结合使用水和生物炭可以通过调节土壤性质和根际微生物群落来提高番茄的产量和品质

《Journal of Agriculture and Food Research》：Combined water and biochar application increases tomato yield and quality through modulation of soil properties and rhizosphere microbial communities

　　刘艳伟|张楚|杨启亮|郭金金|王海东|程明辉|李建建|张雷|李一林|普永辉|陈泽平|李玉林
中国昆明市昆明理工大学现代农业工程学院，650500

**摘要**
为了解决干热河谷地区番茄生产中水资源和肥料消耗过度以及土壤微生物失衡等问题，本研究进行了田间试验，设置了12种处理方案，包括三种灌溉水平（W100、W80、W60）和四种生物炭施用量（B0、B10、B20、B30），以系统评估水-生物炭耦合的综合效应。结果表明，水-生物炭耦合显著改善了土壤的物理化学性质；与B0W100（对照处理）相比，B30W100处理在开花期和结果期的土壤含水量（SWC）分别增加了25.78%和43.84%，而铵态氮含量增加了2.93倍。与对照处理相比，B20W100处理使细菌Chao1指数和Shannon指数分别增加了45.63%和11.86%。高生物炭施用量（B20、B30）和亏缺灌溉（W80、W60）丰富了如Sphingomonas和Burkholderia等有益微生物群落。偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）分析显示，微生态的改善是提高产量和品质的关键途径。B20W60处理使番茄产量和番茄红素含量分别比对照处理增加了1.77%和38.99%。CRITIC-TOPSIS评价表明，B20W60是实现高产量和优质番茄的最佳节水组合。总之，本研究为干热河谷地区的番茄生产提供了重要的理论支持和技术指导，有助于节水、提升品质和增加产量。未来的研究可以进一步探讨不同类型生物炭的物理化学性质及其与微生物群落的相互作用，以深入理解它们在番茄品质形成中的调控机制。

**1. 引言**
番茄（Solanum lycopersicum）是一种在全球广泛种植的重要经济作物，富含番茄红素、维生素C、总酸和膳食纤维等营养成分，具有很高的食用价值和健康效益[1]。中国云南省的干热河谷地区由于光照和热量资源丰富，昼夜温差显著，冬季和春季气候干燥多雨，为优质高产的果蔬作物（如番茄）提供了良好的生态环境[2]。然而，当地番茄种植中普遍存在水资源和肥料管理不善以及连年种植的问题，导致水资源和土壤资源利用效率低下，根际病害发生率高，严重限制了产量和品质的提高[2]。同时，传统的灌溉方法水资源利用效率低，肥料消耗量大，加剧了干热地区农业可持续发展的压力[3][4]。因此，推广适合干热河谷地区的节水和高效栽培技术具有重要意义，可以提升作物品质、增加产量并促进农业可持续发展[5]。番茄具有较强的耐高温和干旱能力，适合在干热河谷地区种植。在栽培过程中，适当控制灌溉量以保持根区适宜的土壤湿度可以有效促进植物生长并降低根腐病风险[5]。因此，土壤湿度被认为是决定番茄根际微生物环境的关键因素之一[6][7]。郭等人[8]的研究表明，合理的灌溉调控措施显著提高了水资源和肥料的利用效率，调节了根际土壤微生物群落的丰度和多样性，改善了根际微生物环境，增强了作物的抗逆性，并促进了作物生理生长[8]。Abdelghany等人[9]发现，亏缺灌溉是一种提高水资源利用效率的有效方法，因为水分胁迫会降低蒸腾作用，从而减少作物产量，但能提高作物品质[9]。陈等人[10]认为，适当的灌溉水平可以增加土壤微生物和酶活性[10]。

作为一种环保的土壤改良剂，生物炭因其多孔结构、优异的物理化学稳定性和丰富的表面官能团以及强大的吸附能力而被广泛应用于土壤改良领域[11][12]。生物炭通过改善土壤孔结构和增加活性位点，优化了土壤的物理化学性质，增强了水分和养分的保持能力以及微生物活性[13][14]。邱等人[15]发现，施用稻壳生物炭和竹炭能有效改变土壤pH值、电导率、阳离子交换容量（CEC）和盐离子含量，增加微生物群落的丰度和多样性[15]。此外，刘等人[16]的研究表明，生物炭可以促进光合作用，促进番茄植株生长，提高植株高度和干物质含量[16]。牛等人[17]的研究表明，施用生物炭可使土壤总氮、总磷和总钾含量分别增加14.1%、564.1%和63.2%，同时改善了土壤的物理化学性质，降低土壤容重6.2%，增加总孔隙度6.33%，提高根系水分含量7.35%，促进根系生长55.8%，叶绿素a和叶绿素b含量也显著增加[17]。Kumar等人[18]指出，生物炭的特性对土壤微生物生物量和微生物活性起着关键作用[18]。总体而言，生物炭通过改善土壤环境、增强土壤酶活性、促进有益微生物生长和抑制病原菌生长，显著调节了土壤根际微环境[19][20][21][22]。

已有许多研究探讨了水资源和肥料耦合对番茄生理生长、产量和品质的影响，但关于生物炭施用量和不同灌溉水平对番茄生理生长及微生物群落结构影响的研究较少。因此，本研究以中国云南省干热河谷地区的冬季和春季番茄品种‘Geli’为实验对象，开展田间试验，分析水-生物炭耦合对番茄生长、土壤物理化学性质和微生物群落的影响机制，探讨环境因素与微生物群落变化之间的关系，为干热河谷地区番茄的节水高效栽培提供科学依据和技术支持，为农业资源的可持续利用和高效开发提供理论指导。

**2. 材料与方法**
2.1. 试验地点与材料
番茄田间试验于2023年10月至2024年3月在云南省楚雄彝族自治州元谋县云南农业科学院热带生态农业研究所（东经101°52′，北纬25°41′）进行（图1）。该试验地点位于中国云南省的干热河谷地区，属于南亚热带干热季风气候，年平均气温21.9°C，年平均相对湿度53%，年平均降水量634毫米（图2）。土壤的基本物理化学性质如下：pH值为7.48，容重1.49 g·cm-3，田间持水量0.21 cm3·cm-3，硝态氮8.66 mg·kg-1，铵态氮6.14 mg·kg-1，有效磷24.26 mg·kg-1，有效钾187.79 mg·kg-1。

2.2. 试验设计
本试验使用的番茄品种为‘Geli’，该品种产量高，储运性能优良，果实紧密可口，适合鲜食和加工。‘Geli’品种购自云南元谋现代种业科技园，播种时间为2023年10月25日，收获时间为2024年3月20日，整个生长周期为148天，包括苗期、开花期、果实膨大期和成熟期三个阶段。试验采用双因素完全随机区组设计，设置了三种灌溉水平和四种生物炭水平，共计12个处理，每个处理重复4次（表1）。

