《Environmental Research》：Sewage-sludge-derived biostimulant enables fertilizer reduction while maintaining rice yield through microbiome-mediated nutrient cycling
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水稻生产中，利用生活污泥制备的生物刺激剂（SS-BS）在减少20%化肥（尤其是氮肥）的情况下，通过调控根际微生物功能及养分循环，保持了与传统施肥（FP）相近的产量和关键产量组分。单季田间试验结合宏基因组测序和偏最小二乘路径模型分析，揭示了SS-BS通过促进氮磷钾循环相关微生物功能，协同提升土壤肥力和作物适应性。
宁 王 | 康 津 | 王 新月 | 张 月 | 李 小鸥 | 孙 一 | 西 金英 | 沈 利东
江苏省农业气象重点实验室-气象灾害预测与评估协同创新中心，南京信息科学职业技术学院应用气象学院，中国南京 210044
摘要 现代农业严重依赖化学肥料来维持高产量，然而过度施肥会导致土壤酸化、水体富营养化、温室气体排放和生物多样性丧失。从污泥中提取的生物刺激剂（SS-BS）可能通过植物-土壤-微生物组的相互作用帮助减少对肥料的依赖，同时保持作物表现。在本研究中，我们在一个生长季节（2024年）内，在传统管理条件下对稻田试验中使用了SS-BS。比较了三种施肥方案：低肥料处理（CK）、传统施肥（FP）以及添加SS-BS的减量矿物肥料处理（BS）。在整个2024年生长季节中，BS处理的稻谷产量和关键产量指标与FP处理相当或接近。宏基因组分析表明，SS-BS与氮、磷和钾循环相关的微生物功能途径发生了变化，以及与养分转化过程相关的微生物群落相对丰度的变化。偏最小二乘路径模型（PLS-PM）进一步表明，微生物功能属性与施肥方案、土壤性质和产量结果之间存在关联。总体而言，这些来自单季田间实验的结果表明，SS-BS具有支持水稻系统减少肥料使用的潜力，并有必要对其进行多季验证，以评估其农艺效果和与微生物组相关的效应。
引言 现代农业长期以来一直依赖化学肥料来维持高作物产量，但这种依赖也引发了严重的环境和生态问题。过量的氮和磷输入被认为是土壤酸化、水体富营养化、温室气体排放和生物多样性丧失的主要驱动因素（Liang等人，2013年）。在田间尺度上，过度施肥会破坏土壤结构并改变微生物群落，增加硝酸盐积累和重金属迁移的风险。在许多高投入的农业系统中，氮和磷的利用效率低于50%，这突显了在保持或提高作物产量和质量的同时减少肥料施用的紧迫性——这是可持续农业发展的关键挑战（Xing等人，2025年）。
生物刺激剂被视为作物管理的“第三支柱”，因为它们通过调节植物生理过程和植物-土壤-微生物相互作用来提高养分利用效率和环境适应性（Arinaitwe等人，2025年；Mashabela等人，2025年；Nephali等人，2020年）。近年来，人们越来越关注从有机废物中生产低分子量植物养分和生物刺激剂，其中城市污泥因其大量的生产和丰富的生物活性成分而被认为是一种有前景的资源。中国每年产生超过7000万吨城市污泥（含水量约为80%）（Xiao和Zhou，2020年），其中富含氮、磷、钾和蛋白质、氨基酸等有机生物活性物质；值得注意的是，蛋白质可占细胞干重的约50%（Shier和Purwono，1994年）。先前的研究表明，污泥衍生的腐殖质物质可以促进玉米根系发育并增强质子泵活性（Jindo等人，2012年），而经过处理的污泥材料可以刺激根际微生物群落，从而改善辣椒的生长和产量（Pascual等人，2010年）。与其他有机废物衍生的生物刺激剂（如基于粪便的产品）相比，污泥提供了更高浓度的富氮生物分子（Rorat等人，2019年；Xiao和Zhou，2020年；Zhang等人，2018年）以及更集中和可控的资源流（Dai等人，2022年），使其特别适合标准化生物刺激剂的生产。
然而，与重金属和病原微生物相关的潜在风险仍然严重限制了污泥在农业中的直接应用。为了解决这些限制，提出了碱性热水解作为一种有效的处理策略。该过程可以有效地破坏污泥细胞结构，促进有机物解聚，显著提高蛋白质和低分子量有机化合物的溶解度，同时实现病原体的灭活并降低重金属的生物可利用性（Barber，2016年；Cho等人，2013年；Liu等人，2008年；Pathak等人，2009年）。因此，可以生产出富含氮、磷、钾、肽和游离氨基酸的污泥衍生生物刺激剂（SS-BS）（Tang等人，2022年）。尽管具有有利的成分特性，但SS-BS对作物产量形成以及田间条件下土壤物理化学和功能过程的调节作用仍不够清楚。
