《Industrial Crops and Products》：Effects of tobacco stalk biochar application frequency on plant growth and soil quality: Evidences from metagenomics and pseudo-targeted metabolomics approaches
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随着农业废弃物资源化利用技术的进步，烟草秸秆生物炭逐渐应用于岩溶地区的农业生产。然而，不同频率的烟草秸秆生物炭施用对土壤质量和植物生长的影响尚不清楚。在此，研究人员将宏基因组学（metagenomics）与土壤伪靶向代谢组学（pseudo-targeted m
随着农业废弃物资源化利用技术的进步，烟草秸秆生物炭逐渐应用于岩溶地区的农业生产。然而，不同频率的烟草秸秆生物炭施用对土壤质量和植物生长的影响尚不清楚。在此，研究人员将宏基因组学（metagenomics）与土壤伪靶向代谢组学（pseudo-targeted metabolomics）相结合，探讨烟草秸秆生物炭施用频率如何影响土壤化学性质、酶活性、微生物群落、代谢物和植物生长。结果表明，每年等量施用烟草秸秆生物炭可通过提高土壤有效养分和酶活性来更好地促进烟草生长。微生物群落分析显示，年度施用富集了有益细菌属（鞘氨醇单胞菌属Sphingomonas、放线菌属Actinomadura和变栖菌属Variovorax），而两年一次施用丰富了微生物多样性。此外，土壤伪靶向代谢组学分析表明，年度施用显著增加了氨基酸含量，而一次性施用显著增加了酚酸含量。此外，冗余分析显示碱解氮（alkali-hydrolyzable nitrogen, AHN）和pH是主要环境因子，协同调控土壤酶、微生物群落和土壤代谢物，从而形成复杂的相互作用网络。苯丙氨酸、谷氨酸、焦谷氨酸、多酚氧化酶、慢生根瘤菌属Bradyrhizobium和假杆菌属Pseudolabrys可能是网络中介导烟草秸秆生物炭施用频率影响的关键因子。研究人员的结果表明，在每年等量施用条件下，土壤酶、微生物群落和代谢物共同驱动了土壤质量和植物生长的最优提升，提示这可能是一种缓解连作障碍负面影响的潜在途径。
## 论文解读：烟草秸秆生物炭施用频率对植物生长与土壤质量的调控机制
### 1. 研究背景与问题提出
岩溶地区黄壤普遍存在质地疏松、淋溶强烈、有机质含量低等问题，导致养分易流失、土壤结构退化，进而制约作物生长并加剧连作障碍。烟草秸秆生物炭因其多孔结构、大比表面积及丰富含氧官能团，被广泛应用于污染修复和土壤改良，尤其在西南岩溶烟区，其资源化利用已成为缓解连作障碍的重要措施。然而，已有研究多聚焦于一次性施用对土壤养分和烟草生长的影响，而不同施用频率（如年度、两年一次、一次性）如何调控土壤微生态（包括酶活性、微生物群落和代谢物）及植物生长的动态过程尚缺乏系统认识。为此，研究人员假设生物炭对土壤微生态和植物生长的效果受施用频率调节，年度等量施用可能更持久地维持碱解氮（alkali-hydrolyzable nitrogen, AHN）及微生物和代谢功能，从而定向驯化有益微生物并促进植物生长；而一次性施用可能因生物炭老化导致养分淋失和酚酸积累，削弱改良效果。本研究旨在揭示不同频率下黄壤化学性质、酶活性、微生物群落及代谢物的变化规律，明确关键环境驱动因子，并鉴定响应施用频率的核心微生物、酶和代谢物。论文发表于《Industrial Crops and Products》。
### 2. 关键技术方法
研究基于2018–2024年在贵州威宁县（26°47′N，104°02′E）黄壤烟田开展的长期定位试验。设置三种烟草秸秆生物炭施用频率处理：年度等量施用（TSB-A，每年7.5?t ha
?1，共6次）、两年一次等量施用（TSB-B，每两年15?t ha
?1，共3次）和一次性施用（TSB-O，45?t ha
?1，仅2018年施用），总施用量相同。主要技术方法包括：①宏基因组学（metagenomics，通过Illumina HiSeq 2500平台对土壤DNA进行鸟枪法测序，经组装、基因预测和物种注释，分析细菌群落组成与多样性）；②土壤伪靶向代谢组学（pseudo-targeted metabolomics，采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）的选择离子监测（SIM）模式，定量检测160种已知代谢物）；③常规土壤化学性质（如AHN、有效磷AP等）和酶活性（如土壤多酚氧化酶S-PPO等）测定；④农艺性状（株高、叶面积、干重等）测量。统计方法包括方差分析、主坐标分析、线性判别分析效应大小（LEfSe）以及冗余分析（RDA）和Spearman相关网络分析。
