蔣月喜，蔣 哲，王曉國(guó)，陳振東，張 力，郭元元，車江旅，陳 琴，宋煥忠，李 洋

（1廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所/廣西蔬菜育種與新技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530007；2廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西南寧 530004；3廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物研究所，廣西南寧 530007）

0 引言

【研究意義】辣椒（L.）為茄科辣椒屬一年或多年生草本植物。我國(guó)是世界上辣椒栽培面積最大的國(guó)家，常年種植面積超過(guò)213.3萬(wàn)ha（王立浩等，2021）。目前，辣椒已成為我國(guó)種植面積最大的蔬菜和消費(fèi)量最大的辛辣調(diào)味品（鄒學(xué)校和朱凡，2022），產(chǎn)值居蔬菜作物之首（彭月等，2022）。辣椒果實(shí)中富含維生素C、可溶性糖、蛋白質(zhì)及辣椒素等成分，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，同時(shí)也是重要的調(diào)味料和化工原料（王燦等，2020）。品種、氣候、土壤肥力和栽培措施等是影響辣椒果實(shí)品質(zhì)的重要因素（陳亮等，2020；宋靜爽等，2020；蔣月喜等，2022；史建碩等，2022）。然而，辣椒產(chǎn)業(yè)在快速發(fā)展的同時(shí)，由于化學(xué)肥料的過(guò)量使用、土壤保肥保水能力下降、逆境脅迫及連作障礙等嚴(yán)重影響了其產(chǎn)量和質(zhì)量，制約了辣椒產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。通過(guò)提高肥料利用率，減少施肥量，施用緩/控釋肥等方法是解決當(dāng)前問(wèn)題的主要技術(shù)途徑之一，增施有機(jī)肥、微肥，控溫補(bǔ)光能在一定程度上提高辣椒的產(chǎn)量和品質(zhì)，但很難緩解土壤中過(guò)量的重金屬對(duì)辣椒品質(zhì)的影響。石墨烯是由碳原子組成的只有一層原子厚度的平面二維晶體，屬于納米碳材料，近年來(lái)科學(xué)界掀起了對(duì)石墨烯的研究熱潮，其具有獨(dú)特的理化特性，在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用（翁軼能等，2020）。因此，探究石墨烯對(duì)辣椒生長(zhǎng)的影響，對(duì)辣椒產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】在農(nóng)業(yè)方面，關(guān)于石墨烯對(duì)植物種子萌發(fā)、光合作用、植物代謝等過(guò)程的影響進(jìn)行了大量研究。以卷心菜、番茄和紅菠菜（Begum et al.，2011）、小麥和大麥（Caklr and Caklr，2015）、白豆和番茄（Caklr and Caklr，2016）為供試材料的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯對(duì)作物地上部生長(zhǎng)具有抑制作用，表現(xiàn)為葉片數(shù)、株高、鮮重及物質(zhì)量均減少，且石墨烯濃度越高，抑制作用越強(qiáng)；另有研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的石墨烯對(duì)植物地上部生長(zhǎng)無(wú)顯著影響或存在促進(jìn)作用，如0.1~0.8 mg/g氧化石墨烯促進(jìn)高羊茅株高及生物量增加（王曉靜等，2018），當(dāng)氧化石墨烯濃度低于1 mg/L時(shí)，經(jīng)處理的擬南芥植株表觀形態(tài)未產(chǎn)生明顯變化（Zhao et al.，2015），25~100 mg/L氧化石墨烯處理下甘藍(lán)型油菜地上部鮮重隨氧化石墨烯濃度增加而增加（吳金海等，2015）。石墨烯對(duì)種子萌芽的影響與植物種類、石墨烯類型及濃度有關(guān)，如Caklr和Caklr（2015）研究發(fā)現(xiàn)，在質(zhì)量濃度為2000 mg/L的石墨烯處理下大麥種子幾乎無(wú)發(fā)芽跡象；白豆種子的發(fā)芽率則降低88%，而番茄種子發(fā)芽率卻提高87%（Caklr and Caklr，2016）。石墨烯對(duì)植物根系形態(tài)及地上部生長(zhǎng)均存在一定影響，姚建忠等（2018）研究結(jié)果表明，適宜濃度的石墨烯能促進(jìn)歐洲山楊組培苗不定根伸長(zhǎng)、主根形成、不定根根數(shù)增加，促進(jìn)植株分芽和苗高增長(zhǎng)，植株葉片顏色深綠；郭緒虎等（2019）研究發(fā)現(xiàn)，特定濃度的石墨烯能促進(jìn)藜麥根系生長(zhǎng)和形態(tài)發(fā)育，在石墨烯質(zhì)量濃度為2、4、8和12 mg/L的MS培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的藜麥幼苗生物量顯著大于對(duì)照，其中8 mg/L的石墨烯對(duì)藜麥幼苗干物質(zhì)積累具有明顯的促進(jìn)作用；胡曉飛等（2019）研究了不同濃度石墨烯對(duì)樹(shù)莓組培苗苗勢(shì)及其不定根發(fā)育的影響，結(jié)果表明，隨著石墨烯濃度的增加，樹(shù)莓的苗高、根長(zhǎng)、根尖數(shù)、根比表面積均呈先增加后減小的變化趨勢(shì)，石墨烯濃度為2 mg/L時(shí)樹(shù)莓組培苗苗高達(dá)對(duì)照組的1.46倍，其根長(zhǎng)、比表面積、根尖數(shù)及分叉數(shù)約為對(duì)照的2倍。