家禽粪肥贮存过程中氮转化、磷动态变化与微生物强化腐殖化

《Nitrogen》：Nitrogen Transformations, Phosphorus Dynamics, and Humification During Microbially Enhanced Poultry Manure Storage

　　

畜禽粪污管理由于养分损失可能导致土壤和水体污染，仍然是一项重要的环境挑战。本研究考察了在受控实验室条件（EI）和长期田间贮存条件（EII）下，接受微生物接种的家禽粪肥中氮和磷的转化，以及有机质稳定化过程。在实验室试验中，对鸡粪和火鸡粪分别施加反硝化细菌、调理细菌或两者的组合处理。结果表明，不同处理之间渗滤液中铵态氮（NH₄⁺）积累和硝酸盐（NO₃^?）形成存在依赖处理的差异，其中复合微生物接种剂相较未处理对照提示出更低的养分迁移性。在田间试验中，氮组分的时间变化显示出一个初始的强化矿化阶段，随后进入氮形态逐步稳定的过程。磷浓度〔总磷（Ptot）和正磷酸盐（PO₄^3?）〕随时间下降，提示其淋失潜力降低，尽管其潜在机制很可能包括在粪肥基质内部的固定化与再分配。研究还观察到鸡粪与火鸡粪之间养分动态存在差异。研究采用腐殖化稳定指数（HSI）描述粪肥贮存期间有机质质量变化，结果表明其逐步向更稳定形态转化。然而，由于重复数量有限且缺乏关键过程参数的连续监测，结果应被视为指示性证据而非定论性结论。总体而言，本研究表明，微生物接种可能影响养分转化并促进粪肥稳定化过程，凸显其作为环境导向型粪肥管理补充策略的潜力。

该文发表于《Nitrogen》，围绕家禽粪肥贮存过程中养分迁移与有机质演变这一环境农业交叉问题展开。研究背景在于，畜禽养殖集约化显著加剧了氮、磷等生物地球化学循环失衡，家禽粪肥因氮、磷含量高而兼具肥料价值与污染风险。在贮存和处置不当的情况下，粪肥可通过渗滤液、挥发和迁移等途径向土壤、水体和大气释放活性养分，增加地下水硝酸盐污染、地表水富营养化以及生态功能扰动风险。现有管理规范虽强调防渗和渗滤液收集，但农业实践中执行并不充分，因此，如何在贮存环节提高养分保留、降低迁移风险，并促进有机质向稳定形态转化，构成该研究的现实基础。已有研究提示微生物过程在粪肥发酵、氮素转化和腐殖化中具有关键作用，但在较少受控、更加接近实际生产的贮存条件下，微生物接种对氮磷动态和有机质稳定化的影响仍缺乏系统认识。基于此，研究人员以鸡粪和火鸡粪为对象，考察特定微生物制剂对氮、磷转化及有机质稳定化的影响，并评估其在实验室与田间条件下降低养分损失的潜力。

研究人员将试验分为两个阶段：第一阶段为室内柱状体系试验（EI），第二阶段为原位田间堆存试验（EII）。在EI中，鸡粪和火鸡粪分别接受反硝化细菌、调理细菌以及二者联合接种处理，以未接种组作为对照；在EII中，研究人员选取第一阶段效果最优的复合微生物制剂，对鸡粪堆和火鸡粪堆进行长期接种观察。总体结论显示，微生物接种能够改变家禽粪肥中的氮转化路径，影响铵态氮（NH₄⁺）动态和硝酸盐（NO₃^?）形成，并在一定程度上降低养分迁移性；田间条件下，氮转化表现出先强化矿化、后逐渐稳定的两阶段特征；磷以总磷（Ptot）和正磷酸盐（PO₄^3?）形式随贮存时间下降，提示其流失风险减小；腐殖化稳定指数（HSI）能够表征由矿化向稳定化过渡的过程。该研究的重要意义在于，将微生物强化措施与家禽粪肥贮存管理结合起来，提出了促进氮保留和有机质稳定化的潜在补充策略，也为解释氮转化与腐殖化耦合关系提供了经验依据。