水稻（Oryza sativa L.）是全球一半以上人口的主食，对肥料输入非常敏感，因此是测试减少肥料策略的关键模型。然而，与园艺和叶类蔬菜系统相比，水稻中生物刺激剂的应用仍然研究不足（Win等人，2025a）。尽管先前的研究表明生物刺激剂可以提高养分利用效率、增强抗逆性并改变植物生理反应（Di Sario等人，2025年；Meena等人，2025年；Song等人，2023年；Bartucca等人，2022年；Hao等人，2024a；Herrero等人，2025年），但它们在水稻中的增产潜力、与减少肥料策略的协同作用以及对根际微生物功能的调节作用缺乏系统和定量的评估（Quille等人，2025年；Win等人，2025a）。更重要的是，在实际施肥情景下，这种产量稳定是通过根际微生物功能和养分转化过程的变化来实现的程度尚未得到系统评估（Ali等人，2024年）。因此，一个关键未解决的问题是，污泥衍生生物刺激剂是否能够在减少矿物肥料输入的同时保持与传统或高肥料处理相当的水稻产量，并促进土壤功能的可持续性（Hao等人，2024b）。解决这个问题对于评估将废物衍生生物刺激剂整合到低投入水稻生产系统中的可行性以及推进环境可持续的养分管理策略至关重要（Bartucca等人，2022年）。
为了解决这个问题，我们使用了一种通过碱性水解后纯化的污泥衍生生物刺激剂（SS-BS），并设置了三种施肥处理来严格评估其“减少肥料而不减少产量”的潜力：（i）CK，低肥料处理；（ii）FP，比CK多施用20%的肥料，代表传统施肥方案；（iii）BS，比CK额外施用1050 kg ha-1 的SS-BS（稀释50倍）。通过比较不同处理下的作物产量、土壤物理化学性质及相关生物指标，并结合宏基因组分析，本研究旨在确定SS-BS是否可以在减少矿物肥料使用的同时维持或接近高肥料输入下的产量，并阐明支持其“节省肥料但保持产量”效果的微生物机制。
实验地点和材料 该田间实验于2024年在中国江苏省 Suzhou 市 Dongzhu 的 Changxiang Rice Experimental Farm 进行（31°21′9″N, 120°21′55″E）。实验地点的土壤类型为典型的粘壤土，属于冲积-淋溶土过渡类型，质地均匀，具有长期的稳定耕作历史。前茬作物是小麦（Triticum aestivum L.），水稻生产采用传统的灌溉制度。
生物刺激剂和肥料处理对水稻产量性状和籽粒营养品质的影响 与对照组（CK）相比，生物刺激剂（BS）的应用显著改善了与产量相关的性状。BS处理显著增加了每丛的有效穗数和理论产量，这两项指标均高于CK（p < 0.05 ）。FP处理的穗数和理论产量与BS处理无显著差异，但仍高于CK（p > 0.05 ）（图1A和D）。
污泥衍生生物刺激剂在减少肥料输入的情况下维持水稻产量 基于2024年一个生长季节的田间试验，本研究表明，即使在矿物肥料（特别是氮）减少20%的情况下，污泥衍生生物刺激剂（SS-BS）也能维持水稻产量和关键产量指标。在统一的基肥条件下，BS处理显著增加了有效穗数和理论产量，达到与高肥料FP处理相当的水平（图1D）。这些结果与结论 这项田间研究表明，污泥衍生生物刺激剂（SS-BS）能够在传统水稻管理条件下，在减少20%矿物肥料输入的情况下维持水稻产量和关键产量指标。与低肥料处理（CK）相比，SS-BS处理使有效穗数和理论产量达到高肥料处理（FP）的水平，同时没有显著降低籽粒中的碳水化合物和蛋白质含量，并改善了茎秆
作者贡献声明 张 月： 监督、资金获取。康 津： 写作 - 审稿与编辑、撰写 - 原稿、可视化、正式分析、数据管理。王 新月： 资源获取、数据管理。宁 王： 写作 - 审稿与编辑、撰写 - 原稿、正式分析、数据管理。西 金英： 监督、调查、资金获取、数据管理。沈 利东： 监督、项目管理、资金获取。李 小鸥： 监督。孙 一： 监督
数据可用性 本研究生成的原始宏基因组测序数据已存放在NCBI Sequence Read Archive（SRA）中，BioProject编号为PRJNA1372977。处理后的数据（包括基因家族丰度矩阵、功能注释和元数据）可根据合理请求向通讯作者获取。所有用于数据加工、统计分析和图表生成的定制脚本已在GitHub上公开（
//github.com/bossning/SS-BS-Rice
资助声明 本工作得到了“植物生物刺激剂绿色栽培计划”（HXXM202404160007）横向科研项目 的支持。
利益冲突声明 ? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。致谢
我们感谢江苏省农业科学院提供水稻品种材料，以及Changxiang Rice Experimental Farm的田间技术人员在田间管理和采样方面的协助。同时感谢
广东美格基因科技有限公司 在宏基因组测序方面的支持。
