由木霉激活的颗粒状消化物作为化学肥料的替代品：对番茄产量和品质以及土壤根际群落的影响

《ACS Agricultural Science & Technology》：Trichoderma-Activated Granulated Digestate as an Alternative to Chemical Fertilization: Effects on Tomato Yield and Quality, and Soil Rhizospheric Communities

番茄产量及营养品质提升的生物活化颗粒肥料研究。

　　在面对全球人口持续增长的背景下，农业部门需要在2050年前将粮食产量提升70%以满足日益增长的食品需求。然而，传统农业实践，如广泛使用化学肥料和农药，以及持续耕作而无土壤休耕，不仅对环境造成了严重影响，还导致了土壤有机碳的流失、水体污染、生物多样性的减少以及温室气体排放的增加。这些因素共同构成了农业可持续性问题，促使社会寻求一种能够同时提高作物产量、减少温室气体排放并维持作物与环境质量的解决方案。

有机肥料作为替代化学肥料的一种方式，正逐渐受到关注。然而，有机肥料的营养供给效率通常低于矿物肥料，主要原因是其中的氮和磷等营养元素多以有机形式存在，需要经过矿化过程才能被植物吸收利用。此外，由于有机肥料中营养物质的释放速度较慢，可能无法满足植物在关键生长期的营养需求，从而造成营养元素在土壤中滞留，导致氮的淋失或磷的积累，这不仅影响作物产量，也对生态环境构成威胁。因此，如何提升有机肥料的营养释放效率，使其能够与化学肥料媲美，成为农业可持续发展的关键课题。

近年来，生物激活肥料（Bioactivated Fertilizers）被提出作为解决这一问题的潜在途径。生物激活肥料是指在有机基质中添加有益微生物，以增强其营养供给能力，从而提高作物产量。Clagnan等人的一项研究表明，生物激活能够显著提升有机肥料的肥效，使其在作物产量方面与化学肥料相当。在这些研究中，*Trichoderma* 属的真菌被证明是关键的促进因子，其能够通过分泌多种生物刺激分子、增强植物抗逆性以及促进有机质的分解，从而提高土壤中营养元素的可利用性。

*Trichoderma* 是一种广泛应用于农业的有益真菌，其能够通过多种机制促进植物生长。首先，*Trichoderma* 能够分泌细胞壁降解酶、非酶促分泌蛋白以及具有生物活性的次级代谢产物，如挥发性有机化合物、植物生长激素、铁载体和毒素等。这些物质能够改善土壤环境，促进植物根系发育，并增强植物对养分的吸收能力。其次，*Trichoderma* 能够通过改变土壤pH值、利用和循环有机质为无机养分，以及提高铁和磷的可溶性，从而提升土壤肥力。此外，*Trichoderma* 还能够通过调节植物的光合作用和基因表达，促进植物体内糖类和类胡萝卜素的合成，进一步提高果实品质。

厌氧发酵是一种常见的生物处理技术，能够将有机废弃物转化为生物气体和富含营养的消化残渣（Digestate）。消化残渣主要由高度生物稳定的有机物质组成，可以作为有机改良剂用于提升土壤肥力和植物营养。然而，消化残渣中的营养物质多以有机形式存在，其可利用性较低，难以满足植物在短期内的高营养需求。因此，对于需要大量养分的作物，单纯使用消化残渣可能会导致土壤中营养物质的释放不及时，进而影响作物生长和产量。为了解决这一问题，研究人员尝试将*Trichoderma*与消化残渣结合，以提升其肥效。

本研究设计了一种新型的颗粒化生物激活肥料，该肥料通过工业级的真空干燥工艺，在低温低压条件下干燥消化残渣固体部分，并与*Trichoderma*菌株结合。该工艺旨在提升肥料的管理效率和微生物活性。在温室实验中，使用该颗粒化生物激活肥料的作物产量（56 ± 7 g FW plant?1）与化学肥料（62 ± 9 g FW plant?1）相比，差异不显著，而与单纯使用消化残渣相比，其产量提高了21%至30%。这表明，生物激活不仅能够提升消化残渣的营养供给能力，还能显著改善作物生长状况。

此外，生物激活还带来了营养成分的提升，尤其是番茄果实中的番茄红素（Lycopene）含量。在本研究中，使用生物激活肥料的番茄红素含量比未激活的消化残渣提高了8.8%至15.8%。这表明，*Trichoderma*的引入能够促进番茄红素的合成，从而改善果实品质。番茄红素不仅影响果实的营养价值，还与果实的颜色和口感密切相关，是衡量番茄品质的重要指标之一。

为了进一步验证生物激活肥料的效果，研究人员对土壤和肥料进行了微生物群落分析。结果表明，生物激活肥料能够显著改变番茄根际的微生物组成，促进有益微生物的生长，并抑制潜在的植物病原菌。例如，在生物激活处理后的土壤中，检测到了一些具有生物控制作用的真菌，如*Fusicolla*、*Pseudorhypophila*等，这些真菌能够与*Trichoderma*形成正向互作，从而增强其生物刺激效果。同时，细菌群落中也检测到了一些具有降解木质纤维素能力的微生物，如*Aeribacillus*，它们能够促进土壤有机质的分解，释放更多营养物质供植物利用。

值得注意的是，虽然颗粒化生物激活肥料的*Trichoderma*丰度略低于液体微生物激活处理，但其在根际环境中仍能够有效定殖并发挥积极作用。这可能与颗粒结构的保护作用有关，颗粒能够减少微生物的水分蒸发，维持其活性，同时为微生物提供一个稳定的生长环境。此外，颗粒化处理还能够提高肥料的物理稳定性，便于运输和储存，从而降低使用过程中的损失。

从营养成分的角度来看，生物激活肥料能够显著提高番茄果实中的氮、磷、钾等主要营养元素的含量。其中，氮的含量在生物激活处理下与化学肥料相比无显著差异，但磷和钾的含量则有所提升。这表明，*Trichoderma*不仅能够促进氮的释放，还能通过其代谢活动提高磷和钾的可利用性。同时，生物激活肥料还能够提高番茄果实中的钙、镁等微量元素的含量，进一步改善果实的营养结构。

在果实品质方面，生物激活肥料能够显著提高番茄的总可溶性糖（TSS）含量。TSS是衡量番茄甜度的重要指标，与果实的口感和市场价值密切相关。实验结果显示，使用生物激活肥料的番茄TSS含量比未激活的消化残渣和化学肥料更高，这可能与*Trichoderma*促进糖类代谢和合成有关。此外，生物激活还能够提高番茄果实的酸度和糖分比例，使其更加符合消费者对番茄品质的要求。

从农业可持续性的角度来看，生物激活肥料的使用不仅能够减少对化学肥料的依赖，还能有效利用农业废弃物，如消化残渣，实现资源的循环利用。这符合循环经济的理念，有助于减少农业对环境的负面影响。此外，生物激活肥料的颗粒化形式还能够提高其在田间的使用效率，减少施肥过程中的损耗，从而降低农业生产成本。

总体而言，本研究展示了生物激活肥料在提升作物产量和改善果实品质方面的潜力。通过将*Trichoderma*与消化残渣结合，并采用颗粒化技术，研究人员成功开发出一种新型的有机肥料，其在温室实验中表现出与化学肥料相当的肥效，同时还能显著提高番茄果实的营养价值。这些成果不仅为农业可持续发展提供了新的思路，也为未来生物肥料的商业化应用奠定了基础。