减氮条件下生物炭基肥对土壤养分及细菌群落结构的影响.pdf
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1、【目的】探究减氮条件下生物炭基肥对植烟土壤养分及细菌多样性和群落的影响。【方法】设置对照施肥(CK)、常规施肥减氮 10%+0.6 thm-2生物炭基肥(T1)、0.9 thm-2生物炭基肥(T2)和 1.2 thm-2生物炭基肥(T3)4 个大田试验处理,研究土壤速效养分及根际土壤细菌群落结构和功能的变化规律。【结果】施加生物炭基肥显著促进烟株生长,T2 处理对烟株农艺性状的提升最明显;各处理土壤有机质和速效养分含量较 CK 处理均显著升高,其中 T2 处理土壤有机质含量较 CK 处理增加了 27.63%;T3 处理土壤容积质量较 CK 处理降低了 16.46%。施加生物炭基肥对土壤细菌群落
2、组成产生了显著的影响,增加了变形菌门的相对丰度,降低了酸杆菌门的相对丰度,纤线杆菌纲和放线菌纲的相对丰度显著提高,拟杆菌纲相对丰度降低,相关性分析表明,绿弯菌门受土壤理化性质的影响较大,与土壤理化指标均显著相关。【结论】生物炭基肥可以显著提高减氮条件下的土壤养分积累并保障烟株成熟期养分需求,改善土壤功能细菌群落结构。关键词:生物炭基肥;植烟土壤;理化性质;细菌;群落结构中图分类号:S154文献标志码:A文章编号:1000-2340(2023)04-0657-10Effects of biochar based fertilizer on soil nutrients and bacterial
3、 community structure under nitrogen reductionWU Dong1,LI Maosen2,LI Shuaibing3,DONG Xianchun4,MU Yi1,WANG Bo3,TANG Tingting3,TANG Yun1,HE Yingyu3,REN Tianbao2(1.Hubei Tobacco Industry Co.,Ltd,Wuhan 430048,China;2.College of Tobacco/Henan Biochar Engineering Technology Center,Henan Agricultural Unive
4、rsity,Zhengzhou 450002,China;3.Mudanjiang Tobacco Company,Heilongjiang Provincial Tobacco Company,Mudanjiang 157011,China;4.Yichang Branch of Hubei Provincial Tobacco Company,Yichang 420500,China)Abstract:【Objective】To investigate the effects of biochar based fertilizers on soil nutrients,bacterial
5、diversity,and community in tobacco planting soil under nitrogen reduction conditions.【Method】Four field experimental treatments,namely control(CK),conventional fertilization with 10%N reduction+658 河南农业大学学报第 57 卷0.6 thm-2 biochar fertilizer(T1),0.9 thm-2 biochar fertilizer(T2)and 1.2 thm-2 biochar f
6、er-tilizer(T3),were conducted to study the changes of soil available nutrients and rhizosphere bacterial community structure and function.【Result】The application of biochar based fertilizer significantly pro-moted the growth of tobacco plants,with T2 treatment showing the most significant improvemen
7、t in the agronomic traits of tobacco plants;The content of soil organic matter and available nutrients in each treatment all significantly increased compared to CK treatment,with T2 treatment showing a 27.63%increase in soil organic matter content compared to CK treatment;The soil volume mass of T3
8、treatment decreased by 16.46%compared to CK group.The application of biochar based fertilizer had a signifi-cant impact on the composition of soil bacterial community,with increasing the relative abundance of Proteobacteria,Fibromycetes and Actinomyces,and decreasing the relative abundance of Acidob
