摘要
黑水虻处理餐厨垃圾产生的虫沙富含多种植物生长必需的营养元素，被认为是理想的有机肥原料，但虫沙含盐量过高限制了其在农业上的应用。该试验先对黑水虻虫沙脱盐，再与蚯蚓粪、秸秆混合沤肥，制成了符合现行标准的有机肥料。对比了此有机肥与虫沙、蚯蚓粪微生物群落组成的差异，并用此有机肥开展了番茄连作土壤改良盆栽试验。结果表明：脱盐沤制生产的有机肥电导率较虫沙明显降低，种子发芽指数相较于虫沙显著提高了 31.67%。有机肥的施用提高了番茄果实糖度，减少了土壤中的尖孢镰孢菌数量，降低了番茄枯萎病发病风险，同时提高了土壤粪壳菌纲、根瘤菌目、Chitinophagales 目微生物相对丰度。研究结果为黑水虻虫沙的处置利用提供了可行方案，且有助于设施农业土壤的改良。
Abstract
The fecula produced by the black soldier fly is rich in the nutrients essential for the growth of a variety of plants， which is considered as an ideal raw material for organic fertilizer. However，the high salt content of the black soldier fly fecula limits its application in agriculture. In this study，organic fertilizer that met the current standard was made with the black soldier fly fecula，earthworm dung and straw. The differences between the microbial community composition of organic fertilizer，the black soldier fly fecula and earthworm dung were compared，and the organic fertilizer was used to carry out a pot experiment on the soil improvement. The conductivity of organic fertilizers produced by desalination and composting was significantly lower than that of insect sand，and the germination index of seeds was significantly increased by 31.67%， compared to insect sand. The application of organic fertilizer improved the sugar content of tomato fruit，reduced the number of Fusarium oxysporum in the soil，reduced the risk of tomato blight，and improved the relative abundance of microorganisms in soil Sordariomycetes，Rhizobiales and Chitinophagales. This study provided a feasible scheme for the disposal and utilization of the black soldier fly fecula，which could contribute to the promotion of the restaurant-kitchen waste degradation process and solve the soil problems of the existing facility agriculture.
