长期连续玉米种植中多样化粪肥塑造重金属积累与微生物群落

《Agriculture》：Diverse Manures Shape Heavy Metal Accumulation and Microbial Communities in Long-Term Continuous Maize Cropping Zhixi Geng, Huihong Zhang, Hongguang Cai, Yao Liang, Guolin Lin and Shiming Su

　　

畜禽粪肥改良可提高土壤肥力并促进碳固存，但长期施用会导致重金属（Heavy Metals, HM）积累，其生态后果尚不明确。本项研究基于一个长达13年的连续玉米种植系统田间试验，比较了在等碳输入条件下，施用化学肥料（NPK）与四种有机改良剂（牛粪、猪粪、鸡粪和堆肥）的效果。有机改良剂相对于NPK处理，使土壤总有机碳（Total Organic Carbon, TOC）显著增加了15.8-24.3%，使有效磷（Available Phosphorus, AP）增加了1.9至6倍。堆肥处理获得了最高的玉米产量。然而，由于背景浓度较高，猪粪和鸡粪导致铜（Cu）和锌（Zn）的显著积累。尽管如此，籽粒中重金属浓度仍低于安全阈值，表明不存在直接的食品链风险。宏基因组分析表明，重金属胁迫作为确定性过滤器，作用于土壤微生物组。牛粪培育了最复杂的共生网络（平均度：2.70），而猪粪则降低了网络复杂性，并增加了模块性（>0.92），这反映了微生物相互作用向碎片化、生存导向的转变。这种结构重组伴随着功能转变，包括胁迫耐受类群（例如Chitinophagales, Nitrosotalea）和解毒途径的富集。为平衡黑土地区的土壤肥力、生产力和生态安全，建议优先使用牛粪或堆肥，而非未经处理的猪粪和禽粪。

研究背景、问题与目的

随着中国农业经济的快速发展和肉类产品需求的不断增长，畜牧业规模日益扩大，每年约产生38亿吨畜禽粪便。这些粪便是含有氮、磷、钾和有机碳等必需养分的重要资源，可作为有机肥提升土壤肥力。然而，长期、大面积的粪肥施用会导致土壤中重金属的显著积累，构成独特的生态风险。现有研究多关注土壤重金属总量的变化，而对生物有效态重金属、作物累积风险及相关的微生物学机制评估不足。重金属的生态效应和植物吸收受其生物有效性而非总量控制，而粪肥施用又会通过改变土壤性质（如pH、有机质）影响重金属的活性和环境风险。同时，粪肥改良深刻重塑土壤微生物群落及其互作网络，进而通过微生物介导的过程调控重金属循环。在此背景下，系统评估长期施用动物粪肥对土壤重金属积累和微生物群落的影响，对在提高土壤肥力、保障粮食安全的同时管理环境风险至关重要。

本研究基于在中国东北黑土区（Mollisol）进行的为期13年的长期定位试验，探究长期施用不同粪肥对土壤重金属积累及其微生物群落的影响机制。研究人员假设，长期施用粪肥会明确增加土壤重金属总量，而有机物料的输入则通过固相络合和溶解性有机碳（Dissolved Organic Carbon, DOC）络合等动态过程，对重金属的迁移性和有效性产生双重影响，这些耦合过程共同驱动土壤微生物群落结构与功能的变化。具体目标是：（i）评估不同处理下土壤重金属生物有效态库的变化及其在玉米组织中的积累风险；（ii）探究重金属胁迫如何影响土壤微生物群落的结构复杂性和功能潜力。该研究旨在为传统农业系统中平衡土壤培肥与环境风险管理提供新见解。

主要研究方法

本研究在吉林省公主岭市开展，供试土壤为黑土（粘壤土）。试验设计包括不施肥对照、单施化肥、化肥配施牛粪/堆肥/鸡粪/猪粪，共六个处理，随机区组设计，重复三次。所有粪肥处理均基于等碳量（年均3200 kg C ha^-1）的原则施用。试验始于2011年，连续种植玉米（品种：先玉335）13年。研究人员在2024年玉米收获期采集0-20 cm土层土壤样本，分析其基本理化性质（pH、容重、TOC、全氮、速效氮磷钾等）及重金属（铬、铜、锌、镉、铅、砷）总量与有效态含量。同时测定玉米籽粒产量及其重金属含量。此外，利用高通量宏基因组测序技术（基于DNBSEQ-T7平台）分析土壤微生物群落结构，包括α-多样性、群落组成、共现网络拓扑结构和基于KEGG数据库的功能预测。通过冗余分析、Mantel检验、Spearman相关性分析等统计方法，探究土壤性质、重金属与微生物群落间的关联。

研究结果

3.1. 长期施肥后玉米产量和籽粒重金属积累

施肥处理显著影响玉米产量。堆肥处理产量最高（13.02 t ha^-1），显著高于单施化肥处理。鸡粪处理导致籽粒中Cu和Zn浓度最高，牛粪处理导致籽粒中Cr和Pb浓度最高。尽管如此，所有处理玉米籽粒中有毒金属含量均远低于国家标准限值，暂未构成直接的食品安全风险。

