花生壳与蘑菇渣替代化肥对连作胡萝卜系统土壤生化特性与微生物群落的调控效应

《Journal of Agriculture and Food Research》：Effects of Peanut Shells and Mushroom Residues Substitution for Chemical Fertilizers on Soil Biochemical Properties and Microbial Communities in Continuously Cropped Carrot System

　　

花生壳和蘑菇渣替代化肥有效调控了土壤碳组分和土壤酶活性。施肥制度强烈调控土壤腐殖质分子结构复杂性，有机物料降低了腐殖质芳构化程度。有机替代在胡萝卜不同生育期显著改变了富里酸（fulvic acid, FA）、腐殖酸（humic acid, HA）和胡敏素（humin, HU）在多个波段的傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）特征峰面积。蘑菇渣在调控腐殖质结构和优化土壤有机碳组成方面表现出优于花生壳的效果。花生壳和蘑菇渣显著重塑了土壤细菌和真菌群落结构，并富集了特定优势微生物类群。

研究背景方面，连作已成为集约化农业和园艺生产的常见模式，但其伴随的连作障碍（continuous cropping obstacles, CCOs）表现为土壤退化、作物减产和土传病原菌增殖，制约农业可持续性。胡萝卜（Daucus carota L.）设施栽培中连作障碍日益普遍，根结线虫和枯萎病积累易造成连作损害，但系统研究仍较少。长期过量施用化肥会加剧土壤酸化、有机质耗竭和生物多样性下降。因此，研究人员需要探索合理施肥策略以缓解连作胡萝卜生产中的问题。已有研究表明，有机物料部分替代化肥可改善土壤质量和作物产量，但不同有机物料的农艺效应受其生化组成和分解特性影响，针对连作胡萝卜单作系统的适用管理仍有限。花生壳和蘑菇渣作为低成本、可再生农业废弃物具有改良潜力，但二者系统直接比较较少。基于前期田间调查，研究人员在保持氮（N）、磷（P）、钾（K）投入一致条件下，评估有机替代对土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）组分、酶活和微生物群落的影响。

关键技术方法概述：研究人员在山东青岛农业大学产学研基地开展两年田间试验，土壤为Shajiang black soil（Calcic Vertisol），已连作胡萝卜20年，温室春秋两季栽培，品种为Outehong 2和Mendel 808-3。设置FNP（常规化肥）、OPT（优化化肥）、PS（花生壳，2020秋30 t ha^-1，2021春22.5 t ha^-1）和MR（蘑菇渣22.5 t ha^-1）4个处理，补充N、P、K使总投入与OPT一致。采集0-20 cm土样，分别测定总有机碳（total organic carbon, TOC）、水溶性物质（water-soluble substances, WSS）、可提取腐殖质（extractable humus, HE）、FA、HA、HU，进行FTIR、6种土壤酶活性测定、16S rRNA和ITS高通量测序，并采用QIIME2、冗余分析（redundancy analysis, RDA）和Pearson相关分析。

研究结果如下。3.1 有机肥替代对土壤有机碳的影响。3.1.1 土壤有机碳含量变化：FNP和OPT的TOC在四个时期较稳定；PS和MR的TOC显著随时间增加，2021收获期较2020膨大期分别增加35.92%和42.33%。WSS、HE和HA变化趋势一致，2021收获期较2020收获期分别增加135.79%-150.29%、87.12%-97.82%和137.34%-149.96%，且含量顺序为MR>PS>OPT>FNP。FA从2020收获期到2021膨大期下降3.48%-14.77%，2021收获期较2020收获期增加33.02%-42.69%。HU在2020变化较小，2021持续增加，表明有机肥对难降解碳组分具有长期补充作用。结论是有机替代可扩充土壤碳库并增强稳定性。3.1.2 土壤腐殖酸有机碳结构：FA、HA和HU红外光谱轮廓相似，但特征峰强度不同。与FNP相比，FA在3400 cm^-1相对峰面积下降1.21%-11.61%，在2920、2850、1630和1420 cm^-1增加， (2920+2850) cm^-1/1630 cm^-1比值增加1.59%-27.88%；HA相应比值增加6.62%-56.76%，HU增加5.68%-24.33%。OPT、PS和MR增加脂肪族、芳香族和碳水化合物碳，降低羧酸、酚和醇类碳功能团，简化FA、HA和HU分子结构并降低芳构化程度，MR优于PS。3.2 有机肥替代对土壤酶活性的影响：MR和PS总体高于FNP和OPT，OPT略高于FNP。多数酶随四个生育期上升，脲酶2020升高但2021下降。FNP的蛋白酶无显著增加，OPT从2020收获到2021膨大显著下降；PS和MR持续增加，2021收获期较2020收获期分别增加15.49%和15.93%。磷酸酶趋势类似。转化酶、β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase）和脱氢酶（dehydrogenase）持续增加，2021收获期较2020收获期分别增加12.72%-59.34%、16.86%-88.58%和11.31%-15.76%，MR的转化酶和脱氢酶最高，PS的β-葡萄糖苷酶最高。3.3 土壤有机碳与酶活关系：Pearson相关显示SOC各组分间、各酶间均极显著正相关；除WSS外，SOC组分与除脲酶外酶活极显著正相关。脲酶与HU、TOC相关性最强（R≥0.70，P<0.001），与FA、HE较强（R≥0.40，P<0.01），与HA、WSS不显著，表明HU等难降解腐殖质是驱动酶活增强的核心碳源。3.4 有机肥替代对微生物量的影响：2021收获期MBC为335.16-657.68 mg kg^-1，OPT较FNP增加16.41%但不显著，PS和MR分别显著增加44.42%和49.71%；MBN为6.23-15.65 mg kg^-1，OPT、PS和MR较FNP分别显著增加69.88%、79.94%和85.24%，MR对MBN提升更优。3.5 微生物群落多样性与结构。3.5.1 土壤微生物多样性：Shannon、Chao1和ACE指数在组间无显著差异；OPT细菌α多样性均值最低，MR细菌Shannon最高，MR真菌Chao1和ACE较高，OPT真菌Shannon最高，PS略抑制真菌丰富度。主坐标分析（principal coordinates analysis, PCoA）显示，细菌前两轴解释25.54%和18.06%，MR与PS接近，FNP与OPT沿横轴分开；真菌前两轴解释19.29%和12.08%，OPT与FNP紧聚，MR与PS沿纵轴分开，形成MR/PS与OPT/FNP两类群落簇。3.5.2 土壤微生物结构：门水平上，细菌优势门为Firmicutes、Proteobacteria、Actinobacteria、Bacteroidota、Unidentified Bacteria和Acidobacteriota，占80%以上；PS、MR和OPT中Proteobacteria富集，Firmicutes相反。真菌优势门为Ascomycota、Basidiomycota、Olpidiomycota、Mortierellomycota、Mucoromycota和Chytridiomycota，占80%以上；Ascomycota在PS和MR中增加，Basidiomycota在MR中大幅下降。属水平上，PS富集Methylobacillus、Pedobacter、Halomonas、Bifidobacterium及Chaetomium、Panaeolus、Coniochaeta、Pseudombrophila；MR富集Pseudomonas、Streptomyces、Haliangium及Naganishia、Colletotrichum、Myceliophthora、Trichoderma、Trichurus，这些类群在FNP中极低。结论是有机肥未从根本上重构群落，但显著改变优势类群相对比例。3.6 土壤性质与微生物群落关系：细菌Pseudomonas、Methylobacillus、Sphingomonas与土壤性质正相关，FNP优势Lactobacillus和Streptococcus负相关；真菌Colletotrichum和Myceliophthora正相关，Sarocladium与脱氢酶显著负相关。RDA显示，FNP与Lactobacillus、Streptococcus、Klebsiella及Olpidium、Conocybe相关，PS和MR与Pseudomonas、Sphingomonas、Methylobacillus及Colletotrichum、Myceliophthora等有益类群相关，OPT形成独立或中间聚类。SOC组分和酶活对微生物群落具有协同正效应。

