生物动力制剂对葡萄园土壤微生物群落多样性的增强效应：来自法国波尔多拉菲酒庄的六年田间试验证据

《Organic Agriculture》：Impact of biodynamic preparations on soil properties suggests enhanced microbial community diversity in vineyards in Bordeaux, France

　　

在法国波尔多拉菲酒庄（Chateau Lafite Rothschild）开展了一项为期六年的田间研究，旨在探究生物动力制剂（biodynamic preparations, BD）对土壤微生物学及化学性质的影响。研究人员分析了有机管理葡萄园土壤中的基础呼吸（basal respiration, B-Resp）、微生物生物量碳（microbial biomass carbon, MBC）、总碳（total carbon, C-total）及土壤有机碳（soil organic carbon, SOC），并比较了未施用（BD?）与施用生物动力制剂（BD+）两种处理的差异。试验采用随机区组设计，设置两种处理、四次重复。土壤微生物活性通过多底物诱导呼吸（multi-substrate-induced respiration, multi-SIR）方法评估，该方法测定了微生物群落对17种低分子量有机物质（low molecular weight organic substances, LMWOS）的分解代谢响应。结果表明，与BD?小区相比，BD+小区的基础呼吸显著提高（+40.0%），微生物生物量碳显著增加（+33.7%），提示微生物代谢活性增强。BD+土壤中SOC（+17.4%）和C-total（+16.7%）呈现上升趋势，表明碳封存潜力有所改善。multi-SIR分析显示，BD+小区对D-葡萄糖（D-glucose）和D-果糖（D-fructose）的呼吸响应显著增加，其余13种LMWOS的呼吸响应亦呈上升趋势。较高的呼吸响应表明微生物对特定底物的合成代谢需求较低。主成分分析（principal component analysis, PCA）将BD+与BD?处理显著区分开来，凸显了生物动力制剂改变了微生物功能谱。在BD+处理中观察到的显著增加，尤其是B-Resp、MBC以及D-葡萄糖和D-果糖的分解代谢利用，证明将生物动力制剂整合入有机葡萄园系统可增强土壤微生物群落的生物活性。在正在进行的试验中，进一步研究将有助于更好地理解生物动力制剂对土壤性质的长期影响。

论文解读：生物动力制剂对葡萄园土壤微生物群落多样性与功能的影响

一、研究背景与研究意义

土壤微生物群落及其功能多样性是维持土壤肥力、保障作物健康生产系统的关键组成部分。土壤微生物组涵盖细菌、真菌、古菌、病毒和原生生物，在养分循环、有机质（organic matter, OM）分解、病害抑制以及通过胁迫缓解物质和植物激素产生促进植物生长等方面发挥着不可替代的主动驱动作用。向土壤中添加有机物料，如堆肥、蚯蚓粪、生物炭、覆盖作物残体 mulch 以及刀耕覆盖系统，是维持微生物群落的重要途径，这些措施与多样化的作物轮作、多作物种植、预防性病虫害管理及动物整合等可持续农业要素相结合，对于构建韧性粮食生产系统、缓解环境负担和土壤退化至关重要。

生物动力（biodynamic, BD）农业是最古老的认证有机耕作方法，也是现代农业最早的替代路径之一。BD农业始于1924年，源于鲁道夫·施泰纳（Rudolf Steiner）的系列讲座。目前全球55个国家有超过251,000公顷土地获得德米特（Demeter）标准认证。BD管理约占有机耕作面积的0.25%。在BD方法下，发酵有机材料（即生物动力制剂，biodynamic preparations, BP）被施用于堆肥、土壤和冠层。喷施型BP包括将牛粪（BP500）或硅粉（BP501）装入牛角中，分别于冬季和夏季在表土中埋藏六个月制成。Maria Thun堆肥（cow pat pit, CPP）则以新鲜牛粪、碎蛋壳和玄武岩粉尘为原料，添加堆肥制剂502–507后发酵四个月制成。

然而，关于BD制剂效应的科学证据存在争议。早期研究显示，传统堆肥与生物动力制备堆肥在土壤微生物群落、作物产量和杂草方面无显著差异，或BD实践对葡萄浆果和葡萄酒化学成分无影响，这些结果引发了科学界对BD方法的质疑。但近二十年来，越来越多的高影响力期刊论文表明，与有机管理相比，BD制剂或生物动力管理对土壤和作物多项参数具有显著效应。在长期田间试验中，生物动力管理与有机和常规管理相比，对土壤微生物多样性、微生物生物量碳（microbial biomass carbon, MBC）和酶活性产生积极影响，表明整体微生物活性更高，能够增强团聚体稳定性。BP500和BP501的施用增加了南瓜中次生植物化合物，并与土壤健康改善相关，包括脲酶、蔗糖酶活性升高以及N、P、K有效性增加。在葡萄园中，BP施用影响了土壤微生物的N和P有效性及微生物功能多样性，并促进胞外多糖（extracellular polymeric substances, EPS）的产生。

