黑水虻虫粪与硫酸铵配施提升石灰性土壤玉米产量和氮素利用效率

《Plants》：Black Soldier Fly Frass Combined with Ammonium Sulfate Enhances Maize Productivity and Nitrogen Use Efficiency Under Calcareous Soil Conditions

　　

石灰性土壤中的高效氮（N）管理仍具挑战，原因在于养分有效性有限、氮供应与作物需求不同步以及肥料利用效率低。尽管黑水虻虫粪（BSFF）是一种新兴的有机改良剂，其在石灰性土壤条件下相对于蚯蚓粪（VC）和矿质氮肥的比较效应仍未得到充分理解。在本研究中，研究人员评估了基于BSFF和VC的有机-矿质一体化施肥策略（涉及尿素（U）和硫酸铵（AS））对玉米生产力、氮素利用效率（NUE）及若干土壤化学性质的影响。在曲周实验站（中国农业大学）开展了一项两年田间试验，采用随机完全区组设计（RCBD），共设九个处理：不施肥对照（CK）、单施矿质肥料（U和AS）、单施有机改良剂（BSFF和VC）以及一体化组合（UBSFF、UVC、ASBSFF和ASVC）。所有肥料处理均施用180 kg N ha^?1，并设三次重复。结果表明，在两个生长季中，与CK相比，ASBSFF处理使玉米籽粒产量提高101.9%–114.6%，ASVC处理提高92.5%–103.9%。ASBSFF还实现了最高的氮素吸收量，较CK增加121.3%，并达到最高的农艺效率（26.01–27.51 kg grain kg^?1 N applied）、表观回收效率（63.2%）和生理效率（57.13–59.18 kg grain kg^?1 N uptake）。与基于VC的处理相比，基于BSFF的一体化处理提高了土壤NH₄⁺-N、NO₃^?-N、速效磷和速效钾含量，这可能归因于BSFF与VC之间养分组成的差异。总体而言，将BSFF与矿质氮肥（尤其是AS）配施，可提高石灰性土壤中玉米的生产力和NUE，表明其作为可持续养分管理策略具有潜力。

**黑水虻虫粪与硫酸铵配施对石灰性土壤玉米产量和氮素利用效率的整合分析**

**研究背景与意义**
氮素是限制作物生长和产量的关键养分，但现代农业生产中氮管理面临重大挑战，尤其是在石灰性土壤中。此类土壤广泛分布于干旱和半干旱地区，具有碳酸钙含量高、pH呈碱性、有机质含量低和养分有效性有限等特点。碱性条件加剧了氨挥发风险，导致氮肥回收率降低，同时高pH还限制磷和微量元素的有效性。传统矿质氮肥如尿素（U）和硫酸铵（AS）在碱性土壤中的转化行为存在差异：尿素水解会增加施肥点微域pH，加剧氨挥发；而硫酸铵提供的铵态氮在硝化过程中释放质子，可能局部调节碱性条件。然而，单施矿质肥料无法解决土壤有机质投入不足和养分供应容量有限等长期肥力问题。蚯蚓粪（VC）作为一种有机改良剂，虽能改善土壤养分有效性，但其养分释放缓慢，难以满足集约化生产的当季需求。黑水虻虫粪（BSFF）是昆虫有机废弃物循环利用的副产物，富含氮、磷、钾和几丁质相关组分，具有较低碳氮比和高比例速效养分，显示出潜在农艺优势。然而，BSFF与不同矿质氮源配施在田间条件下，特别是石灰性土壤中的表现，仍缺乏系统研究。为此，研究人员在两年田间试验中，以玉米为对象，比较了BSFF和VC分别与尿素和硫酸铵配施的效果，旨在明确整合施肥能否提高玉米生产力、氮素利用效率（NUE）并改善土壤化学性质，为可持续养分管理提供理论依据。该研究发表于《Plants》。

**关键技术与方法**
试验于2024年和2025年在中国农业大学曲周实验站（河北，36°52′ N，115°01′ E）进行，供试土壤为石灰性潮土。采用随机完全区组设计（RCBD），设9个处理：CK、U、AS、BSFF、VC、UBSFF、UVC、ASBSFF、ASVC，每处理3次重复，等氮施入180 kg N ha^?1。有机改良剂按全氮含量施用，商品来源为武汉惠尔生物科技有限公司。测定玉米生长参数、产量构成、氮吸收量及收获后土壤化学性质，并计算农艺效率（AE）、表观回收效率（ARE）和生理效率（PE）。数据分析采用线性混合效应模型、Tukey多重比较、Pearson相关分析和主成分分析（PCA）。