研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯對(duì)土壤中微生物有一定的影響，能引起耐受菌數(shù)量的增加（李麗娜等，2016）；此外，添加石墨烯材料可明顯促進(jìn)植物根際細(xì)菌的數(shù)量和固氮菌數(shù)量，增強(qiáng)氮的有效性（張寧和王海雁，2019）。有關(guān)石墨烯材料在辣椒上的應(yīng)用僅見(jiàn)李鵬等（2022a，2022b，2022c）的報(bào)道，研究發(fā)現(xiàn)，溫室內(nèi)懸掛石墨烯材料可明顯增加辣椒果實(shí)內(nèi)可溶性糖、可溶性蛋白和維生素C等含量，提高辣椒的體積與產(chǎn)量（李鵬等，2022a）；石墨烯地膜覆蓋能有效促進(jìn)辣椒株高、莖粗、葉片數(shù)、胚根數(shù)等的增長(zhǎng)，提高辣椒植株的生物積累量，提高辣椒果實(shí)中維生素C、可溶性糖和可溶性蛋白含量，還能增加辣椒單果重和單株果實(shí)數(shù)，進(jìn)而提高辣椒的產(chǎn)量（李鵬等，2022b）；辣椒在石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖加溫處理下的萌芽率最高，苗齡期明顯縮短，幼苗各項(xiàng)生理指標(biāo)明顯提高（李鵬等，2022c）?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，已有石墨烯材料作為新型肥料在高羊茅、甘藍(lán)型油菜、番茄和蠶豆等作物生長(zhǎng)上使用的相關(guān)報(bào)道，但在辣椒上應(yīng)用的研究鮮見(jiàn)報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以鮮用型朝天椒為研究對(duì)象，在定植后的朝天椒根區(qū)淋施不同濃度碳化石墨烯（以下簡(jiǎn)稱石墨烯），研究不同濃度石墨烯處理對(duì)朝天椒產(chǎn)量、品質(zhì)及其根區(qū)土壤養(yǎng)分、酶活性、重金屬和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，為石墨烯碳肥在辣椒高產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)栽培上的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020年8月在廣西南寧市武鳴縣雙橋鎮(zhèn)（東經(jīng)107°49′26″、北緯22°59′58″）進(jìn)行。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，雨量充沛，陽(yáng)光充足，年平均氣溫21.7 ℃，年均降水量1300 mm。供試?yán)苯菲贩N為桂冠紅，由廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所提供。供試土壤為磚紅土，試驗(yàn)田土壤主要理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)16.93 g/kg、水解性氮231.67 mg/kg、速效磷42.11 mg/kg、速效鉀148.67 mg/kg、pH 6.5；土壤總砷9.797 mg/kg、總汞0.118 mg/kg、鉛27.167 mg/kg、鎘0.115 mg/kg、鉻57.000 mg/kg。供試石墨烯漿料由廣西清鹿生物科技股份有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于露地進(jìn)行，設(shè)4個(gè)處理。（1）對(duì)照（CK）：基礎(chǔ)施肥；（2）A8處理：基礎(chǔ)施肥基礎(chǔ)上每1000 m用石墨烯原漿5.6 kg兌水8000 kg，即用濃度為0.07%石墨烯水溶液淋施（以下類推）；（3）B8處理：基礎(chǔ)施肥基礎(chǔ)上用0.35%石墨烯水溶液淋施；（4）C8處理：基礎(chǔ)施肥基礎(chǔ)上用1.75%石墨烯水溶液淋施。朝天椒于2020年10月13日定植，行距45 cm，株距50 cm。試驗(yàn)小區(qū)面積15 m，每處理3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列。施肥采取自動(dòng)滴灌方法進(jìn)行。石墨烯水溶液于2020年10月22日用噴霧器均勻淋施在朝天椒植株根部；對(duì)照施等量清水。試驗(yàn)小區(qū)施肥、病蟲防治、除草、灌溉等田間管理按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。朝天椒于2021年6月7日全部收獲并測(cè)定完畢。

