有机氮替代优化烟草产量与品质的微生物响应机制：50%替代比例的关键作用

本研究系统揭示了50%有机氮替代通过重塑土壤微生物群落结构（如富集Pseudomonadota、Actinomycetota等有益菌群），增强碳氮循环功能（如氮固定、纤维素降解等），显著提升烟草农艺性状、产量（增产63.4–67.8%）及感官品质，为基于微生物调控的精准施肥提供理论依据。

　　

引言

烟草（Nicotiana tabacumL.）品质形成高度依赖于叶片内多种化学成分的精确平衡。糖类物质在燃烧时提供甜香风味，尼古丁含量决定吸烟时的刺激感和满足度，钾元素影响燃烧特性。这些关键组分的含量和比例直接受植物根际土壤微环境的调控。当前烟草生产中，在保障产量的同时优化叶片化学成分比例已成为提升烟草商业价值的核心目标。传统化学肥料施用模式将复杂的土壤-植物系统简化为“输入-输出”关系，虽能短期快速补充土壤养分，但忽视了土壤作为微生物参与的活性生态系统的本质。化学肥料的快速大量释放严重干扰土壤微生物群落正常功能，破坏植物与土壤微环境长期建立的协同机制。相比之下，有机肥料施用通过缓慢释放养分恢复土壤微生物的分解转化功能，实现养分供应节奏与植物生长模式的良好匹配。此外，有机肥料中丰富的生物活性物质（氨基酸、腐殖酸、维生素等）可参与烟草叶片次生代谢过程，为香气物质形成提供关键前体物质。

材料与方法

田间试验于2024年4月至8月在湖南省邵阳市新宁县巡田乡花田村（HT）和腊元村（LY）进行。试验点属中亚热带季风湿润气候区，年平均日照时数1465.6 h，年平均气温17 °C，年平均降水量1331.1 mm。试验采用随机区组设计，每个地点设4个处理，重复3次。具体施肥处理为：无有机氮施用（CK）、40%有机氮替代（40% ON）、50%有机氮替代（50% ON）和60%有机氮替代（60% ON）。总氮施用量各处理一致为154 kg·ha^?1，磷钾肥按当地标准施肥 practices 施用（P₂O₅: 126 kg·ha^?1, K₂O: 488 kg·ha^?1）。供试烟草品种为“K326”。

研究测量了烟草株高、茎粗和中部叶面积等农艺性状，并在成熟期采集烟草叶片、非根际土壤和根际土壤样品。叶片样品用于化学成分分析和感官品质评价；土壤样品用于测定总氮、总碳、酸解氮含量，以及微生物群落分析。采用16S rRNA测序（V3-V4区引物338F/806R）和生物信息学分析（FLASH拼接、UPARSE聚类、RDP分类注释）研究土壤微生物群落结构；通过FAPROTAX数据库预测碳氮循环功能；利用网络分析（Spearman相关|r| > 0.6）揭示微生物互作模式。

结果

烟草农艺性状与产量表现

有机氮处理显著改善烟草农艺性状。在HT点，50% ON处理在旺盛生长期和成熟期均表现出最大的株高、茎粗和叶面积；40% ON和60% ON处理小于50% ON，但均显著高于CK。LY点趋势类似，50% ON处理叶面积最大（50% ON > 60% ON > 40% ON > CK）。

有机氮替代显著提高烟草产量。与CK相比，40% ON、50% ON和60% ON处理在HT点分别增产42.9%、63.4%和58.2%，在LY点分别增产59.2%、67.8%和62.4%。两地点均以50% ON处理产量最高（HT: 2077.38 kg/ha, LY: 2002.98 kg/ha），且与60% ON无显著差异，但显著高于40% ON。

烟草叶片化学成分与感官品质

有机氮施用改变了叶片化学成分：淀粉、钾、总糖和氯化物含量增加，趋势为50% ON > 60% ON > 40% ON > CK；HT点尼古丁和总氮含量显著降低，60% ON处理降幅最大；LY点40% ON处理尼古丁和总氮含量高于CK，50% ON处理两者均降低。

感官品质方面，HT点有机氮处理均改善品质，50% ON与60% ON整体品质相近且优于40% ON；LY点CK与40% ON无显著差异，50% ON和60% ON品质显著提升，其中50% ON处理综合感官品质最优。

土壤理化性质与微生物活性

有机氮处理显著影响土壤养分状态：两地点CK和60% ON处理土壤总氮含量显著高于40% ON和50% ON；总碳含量在HT点以60% ON最高（与50% ON无显著差异），LY点以50% ON最高（与60% ON无显著差异），但两地点50% ON和60% ON均显著高于CK和40% ON；酸解氮含量两地点均以50% ON处理显著高于其他处理；木质素含量趋势为50% ON > 60% ON > 40% ON > CK，但处理间无显著差异。

