施加雞糞水熱炭液氮肥對旱地土壤碳、氮和磷功能基因的影響

中圖分類號：S831.6文獻標識碼：A 文章編號：0488-5368（2025）07-0046-06

Effects of Hydrothermal Aqueous Phase from Chicken Manure on Functional Genes Involved in Carbon， Nitrogen， and Phosphorus Cycling in Dryland Soil

LIANG Xiaofeng，ZHOU Fangyan，CAO Zixuan，HUANG Hua，"（1.SchoolofPetroleumand Environmental Enginering，Yan’anUniversity，Yan'an，Shaanxi716oo，China； 2.Yan'anKeyLaboratoryofAgricultural SolidWasteResource Utilization，Yan'an，Shaanxi716oo，China）

Abstract： Hydrothermal aqueous phase （HAP） from animal manure has the potential to be used as liquid nitrogen fertilizer，but its efectson soil carbon，nitrogen，and phosphoruscycling bacteria are not yet clear.In this study，urea and HAP form chicken manure were appliedas nitrogen fertilizers to drylandsoil，and the diferences in bacterial elemental cycling genes were compared after 37 days of incubation.The results showed that a total of 53 functional genes were detected on the gene chip，with a detection rate of 74.65% . Compared to urea， HAP significantly increased the 16S rRNA and the hydrolysis genes of starch （apu and sga ）and hemicellulose （abfAand xylA），while reducing the chitin hydrolysis gene（ chiA ）and the nitrification gene （amoA2）. Elemental cycling pathway analysis showed that HAP promoted complete denitrification and phosphorus release， whileinhibiting organic nitrogen mineralization，ammonification，and nitrification.Thisstudy provides theoretical references for the utilization ofHAP from animal manure as fertilizer.

Key Words： Animal manure；Hydrothermal carbonization；Hydrothermal aqueous phase；Fertilizer；Func. tional genes

水熱炭化技術是一種新興固體廢棄物資源化利用技術，可以快速、高效的將濕生物質固體廢物熱化學轉化成為固相產物水熱炭和液相產物炭液[1]。與傳統高溫熱解技術比較，水熱炭化技術具有反應溫度低，能耗小且無需預干燥的優點[2]與傳統堆肥技術相較，水熱炭化具有反應速度快、物料回收率高、環境污染小等優點[1，3]。大約20%～50% 的原料物質會進入液相，使得炭液含有豐富的溶解性有機物和營養元素[4，5]。炭液還包含多種植物生長促進物質，如游離氨基酸、腐殖酸和類植物荷爾蒙物質[6.7]。炭液部分取代化學氮肥不僅可以提高作物產量與品質[8～10]，還可以提高土壤腐化度和肥力[1]。然而，炭液也含有復雜的生物抑制物質，如含氮雜環化合物和酚酸類物質，會抑制多種細菌的生長與活性[6，12]。施加炭液會影響土壤微生物群落組成和土壤生態功能的穩定。因此，有必要深入研究施加炭液肥料對土壤微生物養分循環功能的影響。

利用 16SrDNA 擴增子測序技術，已有研究預測了施加炭液肥料對土壤微生物群落功能的影響。如，Li等（2023）發現施加炭液肥料影響了葡萄糖苷酶（bglB和malZ）、尿酶（ureC）、固氮（nifD）、反硝化（nirK和nirB）和酸性磷酸酶（phon）等功能基因的相對豐度[]。但該功能預測是基于OTU 在微生物群落中相對豐度變化，忽視了基因絕對量的影響[13]。傳統實時定量 qPCR 可以準確測試功能基因的絕對值，但每次只能測試單一功能基因，難以滿足涉及多功能基因的微生物代謝過程研究。

僅少數相關研究定量了幾個關鍵氮素循環功能基因，包括ureC、amoA、amoB、nirS、nirK和nosZ[14，15]。未見到對土壤碳和磷循環基因的定量研究。近年來，朱永官院士團隊推出的高通量定量PCR方法已經商業化。其“碳、氮、磷、硫基因芯片\"可以同時定量72個微生物（細菌和/或古菌）功能基因[13]。該技術現已應用于土壤養分循環功能基因的研究[16，17] ○

本研究通過雞糞水熱炭液取代 50% 尿素氮的方法配置了炭液氮肥。向盆栽土壤施加炭液氮肥和純尿素氮肥后培養 37d 。測試并比較了土壤樣品基本性質和元素循環功能基因，揭示了施加炭液肥料對土壤微生物群落碳、氮和磷循環功能的影響，為安全高效施用炭液肥料提供了理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與雞糞水熱炭液