2.3. 试验管理
根据当地实际情况确定了番茄种植的灌溉量和生物炭施用量及总肥料用量。氮肥和钾肥统一施用量为300 kg·hm-2，磷肥施用量为180 kg·hm-2。通过水肥一体化管理系统，分6次施肥，每次施肥间隔14天。试验使用的肥料为上海青兰化工有限公司生产的速溶Baimeizi 45稳定氮肥（氮质量分数45%）、硫酸钾K2SO4（钾质量分数52%）和磷酸二氢钾KH2PO4（磷质量分数52%）。气象数据来源于试验基地附近项目团队设立的气象站。作物系数（Kc）值根据联合国粮食及农业组织（FAO）推荐的作物系数表确定，作物需水量（ETc）通过ET0和Kc的乘积计算得出[23]。实验所用生物炭由云南伟鑫农业科技有限公司提供，该生物炭通过500–600°C条件下的限氧热解木质枝条制成，是一种富含碳的有机材料（表2）。2023年10月21日翻耕后一次性将生物炭施入土壤，试验期间不再追加施用。试验期间，田间农艺管理措施（如除草和喷药）保持一致。

2.4. 植物采样与分析
在番茄成熟期（2024年3月），从每个处理组中选取生长均匀的3株番茄植株，分离其根、茎、叶和果实。根系在105°C下热处理30分钟后烘干至恒重，测量干物质重量，并计算相对生长率（RGR）和根冠比（RSR）。

2.4.1. 光合参数测定
在果实膨大期（1月），选择晴朗无风的天气，使用Li-6400光合分析仪测定每块试验田中3片番茄叶片的光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）。

2.4.2. 番茄品质与产量测定
在成熟期，从每块试验田中选取3个生长均匀的代表性果实，通过紫外分光光度法测定番茄红素含量；WAY-2S阿贝折射仪测定可溶性固形物含量；通过蒽酮比色法测定总可溶性糖含量；通过酸碱滴定法测定总酸含量。同时，从每个处理组中选取3株生长均匀的植株进行多次采收，使用0.01 g精密度天平称量果实重量，计算平均单株产量，并结合每块试验田的植株数量估算总产量。