作者采用的关键技术方法主要包括以下几类：其一，建立室内PVC柱状贮存系统与田间原位粪堆-静态箱系统，对鸡粪和火鸡粪进行分阶段长期跟踪；样本来源于波兰Warmian-Masurian Voivodeship的大型家禽养殖场。其二，施用两类功能微生物，即反硝化细菌群〔Pseudomonas fluorescens、Pseudomonas putida、Bacillus licheniformis〕与调理细菌群〔Lactobacillus fermentum、Lactobacillus plantarum、Pediococcus sp.〕，并比较单独接种与联合接种效果。其三，开展粪肥与渗滤液中氮磷形态、含水率、微生物数量及腐殖质组分分析。其四，构建腐殖化稳定指数（HSI），并结合Spearman秩相关（Spearman’s rank correlation）分析氮转化、含水率与腐殖化之间的关系。

在结果部分，论文首先报告了“3.1. Physico-Chemical Parameters of Manure”中的发现。研究表明，EI阶段两类粪肥初始含水率均超过50%，接种液体菌剂的柱体因外源液体加入和渗滤液形成而表现出更高含水率，说明半受控条件下水分动态主要受物理过程影响。鸡粪与火鸡粪在总氮（Ntot）、铵态氮（NH₄⁺）和总磷（Ptot）方面存在明显差异。11周后，两类粪肥总氮变化均较小，提示受控条件下氮损失有限。进入EII阶段后，粪堆含水率前期较稳定，后期显著下降并逐步干燥稳定。氮素形态则表现出动态变化：中期NH₄⁺明显升高，显示强化矿化和氨化作用，末期下降，提示发生进一步转化或损失；NO₂^?随时间下降；Ntot先升后降，反映非线性氮转化过程。与此同时，鸡粪和火鸡粪中的Ptot与PO₄^3?均持续下降，说明磷在贮存过程中逐步向较低迁移性状态转变。

在“3.2. Chemical Parameters of Manure Leachate”中，EI阶段鸡粪渗滤液在不同处理之间差异显著。第3周时，液体反硝化菌处理和联合处理的NO₃^?浓度明显高于对照，而NH₄⁺相对较低，显示接种影响了氮在铵态与硝态之间的再分配。到第8周，仅部分处理仍有渗滤液，且NO₃^?较早期显著降低，而总氮和磷组分上升，说明贮存过程中渗滤液组成持续演变。EII阶段总体渗滤液量较小，但鸡粪渗滤液氮浓度远高于火鸡粪，提示鸡粪具有更高的短期氮输出风险。两类粪肥渗滤液中的Ptot和PO₄^3?均随时间下降，进一步支持磷迁移性降低的判断。

在“3.3. Microbiological Characteristics of Manure”中，EI阶段鸡粪中Bacillus spp.数量在所有处理中下降，而Clostridium spp.多表现为增加，表明贮存期间微生境可能趋向更强厌氧性。火鸡粪的初始总大肠菌群（coliform bacteria）和乳酸杆菌（Lactobacillus spp.）丰度高于鸡粪；11周后，两类粪肥中的总大肠菌群和乳酸杆菌均明显下降，其中联合处理下降幅度较小，提示复合接种可能在一定程度上维持特定菌群。引入的反硝化菌和调理菌总体能够存留，但未显示显著扩增。EII阶段，鸡粪中Bacillus spp.和Clostridium spp.数量增加，显示成熟化过程中有氧与厌氧过程并存。Escherichia coli未检出；Salmonella spp.在早期先升高，后期下降；总大肠菌群与Lactobacillus spp.在长期贮存中均下降数个数量级，说明田间条件不利于这些菌群长期维持，即便重复接种亦然。

在“3.4. Microbiological Characteristics of Manure Leachates”中，研究仅对EI阶段鸡粪渗滤液开展微生物分析。结果显示，第3周对照渗滤液可检测到Escherichia coli，而第8周所有样本均未检出。第8周联合处理渗滤液中的总大肠菌群和Lactobacillus spp.丰度高于单独液体菌处理，说明复合微生物制剂可能影响液相中的微生物存续。