**主要研究结果**
**3.1 试验期间气候条件**
两年生长季的气候数据表明，2024年降水集中于7—8月，2025年降水分布较均匀且早期降水偏多；温度总体相近，2025年中后期略高；太阳辐射在生长早期略高，后期下降。气候差异可能调控了养分释放和作物生长。

**3.2 不同施肥处理对玉米生长参数的影响**
肥料处理显著影响所有生长指标（p<0.001），年份效应除株高外均不显著。ASBSFF处理在两年中均获得最高株高（2025年213.45 cm，较CK高48.7%）、最大单叶面积（531.6 cm²）、最高叶面积指数（4.26和4.55）及最高SPAD值（51.2和56.9）。整合有机无机处理总体上优于单施有机改良剂，而BSFF和VC单施虽低于整合处理，但均显著高于CK。

**3.3 不同施肥处理对玉米产量及产量构成的影响**
与CK相比，所有施肥处理均显著增加穗粒数、千粒重、总生物量和籽粒产量。ASBSFF在两年中均居首位，穗粒数达442.83—465.45粒，较CK增长约125%；千粒重为336.58—343.83 g，增长53.6%—60.5%；总生物量最高达21442.68 kg ha^?1，较CK增加110.7%；籽粒产量达9075.63—9201.68 kg ha^?1，较CK增产101.9%—114.6%。ASVC表现次之，UBSFF和UVC居中，单施有机改良剂的产量介于整合处理与CK之间，其中BSFF略优于VC。

**3.4 不同施肥处理对玉米氮吸收量和氮素利用效率的影响**
ASBSFF处理在2025年获得最高总氮吸收量211.45 kg ha^?1，较CK增加121.3%；ASVC次之（204.16 kg ha^?1）。农艺效率（AE）以ASBSFF最高（26.01—27.51 kg grain kg^?1 N applied），较ASVC高约10%；表观回收效率（ARE）以ASBSFF和ASVC最高，2025年分别达63.2%和61.8%；生理效率（PE）同样以ASBSFF最高（57.13—59.18 kg grain kg^?1 N uptake）。整合处理显著优于单施有机改良剂，且BSFF处理高于VC处理。

**3.5 不同施肥处理对土壤化学性质的影响**
土壤NH₄⁺-N和NO₃^?-N浓度受处理与年份交互作用显著影响，ASBSFF在2025年分别较CK提高137.0%和77.4%。速效磷和速效钾均以ASBSFF最高，分别达12.97 mg kg^?1和91.30 mg kg^?1，较CK显著增加。土壤电导率（EC）以单施AS最高，但整合处理与CK无显著差异；土壤pH在所有处理间均无显著变化，反映了石灰性土壤的强缓冲能力。

**3.6 土壤化学性质与玉米生产力的关系**
相关分析显示，籽粒产量与总生物量（r=0.87）和总氮吸收量（r=0.95）呈强正相关；速效磷、速效钾、NO₃^?-N和NH₄⁺-N相互正相关，且共同驱动了作物生产力。主成分分析（PCA）中，PC1和PC2分别解释64%和15%的总变异，ASBSFF和ASVC处理位于PC1正向端，与高土壤养分和玉米高产紧密关联，而CK位于负向端。

**讨论与结论**
讨论部分指出，有机无机配施通过补充养分和碳输入，改善了玉米生长和氮素吸收，其中ASBSFF的优势可能源于BSFF较高的养分含量和较低的C/N比，以及硫酸铵的酸化效应对碱性土壤氮有效性的调节。然而，由于有机改良剂在等氮基础上施用，BSFF供应的磷、钾和碳多于VC，因此处理差异需综合解读。土壤速效磷和钾的增加可能受有机改良剂直接输入影响，而BSFF处理中较高的铵态氮和硝态氮表明改良剂类型对土壤无机氮库有显著作用。土壤pH未显著变化，说明短期施肥难以改变石灰性土壤的缓冲特性。研究局限性包括未直接测定氮损失途径和微生物过程，且BSFF质量可能随原料变化，需建立标准化参数。实际应用中，推荐采用总氮180 kg N ha^?1、其中50%来自硫酸铵和50%来自BSFF的施肥方案，作为石灰性土壤玉米生产的有效管理策略。该策略可提高产量和氮利用效率，并改善土壤养分供应，同时为黑水虻有机废弃物循环利用提供了农业应用途径。未来需开展多点、长期研究以评估其经济可行性和环境影响。