黄粉虫虫粪及其虫粪源生物炭对干旱土壤酶活性的影响

《Journal of Arid Environments》：Effects of mealworm frass and frass-derived biochar on soil enzyme activity in an arid soil

　　

摘要
本研究评估了黄粉虫（*Tenebrio molitor*）虫粪及其虫粪源生物炭对来自西班牙加那利群岛富埃特文图拉岛（Fuerteventura Island）干旱土壤中微生物和酶活性的影响，该地区是深受荒漠化影响的区域。处理包括虫粪、在300°C和600°C下制备的生物炭，以及1:1（w/w，干重基）的虫粪-生物炭混合物，施用量为2.5%和5%。在为期三个月的培养期间（包括一次模拟干燥-再湿润循环），研究人员测定了与碳（C）、氮（N）和磷（P）获取相关的胞外酶活性，同时结合微生物活性指标和选定的土壤物理化学变量。虫粪产生了最强的响应，显著提高了酶活性，尤其是与P和N循环相关的酶活性。单独施用生物炭的效果较弱，但并未抑制微生物或酶活性，并且似乎在干燥后减少了酶活性的损失。生态酶化学计量和向量分析表明，在含虫粪的处理中，处理相关的相对酶活性模式向更偏向P方向转变。结果表明，在受控条件下，黄粉虫虫粪能强烈刺激土壤生物功能，而虫粪源生物炭可能在土壤干燥后维持酶活性方面发挥补充作用。这些发现支持在田间条件和农艺实际施用速率下，进一步评估基于虫粪的改良剂在干旱和半干旱土壤中的应用。

**论文解读：黄粉虫虫粪及其生物炭对干旱土壤酶活性的影响**

**研究背景与目的**

干旱和半干旱地区的土壤生物功能是其恢复力的关键组成部分，然而这些地区通常有机质含量低、降水不规律且频繁经历干湿交替事件，这些因素制约了养分循环并减缓了干扰后的恢复。添加能够增加有机输入并维持微生物过程的改良剂对于旱地土壤管理具有重要意义。在新兴的有机改良剂中，昆虫虫粪作为潜在的肥料和土壤调理剂日益受到关注。黄粉虫（*Tenebrio molitor*）幼虫虫粪因含水量相对较低而便于储存和处理，且其养分组成可与常规有机肥料相当。此外，黄粉虫虫粪含有富含几丁质的残留物、易分解有机质和相关微生物，可能刺激土壤生物活性。然而，新鲜虫粪可能具有植物毒性，尤其是在高盐含量情况下。热解将虫粪转化为生物炭是一种有前景的缓解策略，生物炭富含氮且对污染物有较强吸附能力，可能改善土壤通气性、保水性和微生物活性。尽管生物炭有诸多益处，但部分研究也记录了其对土壤生物的不利影响，这些差异主要源于生物炭性质的不同，其取决于原料类型和热解条件。因此，在应用前评估生物炭的环境风险是必要的。本研究旨在评估黄粉虫虫粪及其虫粪源生物炭对西班牙富埃特文图拉岛干旱土壤微生物和酶活性的影响，并探究两者可能存在的互补效应。

**关键技术与方法**

研究人员使用了多种关键技术。土壤样品采集自西班牙加那利群岛富埃特文图拉岛北部一块废弃农田的200平方米区域内，土壤类型为旱成土（Aridisol）。黄粉虫幼虫购自Iberinsect S.L.公司，在受控条件下以废面包喂养。虫粪在300°C和600°C两种温度下进行热解制备生物炭，并使用湿法快速冷却。实验设计了11个处理，包括未改良对照、2.5%和5%施用量的虫粪、两种温度制备的生物炭及其1:1混合物。在三个月培养期间，研究人员测定了与碳、氮、磷获取相关的胞外酶活性，并同时评估了微生物活性指标。

**主要研究结果**

**改良剂对土壤理化性质的影响**
施用改良剂后，所有处理的电导率（EC）均升高，含虫粪处理的增幅最大。与对照相比，除600°C生物炭处理外，所有处理在培养一个月后无机氮含量均增加。在含虫粪处理中，铵态氮（NH??）是主要无机氮形式，但培养期间有相当部分被氧化为硝态氮（NO??）。干燥-再湿润循环进一步增加了所有处理中的硝态氮浓度。施用5%处理在培养一个月后可提取无机磷（Pi）浓度最高，但干湿循环后显著下降。改良剂处理的土壤总有机碳（TOC）均高于对照，但在干湿循环后所有改良处理均下降。

**改良剂对土壤酶活性的影响：养分特异性酶分组**
将酶活性按养分获取功能分组后，研究人员发现四个主要模式：第一，虫粪引起最强的酶活性响应，尤其在5%施用量下；第二，碳获取酶活性的增加幅度小于氮和磷获取酶；第三，干燥-再湿润循环导致所有含虫粪处理的酶活性损失，且磷获取酶的损失最为显著，而单独施用生物炭的处理酶活性损失较小；第四，脱氢酶活性与胞外酶活性呈正相关。

**改良剂对土壤酶活性的影响：生态酶化学计量与向量分析**
基于截距的分析显示，碳获取酶与氮获取酶、碳获取酶与磷获取酶的回归截距为正，而氮获取酶与磷获取酶的截距为负，这表明系统存在初始碳限制，且磷获取优先于氮获取。向量分析进一步证实了这一模式：含虫粪处理的向量长度显著小于对照，向量角度大于60°，表明相对酶活性模式更偏向P方向。分段回归分析发现，在60.4°处存在一个清晰断点，将含虫粪处理（高角度、低向量长度）与非虫粪处理（低角度、高向量长度）分开，这表明虫粪使微生物群落进入了一个质的不同的酶分配模式。

**结论与展望**

黄粉虫虫粪是驱动该干旱碱性土壤微生物和酶活性响应的主要因素，其添加增加了无机氮含量并强烈刺激了与碳、氮尤其是磷获取相关的胞外酶活性，且这些效应在干湿循环后依然存在。相比之下，虫粪源生物炭（300°C和600°C）的直接生物效应较弱，但并未抑制微生物或酶活性。尽管虫粪-生物炭混合物相对于单独虫粪未产生明显的协同效应，但它们在干湿条件下大致维持了虫粪驱动的响应。单独生物炭处理在干燥后酶损失较小，表明其在干旱土壤改良策略中扮演补充而非替代的角色。生态酶化学计量和向量指标表明处理相关的酶活性相对平衡发生了变化，特别是在含虫粪的土壤中呈现更偏向P的酶活性模式。然而，鉴于近期方法学的批评，这些指标应被视为探索性的指示，而非微生物P限制的直接证据。未来研究应优先在农艺实际施用速率下进行田间规模验证，对虫粪和生物炭对土壤微生物群落结构和多样性的长期生态影响进行评估，并通过植物生物测定来检验酶促养分循环是否能转化为干旱条件下作物性能的切实改善。该论文发表于《Journal of Arid Environments》。