玉鹅种养对土壤微生物多样性影响及废弃物肥料化

探究养殖玉鹅生态模式对耕地土壤微生物群落多样性的影响，探索养殖玉鹅生态模式对耕地土壤理化性质的影响；从土壤、鹅粪等样本中，分离筛选目标性明确的菌种资源，建立出一种可用于养殖玉鹅生态及规模化养鹅厂的粪污处理静态堆肥创新性的工艺体系，为玉鹅生态种养模式对土壤的改良及鹅放养阶段产生鹅粪的就地还田应用效果，为玉鹅生态种养模式的推广和应用，提供理论依据、数据依托、技术支撑、科学基础。

该体系可大幅度提升生态系统的多样性、稳定性、完整性等性质，响应国家乡村战略、创新战略，让农民走向增产又增收的“丰收共富路”。

研究内容：

1) 养殖玉鹅生态模式对耕地土壤理化性质及微生物群落多样性的影响

通过对比测定没有养鹅的玉米地和饲养不同密度鹅的玉米地试验前后的耕地土壤含水量、pH、有机质、有机碳、铵态氮、硝态氮、有机磷、全磷、速效钾共9项土壤理化性质指标；应用绝对定量测序技术对不同试验地块的土壤样品进行测定，通过物种注释与组成分析、物种比较与差异分析等方法对土壤细菌、真菌群落结构进行解析，考察养殖玉鹅生态模式对耕地土壤理化性质及微生物群落结构及其多样性的影响。

2) 木质纤维素高效降解菌群的构建

利用纯培养技术，从鹅粪粪污、土壤中筛选能够降解木质纤维素的菌株，测定关键酶的酶活力，再通过玉米秸秆降解率验证菌株的降解能力，进行拮抗实验，选择无拮抗作用且降解率高的木质纤维素高效降解菌株，等体积混合构建木质纤维素高效降解菌群。

3) 木质纤维素高效降解菌群对玉鹅种养废弃物的利用

以玉鹅生态模式过程中产生的玉米秸秆和鹅粪两种农业废弃物为原料，加入木质纤维素高效降解菌群，从EPS、纤维素、半纤维素、木质素含量变化等，探究木质纤维素高效降解菌群对玉米秸秆和鹅粪的利用情况。

4) 玉鹅种养废弃物静态堆肥工艺建立

利用鹅粪和玉米秸秆为原料进行静态堆肥实验，利用选择的自然通风装置进行通风，以不加菌为对比，通过测定温度、pH、电导率、含水率等发酵参数指标变化，测定养分含量、种子发芽率、腐殖酸浓度等指标反映堆肥效果，建立玉鹅种养废弃物静态堆肥工艺。

研究方案：

1) 土壤理化和微生物多样性的测定

①土壤样品采集

在实验地区采集不同养殖密度的玉米地试验前后的耕地土壤样品。试验区按不同养鹅密度分为6个地块，选取无养殖密度（CK）、养殖密度最大（YE-1）和养殖密度最小（YE-2）的3个地块，每个地块分别随机采集6个样点，每个样点利用五点采样法采样混匀，编号后装入自封袋，带回实验室放在4 ℃或-20 ℃低温冰箱保存用于后续实验，微生物检测土样放在-80℃超低温冰箱保存。

②土壤样品处理

土样带回实验室后，1-2 d内测土壤水分。对于铵态氮、有效磷钾等指标测定需用鲜样的，应立即放入4℃冰箱保存。从土样袋中取出部分样品，摆放在晾土架上风干一周左右。取出风干土样，剔出土壤以外的侵入体，充分混匀，用四分法将其分为两份，保留部分应不少于200 g，将样品倒在塑料布上，用干净玻璃瓶子或硬木质碾压工具将土块捻碎，使其全部通过合适大小的筛子（根据测定指标确定，如全量养分<0.15 mm，铵态氮、有效磷钾<1 mm，轻质有机质<2 mm），装入对应编号的塑封袋中保存。

