利用向日葵秸秆育苗钵调控烟草根际微生物组与碳循环的生态机制研究

本研究系统探讨了向日葵秸秆基育苗钵对烟草根际微生物群落结构及功能的影响。通过高通量测序（16S rRNA）和功能预测（PICRUSt2/KEGG），发现该技术虽降低微生物α多样性（如Shannon指数），但显著富集了核心功能类群（如Proteobacteria、Sphingomonas），并激活碳固定（Carbon fixation）、氧化磷酸化（Oxidative phosphorylation）等代谢通路，揭示了农业废弃物在绿色育苗和土壤健康调控中的生态潜力。

　　

1 引言

烟草作为重要经济作物，其育苗方式显著影响根际土壤微环境。传统育苗技术存在土传病害、苗期长和移栽存活率低等问题，而利用农业废弃物（如向日葵秸秆）制作可降解育苗钵，不仅能改善幼苗质量，还可调节根际微生态。向日葵秸秆因其高纤维素含量、木质素赋予的结构稳定性和丰富钾元素，成为理想育苗材料。秸秆分解过程中释放的酚酸和可溶性碳等生物活性化合物，可刺激微生物活性并调节植物-土壤反馈。根际微生物作为植物“第二基因组”，在养分循环和健康维持中起核心作用，秸秆碳的输入可能通过改变土壤有机碳形态（如溶解性有机碳、微生物生物量碳）驱动微生物群落重构。

2 材料与方法

研究在辽宁北票市两个试验点（BT和HCZ）开展，以云烟301为材料，设置常规育苗（CK）和向日葵秸秆育苗钵（T）处理。采用随机区组设计，每处理3次重复。秸秆钵通过压缩向日葵茎秆（直径4 cm）制成5 cm段，填充基质（泥炭土:蛭石=3:1）后播种。移栽45天后采集根际土壤样本，通过刷取紧贴根系的土壤获得。DNA提取使用E.Z.N.A.? Soil DNA Kit，扩增16S rRNA基因V1-V9区（引物27F/1492R），利用PacBio Sequel II平台进行测序。数据处理采用UPARSE聚类OTU（相似度98.65%），Silva数据库注释分类，α多样性（Observed species、Shannon、ACE、Chao1）和β多样性（Bray-Curtis距离/PCoA分析）评估群落差异，LEfSe识别关键微生物类群，PICRUSt2预测功能潜能（KEGG数据库）。

3 结果

3.1 微生物群落α多样性

随着测序深度增加，OTU数目曲线趋于平缓，表明测序深度充足。与CK相比，秸秆育苗处理（BTT、HCZT）的Observed species、Shannon、ACE和Chao1指数均呈下降趋势，其中HCZ点Shannon指数显著降低，表明群落多样性减少但可能趋向功能专化。

3.2 微生物群落差异分析

门水平上，Proteobacteria（45.03%）、Acidobacteria（23.51%）、Bacteroidetes（6.99%）为优势菌门。PERMANOVA显示处理间群落结构差异显著（R²=0.5297, p=0.001）。核心OTU相对丰度在秸秆处理中较高但未达显著水平。

3.3 优势物种分布

Proteobacteria在HCZT和BTCK中丰度较高，而Acidobacteria在BT点更丰富。属水平上，Luteitalea、Pyrinomonas（ Acidobacteria门）和Ramlibacter、Sphingomonas、Hylemonella（Proteobacteria门）占主导。Variovorax、Pseudoduganella、Microvirga等属在BTT与HCZT间差异显著。

3.4 关键微生物类群

LEfSe分析表明，BTCK中Proteobacteria、Ramlibacter、Devosia富集，BTT中 Acidobacteria、Actinobacteria、Pyrinomonas、Luteitalea显著；HCZCK中 Acidobacteria、Planctomycetes、Pyrinomonas突出，而HCZT中Proteobacteria、Ramlibacter、Variovorax、Niastella响应明显。

3.5 微生物功能预测

KEGG注释显示“代谢”途径占比最高，二级功能中“碳水化合物代谢”、“氨基酸代谢”、“能量代谢”丰度较高。三级途径中“氧化磷酸化”（Oxidative phosphorylation）、“丙酸代谢”、“原核生物碳固定途径”（Carbon fixation pathways in prokaryotes）和“TCA循环”在秸秆处理中显著增强。UPGMA聚类显示BTCK与HCZCK功能相似，而秸秆处理显著改变功能轮廓。

4 讨论

4.1 秸秆育苗对微生物群落的影响

秸秆分解提供溶解性有机碳和微生物生物量碳，但未增加α多样性，可能与资源输入量不足或微生物生态位饱和有关。群落结构差异源于秸秆衍生的酚酸和木质素对特定类群的筛选作用，以及秸秆改良土壤持水性和通气性导致的微环境变化。 Acidobacteria（k策略者）和Proteobacteria（r策略者）的丰度变化反映了土壤肥力和育苗方式对营养策略的调控。

4.2 关键类群与功能角色

富集的Pyrinomonas、Luteitalea、Ramlibacter、Variovorax等属参与有机质降解和碳氮转化。功能预测提示碳固定和氧化磷酸化途径增强，可能与“根际激发效应”相关，即秸秆输入同时刺激微生物合成代谢（碳固定）和分解代谢（有机质矿化），提升养分有效性。氧化磷酸化丰度增加暗示能量代谢活跃，支持秸秆分解和营养循环，但需分子实验验证。

4.3 生态优势与挑战

秸秆育苗减少塑料污染、改善土壤结构，并通过碳源供给和特异性代谢物（如酚类）调控微生物功能。然而，秸秆分解时序性可能影响苗期营养供应，且地理来源导致的理化性质变异（如碳氮比、木质素含量）可能影响技术一致性，需长期研究评估群落稳定性和土壤健康效应。

5 结论

向日葵秸秆育苗钵通过改变根际微环境，富集有益微生物（如Proteobacteria、Sphingomonas、Luteitalea），增强碳循环相关功能（碳固定、氧化磷酸化），提升土壤养分供应能力。但功能结论基于生物信息学预测，需通过宏基因组学或酶学实验进一步验证。