1.3 樣本采集及測(cè)定方法

1.3.1 朝天椒樣本采集和品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定 每小區(qū)標(biāo)記5株朝天椒，于紅果期采集朝天椒果實(shí)樣本。分別于2021年2月6日、3月6日、4月7日、5月8日和6月7日共5次采摘標(biāo)記的紅果，其中第4次（5月8日）采收時(shí)測(cè)定果實(shí)維生素C（Vc）、辣椒素、可溶性蛋白、可溶性糖和硝酸鹽含量。采用2,6-二氯靛酚滴定法測(cè)定Vc含量（以鮮重計(jì)）；高效液相色譜法（HPLC）測(cè)定辣椒素含量；考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定可溶性蛋白含量；蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量；酚二磺酸分光光度法測(cè)定硝酸鹽含量（以鮮重計(jì)）。朝天椒總產(chǎn)量按5次采收的樣本重量累計(jì)。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定 于2021年3月11日用土壤取樣器在每小區(qū)隨機(jī)取辣椒根區(qū)0~20 cm表層土壤樣品5份并混為1個(gè)樣本。每個(gè)樣本分為2份，1份暫存于-80 ℃冰箱用于土壤微生物群落組成分析，1份在室內(nèi)風(fēng)干后將根系、石塊等雜物挑除，分別過(guò)1和0.12 mm孔篩后用于土壤理化性質(zhì)分析。采用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量、堿解擴(kuò)散法測(cè)定有效氮含量；鹽酸—氟化銨浸提比色法測(cè)定速效磷含量、乙酸銨提取—火焰光度計(jì)法測(cè)定速效鉀含量、電位法測(cè)定pH，水和土的質(zhì)量比為2.5∶1。采用高錳酸鉀法測(cè)定過(guò)氧化氫酶活性、磷酸苯二鈉比色法測(cè)定磷酸酶活性、比色法測(cè)定蔗糖酶活性、靛酚藍(lán)比色法測(cè)定脲酶活性、分光光度法測(cè)定硝酸還原酶和酸性蛋白酶活性。

1.3.3 土壤及朝天椒不同器官中重金屬含量測(cè)定分別于2021年3月11日和4月2日用土壤取樣器在每小區(qū)隨機(jī)取1 kg朝天椒根區(qū)土壤混為1個(gè)樣本測(cè)定重金屬含量；于5月8日每小區(qū)取5株朝天椒的根、莖和果實(shí)分別混合測(cè)定各器官的重金屬含量。土壤中的鉛、鎘、鉻、汞和砷含量分別按GB/T 22105.2—2008《土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測(cè)定》、GB/T 23739—2009《土壤質(zhì)量有效態(tài)鉛和鎘的測(cè)定 原子吸收法》、HJ 491—2019《土壤和沉積物 銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法》中的方法進(jìn)行；朝天椒的根、莖、果實(shí)中鎘和鉻含量分別按GB 5009.15—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測(cè)定》和GB 5009.123—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鉻的測(cè)定》中的方法進(jìn)行。

1.3.4 土壤微生物群落組成分析 參照天根生化科技（北京）有限公司的土壤微生物DNA提取試劑盒說(shuō)明提取根區(qū)土壤微生物總DNA，所獲得的DNA送至北京諾禾致源科技股份有限公司用于高通量測(cè)序，細(xì)菌群落組成所用引物為515F（5'-GTGCCAGC MGCCGCGG-3'）和907R（5'-CCGTCAATTCMTTT RAGTTT-3'）。利用Illumina NovaSeq平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序，測(cè)序得到的下機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和質(zhì)控后，再進(jìn)行嵌合體過(guò)濾，得到分布在410~420 bp長(zhǎng)度的序列用于OTU分析。為研究各樣本的物種組成，對(duì)所有樣本的有效數(shù)據(jù)，以97%的一致性進(jìn)行OTUs聚類，然后對(duì)OTUs的序列進(jìn)行物種注釋。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 15.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度石墨烯處理對(duì)朝天椒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