③土壤样品测定

分别测定含水量、pH、有机质、有机碳、铵态氮、硝态氮、有机磷、全磷、速效钾共9项土壤理化性质指标。

④土壤微生物测定

采用绝对定量测序技术，对土壤样品进行细菌16S rDNA的V3-V4区进行检测、对真菌的ITS1和ITS2区进行检测。

⑤土壤微生物测定分析

从ASV/OTU分类、Alpha多样性、Beta多样性、功能预测、环境因子等角度对测定结果进行分析。

2) 木质纤维素降解菌的纯化筛选

①木质纤维素降解菌筛选

称取10 g土壤或鹅粪样品置于250 mL无菌锥形瓶中，加入100 mL无菌水，混合均匀后置于30℃恒温震荡培养箱，120 rpm震荡培养1 h。在无菌条件下，采用10^-3、10^-4、10^-5稀释梯度，在羧甲基纤维素钠、苯胺蓝LB培养基固体平板上涂布，进行不同降解能力的菌种分离，挑取不同形态的菌落到种子液培养基中进行培养。将分离得到的菌株分别于对应的羧甲基纤维素钠、苯胺蓝LB初筛培养基上进行纯化培养，培养3次后，分别以点接法或穿刺法于对应的羧甲基纤维素钠、苯胺蓝初筛培养基上，培养2-3 d后，用刚果红颜色反应确定菌种产纤维素酶能力，观察苯胺蓝脱色反应确定菌种产木质素酶能力，将有能力的菌株纯化后接种于LB试管中，编号保存。

②木质纤维素降解菌的功能及潜力

a.木质纤维素降解菌的形态及分子鉴定

通过在LB培养基上平板划线、革兰氏染色的方式对筛选出的鹅粪主要组分降解菌进行形态特征进行观察；通过16S rRNA测序方式，通过NCBI和EZ BioCloud数据库进行对比，确定鹅粪主要组分降解菌的种属水平，并构建系统发育树。

b.拮抗实验

通过在LB培养基上交叉划线的方式，观察纤维素、木质素降解菌生长过程中是否出现相互抑制现象，验证其拮抗效果，选取无拮抗的菌株，进行后续功能测定试验。

c.相关酶活性测定

CMC-Na酶活力测定、滤纸酶活力测定、β-葡萄糖苷酶活力测定、过氧化氢酶活力测定、漆酶活力测定、猛过氧化物酶活力测定。

d.玉米秸秆降解率测定

单菌降解率测定：在45 mL秸秆无机盐培养基中加入5 mL的单菌液 在30℃条件下静置恒温培养测定第七天的秸秆降解率。

3) 木质纤维素降解菌群的构建

测定选定单菌的玉米秸秆降解率，模拟最优组配，将菌种同时培养到对数期，按模拟的生物量比例混合，验证各比例效果，选取最佳比例用于构建堆肥用合成菌群。

菌群降解率测定：在45 mL秸秆无机盐培养基中加入5 mL的混合菌液 在30℃条件下静置恒温培养测定第七天的秸秆降解率。

菌群构建完成后，继续传代培养，对不同代的菌群进行鹅粪降解残留率实验，测定进行堆肥用合成菌群组分稳定及其功能稳定性验证。

4) 玉鹅生态种养模式玉鹅种养废弃物静态堆肥工艺建立

建立堆肥的主要原料为黑龙江八一农垦大学狮白鹅养殖试验仓的狮白鹅鹅粪，并添加适量粉碎至3 cm以内的大庆周边农田购买的玉米秸秆调节碳氮比，根据响应面试验调整堆肥材料相关基础值，加入堆体总重量0.5%的堆肥用合成菌剂，利用自然通风装置，进行响应面试验，优化其最佳堆肥条件。

响应面实验设计，根据实验结果，结合Design Expert软件中BBD模型设计四因素三水平实验，以初始菌种接种量（A）、底物初始碳氮比（B）、初始含水量（C）、初始pH值（D）为自变量，将种子发芽率作为唯一响应值进行响应面实验，最终获得最佳堆肥条件。