微生物通量指标是评估不同生产系统间土壤肥力和质量的关键参数。土壤微生物生物量和多样性被视为维持陆地生态系统的关键驱动力，其量化反映重要的生态指标，如碳氮储存。多底物诱导呼吸（multi-substrate induced respiration, multi-SIR）是一种灵敏的方法，用于测定微生物群落的分解代谢指纹，即土壤微生物分解代谢有机底物的能力，即群落水平生理剖面（community level physiological profile, CLPP）。简言之，将低分子量有机物质（low molecular weight organic substances, LMWOS）施加于土壤，通过CO₂通量测定量化微生物利用情况，作为活性有机质矿化和微生物活性的指标。

基于此，研究人员在法国波尔多拉菲酒庄（Chateau Lafite Rothschild）于2017年建立了葡萄园田间试验，每年在葡萄园土壤中施用BP（BP500、BP501和Maria Thun堆肥），并与有机管理系统进行比较。研究假设为：i) multi-SIR方法能够区分生物动力管理土壤与有机耕作系统土壤；ii) BD制剂的施用对微生物功能指标产生积极影响，表明代谢活性增强。

二、主要技术方法

研究地点位于法国波尔多拉菲酒庄（45°13′18″N, 0°46′14″E，海拔26米），土壤类型为砾石土（peyrosol），年均气温18.5°C，年均降水量860毫米。试验面积4公顷，种植品种为梅洛（Merlot），1956年定植，行距与株距分别为1.0米和1.15米。自2017年起有机管理，采用随机区组设计，设置两种处理、四次重复：不施用BD制剂作为对照（BD?）和施用BD制剂（BP500和BP501）及Maria Thun堆肥（BD+）。小区面积0.4至0.6公顷。BD+小区自2017年起每年喷施BP500（牛角粪）和BP501（牛角硅），施用量分别为100和4 g ha^?1，CPP施用量为250 g ha^?1 a^?1。2023年秋季采集0–10厘米深度土壤样品，每个小区三个重复样品，每个重复由三个子样品混合而成。主要分析方法包括：土壤pH、质地、总碳和总氮（Vario MAX CN分析仪）、土壤无机碳（Scheibler装置）、土壤有机碳（SOC，总碳与无机碳之差）、持水能力（water holding capacity, WHC）、基础呼吸（B-Resp，七天地暗培养NaOH捕集CO₂滴定法）、MBC（由葡萄糖诱导呼吸响应×30计算）、代谢熵（qCO₂）以及multi-SIR（MicroResp?方法，测定17种LMWOS的分解代谢响应）。统计分析采用双因素方差分析、独立样本t检验、Pearson相关分析和主成分分析（principal component analysis, PCA）。

三、研究结果

3.1 土壤一般性质与微生物指标

土壤砂粒（2000–63 μm）、粉粒（63–2 μm）和黏粒（<2 μm）含量在处理间无显著差异，土壤质地归类为砂质壤土。试验初始土壤pH、SOC和C:N比在处理间无显著差异。经过六年田间管理，与BD?对照相比，BD+小区基础呼吸显著增加（+40.0%），微生物生物量碳显著增加（+33.7%），C-Total（+16.7%）和SOC（+17.4%）呈趋势性增加（p<0.10），N-Total（+5.1%）、C:N（+11.8%）、MBC:SOC（+12.2%）、qCO₂（+8.3%）和WHC（+2.2%）无显著增加，C-Inorg（?6.9%）和pH（?1.5%）无显著下降。水分诱导的B-Resp在multi-SIR与静态微宇宙方法间呈强相关（r=0.81, p=0.02），并显示BD?与BD+间存在显著差异。MBC范围为180至350 μg g^?1土壤。qCO₂未受BD制剂施用影响。