黑水虻处理餐厨垃圾产生的虫沙富含氮、磷、钾、钙等多种植物生长必需的营养元素，被认为是理想的有机肥原料[1]。然而，处理餐厨垃圾得到的黑水虻虫沙含盐量高[2-4]，不适合直接作为有机肥运用于农业生产。尽管已有学者研究了多种黑水虻虫沙的综合利用方法，例如热解、制作培藻营养液以及实现餐厨垃圾与抗生素发酵残渣无害化与资源化处理等[5-7]，但在脱盐虫沙改良土壤方面的研究尚有不足，因此开展黑水虻虫沙综合利用的研究具有实用价值。
农业生产者在施肥管理上过度施用化肥，在农事管理上长期连续种植单一作物，导致土壤出现板结、养分失衡、病原菌累积等问题。施用有机肥能够减轻土壤负荷，促进土壤微生物生命活动[8]。一方面，有机肥的施用能够改善土壤理化性质，降低土壤容重，促进团聚体的形成[9-11]；另一方面，有机肥能够为植物提供生长所需的养分，为土壤微生物提供多种碳源物质，影响土壤微生物的群落结构和功能[12-14]，为植物的健康生长提供良好的土壤环境。因此，本研究选用黑水虻虫沙、蚯蚓粪、秸秆作为原料，沤制了一种新型有机肥，并将此有机肥用于番茄连作土壤的改良，研究了其对番茄生长生理指标、土壤养分和微生物群落的影响，为黑水虻虫沙的综合利用和推广提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 供试材料
供试有机肥及制备：供试有机肥为黑水虻虫沙有机肥。选用黑水虻处理餐厨垃圾产生的虫沙，用水冲洗以去除盐分后与蚯蚓粪和秸秆混合，厌氧堆肥 45 d 沤制得到黑褐色、无异味的有机肥料（表1）。
供试样品及前处理：供试番茄品种为‘浙樱粉 1 号’樱桃番茄（Lycopersicon esculentum var. cerasiforme A.Gray）。供试育苗基质采用金土地育苗基质（江苏省泗洪县金土地生物科技有限公司，202203，中国）。供试土壤采集自浙江省宁波市一家庭农场 （29°55ʹ29ʺ N，121°47ʹ10ʺ E）的表层土壤（0～20 cm）。采样田地已有 10 年番茄种植和茄科作物连作历史，发生过番茄连作障碍。采样地年均温度 18.5℃，年降水量 1504.9 mm。2023 年 3 月采用棋盘式采样法对整个大棚内的土壤进行大批量采集，混匀，自然风干后去除塑料地膜、石块等杂物，采用四分法舍去多余土样，剩余土壤用于盆栽试验。土壤基础肥力指标为：pH 6.41，土壤有机质 29.1 g/kg，全氮 2.1 g/kg，有效磷 46.31 mg/kg，速效钾 316.90 mg/kg，有效硼 1.43mg/kg，电导率 869.00 μS/cm，田间持水量 40.08%。
表1有机肥基础理化性质
注：± 后面的数字代表3 个重复的标准差。下同。
1.2 试验设计
试验模拟温室种植模式，育苗培养 21 d，移栽长势相近、无病虫害的番茄幼苗。每盆（直径 20 cm，高 18 cm）装 2000 g 已混匀的供试土壤，每盆 1 株，提前 5 d 将肥料与土壤混匀。试验设 3 个处理，每个处理设 4 个重复。空白对照：不施用任何肥料。条件对照：化肥，复合肥 24-12-12（安徽六国化工股份有限公司，中国），按该农场施肥管理量（约 750 kg/hm2）添加，折算为每盆 12 g。试验组：有机肥按 3% 肥土质量比混入土壤。设置人工气候室白天温度：24℃（生长期）～28℃（开花结果期），光照：986～1200 lx；夜晚温度：18～20℃，昼夜周期为 12 h，空气湿度：55%～65%。所有处理均多次翻耕混匀，后期不再追肥，处理随机排布并定期调换盆栽的摆放位置，各处理间光照、灌溉等管理均一致。
1.3 样品采集与处理
有机肥料原料（虫沙，蚯蚓粪）及沤制得到的有机肥自然风干后混匀，过 2 mm 筛网去除机械杂质，一部分冻干后使用 16S rRNA 和 ITS 高通量测序技术分析微生物群落结构，另一部分置于常温避光储存用以测定相关理化指标。
番茄植株在生长时期测定叶绿素含量和植株高度。植株干重及果实在移栽后第 91 d（番茄生长第 112 d）进行破坏性采样，测定果实糖度、果形指数、植株干重。
盆栽试验土壤在移栽后第 91 d 进行破坏性采样，使用抖土法收集根际土壤，风干、粉碎后过 0.15 mm 筛网，一部分冻干后使用 16S rRNA 和 ITS 高通量测序技术分析微生物群落结构，另一部分置于 4℃冰箱储存用以测定相关理化指标。
1.4 测定项目与方法