3.2. 长期施肥后土壤性质和重金属积累

长期单施化肥（NPK）导致土壤显著酸化（pH降至5.3），而有机肥配施处理能有效缓冲酸化，维持pH在5.7-5.8。所有有机肥处理均显著提高了土壤总有机碳、全氮和速效养分含量。猪粪处理速效磷含量最高，鸡粪处理速效钾含量最高。重金属积累模式与施用粪肥的背景值高度相关。猪粪处理因原料中Cu、Zn背景值高，导致土壤中总Cu和总Zn含量（分别为53.0和209.5 mg kg^-1）最高，其有效态含量也相应最高。鸡粪处理显著降低了土壤有效态砷浓度，而堆肥处理则增加了有效态镉和铅的浓度。与初始背景值相比，猪粪和鸡粪处理导致Cu、Zn显著净累积，而牛粪和堆肥处理的重金属水平变化微小，生态安全性更优。

3.3. 长期施肥后土壤微生物群落结构

有机肥施用总体上增加了微生物丰富度。然而，重金属含量较高的猪粪处理（NPKZ）未能达到最高的多样性指数，表明重金属胁迫可能对微生物产生了选择压力。主坐标分析显示，不同施肥处理下的微生物群落结构存在明显分离。线性判别分析效应大小（LEfSe）分析发现了不同处理的标志性微生物类群。例如，猪粪处理特异性富集了Chitinophagales和Chitinophagia；牛粪处理特异性富集了Longimicrobium和Hyphomicrobiales；堆肥处理则富集了Rhizomicrobium。

3.4. 微生物共现网络和功能特征

微生物共现网络分析显示，牛粪处理具有最复杂的网络结构（平均度最高）。相比之下，重金属输入较高的猪粪和鸡粪处理，网络复杂性降低，但模块性显著升高（>0.92），表明群落为应对环境胁迫，形成了更碎片化、独立的模块。功能预测表明，与单施化肥相比，猪粪处理显著富集了“芳香族化合物降解”、“硝基甲苯降解”和“非核糖体肽结构”等与解毒和适应胁迫相关的通路。

3.5. 土壤性质与微生物群落间的联系

冗余分析和Mantel检验表明，土壤pH、总有机碳、全氮、速效磷、速效钾是驱动微生物群落结构变化的关键环境因子。Spearman相关性分析揭示了特定微生物类群与环境因子的关联。例如，Rhizomicrobium与TOC、全氮、速效磷、速效钾呈极显著正相关，而Candidatus_Solibacter与pH和养分含量呈负相关。

讨论总结与结论

研究人员在讨论部分重点阐述了以下核心发现：长期粪肥施用能显著提高玉米产量并改善土壤肥力，其中堆肥处理的增产效果最佳。然而，不同粪肥来源的重金属输入差异巨大，以猪粪和鸡粪的Cu、Zn输入尤为显著，导致土壤中相应重金属的明显积累。尽管目前籽粒重金属未超标，但长期累积风险不容忽视。重金属有效性的变化受粪肥性质（如鸡粪降低有效砷、堆肥增加可溶性有机质络合Cd/Pb）和土壤过程的共同调控，决定了作物吸收风险。在微生物层面，有机质输入普遍提升了微生物多样性与丰度，但重金属胁迫（如猪粪处理）会抑制微生物多样性，并作为强大的选择压力，驱动群落结构重组，富集如Chitinophagales等耐受性类群。同时，重金属胁迫改变了微生物互作模式，导致网络结构简化、模块性增加，功能也从资源获取转向胁迫耐受与解毒。

研究结论

在连作玉米系统中，粪肥来源的选择对平衡土壤肥力提升与重金属风险至关重要。虽然堆肥实现了最高的玉米产量（13.02 t ha^-1），但长期施用未经处理的猪粪和鸡粪会导致土壤中铜和锌的显著积累，其中猪粪处理下分别达到53.0 mg kg^-1和209.5 mg kg^-1，鸡粪处理下分别为32.7 mg kg^-1和145.6 mg kg^-1。尽管目前籽粒重金属浓度仍在安全限值内，但持续的输入构成了累积风险。此外，重金属胁迫作为强烈的环境过滤器作用于土壤微生物组，显著降低了网络复杂性并增加了模块性，同时伴随功能从细胞运动性向解毒和胁迫耐受性的转变。基于我们观察到的13年趋势，与未经处理的猪粪或禽粪相比，牛粪和堆肥在维持相近农业生产力的同时，呈现出更低的重金属积累风险。在后两者被使用时，必须对土壤重金属阈值进行严格监测，以防未来的作物吸收风险。展望未来，建立明确的农艺指南将需要严格的定量阈值分析和动态风险建模。此外，进一步的研究应优先追踪这些重金属在土壤-植物-地下水系统中的长期迁移，并阐明其与不同有机组分络合的原位分子机制。