生物炭强化堆肥：鸡粪废弃物资源化转化提升根际外土壤肥力并重塑微生物群落

《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Biochar-Amended Composting Transforms Chicken Manure Waste Into a Resource: Enhancing Extra-Rhizosphere Soil Fertility and Shaping Microbial Communities

本研究针对鸡粪直接还田引发的病原体扩散、盐分胁迫及养分流失等问题，通过添加生物炭（5%-7%）协同蘑菇渣进行堆肥优化。结果表明，生物炭改性堆肥（BCM）显著提升堆肥腐熟度（C/N比降至15.6-18.2），促进硝态氮（NO3-N）、有效磷（AP）和土壤有机质（SOM）积累（增幅37%-59%），并通过富集变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteriota）、抑制嗜盐菌（Halomonas）优化微生物群落结构。该策略为农业废弃物资源化与土壤健康调控提供精准方案。

　　

每年全球产生数以亿吨计的禽畜粪便，若处理不当，不仅造成资源浪费，更可能成为环境污染的“隐形杀手”。以鸡粪为例，其富含氮、磷、钾等营养元素，但直接施用却暗藏风险：病原微生物如沙门氏菌、大肠杆菌可能通过土壤传播，高浓度的氨气和盐分易引发作物生理障碍，而未被固定的养分在雨水冲刷下渗入地下水，引发富营养化。传统堆肥虽能通过高温发酵降解部分有害物质，但往往面临效率低、养分损失大、成品质量不稳定等问题。如何将鸡粪这类农业废弃物“变废为宝”，转化为安全高效的土壤改良剂，成为推动绿色农业发展的关键课题。

在这一背景下，生物炭——一种由秸秆等生物质在限氧条件下热解产生的多孔碳材料，因其独特的吸附性和微生物载体功能，被引入堆肥体系。近期发表于《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》的一项研究，由Chen Longjun等学者团队开展，系统探讨了生物炭添加对鸡粪-蘑菇渣堆肥过程及其施用后根际外土壤生态效应的调控机制。研究通过设计不同生物炭比例（0%-7%）的堆肥试验，结合土壤养分分析、酶活性检测及高通量测序技术，揭示了生物炭在提升堆肥产品品质和塑造土壤微生物功能方面的双重作用。

关键技术方法概述

研究通过50天堆肥实验，以鸡粪和蘑菇渣（含竹粉、锯屑、小麦秸秆）为原料，按0%-7%梯度添加玉米秸秆生物炭（比表面积100-130 m2/g）。堆肥产物施用于蔬菜土壤后，于白菜生长第40天采集根际外土壤（距植株6 cm半径圈外、深5 cm），测定pH、电导率（EC）、养分（NO₃-N、AP、AK、SOM）、酶活性（磷酸酶、过氧化氢酶、脲酶），并利用16S rRNA扩增子测序（V3-V4区）分析微生物群落结构与功能通路。

研究结果

3.1 堆肥产物与土壤肥力提升

生物炭添加显著优化堆肥化学性质。当添加量为5%-7%时，堆肥C/N比降至15.6-18.2，达到腐熟标准；根际外土壤中NO₃-N、AP和SOM含量较对照组提升2.2-4.0倍（如AP达50.09 mg/kg），且与生物炭剂量呈正相关。土壤pH缓升至6.01-6.91，而EC稳定在1.78-3.36 mS/cm，表明生物炭有效中和酸性代谢产物并吸附盐离子。

3.2 酶活性与微生物群落重构

磷酸酶（9.81 mg/g·24 h）和过氧化氢酶（83.08 μmol/g·24 h）活性在7%生物炭处理下达到峰值，且与SOM、AP含量显著相关（R2=0.71-0.82）。微生物多样性分析显示，生物炭处理组Shannon指数提升至5.8-6.2（对照组5.1），群落结构发生明显分异。在门水平，变形菌门（Proteobacteria，34.1%）、酸杆菌门（Acidobacteria，18.9%）和放线菌门（Actinobacteriota，15.2%）成为优势菌群；属水平上，固氮菌Bradyrhizobium及纤维素降解菌Streptomyces丰度显著增加，而嗜盐菌Halomonas相对丰度下降52%。

3.3 功能基因富集与生态关联

宏基因组功能预测表明，生物炭处理显著增强碳代谢、氧化磷酸化及生物膜形成等通路。冗余分析（RDA）进一步揭示，SOM和AP是驱动微生物群落结构（R2=0.91）和功能分异（R2=0.72）的关键环境因子，印证了养分循环与微生物代谢的协同机制。

结论与展望

本研究证实，5%生物炭添加量为鸡粪-蘑菇渣堆肥的最优比例，可在保障堆肥腐熟度的同时，最大化提升根际外土壤肥力并优化微生物功能。生物炭通过其多孔结构吸附养分、调节微环境，并定向富集有益微生物（如固氮、解磷菌群），从而构建“养分库-微生物”协同增效体系。该成果为农业废弃物高值化利用提供了理论依据和技术参数，对推动土壤健康管理与循环农业发展具有重要意义。未来研究可进一步探讨生物炭原料（如木屑与秸秆）及热解温度（500-700°C）对堆肥微生物组装机制的影响，以拓展其在精准农业中的应用边界。