有机肥技术指标和限量指标根据《有机肥料》 （NY/T525—2021）标准[15]测定，包括：有机质的质量分数、总养分的质量分数、水分质量分数、酸碱度、种子发芽指数、机械杂质的质量分数、盐分和重金属（总砷、总汞、总铅、总镉、总铬）含量。
测定番茄生长指标[16]包括：株高、叶绿素含量、植株干重、果实产量、单果重和果实糖度。番茄植株叶绿素含量采用 SPAD 叶绿素仪测定；植株高度使用直尺测量；果实糖度使用糖度计 DFT-F10V55H23 直接测定；植株干重采用杀青后干燥冷却称量。
土壤指标采用常规农化分析方法[17]。DNA 相关分析包括：16S rRNA 测序、ITS 测序，土壤 DNA 使用 SPINeasy 土壤 DNA 提取试剂盒（MP Biomedicals LLC，Cleveland，OH，美国）提取[18]，16S rRNA 和 ITS 分析同上，从同一处理的 4 个平行中随机选取 3 个提取 DNA。尖孢镰孢菌（Fusarium oxysporum）定量 PCR 分析使用 SYBR®Premix Ex TaqTM 试剂盒在荧光定量 PCR 仪（7500 Real Time PCR System，Applied Biosystem，美国）进行。尖孢镰孢菌定量分析使用对其 afp 基因的引物 ITS1-F（5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′）和 AFP308（5′-CGAATTAACGCGAGTCCCAAC-3′）[19]。扩增体系均为 10 μL，0.5 μL 前后各引物，1 μL 模板 DNA，以及 8 μL 无核酸水。以无核酸水作为阴性对照。标准曲线 DNA 及样品 DNA 均设置 3 个技术重复，根据阈值（Ct 值）以及标准曲线计算初始基因拷贝数及每克干土的尖孢镰刀菌数目。高于 Ct 值检出限（＞ 31）的样本计其基因拷贝数为 0。
1.5 数据处理与分析
使用 Excel 2021 对数据进行整理；使用 SPSS 24.0 进行不同处理间的单因素方差分析；使用 Python 3.12.2（Python Software Foundation，美国）、 Omicshare 生物信息分析在线平台绘制图片。
2 结果与分析
2.1 脱盐沤肥对有机肥理化指标的影响
经过脱盐沤制生产的有机肥料，其电导率相较于虫沙明显降低，下降至 1306.5 μS/cm（图1），种子发芽指数相较于虫沙显著提高 31.67%（P<0.05），符合有机肥生产标准（≥ 70%）。沤制得到的有机肥 pH 呈中性，物料腐熟充分，碳氮比到达了 16.53（表1），重金属含量低于标准限值（表2）。
2.2 有机肥施用对番茄植株和果实的影响
本试验选用的‘浙樱粉 1 号’樱桃番茄为无限生长型番茄，该品种植株长势强，在生长发育全阶段都需要保持适宜的温度及充足的光照。对盆栽试验番茄不同时期的植株高度进行测量（图2a），结果显示，番茄植株从生长发育期转向开花结果期的长势变缓，在温室环境下各处理无显著差异。试验发现，施用化肥的番茄植株叶绿素含量在各时期中均高于施用有机肥和不施肥处理（图2b），施用有机肥番茄植株叶绿素含量高于不施肥处理。
图1虫沙、有机肥 pH（a）、电导率（b）、种子发芽指数（c）对比
注：柱上不同小写字母代表差异显著（P<0.05）。下同。
表2有机肥限量指标及限值
图2不同处理对番茄植株和果实的影响
注：CK、CF、Org 分别为不施肥、施用化肥、施用有机肥处理。下同。
通过番茄植株干重对比可知，施用化肥、有机肥相较于不施肥显著促进了（P<0.05）番茄植株干量的增加（图2c）。温室环境下不施肥处理番茄单果重显著（P<0.05）大于施用化肥处理 （图2d）。有机肥的施用促进了番茄糖分的积累，该处理番茄果实糖度可达 12.8 °Brix（图2e）。
2.3 有机肥施用对土壤理化指标的影响
施用化肥显著（P<0.05）降低了土壤 pH，而施用有机肥显著提高了土壤 pH（图3a）。施用有机肥较施用化肥、不施肥处理分别提高了 182.25、 338.00 μS/cm 土壤电导率（图3b）。施用化肥显著提高了番茄土壤铵态氮、有效磷含量（图3），对硝态氮和速效钾含量的影响不大。施用有机肥显著提高了土壤铵态氮、速效钾和有效磷含量，其中速效钾含量较施用化肥处理增加了 58.88 mg/kg。
