2021年8月，中国农业大学资源与环境学院李国学教授和袁京副教授课题组在Journal of Hazardous Materials杂志在线发表了题为“Key factors affecting seed germination in phytotoxicity tests during sheep manure composting with carbon additives”的研究论文，本研究利用堆肥水浸液的种子萌发试验，探讨影响堆肥种子萌发的关键植物毒性因子。确定了堆肥中水溶性物质与种子萌发的关系，及其与微生物群落的关系。为堆肥腐熟度的定向调控提供理论依据和措施。

 

中文标题：不同碳源辅料与羊粪共堆肥对种子发芽的关键植物毒性因子分析

发表期刊：Journal of Hazardous Materials    

影响因子：10.588

主要研究技术：微生物多样性测序

 

 

实验设计

 

 

 

主要研究结果

 

1. 种子萌发指数

萌发指数是评价堆肥植物毒性的常用指标。在堆肥的前35天，发芽率（GR）、胚根长度（RL）和发芽指数（GI）呈现上升趋势，但在堆肥结束期波动或下降。堆肥结束时，碳添加剂的三种堆肥处理水浸液种子萌发指标显著高于对照（SM），但三种处理之间无显著差异。这些结果表明碳添加剂处理堆肥水浸液的植物毒性较SM低。堆肥水浸液中含有低分子量有机酸、重金属和无机氮等植物毒性物质，抑制种子萌发。堆肥过程中可以通过有毒物质的降解、转化和聚集，以及降低毒素的生物利用度来降低植物毒性。

图1 四种羊粪堆肥水浸液植物毒性试验的种子萌发参数

 

2. 堆肥腐熟度参数

碳添加剂的三种堆肥处理最高温度显著高于对照和环境温度。pH的初始升高可能与蛋白质的降解和NH₄⁺的积累有关；第3天左右pH值下降的趋势可能与有机质的不完全降解和氨挥发有关。各处理的EC值在中温阶段均有所下降（降幅为2.8~11.7%），这可能与氨挥发有关；SM+GS处理中电导率的降低可能是由于园林废弃物中木质纤维素对无机盐的沉淀和吸附所致。鉴于SM+GS堆肥28天时，表现出最高的GI（图1），因此，水溶性C/N比为7时可视为腐熟堆肥的适宜参数。

图2 四种羊粪堆肥的腐熟度指标

 

3. 微生物群落演替

四种堆肥系统中优势菌门分别为厚壁菌门、放线菌门、变形菌门和拟杆菌门，占据90%的相对丰度。在堆肥过程中，厚壁菌门的比例从71.3%下降到12.9%，放线菌门的比例从8.9%上升到60.2%，变形菌门和拟杆菌门的比例略有变化。鉴于这些变化主要发生在嗜热和腐熟阶段，因此对7、49天的属水平Top30的物种进行分析，结果显示对照组和处理组的物种组成分别聚成两个类群。

图3 羊粪堆肥过程中细菌群落的门水平变化

 

图4 羊粪堆肥过程中Top30的细菌属水平相对丰度的比较，7天（a）和49天（b）

 

4. 环境参数、细菌群落与种子萌发指数的关系

RDA分析在两个坐标轴上解释的总变异比例从92.8%到99.9%不等。四种堆肥方式中种子萌发指数变量最大的解释因子分别为总有机碳（TOC），腐殖酸（HA）和pH。堆肥的理化参数解释了菌群变量的45.9-64.5%，菌群解释了种子萌发指数变量的69.5-87.1%。除直接影响外，理化参数通过调节细菌群落对种子萌发指数也有间接影响，因此细菌群落对萌发指标有直接作用。

图5 堆肥理化参数、种子萌发指数和Top30属与堆肥样本的RDA分析，每一行代表一种堆肥方式，每一列代表两类指标与样本之间的RDA分析

 

5. 影响种子萌发指数的关键因素

结构方程模型（SEMs）分析表明：四种堆肥处理直接影响种子萌发的因素分别为TOC、乙酸（AA）、HA和pH值。其中pH直接影响种子萌发，BA通过对细菌群落的影响间接影响种子萌发。上述结果表明：TOC、FA、HA、pH和一些细菌（Planifilum、Oceanobacillus、Ruminococcaceae_UCG_005、saccharonospora和Gracilibacillus）直接或间接影响种子的萌发。虽然RL、GI和GR受不同因素的影响，但这些指标均能代表植物毒性。

图6 SEMs分析揭示了堆肥过程中各关键因素对种子萌发指标的影响，a-d分别代表四种不同的堆肥方式

 

 

参考文献

 

Wang G, Yang Y, Kong Y, et al. Key factors affecting seed germination in phytotoxicity tests during sheep manure composting with carbon additives[J]. Journal of Hazardous Materials, 2021.
 

精彩回顾

 

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