1) 玉米田养鹅对土壤微生物的影响

在过去50年中，传统农业越来越采用集约化生产方式，集约化的农业耕作方式在短期内导致了巨大的产量增长，与此同时动物、植物和人类生态系统承受着难以置信的压力^[1]。正是由于这些压力的存在，农作物的产量才会不断降低。微生物肥料中的活性微生物能够分泌多种有机酸和生物活性物质，从而刺激植物根系生长，增加根毛的数量和长度，扩大根系对土壤营养元素的吸收面积，并通过抑制土传病害来减少根系病害，为农作物吸收养分创造有利条件^[2]。据悉，人们对鹅的特性缺乏研究，鹅业在全球范围内被忽视^[3]，而玉米是黑龙江省第一大农作物，种植面积广大，所以，若能将鹅粪利用起来制作一种静态堆肥体系，科技新农，那将是一场伟大的农业现代化的创新革命。但目前的研究更多还是稻田生态种养模式对土壤微生物的影响，玉米田生态种养模式下对土壤微生物的影响研究较少。相比于稻田，北方地区玉米种植更多，且玉鹅种养模式的效果已经得到验证，玉鹅种养模式已经在全国进行模式推广。因此，进一步研究玉鹅种养对土壤的影响十分重要。

2) 木质纤维素降解菌

农业废弃资源中含有大量木质纤维素等难分解物质，使得这些废弃资源在实际生产中难以有效利用，并已成为威胁我国环境安全的主要污染源，研究其有效利用的方式对推动循环我国农业的可持续发展及解决农村及城郊环境问题有积极的意义^[4]。畜禽粪便中含有大量的有机物，其中有较多的木质纤维素。若能将畜禽粪便中的木质纤维素利用木质纤维素降解菌降解，便既防止畜禽粪便污染环境^[5]，又能降木质纤维素转化为方便利用的小分子物质，促进堆肥中腐殖质的形成，加快堆肥化的进程^[6]，但由于木质纤维素的紧密结合导致其较难被分解^[7,8]。

木质纤维素降解细菌主要有梭菌属、纤维单胞菌属、杆菌、高温单胞菌属等^[9,10]。芽孢杆菌和梭状芽孢杆菌被发现能够很好地共存，由芽孢杆菌和梭状芽孢杆菌组成的合成微生物群落表现出比纯培养和其他合成微生物群落更强的胞外木聚糖酶活性和产量，以及更高的木质纤维素酶降解能力^[11]。细菌在最佳和极端条件下都具有较强的适应和生长能力，因此细菌在木质纤维素降解过程中具有更大应用潜力^[9]。

3) 禽类粪污资源化利用

未经处理的禽粪便直接排放到环境中，会造成严重污染，而经过资源化循环处理后的畜禽粪便，将会成为宝贵的资源^[12]。禽粪便资源化利用后能够提高养殖废弃物处理的效率，通过种养结合、农牧循环等方式实现清洁化生产，改善生态环境，促进畜牧业的可持续发展，实现金山银山，也要绿水青山^[13]。根据相关资料研究及生产应用情况，按其处理方法，禽粪便的资源化利用可分为物理法、化学法和生物发酵法等；按照其最终用途，禽粪便的资源化利用可分为肥料化、饲料化、能源化等。

在我国的农村、牧区，禽粪便常用作生活燃料用来做饭、取暖。此法适用于草原上相对干燥的禽粪便，能够使粪便量快速减少，并杀灭粪便中的有害病菌。但焚烧法处理禽粪便时，投资大、费用昂贵，粪便燃烧时释放大量CO2和其他有害气体，且对于集约化养殖场来说，由于粪便含水量较高，干燥处理困难，推广难度很大^[14]。

4) 禽类粪污和玉米秸秆堆肥化

我国是世界第二大玉米生产国，每年所产生的农业废弃物数量庞大，农业废弃物的资源利用，已成为当前日益重要的开发领域^[15]。禽类养殖在我国农业生产中占有很大的比重，粪污的不合理排放是我国农业面源污染的主要来源，但粪尿本身也是潜在资源，禽类粪污和秸秆合理有效的处理己迫在眉睫，堆肥化技术是使禽类粪污和农作物秸秆无害化、资源化利用的有效途径^[16]。利用堆肥发酵技术处理农业废弃物不仅可以将污染控制在最低程度，还可以回收大量的原材料和能源^[17]。玉米秸秆中含有大量的难降解物质（如纤维素、半纤维素、木质素），且C/N比高，微生物难以分解。因此，达到堆肥成熟阶段需要很长时间，有机添加剂或菌液的添加，可以优化堆肥过程中的C/N比，刺激微生物活性，加速分解^[18,19]，目前公认C/N为25:1为最佳，发酵效果最好，堆体升温最快，高温持续时间最长^[20]。