2.4 有机肥施用对土壤微生物群落的影响
Chao1 和 Shannon 指数显示，施用化肥降低了土壤细菌多样性和丰富度指数（表3），有机肥处理降低了真菌多样性和丰富度（表4）。
16S rRNA 测序门水平上（图4a），放线菌门 （Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）及厚壁菌门（Firmicutes）合计占比超各处理 50% 的相对丰度，有机肥中拟杆菌门（Bacteroidetes）相对丰度高于化肥和不施肥处理，绿弯菌门（Chloroflexi）相对丰度低于化肥和不施肥处理。
16S rRNA 测序目水平上（图4b），芽孢杆菌目（Bacillales）、链霉菌目（Streptomycetales）、微球菌目（Micrococcales）、根瘤菌目（Rhizobiales）、 β-变形菌目（Betaproteobacteria）、Propionibacteriales 目和 Chitinophagales 目在相对丰度上的占比最多。不施肥和施用化肥处理中链霉菌目相对丰度高于其他处理，有机肥处理中 Rhizobiales 和 Chitinophagales 目相对丰度高于其他处理。
图3不同处理对土壤理化指标的影响
表3不同处理下土壤细菌群落多样性指数和丰富度指数
注：CK、CF、Org 分别为不施肥、施用化肥、施用有机肥处理。不同小写字母代表各处理间差异显著（P<0.05）。下同。
表4不同处理下土壤真菌群落多样性指数和丰富度指数
图4不同处理 16S rRNA 门水平（a）、目水平（b）相对丰度及主坐标分析（c）
基于 Bray-Curtis 距离的 PCoA 分析结果（图4c） 表明，PCo1 和 PCo2 分别解释了细菌微生物群落 59.86% 和 19.04% 的变异，各处理间细菌群落差异明显。
ITS 测序门水平上（图5a），子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）在真菌在门水平相对丰度占比大，施用有机肥促进了土壤 Ascomycota 相对丰度的上升。
ITS 测序目水平上（图5b），散囊菌目（Eurotiales）、粪壳菌纲下某目（Sordariomycetes_unidentified）、肉座菌目（Hypocreales）为各处理真菌目水平上的优势种。施用有机肥促进了土壤 Sordariomycetes_unidentified 相对丰度的上升，同时降低了节担菌目（Wallemiales）相对丰度的占比。
基于 Bray-Curtis 距离的 PCoA 分析结果表明 （图5c），PCo1 和 PCo2 分别解释了真菌微生物群落 73.16% 和 15.79% 的变异，有机肥处理真菌群落变异性较大，各处理间真菌群落差异明显。
土壤尖孢镰孢菌定量 PCR 结果表明（图6），在不施肥空白对照土壤中，尖孢镰孢菌的数量相较于施肥处理的土壤显著增加，而施用有机肥处理中尖孢镰孢菌数量低于检出限。
图5不同处理 ITS 门水平（a）、目水平（b）相对丰度及主坐标分析（c）
图6不同处理尖孢镰孢菌定量 qPCR 结果
注：* 代表处理间存在显著差异（P<0.05），ND 代表低于检出限。
3 讨论
3.1 有机肥施用对番茄植株及品质的影响
有机肥对番茄植株及果实品质的影响已被广泛研究。一方面，有机肥富含有机质和微生物，可以改善土壤的理化性质，增加土壤的保水性和通气性，提升番茄根系的健康状态，有助于番茄吸收营养元素。另一方面，有机肥的施用增加了土壤中的有效磷和速效钾含量，能够满足番茄长期生长发育的营养需求。番茄对大量磷和钾的吸收促进了其果实的发育和糖分积累，进而提高了番茄的品质。Houben 等[20]对虫沙进行了为期 112 d 的堆肥处理，并在温室和田间条件下评估其在番茄中的施肥潜力，将其与商品有机肥料和化肥等其他土壤改良剂进行了对比。结果显示，与未施肥和单一肥料相比，虫沙与氮磷钾肥料混合使用在植株生长、作物产量、氮吸收和养分利用效率方面表现最佳。此外，董丽华等[21]的研究也表明，施用蚯蚓粪可以显著提高番茄维生素 C、可溶性糖、可溶性固形物、有机酸含量，从而改善番茄的整体品质，这与本研究的结果一致，进一步证实了有机肥料在提升作物品质方面的有效性。