于第4次采摘標(biāo)記株全部紅果，抽取混合樣用于朝天椒營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。與CK相比，石墨烯處理后朝天椒產(chǎn)量和Vc含量均得到明顯提高，其中B8處理的產(chǎn)量最高，較CK顯著增產(chǎn)6.40%（<0.05，下同），其次為C8和A8處理，分別較CK增產(chǎn)5.14%和4.35%，而3個(gè)石墨烯處理間無(wú)顯著差異（>0.05，下同）；Vc含量也以B8處理最高，較對(duì)照顯著增加25.27%，其次為C8和A8處理，分別較對(duì)照增加7.96%和1.56%。與CK相比，石墨烯處理朝天椒果實(shí)的蛋白質(zhì)含量無(wú)顯著變化，可溶性糖含量顯著減少，而硝酸鹽含量顯著增加，但各處理硝酸鹽含量均低于GB 19338—2003《蔬菜中硝酸鹽限量標(biāo)準(zhǔn)》中≤440 mg/kg·FW的限量標(biāo)準(zhǔn)；A8處理的辣椒素含量顯著低于CK，但隨著石墨烯濃度的增加，B8處理的辣椒素含量較CK顯著高20.45%，而隨著石墨烯濃度的進(jìn)一步增加，C8處理的辣椒素含量降至接近CK水平。比較朝天椒的產(chǎn)量和品質(zhì)結(jié)果可知，一定濃度的石墨烯處理可有效提高朝天椒的產(chǎn)量，提高朝天椒果實(shí)的辣椒素和Vc含量，改善朝天椒果實(shí)品質(zhì)。

2.2 不同濃度石墨烯處理對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

第2次采收朝天椒后，采集朝天椒根區(qū)土壤測(cè)定理化性質(zhì)。由表2可看出，各石墨烯處理的土壤全磷、全氮和全鉀含量與CK無(wú)顯著差異，但CK的速效磷和速效鉀含量高于或顯著高于各石墨烯處理。B8處理的有機(jī)質(zhì)含量略高于CK，A8處理的有機(jī)質(zhì)含量略低于CK，3個(gè)石墨烯處理間無(wú)顯著差異，以C8處理的有機(jī)質(zhì)含量最低，較CK顯著減少10.8%；各處理的土壤水解性氮含量無(wú)顯著差異，其中A8和B8處理略高于CK；B8處理的土壤速效磷含量略低于CK，二者間無(wú)顯著差異，但A8和C8處理的土壤速效磷含量顯著低于CK，分別較CK少14.6%和23.7%；3個(gè)石墨烯處理的土壤速效鉀含量均顯著下降，A8、B8和C8處理分別較CK下降35.7%、18.0%和25.5%；各處理的土壤pH存在一定差異，其中B8處理的pH顯著下降，而隨著石墨烯處理濃度的上升，C8處理土壤中pH呈升高趨勢(shì)?？偟膩?lái)看，石墨烯處理對(duì)朝天椒根區(qū)土壤養(yǎng)分存在一定影響，特別是對(duì)有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀含量的影響較大。

2.3 不同濃度石墨烯處理對(duì)土壤酶活性的影響

石墨烯處理對(duì)朝天椒根區(qū)土壤酶活性的影響較大。由表3可知，與CK相比，A8和C8處理的蔗糖酶活性顯著下降，分別較CK低32.1%和12.2%，而B8處理的蔗糖酶活性顯著提高，較CK高38.1%；A8和B8處理的脲酶活性有所下降，分別較CK低4.1%和9.1%，而C8處理的脲酶活性明顯提高，較CK高9.0%，3個(gè)石墨烯處理與CK間脲酶活性差異不顯著；A8和B8處理的酸性磷酸酶活性均顯著下降，分別較CK低16.8%和12.8%，C8處理的酸性磷酸酶活性略低于CK但無(wú)顯著差異；B8處理的硝酸還原酶活性與CK無(wú)顯著差異，而A8和C8處理的硝酸還原酶活性均高于CK，分別較CK高19.6%和7.7%；3個(gè)石墨烯處理的過(guò)氧化氫酶活性均低于CK，但各處理間差異不顯著；A8、B8和C8處理的酸性蛋白酶活性均較CK顯著提高，分別較CK高223.7%、622.6%和223.7%。比較不同土壤酶活性可知，石墨烯處理可顯著增加土壤酸性蛋白酶活性，降低過(guò)氧化氫酶活性，并對(duì)蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和硝酸還原酶活性產(chǎn)生一定影響，從而影響土壤酶活性。

