不同发酵方法制备的猪粪堆肥与化学肥料联合施用对冬小麦产量、光热生理特性及土壤生物特性的影响

《Frontiers in Plant Science》：Effects of combined application of pig manure composts prepared using different fermentation methods with chemical fertilizer on winter wheat yield, light-thermal physiology, and soil biological characteristics

猪粪堆肥不同发酵方法与化肥配比对冬小麦生长及土壤的影响研究。通过田间试验分析，发现酸调控堆肥（TA3）与化肥以25:75比例结合时，显著提高冬小麦产量（42.26%高于对照），促进氮磷钾吸收及光合作用，改善土壤结构（大团聚体比例增加8.73%）和微生物多样性（Chao1和Shannon指数提升）。机制表明，酸调控堆肥通过调节pH、增强酶活性及促进有益微生物增殖，优化养分供应与土壤环境。研究证实有机无机协同施用可有效提升沙质潮土区冬小麦生产效益与土壤健康，推荐25:75酸调控堆肥+化肥配比作为优化方案。

　　本研究探讨了不同发酵方式制成的猪粪堆肥与化学肥料结合对冬小麦产量、养分吸收、光热生理特性、土壤肥力及微生物群落结构的影响。通过在河南农业大学元阳科技教育园区进行的田间试验，研究人员分析了肥料组合对冬小麦生长全过程的影响，从而为提高中国冬小麦种植区的土壤肥力和作物产量提供科学依据。

冬小麦是中国重要的主粮作物之一，占据了全国约19.9%的粮食种植面积和19.6%的粮食总产量。随着农业技术的进步，冬小麦的产量和生产效率得到了提升，但单位面积的产量增长仍面临诸多挑战，如气候变化、人口增长和耕地资源减少等。化学肥料在提高作物产量和品质方面发挥着重要作用，然而其过度使用和不合理的施用方式已对生态环境造成严重影响，包括土壤退化、温室气体排放增加以及水体富营养化等。因此，发展兼顾作物产量和土壤健康的绿色高效施肥策略显得尤为重要。

有机肥富含有机质、必需养分和有益微生物，适当施用可以显著改善土壤结构、促进养分循环、提高土壤酶活性和土壤肥力。然而，有机肥也存在一些局限性，如关键养分浓度较低、养分释放缓慢以及需要大量施用等问题，使其在单季作物生长中难以满足养分需求。研究发现，单一或过量施用有机肥无法满足中国大部分地区的粮食安全需求，唯有通过有机与无机肥的结合，平衡快速养分供应与长期肥力，才能充分发挥两者的优势，提高小麦产量和土壤肥力。

近年来，随着畜牧业的快速发展，中国每年产生约38亿吨畜禽粪便，其中超过75%的粪便已被转化为有机肥。尽管如此，未经处理的畜禽粪便仍含有大量病原体、重金属和新兴污染物如微塑料和抗生素耐药基因，直接施用于农田可能通过微生物活动将这些污染物转移到作物中，并进一步影响整个食物链，对生态系统安全和人类健康构成威胁。因此，研发适合畜禽粪便的发酵和堆肥方法，对于提高有机肥的安全性、可靠性以及附加值利用具有重要的理论和实践意义。

本研究采用一种简便的化学调节方法，即醋酸调节，以控制堆肥过程中的pH值，并通过田间试验验证其对作物系统性能的影响。研究中使用了四种不同的堆肥方法：自然堆肥、水控槽式堆肥、酸控槽式堆肥和常规槽式堆肥，并将其与化学肥料按25:75和50:50的比例结合，以评估其对冬小麦产量、光热生理特性、养分吸收和土壤特性（包括养分含量、酶活性、团聚体结构和微生物群落组成）的影响。

研究结果显示，采用25:75比例的酸控槽式堆肥（TA3）与化学肥料结合，能够显著提高冬小麦产量，比对照组（CK）提高了42.26%，比化学肥料单独施用（TK）提高了6.43%，并比其他有机肥处理平均高出12.68%。TA3在提高总氮、磷和钾的吸收量和吸收速率方面表现最佳，且在各个生长阶段均显著提升了光合作用性能。此外，这种肥料组合还改善了土壤养分状况，提高了大于等于0.25毫米的大团聚体比例，有助于提升土壤肥力和结构稳定性。高通量测序分析表明，酸控堆肥改变了土壤微生物群落结构，促进了稀有微生物类群的扩展，这可能有助于增强土壤的碳氮代谢网络，从而为养分效率和健康根系发育提供持续的生物动力。