在“3.5. Physico-Chemical Characteristics of Precipitation”中，研究人员分析了田间降水的pH、电导率及氮组分，以评估外源输入。结果显示，降水中的氧化态氮水平偏高，但总体氮输入量相对于粪堆内部氮转化贡献较小，因此外源沉降不是解释氮动态的主要因素。

在“3.6. Characteristics of the Humus-Forming Properties of Manure”中，EI阶段鸡粪经微生物处理后腐殖质（HSs）和腐殖酸（HAs）浓度高于对照，说明接种促进了有机质向腐殖化方向转化。EII阶段鸡粪中的HSs和HAs在前期增加，而后期下降，其中HAs较初始值下降36.2%，表明田间条件下早期存在活跃腐殖化，而后期可能发生进一步矿化或组分再转化。

在“3.7. The Course of the Organic Matter Stabilisation Process”中，作者利用HSI刻画有机质稳定化轨迹。第1至15周属于第一阶段，HSI快速下降，同时NH₄⁺和Ntot显著升高，反映强烈氨化和氮矿化；第15至42周属于第二阶段，HSI回升并超过初始水平，而NH₄⁺和Ntot下降，显示体系进入稳定化阶段，氮逐步并入腐殖结构中。该两阶段模式概括了粪肥由活跃分解向成熟稳定转化的主线。

在“3.8. Nitrogen Transformation and Humification Processes”中，研究进一步从耦合关系解释上述现象。研究人员发现，早期NH₄⁺升高对应强化氨化，随后NH₄⁺下降可能与氨挥发和硝化有关；HSs主要在早期形成，说明矿化与腐殖化并行发生。相关分析显示，NH₄⁺与含水率呈强正相关（ρ = +1.00），表明较高水分促进氨化；NH₄⁺与HSI、Ntot与HSI均呈强负相关（ρ = ?1.00），表明随着有机质稳定化增强，活性氮形态下降；HSs与NH₄⁺、Ntot呈中度正相关，说明早期腐殖化与矿化同步进行。整体上，结果支持氮转化与有机质稳定化之间存在紧密耦合，氮逐步被纳入更稳定的有机结构，从而降低迁移性和环境损失风险。

讨论部分可归纳为：该研究在实验室和田间两个尺度均观察到微生物接种对家禽粪肥养分动态的调节作用，但这种作用并非简单地增加或减少某一单一氮形态，而是改变氮在矿化、氨化、硝化、固定化及腐殖化过程中的分配。不同粪种在结构、含水率与初始养分组成上的差异，决定了其渗滤液组成和养分释放风险并不相同，其中鸡粪更易产生高浓度含氮渗滤液。磷浓度随时间下降，说明贮存过程不仅涉及氮的转化，也伴随磷在固相中的再分配与稳定化。研究提出的HSI为识别矿化向稳定化过渡提供了一个经验指标，并显示出与氮动态良好的耦合关系。不过，作者同时强调，由于重复数量有限、关键过程参数缺乏连续监测，相关结果更适宜作为趋势性和指示性证据理解，而不宜过度外推。

研究结论部分可译为：本研究表明，在受控条件（EI）和田间条件（EII）下，微生物接种均可显著改变家禽粪肥中的氮转化途径。复合微生物制剂的施用影响了铵态氮动态和氮迁移性，说明在粪肥贮存期间氮过程受到主动调节。原位试验揭示了氮转化的两阶段模式：初期以氨化和矿化为主，随后进入以铵态氮下降和氮逐步固定化为特征的稳定化阶段。这些结果证实，粪肥贮存过程中的氮动态具有非线性特征，并受到微生物活性和环境条件的强烈控制。鸡粪与火鸡粪渗滤液组成的显著差异表明，底物性质在调节氮损失方面具有重要作用，其中鸡粪渗滤液较高的氮浓度提示其短期氮输出风险更高。腐殖化稳定指数（HSI）被证明能够有效表征矿化向稳定化过渡的过程，并将氮动态与有机质转化联系起来。总体而言，研究结果说明，定向微生物接种能够促进氮在稳定有机结构中的保留，从而降低潜在环境损失；这些发现支持将微生物复合菌群作为改进粪肥管理的策略之一。未来研究应进一步聚焦氮通量，并在不同环境条件下验证HSI的适用性。