9、acte-ria and Bacteroides.Correlation analysis showed that Chloroflexi was greatly affected by soil physical and chemical properties,and was significantly related to soil physical and chemical indicators.【Conclusion】Biochar-based fertilizer can significantly ameliorate soil nutrient accumulation unde
10、r ni-trogen reduction conditions,ensure nutrient demand at the maturity stage of tobacco plants,and im-prove soil functional bacterial community structure.Key words:biochar-based fertilizer;tobacco-planting soil;physicochemical properties;bacteria;community structure土壤细菌是土壤微生物中数量最多,组成最复杂的一类生物,其相对丰度达
11、到 70%90%,是土壤有机质分解,腐殖质形成的重要承担者,其物种多样性和群落组成结构是衡量土壤健康和养分水平的重要指标1-2。烟草是中国重要的经济作物,烟叶的品质决定了中国烟草行业的发展状况,由于耕地面积有限,目前中国烤烟生产中存在着常年连作和长期化肥施用等问题,导致植烟土壤微生物多样性降低,微生物群落结构失衡,土壤中益生菌丰度降低,病 原 菌 大 量 积 累,严 重 影 响 了 烟 叶 品质3。王伟华等4研究发现,长期单施化学提高了土壤总氮、全磷含量,但对有机质没有显著的影响,有机肥和氮肥配施显著提高了土壤有机质、总碳、总氮、全磷和速效磷含量。唐海明等5研究发现,60%无机肥和 40%化肥
12、配施有利于提高微生物对土壤碳源的利用效率,长期单施化肥土壤细菌多样性显著降低。陈丹梅等6通过长期定位试验研究发现,长期施用化肥植烟土壤有机质含量下降20.56%,真菌种群数量增加,病原微生物相对比例增大。改变施肥模式,增加有机肥的施用可对土壤产生重要影响7。生物炭是一种富碳的黑色固体产物,主要由农林废弃物(秸秆、污泥、粪便等)在高温低氧环境中烧制而成,其碳含量高达 70%以上,对于土壤有机质提升、土壤碳氮比调节有着积极的作用。生物炭本身孔隙结构丰度,为土壤细菌和真菌提供生存环境,对提高土壤酶活性,增加土壤微生物量起着积极的作用8-9。生物炭由高温热解制成,其本身的养分含量有限,且难以被土壤微生
13、物分解或矿化,已成为土壤改良重要的原料10,以生物炭主要原料制成 新型的生物炭 基肥,具有 减氮增效的 作用11。研究发现施加生物炭基肥能够显著提高土壤有机质含量,增加土壤速效养分含量,提高土壤酶活性和细菌群落多样性12-13。汪坤等14研究发现,施加生物炭基肥提高了烤烟土壤酶活性,增强了烤烟的抗病性。刘福童等15通过施加生物炭基肥,发现土壤有机质含量显著提高,土壤酶活性增强,土壤细菌多样性显著增加。高梦雨等16通过研究生物炭基肥与等量碳素或氮磷钾肥料对棕壤土碳组分的影响,发现长期施用生物炭和炭基肥可以显著提高土壤有机碳含量,且对土壤速效养分的提升效果更优。常栋等17研究发现,施加生物炭可以促
14、进土壤微生物对土壤中碳源的利用程度,并显著提高了土壤脲酶、蔗糖酶和多酚氧化酶等土壤关键碳氮循环酶活性。IBRAHIM 等18发现,施用烟秆炭基肥能够显著增强土壤氮循环酶活性,改善土壤微生物群落结构。GAO 等19研究发现,施加生物炭显著改变了土壤细菌群落组成,随着生物炭施加量的增加,土壤放线菌的丰度降低,变形菌门和酸杆菌门的相对丰度增加。而王明元等20研究发现,施加生物炭后,土壤拟杆菌门、疣微菌门和厚壁菌门的相对丰度显著增加,酸杆菌门、芽单胞第 4 期吴东,等:减氮条件下生物炭基肥对土壤养分及细菌群落结构的影响659 菌门明显减少。生物炭基肥在土壤健康培育、微生态调控等方面发挥着重要的作用。目
15、前,有关生物炭基肥对烤烟生长发育、土壤理化特性已有较多研究,但关于生物炭基肥对植烟土壤微生物群落调控机制研究较少。本试验在植烟土壤中添加生物炭基肥,通过测定土壤中的养分指标,使用高通量测序技术分析土壤细菌群落,探究了生物炭基肥对土壤理化指标及细菌群落结构的影响,为生物炭基肥在西南高海拔山区植烟土壤微生物群落结构调节和土壤改良提供理论依据。1材料与方法1.1试验地概况于 2021 年 49 月在遵义市播州区乐山镇进行试验。该烟区为烟菜轮作,土壤为黄棕壤,其基础理化性质为:pH 值 6.35、有机质 20.12 gkg-1、碱解氮 120.45 mgkg-1、速效磷 42.36 mgkg-1、速效
16、钾 224.62 mgkg-1。供试品种为云烟 87,由遵义烟草公司提供,烤烟大田栽培措施按照当地优质烟叶生产技术进行。1.2试验设计试验设置 1 个常规施肥处理和 3 个不同生物炭基肥梯 度处理:常规 施肥(CK)、0.6 t hm-2(T1)、0.9 thm-2(T2)和 1.2 thm-2(T3),每个处理重复 3 次。生物炭基肥由生物炭和植物油粕等制成:生物炭质量分数为 40.51%,芝麻饼肥质量分数 为 20.16%。其 中 有 机 质 质 量 分 数 大 于45.21%,有效养分质量分 数大于 5%,m(N)m(P2O5)m(K2O)=1 1 2.8。为保证试验的一致性,除 CK