2.4.3. 土壤采样与分析
在番茄成熟期（2024年3月）采集番茄根系土壤样本。使用土壤钻取器在每个试验田随机采集土壤样本，每个处理重复3次，采样深度为0–20 cm。土壤样本烘干后筛分，以测定其物理化学性质。土壤含水量（SWC）通过称量湿重和干重并烘干至恒重计算得出。pH值采用电位法测定（土壤-水比例1:2.5），电导率（EC）直接使用DDS-307仪器测定（土壤-水比例1:5）[28]。土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定。铵态氮（AN）采用KCl提取-靛酚蓝比色法测定[29]，硝态氮（N）采用紫外分光光度法测定。钼锑比色法用于测定土壤中的有效磷（AP）。有效钾（AK）的测定采用醋酸铵提取火焰光谱法[30]。2.5. 生物信息的收集与分析样本采集于番茄成熟后（2024年3月21日）。从每个处理组中采集四株番茄的根际土壤样本，并将其储存在装有干冰的无菌试管中。样本被带回实验室进行真菌和细菌DNA测序实验。16S和ITS测序服务由上海欧意生物公司提供。原始测序数据以FASTQ格式存储。首先使用cutadapt（版本2.6）软件对末端序列进行预处理并切除引物序列。然后，利用DADA2软件对前一步得到的合格双端原始数据进行质量控制分析，包括质量过滤、噪声去除、拼接和去嵌合体处理，这些操作均使用QIIME2（2020.11）的默认参数进行，最终获得代表性序列和ASV丰度表。通过将QIIME 2软件包与Unite数据库进行比较，筛选出每个ASV的代表性序列[31]。2.6. 数据分析实验数据使用Excel 2018软件进行计算和整理。SPSS 26.0软件通过单因素方差分析（ANOVA）对生长数据和土壤物理化学性质数据进行统计分析。Duncan检验用于判断显著性（P<0.05）。Origin 2022软件用于数据绘图，CRITIC-TOPSIS方法用于综合评估番茄的品质和产量。QIIME 2软件用于分析Alpha多样性和Beta多样性。LEfSe（1.0.0）工具用于分析不同处理组间的物种丰度差异并筛选优势物种。随机森林分析使用R语言的random forest（3.5.1）包完成，相关性分析采用Spearman方法进行。Smart PLS 4软件用于进行偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）分析。3. 结果3.1. 水-生物炭耦合对土壤含水量、物理化学性质及酶活性的影响3.1.1. 不同生长阶段下水分与生物炭耦合对土壤含水量（SWC）的影响生物炭对番茄不同生长阶段的SWC有显著影响（P<0.001）（图4）。在早期生长阶段（幼苗期和开花期），水分与生物炭的耦合效应极为显著（P<0.001），而在后期生长阶段（结果期和成熟期）则无显著效应（P>0.05）。在所有生长阶段中，结果期的SWC变化最为一致：随着灌溉量的减少而显著下降，而随着生物炭施用量的增加而稳定上升。总体而言，在相同的灌溉水平下，B20和B30处理组的SWC显著高于未施用生物炭（B0）和低生物炭（B10）处理组。在全灌溉（W100）条件下，B30处理组的SWC在开花期和结果期分别达到22.54 cm3·cm?3和20.21 cm3·cm?3，分别比B0W100处理组高出25.78%和43.84%。在W80条件下，B20处理组在幼苗期和开花期的SWC显著高于其他处理组，分别为16.23 cm3·cm?3和19.50 cm3·cm?3，分别比B0处理组高出37.49%和23.81%。在W60条件下，B30处理组在幼苗期、开花期和结果期的SWC也显著高于其他处理组，分别为16.32 cm3·cm?3、16.88 cm3·cm?3和14.62 cm3·cm?3，分别比B0处理组高出95.21%、60.61%和29.72%。这些结果表明，生物炭的施用有效提高了土壤含水量，从而缓解了干旱胁迫对番茄生长的限制。下载：下载高分辨率图片（504KB）下载：下载全尺寸图片图4. 番茄不同生长阶段的土壤含水量。W100、W80和W60分别代表100% ETc、80% ETc和60% ETc的灌溉水平。B0、B10、B20和B30分别代表0、10、20和30 t·hm?2的生物炭施用量。不同字母表示处理组间存在显著差异（P<0.05）。“NS”表示无显著差异；*、**和***分别表示P<0.05、P<0.01和P<0.001的显著性。3.1.2. 水-生物炭耦合对土壤化学性质及酶活性的影响在特定灌溉量下，氮（N）、铵态氮（AN）和有效钾（AK）的含量随生物炭施用量的增加先增加后减少。在生物炭施用量一定的条件下，AN和AP随灌溉量的减少而增加。AN和AK在B10W60处理组达到最大值，分别为6.23 mg·kg?1和522.54 mg·kg?1，分别是对照组的4.72倍和1.83倍。氮在B20W60处理组最高，为16.18 mg·kg?1，分别是B10W60和CK的44.72倍和2.93倍，但低于B30W60处理组。随着生物炭施用量的增加，AP显著增加。B30W60处理组的AP最高，为65.25 mg·kg?1，分别是CK和B30W100的120.22%和12.64倍。当灌溉量固定时，土壤pH值随生物炭施用量的增加而升高。B20W100处理组的pH值最高，为7.39，比CK高6.95%。当灌溉量固定时，电导率（EC）随生物炭施用量的增加呈现倒V形变化。当生物炭施用量固定时，EC值随灌溉量的减少而降低（B20处理组除外）。B10W100处理组的EC值最高，为289.00 μS·cm?1，比CK高23.86%；B10W60处理组的EC值比B10W100低17.99%（表3）。关于土壤酶活性，脲酶活性总体上先增加，随后在特定灌溉量下随生物炭施用量的增加而降低；而蔗糖酶活性则持续增加。在某些生物炭施用条件下，蔗糖酶活性和脲酶活性随灌溉量的增加而降低。脲酶活性在B20W100处理组最高（0.38 mg·g?1·d?1），分别是CK和B20W60的80.95%和65.22%，表明过量施用生物炭（B30）对脲酶有抑制作用。蔗糖酶活性在B30W100处理组最高（22.19 mg·g?1·d?1），分别是CK和B20W60的68.45%和14.38%（图5）。这些结果表明，适量的生物炭（B10、B20）和亏缺灌溉（W60）可以改善土壤养分含量、物理化学性质及酶活性。过量施用生物炭会产生不利影响。表3. 不同水-生物炭耦合处理对土壤物理化学性质的影响处理组N/(mg·kg?1)AN/(mg·kg?1)AP/(mg·kg?1)AK/(mg·kg?1)pHEC/(μS·cm?1)B0W1004.12±0.14g1.09±0.24f29.63±11.10abc184.47±15.19e6.91±0.14e233.33±20.55bB0W805.61±0.80f4.56±0.07b48.23±4.30d121.50±20.70g6.94±0.03e128.83±15.60eB0W6011.18±0.92d5.11±0.09b26.26±8.10d124.82±20.70g6.97±0.02e187.13±1.59cB10W10015.02±0.66b4.89±0.06b53.97±19.55abc250.76±25.03d7.21±0.02cd289.00±9.17aB10W8012.14±0.08c6.21±0.13a54.56±1.79abc336.93±26.30c7.14±0.02d167.37±13.37cdB10W6014.47±0.14b6.23±0.53a43.48±5.19bcd522.54±5.74a7.24±0.01bc237.00±12.17bB20W1007.08±0.11e2.14±0.15e29.23±0.91d237.50±9.95d7.39±0.07a196.00±10.44cB20W8012.88±0.57c5.02±0.85b50.8±2.08abc141.39±5.74fg7.31±0.02ab231.57±30.26bB20W6016.18±0.11a1.90±0.09e42.1±11.33cd380.02±5.74b7.31±0.03ab244.00±29.72bB30W10014.78±0.14b3.14±0.11d57.93±1.49abc257.39±17.22d7.27±0.01bc242.33±15.04bB30W806.09±0.17f1.07±0.11f60.50±1.57bc138.07±19.89fg7.27±0.02bc145.83±3.67deB30W607.39±0.15e3.78±0.18c65.25±1.19a161.27±5.74ef7.31±0.05ab167.33±11.36cd显著性检验的P值B-F值411.165178.05513.536317.220111.09420.471B-P值******************W-F值151.41981.5704.561138.3442.29555.553W-P值**********NS***B×W-F值246.72877.4911.92594.3621.65016.004B×W-P值******NS***NS***注：N为硝态氮，AN为铵态氮，AP为有效磷，AK为有效钾，EC为土壤电导率。W100、W80和W60分别代表100% ETc、80% ETc和60% ETc的灌溉水平。B0、B10、B20和B30分别代表0 t·hm?2、10 t·hm?2和20 t·hm?2的生物炭施用量。数据为三次重复实验的“平均值±标准误差”，不同字母表示处理组间存在显著差异（P<0.05）。“NS”表示无显著差异；*、**和***分别表示P<0.05、P<0.01和P<0.001的显著性。下载：下载高分辨率图片（302KB）下载：下载全尺寸图片图5. A为脲酶活性；B为蔗糖酶活性。W100、W80和W60分别代表100% ETc、80% ETc和60% ETc的灌溉水平。B0、B10、B20和B30分别代表0 t·hm?2、10 t·hm?2和20 t·hm?2的生物炭施用量。不同字母表示处理组间存在显著差异（P<0.05）。“NS”表示无显著差异；*、**和***分别表示P<0.05、P<0.01和P<0.001的显著性。3.2. 水-生物炭耦合对番茄生长和光合作用生理的影响与对照组相比，水-生物炭耦合通过改善土壤物理化学性质和养分供应显著促进了番茄植株的生长和发育（P<0.05）（图6）。