### 3. 研究结果
#### 3.1 土壤化学性质
通过测定不同处理下的土壤养分和pH发现，TSB-A处理的有效磷（AP）、速效钾（AK）、碱解氮（AHN）和有机质（SOM）含量显著高于TSB-B和TSB-O，且随施用频率增加呈上升趋势；而土壤pH则随频率增加而下降。总氮（TN）和全钾（TK）无显著差异。这表明年度施用显著提升了土壤有效养分水平。
#### 3.2 烟草植株生长
对烟草农艺性状（株高、茎围、有效叶数、腰叶面积、叶片干重和根干重）的测量表明，所有指标均随施用频率增加而上升，TSB-A处理显著优于TSB-O。年度施用通过改善土壤养分条件，促进了烟草的生长发育。
#### 3.3 土壤酶活性
酶活性检测显示，TSB-A处理下土壤酸性磷酸酶（S-ACP）、荧光素二乙酸酯酶（S-FDA）和蔗糖酶（S-SC）活性显著高于TSB-B和TSB-O，分别较TSB-B提高7.09%、6.40%和6.89%，较TSB-O提高15.31%、13.68%和20.15%。相比之下，TSB-O的S-ACP、S-FDA、S-PPO和S-SC活性低于TSB-B。年度施用强化了与碳、磷循环相关的酶活性。
#### 3.4 微生物群落响应
宏基因组分析表明，三个处理的优势菌门均为Pseudomonadota、Actinomycetota、Gemmatimonadota和Acidobacteriota。在属水平上，TSB-A处理显著富集了鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、放线菌属（Actinomadura）和变栖菌属（Variovorax），而TSB-B处理具有最高的微生物物种丰富度（Chao1、ACE指数显著高于其他处理）。主坐标分析（PCoA）和非度量多维尺度分析（NMDS）显示TSB-A与TSB-O的群落结构显著分离。LEfSe分析（LDA?>?4）共鉴定19个差异微生物类群，其中TSB-A富集了Gemmatimonadaceae科和Candidatus Eisenbacteria，TSB-O富集了Actinomycetales目及其相关菌。这表明年度施用驱动了与快速碳循环相关的微生物群落演替。
#### 3.5 土壤代谢物响应
土壤伪靶向代谢组学共检测并定量160种代谢物，主要为糖类、脂肪酸、氨基酸等。主成分分析（PCA）显示TSB-O与TSB-A、TSB-B的代谢物谱明显分离。差异代谢物筛选（VIP?>?1, FC?>?2, FDR?
#### 3.6 土壤酶、微生物群落与代谢物间的相互作用
##### 3.6.1 环境因子驱动
冗余分析（RDA）表明，AHN、pH和有效磷（AP）是影响土壤酶活性的主要环境因子，其中AP和AHN与酶活性正相关，pH负相关。对于微生物群落，AHN与Actinomadura、Variovorax正相关，而pH与多数属正相关。对于代谢物，AHN与多数氨基酸和羧酸正相关，pH与酪氨酸正相关但与其他差异代谢物负相关。综合来看，AHN和pH是协同驱动酶活性、微生物群落和代谢物变化的关键因子。
##### 3.6.2 组分间关联
Spearman相关网络分析（|R|?>?0.6, p?
### 4. 讨论与结论
讨论部分指出，年度施用通过持续输入新鲜生物炭，补充有效养分并增强酶活性，同时促进有益菌（如Sphingomonas）增殖并抑制酚酸积累，从而缓解连作障阻。AHN和pH作为关键环境因子，通过影响微生物氮代谢和底物有效性，驱动了酶、微生物和代谢物的协同响应。土壤酶（尤其是S-PPO）来源于微生物，其活性变化又反馈调节微生物代谢和群落结构，形成多维调控网络。研究同时指出，未设置无生物炭对照限制了绝对效应的评估，但相对比较仍为频率优化提供了关键证据。
研究结论总结：在AHN和pH的驱动下，土壤酶活性、微生物群落和代谢物之间发生协同作用。苯丙氨酸、谷氨酸、焦谷氨酸、多酚氧化酶、Bradyrhizobium和Pseudolabrys被确定为响应不同烟草秸秆生物炭施用频率的潜在关键因子。在三种频率中，年度等量施用烟草秸秆生物炭使土壤化学性质、酶活性、有益细菌属丰度以及氨基酸和酚酸含量达到最有利状态，从而可能增强土壤养分循环和物质转化，进而促进烟草生长。因此，研究人员的发现强调了连续年度施用烟草秸秆生物炭作为缓解岩溶农业系统连作障碍和促进烟草废弃物循环利用策略的潜力。
