烟草是豫西丘陵旱作区重要的经济作物之一，豫西烟区属山地丘陵地貌，山地、丘陵面积占总面积的90%以上，是河南省烤烟主产区^[1-2]。但是豫西水资源匮乏、降雨量少、土壤保水保肥能力较差，严重制约了优质烟叶生产，如何提高土壤含水率，改善土壤理化性质，是当前迫切需要解决的问题^[3]。保水剂是一种具有较强吸水能力的功能高分子材料。它可以反复吸收和释放水分，可用于缺水地区的作物生长^[4]。近年来，保水剂在烤烟生产中的应用备受关注，然而传统保水剂吸水保水性能较差，并且对土壤吸水保水能力提升较小，无法满足烤烟生长对水分的需求。

复合保水剂具有更多的亲水官能团和延伸的三维网络结构，有更好的水分吸附和截留能力^[5]，可以显著提高土壤持水能力，减少土壤养分流失，促进作物生长。李红霞等^[6]以分子筛、聚乙烯醇和丙烯酸为材料制备出了一种分子筛复合保水剂，施用该保水剂可以提高植烟土壤含水率、速效养分和酶活性，促进烤烟生长发育，提高烟叶中性致香成分含量和经济效益。夏茂林等^[7]以聚乙烯醇和丙烯酸为原料，加入生物炭和腐殖酸钾制备出了2种复合保水剂，其在烟草中的试验表明，施加2种复合保水剂能够促进烤烟根系发育和烤烟碳氮代谢能力，使烤后烟常规化学成分更加协调。黄帮裕等^[8]以海藻酸钠、高岭土为原料，制备出了高岭土/海藻酸钠接枝丙烯酸和丙烯酰胺复合保水剂，施用该保水剂可以提高土壤含水率、速效养分含量以及玉米的水肥利用效率。目前，已有研究^[6,8]表明复合保水剂可以提高土壤含水率和肥力，但将丙烯酸（PVA）、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）分别与羧甲基纤维素钠（CMC）和腐殖酸钾（HAK）结合制作复合保水剂的研究较少，复合保水剂对植烟土壤性质和细菌群落结构的影响更是鲜有报道。因此，本试验以传统保水剂（商用保水剂和长效钾型保水剂）和自制新型保水剂（自制羧甲基纤维素钠复合保水剂和腐殖酸钾复合保水剂）为材料，探究不同保水剂对植烟土壤性质以及细菌群落结构的影响，以期为保水剂应用于烟草生产提供理论依据和参考。

试验于2023年5-10月在河南省三门峡市灵宝市梁家庄进行，该地年均气温14.5 ℃，年总降水量511.9 mm，3-5月平均降水量为75.6 mm，6-8月平均降水量为27.1 mm。商用保水剂为聚丙烯酰胺保水剂，由宜兴市可信的化工贸易有限公司生产；长效钾型保水剂为聚丙烯酰胺与丙烯酸聚合物，由北京希涛技术开发有限公司生产；自制保水剂为羧甲基纤维素钠复合保水剂（AM/CMC）、腐殖酸钾复合保水剂（AM/HAK），其中AM/CMC主要成分为丙烯酸和羧甲基纤维素钠，AM/HAK主要成分为丙烯酸和腐殖酸钾。试验地土壤基础养分为pH 7.65、碱解氮60.49 mg/kg、有效磷6.01 mg/kg、速效钾183.46 mg/kg、有机质15.8 g/kg。供试烤烟品种为云烟87。

试验设置5个处理，分别是常规施肥（CK）、常规施肥+商用保水剂90 kg/hm²（T1）、常规施肥+长效钾型保水剂90 kg/hm²（T2）、常规施肥+ AM/CMC保水剂90 kg/hm²（T3）、常规施肥+ AM/HAK保水剂90 kg/hm²（T4），每个处理3个小区，每个小区66.7 m²。。育苗采用漂浮育苗，5月11日移栽，株距0.5 m，行距1.2 m。各处理常规施肥一致：烟草专用复合肥（N:P₂O₅:K₂O= 8:8:14）900 kg/hm²、硫酸钾（K₂O≥52%）225 kg/hm²、商用有机肥（N+P₂O₅+K₂O≥5%）3000 kg/hm²，全部用作基肥一次性条施。基肥在起垄时条施，保水剂施用方式为穴施，大田管理按照三门峡市特色优质烤烟生产技术实施。

记载各处理的生育进程（45、60、75、90 d）；每个小区选取5株代表性烟株，测定株高、最大叶长、最大叶宽、茎围和有效叶数等农艺性状指标。选择长势均匀的中部功能叶片，采用SPAD-502Plus便携式叶绿素测定仪（日本柯尼卡美能达公司）测定烟叶的相对叶绿素含量（SPAD值），每片烟叶在离主脉3 cm两侧对称处各选择6个点进行测量^[9]，求平均值。

