以猪粪液替代灌溉施肥可维持番茄性能并增强溶解养分库

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Substituting fertigation with swine liquid manure maintains tomato performance while enhancing dissolved nutrient pools

　　

合成氮（N）施肥约占全球温室气体排放的2.1%。向循环养分经济过渡需要以回收底物替代合成投入。本研究评估了以猪源需氧消化液体粪肥（AeD-LM）灌溉施肥的温室番茄（Solanum lycopersicum）的农艺性能，并追踪了土壤中由此产生的碳（C）-N化学计量轨迹。在滴灌施肥条件下进行了温室盆栽试验，比较了化学肥料（尿素；CF）与多种AeD-LM方案，包括原始液体粪肥（LM）、优化液体粪肥（OL）和生物炭联合改良（OB）。研究人员量化了作物生长参数、果实品质及收获后土壤生物地球化学性质，包括溶解性有机碳（DOC）、总溶解性氮（TDN）、微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）。CF与AeD-LM处理间的番茄生长、产量和定性果实性状无统计学差异，表明AeD-LM作为可行替代养分源的潜力。然而，土壤生化分析揭示了溶解性有机和微生物生物量库的显著差异。与CF处理相比，施用AeD-LM显著富集了溶解性养分库，导致残留DOC和TDN浓度分别提高15–42%和6–20%。通过同时供应活性C与N，AeD-LM缓解了合成N施肥典型的C限制，且化学计量变化刺激了微生物活性，表现为相对于CF对照，β-葡萄糖苷酶活性升高17–30%。总之，用猪源AeD-LM替代传统矿物灌溉施肥可在短期盆栽尺度上维持番茄产量，不引起暂时性养分亏缺，同时通过刺激微生物活性增强土壤生化功能。

**论文解读：猪源需氧消化液体粪肥替代灌溉施肥对番茄性能及土壤溶解养分库的影响**

### 研究背景与问题
合成氮（N）施肥是当代全球粮食安全的基石，但其工业合成（Haber-Bosch过程）能耗高、碳足迹大，且施用后大量活性氮（Nr）逸失至水体引发富营养化或转化为温室气体N₂O，合计占全球人为温室气体排放约2.1%。为缓解这些环境外部性，需通过循环养分经济用回收氮源替代合成投入。猪粪液因其养分化学计量（高钾含量）与高需钾作物（如番茄）匹配，且液态物理性状便于滴灌施肥系统应用，成为重要替代选项。然而，现有研究多基于厌氧消化（AD）粪液，而需氧消化（AeD）粪液因部分硝化作用产生酸性产物（pH 4–7）并保留活性溶解性有机碳（DOC）和有机氮（DON），其农艺和生物地球化学性能无法从AD证据可靠推断。国际上关于AeD粪液的经验研究极为稀缺，限制了其全球推广。因此，本研究旨在评估猪源AeD液体粪肥（AeD-LM）在温室番茄灌溉施肥中的农艺性能，并追踪土壤碳-氮（C-N）化学计量变化。

### 研究方法
研究人员从韩国养猪设施附近草地采集土壤，并获取同一设施的猪源需氧消化液体粪肥。设置六种施肥处理：化学肥料（CF；尿素）、原始液体粪肥（LM）、优化液体粪肥（OL；50%有机+50%合成以平衡磷缺乏）、半强度OL（OH）、双倍强度OL（OD）及OL加生物炭共改良（OB）。在温室中开展盆栽试验（每盆6 kg土壤，移栽两株番茄），采用自动滴灌施肥，以植物可利用氮（PAN）等量为基础调整各处理。生长期3个月，收获后测定番茄生长参数、果实品质，并分析土壤溶解性有机碳（DOC）、总溶解性氮（TDN）、微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）、无机氮形态及酶活性。

### 研究结果
**3.1 植物生长与繁殖响应**
化学肥料与各液体粪肥处理间，番茄的地上生物量、株高、叶尺寸、果实品质（单果重、果数、成熟指数、番茄红素、可溶性固形物TSS、可滴定酸度TA）均无显著差异（p>0.10）。仅根生物量受施肥处理边际影响（p<0.07），CF处理根生物量最高，LM处理最低。个体水平上，营养期株高与繁殖期株高正相关，繁殖期株高与果数负相关，营养期株高与TSS正相关。

**3.2 土壤溶解性有机、无机库及酶活性**
CF处理DOC平均为118 mg C kg^-1 soil，而液体粪肥处理显著升高（LM 164 mg、OL 153 mg），OB处理最高（249 mg）。TDN呈现类似趋势。微生物生物量C和N仅在OB处理显著升高，其他处理间无差异。无机氮中NH₄⁺-N无显著差异，NO₃^--N在OB处理显著高于其他。溶解性有机库和微生物生物量库的C:N比在各处理间无显著差异（均值分别为3.96和7.81）。β-葡萄糖苷酶活性在OB处理最高，OD处理最低，且与MBC正相关；N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性在各处理间无差异，与MBN无显著关系。

**3.3 土壤-植物生产力关系**
DON与根生物量弱负相关，总土壤N与地上生物量正相关，与TSS正相关，β-葡萄糖苷酶活性与果生物量负相关。

### 讨论与结论
本研究结果表明，猪源AeD-LM在等N供应下可维持番茄产量和品质，无显著农艺损失，但改变了土壤生物化学功能。液体粪肥处理显著增加了溶解性养分库，同时维持了微生物生物量库的化学计量稳态（C:N=7.81）。β-葡萄糖苷酶活性升高与MBC正相关，表明活性C刺激了微生物增殖；而N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性与MBN解耦，可能因酶解释放的N被植物快速吸收。研究指出，液体粪肥替代合成肥料强化了植物-微生物竞争，微生物代谢活性C时可能固定养分，需平衡以满足作物需求。结论为：替代合成肥料可短期内维持番茄产量，同时增强土壤微生物活性，为区域养分循环和农业供应链韧性提供了初步证据，但长期田间验证仍需开展。