《Journal of Environmental Management》：Organic component heterogeneity modulates the suppressive efficacy of vegetable waste composts against soilborne
Fusarium oxysporum
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本研究通过建立不同初始纤维素含量的堆肥系统，探讨原料组成对微生物群落、有机质转化及病害抑制的影响。结果表明，高纤维素堆肥（T3）显著富集有益菌（如芽孢杆菌和放线菌），增强氨基酸和碳水化合物代谢通路，抑制黄瓜尖孢镰刀菌导致的枯萎病指数（DSI）从3.0降至1.1，并提高株重。灭菌堆肥仍保留部分抑制效果，证实功能性有机质具有独立生物控制潜力。优化堆肥原料组成可协同提升农业废弃物资源化利用与病害防控效果，为可持续农业提供策略。
邱一展|赵旭|贾学清|戴书楠|李彦明|陈青|常瑞雪
中国农业大学资源与环境科学学院，北京，100193，中国
摘要
土传病害仍然是可持续农业发展的关键障碍，而堆肥的应用为生物控制提供了一种有前景的策略。然而，堆肥原料组成在调节微生物演替、有机物转化和病害抑制方面的作用尚未得到充分研究。在本研究中，建立了具有不同初始纤维素含量的堆肥系统，以区分微生物活动和有机物组成的贡献。高纤维素处理组（T3）富集了有益菌群，如芽孢杆菌和放线菌，显著增强了氨基酸和碳水化合物代谢途径，并实现了更高的病原体抑制率（PIR）。盆栽实验表明，T3组将黄瓜枯萎病（由Fusarium oxysporum f. sp. cucumerinum引起）的病害严重指数（DSI）从对照组（CK-FOC）的3.0降低到1.1，同时使茎秆鲜重增加到12.59 ± 0.46 g·plant?1，而对照组为5.26 ± 1.01 g·plant?1。重要的是，经过灭菌处理的堆肥仍保留了一定的抑制效果，表明功能性有机物本身除了通过微生物群落介导的抑制作用外，还具有独立的生物控制潜力。总体而言，本研究表明，优化堆肥原料组成可以同时提高农业废弃物的利用价值和病害抑制效果，为减少对化学农药的依赖、改善土壤健康和作物产量提供了一种可持续的策略。
引言
土传病害是全球农业可持续性和粮食安全的主要制约因素之一（Bonanomi等人，2007；Fisher等人，2012；Case等人，2025）。持续的真菌病原体，特别是Fusarium oxysporum f. sp. cucumerinum（FOC），在多种作物系统中导致广泛的枯萎病和根腐病，导致严重的产量损失，并增加了对化学熏蒸剂和合成农药的依赖（Fones等人，2020）。由于其全球分布、在土壤中的强持久性以及明确的致病性，FOC被广泛用作研究抑制病害的土壤和基于堆肥的生物控制策略的模型生物（Fu等人，2017；Li等人，2023a；Li等人，2023b；Amutuhaire等人，2025）。然而，密集的化学控制策略不仅加速了土壤退化，还破坏了本土微生物群落，降低了土壤的长期肥力（Panth等人，2020；Pathak等人，2022）。这些限制凸显了迫切需要采用可持续的、基于生态的方法来抑制土传真菌病害，同时恢复土壤功能。
堆肥作为一种环保策略，已被证明可以抑制土传真菌病害并改善土壤质量（Esparza等人，2020）。通过微生物介导的有机物转化，堆肥改良剂可以通过重塑微生物群落、丰富拮抗菌群以及释放具有抗真菌活性的生物活性化合物来增强土壤的抑制能力（Mayerhofer等人，2021；Duan等人，2024；Li等人，2025）。蔬菜残渣是堆肥生产中丰富但未得到充分利用的原料。它们约占全球年食物废物的60%，是农业副产品的主要组成部分（Sagar等人，2018）。灰色模型预测显示，到2030年，全球蔬菜残渣的产生量将达到4.1亿吨（Wang等人，2022）。值得注意的是，蔬菜残渣富含萜类化合物、酚类化合物、纤维素和蛋白质，其中许多具有内在的抗菌或病害抑制潜力（Jiménez-Moreno等人，2020）。然而，如果管理不当，这些生物质可能导致温室气体排放、养分流失和土传病原体的积累，从而带来重大的环境和植物检疫风险（Hadar和Papadopoulou，2012；Plazzotta等人，2020；Bouchtaoui等人，2024；Amutuhaire等人，2025）。因此，堆肥蔬菜残渣为同时利用农业废弃物和开发用于抑制土传真菌病害的功能性土壤改良剂提供了独特的机会。