在未施用生物炭的处理组中，相对生长率（RSR）随灌溉量的减少而显著下降，净光合率（RGR）略有下降但未达到显著水平。而在施用生物炭的处理组中，表现出不同的规律：当生物炭固定时，RGR和RSR随灌溉量的减少而增加；当灌溉量固定时，RGR随生物炭施用量的增加而增加，RSR随生物炭施用量的增加而减少。B30W60处理组的RGR达到最大值23.78 g·kg?1·d?1，比CK高9.53%，比B10W60和B20W60分别高5.88%和3.26%。在B0W100处理组中，RSR最高（2.16%），比B0W60高3.35%；在B30W100处理组中，RSR略有增加（1.61%），但仍低于其他处理组。结果表明，在缺水条件下，未施用生物炭时番茄植株的整体生长受到限制，RGR和RSR同时下降。施用生物炭后，植株能够在水分不足的情况下保持较高的RGR，并减少对根系的依赖，表明生物炭改善了土壤环境和水分利用效率，优化了番茄的资源分配模式，促进了地上部分的生长。下载：下载高分辨率图片（849KB）下载：下载全尺寸图片图6. 不同水-生物炭耦合处理对番茄生长的影响。A为生长期间的相对生长率（RGR）和成熟时的根冠比（RSR）；B为净光合率（Pn）、气孔导度（Gs）和细胞间CO?浓度（Ci）以及蒸腾速率（Tr）。不同字母表示处理组间存在显著差异（P<0.05）。“NS”表示无显著差异；*、**和***分别表示P<0.05、P<0.01和P<0.001的显著性。灌溉与生物炭的耦合总体上抑制了光合作用。特别是在B30W100处理组中，净光合率（Pn）降至最低，仅为12.01 μmol·m?2·s?1，比CK低27.07%，表明光合潜力受到限制。同时，B30W100处理组的细胞间CO?浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）分别增加到282.53 μmol·mol?1和2.30 mmol·m?2·s?1，分别比CK高14.08%和60.91%，表明非气孔因素是限制Pn下降的主要因素。相比之下，B0W80处理组的净光合率（Pn）和气孔导度（Gs）最高，分别为21.58 μmol·m?2·s?1和0.2866 mmol·m?2·s?1，分别比CK高31.09%和51.72%。3.3. 水-生物炭耦合对根际土壤微生物群落多样性的影响在水分调节和生物炭改良的共同作用下，土壤微环境得到显著改善，进一步影响了根际微生物群落的结构和多样性。通过对16S和ITS rRNA基因进行测序，从48个土壤样本中获得了18,062个细菌ASV和1,817个真菌ASV。12个处理组间细菌和真菌的Alpha多样性存在显著差异。B20W100处理组的Chao1指数和Shannon指数最高，分别为1533.42和9.81，分别比CK高45.63%和11.86%。大多数处理组的Simpson指数接近1，表明群落均匀性高且优势物种分布均衡。与细菌相比，真菌的Alpha多样性较低，但受到水-生物炭耦合处理的显著影响，Shannon指数和Simpson指数的变化范围较大。特别是在B30处理组中，B30W60的Shannon指数和Simpson指数分别为1.38和0.41，分别比CK低66.99%和53.41%（表4），表明大量施用生物炭对真菌有特定抑制作用。NMDS分析显示，生物炭显著影响了土壤细菌和真菌群落的结构。中高浓度生物炭（B30、B20）与低或无生物炭（B0、B10）处理组之间存在显著差异。相比之下，灌溉对微生物群落结构的影响有限（图7）。表4. 番茄根际土壤中细菌和真菌的Alpha多样性指数处理组细菌真菌Chao1ShannonSimpsonChao1ShannonSimpsonB0W1001052.99±115.89de8.77±0.13f0.99±0.00e152.07±23.51cde4.18±0.09f0.88±0.00eB0W801324.08±162.68abc9.35±0.19bcd1.00±0.00bc257.87±6.74a5.43±0.07b0.95±0.00bB0W601231.29±57.23c8.91±0.05ef0.99±0.00f228.72±20.06a5.48±0.07b0.96±0.00aB10W100957.10±112.10e7.96±0.12g0.98±0.00g191.02±6.18b4.40±0.05e0.91±0.00dB10W801310.04±93.73bc9.23±0.10cd1.00±0.00d255.86±11.10a5.60±0.05a0.96±0.00aB10W601488.33±79.48abc9.54±0.04b1.00±0.00bc257.42±11.13a4.93±0.08c0.92±0.01cB20W1001533.42±107.85abc9.81±0.09a1.00±0.00a174.96±20.97bc4.49±0.08de0.91±0.00dB20W80343.71±47.32f4.76±0.10h0.91±0.00h156.36±9.96cd4.50±0.04de0.92±0.00cB20W601182.56±146.36cde9.08±0.14de1.00±0.00d165.67±4.92c3.92±0.03g0.86±0.00fB30W1001191.64±140.41cde9.01±0.42bcdef0.99±0.01abcdefg103.15±5.56f1.38±0.05j0.41±0.01hB30W801307.96±72.93bc9.22±0.07d1.00±0.00cd129.13±16.39e2.43±0.11h0.6±0.02gB30W601409.79±93.36abc9.39±0.10bc1.00±0.00c142.36±12.11de1.89±0.20i0.38±0.04h显著性检验的P值B-F值15.662162.152409.118151.464331.721345.210B-P值******************W-F值22.701191.554393.05153.713395.156183.013W-P值******************B×W-F值47.073359.647559.90016.30688.49264.918B×W-P值******************注：W100、W80和W60分别代表100% ETc、80% ETc和60% ETc的灌溉水平。B0、B10、B20和B30分别代表0 t·hm?2、10 t·hm?2和20 t·hm?2的生物炭施用量。数据为三次重复实验的“平均值±标准误差”，不同字母表示处理组间存在显著差异（P<0.05）。“NS”表示无显著差异；*、**和***分别表示P<0.05、P<0.01和P<0.001的显著性。数据为三次重复实验的“平均值±标准误差”，不同的字母表示处理之间的差异（P<0.05）。“NS”表示不显著；*、**和***分别表示在P<0.05、P<0.01和P<0.001水平上的显著性。下载：下载高分辨率图像（393KB）下载：下载全尺寸图像图7. 细菌（A）和真菌（B）ASVs微生物群落结构的非度量多维尺度（NMDS）分析。3.4. 水-生物炭耦合对根际土壤微生物群落结构的影响水-生物炭耦合处理显著影响了根际土壤中细菌和真菌群落的结构，主要表现为细菌丰度和群落组成的变化。在门水平上，变形菌门（Proteobacteria）首先增加。随后随着生物炭施用量的增加和灌溉量的减少，其数量下降，在B20W80处理下相对丰度达到最大，表明中等水平的生物炭施用量（B20）和亏缺灌溉（W80）有利于该门的富集。此外，生物炭施用量的增加减少了放线菌门（Actinobacteriota）的丰度，并显著增加了粘细菌门（Gemmautomonadota）和粘球菌门（Myxococcota）的相对丰度。在真菌门群落中，子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）始终占主导地位，在所有处理下其综合相对丰度超过60%。其中，子囊菌门的相对丰度首先增加，然后随着生物炭施用量的增加而减少，在亏缺灌溉下进一步减少。此外，B10处理显著增加了壶菌门（Chytridiomycota）的相对丰度，且这一组在灌溉量减少时进一步增加（图8）。下载：下载高分辨率图像（628KB）下载：下载全尺寸图像下载：下载高分辨率图像（557KB）下载：下载全尺寸图像图8. 不同水-生物炭耦合处理下细菌（A）和真菌（B）门水平丰度的结构直方图。3.5. 核心土壤微生物群落LEfSe分析显示，每种处理下共有112种细菌和76种真菌分类单元得到富集（附录A），且真菌的LDA值通常高于细菌（LDA阈值为4.0）（附录B），表明真菌群落对水-生物炭耦合处理的响应更为敏感。在细菌群落中，中等和高水平的生物炭（B20、B30）与亏缺灌溉（W60、W80）结合显著富集了多个关键类群：伯克霍尔德氏菌目（Burkholderiales）和肠杆菌目（Enterobacterales）及其代表属Comamonas和GKS98_freshwater_group在B20W80处理下得到富集，而鞘膜菌目（Sphingomonadales）在B30W80处理下得到富集。Gemmautomonadales及其优势属Sphingomonas在B30W60处理下得到富集，链霉菌（Streptomyces）也在B0W60处理下显著富集。真菌群落表现出不同的响应模式：B30W80处理显著富集了伞菌目（Agaricales）及其代表属Coprinellus，B30W60富集了绿菌目（Chlorophyllum），B0W100和B0W80富集了壳孢菌目（Hypocreales）和蜡孢菌目（Sebacinales），相应的代表属分别为Fusarium和Leucocoprinus，B10W60显著富集了壳孢菌目（Sordariales）。此外，伽玛变形菌门（Gammaproteobacteria；从门到属的分类单元）在B20W80处理下得到富集，而子囊菌门（Ascomycota；从门到属的分类单元）在B20W100处理下显著富集，这进一步表明不同类群对水-生物炭耦合的敏感性存在差异。随机森林的重要性值分析显示，鞘膜菌目（Sphingomonadales，1.84）、伯克霍尔德氏菌目（Burkholderiales，1.66）、Sphingomonas（1.66）和链霉菌（Streptomyces，1.71）在细菌群落中具有较高的生态重要性，而壳孢菌目（Hypocreales，2.32）、蜡孢菌目（Sebacinales，2.11）、壳孢菌目（Sordariales，2.07）和镰刀菌（Fusarium，2.02）在真菌群落中具有较高的生态重要性。