17、处理外,其余处理均在常规施肥的基础上减氮 10%。常规施肥:烟草专用肥 0.525 thm-2,m(N)m(P2O5)m(K2O)=101024。生物炭基肥于起垄前条施。1.3测定方法1.3.1土壤样品的采集根据 5 点取样法,每个处理取长势一致的烟株 3 株,挖出整个根部,收集根系表面 04 mm 的土壤,保存在 10 mL 无菌离心管中,一部分用干冰保存进行微生物多样性检测,剩余部分在阴凉处自然风干后研磨,用于土壤理化性质分析。1.3.2农艺性状的测定参考 YC/T 1421998 烟草农艺性状调查方法,在移栽后 90 d 测定烤烟农艺性状,在每个处理选取 10 株长势均匀的烟株,分别测量
18、株高、自上而下第 10 片叶处茎围,最大叶叶长、叶宽。1.3.3土壤理化指标及养分的测定参照文献21进行测定。土壤含水率(SWC)的测定采用烘干法;土壤容积质量(SBD)采用环刀法测定;pH 的测定采用超纯水做浸提剂,按照 m(土)m(水)=1 2.5 的比例浸提,用精密 pH 计(型号:BPH305)直接测定;土壤速效磷(AP)采用碳酸氢钠浸提法测定;土壤有机碳(SOM)采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法测定;碱解氮(AN)采用碱解扩散法。1.3.4土壤细菌的检测采用 DNA 抽提试剂盒(E.Z.N.A.soil)对样本的 DNA 进行提取,以稀释后的基因组 DNA 为模板,根据测序区域的选择,对
19、 16SV3 V4 区进行扩增,引物序列为 343F(5-TACGGRAGGCAGCAG-3)和 798R(5-AGGGTATCTAATCCT-3)。使用 Takara 公司 的 Takara Ex Taq 高保真酶进行 PCR 扩增。PCR 产物使用电泳检测,检测后进行纯化,纯化后作为二轮PCR 模板,并进行二轮 PCR 扩增,并再次使用电泳检测,检测后再次纯化,纯化后对 PCR 产物进行 Qubit 定量,根据 PCR 产物浓度进行等量混样,并上机测序8。1.4数据分析采用 Microsoft Excel 2021 分析数据,用 SPSS 26.0 软件分析处理数据,方差分析采用最小显著性
20、差异法,主成分分析和细菌群落结构弦图分别用用 R 语言中的 factoextra 和 circlize 包进行绘制。2结果与分析2.1生物炭基肥对成熟期烤烟农艺性状的影响由表 1 可以看出,施加生物炭基肥,烤烟的农艺性状指标显著提高,与 CK 处理相比,T1、T2、T3处理的烤烟株高分别增加了 11.07%、12.14%和8.21%;T2 和 T3 处理烟株茎围较 CK 处理有显著增加,分别为 7.46%和 7.96%;T1、T2、T3 处理的烟株最 大 叶 叶 长 分 别 增 加 了 6.03%、8.29%和3.52%,其中 T2 处理最大叶叶长较 CK 显著增加;T1、T2、T3 处理的烟
21、株最大叶叶宽与 CK 处理均不存在显著差异,其中 T3 处理叶宽小于 CK 处理。2.2生物炭基肥对成熟期烤烟根际土壤理化性质的影响由表 2 可以看出,与 CK 处理相比,T1、T2、T3处理均显著提高了土壤 pH 值,且随着炭基肥施加量的增加,土壤 pH 值也呈增加的趋势;T1、T2、T3660 河南农业大学学报第 57 卷处理土 壤 容 积 质 量 较 CK 处 理 降 低 了 6.33%、12.41%和 16.46%,均达到显著水平。施加生物炭基肥后,土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量相较 于 CK 处 理 均 显 著 增 加,增 加 幅 度 分 别 为19.05%27.64%、5.
22、25%14.67%、4.99%15.16%和 5.07%14.83%。表 1成熟期烤烟农艺性状Table 1Agronomic characters of flue-cured tobacco at maturity处理Treatment株高/cmPlant height茎围/cmStem girth叶长/cmLeaf length叶宽/cmLeaf widthCK93.334.04 b6.700.10 b66.332.25 b26.331.76 abT1103.672.08 a7.030.06 ab70.331.52 ab28.831.04 aT2104.671.53 a7.200.35 a
23、71.831.61 a28.161.61 aT3101.001.00 a7.230.25 a68.673.51 ab25.500.50 b注:表中数字为平均值标准差,同列数据后不同小写字母表示差异显著(p0.05)。下同。Note:Data in the table are mean valueSD,and different small letters in the same column indicate significant differences(pT3T1CK。3 个生物炭基肥处理的拟杆菌门(Bacte-roidota)和酸杆菌门(Acidobacteriota)相对丰度均小于 C
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