讨论部分总结：4.1 有机肥替代对土壤性质的影响：有机替代显著提高TOC及SOC组分和酶活，主要因花生壳和蘑菇渣提供外源有机碳；MR效果优于PS，可能与其含有大量和微量元素有关。单施化肥仅维持原生碳库平衡。转化酶、β-葡萄糖苷酶和脱氢酶与TOC、HE、FA正相关；FA和HA可改善土壤结构与生化活性；有机物料提供碳氮源促进微生物繁殖和蛋白酶分泌；HU适合长期固碳并为酶合成提供稳定碳源。FTIR与SOC数据交叉验证，芳构化降低说明微生物可利用碳比例增加，HU稳定积累利于长期固碳。4.2 有机肥替代对微生物多样性与群落的影响：常规化肥降低细菌丰富度并增加真菌丰富度，OPT抑制细菌丰富度但促进真菌多样性。PS仅略抑制真菌结构，MR对细菌Shannon和潜在真菌Chao1、ACE有正效应。α多样性差异不显著但PCoA分离，说明有机替代主要通过改变相对丰度重塑群落。OPT、PS和MR富集Proteobacteria和Ascomycota，抑制Firmicutes、Basidiomycota和Olpidiomycota；Ascomycota可降解木质素、纤维素和果胶，并与酶活正相关；Basidiomycota在MR下降可能与MBN增加有关。PS和MR富集Pseudomonas、Sphingomonas、Myceliophthora和Trichoderma等有益生防类群；FNP与Olpidium相关，提示潜在土传危害；MR与Myceliophthora相关，PS与Chaetomium相关。有机替代降低潜在病原Olpidium并富集有益菌，有助于恢复微生态平衡。4.3 花生壳与蘑菇渣差异及施肥建议：MR优于PS，原因包括蘑菇渣C/N比较低、内源养分较高、含残留菌丝和胞外酶、部分降解木质纤维素更易分解，并招募Myceliophthora和Trichoderma，而PS偏向Chaetomium。与秸秆和畜禽粪相比，花生壳预碎制粒、蘑菇渣部分分解，可降低氮竞争风险，且污染风险较低。建议在总养分不变的部分替代模式下优先选用MR，尤其低有机质或微生态退化土壤；花生壳可作为替代材料。局限包括试验期仅两年、单点Shajiang black soil、未量化产量和抑病耦合，未来需长期定位和多环境验证。

研究结论翻译：研究人员发现，用有机改良剂替代化肥可有效改善SOC组分、增强土壤酶活性并优化土壤微生物群落。聚类分析显示各处理组与FNP组间细菌和真菌群落组成显著不同。优势细菌属变异明显大于真菌属。然而，两种有机替代处理PS和MR在真菌群落组成上分化更明显，MR显著提高土壤MBC和MBN。这些发现表明，细菌群落对有机肥更敏感，而真菌群落分化与有机底物性质及由此导致的微生物量变化密切相关。RDA显示，SOC组分和土壤酶活性是塑造微生物群落分化的主要环境因子，其变化与微生物群落组装密切相关。总之，施用蘑菇渣和花生壳改良剂调控了栽培田土壤微生物群落并提高土壤肥力，其中蘑菇渣表现相对更好。该研究为绿色施肥实践和农业土壤可持续管理提供了理论依据。