在稻壳堆肥过程中，添加牛粪添加剂可以减弱微生物相互作用对氮动态的影响

《Frontiers in Microbiology》：Additive of cow dung weakened the influences of microbial interactions on nitrogen dynamic during composting of rice husks

稻壳与牛粪共腐改善堆肥特性及育苗效果研究。通过16S rRNA测序和宏基因组分析，发现牛粪添加显著提高堆肥温度（60.1℃ vs 52.8℃），维持pH稳定（7.4±0.2），增强微生物网络复杂度（251 vs 132节点），但削弱微生物互作与碳氮转化的耦合关系。共腐产物中溶解有机碳（DOC）和氨态氮（NH4+-N）含量显著提升，分别达4.49g/kg和32.93mg/kg，促进番茄科植物发芽率（93.21% vs 商用泥炭81.48%）。研究揭示牛粪通过调控热力学环境、改变微生物网络拓扑结构和氮代谢基因表达（如抑制norB、nirB基因丰度），有效减少氮素损失（NH4+-N和NO3--N分别减少88.6%和75.4%），为可持续育苗基质开发提供理论依据。

　　本研究聚焦于农业废弃物的可持续转化利用，特别是通过共堆肥的方式将稻壳（RH）与牛粪（CD）转化为无泥炭基质。这一过程不仅有助于减少农业废弃物对环境的影响，还为农业生产提供了环保、高效的替代性基质材料。研究团队通过为期40天的堆肥实验，结合16S rRNA基因测序和宏基因组分析，深入探讨了牛粪添加对微生物网络结构和碳氮动态的影响，并评估了最终形成的基质对植物生长的促进作用。实验结果显示，牛粪的加入显著提升了堆肥的温度和微生物网络的复杂性，同时有效抑制了氮素损失，最终形成的基质在促进作物发芽和生长方面表现出优于传统泥炭基质的潜力。研究还揭示了微生物群落结构与碳氮转化之间的复杂关系，为农业废弃物的资源化利用提供了新的理论支持和实践指导。

### 一、农业废弃物的处理与资源化利用的重要性

在全球范围内，农业固体废弃物的处理已成为一个严峻的环境挑战，尤其是在水稻生产大国如中国、印度和印度尼西亚等国家。稻壳是其中最典型、产量最高的农业废弃物之一，全球年产量约为1.5亿吨。在中国，由于水稻种植和加工的规模庞大，稻壳的年产量更是高达4000万吨。如何有效处理这些废弃物，使其成为有价值的资源，是实现农业可持续发展的重要课题。

传统上，稻壳的处理方式包括直接焚烧和作为土壤改良剂使用，但这些方法往往伴随着高碳排放和资源浪费的问题。近年来，堆肥作为一种环保、高效的处理方式，逐渐受到关注。稻壳堆肥能够转化为具有优良物理性质的育苗基质，如良好的透气性、持水能力和结构稳定性，为植物生长提供理想的环境。然而，稻壳堆肥过程中有机物的生物转化率较低，限制了其在农业应用中的效果。因此，研究如何通过添加其他有机废弃物（如牛粪）来提升稻壳堆肥的转化效率，具有重要的现实意义。

### 二、实验设计与方法概述

本研究通过控制实验，评估了稻壳与牛粪共堆肥对碳氮转化过程和微生物网络结构的影响。实验地点设在湖南省永州市，时间为2024年5月。在实验过程中，稻壳和牛粪被混合后，通过定期翻堆、控制水分和温度等措施，模拟了实际堆肥条件。为了深入分析微生物群落的变化，研究团队采用了16S rRNA基因测序和宏基因组分析技术，以揭示微生物群落的多样性、功能潜力及其在堆肥过程中的动态变化。

此外，为了评估堆肥产物的植物生长促进效果，研究团队还制备了三种不同的育苗基质：纯稻壳堆肥基质（RH）、稻壳与牛粪混合堆肥基质（RHCD）以及传统的泥炭基质（PSS）。通过浮盘育苗系统，研究团队对烟草幼苗的生长指标进行了系统评估，包括发芽率、根系发育、地上部生物量和根表面积等。实验结果表明，RH和RHCD堆肥基质在促进烟草幼苗生长方面优于传统泥炭基质，尤其是在发芽率和根系生物量方面表现突出。