2.4 不同濃度石墨烯處理對(duì)土壤重金屬含量的影響

分別于朝天椒生長(zhǎng)前期（2021年3月11日）和中期（2021年4月2日）測(cè)定其根區(qū)土壤重金屬含量。由表4可看出，朝天椒根區(qū)土壤鉛含量3個(gè)石墨烯處理均較CK低，而朝天椒生長(zhǎng)中期土壤中鉛含量較生長(zhǎng)前期高，CK較前期增加8.9%，3個(gè)石墨烯處理（A8、B8和C8）則分別較前期增加8.1%、7.0%和1.1%；土壤中鎘含量3個(gè)石墨烯處理與CK的差異較小，朝天椒生長(zhǎng)中期土壤中鎘含量較生長(zhǎng)前期高，其中生長(zhǎng)前期A8和B8處理土壤中鎘含量略低于CK，生長(zhǎng)中期3個(gè)石墨烯處理的土壤鎘含量略高于CK；各處理土壤中鉻含量表現(xiàn)為朝天椒生長(zhǎng)中期高于前期，其中生長(zhǎng)前期A8和B8處理較CK低、C8處理較CK高，而在朝天椒生長(zhǎng)中期，3個(gè)石墨烯處理的土壤鉻含量均低于對(duì)照，分別較CK低7.8%、7.8%和15.6%；在朝天椒生長(zhǎng)前期和中期，3個(gè)石墨烯處理的土壤汞含量與CK差異不大，但在朝天椒生長(zhǎng)中期土壤汞含量較生長(zhǎng)前期低，CK和3個(gè)石墨烯處理分別較前期降低31.4%、23.1%、22.8%和17.9%；在朝天椒生長(zhǎng)前期，土壤中砷含量CK與3個(gè)石墨烯處理間差異不大，但在朝天椒生長(zhǎng)中期，土壤中砷含量變化明顯，CK砷含量較前期低47.5%，而3個(gè)石墨烯處理的砷含量分別較前期高12.4%、13.6%和13.9%。

2.5 不同濃度石墨烯處理對(duì)朝天椒不同器官中重金屬含量的影響

于第4次采摘朝天椒紅果時(shí)檢測(cè)鎘和鉻2種元素在朝天椒根、莖及果實(shí)中的含量。由圖1可知，在朝天椒根中，A8和B8處理下的鎘含量分別較CK高230.23%和174.42%；A8和B8處理下的鉻含量分別較CK高1.18%和10.59%；C8處理下鎘和鉻2種元素的含量均低于CK。在朝天椒莖中，A8和B8處理下的鎘含量分別較CK高16.67%和16.67%；A8和C8處理下的鉻含量分別較CK高58.62%和93.10%；C8處理下的鎘含量較CK低25.64%；B8處理下的鉻含量較CK低1.15%。在朝天椒果實(shí)中，3個(gè)石墨烯處理的鎘和鉻含量均比CK低，其中A8、B8和C8處理的鎘含量分別較CK低18.52%、22.22%和19.75%，鉻含量分別較CK低14.02%、39.25%和42.99%，表明土壤中添加石墨烯能降低朝天椒果實(shí)中的重金屬含量。

2.6 不同濃度石墨烯處理下土壤微生物測(cè)序結(jié)果

為探討土壤中澆灌不同濃度石墨烯后土壤中微生物菌落的變化，提取朝天椒根區(qū)土壤微生物總DNA進(jìn)行高通量測(cè)序。利用Illumina NovaSeq高通量測(cè)序平臺(tái)所擴(kuò)增的16S區(qū)域特點(diǎn)建庫(kù)，并進(jìn)行OTU分析。由圖2可知，CK、A8、B8和C8處理的OTU總數(shù)分別為2016、2074、2182和2063。其中，4個(gè)樣本共有的OTU數(shù)為1106，表明CK與3個(gè)石墨烯處理的土壤微生物種類有一半以上相同；而CK、A8、B8和C8處理特有的OTU數(shù)分別為218、224、445和221，其中B8處理的特有微生物種類數(shù)最多，說(shuō)明在B8處理下該樣本的微生物種類發(fā)生了較大變化。

