消化物的固体和液体部分：与普通的粪肥或浆液没有区别吗？

《Applied Soil Ecology》：Solid and liquid fractions of digestate: manure or slurry just like any others?

本研究通过42天微宇宙实验，比较了三种土壤类型（粗质黏土、壤土、砂壤土）对整体、液体和固体消化物处理下土壤微生物群落的影响。结果表明，土壤质地显著影响微生物响应，固体消化物在粗质黏土中显著提高微生物生物量（40%），其效果与牛粪相近，而液体消化物效果类似粪水。此外，土壤微生物群落结构在消化物处理下存在差异，且与土壤质地相关。这些发现为有机肥应用提供了土壤依赖性的依据。

　　

弗洛里安·沃特兰（Florian Vautrin）|马里奥·卡纳瓦丘奥洛（Mario Cannavacciuolo）|卡米耶·肖万（Camille Chauvin）|帕斯卡尔·皮维托（Pascal Piveteau）|皮埃尔·巴雷（Pierre Barré）|塞西尔·维莱纳夫（Cécile Villenave）|丹尼尔·克吕佐（Daniel Cluzeau）|凯文·霍夫纳（Kevin Hoeffner）|皮埃尔·穆利埃（Pierre Mulliez）|文森特·让-巴蒂斯特（Vincent Jean-Baptiste）|格雷戈里·弗里尼奥（Gregory Vrignaud）|奥莱利安·科坦（Aurélien Cottin）|朱莉·特里皮埃（Julie Tripied）|萨缪尔·德基德（Samuel Dequiedt）|皮埃尔-阿兰·马龙（Pierre-Alain Maron）|利奥内尔·兰贾尔（Lionel Ranjard）|索菲·萨德-布尔热托（Sophie Sadet-Bourgeteau）

勃艮第欧洲大学，第戎农业研究所（Institut Agro Dijon），法国国家农业食品与环境研究院（INRAE），农业生态学UMR实验室，21000，第戎，法国

摘要

沼气消化物越来越多地被用作有机肥料。然而，它们对土壤微生物群落质量的影响仍存在争议。实际上，关于土壤微生物群落对特定消化物的反应知之甚少，这些反应取决于：i) 施用的消化物类型——全消化物（FYM_WD）、液体消化物（FYM_LD）或固体消化物（FYM_SD）；以及 ii) 接受消化物的土壤的物理化学性质。在为期42天的微宇宙实验中，我们将同一种消化物的不同组分施用于三种具有不同物理化学特性的土壤上，并比较了它们对土壤微生物群落丰度和多样性的影响。实验还包括四种其他处理方式：牛粪（CM）、牛浆（CS）、矿物肥料以及未施肥的对照组。施用42天后，观察到“处理”对两种质地较粗的土壤的土壤微生物指标有显著影响（P < 0.05）。在沙质壤土中，FYM_SD使土壤微生物生物量比FYM_WD或FYM_LD高出40%（P = 0.05）。FYM_SD对土壤微生物生物量的影响与CM或CS的影响相当（P > 0.05），而FYM_LD的影响更接近CS。此外，FYM_SD处理后的原核生物群落结构与FYM_LD处理后的土壤有显著差异，但与CM处理后的土壤相当（P > 0.05）。在壤土中，FYM_SD处理后的原核生物丰富度比FYM_LD处理后低20%。同样，真菌群落结构也受到消化物类型的影响（P = 0.04），FYM_SD和CM对真菌群落结构的影响相当（P > 0.05）。总体而言，这些结果表明消化物组分以依赖于土壤类型的方式影响土壤微生物群落。

引言

有机废物管理已成为一个重要的生态和生物危害问题，因为这些材料的处理不当会导致环境退化和公共卫生风险。相反，有机改良剂的施用提供了一种可持续的解决方案，有助于恢复多年集约化农业实践所消耗的土壤肥力（Hutchinson等人，2007年；Peltre等人，2012年）。在各种有机投入物中，消化物可以用作农业肥料，其支持作物产量的效果可与矿物肥料相媲美（Barzee等人，2019年；Ehmann等人，2018年；Riva等人，2016年；?imon等人，2015年；Walsh等人，2018年；Zicker等人，2020年）。

消化物（全组分）所含的营养物质比矿物肥料少，导致从沼气厂运输到远处农场的成本较高，使其使用不经济（M?ller等人，2010年）。为了解决这一限制，通常将消化物分离成液体和固体组分以减少体积和运输成本（Al Seadi和Lukehurst，2012年）。

固体消化物富含磷，并以难降解的有机碳化合物为主，包括木质素、角质素、腐殖酸和其他具有高生物稳定性的复杂化合物，这些化合物可以促进土壤有机质的积累（Al Seadi和Lukehurst，2012年；Nkoa，2014年；Tambone等人，2009年）。消化物的液体组分富含氮，其中超过70%以易利用的铵形式存在（Drosg等人，2015年）。

