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本文通过一项为期8周的温室实验，深入探究了单独施用或与矿物肥料混合施用黄粉虫虫粪对土壤氮循环、春小麦生物量动态（特别是地上与地下部分）及氮营养状态的影响。研究揭示了虫粪作为生物肥料，不仅能有效促进作物早期生长、增加生物量，还能与矿物氮源协同作用，优化作物的氮素营养，同时降低土壤硝态氮的残留，为促进农业循环经济和可持续施肥提供了重要科学依据。
1. 引言
为满足2050年预计达到100亿的全球人口的食物需求，发展可持续农业实践至关重要。食用昆虫养殖作为一种更可持续的蛋白质生产方式受到关注，而其重要副产品——虫粪（一种昆虫排泄物、蜕皮和外骨骼、未消化饲料的混合物）的循环利用潜力巨大。将其作为农业生物肥料，符合循环经济原则，是替代化学肥料、改善土壤健康与作物生产的有前景方案。然而，关于虫粪如何影响土壤肥力和作物生长的认识仍需深化，特别是针对黄粉虫虫粪的研究相对较少。本研究旨在阐明不同黄粉虫虫粪施用量（单独施用或与矿物肥料混合）如何影响土壤肥力和春小麦的氮营养，重点关注：1）土壤生化特性，特别是土壤氮循环；2）春小麦的地上、地下作物生产力，重点关注地上生物量的时间发育动态和根系形态；3）作物的氮营养状态。
2. 材料与方法
在瑞士Agroscope进行温室盆栽实验，供试作物为春小麦。设置四种施肥处理，均按推荐量（120 kg N ha-1）提供等量氮：纯虫粪处理、纯矿物氮肥（硝酸铵）处理、虫粪与矿物肥料各半的混合处理（50/50），以及不施氮的对照处理。虫粪由瑞士昆虫公司提供，其饲料主要为小麦麸和有机胡萝卜。实验共24盆作物，每处理6个重复。此外，为分离作物对土壤特性的影响，每个施肥处理另设3个重复的无作物裸土盆。实验为期8周，期间监测了植物株高、茎秆基部直径、叶片相对叶绿素含量（RLCC），最终收获时测定了地上和地下生物量、根系形态，并分析了土壤的矿物氮、有机碳、总氮含量及多种酶活性（包括酸性磷酸酶、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶）。基于作物生物量和氮浓度，计算了氮营养指数（NNI）、氮回收效率（NRE）和氮生理效率（NPE）。
3. 结果
3.1 裸土与种植土壤的生物化学特性
在无作物的裸土中，8周后，与对照和纯矿物肥处理相比，两种施加虫粪的处理（特别是纯虫粪处理）表现出更高的β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶和纤维二糖水解酶活性，表明氮和碳化合物循环增强。纯虫粪处理的土壤硝态氮（NO3-）浓度与对照相似，但高于纯矿物肥处理，表明虫粪添加可能不会抑制微生物硝化作用。
在种植土壤中，所有施肥处理的总氮浓度相似。与纯矿物肥处理相比，两种虫粪处理（纯虫粪和50/50）的土壤硝态氮和铵态氮（NH4+）浓度显著更低。这表明虫粪提供的易利用氮被作物或土壤微生物快速吸收，从环境角度看，这暗示了使用虫粪可能降低矿质氮流失的风险。与裸土相比，种植条件下所有处理的酶活性均有所增加。
3.2 氮肥对春小麦生长动态和叶片叶绿素含量的影响
在生长约一个月时，与对照相比，虫粪处理（纯虫粪和50/50）的植株更高，茎秆基部直径也更大。生长初期（31 DAS），纯虫粪处理的叶片相对叶绿素含量（RLCC）最高。实验结束时（52 DAS），所有施肥处理的株高无显著差异，但虫粪处理（特别是50/50）的茎秆直径更大。矿物肥处理在实验末期的叶绿素含量略高。对照处理的各项指标在大部分生长期均低于施肥处理。
3.3 施肥对春小麦地上和地下生产力的影响
所有施肥处理的地上生物量均显著高于对照。其中，纯虫粪处理的地上生物量甚至显著高于纯矿物肥处理。类似地，两种虫粪处理的地下（根）生物量也高于对照和纯矿物肥处理。总生物量（地上+地下）在虫粪处理中最高。50/50处理的根冠比略高于其他处理。
3.4 施肥对不同根径级别生物量分配的影响
对照处理的植株在细根（直径>0-0.5 mm）中分配了更高比例的根生物量。两种虫粪处理（纯虫粪和50/50）的植株，在较细根（>0.5-1 mm）中分配的生物量比例较低，但在较粗根（>1.5-3 mm）中分配的比例显著高于对照和纯矿物肥处理。平均根直径在各处理间无差异。
3.5 施肥对春小麦氮状态、氮回收效率和氮生理效率的影响
根据氮营养指数（NNI），纯矿物肥处理表现为奢侈氮消耗（NNI=115），50/50处理处于最佳氮状态（NNI=102），而纯虫粪处理（NNI=82）和对照（NNI=76）则处于氮缺乏状态。纯虫粪处理的氮回收效率（NRE）显著低于纯矿物肥处理。相反，虫粪处理（特别是纯虫粪）的氮生理效率（NPE）更高。尽管纯虫粪处理氮回收效率低且氮状态显示缺乏，但其总地上生物量产出更高，这表明其较低的氮状态被更高的氮生理效率所补偿。
4. 讨论
4.1 黄粉虫虫粪添加对土壤肥力的影响
裸土实验表明，虫粪添加增强了与碳氮循环相关的土壤酶活性，可能与其含有的几丁质等物质刺激了微生物（特别是真菌）活动有关。虫粪处理未像纯矿物肥那样抑制土壤硝化作用。种植土壤中，虫粪处理较低的土壤硝态氮残留，表明其释放的氮被作物有效吸收或微生物固定，从而可能减少氮素损失风险。
4.2 黄粉虫虫粪添加对植物地上和地下生产力的影响
虫粪显著促进了春小麦的地上生物量增长，尤其是在生长初期刺激了茎秆增粗，这可能有助于增强抗倒伏性。虫粪也增加了根生物量，并改变了根构型，使生物量更多地向较粗的运输根分配，这可能源于虫粪中活性生物分子或促生细菌的刺激作用。50/50处理在促进根系生长方面表现出协同效应。
4.3 黄粉虫虫粪添加对氮营养状态的影响
纯虫粪处理在生长初期快速改善了作物的氮状态（通过RLCC和NNI推测），表明其氮矿化迅速。但随着生物量快速增长，氮浓度被稀释，导致实验末期呈现氮缺乏状态。矿物肥则提供了更持续稳定的氮供应，末期氮状态更优。50/50处理结合了二者的优点，既在初期促进了生长，又维持了作物最佳的氮营养状态。纯虫粪处理虽然氮回收效率低，但通过更高的氮生理效率实现了更高的生物量产出。
5. 结论
本研究表明，黄粉虫虫粪作为生物肥料，能够有效促进春小麦生物量增长，并影响根构型。与单独施用虫粪或矿物肥料相比，将虫粪与矿物肥料混合施用显示出协同效应：在优化作物氮营养的同时，降低了土壤氮素残留和潜在损失风险。这一结果凸显了黄粉虫虫粪作为生物肥料的价值，以及在不可再生肥料可用性减少的全球背景下，推动农业生态系统循环经济的潜力。未来需要进行田间试验，以验证虫粪的促生效应是否持续至籽粒产量形成阶段，以及早期氮状态对籽粒蛋白质含量的影响。