2.7 不同濃度石墨烯處理對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響

采用二代高通量測(cè)序方法對(duì)不同石墨烯處理的土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)物種注釋結(jié)果，選取每個(gè)樣本或分組在門水平上豐度排名前10的物種，生成物種相對(duì)豐度柱形累加圖（圖3）。基于門水平的物種相對(duì)豐度柱形圖可看出，土壤中的優(yōu)勢(shì)菌群為變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicuters）、擬桿菌門（Bacteroidota）、酸桿菌門（Acidobac‐teriota）、綠彎菌門（Chloroflexi）和放線菌門（Actino‐bacteriota），均為農(nóng)田土壤常見(jiàn)類群。與CK相比，A8處理下的變形菌門和擬桿菌門相對(duì)豐度減少，而酸桿菌門的相對(duì)豐度明顯增加；B8處理下的變形菌門、擬桿菌門和酸桿菌門相對(duì)豐度減少，厚壁菌門相對(duì)豐度增加；而C8處理下的厚壁菌門、擬桿菌門和放線菌門的相對(duì)豐度增加。

根據(jù)所有樣本在屬水平的物種注釋及豐度信息，選取豐度排名前35的屬，根據(jù)其在每個(gè)樣本中的豐度信息，從物種和樣本2個(gè)層面進(jìn)行聚類，繪制熱圖（圖4）。在前35個(gè)屬中，有11個(gè)屬來(lái)自于變形菌門，7個(gè)屬來(lái)自于擬桿菌門，酸桿菌門和厚壁菌門各有5個(gè)屬，而放線菌門、unidentified_Bacteri、芽單胞菌門、疣微菌門分別有3、2、1、1個(gè)。與CK相比，3個(gè)石墨烯處理處理中相對(duì)豐度均減少的有unidentified_Gemmatimonadaceae屬、駒形氏桿菌屬（）、朱氏桿菌屬（）、假單胞菌屬（）和鞘氨醇單胞菌屬（）；相對(duì)豐度均增加的有屬、Lachnospi‐raceae_NK4A136_group屬和另枝菌屬（）。

3 討論

生物質(zhì)炭與肥料配合使用對(duì)小白菜、辣椒、玉米、花生和煙草等作物具有明顯的增產(chǎn)作用（劉世杰和竇森，2009；楊勁峰等，2015；陳淼等，2019；蔣欣梅等，2020；云菲等，2021）。石墨烯作為新型碳基質(zhì)肥料具有使作物增產(chǎn)提質(zhì)的特性（Zhang et al.，2012）。本研究中，與CK相比，施用石墨烯的朝天椒產(chǎn)量得到提高，與施用生物炭基肥促進(jìn)辣椒增產(chǎn)的結(jié)論一致（陳淼等，2019）。硝酸鹽含量是反應(yīng)辣椒安全品質(zhì)的重要指標(biāo)之一；Vc則是權(quán)衡辣椒營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的必要指標(biāo)之一；可溶性糖可為作物生長(zhǎng)提供能量，其含量是衡量作物代謝水平的重要指標(biāo)。辣椒素和Vc的合成受土壤理化條件的影響，土壤中水分、礦質(zhì)元素均參與辣椒素和Vc合成。本研究結(jié)果顯示，朝天椒果實(shí)的硝酸鹽含量有隨石墨烯施用量的增加而降低趨勢(shì)，雖然3個(gè)石墨烯處理的硝酸鹽含量均高于CK，但均在國(guó)家限量標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，表明施用石墨烯會(huì)在一定程度上影響辣椒的安全品質(zhì)；朝天椒的辣椒素含量和Vc含量隨著石墨烯施用量的增加呈先增加后減少的趨勢(shì)，其中B8處理的辣椒素和Vc含量最高，表明石墨烯可提高辣椒的品質(zhì)，但添加量不是越多越好。