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1) 创新点

①微生鹅缘——鹅粪对土壤微生物的影响

针对玉鹅种养生态农业，本团队利用高通量测序等技术深入挖掘土壤微生物种群关系，探究不同养殖密度从土壤微生物对土壤肥力的影响，从土壤微生物的角度明确玉鹅种养的最佳养殖密度。

②丰壤计划——鹅土微生物构造的静态堆肥体系

利用自主研发建设的黑龙江八一农垦大学狮白鹅养殖试验仓，从长期饲喂秸秆饲料的狮白鹅粪便针对性挖掘纤维素、木质素降解菌，构建秸秆降解菌剂，建立玉鹅种养废弃物静态堆肥体系。

2) 项目特色

项目基于玉鹅种养生态体系，联合狮白鹅养殖场，利用自主研发建设的黑龙江八一农垦大学狮白鹅养殖试验仓，分析玉鹅生态种养对耕地土壤微生物多样性的影响。通过微生物组技术分离获得鹅粪秸秆降解微生物，构建鹅粪秸秆最佳降解菌系，建立鹅粪秸秆静态堆肥工艺，为玉鹅种养生态农业产生废弃物提供一个低成本绿色肥料化工艺，打造全闭环玉鹅种养绿色生态农业。

图 1 玉鹅种养模式

(图片来源于黑龙江省农业农村厅官网)

1) 技术路线

项目技术路线图如下：

图 2 项目技术路线图

2) 拟解决的问题及预期成果

①本研究工作重点

探究玉鹅生态种养模式中鹅不同养殖密度从土壤微生物对土壤肥力的影响，明确养殖玉鹅生态模式对耕地土壤理化性质及微生物群落多样性的影响，并从鹅粪土壤中分离筛选出木质纤维素降解微生物，构建出木质纤维素降解菌群，建立一种玉鹅生态种养模式玉鹅种养废弃物静态堆肥工艺。

②本研究工作难点

用鹅粪和玉米秸秆为原料进行静态堆肥实验，利用选择的自然通风装置进行通风，以不加菌为对比，通过测定温度、pH、电导率、含水率等发酵参数指标变化，测定养分含量、种子发芽率、腐殖酸浓度等指标反映堆肥效果，建立玉鹅种养废弃物静态堆肥工艺。

③拟采取的解决方案

拟通过阅读中外文献，合成最佳菌群，与选用的自然通风装置一起应用到玉鹅种养废弃物静态堆肥试验中，总结鹅粪堆肥相关参数，通过单因素响应面实验，寻找玉鹅生态种养模式鹅粪秸秆最佳静态堆肥参数。

④预期成果

a. 明确玉鹅种养对土壤微生物的影响，发掘秸秆降解相关微生物20株，建立简便绿色的静态堆肥体系1个，推动玉鹅种养生态农业技术革新，提高产业核心竞争力。

b. 发表1-2篇相关论文，培养出一批具备扎实理论基础和实践能力的优秀毕业生1-2人，为相关领域的发展提供人才支持。

2024.06-2024.10，查阅资料，完成试验设计。进行试验土壤取样、送样工作，测定土壤样品理化指标，筛选能降解纤维素、木质素的目标单菌。

2024.10-2025.03，对土壤样品检测报告进行分析挖掘，木质纤维素降解菌群的构建及并完成鹅粪堆肥菌剂研发，完成文章初稿撰写。

2025.03-2025.08，进行堆肥实验，测定相关理化参数，腐熟度评价指标，完成堆肥工艺的建立。

2025.08-2026.01，整理实验数据，进行数据分析，开始撰写论文并发表。

2026.01-2026.04，完成项目结题以及毕业论文撰写。