代謝快慢和產物有所差異，但都提高了土壤有機碳含量。張杰[25]研究表明，等碳量條件下施用秸稈和木質素能顯著增加土壤DOC含量，施用生物炭處理較對照無顯著差異，高學振[26]研究發(fā)現，添加生物炭對砂姜黑土DOC影響不顯著， 本實驗條件下生物炭處理DOC含量與對照相比未達到顯著差異，可能與生物炭能減少土壤DOC淋失[27]有關，需設置實驗做進一步探討。此外，王允青[28]研究表明秸稈還田后會釋放養(yǎng)分，以磷釋放率最大，與本試驗中施用有機物料提高了土壤養(yǎng)分含量的結果一致。一方面由于有機物料多為植物殘體，富含化學能和礦質養(yǎng)分，在田間腐解過程中釋放養(yǎng)分，提高土壤肥力；另一方面，有機物料也為土壤微生物繁殖提供了生存能源，提高了與養(yǎng)分代謝有關的微生物群落的豐度和活力，有關研究[29-30]發(fā)現有機肥能夠提高土壤反硝化菌種群落和根際土壤解磷菌活力，從而促進土壤養(yǎng)分的代謝和轉化。

3.2 不同有機物料施用對微生物生物量和土壤酶活性的影響

有機物料的施入能夠向土壤輸入較多的有機碳源，為微生物提供所需營養(yǎng)，促進微生物繁殖，提高土壤微生物生物量。本研究中有機物料的施用也起到了提高土壤微生物生物量碳、氮和微生物熵的作用。生物炭比表面積大，孔隙多，能夠為土壤微生物的附著提供場所[31]，能夠吸附和儲存土壤養(yǎng)分，從側面促進土壤微生物的繁殖，因此土壤微生物量相比對照有顯著提高；但由于生物炭成分結構相對另外3種有機物料而言較為穩(wěn)定，不易被微生物利用。因此，本試驗中生物炭處理微生物熵顯著低于汽爆煙梗和玉米秸稈處理。草炭含有豐富的有機質，可為微生物提供豐富的活動能源，但草炭處理微生物量氮顯著低于其他有機物料處理，可能是因為草炭中的腐殖酸對脲酶有抑制作用，影響土壤氮素轉化，減少了微生物可利用氮素含量。蒸汽爆破處理后的作物秸稈面積增大，有利于微生物的棲息和分解有機物，因此施用煙梗和玉米秸稈處理的微生物量和微生物熵均顯著高于其他處理。

脲酶在一定程度上反映了土壤供氮水平的高低[32]，蔗糖酶參與土壤中的蔗糖轉化為葡萄糖和果糖的過程，在碳循環(huán)中有重要作用。本研究中施用有機物料提高了土壤微生物量，可能是土壤微生物的增加為促進含有土壤酶分泌物的產生創(chuàng)造條件，顯著提高了土壤脲酶和蔗糖酶活性，有利于加快有機物料在土壤中的分解轉化[33-35]。

3.3 不同有機物料施用對土壤微生物代謝功能多樣性影響

AWCD值反映了土壤微生物利用碳源的能力[36]，本研究中與對照相比除草炭外的各處理利用碳源的能力都有所提高，有機物料使用條件下微生物常見物種優(yōu)勢度和物種均勻度均優(yōu)于對照。另外，同一種有機物料處理下微生物群落對不同碳源的相對利用率存在明顯差異，原因可能是材料本身組分差異。許文歡[37]認為生物炭的施用促進了以多聚物類為碳源微生物群落的生長，但未改變碳源利用多樣性。本研究結果表明，生物炭有利于以羧酸類和多聚物類為底物的微生物生長，與其研究結果一致；然而不同的是在本試驗中，生物炭處理在主成分分析中與其他處理明顯區(qū)別開來，可能是生物炭促進一些微生物種群繁殖的同時，會抑制另一些微生物種群的繁殖，對豐富度和均一度造成一定影響[38-39]。本試驗條件下土壤微生物功能多樣性被改變，可能與土壤質地和生物炭用量及種類有關，需進一步試驗探究。

4 結論

施用有機物料促進了土壤有機碳含量、微生物生物量的提高和土壤酶活性增強，改善了土壤養(yǎng)分狀況，使土壤微生物碳源利用能力得到增強，提高了微生物群落功能多樣性。生物、炭促進了以羧酸類和多聚物類為碳源的微生物的生長，汽爆玉米秸稈促進了以碳水化合物類、氨基酸類、酚酸類和胺類為碳源的微生物的生長。總之，有機物料為土壤微生物提供了豐富的碳源和生長物質，促進利用不同種類碳源的微生物生長，提高了土壤微生物對有機物料的轉化，對土壤改良具有積極效應。