这些可能在调节土壤功能、促进植物生长和提高抗逆性方面起关键作用（附录C）。3.6. 微生物与影响因素之间的相关性分析为了探讨影响因素及其对土壤细菌和真菌群落结构的影响，通过Mantel检验分析了影响因素与微生物Alpha多样性指数（Chao1和Shannon）之间的相关性（图9）。结果表明，在影响因素中，RGR与pH呈正相关，Pn与N、AP、AK、pH、EC和蔗糖酶呈负相关，EC和AK与N呈显著正相关。就微生物群落而言，细菌群落的丰富度（Chao1）与RGR呈正相关，真菌群落的丰富度（Chao1）与Pn呈正相关，但未达到显著水平（P>0.05）。细菌多样性（Shannon）、真菌丰富度（Chao1）和多样性（Shannon）与N、AK和EC呈显著正相关（P<0.05）。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像图9. 不同水-生物炭耦合处理下细菌（A）和真菌（B）门水平丰度的热图。A. 环境因素与真菌和细菌Alpha多样性指数之间的相关性分析。B. 真菌群落丰度与环境因素在目和属水平上的相关性分析（Spearman，*，P<0.05；**，P<0.01）。C. 群落丰度与环境因素在目和属水平上的相关性分析（Spearman，*，P<0.05；**，P<0.01）。为了进一步探讨核心微生物与环境因素之间的关系，结合热图Spearman相关性分析的结果（图9）分析了核心菌群和相关因素。结果表明，在细菌核心微生物中，鞘膜菌目（Sphingomonadales）和Sphingomonas与尿素酶活性（Urease）显著负相关，但与AP正相关。伯克霍尔德氏菌目（Burkholderiales）与AK显著负相关，链霉菌（Streptomyces）与土壤pH显著负相关。在真菌核心微生物中，壳孢菌目（Hypocreales）与AP显著负相关，但与EC、尿素酶（Urease）和Pn正相关。蜡孢菌目（Sebacinales）与AP、pH和蔗糖酶（Sucrase）负相关，但与净光合速率（Pn）正相关。总之，土壤物理和化学性质（尤其是氮、有效钾和电导率）在调节微生物群落多样性和核心群落组成中起关键作用，一些核心微生物对光合参数和土壤酶活性有显著响应。3.7. 水-生物炭耦合对番茄品质和产量的影响水-生物炭耦合对番茄产量和品质的影响显著（P<0.05）（详见附录D）。在一定的生物炭条件下，亏缺灌溉（W80、W60）有助于增加番茄红素、可溶性固形物和糖酸比，但对维生素C、游离氨基酸含量和产量有不利影响（图10）。与不使用生物炭的处理相比，生物炭的应用显著改善了大多数番茄品质指标和产量。在B20W60处理下，番茄红素、可溶性糖、总酸和糖酸比达到最高值，分别为107.27 mg·kg-1、1.49%、0.27%和5.46%，分别比对照组（CK）高38.99%、20.16%、3.85%和15.68%。维生素C含量和可溶性固形物在B10W80处理下达到最高值，分别为12.7 mg·100g-1和5.4，分别比CK高67.11%和28.57%。可溶性蛋白含量在B20W80处理下达到最大值，为18.00 mg·g-1，分别比B20W100和CK高65.89%和60.14%。番茄产量在B20W100处理下达到最高值，为153.29 t·hm-2，分别比CK和B20W60高27.99%和25.77%。下载：下载高分辨率图像（230KB）下载：下载全尺寸图像图10. 不同水-生物炭耦合处理下番茄产量和品质特征的热图注：L代表番茄红素含量，VC代表维生素C含量，Sm代表可溶性固形物，Ss代表可溶性糖，Ta代表总酸，R代表糖酸比，F代表游离氨基酸含量，P代表可溶性蛋白含量，Y代表产量。CRITIC方法用于确定TOPSIS方法中的策略权重。TOPSIS方法用于标准化番茄果实品质和产量，获得了每种处理的相对接近度C值（表5）。方案的相对接近度C值越高，综合性能越好。与不使用生物炭的处理相比，使用生物炭的处理C值显著增加。B20处理的C值相对较高，其中B20W60处理的C值最大（0.715），其次是B20W100（0.714）。B30的相对接近度C值低于B20，表明过量的生物炭会降低番茄的产量和品质。表5. 基于CRITIC-TOPSIS方法的不同水-碳耦合处理下番茄品质和产量的综合指数评估结果处理番茄红素/(mg·kg-1)维生素C含量/(g·100g-1)可溶性固形物/(%)可溶性糖/(%)总酸/(%)糖酸比游离氨基酸/(mg·g-1)可溶性蛋白/(mg·g-1)产量/(t·hm-2)D+D-C排名B0W1000.2810.2410.2480.2880.2750.2930.2720.3520.2750.1030.0850.4549B0W800.1610.2410.1660.2260.2460.2710.2660.2020.2810.1670.0390.18911B0W600.1610.2700.2100.2470.3020.2930.2980.2330.2460.1690.0320.16012B10W1000.2850.2960.2670.3220.2640.2710.280.3610.3100.0830.1030.5546B10W800.2950.4020.3490.3700.2970.2930.2930.3240.2330.1000.1150.5337B10W600.2600.2720.2940.2670.2680.2930.2680.1850.2920.1010.0860.4598B20W1000.3360.3770.2390.2880.3020.2930.2970.3080.3510.0580.1450.7142B20W800.3120.2940.3970.2950.2770.2820.2830.2830.2950.0670.1260.6534B20W600.3910.3380.2910.3080.3310.3040.3150.3040.2790.0610.1530.7151B30W1000.3150.2760.3880.2740.2840.2710.3000.2360.3110.0630.1280.6703B30W800.3390.1550.3000.2880.2950.2930.2910.3400.2730.0900.1180.5665B30W600.2360.2110.2180.2670.3130.3040.2970.2690.2990.1220.0680.35610Wj0.3570.0560.0120.0020.0000.0060.0120.0860.469注：D+和D?分别表示评估对象与正理想解之间的距离和评估对象与负理想解之间的距离。C表示相对接近度。C值越大，方案越好。Wj是通过critic方法计算出的权重。3.8. 部分最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）分析水-生物炭耦合对番茄产量和品质的驱动作用PLS-SEM分析结果（图11）表明该模型具有良好的拟合度（GOF=0.570），有效阐明了水-生物炭耦合对番茄产量和品质的调控途径。结果表明，模型解释了主要变量中的大部分方差。具体来说，土壤理化性质（81.7%）、有益微生物（73.6%）、潜在病原体（44.3%）、生长参数（15.6%）、土壤尿素酶活性（26.2%）、土壤蔗糖酶活性（60.5%）、番茄产量（58.9%）和果实品质（35.4%）的方差可以归因于生物炭施用量和灌溉水平的直接和间接效应。生物炭施用量作为重塑根际微环境的核心驱动因素，对土壤理化性质和有益微生物具有显著的正面直接效应（P<0.01），路径系数分别为0.864和0.596。灌溉水平对番茄产量和土壤理化性质具有极显著的正面效应（P<0.001），路径系数分别为0.598和0.265。关于土壤-植物相互作用，土壤理化性质显著改善了生长参数（路径系数=0.396，P<0.001）并积极提升了果实品质（路径系数=0.548，P<0.001）；反过来，生长参数对番茄产量也有极显著的正面效应（P<0.001，路径系数=0.675）。此外，有益微生物表现出显著的拮抗和调节作用，对潜在病原体（P<0.001，路径系数=-0.943）和土壤尿素酶活性（P<0.001，路径系数=-0.512）有显著负面影响。值得注意的是，土壤尿素酶活性对果实品质有显著的正面效应（P<0.05，路径系数=0.291）。下载：下载高分辨率图像（452KB）下载：下载全尺寸图像图11. 基于部分最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）的水-生物炭耦合对番茄产量和品质调控的路径分析。注：箭头上的数字表示标准化路径系数。箭头的粗细代表路径系数的大小。*表示P<0.05时的显著差异。R2表示内模型解释的因变量方差。土壤理化性质由开花和结果阶段的pH、有效磷和土壤含水量表征；有益微生物由伯克霍尔德氏菌目（Burkholderiales）和鞘膜菌目（Sphingomonas）的相对丰度表示；潜在病原体由镰刀菌（Fusarium）表示；生长参数由干物质质量和相对生长率表示；番茄品质由可溶性固形物、番茄红素和游离氨基酸表示。3.9. 水-生物炭耦合对番茄经济效益的影响生物炭和灌溉的耦合对番茄的总产量效益和净收入有显著影响（P<0.05），并且观察到显著的交互效应（P<0.05）（表6）。总投入随着生物炭施用量的增加而略有变化。结果表明，在相同的生物炭施用水平下，总产量效益和净收入随着灌溉量的减少而呈下降趋势，在B0W60处理下达到最低值，分别为107.33 × 104 CNY·hm-2和44.88 × 104 CNY·hm-2。在B0条件下，W100和W80处理的总产量效益分别比W60处理增加了11.58%和14.29%，净收入分别增加了27.43%和34.05%。此外，在相同的灌溉水平下，总产量效益和净收入随着生物炭施用量的增加而先增加后减少，在B20水平达到峰值。B20W100处理的总产量效益（153.29 × 104 CNY·hm-2）和净收入（84.32 × 104 CNY·hm-2）显著高于其他处理。具体来说，与CK和B20W60处理相比，其总收益分别增加了27.99%和25.77%，而净收入分别大幅增加了47.43%和58.97%。表6. 不同水-生物炭耦合处理对番茄经济效益的影响