3.2 微生物功能多样性

所有17种LMWOS添加后均产生高于B-Resp的呼吸响应。氨基酸GABA、Leu及氨基糖NAG和GlcN的呼吸速率最低（1.54至2.73 μl CO₂ g^?1 soil h^?1）。柠檬酸（CA）和苹果酸（MA）的平均呼吸响应最高（分别为9.31和10.36 μl CO₂ g^?1 soil h^?1），其次为葡萄糖（Glc）和果糖（Fru）（7.51至8.07 μl CO₂ g^?1 soil h^?1）。平均所有17种底物，BD+小区呼吸响应最高（5.46 μl CO₂ g^?1 soil h^?1），比BD?约高16%。丙氨酸（Ala）和半胱氨酸（Cys）是仅有的两种在BD?中呈现较高值（不显著）的底物。其余底物在BD+中呼吸响应更高，但仅葡萄糖、果糖和蒸馏水（基础呼吸）的呼吸响应显示BD制剂施用的显著效应。

3.3 PCA与土壤性质相关性

基于multi-SIR数据集的主成分分析显示，PC1和PC2分别解释47%和41%的方差，共捕获88%的总方差。PC1主要由所有氨基酸、所有氨基糖及两种糖（Ara和Gal）驱动，贡献6%至10%；PC2主要由三种糖（Tre、Glc和Fru）、羧酸和B-Resp驱动，贡献6%至12%。基于微生物指标数据集的主成分分析捕获68%的总方差，PC1和PC2分别解释42%和26%。PC1主要由C-Total、SOC、MBC、MBC:SOC和C-Inorg驱动；PC2由B-Resp、pH、qCO₂、WHC和N-total驱动。Pearson相关分析显示，MBC与C-Total（r=0.90, p<0.01）、C:N（r=0.77, p=0.03）、SOC（r=0.89, p<0.01）和MBC:SOC（r=0.82, p=0.01）显著正相关。multi-SIR的B-Resp与MBC（r=0.85, p<0.01）、C-Total（r=0.73, p=0.04）、SOC（r=0.72, p<0.05）、MBC:SOC（r=0.80, p=0.02）和C:N（r=0.74, p=0.04）相关。SOC与酚类有机酸ProCa（r=0.78, p=0.02）、羧酸MA（r=0.84, p=0.01）、CA（r=0.74, p=0.04）和B-Resp（r=0.72, p=0.04）相关。MBC与多种底物呼吸响应显著正相关，包括GABA（r=0.77）、Leu（r=0.81）、NAG（r=0.85）、GlcN（r=0.75）、Tre（r=0.81）、Gal（r=0.75）、Fru（r=0.99）、Sor（r=0.83）、ProCa（r=0.95）、MA（r=0.88）、CA（r=0.87）和B-resp（r=0.85）。

四、讨论与结论

试验初始土壤理化性质均匀，为解释处理效应提供了坚实基础。自2017年试验建立以来，BD?小区SOC和C:N比保持稳定，而BD+小区SOC显著增加5.16 mg g^?1土壤，C:N比增加1.7个单位。BD+处理中B-Resp（+40.0%）和MBC（+33.7%）的显著增加清晰一致。BD+小区C-Total（+16.7%）和SOC（+17.4%）的增加为趋势性（p<0.10），这些参数在土壤中变化缓慢，六年内处理间差异之大令人惊讶。SOC差异不显著可能归因于重复间高变异性。研究人员推测BD制剂可能主要通过增强细菌介导的土壤有机质分解来刺激B-Resp，从而促进SOC随时间的积累和稳定化。BD制剂如BP500和CPP含有具多种有益性状的植物促生细菌（plant growth promoting bacteria, PGPB），包括IAA产生、磷溶解和对植物病原体的拮抗作用。Bublitz等（2025）在勃艮第葡萄园土壤中的研究结果与本研究一致，发现所有4个位点施用BD制剂后平均B-Resp、SOC和N-Total显著增加，SOC增加11%且高度显著，MBC和MBC:SOC在四分之三的案例中升高。Fritz等（2020）在五个石灰岩葡萄园中的研究则报告了BP处理小区土壤pH普遍升高而MBC和MBC:SOC下降，与本研究的土壤参数表现相反，但该研究报道平均MBC约高70%，研究人员认为土壤质地差异（砂含量低约3–5倍）可能是造成差异的原因。

研究结论表明，在有机葡萄园系统中整合BD制剂可增强土壤微生物群落的生物活性，具体表现为B-Resp和MBC的显著增加以及D-葡萄糖和D-果糖分解代谢利用的显著提高。主成分分析将BD+与BD?处理显著区分，凸显了BD制剂改变了微生物功能谱。BD+处理中SOC和C-Total的上升趋势提示碳封存潜力改善。在正在进行的试验中，进一步研究将有助于更好地理解BD制剂对土壤性质的长期影响。