3.2 有机肥施用对土壤微生物的影响
过量施用化肥会导致土壤细菌多样性的下降[22]，为促进农业可持续发展，应减少化肥投入量，在高肥力地块上使用有机肥替代化肥。有机肥含有多种复杂有机物质，能够为不同种类的细菌提供多种碳源和营养物质，提高土壤细菌多样性，减轻过量施用化肥对土壤细菌产生的负面影响[23]。强敬雯等[1]的研究表明，将黑水虻虫沙与堆肥、高温堆肥及蚯蚓堆肥混合使用，有助于促进腐殖质的形成，并提高有机肥的稳定性。有机肥的添加促进了土壤根瘤菌目微生物的增加，以往的研究结果[24]揭示了根瘤菌微生物能够溶解磷酸盐、合成吲哚乙酸的有益作用。Chitinophagales 目微生物能够降解几丁质并水解纤维素[25]，在土壤中扮演分解复杂有机物的角色。施用有机肥后，土壤中的有机质含量显著上升，这促进了 Chitinophagales 目微生物数量的增长。链霉菌目细菌在土壤中呈菌丝状生长，其中部分种、属能够产生抗生素对病原菌产生拮抗作用。根际微生物群落组成会直接影响作物健康，植物会通过分泌次生代谢产物改变根际微生物组成，应对不同的环境压力。本研究中，链霉菌目细菌在不施肥和施用化肥处理的土壤中相对丰度高于有机肥处理，这可能是因为这些土壤中链霉菌目微生物受到番茄招募作用而聚集于番茄根际导致了数量的增加[26]。链霉菌目的增加通过拮抗作用进一步提高了番茄植株的抗病能力。
土壤盐含量的上升会影响细菌群落组成[27]，降低真菌多样性和丰富度，抑制耐受盐环境能力弱的微生物生长繁殖[28]。相关 Meta 研究发现[29]，土壤盐度升高抑制了细菌绿弯菌门的生长，增加了拟杆菌门和变形菌门的相对丰度，且在一定范围内，土壤盐度的升高促进了土壤粪壳菌纲（Sordariomycetes）相对丰度的上升[30]，这与本研究测序结果一致。Zajc 等[31]研究发现，嗜盐真菌节担菌目 （Wallemiales）的丰度与盐含量相关，土壤盐度上升有助于此类菌种的生长发育，解释了施用有机肥土壤节担菌目相对丰度的上升。有机肥能够为土壤微生物提供丰富的碳源，促进了多种真菌的生长和发育，提高了土壤真菌多样性[32-33]。Ding 等[34]研究发现，施用有机肥改变了土壤性质和土壤真菌群落结构，化肥配施粪肥可减轻化肥对土壤产生的不利影响。黑水虻有机肥的施用同时增加了土壤盐含量和有机质，Alpha 多样性结果表明，有机肥的施用降低了土壤真菌多样性和丰富度，这说明土壤盐分对真菌的抑制作用大于碳源增加对真菌的促进作用，一些耐受盐环境较弱的真菌生长发育受限。
尖孢镰孢菌可在土壤中长期存活，侵染番茄会造成真菌性枯萎病[35]，直接造成减产甚至绝收。在土壤碳源匮乏的情况下，微生物会更依赖植物残体、植物代谢产物和根际获取营养物质，长此以往，一些土传病原菌大量增殖，增加了番茄真菌病害暴发的风险[36-37]。以往的研究和实践经验表明，施用有机肥和微生物肥料可在番茄植株根系形成保护区，提高植株抗病性，降低了番茄发生病害的风险[11，38]，这与本研究的定量 PCR 结果一致。因此，在农业生产中，施用黑水虻虫沙有机肥可有效减少番茄土壤中的尖孢镰孢菌数量，塑造健康的土壤环境[39]，降低番茄枯萎病发病率。
3.3 虫沙有机肥推广可行性分析
使用本工艺生产的有机肥具有生产便捷、环境友好、经济成本低等优点。利用农业生产剩余的秸秆、处理餐厨垃圾剩余的黑水虻虫沙和蚯蚓粪混合后沤制了符合现行《有机肥料》（NY/T525—2021） 标准的有机肥料。本研究为黑水虻虫沙的处置利用提供了可行方案，有助于使用黑水虻降解餐厨垃圾工艺的推广。然而，目前黑水虻的大规模养殖和产业化发展仍然面临诸多挑战。尽管黑水虻的资源价值巨大，其在降解餐厨垃圾和生产有机肥方面的潜力尚未得到充分发挥。产业化发展滞后限制了黑水虻在大规模应用中的推广速度。因此，未来需要加强黑水虻养殖技术的研究与开发，完善相关产业链条，推动其大规模养殖和利用。
4 结论
使用脱盐沤制工艺生产的黑水虻虫沙有机肥符合现行有机肥生产标准，生产流程简单、经济成本低。虫沙有机肥能够提升番茄糖度，减少番茄连作土壤中的尖孢镰刀菌数量，降低番茄枯萎病发病风险，促进土壤粪壳菌纲、根瘤菌目、Chitinophagales 目微生物相对丰度的上升，在高肥力土壤中可起到替代化肥的作用。