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Mineralization and humification of chicken manure and composted kitchen waste in soils based on an in situ litter-bag experiment: impacts of organic inputs and microbial community基于原位凋落袋实验的鸡粪与堆肥餐厨废弃物的矿化和腐殖化过程：有机物料投入与微生物群落的影响Email: xiaoran0012@swu.edu.cn Cite this article :
Yujia SHI, Haixia ZENG, Linfa FANG, Yue DENG, Ran XIAO. Mineralization and humification of chicken manure and composted kitchen waste in soils based on an in situ litter-bag experiment: impacts of organic inputs and microbial community. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(4): 602‒614 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024546
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外源投入有机物质是提高农业土壤有机碳含量的有效措施。本研究通过原位网袋培养实验，研究了鸡粪 (chicken manure, CM) 和堆肥餐厨废弃物 (kitchen waste, KW) 的矿化和腐殖化过程。结果表明，随着时间的推移，两种有机物料的初始质量、碳和氮含量分别损失了超过50%、64%–72%和62%–85%，且表现出相似的质量损失模式，超过43.95%的质量损失发生在分解的前期 (第 0–56 天)，而后期 (第 56–280 天) 分解速率平稳。培养过程中观测到有机物质的胡敏酸 (HAs)、胡敏素 (HS) 及腐殖化程度增加，而富里酸 (FAs) 和腐殖质前体物质含量则下降。相比之下，CM在碳和氮的保留效率以及腐殖化程度上均高于KW。微生物群落对有机物料的碳损失和氮释放有显著影响；有机物料的化学计量特性是其矿化和腐殖化过程的主要决定因素。这些发现有助于加深对土壤中枯落物分解过程的理解，并为利用有机物质实现土壤碳固存提供了宝贵参考。
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1. 鸡粪和堆肥餐厨废弃物具有相似的矿化过程，但在腐殖化方面存在差异。2. 有机物料的碳氮比以及微生物群落组成决定了其矿化和腐殖化过程。3. 有机物料腐殖化程度的增强导致更多的碳损失和氮释放。
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土壤有机碳 (soil organic carbon, SOC) 的积累对维持土壤健康和提升农业生产力至关重要，是保障粮食安全和实现可持续发展的关键因素。作物秸秆和粪肥等有机物料被认为是提高SOC的重要来源，且持续的有机物投入能够显著增加农田土壤中的SOC水平。然而，由于外源有机物在成分及理化性质上的差异，其对SOC积累的影响不尽相同。
土壤中有机物的碳汇潜力主要通过矿化和腐殖化两个过程实现。在矿化过程中，有机物分解释放CO₂，导致碳损失，同时释放的氮、磷等养分有助于植物生长。相对而言，腐殖化通过有机物的聚合生成稳定的腐殖质，从而增强土壤的碳储存能力。此外，微生物群落在矿化和腐殖化过程中也发挥了重要作用，不容忽视。
基于此，本研究通过原位网袋培养实验，系统探讨了两种典型有机物料的矿化和腐殖化过程，并评估其组成特性和微生物群落对腐殖质形成及碳氮损失的影响。研究结果将为有机废弃物的科学管理与土壤碳汇的提升提供理论依据。
快速降解阶段 (0–28天)：实验前28天内，CM和KW经历了显著的质量损失，超过总质量损失的40%发生在此阶段，占总质量损失的80%以上。这主要归因于有机物料中易分解有机成分 (如碳水化合物、脂类、蛋白质等) 的快速降解。此外，较高的温度进一步加速了此阶段的分解速率。稳定期 (28–120天)：在28天至120天的稳定阶段，质量损失速率显著降低，趋于平缓。易分解的有机物质基本消耗殆尽，残余成分的降解速率减慢。缓慢降解阶段 (120天后)：实验第120天后，质量损失虽然继续，但降解速率较慢，直到实验结束。CM和KW的总体降解模式较为相似。 碳氮损失：在整个实验期间，CM和KW的初始碳和氮分别损失了64%–72%和62%–85%，其中主要集中在第0–56天阶段。这一碳氮损失模式与有机物料的降解规律一致，表明在分解过程中碳和氮的快速释放主要集中于实验初期的高活跃期。