肥料利用率與土壤通氣狀況、含水量及微生物活性等影響土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的因素密切相關(guān)（趙婉伊等，2017）。大量研究證明，生物炭施入土壤后對(duì)提高土壤肥力具有重要作用（殷金巖等，2015）。本研究中，隨著石墨烯添加量的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量呈先增加后減少的趨勢(shì)，pH則呈先降低后上升的趨勢(shì)，說(shuō)明適當(dāng)施入石墨烯材料對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和pH具有一定的調(diào)節(jié)作用，與殷金巖等（2015）的研究結(jié)果一致。隋祺祺等（2019）研究表明，石墨烯作為一種碳納米材料，具有較大的比表面積，對(duì)養(yǎng)分離子有較強(qiáng)的吸附作用，能增強(qiáng)土壤對(duì)養(yǎng)分的持留作用，減少養(yǎng)分隨灌溉、降水等的淋溶損失。本研究中，A8和B8處理的水解性氮較CK高；3個(gè)石墨烯處理的全鉀含量均較CK高，與隋祺祺等（2019）的研究結(jié)果相似。施入不同量的石墨烯可改變土壤的速效養(yǎng)分，本研究中A8和B8處理的水解性氮含量最高；B8處理的速效磷和速效鉀較高，表明適量添加石墨烯材料可有效增加土壤速效養(yǎng)分含量。有研究表明，石墨烯具有的親水性可提高土壤含水量，同時(shí)其優(yōu)異的水傳輸性可為植物輸送充足的水分，有利于提高植物對(duì)水分及養(yǎng)分的利用（何藝佳，2019）。本研究中，3個(gè)石墨烯處理的速效鉀和速效磷含量均較CK低，同時(shí)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量較CK高，說(shuō)明添加石墨烯能促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收，與何藝佳（2019）的研究結(jié)果一致。

土壤酶參與土壤養(yǎng)分的物質(zhì)循環(huán)，土壤酶活性可表征土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過(guò)程、物質(zhì)代謝程度及土壤肥力，是土壤質(zhì)量水平的重要指標(biāo)，其中土壤脲酶活性反映土壤對(duì)氮素的需求和利用，而磷酸酶活性高低則會(huì)影響土壤有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及生物有效性。本研究3個(gè)石墨烯處理的土壤脲酶活性均與CK無(wú)顯著差異，說(shuō)明石墨烯處理對(duì)土壤脲酶活性無(wú)明顯影響。研究表明，土壤酸性磷酸酶活性與土壤肥力的關(guān)系密切，酸性磷酸酶是酸性條件下能催化磷酸單酯裂解而釋放無(wú)機(jī)磷酸根離子的水解酶，低磷脅迫能誘導(dǎo)植物體內(nèi)和根系分泌的酸性磷酸酶活性顯著增加（黃宇等，2008；劉攀道等，2019）。本研究3個(gè)石墨烯處理的酸性磷酸酶活性均較CK低，說(shuō)明3個(gè)石墨烯處理中的磷含量較CK更適宜朝天椒生長(zhǎng)。從土壤蔗糖酶活性看，B8處理對(duì)蔗糖酶的影響最大；石墨烯處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性略低于CK，但差異不顯著；隨著石墨烯添加量的增多，硝酸還原酶活性呈先減少后增加的趨勢(shì)，其中A8和C8處理的硝酸還原酶活性高于或顯著高于CK，B8處理則略低于CK；3個(gè)石墨烯處理的酸性蛋白酶活性均顯著高于CK。酸性蛋白酶是一種能催化蛋白質(zhì)水解生成多肽及小分子氨基酸的酶（李雪等，2019），本研究3個(gè)石墨烯處理的酸性蛋白酶活性均顯著高于CK，高活性的酸性蛋白酶加速了土壤中蛋白質(zhì)的分解，尤其是對(duì)有機(jī)質(zhì)含量高的土壤，更能促進(jìn)植物對(duì)氨基酸的吸收，提升植株獲取氮源的能力，從而促進(jìn)朝天椒產(chǎn)量的提高。

