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畜禽粪便中含有大量植物可利用的碳、氮、磷等营养物质及其他微量元素,是农业生产中重要的肥料资源,通过腐食性动物白星花金龟子幼虫对畜禽粪便进行生物转化是畜禽粪便资源化利用和降低环境风险的有效途径。因此,明晰经生物转化后的畜禽粪便对作物生长发育和土壤微生物群落的影响,对减少畜禽粪便造成的环境污染及其还田后对土壤环境的影响具有重要的意义。因此通过小麦盆栽试验对比15N标记的尿素、猪粪和经白花金龟子转化后的虫粪处理对小麦苗期氮素利用效率的影响,并结合小麦生长状况和土壤理化性质、细菌群落结构和多样性的变化特征进行综合分析,明晰不同氮源对小麦生长的影响,为畜禽粪便还田利用提供理论依据。研究得到如下结果:
1.不同施肥处理对小麦苗期生理指标和生物量的影响不同。与对照和单独施用尿素处理相比,施用畜禽粪便后,小麦苗期的株高、茎粗、茎秆体积均有不同程度增加,叶面积仅在施用双倍猪粪后增加;植株鲜重、干重和总碳含量均增加,根冠比和碳氮比不变或降低,叶绿素SPAD值和总氮含量不变或增加。
2.不同施肥处理对小麦苗期土壤理化性质的影响不同。不同处理对土壤pH的影响存在较大差异;与对照和施用尿素处理相比,施用畜禽粪便后,土壤总碳和可溶性有机碳含量均增加,总氮和铵态氮不变或增加。与对照相比,土壤可溶性有机氮和硝态氮含量在施用尿素和双倍猪粪后增加,而在其他处理后不变。土壤碳氮含量的变化导致土壤碳氮比降低。小麦氮肥表观利用率在双倍猪粪处理后增加,而其他处理间差异不显著。
3.不同施肥处理对小麦苗期土壤微生物生物量、细菌群落结构和多样性的影响不同。与对照相比,土壤微生物生物量碳、氮含量在尿素处理后降低,畜禽粪便处理后不变或升高;细菌群落α多样性指数(Chao1、Shannon、Simpson和Observedspecies)在双倍猪粪处理后降低,而在其他处理后不变。各处理土壤中的优势菌均为放线菌门(Actinobacteria)的放线菌纲(Actinobacteria);双倍猪粪处理后,一些细菌在门水平上与其他处理存在显著差异。不同处理土壤细菌群落中的指示物种各不相同,其中虫粪处理后的重要指示物种为Corynebacteriales、Promicromonosporaceae和Cellulosimicrobium。
4.不同施肥处理对小麦苗期土壤氮循环功能基因有较大影响。与对照相比,氨氧化古菌AOAamoA基因丰度在施用虫粪和单倍猪粪后升高,而其他处理后变化较小;氨氧化细菌AOBamoA基因丰度在虫粪处理后不变,其他处理显著升高;反硝化作用功能基因nirS、nirK和nosZ丰度在施用畜禽粪便后显著增加,但尿素处理下各基因丰度变化差异较大。
5.相关分析结果表明,施肥处理后小麦地上和地下生物量的相关性较小,但小麦生长和生理指标与土壤理化性质之间有显著相关关系,土壤理化性质与反硝化作用功能基因之间存在显著相关关系。主成分分析结果表明,各处理下小麦的生长主要受土壤理化性质和土壤微生物代谢的综合影响,但与对照相比,施肥处理降低了土壤微细菌α多样性和氮循环功能基因的丰度,但增加了小麦植株碳氮含量的占比,成为小麦生长的主要驱动因素。
综上所述,畜禽粪便及其生物转化产物的施用对小麦生长、土壤理化性质及微生物产生了显著影响,研究结果可为养殖场废弃物资源的再利用和生态风险评估提供重要的理论支撑。
1.不同施肥处理对小麦苗期生理指标和生物量的影响不同。与对照和单独施用尿素处理相比,施用畜禽粪便后,小麦苗期的株高、茎粗、茎秆体积均有不同程度增加,叶面积仅在施用双倍猪粪后增加;植株鲜重、干重和总碳含量均增加,根冠比和碳氮比不变或降低,叶绿素SPAD值和总氮含量不变或增加。
2.不同施肥处理对小麦苗期土壤理化性质的影响不同。不同处理对土壤pH的影响存在较大差异;与对照和施用尿素处理相比,施用畜禽粪便后,土壤总碳和可溶性有机碳含量均增加,总氮和铵态氮不变或增加。与对照相比,土壤可溶性有机氮和硝态氮含量在施用尿素和双倍猪粪后增加,而在其他处理后不变。土壤碳氮含量的变化导致土壤碳氮比降低。小麦氮肥表观利用率在双倍猪粪处理后增加,而其他处理间差异不显著。
3.不同施肥处理对小麦苗期土壤微生物生物量、细菌群落结构和多样性的影响不同。与对照相比,土壤微生物生物量碳、氮含量在尿素处理后降低,畜禽粪便处理后不变或升高;细菌群落α多样性指数(Chao1、Shannon、Simpson和Observedspecies)在双倍猪粪处理后降低,而在其他处理后不变。各处理土壤中的优势菌均为放线菌门(Actinobacteria)的放线菌纲(Actinobacteria);双倍猪粪处理后,一些细菌在门水平上与其他处理存在显著差异。不同处理土壤细菌群落中的指示物种各不相同,其中虫粪处理后的重要指示物种为Corynebacteriales、Promicromonosporaceae和Cellulosimicrobium。
4.不同施肥处理对小麦苗期土壤氮循环功能基因有较大影响。与对照相比,氨氧化古菌AOAamoA基因丰度在施用虫粪和单倍猪粪后升高,而其他处理后变化较小;氨氧化细菌AOBamoA基因丰度在虫粪处理后不变,其他处理显著升高;反硝化作用功能基因nirS、nirK和nosZ丰度在施用畜禽粪便后显著增加,但尿素处理下各基因丰度变化差异较大。
5.相关分析结果表明,施肥处理后小麦地上和地下生物量的相关性较小,但小麦生长和生理指标与土壤理化性质之间有显著相关关系,土壤理化性质与反硝化作用功能基因之间存在显著相关关系。主成分分析结果表明,各处理下小麦的生长主要受土壤理化性质和土壤微生物代谢的综合影响,但与对照相比,施肥处理降低了土壤微细菌α多样性和氮循环功能基因的丰度,但增加了小麦植株碳氮含量的占比,成为小麦生长的主要驱动因素。
综上所述,畜禽粪便及其生物转化产物的施用对小麦生长、土壤理化性质及微生物产生了显著影响,研究结果可为养殖场废弃物资源的再利用和生态风险评估提供重要的理论支撑。