于移栽后60 d采用5点取样法采集各处理土样，采用抖根法采集各处理根际土，采集后混合均匀。将采集后的土样分别等量混合后分为2个部分，其中一部分置于-80 ℃超低温冰箱中用于土壤微生物的测定，另一部分自然风干后过0.25 mm筛，参考文献[10]方法测定土壤速效磷、速效钾、碱解氮、有机质、全碳和全氮含量。

根据E.Z.N.A. ® soil DNA kit（Omega Bio-tek，Norcross，GA，美国）检测盒进行微生物群落总DNA抽提，随后进行PCR扩增产物检测。由上海美吉生物医药科技有限公司构建高通量测序文库和完成基于Illumina MiSeq平台的测序。

选取各处理最具代表性的中部烟叶，采用连续流动分析仪（德国BRAN+LU-EBBE公司）测定烤烟烟碱、还原糖、总糖、总氮、钾、氯等常规化学成分。依据YC/T 159-2019^[11]测定总糖和还原糖含量，依据YC/T 217-2007^[12]测定钾含量，依据YC/T 162-2011^[13]测定氯含量，依据YC/T 160-2002^[14]测定烟碱含量。

各处理实采实收，分别计产。烤烟分期采收烘烤，各个时期实际采收烘烤量相加即为小区的实际产量。通过面积换算得到产值。

使用fastp软件对原始测序序列进行质控，使用FLASH软件进行拼接。通过Microsoft Office Excel 2016和DPS 7.5软件进行数据统计分析，采用Duncan法进行多重比较。

如表1所示，移栽后45 d时，T3处理的株高、最大叶长、最大叶宽和茎围较CK显著提高，分别提高了46.34%、28.36%、41.67%和32.56%。移栽后60 d时，T3和T4处理的株高、有效叶数、最大叶长、最大叶宽和茎围较CK处理均显著提高。移栽后75 d时，T3和T4处理烟株长势较好，T3处理株高较CK、T1、T2处理分别提高了26.79%、13.94%、10.25%，T4处理分别提高了31.22%、17.92%、14.10%；最大叶宽和茎围也与CK、T1和T2处理存在显著差异。移栽后90 d时，各处理最大叶长差异较小，T1、T2、T3处理与CK无显著差异，但T3和T4处理株高和最大叶宽较CK、T1、T2均显著提高。施加保水剂后各处理农艺性状指标较CK均有所提高，说明施加保水剂可以促进烤烟生长发育，总的来看，T3和T4处理促进烟株生长发育的效果较好。

如图1所示，移栽后45 d时，各处理SPAD值差异较小，其中T4处理最高，较CK、T1、T2分别提高了6.97%、6.10%和3.16%。移栽后60 d时，烟株生长旺盛，烟叶光合作用强，60 d时SPAD值达到最高。移栽后75 d时，T3、T4处理SPAD值较CK处理均显著提高，分别提高了8.73%和10.50%。与移栽后75 d相比，移栽后90 d时，施加保水剂处理的SPAD值均有所降低，说明其叶绿素降解，有利于烟叶落黄，而CK处理SPAD值变化较小，不利于烟叶落黄。

如图2所示，移栽后45 d时，T3和T4处理土壤含水率显著高于CK、T1和T2处理，T4处理土壤含水率较CK、T1、T2处理分别提高了15.90%、10.07%和8.91%；移栽后60 d时，各处理土壤含水率均有所下降，T1和T2处理土壤含水率与CK无显著差异，而T3和T4处理土壤含水率较CK、T1、T2处理均显著提高，说明商用保水剂和长效钾型保水剂虽然可以起到保水的效果，但保水能力较差，而自制复合保水剂保水能力较强，更能满足烤烟旺长期对水分的需求；移栽后75 d时，T3和T4处理土壤含水率均显著高于CK，且显著高于施加商用保水剂的T1和T2处理；移栽后90 d时，T1处理与CK无显著差异，T2、T3、T4处理组间无显著差异，但都显著高于CK，其中T4处理土壤含水率较CK和T1处理分别提高了15.31%和10.56%。由此可见，在本试验中T3和T4处理提升土壤含水率效果较好。