土壤中重金屬含量會(huì)直接影響土壤的理化結(jié)構(gòu)，影響土壤中的酶活性，同時(shí)也會(huì)對(duì)土壤中微生物菌落產(chǎn)生影響。土壤中重金屬離子可通過(guò)植物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收而進(jìn)入植物的根、莖、葉和果實(shí)中，進(jìn)而導(dǎo)致植物生理生化以及光合作用的改變，導(dǎo)致果實(shí)品質(zhì)的改變。土壤中重金屬離子主要來(lái)源于灌溉、農(nóng)藥和肥料的施用，在不同條件下，石墨烯對(duì)不同重金屬元素的吸附能力不同。本研究中，在朝天椒生長(zhǎng)中期，土壤中鉛和鉻的濃度均隨著石墨烯施用濃度的增加而減少，原因可能是在當(dāng)前環(huán)境下石墨烯對(duì)鉛和鉻的吸附能力較差，同時(shí)石墨烯濃度的增加促進(jìn)了土壤孔隙度的提高，促使重金屬離子通過(guò)流水離開(kāi)耕作層，從而使土壤中重金屬含量下降。影響土壤對(duì)重金屬吸附能力的因素較多，土壤酸堿度、溫度和孔隙度等均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，有待從生化、物理等方面進(jìn)一步探究。Yin等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，高濃度的石墨烯會(huì)粘附在植物的根上，促進(jìn)植物吸收石墨烯吸附的鎘離子。本研究中，隨著石墨烯濃度的增加，A8和B8處理下朝天椒植株根中的鎘及鉻含量均較CK高，與Yin等（2018）的研究結(jié)果相似。同時(shí)，3個(gè)石墨烯處理下朝天椒果實(shí)中的鎘和鉻含量均較CK低，原因可能是石墨烯對(duì)重金屬離子起到吸附作用，阻礙了重金屬?gòu)母缔D(zhuǎn)移至果實(shí)，促進(jìn)了朝天椒果實(shí)品質(zhì)的提高。

土壤微生物是土壤生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，其中的根際促生菌是一類可促進(jìn)植物生長(zhǎng)、提高植物抗病性和作物產(chǎn)量的有益微生物。本研究結(jié)果顯示，4個(gè)處理土壤樣本中的變形菌門、厚壁菌門、酸桿菌門、擬桿菌門、綠彎菌門和放線菌門的相對(duì)豐度較高，這幾個(gè)菌門均為農(nóng)田土壤常見(jiàn)類群（陳梅春等，2018；姜偉等，2021），說(shuō)明添加石墨烯對(duì)土壤中的細(xì)菌在門水平上影響較小。變形菌門是細(xì)菌域中最大的一個(gè)種類，該門下多為革蘭氏陰性菌，其中的一些屬對(duì)植物的生長(zhǎng)有益，如具有固氮能力的根瘤菌屬可增加土壤中的氮素營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)植株生長(zhǎng)（許藝等，2022）；厚壁菌門的成員芽胞桿菌可產(chǎn)生芽胞抵御外界的有害因子，增強(qiáng)植物的抗逆性（程揚(yáng)等，2018）；酸桿菌門在土壤中可降解植物殘?bào)w，同時(shí)還可參與光合作用和生態(tài)環(huán)境構(gòu)建過(guò)程（程揚(yáng)等，2018）；綠彎菌門能在綠體微囊中通過(guò)光合作用產(chǎn)生大量的能量（王禮偉等，2021）；放線菌能分解纖維素和木質(zhì)素，豐富的放線菌有利于土壤中植物有機(jī)殘?bào)w的分解（Kanokratana et al.，2011）；而針對(duì)擬桿菌門的研究則發(fā)現(xiàn)其具有潛在的生物防治能力（史亞晶等，2022）。在B8處理中，土壤中厚壁菌門的相對(duì)豐度在4個(gè)樣本中最高，而變形菌門的相對(duì)豐度最低；同時(shí)，在豐度排名前35的菌屬中，溶桿菌屬（）、乳桿菌屬（）和Lachnospiraceae_NK4A136_group等有益菌較CK有較大的提升，在4個(gè)處理中最高，這是B8處理下產(chǎn)量最高的原因之一。

本研究結(jié)果表明，在土壤中淋施一定量的石墨烯對(duì)改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤肥力、優(yōu)化土壤微生物菌落結(jié)構(gòu)、提高朝天椒產(chǎn)量和品質(zhì)等具有明顯作用，但其具體機(jī)理有待進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

在朝天椒定植后淋施0.35%石墨烯水溶液可在一定程度上提高朝天椒根區(qū)土壤肥力和酶活性，改善土壤理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)，提高朝天椒的產(chǎn)量和品質(zhì)。石墨烯具有作為碳肥在辣椒高產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)栽培上應(yīng)用的潛力。