雞糞收集自延安周邊養殖場，經烘干（ 50^qC ）、粉碎和過50目篩的預處理后存儲于干燥器中；將36mL 去離子水和 12g 雞糞粉末放人 100mL 水熱反應釜中；將水熱反應釜置于馬弗爐中， 220‰ 條件下水熱炭化反應 ¹h ；產物經過離心和抽濾（ 0.45μm 濾膜）得到雞糞水熱炭液。土壤采集自延安大學校園。土壤和炭液的性質見表1。

表1供試土壤和雞糞炭液的基本理化性質

1.2 土壤培養試驗

以施加\"炭液 + 尿素”和“純尿素”配置的液體肥料作為試驗和對照處理，簡記做HAP和 CK HAP液體肥料含有 126.00mL/L 炭液和 1.20g/L 尿素，CK含有 2.40g/L 尿素。二者都含有1.30g/L 的 K₂SO₄ 和 3.50g/L 的 Ca（H₂PO₄）₂?H₂O （以 P₂O₅ 計 ?18% ）。向直徑和高分別為 12cm 和 7cm 的小花盆中裝入 700g 干土。每天澆水至土壤最大田間持水量的 60% 并預培養2周。隨后，施加約 14mL/d 的液體肥料代替澆水，直至100mL 液體肥料在7d全部澆完。兩種肥料向土壤中添加了 160mg/kg 的氮、 100mg/kg 的 K₂O 和 ?100mg/kg 的 P₂O₅ 。在室內培養土壤 30d_c （2號兩個試驗處理各重復3次。

1.3 測試與分析

采用常規方法測試土壤的基本理化性質。按照固液比1：2.5和1：5，使用去離子水浸提土壤。前者浸提液測定土壤 ΔpH 和電導率（EC），后者使用帶有測氮模塊的TOC儀測定土壤水溶性有機碳（DOC）和水溶性有機氮（DON）。使用硫酸—混合加速劑消解風干土樣，全自動凱氏定氮儀測定土壤總凱氏氮（TKN）。使用 2mol/L 的KCl溶液浸提王壤（固液比1：5）后流式分析儀測定 ΔNH₄Ω-N 和NO₃-N 。土壤總氮 （TN）=TKN+ΔNO₃-N ，土壤有機氮 （ON）=TKN?NH₄-N， 。使用 0.1mol/L 的鹽酸酸化風干土壤后TOC儀測定土壤的總有機碳。將鮮土干冰送樣至廣東美格基因科技有限公司（https：//www.magigene.com/）后，使用碳氮磷硫功能基因芯片測試土壤微生物的功能基因。使用IBMSPSS22.0的獨立樣品t檢驗分析數據差異的顯著性，使用OriginPro2024SR1進行圖片繪制。

2 結果與討論

2.1 土壤的基本性質

施肥培養后土壤的理化性質如表2所示。與CK比較，HAP土壤的 pH 、TOC和DOC顯著提高了 0.06，0.23，g/kg 和 30.74mg/kg ，EC、DON和NO₃-N 顯著降低了 66.22μS/cm.14.11mg/kg 和 42.35mg/kg 。雞糞水熱炭液自身含有大量水溶性有機碳（表1），施加炭液肥料會顯著提高土壤的TOC和DOC。雞糞水熱炭液的有機質容易吸附在土壤中，使 HAP 的 DON 低于 CK^[10] 。已有研究表明，施加雞糞水熱炭液肥料在短期內（5d左右）和中期（30d對土壤的酸化效果分別強和弱于尿素。前者是因為炭液本身呈弱酸性，后者是因為炭液肥料會抑制硝化作用，而硝化作用是土壤酸化的主要原因[14] 。

表2施肥培養后土壤的理化性質

注：“*”和“**”分別代表差異顯著 _?plt;0.05 和極顯著 _{plt; 0.01} 。

2.2 功能基因檢出率

除 16SrRNA 外，基因芯片檢測了35個碳、22個氮、9個磷和5個硫循環基因，共71個。本研究共檢測出了53個功能基因，總檢出率為 74.65% 。其中，碳、氮、磷和硫循環基因分別檢出了26個、18個、6個和4個，檢出率分別為 74.28%.81.81% /66.67% 和 80.00% 。基因芯片對氮、硫循環基因的檢出率較高而對磷循環基因的檢出率較低。此外，HAP比CK多檢出1個反硝化基因nirS3（對應亞硝酸還原酶））。由于施加HAP對硫循環基因的影響不顯著（數據未顯示），同時本研究更關注土壤養分循環，因此不再深人討論硫循環基因。