消化物在农田中的频繁施用引发了关于其对土壤微生物群落影响的问题，而土壤微生物群落在维持土壤质量和健康方面起着关键作用。关于消化物对土壤微生物群落影响的报告有限，研究其短期效应的结果也有些矛盾（Karimi等人，2022年）。实际上，实验设置和条件的差异阻碍了适当的比较，这可能解释了某些微生物指标观察到的矛盾结果。土壤类型、消化物的性质和剂量、消化物施用与土壤采样之间的时间间隔以及植被的存在和类型在不同研究中各不相同。这些变化限制了我们对消化物对土壤微生物质量影响做出一般性和明确结论的能力（Karimi等人，2022年）。最近的一项研究表明，土壤微生物群落对消化物输入的反应首先取决于消化物的特性，然后取决于土壤类型。质地较粗的土壤受到消化物输入的影响比质地较细的土壤更明显（Vautrin等人，2024年）。同样，很少有研究在同一实验中比较不同消化物组分对土壤微生物群落的影响（Barduca等人，2021年；Cattin等人，2021年；Hupfauf等人，2016年；Muscolo等人，2017年；Panuccio等人，2021年）。在这些研究中，有些报告称无论施用哪种消化物组分（液体、固体或全消化物），土壤微生物生物量没有差异（Barduca等人，2021年；Muscolo等人，2017年），而其他研究则观察到固体组分对土壤微生物群落的影响大于全消化物或液体组分（Cattin等人，2021年；Panuccio等人，2021年）。相反，固体消化物的施用并未导致微生物生长受限，反而促进了微生物生物量和活性的持续增加（Cattin等人，2021年）。迄今为止，文献中关于固体和液体消化物组分对土壤微生物群落影响的记录较少，土壤微生物反应与土壤类型之间的关系尚未确定。

为了填补这一知识空白，本研究旨在：i) 在单一实验中评估不同消化物组分对土壤微生物群落的影响；ii) 评估三种不同土壤类型中土壤类型对这些组分微生物反应的影响。为此，将微宇宙暴露于全消化物及其液体或固体组分中42天，并将其与矿物肥料以及未消化的牛粪和牛浆进行比较。

实验部分

土壤采样和初步表征

用于制备微宇宙的土壤样本采集于2021年2月，来自法国三个地区的耕作层（0–20厘米）：勃艮第（BOU，粉质粘壤土质地）——大陆性气候，47°38′86.88 N；5°06′29.01E）；卢瓦尔河地区（PDL，壤土质地）——海洋性气候，47°72′86.90 N；0°49′71.88 W）和普罗旺斯-阿尔卑斯-蓝色海岸（PACA，沙质壤土质地）——地中海气候，43°17′80.55 N；6°20′88.88 E）。这些土壤从未施用过消化物。

结果

在施用有机物质之前，三种土壤的质地和化学特性存在差异（表1）。主成分分析（PCA）显示，42天培养后，它们的化学特征仍然不同（补充图S1）。因此，在实验结束时，BOU的pH值（7.9）和总有机碳（TOC，19.27 g.kg^?1干土）及氮（N，1.77 g.kg^?1干土）含量明显高于其他两种土壤。PACA的TOC较低（6.41 g.kg^?1干土）。

讨论

本研究评估了不同消化物组分对不同土壤微生物群落的短期影响。在42天的培养后观察了微生物群落的变化。在研究消化物组分对土壤微生物群落短期影响的研究中，实验室培养实验的持续时间差异很大，从12天到180天不等（Barduca等人，2021年；Caracciolo等人，2015年；Cattin等人，2021年；Hupfauf等人，2016年；Muscolo等人，2017年；

结论

消化物组分的物理化学性质（如有机碳含量和C/N比）影响土壤微生物群落的特征。尽管在本实验中难以标准化氮和碳的输入量，但我们的结果表明，液体消化物组分对土壤微生物群落的影响总体上与牛浆或矿物肥料相似，而固体组分的影响则类似于牛粪。然而，在田间条件下，

CRediT作者贡献声明

弗洛里安·沃特兰（Florian Vautrin）：数据分析。马里奥·卡纳瓦丘奥洛（Mario Cannavacciuolo）：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。卡米耶·肖万（Camille Chauvin）：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。帕斯卡尔·皮维托（Pascal Piveteau）：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。皮埃尔·巴雷（Pierre Barré）：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。塞西尔·维莱纳夫（Cécile Villenave）：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。丹尼尔·克吕佐（Daniel Cluzeau）：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。

资助

本研究得到了ADEME的GRAINE项目、CASDAR Innov et Part Metha-BioSol项目以及GrDF项目的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢GenoSol平台在分子生物学方面的技术支持。作者感谢OPAALE（农业、食品和环境过程优化）和LEVA（豆类、植物生态生理学、农业生态学）的技术人员在地壤和沼气消化物采集及微宇宙实验方面的技术支持。计算工作使用了勃艮第大学计算中心（DNUM CCUB）的高性能计算资源（HPC）。