生物炭施用量/(t·hm-2) | 灌溉水平 | 总投入/(×10^4 CNY·hm-2) | 总收益/(×10^4 CNY·hm-2) | 净收入/(×10^4 CNY·hm-2)
--- | --- | --- | --- | ---
B0W100 | 62.56 | 119.76±5.60 | bc | 57.19±5.61 | bc |
W80 | 62.51 | 122.67±16.33 | bc | 60.16±16.34 | bc |
W60 | 62.45 | 107.33±11.52 | cd | 44.88±11.52 | cd |
B10W100 | 65.76 | 135.30±8.48 | ab | 69.53±8.48 | ab |
W80 | 65.71 | 101.70±6.42 | d | 36.00±6.42 | d |
W60 | 65.65 | 127.44±2.83 | bc | 61.80±2.83 | bc |
B20W100 | 68.96 | 153.29±13.59 | a | 84.32±13.59 | a |
W80 | 68.91 | 128.81±8.15 | b | 59.90±8.15 | bc |
W60 | 68.85 | 121.88±19.05 | bc | 53.04±19.05 | cd |
B30W100 | 72.16 | 135.70±6.29 | ab | 63.53±6.29 | bc |
W80 | 72.11 | 119.02±8.60 | cd | 46.91±8.60 | cd |
W60 | 72.05 | 130.28±10.20 | b | 58.24±10.20 | bc |

