外源微生物对棉花秸秆堆肥及其对沙漠土壤的改良效果

《Sustainability》：Cotton Straw Composting by Exogenous Microorganisms and the Improvement Effect on Desert Soil

　　

通过微生物接种的好氧堆肥是一种绿色温和的处理生物质的方法。研究人员将三种细菌菌株，包括耐盐芽孢杆菌（*Bacillus halotolerans*）、贝莱斯芽孢杆菌（*Bacillus velezensis*）和枯草芽孢杆菌（*Bacillus subtilis*），复合制成微生物菌剂，并进一步用于制备棉花秸秆堆肥。在此过程中，讨论了接种对棉花秸秆堆肥的影响及其理化性质之间的相关性。结果表明，接种将高温期延长了1-4天，并促进了后续有机物的降解。堆肥产品完全腐熟，各处理组的发芽指数（GI）均超过80%。特别是，使用含有贝莱斯芽孢杆菌和耐盐芽孢杆菌（1:1，处理PM63-CS）的微生物菌剂进行堆肥，其总氮（TN）、总磷（TP）、总钾（TK）和腐植酸（HA）含量更高。利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和N₂吸附-脱附技术表征了微生物菌剂对所得棉花秸秆堆肥结构变化的影响。基于16S rRNA基因测序的分析表明，接种提高了细菌群落的丰富度和多样性。微生物与环境因素之间的相互作用促进了有机物的降解和腐殖化，共同影响了堆肥的成熟度。此外，将PM63-CS应用于沙漠化土壤改良，有效提高了沙质土壤的养分含量，并促进了棉花植株的生长。总之，本研究中研发的复合菌剂能够有效提高堆肥产品的质量和成熟度，为棉花秸秆的资源化利用提供了一种可行的微生物强化堆肥方法。

**研究背景与问题**
棉花秸秆是棉花生产过程中产生的大量木质纤维素残留物，其产量高、木质素含量高、刚性大、容重低，导致生物降解性差，堆肥效率低。传统上，棉花秸秆常被用作堆肥中的调理剂，而非主要基质，这限制了其资源化利用。此外，在干旱和半干旱棉区，土壤通常存在有机质含量低、保水能力弱、团聚性差和养分保持能力有限等问题，亟需通过有机改良剂进行修复。目前，虽然有研究通过微生物接种加速堆肥，但针对棉花秸秆作为主要底物的高效堆肥，以及将堆肥产品与沙漠化土壤改良相结合的研究仍然不足。因此，本研究旨在评估外源复合微生物菌剂对棉花秸秆好氧堆肥的影响，并进一步探讨所得堆肥作为生物有机肥或土壤改良剂对植物生长的促进作用，以期为棉花秸秆的可持续利用和退化土地修复提供依据。该研究发表于《*Sustainability*》。

**主要关键技术方法**
（1）从新疆喀什农田采集棉花秸秆，切成约2 cm小段，以尿素调节C/N比至27:1，进行30天好氧堆肥实验。设置四个接种处理组（PM63、PM33、M63-M33、PM63-M33）和无菌水对照组（CK），接种比例为2%（m:v）。
（2）利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和N₂吸附-脱附技术（BET/BJH方法）表征堆肥过程中秸秆的结构变化。
（3）通过理化性质测定（温度、pH、电导率EC、总有机碳TOC、总氮TN、总磷TP、总钾TK、腐植酸HA、富里酸FA）和发芽指数（GI）评估堆肥成熟度。
（4）采用16S rRNA基因高通量测序（V5-V7高变区）分析微生物群落结构及功能预测（PICRUSt2）。
（5）通过盆栽实验（塔克拉玛干沙漠沙土，添加0-20% PM63-CS堆肥）评估堆肥对棉花生长和土壤养分的影响。

**研究结果**
**3.1 堆肥产品的结构分析**
- **3.1.1 FT-IR分析**：FT-IR光谱显示，接种处理组（PM63-CS、PM33-CS、M63-M33-CS、PM63-M33-CS）中酯C=O峰（1730 cm^-1）消失，半纤维素特征峰（1071 cm^-1）减弱，木质素芳香骨架振动峰（1610 cm^-1）和紫丁香基C-O峰（1326 cm^-1）强度降低，表明纤维素、半纤维素、木质素、果胶和蜡质被有效降解，并伴有木质素-碳水化合物复合体（LCC）的分解。
- **3.1.2 XRD图谱**：XRD分析表明，堆肥后纤维素仍保持纤维素I晶型，结晶度指数（CrI）从棉花秸秆的33.29%升至接种组的36.01-38.44%，优先降解非晶区导致相对富集结晶区。同时，在26.5°和29.5°出现新的衍射峰，对应碳酸钙和硅酸钙晶体，可能源于微生物代谢和有机物分解。
- **3.1.3 SEM表征**：SEM图像显示，与原始棉花秸秆的光滑表面相比，堆肥样品表面粗糙、侵蚀、点蚀和孔隙形成，表明微生物降解导致结构破坏，有利于微生物定殖和酶渗透。
- **3.1.4 N₂吸附-脱附等温线分析**：等温线符合IV型（H3滞后环），表明存在介孔狭缝孔。接种组的BET比表面积低于棉花秸秆和CK-CS，可能是由于不稳定孔隙塌陷或微生物生物量、转化有机质堵塞；平均孔径增大，总孔体积变化反映新孔形成与填充的平衡。