如表2所示，T2、T3、T4处理土壤有机质较CK均显著提高，分别提高8.01%、15.31%、19.73%，且T4处理有机质含量较T1、T2处理也显著提高。各处理土壤碱解氮含量较CK均有所提高，仅T1处理与CK相比无显著差异，其余处理较CK均显著提高。T4处理有效磷和速效钾含量均为最高，其中速效钾含量较CK、T1、T2处理分别提高了30.65%、24.07%和15.65%。T1和T2处理土壤全碳含量与CK无显著差异，但T3、T4土壤全碳含量较CK、T1和T3处理均显著提高，其中T4处理较CK、T1和T2处理分别提高了53.62%、36.15%和22.07%。T4处理全氮含量最高，较CK、T1、T2处理分别提高了25.42%、21.31%和15.63%，T1、T2、T3处理组间无显著差异。由此可见，T3和T4处理提高土壤养分的效果较好。

所有样本共获得1 140 371个细菌有效序列，总长度为475 006 335 bp，平均序列长度416 bp。根据97%的相似度阈值对细菌群落进行聚类判定与物种注释，共计得到9311个细菌OTU（图3）。其中，细菌隶属于40门129纲313目495科939属2007种。由表3可知，T3处理的Sobs指数、ACE指数和Chao1指数最高；T4处理的辛普森指数最高，但各处理间无显著差异。4个处理覆盖度均大于0.98，满足后续样品分析需求。

图4中所示为丰度最高的10个菌门，其中丰度较高的门种类分别为放线菌门（Actinobacteriota）、变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、酸杆菌门（Acidobacteriota）和芽单胞菌门（Gemmatimonadota），相对丰度分别为22.56%~ 30.60%、17.19%~21.37%、15.85%~19.67%、13.41%~20.57%和4.19%~5.43%。

基于OTU丰度的土壤细菌群落PCA分析结果如图5a所示，CK与其余处理细菌群落明显分离，T1和T3处理以及T1和T4处理之间的细菌群落差距较小，但也与CK明显分离，说明保水剂处理均对土壤细菌群落组成有影响。基于OTU丰度的土壤细菌群落PcoA分析结果如图5b所示，其中主成分1（PC1）和主成分2（PC2）累计可解释全部样本信息的41.07%，进一步进行Anosim检验得到，表示组间与组内差异程度的R值为0.2119，P值为0.033，说明处理间群落结构差异显著，群落结构相对离散，施加保水剂对细菌群落有显著影响。

相关性分析结果（图6）表明，拟杆菌门（Bacteroidota）和肠杆菌门（Entotheonellaeota）与速效磷呈显著正相关（P<0.05），与有机质呈极显著正相关（P<0.01）。蛭弧菌门（Bdellovibrionota）与全碳呈显著正相关。纤维杆菌门（Fibrobacterota）和装甲菌门（Armatimonadota）与碱解氮呈显著负相关。甲基微菌门（Methylomirabilota）、疣微菌门（Verrucomicrobiota）与有机质呈显著负相关。

表4表明，施加保水剂后各处理烟碱含量较CK均显著降低，其中T4处理烟碱含量最低，较CK、T1、T2处理分别降低了33.40%、18.80%、22.64%。各试验组处理还原糖含量均显著高于CK，而T4处理又显著高于T1、T2和T3处理；总糖含量除T1处理外其余处理均显著高于CK，其中T4处理最高，较CK、T1、T2处理分别提高了24.49%、26.18%、13.99%。T1、T3和T4处理总氮含量较CK处理显著降低，但T2处理总氮含量与CK无显著差异，降低不明显。施加保水剂后各处理钾含量较CK均有所提高，T4处理钾含量最高，较CK、T1、T2分别提高了17.14%、11.81%、9.82%；并且T3、T4处理氯含量较CK显著降低，但与T1和T2处理无显著差异，说明施加保水剂可以提高烤后烟总糖、还原糖和钾含量，降低总氮和烟碱含量，提高烤烟两糖比和钾氯比，其中T4处理效果较好。

由表5可知，T4处理的产量、产值、上等烟比例、均价等经济指标均高于CK、T1和T2处理，各处理产量依次是T4>T3>T2>T1>CK，T4处理产量和产值最高，产量较CK、T1和T2处理分别提高了12.88%、10.26%、8.27%，产值分别提高了19.69%、14.67%、11.99%。说明施加AM/HAK保水剂更有利于提高烤烟的经济效益，并且效果优于商用保水剂和长效钾型保水剂。