显著性检验P值 | B-F值 | 4.87 | 42.175 |
B-P值** | NS |
W-F值 | 9.36 | 89.276 |
W-P值****** | B×W-F值 | 3.12 | 13.121 |
B×W-P值** |

注：W100、W80和W60分别代表100% ETc、80% ETc和60% ETc。B0、B10、B20和B30分别表示施用的生物炭量为0 t·hm-2、10 t·hm-2和20 t·hm-2、30 t·hm-2。数据为三次重复实验的“平均值±标准误差”，不同字母表示处理之间的差异（P<0.05）。“NS”表示不显著；*、**和***分别表示P<0.05、P<0.01和P<0.001的显著性。

4. 讨论
4.1. 生物炭通过改变土壤结构改善土壤物理和化学性质
本研究表明，生物炭的施用改善了土壤的物理和化学性质以及养分有效性，这与Jaffar等人[32]和Ahmed等人[33]的结论一致。这种改善主要归因于生物炭的物理结构特性：本研究中使用的生物炭来自树枝，并在缺氧条件下高温（500–600°C）下热解，释放出大量挥发性化合物，从而形成了高度发达的孔结构和较大的比表面积[34]。这种多孔特性有效降低了土壤的容重，并增强了土壤对水和养分的物理吸附能力，在水分和养分保持中起着关键作用[35]。此外，生物炭的化学性质也在改善土壤微环境方面发挥了重要作用。生物炭本身呈弱碱性（pH = 7.8），含有丰富的有机物质和矿物质养分。土壤pH值和电导率的增加可归因于生物炭中高浓度的碱性金属和可交换碱金属阳离子（如Ca、Mg、K和Na），这些物质在酸性土壤中类似于石灰的作用，导致pH值和电导率的升高[36]。Calcan等人的研究[37]表明，施用生物炭后（生物炭与土壤的体积比为20/80），不仅土壤pH值和电导率显著增加，可利用钾和磷的浓度也显著上升（高达8倍），而可利用的N-NH4+和钠的浓度增加了26%。基于上述物理和化学性质的改善，本研究中的不同灌溉处理和适当的生物炭水平（B10、B20），以及亏缺灌溉（W80、W60），优化了土壤的物理和化学性质以及养分供应。然而，过量的生物炭施用可能会产生负面影响。同时，土壤酶活性的变化进一步验证了本研究的结果：脲酶在B20W100处理下的活性最高，比CK处理高出80.95%。这可能是因为生物炭丰富的多孔结构和表面的功能基团为酶提供了有利的附着位点，从而增强了酶的稳定性和活性；蔗糖酶活性的持续上升是由于生物炭提供了水溶性有机碳并改善了微生物栖息环境[38]。然而，过量的生物炭施用会抑制某些土壤酶的活性，如脲酶，从而限制有机物的分解和养分转化，减少养分的有效性[39]、[40]。

4.2. 水-生物炭耦合对番茄生长和光合作用生理的影响
本研究发现，在灌溉量固定的情况下，生物炭的施用可以增加RGR（生长速率），但会降低RSR（根系生长速率）；当生物炭施用量固定时，亏缺灌溉会增加RGR和RSR，这与Filho等人[41]、Li等人[42]的研究结论一致。生物炭对番茄植株生长的促进作用可能是由于它多重改善土壤物理和化学性质的效果[43]。生物炭的施用通过降低土壤容重、增强水分和养分的保持能力以及提高土壤酶活性和养分有效性来促进植物生长[44]。此外，适度亏缺灌溉引起的水分胁迫刺激了番茄根系的适应性反应，增强了根系的吸收能力，并促进了根系发育，从而提高了RSR和RGR[45]。此外，本研究发现，高生物炭施用（B30W100）显著抑制了番茄的光合作用，大大降低了Pn（净光合产物）的产量，而Ci（细胞色素a）和Tr（叶绿素含量）却增加了。如前文（第3.2节）所分析的，Pn的减少主要受非气孔因素的限制[46]。根据本研究的土壤物理、化学和酶活性数据，可以观察到过量生物炭施用显著抑制了关键土壤酶（如脲酶）的活性[47]，导致土壤中氮的暂时固定，进而阻碍了有机氮向可利用无机氮（N-NH4+）的转化。这种氮有效性的暂时限制直接限制了叶绿素和关键光合酶（如Rubisco）的合成，降低了二氧化碳的吸收和光能利用效率[48]。此外，B30引入的过量碱性阳离子和高初始电导率可能导致根际局部盐分积累和渗透压胁迫，损害根系健康并增加根系的代谢负担[49]。这种胁迫还可能干扰植物激素（如脱落酸ABA）的合成和信号传导，进一步引发叶肉细胞的非气孔损伤（如叶绿体老化），从根本上损害光合器官的生理功能[49]、[50]。尽管在全灌溉条件下高生物炭施用（B30W100）表现出负面影响，但在适度水分胁迫（W80）下其缓解效果明显。B30W80处理下的Pn、Gs（光合强度）和Ci高于其他处理。Zhang等人[51]解释了这一现象。适当的水分胁迫结合高生物炭输入可能刺激植物的补偿机制，从而提高光合效率。

4.3. 水-生物炭耦合对土壤微生物群落及其驱动机制的影响
本研究系统揭示了湿润-炎热山谷地区（以高温、高蒸发和频繁干旱为特征）中水分调节和生物炭改良对根际微生物群落的协同机制。传统研究表明，生物炭主要通过提供丰富的碳源来刺激微生物生长[52]；然而，本研究发现，在干旱胁迫条件下，土壤物理和化学性质（特别是氮、碱度、酸度、电导率）的重塑是驱动微生物群落变化的关键因素[53]。本研究的结果表明，在全灌溉条件下适度生物炭施用（B20）使细菌丰富度（Chao1指数）和多样性（Shannon指数）分别提高了45.63%和11.86%，这与Zheng等人的研究结果一致[54]。这是因为生物炭的高孔隙率和比表面积为微生物的生存和繁殖提供了更有利的条件，同时其改善土壤结构、缓释养分（如氮和碱度）以及增强水分保持的能力[55]、[56]，有效缓解了干旱胁迫对微生物生态系统的负面影响。同时，高生物炭施用（B30）显著抑制了真菌群落，这可能与生物炭对可溶性养分（如氮）的吸附及其对真菌竞争动态的影响有关[57]。群落结构分析进一步证实，B20W80处理下Proteobacteria的富集可能与其对寡营养环境的适应性代谢途径的激活有关[58]。随着生物炭量的增加，Actinobacteria的相对丰度下降，表明其偏好易于降解的碳源。Ascomycota和Basidiomycota的相对丰度呈互补趋势，反映了真菌碳利用策略的适应性重塑[59]。本研究中鉴定出的功能核心微生物进一步揭示了生态功能响应。中等和高生物炭水平（B20、B30）结合亏缺灌溉（W80、W60）促进了促进生长的细菌（如Sphingomonadales、Burkholderiales）的富集。在没有生物炭（B0）和充分灌溉（W100）的条件下，容易富集潜在的病原菌（如Fusarium、Hypocreales），这与许多研究结论一致[60]、[61]、[62]、[63]。此外，Du等人[64]发现微生物群落结构与土壤物理和化学性质密切相关，这也与本研究结果一致。进一步分析表明，除了土壤物理和化学性质外，生理因素（如Pn）也显著影响了微生物群落，反映了微生物群落结构对影响因素的群体特异性和多维响应。