图1 原位网袋培养试验中不同有机物料 (a) 凋落物残留质量百分比、(b) 残留碳和 (c) 残留氮的变化。▎不同有机物料的腐殖质含量与腐殖化过程的动态变化特征腐殖质浓度的变化：腐解过程中CM和KW的HS和HAs含量均呈上升趋势。在第3–280 天，CM的变化最为明显，HS和HAs含量分别增加了22.74%和 73.87%。FAs含量则随培养时间表现出逐渐下降趋势。以上趋势表明有机物质逐渐转化为更稳定的腐殖质 (图2 (a–c))。腐殖化指标变化：实验中比较了腐殖化指标，包括腐殖化指数 (Humification Indexes，HI)、聚合度 (Degree of Polymerization，DP) 和腐殖比 (Humification Ratio，HR)，发现两种有机物料的HI、DP和HR值均随腐殖化进程逐渐增加。HI和HR在前期 (第3–56 天) 增加快速而后期 (第 56–280 天) 增加缓慢，最终CM的HI和HR水平均高于KW，表明腐殖化程度较高。两种有机物料的DP值在培养全阶段增加相较平缓，表明腐殖质结构的复杂化和成熟度逐渐提升 (图2 (d–f))。前体物质含量的变化：两种有机物料中还原糖的含量表现出不同的动态变化趋势。在CM处理中，还原糖的含量相对稳定，维持在约10 g·kg–1；而在KW处理中，还原糖含量则呈现先下降后增加的趋势，尤其是在培养的前56天内。此外，氨基酸和可溶性糖的浓度在培养过程中逐渐减少，这可能与腐殖质的形成、微生物活性以及代谢差异有关。同时，值得注意的是，美拉德反应在有机质降解中占据了主导地位，进一步影响了这些成分的动态变化。多酚的含量在实验前期有所增加，并在第56天达到峰值，随后逐渐减少。这一现象与木质素-纤维素化合物的降解、腐殖质的生成以及微生物的代谢活动密切相关。 腐殖质前体与腐殖化进程的相关性分析：氨基酸、多酚和可溶性糖等前体物质与HS和HAs呈负相关，这些前体物质在腐殖化过程中被消耗，有助于稳定腐殖质的形成。图2 原位网袋培养试验中不同有机物料 (a) 腐殖质、(b) 富里酸、(c) 胡敏酸含量，以及 (d) 腐殖化指数、(e) 聚合度和 (f) 腐殖比的变化。微生物多样性变化：两种有机物料细菌的Chao 1和Shannon指数在第0–56天显著增加，随后因易分解有机物的消耗而逐渐减少；真菌的ASV和Chao 1指数在培养全过程中不断增加。非度量多维排列 (Non-metric multidimensional scaling，NMDS) 分析及主坐标分析 (Principal Co-ordinates Analysis，PCoA) 表明微生物群落在不同分解阶段之间差异显著。微生物群落组成的变化：培养前期CM中细菌以Actinobacteriota 和 Firmicutes为主，随着培养的进行，其丰度降低而Proteobacteria丰度增加，特别是在快速分解阶段后 (第56–280天)。而KW中细菌群落组成截然不同，且复杂度较低。真菌群落均主要由Ascomycota主导，且丰度在培养期间逐渐减少。 微生物群落动态与腐殖质形成的关系：Actinobacteriota 和 Firmicutes能够有效地分解木质纤维素和其他有机物，促进HAs的生成，与HAs含量呈正相关。Basidiomycota、Rozellomycota和Chytridiomycota与HS和HAs呈正相关，与氨基酸、多酚等腐殖质前体呈负相关，表明这些真菌通过消耗前体物质促进腐殖质的形成。▎有机物料特性与微生物群落共同驱动有机物料碳氮损失水平有机物料的C:N通过影响腐殖质前体的含量，进而影响腐殖化程度，从而间接影响碳损失水平。对于氮损失，有机物料的C:N仍然是重要的驱动因素，通过增加细菌与真菌多样性，进而抑制氮损失，减少养分流失。此外，微生物通过影响分解常数 (k) 来影响氮的损失水平 (图3)。
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图3 结构方程模型揭示了 (a) 有机物料的 C:N 比、细菌、真菌、前体、腐殖化指数与碳损失；(b) 有机物料的C:N比、细菌、真菌、质量损失、分解常数、氮释放之间的直接和间接关系。﹀
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本研究通过原位网袋培养试验，探讨了CM和KW两种有机物料的矿化和腐殖化过程。结果表明：随着时间的推移，有机物料分解速率降低，主要质量损失发生在分解的初始阶段 (第 1–56 天)。培养期间，尽管两种有机物料的腐殖质前体和腐殖质形成水平存在差异，但它们都对腐殖化进程做出了贡献，从而有利于培养期间有机物料碳和氮的保存。此外，研究还揭示了有机输入的化学计量特征以及微生物群落的动态变化对CM和KW的矿化和腐殖化具有重要影响，特定细菌和真菌门的分布也在这一过程中发挥着关键作用。CM和KW 表现出相似的腐解特征。这些发现不仅有助于体现有机物料在土壤中的命运，探究其固碳潜力，也为土壤新型有机碳基材料的开发提供了重要参考。
供稿 | 石雨佳
编辑 | 唐静月 李云舟
审稿 | 许建香
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