已有研究^[15-16]表明，田间施用保水剂可以提高植烟土壤含水率和养分含量。本研究表明，施用保水剂后可以提高土壤含水率，其中自制AM/CMC和AM/HAK相较于商用保水剂和长效钾型保水剂对土壤含水率具有较优的提高作用，与杜甫等^[17]研究结果相似。其中AM/HAK效果最好，移栽后45、60和75 d土壤含水率较CK、T1和T2处理均显著提高。这可能是由于保水剂施于土壤后可以吸收水分并逐渐膨胀，提高了土壤的透水性和蓄水能力。并且保水剂对土壤有粘结作用，表现为保水剂周围吸附微团聚体，从而形成大团聚体，达到减少土壤水分流失的目的^[18-19]，同时腐殖酸钾含有丰富的黄腐殖酸和极性官能团，用腐殖酸钾制备的保水剂具有丰富的网络状结构和亲水性基团，从而具有更优的吸水和保水性能^[4]，因此效果优于商用保水剂和长效钾型保水剂。本研究结果表明，施加保水剂后各处理土壤养分含量较CK均有所提高，这可能是因为保水剂可以通过包裹和络合等不同的方式将已经溶解在水中的土壤养分离子固定并缓慢释放，保水剂分子本身的结构特性也可以吸附营养物质。用腐殖酸钾制备的复合保水剂具有更加复杂的空间网状结构，可以更好地吸附土壤中的养分离子，并且腐殖酸钾复合保水剂在土壤中的降解也会为土壤提供养分^[7]，因此腐殖酸钾复合保水剂具有更优的保水保肥能力。

土壤细菌是土壤中重要的微生物类群，在有机质分解、养分转化、维持生态系统可持续性、调节土壤生产力等方面发挥重要作用，可促进植物生长^[20]，土壤细菌群落结构与土壤养分和植物生长密切相关^[21]，土壤细菌的多样性和组成是土壤的重要指标。本研究结果表明，与对照以及施用商用和长效钾型保水剂相比，施加复合保水剂提高了变形菌门和拟杆菌门的相对丰度。变形菌门是最大、最多样化的细菌门，在系统发育、生态学和致病性等方面十分重要^[22]，拟杆菌门是富营养的微环境中自由生活型微生物群落的重要组成部分^[23]。这2种菌门丰度的提高说明施加复合保水剂后提高了土壤养分含量并改善了土壤环境，有利于土壤保育。PCA和PCoA分析结果表明，施加保水剂的处理与CK明显分离，Anosim检验得到表示组间与组内差异程度的R值为0.2119，P值为0.033，说明处理间群落结构差异显著，群落结构相对离散，施加保水剂对细菌群落有显著影响。这可能是因为保水剂施于土壤后吸水膨胀并与土壤粘结形成团聚体，改变了土壤结构；并且复合保水剂可以在土壤中降解，为细菌繁殖提供养分，从而对土壤细菌群落结构产生影响。相关性分析表明，拟杆菌门和肠杆菌门与速效磷呈显著正相关（P<0.05），与有机质呈极显著正相关（P<0.01），蛭弧菌门与全碳呈显著正相关。纤维杆菌门和装甲菌门与碱解氮呈显著负相关；甲基微菌门、疣微菌门与有机质呈显著负相关。说明多数菌门与土壤养分存在显著相关关系，保水剂的施加提高了土壤养分含量，进而影响土壤细菌群落结构。其中拟杆菌门在土壤养分含量高的环境中发育更快，因此与速效磷和有机质呈显著正相关，这与张晓花等^[24]研究结果相似。

已有研究^[25-27]表明，施加保水剂可以促进作物生长发育。本研究结果表明，施加保水剂后各处理烤烟农艺性状均高于CK，其中T4处理效果较好，在移栽后60 d时株高、最大叶长、最大叶宽和茎围均为最高；移栽后75 d时株高较CK、T1、T2分别提高了31.22%、17.92%和14.10%；移栽后75 d时SPAD值较CK、T1、T2处理分别提高了10.50%、8.43%、7.82%。这可能是因为保水剂的施用可以提高土壤含水率和土壤养分，从而促进烤烟生长发育。以腐殖酸钾为原料制作的复合保水剂具有更加丰富的孔隙结构以及更多亲水集团，有利于提高保水剂的吸水性能，因此AM/HAK复合保水剂的效果优于其他保水剂，这与程红胜等^[27]研究结果相似。施用保水剂后各处理还原糖和总糖含量有所提高，烟叶糖碱比和钾氯比更为协调，更符合优质烤烟标准。这可能是因为保水剂可以在烤烟生长后期调节烟叶碳氮代谢，促进了烟株由以氮代谢和碳固定、转化代谢为主转变为以碳的积累代谢为主，使得烟叶中的烟碱、总氮、氯含量降低，还原糖、总糖、钾含量升高^[28]。并且T4处理的产量和产值均为最高，说明施加保水剂可以促进烤烟生长发育，提高烤烟产量和质量，其中AM/HAK复合保水剂效果最好。

施用AM/HAK复合保水剂可以提高土壤含水率和养分，进而改善植烟土壤环境，引起土壤细菌群落的变化，提高了功能微生物变形菌门和拟杆菌门的相对丰度，促进烟株的生长发育。使得烟叶化学成分更加适宜协调，改善了烟叶品质，并提高了烟叶经济性状。