### 三、堆肥过程中的碳氮动态变化

堆肥过程通常分为几个阶段，包括升温期、高温期、降温期和成熟期。本研究将40天的堆肥实验划分为四个阶段，并通过日常监测和周期性采样，分析了各阶段的碳氮变化情况。结果显示，牛粪的加入显著提高了堆肥的平均温度，RHCD处理组的温度在高温期达到60.1°C，而RH处理组仅为52.8°C。这种温度的提升可能源于牛粪中丰富的热嗜好微生物群落，如*Thermoleophilia*、*Myceliophthora*和*Caldoanaerobacter subterraneus*等，这些微生物在高温环境下能够加速有机物的分解和转化。

在碳氮转化方面，牛粪的加入对碳含量和氮含量的影响尤为显著。RH处理组的总碳含量（TC）在40天内减少了5.2%，而RHCD处理组的TC减少了15.4%，说明牛粪的加入显著促进了碳的分解。然而，这种碳的损失也意味着在堆肥过程中，碳转化效率的提升可能伴随着碳资源的消耗。另一方面，总氮含量（TN）在RHCD处理组中显著增加，这可能与牛粪中氮素的释放和微生物的氮转化活动有关。在高温期，NH??-N的浓度从初始的288.12 mg/kg迅速下降至32.93 mg/kg，表明氮素的快速转化。相比之下，NO??-N的浓度在RHCD处理组中保持较高水平，直到成熟期才显著降低，这表明牛粪的加入有助于减少氮素的损失，提高氮素的保留率。

### 四、微生物网络结构对碳氮转化的影响

微生物网络的结构和功能对堆肥过程中碳氮转化具有重要调控作用。本研究通过SparCC方法分析了不同阶段微生物网络的复杂性，并发现牛粪的加入显著改变了网络的结构特征。例如，在升温期和成熟期，RHCD处理组的微生物网络规模大于RH处理组，而在降温期和成熟期，网络复杂性有所下降。这表明，牛粪的加入在某些阶段促进了微生物群落的多样性，但在其他阶段可能抑制了网络的连通性。

研究还发现，微生物网络的某些关键参数（如平均节点度、网络密度、平均路径长度和聚类系数）与环境因素（如pH值、TC、TN、DOC、NH??-N和NO??-N）之间存在显著的关联。例如，在RH处理组中，pH值和TC均与网络规模呈负相关，而与网络密度呈正相关。这种关联性在RHCD处理组中被削弱，说明牛粪的加入可能影响了微生物群落与环境之间的互动。此外，研究还发现，平均路径长度对总氮含量有负面影响，但对NH??-N有正向促进作用，表明微生物群落的高效连接有助于氮素的快速转化和保留。

### 五、关键微生物类群及其功能作用

在堆肥过程中，某些关键微生物类群对碳氮转化起到了重要作用。例如，*Thermoleophilia*在RHCD处理组中作为连接节点，参与了氮素的转化过程，特别是在高温期和成熟期，其与其他关键物种的正向相互作用有助于氮素的积累和稳定。此外，*Actinobacteria*在降温期和成熟期表现出较高的丰度，这可能与其在有机物稳定化和病原菌抑制方面的功能有关。

研究还发现，某些稀有微生物类群在堆肥过程中扮演了重要角色。例如，*Longimicrobia*在RHCD处理组中成为连接节点，并与氮素转化相关的物种（如*Thermopolyspora*和*Filomicrobium*）形成了正向互动。这些微生物可能在尿素分解和硝酸盐还原过程中发挥关键作用，从而影响氮素的转化路径。此外，*Methanosarcina*作为连接节点，在高温期和成熟期活跃，其在甲烷生成中的作用可能与氮素转化过程相互关联。