土壤酶活性是土壤质量、肥力和微生物生态功能的重要指标，这些酶直接参与生物地球化学循环和养分转化，广泛用于评估土壤生化功能和生态系统健康状况。研究显示，酸控堆肥与化学肥料结合显著提高了土壤中的脲酶、酸性磷酸酶和脱氢酶活性，其中TB处理（50%有机肥+50%化学肥）效果最为明显。这种提升主要归因于堆肥中丰富的有机碳，它为微生物提供了稳定的碳源，促进了微生物生长和酶分泌。此外，堆肥中的可溶性有机物和微生物代谢产物有助于形成有利的微生态环境，增强酶系统稳定性与活性，从而改善养分转化和土壤肥力。

土壤微生物群落的多样性与作物生长和土壤健康密切相关。研究发现，酸控堆肥不仅维持了核心微生物群落，还促进了稀有微生物类群的扩张，这可能与堆肥提供多样化的碳源和能量物质有关。这些微生物的多样化有助于增强微生物生态位的多样性，提高功能冗余性，从而稳定群落结构。然而，由于有机肥输入时间较短，某些指标的提升幅度有限。

在菌门层面，TA3和TB3处理中的菌群多样性显著高于其他处理，这表明堆肥不仅有助于维持核心微生物群落，还能促进有益微生物类群的富集，如放线菌、固氮菌和溶磷菌。这些微生物能够分解有机质、矿化养分，提高脲酶、酸性磷酸酶等酶活性，加速氮和磷的循环过程。相比之下，单独施用化学肥料可能导致部分快速代谢微生物占据主导地位，从而降低微生物多样性。通过冗余分析（RDA）进一步表明，微生物群落的变化主要受到土壤有机质、pH、可利用磷和铵态氮等环境因素的影响。这些因素通过调节养分可用性和微环境条件，影响微生物代谢活动，从而促进作物养分吸收、光合作用和产量提升。

研究还发现，酸控堆肥在调节pH、减少氮气挥发、富集有益微生物群落、增强脲酶和酸性磷酸酶活性以及加速养分矿化和转化方面表现尤为突出。这种调节方式不仅有助于提高堆肥的持水性和养分保持能力，还能减少重金属的生物可利用性，从而显著增强堆肥的缓释性能和肥效。总体来看，酸控槽式堆肥在所有试验处理中展现出最平衡和优越的效果，有效降低了氮素损失，提高了酶活性，并促进了有益微生物的繁殖和腐殖质的形成。因此，酸控槽式堆肥与化学肥料按25:75的比例结合，显示出良好的应用前景，为河南省北部的沙壤质淡色水稻土地区的可持续冬小麦种植提供了可行的策略。

此外，研究还发现，土壤团聚体的形成与养分供应、土壤结构和微生物活动密切相关。在所有处理中，酸控堆肥与化学肥料的组合显著提高了大于等于0.25毫米的大团聚体比例，降低了小于0.053毫米的粉砂和黏土比例。这表明，有机肥的加入有助于促进土壤结构的稳定性和持水能力，从而改善土壤的物理性质，提高作物的根系发育和养分吸收效率。同时，研究还发现，土壤微生物群落的变化与土壤理化性质和团聚体结构之间存在显著的相关性，进一步证明了微生物在土壤养分转化和作物生长中的关键作用。

通过比较自然堆肥、水控槽式堆肥、酸控槽式堆肥和常规槽式堆肥，研究发现这四种方法在养分供应、土壤结构、酶活性和微生物群落方面存在显著差异。自然堆肥由于缺乏环境调控，分解缓慢，导致养分损失严重。常规槽式堆肥虽然通过通风改善了分解条件，但水分和pH值的波动仍然限制了养分保持和微生物活动。相比之下，水控槽式堆肥通过稳定水分含量，促进了有机质分解和腐殖质形成，从而增强了养分供应的持续性和土壤酶活性。而酸控槽式堆肥则表现出最佳的综合性能，不仅减少了氮素损失，还提高了酶活性，促进了有益微生物的繁殖和腐殖质的形成。

综上所述，本研究强调了在特定土壤类型（如沙壤质淡色水稻土）中，合理使用有机与无机肥结合的施肥策略对提高作物产量和土壤健康的重要性。特别是酸控槽式堆肥，由于其在调控pH、减少氮素损失、提高酶活性和促进有益微生物繁殖方面表现突出，因此被认为是处理猪粪的最佳方法之一。未来的研究可以进一步探讨不同发酵方法对土壤微生物群落长期变化的影响，以及在不同气候条件和土壤类型中的适用性，从而为实现农业的可持续发展提供更加全面的科学支持。