在饲用仙人掌农业生态系统中，灌溉处理后的污水和高粱覆盖物对微生物的响应

《AgriEngineering》：Microbial Response to Irrigation with Treated Sewage Water and Sorghum Mulch Cover in a Forage Cactus Agroecosystem

　　

水资源短缺对全球农业有显著影响，特别是在半干旱地区，阻碍了经济发展。在农业中利用回收的城市废水是一种可持续的做法；然而，评估其对土壤碳储量和微生物活性的影响至关重要。本研究假设，与裸土相比，使用废水灌溉种植饲用仙人掌并添加8或12吨高粱秸秆作为土壤覆盖物的土壤，即使在仅8个月后，也能增加碳储量、微生物生物量和微生物活性。实验在巴西热带半干旱地区进行，采用析因设计，包括不同的仙人掌间作系统和土壤覆盖处理，并使用废水灌溉。总体而言，与对照相比，土壤碳储量没有显著增加，尽管在研究期间增加了约21%。然而，土壤覆盖物在4个月和8个月后使C-CO₂排放量增加了70%。微生物生物量碳（MBC）比基线（时间0）增加了65%，特别是在有土壤覆盖物的处理中。在废水灌溉下，土壤覆盖物和间作改善了微生物活性和生物量，即使在短期实验期内，也表明这是一种可持续的土壤管理策略，以增强土壤有机质质量和微生物特性。

全球气候变化威胁陆地生物群落，尤其在热带半干旱地区，水资源短缺严重制约农业经济发展。处理后的城市污水（Treated Sewage Water）灌溉被视为可持续实践，但需评估其对土壤碳储量和微生物活性的综合影响。已有研究分别探讨了污水灌溉、覆盖物（mulch）和间作（consortia）的效应，但缺乏联合评估。因此，研究人员假设在饲用仙人掌（Forage Cactus）土壤中，使用处理污水灌溉并添加高粱（Sorghum）秸秆覆盖物可增加碳储量（Carbon Stock）、微生物生物量碳（MBC）和微生物活性。为此，在巴西热带半干旱地区Parnamirim（Eutric Fluvisol土壤）开展析因设计实验，饲用仙人掌（Opuntia stricta克隆Mexican Elephant Ear）与苏丹高粱（Sorghum sudanense）或buffel草（Cenchrus ciliaris）间作，设置无覆盖（NC）、自然植被（NV）、8 Mg/ha高粱秸秆（8S）和12 Mg/ha高粱秸秆（12S）四种覆盖处理。灌溉水源为市政污水处理厂稳定塘出水，采用滴灌系统。在基线、0、4、8个月时采集0–10和10–20 cm土壤样品，测定总有机碳（TOC）、碳储量（CS）、MBC、土壤基础呼吸（SBR）及C-CO₂排放，计算代谢商（qCO₂）和微生物商（qMic）。数据采用混合模型方差分析，Tukey HSD检验（显著性水平10%）。论文发表在《AgriEngineering》。

关键技术方法归纳：采用随机区组析因设计，在巴西热带半干旱地区Eutric Fluvisol土壤上进行。关键方法包括：1）使用市政污水处理厂稳定塘废水进行滴灌，灌溉量基于Penman–Monteith参考蒸散量（ETo）和作物系数（Kc=0.52）计算；2）设置四种覆盖处理（无覆盖、自然植被、8或12 Mg/ha高粱秸秆）；3）土壤样品采集于0–10和10–20 cm深度，在基线、0、4、8个月时进行；4）测定总有机碳（TOC）采用Walkley–Black法，碳储量（CS）用等效质量法，微生物生物量碳（MBC）用辐射提取法，土壤基础呼吸（SBR）通过测定C-CO₂排放，计算代谢商（qCO₂）和微生物商（qMic）；5）数据分析采用混合模型方差分析，Tukey HSD检验，显著性水平10%。

研究结果：

- **碳储量（CS）**：CS在8S处理中最高（约28.4 Mg ha^-1），12S最低，但统计上无显著差异。从饲用仙人掌种植到灌溉开始（0个月），CS从28.4降至22.4 Mg ha^-1，8个月后回升至28.2 Mg ha^-1，接近基线水平。表明土壤扰动导致短期下降，但覆盖物和污水灌溉可能促进恢复。

- **土壤基础呼吸（SBR）**：SBR在8S和12S覆盖下随时间显著增加（8S：从19增至49 mg kg^-1 day^-1，增幅158%；12S：从21增至49 mg kg^-1 day^-1，增幅132%），而NC和NV处理在4–8个月期间下降（NC：从31降至16 mg kg^-1 day^-1，降幅50%）。0–10 cm层SBR增幅（88–94%）显著高于10–20 cm层（30–40%）。表明覆盖物（尤其是秸秆）显著增强微生物呼吸活性。

- **总有机碳（TOC）**：TOC在0–10 cm层从0到4个月显著增加，在10–20 cm层从4到8个月显著增加，8个月时两层间无显著差异。表明污水灌溉和覆盖物持续输入有机碳，但分层积累时间不同。

- **微生物生物量碳（MBC）**：MBC在buffel间作中NV覆盖下降低40%，在苏丹高粱中增加221%。12S覆盖下MBC随时间增加（0–10 cm层）；8S在0–10 cm层先降后升，10–20 cm层先升后降。总体MBC在10–20 cm层随时间增加，buffel间作中4–8个月增幅更大，苏丹高粱中0–4个月增幅更大。表明覆盖物和间作类型共同调控MBC动态。

- **微生物商（qMic）**：qMic在8个月时（5.6%）高于0个月（2.7%），但模式不清晰。buffel间作中qMic较低，苏丹高粱中较高。12S覆盖下qMic在0–10 cm层达6.7%，高于10–20 cm层（4.4%），表明覆盖物提高微生物碳利用效率。

- **代谢商（qCO₂）**：qCO₂无明确模式，但buffel间作中倾向增加，苏丹高粱中稳定；覆盖物处理下qCO₂值处于应激指示范围（0.5–2.0 mg C-CO₂ mg^-1 MBC day^-1），表明微生物可能处于应激状态。

讨论部分总结：覆盖物和污水灌溉改善了微生物活性，尽管CS未显著增加，但MBC增加66%表明短期效应对土壤碳循环有影响。SBR持续增加与覆盖物保持土壤水分、减少蒸发以及根际沉积（root exudates）有关。qCO₂和qMic值表明微生物活性提高，C循环效率增强，但缺乏一致模式可能反映底物稳定性差异。总体而言，覆盖物与污水灌溉联合应用是一种可持续的土壤管理策略，可提升土壤有机质质量和微生物属性。

研究结论翻译：总之，新证据表明，在巴西半干旱地区，使用8或12 Mg ha^-1的高粱覆盖物并在污水灌溉下，改善了土壤微生物属性。除SBR外，大多数变量没有明显模式，但尽管8个月后碳储量未受影响，微生物碳和呼吸的增加表明在更长的、未研究的时间范围内可能有效应，证实了需要更长的评估期来评估土壤碳储量并观察更一致的生态响应。