### 六、氮素转化机制与微生物群落的调控作用

氮素的转化是堆肥过程中的关键环节，其动态变化受到微生物群落结构和功能的显著影响。研究发现，牛粪的加入显著改变了氮素转化相关的基因表达模式。例如，在高温期，与硝酸盐还原相关的基因（如*narGHI*和*norB*）在RHCD处理组中的丰度低于RH处理组，这可能意味着牛粪的加入抑制了硝化和反硝化过程，从而减少了氮素的损失。然而，在成熟期，与硝酸盐氧化相关的基因（如*nxrB*）在RHCD处理组中的丰度显著增加，表明牛粪的加入可能促进了氮素的稳定化。

此外，研究还发现，微生物群落的网络结构对氮素转化具有调控作用。例如，网络的平均路径长度对总氮含量呈负相关，而对NH??-N呈正相关，这可能意味着微生物群落的高效连接有助于氮素的快速转化和保留。同时，网络的平均节点度与NO??-N呈正相关，但与NH??-N呈负相关，表明微生物之间的紧密互动可能促进了硝酸盐的积累，而抑制了铵态氮的流失。

### 七、堆肥产物的植物生长促进效果

实验结果表明，稻壳和牛粪共堆肥产生的基质在促进植物生长方面具有显著优势。与传统的泥炭基质相比，RH和RHCD处理组的发芽率分别达到95.06%和93.21%，均显著高于泥炭基质的81.48%。这表明，共堆肥基质在提供适宜的生长环境方面优于传统基质。此外，基质中的溶解有机碳（DOC）和铵态氮（NH??-N）对发芽率和生物量的提升具有显著的正向作用。DOC与发芽率之间的正相关关系（Pearson’s *r* = 0.820，*p* = 0.045）和NH??-N与生物量的正相关关系（Pearson’s *r* = 0.858，*p* = 0.029）进一步支持了共堆肥基质在植物生长促进中的作用。

### 八、微生物网络调控碳氮转化的机制

研究揭示了微生物网络在调控碳氮转化中的关键作用。例如，在升温期，微生物网络的平均节点度显著增加，而平均路径长度和网络直径则减少，这表明微生物群落的高效连接促进了碳氮的快速转化。然而，在高温期，网络的平均聚类系数和中心化程度降低，可能与高温对某些微生物的抑制作用有关。随着温度的下降，微生物网络的复杂性重新提升，说明在降温期，微生物群落可能通过重组功能模块来适应环境变化，从而维持碳氮转化的稳定性。

此外，研究还发现，碳氮比（C/N）对氮素转化具有重要影响。牛粪的加入显著降低了C/N比，从62.9降至40.6，这可能抑制了反硝化相关基因的表达，从而减少了氮素的损失。同时，DOC的积累对氮素转化路径具有调控作用，尤其是在高温期，DOC的增加可能为微生物提供了更多的氮素来源，促进了氮素的保留。

### 九、研究的意义与应用前景

本研究不仅揭示了牛粪在稻壳堆肥过程中的重要作用，还为农业废弃物的资源化利用提供了科学依据。通过添加牛粪，稻壳堆肥的温度和微生物网络复杂性显著提升，这有助于加速有机物的分解和氮素的转化。同时，牛粪的加入还有效抑制了氮素的损失，特别是在高温期，减少了N?O的排放，从而降低了温室气体的产生。

此外，研究还发现，共堆肥基质在促进植物生长方面具有显著优势，其发芽率和生物量均优于传统泥炭基质。这表明，稻壳与牛粪共堆肥不仅能够提高堆肥的环境效益，还能增强其在农业生产中的应用价值。因此，这种无泥炭基质的生产方式有望成为未来农业可持续发展的重要方向。

综上所述，本研究通过系统分析稻壳与牛粪共堆肥过程中的微生物网络和碳氮动态，揭示了牛粪在提升堆肥质量、促进植物生长和减少氮素损失中的关键作用。这些发现不仅有助于理解微生物群落对农业废弃物转化的调控机制，还为实现农业废弃物的高效利用提供了新的思路和方法。未来，随着对微生物网络和氮素转化机制的进一步研究，稻壳与牛粪共堆肥技术有望在更大范围内推广，为农业可持续发展提供有力支持。