土壤微生物活性方面：HT点50% ON处理磷脂脂肪酸（PLFA）含量显著高于其他处理；LY点各处理无显著差异，但趋势为60% ON > 50% ON > 40% ON > CK。细菌、真菌和总微生物残体碳均随有机氮含量减少呈下降趋势（60% ON > 50% ON > 40% ON > CK）。

土壤微生物群落多样性与结构

有机氮施用提高了土壤微生物多样性。HT点40% ON、50% ON和60% ON处理的Shannon和Chao1指数均高于CK（无显著差异）；LY点三者指数显著高于CK，但有机氮处理间无显著差异。

主坐标分析（PCoA）显示有机氮显著影响群落结构：HT点PC1+PC2解释52.60%变异，有机氮处理与CK明显分离，40% ON与50% ON/60% ON轻微分离；LY点PC1+PC2解释59.52%变异，有机氮处理与CK分离，但有机氮处理间未分离。

门水平群落组成显示：两地点优势菌门为Pseudomonadota、Acidobacteriota、Actinomycetota等。与CK相比，有机氮处理显著增加Pseudomonadota、Actinomycetota和Bacteroidota相对丰度，降低Chloroflexota和Nitrospirota比例。50% ON与60% ON处理微生物组成相似，但50% ON保留更多Acidobacteriota且Pseudomonadota比例较低。

距离基于冗余分析（db-RDA）表明：CK微生物群落主要与尼古丁和总氮相关；有机氮处理群落与产量、钾、总糖、淀粉和氯化物等品质性状密切相关。

土壤微生物群落功能与网络特征

FAPROTAX功能预测显示：有机氮处理显著增强氮循环功能（固氮、硝酸盐还原、亚硝酸盐还原、氮呼吸、尿素水解），功能丰度随有机氮比例增加呈剂量依赖性（40% ON < 50% ON < 60% ON）；碳循环方面，有机氮促进烃类降解、纤维素分解、芳香化合物降解和发酵功能。50% ON处理在四大碳循环功能（烃降解、纤维素分解、芳香物降解、发酵）均保持高且稳定活性，表现最均衡。

网络分析表明：有机氮施用增加微生物网络复杂性（边数增加5.85–22.86%），50% ON处理网络最复杂（平均度18.694–18.92，密度0.386–0.389）；有机氮处理改变细菌网络关联模式，40% ON和50% ON负相关性增加，60% ON负相关减少；所有有机氮处理模块性指数显著降低（1.14–28.10%），50% ON处理降幅最大。50% ON处理同时具有最高网络复杂性、最多负相关和最低模块性，这些网络结构特征可能促进群落内功能分化和生态位优化，提升资源利用效率。

讨论

50%有机氮替代最优性的验证

50% ON处理在产量、化学组分平衡和感官品质上均表现最优，且土壤酸解氮（植物直接利用的有效氮库）含量最高，反映其氮供应有效性最佳。60% ON处理土壤氮多以稳定有机形态存在，短期植物可利用性低，过量有机质输入反而抑制氮矿化过程。微生物相关指标（木质素、PLFA、微生物残体碳）进一步揭示50% ON处理微生物生物量和活性增强，微生物周转更活跃，有机质分解转化能力提升，同时在碳固存和环境平衡方面具优势。

有机氮替代对土壤微生物群落结构的重塑作用

有机氮提供丰富碳源，改善土壤物理结构和通气性，驱动微生物群落显著演替。富营养微生物（如Pseudomonadota、Bacteroidota）增殖，具特殊分解功能的类群（如Actinomycetota）显著增加，利于难降解化合物（纤维素、木质素）分解和稳定碳库建立；典型寡营养指标类群（Acidobacteriota、Chloroflexota）减少，反映土壤从贫营养向富营养状态转变。不同替代比例产生差异效应：50% ON和60% ON处理微生物组成高度相似但均与40% ON显著不同，表明微生物群落响应在50%替代时达稳定状态，进一步增加输入对结构影响有限。50% ON处理在保持高功能活性同时维持更平衡的群落组成（较高Acidobacteriota比例，适度降低Pseudomonadota），防止养分过快释放与作物需求不匹配。

微生物网络特性与功能协调

50% ON处理展现核心优势：碳氮循环多关键功能协同增强（而非单一功能极端强化），系统性功能优化为烟草优质生产提供坚实功能生态基础。其网络复杂性最高、负相关最多、模块性最低，表明该处理下微生物互作更紧密，功能分工更细化，资源利用效率提升，生态系统适应性和稳定性增强。

结论

50%有机氮替代是通过微生物调控实现烟草高产优质的最优方案。该比例下土壤微生物群落多样性提升，群落结构重组，碳氮循环功能优化，网络复杂性增加，为产量和品质改善提供重要生态支撑。微生物群落响应在50%替代时达稳定状态，在结构和功能协调上表现最佳。研究初步阐明50%有机氮替代的微生物生态机制，为基于微生物理论的烟草精准施肥提供科学参考。