2.3 碳循環基因

碳循環基因先分為碳水解、碳固定和甲烷代謝基因三大類。施加HAP對碳固定和甲烷代謝基因沒有顯著影響。碳水解基因根據代謝底物進一步細分為淀粉、果膠、半纖維素、纖維素、幾丁質和木質素水解基因。本研究檢出了所有半纖維素水解基因，未檢出唯一的果膠水解基因 pgu （對應果膠酶/多聚半乳糖醛酸酶）。與CK比較，HAP使16SrRNA和碳水解基因分別顯著增高了0.19和0.57lgcopies/g（圖1），說明炭液刺激了細菌生長并強化了有機質水解能力。HAP使apu（淀粉泛糖酶）、sga（葡萄糖淀粉酶）abfA（阿拉伯糖苷酶）和xylA（木糖異構酶）顯著升高了 0.22，0.60，0.60，1.00 ，使chiA（內切殼聚糖酶）顯著下降了 0.69lg copies/g（圖2）。考慮到土壤有機碳對微生物利用抗性按照“淀粉 $$ 半纖維素 $$ 纖維素 $$ 幾丁質 $$ 木質素”的順序增高，說明HAP分別刺激和抑制了細菌群落菌群對易利用和抗性有機物的降解能力。該結果與施加炭液增高土壤DOC的現象一致（表2）。

圖1施加炭液肥料對 、碳水解、碳固定、甲烷代謝、氮循環和磷循環基因的影響

圖2施加炭液肥料對碳水解基因的影響

2.4 氮循環基因

本研究中，處理間氮循環基因總量差異不顯著（圖1）。未檢出厭氧氨氧化（ 和hzsB）和同化氮還原（nasA）基因。在氮循環流程圖中標注出CK與HAP各類基因差異后發現（圖3），HAP的amoA2基因（古菌的氨氮加氧酶）比CK顯著低0.45lg copies/g。該結果與炭液土壤低 NO₃-N 的現象一致（表2）。

圖3施加炭液肥料對氮循環基因的影響

注：圖中數字為HAP對CK功能基因絕對值的差值（ ）；“ ”代表差異顯著 （plt; 0.05） 。

2.5 磷循環基因

本研究未檢出無機磷生物合成基因 ppk （對應聚磷酸激酶）（圖4）。在磷循環流程圖中標注出CK與HAP各分類基因的差異后發現，HAP顯著增加了細胞內聚磷水解基因（ ppx ，外切多磷酸酶）。 W_u 等（2021）發現添加有機肥能夠增加土壤微生物ppx基因，增強微生物釋磷潛力[24]，與本研究結果一致。HAP處理略微降低了細菌獲取環境中磷的基因，包括無機磷溶解基因（gcd，醌蛋白葡萄糖脫氫酶;pqqC，吡咯喹啉-醌合成酶）、有機磷礦化基因（bpp，β-propellerphytase;phnK，磷酸鹽運輸系統ATP結合蛋白； phoD ，堿性磷酸酶D）。截止目前，僅Li等（2023）借助 16SrDNA 擴增子測序技術預測了施加HAP對土壤磷循環微生物的影響，發現增高了磷酸酶基因phon豐度[\"]，與本研究結果相反。水熱炭化過程中，雖然原料磷主要通過沉淀反應集中在固體水熱炭中，但仍有部分磷溶解于 HAP^[5] 。施加HAP可能增加了土壤速效磷，進而降低了無機磷溶解和有機磷礦化基因的豐度[25]

圖4施加炭液肥料對磷循環基因的影響

3結論

本研究系統比較了施加雞糞水熱炭液和尿素氮肥后土壤化學性質和碳、氮和磷功能基因的差異。主要結論如下：（1）與尿素比較，施加炭液肥料土壤的pH、TOC 和DOC顯著提高了 0.06，0.23g/kg 和30.74mg/kg ，EC、DON和 NO₃-N 顯著降低了66.22μS/cm.14.11mg/kg 和 42.35mg/kg （2）炭液刺激了菌群生長和易利用有機物（淀粉和半纖維素）的降解能力，刺激了菌群完全反硝化和微生物釋磷能力，抑制了對抗性有機物（幾丁質）的降解能力，抑制有機氮礦化、氨化和硝化。（3）炭液含有細菌抑制物質，為菌群提供額外碳源和磷源，微生物代謝可能造成土壤局部厭氧，是微生物群落功能變化的可能原因。

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