黑水虻幼虫粪肥与小麦秸秆生物炭联用提升甜椒抗旱性及土壤健康的机制研究

本研究针对干旱胁迫下作物生产力受限的全球性难题，创新性地将黑水虻幼虫粪肥(BSFL frass)与小麦秸秆生物炭(biochar)联用，系统评估了其对甜椒(Capsicum annuum L.)生长、土壤肥力及根际细菌群落的调控作用。通过控制水分供应(70% vs 35%田间持水量)和两种粪肥类型(蔬菜源/粪肥源)，研究发现粪肥显著提升甜椒生物量(增幅达30%)及土壤NH4+-N、DOC等指标，而生物炭协同作用可富集Porphyrobacter等抗旱菌群。该成果为干旱区农业可持续发展提供了新型土壤改良策略，发表于《Plant and Soil》。

　　

气候变化加剧背景下，干旱已成为限制农作物生产力的首要环境胁迫因素。甜椒作为全球重要的经济作物，其生长对水分胁迫极为敏感，而传统灌溉管理难以应对日益频发的极端干旱事件。与此同时，土壤退化与微生物群落失衡进一步加剧了干旱区的农业脆弱性。在这一背景下，如何通过生态友好的土壤改良措施提升作物抗旱性，成为农业可持续发展领域的关键科学问题。

澳大利亚西澳大学农业与环境学院的Sun K. Gurung团队创新性地将昆虫生物转化产物——黑水虻幼虫粪肥(BSFL frass)与小麦秸秆生物炭(biochar)相结合，在《Plant and Soil》发表了题为"Turning waste into resilience"的研究论文。该工作通过10周温室控制实验，首次系统解析了两种有机改良剂(蔬菜源/粪肥源粪肥±生物炭)在不同水分条件下(70% vs 35%田间持水量)对甜椒生长-土壤-微生物系统的多维影响。

研究采用三因素完全随机设计，主要技术方法包括：1) 基于田间持水量控制的干旱模拟系统；2) 土壤理化分析(NH₄⁺-N、NO₃^--N、DOC等)；3) 微生物生物量碳氮(MBC/MBN)的氯仿熏蒸提取法；4) 高通量16S rRNA基因测序及PICRUSt2功能预测；5) 多元统计方法(CCA、PERMANOVA)分析环境因子-微生物群落关联性。

研究结果
植物生长
水分与粪肥类型存在显著互作：在正常水分下，蔬菜源粪肥使甜椒地上部干重比粪肥源提高23%，而干旱条件下两者无差异。生物炭使整体生物量提升15%，但未能缓解干旱胁迫效应。值得注意的是，蔬菜源粪肥显著增加根系生物量(较对照提升40%)，且使叶片氮含量提高34%，凸显其营养优势。

土壤性质
粪肥类型主导土壤改良效果：蔬菜源粪肥使土壤铵态氮(NH₄⁺-N)提升142倍，而粪肥源更显著增加溶解性有机碳(DOC)。生物炭与粪肥源粪肥联用使土壤pH升高0.8个单位，形成独特的碱性微环境。水分胁迫使微生物生物量氮(MBN)降低28%，但粪肥处理可逆转这一趋势。

微生物群落
三因素交互作用显著改变细菌群落结构：干旱条件下，生物炭与粪肥联用富集了Porphyrobacter(鞘氨醇单胞菌科)和Sphingomonas等具有抗旱特性的α-变形菌门菌株。正常水分环境中，粪肥处理促进厚壁菌门(Firmicutes)增殖，其与土壤DOC含量呈强正相关。差异丰度分析揭示，蔬菜源粪肥+生物炭处理特异性富集Devosia等植物促生菌，可能通过ACC脱氨酶途径缓解乙烯胁迫。

结论与意义
该研究首次阐明BSFL frass-biochar协同改良体系在干旱农业中的三重机制：1) 养分缓释效应——蔬菜源粪肥提供速效氮源，生物炭延长肥效持续时间；2) 微生态调控——特异性富集Porphyrobacter等抗旱功能菌，构建根际"抗旱微环境"；3) 土壤结构优化——通过提升DOC和MBN增强土壤保水能力。

研究成果为干旱区农业提供了"废弃物资源化-土壤改良-微生物调控"的一体化解决方案，其创新性体现在：① 对比了不同原料粪肥的农艺效应差异，为精准施用提供依据；② 揭示了生物炭通过改变pH-碳循环-微生物互作网络来增强系统稳定性的新机制；③ 建立了有机改良剂-水分管理-微生物功能的关联模型。该技术体系在减少化肥依赖、提升水分利用效率方面具有重要应用前景，尤其适合在土壤贫瘠的半干旱地区推广。未来研究可进一步解析粪肥中昆虫源功能微生物的定殖规律，以及生物炭老化过程对长期效应的影响。