**3.2 堆肥过程中理化性质的变化**
- **3.2.1 温度**：接种处理组在2-5天内进入高温期，高温期（>55°C）持续4-6天（CK仅2天），PM63-M33-CS组最高温度达62.7°C。接种延长了高温期，有利于杀灭病原体。
- **3.2.2 pH变化**：pH先升后降再升，初始升高源于尿素水解产生NH₄⁺，高温期有机酸挥发，后期pH下降与有机酸积累有关，随后因腐殖化过程回升。接种菌株可耐受pH 11-12，适应碱性环境。
- **3.2.3 EC变化**：EC总体下降，最终均低于4 mS/cm，表明堆肥质量良好，适合农业利用。
- **3.2.4 TOC**：TOC在前6天快速下降，接种组TOC降解率（17.76-20.45%）高于CK（9.93%），最终降解率分别为21.46%、20.63%、20.71%、21.88% vs CK 19.87%，表明接种促进有机物分解。
- **3.2.5 TK**：TK先增后减，初始增加源于钾释放和碳损失浓缩效应，后期因微生物同化和吸附而下降。
- **3.2.6 TP**：TP与TK趋势相似但滞后约6天，可能与含磷有机物分解和微生物固定有关。
- **3.2.7 TN**：TN总体上升，PM63-CS组增幅约为CK的6倍，归因于微生物固持、氮保留及碳矿化浓缩效应。

**3.3 HA和FA含量对GI的影响**
- **3.3.1 Lac、Mnp和Lip活性**：漆酶（Lac）、锰过氧化物酶（MnP）和木质素过氧化物酶（LiP）活性在堆肥过程中升高，PM63-CS组活性最高（MnP 4.015 U/L，Lac 5.213 U/L，LiP 76.631 U/L），表明接种促进了木质素降解酶的分泌，有利于腐殖化前体形成。
- **3.3.2 HA、FA和GI**：HA含量在成熟期显著增加，接种组HA含量较CK增加86.29%（PM63-CS）、2.03%（PM33-CS）、13.20%（M63-M33-CS）和60.91%（PM63-M33-CS）。FA含量初期高后期低，符合低分子量腐殖质早期形成规律。
- **3.3.3 HA和FA含量**：HA含量与FA相反，接种组显著促进HA形成。
- **3.3.4 GI**：最终GI值：PM63-CS 96%、PM33-CS 85%、M63-M33-CS 91%、PM63-M33-CS 102%，均超过80%，表明堆肥完全腐熟且无植物毒性，CK组GI较低。

**3.4 理化性质相关性分析**
Pearson相关分析显示，GI与pH、HA、CrI呈正相关，与EC、TOC、FA呈负相关。HA与TOC负相关，CrI与GI和HA显著正相关，表明非晶区优先降解是驱动堆肥成熟的核心过程，CrI可作为定量成熟度指标。

**3.5 各种理化性质之间的关系**
FT-IR、XRD、SEM和N₂吸附-脱附分析一致表明，外源微生物促进了秸秆物理结构转变和化学组成迁移，非晶区降解导致CrI升高，同时为腐殖质合成提供前体，最终提高堆肥成熟度。

**3.6 接种剂对微生物群落结构的影响**
- **3.6.1 Alpha多样性**：Chao1和Shannon指数在高温期下降后恢复，接种组（PM63-CS、M63-M33-CS）第30天α多样性高于CK，表明接种增强了群落丰富度和多样性。
- **3.6.2 Beta多样性分析**：NMDS分析显示，堆肥初期群落结构相似，第30天接种组与CK形成独立区域，表明接种主导了微生物群落演替轨迹。
- **3.6.3 群落组成分析**：门水平上，优势菌门为变形菌门（*Pseudomonadota*）、厚壁菌门（*Bacillota*）、拟杆菌门（*Bacteroidota*）和放线菌门（*Actinomycetota*）。接种提高了变形菌门在高温期的相对丰度，促进木质纤维素降解。属水平上，*Sphingobacterium*、*Paenibacillus*、*Bacillus*等丰度变化与腐殖化过程相关。
- **3.6.4 预测的微生物代谢途径及其相关性**：PICRUSt2预测表明，主要代谢功能为氨基酸代谢、碳水化合物代谢和能量代谢。Spearman相关分析显示，*Pseudomonas*、*Paenibacillus*、*Bacillus*等属与pH、TN、HA、Lac活性显著正相关，与EC、FA负相关，表明这些功能菌通过有机物降解、腐殖质合成、氮保持等机制共同促进堆肥成熟。

**3.7 植物生长指标的测定**
盆栽实验表明，PM63-CS堆肥添加量在0-15%范围内，棉花根长、株高和叶绿素含量随添加量增加而显著提高（p<0.05），15%处理效果最佳；20%处理时株高和叶绿素含量下降，根长无显著差异，表明过量添加可能破坏土壤离子平衡，抑制生长。

**3.8 土壤理化性质的测定**
施用PM63-CS后，土壤TOC、TN、TP、TK均显著增加。TOC最高达12.98 g/kg（20%处理），比对照高238-673%。TP在5%处理最高后下降，TK在15%处理趋于饱和，提示过量施用可能导致磷固定和钾淋溶。

**结论**
本研究证明，接种复合微生物菌剂将棉花秸秆好氧堆肥的高温期延长1-4天，促进木质纤维素组分结构转化，使腐植酸含量增加2.03-86.29%，发芽指数（GI）超过80%，表明堆肥产品达到成熟。优势菌门变形菌门（*Pseudomonadota*）在高温期相对丰度增加，功能预测提示碳水化合物和氨基酸代谢共同促进腐殖质形成。将成熟堆肥（PM63-CS）施用于沙漠化土壤，显著提高了土壤有机碳（与0%处理相比增加238-673%）、总氮、总磷和总钾含量。值得注意的是，总磷含量在5%添加量时达到峰值后下降，而总钾含量在15%添加量时趋于饱和。棉花盆栽实验表明，在本实验条件下最佳添加量为15%，此时根长、茎高和叶绿素含量最高；超过15%的添加量抑制植物生长，可能源于矿物元素失衡。