尽管堆肥蔬菜残渣已被广泛认为是土壤恢复和病害抑制的有效策略，但堆肥原料的固有特性仍然是决定堆肥性能的关键但未充分研究的因素。特别是有机成分的异质性——如纤维素、蛋白质和多糖含量的变化——可以显著影响堆肥的物理化学动态、微生物演替模式，以及最终堆肥产品对土传病原体的抑制效果（Padhan等人，2024）。先前的研究表明，堆肥原料中的有机成分可以调节堆肥过程中抗菌化合物的合成和释放（Zhao等人，2017；De Corato和Cancellara，2019；De Corato等人，2019；Li等人，2025）。重要的是，这些效应不仅限于最终堆肥产品中的生物相互作用，还与堆肥过程本身密切相关。有机成分的变化从根本上决定了堆肥动态，包括温度变化、养分可用性和化学转化，这些因素共同创造了不利于病原体存活和再定植的短暂但关键的环境。然而，具体的有机组分如何同时驱动这些过程层面的抑制条件，同时重组微生物相互作用网络和功能代谢途径——以及这些耦合效应如何最终转化为堆肥产品中的稳定病原体抑制效果——仍不甚明了。
现有的关于抑制性堆肥的研究主要集中在评估最终产品的病害控制效果上，通常将抑制效果归因于单一因素，如拮抗微生物或腐殖质物质（Mehta等人，2014；Gu等人，2020；Yuan等人，2021；Amutuhaire等人，2025）。相比之下，对于原料有机组成、堆肥过程动态、微生物网络重组和关键堆肥阶段的代谢潜力之间的机制耦合关注较少（Fu等人，2017；Rai等人，2021；Peng等人，2024）。这一限制阻碍了具有稳定和增强生物控制效果的堆肥的精确预测和合理设计。
基于这些考虑，本研究使用典型的蔬菜残渣作为原料，通过调节碳氮比和木质纤维素含量来构建具有不同有机组成的堆肥系统。通过时间序列采样并结合灭菌和非灭菌堆肥的比较，能够在控制微生物活性的同时分离出由有机物驱动的抑制效果。本研究旨在阐明：（1）有机组成差异对堆肥物理化学过程和抗菌性能的时间效应；（2）关键功能微生物群的演替模式及其与抗菌活性的关联；（3）连接微生物共存网络稳定性和病害抑制功能基因表达的协同调控途径。这些发现有望为设计具有增强病害抑制效果的堆肥产品提供理论基础，从而促进农业废弃物利用价值和土传病害可持续管理的协同发展。
部分内容摘录
原材料收集
堆肥实验中使用的蔬菜残渣（油菜、番茄和辣椒）来自中国农业大学西校区的食堂，而玉米秸秆则来自中国农业大学上庄实验站（Xu等人，2024）。这些蔬菜残渣被选为具有多样生化组成的代表性且广泛可获得的农业废弃物，常见于堆肥系统中。它们的物理化学
堆肥过程中物理化学性质优化和温室气体排放减少
图1显示了堆肥过程中物理化学参数的时间演变。在早期阶段，各处理的温度迅速上升，在三天内达到高温阶段（55°C）。相比之下，T3组的温度在第2天就超过了55°C。温度的快速上升可以归因于小分子有机化合物的快速矿化和分解，这受到原料组成的影响（Pan
结论
本研究表明，初始堆肥原料组成，而不仅仅是微生物数量，对堆肥产品的病害抑制和促进植物生长的功能起着决定性作用。高纤维素和蛋白质的投入选择性地富集了与生物控制相关的微生物群，并将微生物群重组为更复杂且高度连接的网络结构，从而增强了对抗土传病原体的功能韧性。从机制上讲，
CRediT作者贡献声明
邱一展：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，验证，软件使用，方法论，研究设计，数据分析，概念化。赵旭：写作 – 审稿与编辑，方法论，概念化。贾学清：数据管理。戴书楠：方法论，数据分析。李彦明：监督，概念化。陈青：监督，概念化。常瑞雪：监督，资金获取。
环境影响
本研究表明，堆肥原料组成，特别是纤维素和蛋白质含量，通过增强病害抑制和促进植物生长，对堆肥的功能起着关键作用。通过调节有机物转化和微生物相互作用，优化的堆肥策略可以减少对化学肥料和农药的依赖。这些发现为改善土壤健康和作物产量提供了可持续的途径，同时减轻了环境影响
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了“国际科技创新政府间合作”国家重点研发计划（2023YFE0104700）和“北京农业研究系统创新联盟”（BAIC01）的支持。