4.4. 水-生物炭耦合下番茄产量和品质的权衡响应和途径分析
本研究发现，适度生物炭（B20）结合适度亏缺灌溉（W60）显著改善了番茄的可溶性糖、总酸和糖酸比等品质指标。然而，亏缺灌溉显著降低了产量。He等人[65]和Wu等人[66]的实验也得出了类似结论。这可能是因为根际土壤、番茄植株和微生物在番茄栽培过程中形成了一个紧密且动态的系统[67]。PLS-SEM模型的途径分析（第3.8节）进一步验证了这一点。传统研究表明，适度亏缺灌溉引起的水分胁迫是提高番茄可溶性固形物和维生素C含量的关键因素[68]、[69]、[70]。然而，通过PLS-SEM途径分析，本研究提出了一个更复杂的调控机制。模型结果表明，生物炭和灌溉水平对改善土壤物理和化学性质有显著正面影响[71]，特别是在土壤pH值和养分有效性方面（R2=0.817）。这种改善为植物生长提供了更有利的环境，进而促进了番茄生长参数的提高（路径系数=0.396）。在微生物群落层面，生物炭的施用显著促进了有益微生物（如Sphingomonas和Streptomyces）的富集（R2=0.736），这一发现与Li等人[72]和Lu等人[73]的结论一致。这些促进植物生长的微生物通常具有固氮、磷溶解、抗逆和促进植物生长的功能。它们广泛参与有机物分解和养分循环，优化了根际土壤环境并增强了植物的抗逆性和生理活性[74]。PLS-SEM途径分析进一步揭示，富集的有益微生物群落显著增强了土壤中的蔗糖酶活性（路径系数=0.871），加速了有机碳向可利用单糖（葡萄糖和果糖）的转化，为植物生长提供了足够的碳骨架[75]。通过促进碳转化，这些微生物群落在提高番茄果实品质方面发挥了重要作用。同时，有益微生物通过竞争排斥显著抑制了潜在病原菌的生长（路径系数=-0.943），在根际构建了生物防御屏障，进一步增强了番茄植株的抗病性[76]。值得注意的是，在干旱炎热山谷的高温条件下，有益微生物显著抑制了脲酶的活性（路径系数=-0.512）。这种机制可能涉及通过延缓尿素水解速率来抑制氨的挥发，从而确保关键生长阶段的氮稳定性[77]。富含养分的根际土壤环境为番茄果实中有机化合物的形成提供了必要的养分，促进了蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶的活性，扩大了叶片和果实之间的蔗糖浓度梯度，促进了同化物向果实的转移，加速了蔗糖向果糖和葡萄糖的转化，最终提高了可溶性糖的积累[78]并改善了果实品质（路径系数=0.675）[79]。此外，本研究还发现，随着灌溉量的减少，番茄产量也下降。这可能是由于亏缺灌溉降低了土壤湿度，增加了渗透压，限制了根系对水分的吸收，进而抑制了植物的水分供应，最终导致产量下降[80]。然而，生物炭提高了土壤的保水能力和养分供应，为番茄植株提供了更加有利的生长环境，并通过改善生长参数进一步提高了产量（路径系数=0.675）。在CRITIC-TOPSIS综合评估中，B20W60被确定为最佳处理方案，主要是因为其在产量（重量占比46.91%）和番茄红素含量（重量占比35.72%）方面表现优异。结合经济效益分析（表5），尽管B20W100处理的总体产值和净利润最高，但由于产量下降，B20W60的净利润低于B20W100，但其实际应用潜力需要从高质量市场溢价、生态效益和长期成本的角度进行系统评估。一方面，B20W60处理显著提高了果实的糖酸比和番茄红素含量，使其在当前的高端新鲜番茄市场中具有较高的“质量溢价”潜力，这可以在很大程度上抵消产量下降带来的直接经济损失。此外，这种处理方法节省了40%的灌溉用水，对于水资源稀缺的干热河谷地区具有重要的农业战略意义。另一方面，本研究使用了低成本的废弃物枝条作为原料，而生物炭在土壤中具有较高的生物化学抗降解性。每公顷施用20吨生物炭实际上是一次性的土壤改良投资，其效果可持续3到5年甚至更长时间[81]。如果将成本分摊到整个农业生命周期中，B20W60策略在干热河谷地区具有实际可行性和推广价值。

5. 结论
本研究表明，水-生物炭耦合可以显著改善干热河谷地区的土壤物理和化学性质及酶活性，优化根际微环境，促进番茄生长并提高产量和质量。在亏缺灌溉条件下，生物炭的应用可以缓解水分胁迫，改善土壤环境，优化植物资源分配，并促进地上部分生长。然而，水-生物炭耦合在一定程度上抑制了光合作用，尤其是在高施用量（B30）时，主要是由于非气孔限制所致。同时，水-生物炭耦合显著调节了根际微生物群落结构，表现为优化了菌群丰度和组成。它促进了关键功能菌群的富集，从而改善了土壤微生态环境，进一步支持了番茄产量的增长和品质的形成。根据CRITIC-TOPSIS的综合评估，B20W60在综合产量和品质方面表现最佳，具有良好的应用前景。未来的研究可以关注不同生物炭的特性及其与微生物群落的相互作用机制，以进一步揭示它们对番茄品质的调控途径。

作者贡献声明
李一林：调查
李玉林：调查
张雷：调查
李建安：资金获取、调查、方法学、写作-审阅与编辑
程明珠：写作-审阅与编辑、方法学、调查
王海东：写作-审阅与编辑、方法学、调查
郭金金：监督、资源获取、概念化
杨启亮：监督、资源获取、概念化
张楚：写作-初稿、可视化、项目管理、方法学、调查、数据分析、概念化
刘彦伟：写作-审阅与编辑、验证、监督
程泽平：调查
蒲永辉：调查

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性
本研究生成的原始16S和ITS rRNA基因测序数据已存放在NCBI Sequence Read Archive (SRA) 数据库中，BioProject访问号为PRJNA1427570。其他数据将根据请求提供。

资助
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52379041）、云南省基础研究项目（项目编号202501BC070015）、云南省农业水资源高效利用与智能控制重点实验室（项目编号202449CE340014）、云南省智能农业工程技术及装备国际联合实验室（项目编号202403AP140007）、云南省智能水肥药一体化技术创新团队（项目编号202505AS350025）、云南省重大科技项目（项目编号202302AE090024）、大学生创新创业培训计划（项目编号S202410674177；202510674059）、云南省“振兴人才支持计划”青年人才项目（项目编号KKXX202523081）、云南省基础研究项目（项目编号202301BE070001-050；202401AU070138）的支持。