鸡粪生物有机肥的研制及其促生防病效果与机制研究

摘要

人类工农业生产在促进经济快速发展的同时也产生大量的固体有机废弃物。这些废弃物一旦不能被及时有效地处理，不仅会造成资源浪费，还可能引发环境污染甚至威胁人类自身。另一方面，在集约化农业种植模式下，连续单一种植导致的土传病害已严重威胁到经济作物的可持续生产。本论文1）首先基于不同稻壳添加量与不同堆肥添加物，探究一种以鸡粪为原料的高效高温堆肥工艺，并通过光谱学技术、高通量测序技术等研究其高温堆肥过程中物质结构和微生物区系的动态变化;2）在研制的腐熟鸡粪产品基础上，外源添加蓝藻、菜粕、羽毛粉等蛋白类固体有机废弃物，研制高质量有机肥和生物有机肥，同时对其发酵过程中的物质结构变化和促生效应进行研究;3）通过田间试验研究了在设施番茄连作下，使用生物基质育苗与田间施用生物有机肥防控番茄土传青枯病的效应与作用机制。主要研究结果如下:
　　1.初始碳氮比为17.25的堆体B（稻壳添加量为50％）比初始碳氮比为9.63的堆体A（稻壳添加量为15％）腐熟化进程更快，主要表现为升温速率快，纤维素、半纤维素的降解速率快，最先形成胡敏酸类物质。腐熟化进程的快慢主要是由于堆体起始碳氮比差异导致的堆肥进程中微生物群落的不同而引起。升温期堆体B中细菌属:Tissierella、Natronincola、Anaerosalibacter、Enterococcus、Exiguobacterium、Eggerthia和真菌Piciha属的相对丰度显著高于堆体A中的相对丰度。相关性分析(Spearman)显示细菌Dietzia、 Nocardiopsis、Thermobifida、Elizabethkingia、Haliscomenobacter、Saccharococcus属和真菌Aspergillus属可能与胡敏酸类物质形成有关。方差变量分析(VPA)表明堆体中细菌群落的演化受温度、含水量、水溶性有机碳和硝态氮含量等关键性理化(25.2％)与堆肥时间的交互作用(8.7％)所影响;而真菌群落的演化则受含水量、水溶性有机碳和总磷含量等关键性理化(11.4％)与堆肥时间交互作用(10.5％)的影响。
　　2.在堆肥起始添加起爆剂（堆体B）和腐熟肥料（堆体C）均可加速堆肥初始温度的升高，且堆体B效果更优，主要表现为升温速率快，发芽指数大于80％的时间早，胡敏酸类物质形成早。腐熟化进程的快慢主要是由于堆肥初始加入的堆肥添加物不同造成堆肥起始动力的差异而引起。与对照堆体相比，堆体B和堆体C在堆肥初始的微生物群落多样性高于对照堆体，升温期的微生物总量多且升温期堆体中Alkaliphilus、Halalkalibacillus、Cerasibacillus、Tepidimicrob ium属的相对丰度和高温期堆体中Bacillus、Fontibacillus、Psychrobacillus属的相对丰度显著高于对照;这些细菌具有产孢和嗜热的特点，从而推动了堆肥进程，提高了堆肥效率，缩短了堆肥周期。
　　3.与普通腐熟鸡粪堆肥相比，在二次固体发酵过程中添加7％干重比例的蓝藻藻泥的堆肥产品对植物具有更加显著的促生作用。堆肥盆栽试验表明，与对照（不添加蓝藻藻泥）相比，黄瓜、辣椒、香蕉和玉米的株高分别提高了77.1％、54.3％、40.8％和25.4％;茎粗分别提高了13.1％、46.8％、43.5％和48.2％;地上部分鲜重分别增加了53.5％、97.2％、178％和142％;地下部分鲜重分别增加了12.0％、52.4％、165％和38.9％。促生作用的提升可能是由于在二次固体发酵过程中添加7％干重比例的蓝藻藻泥显著提高堆肥产品中的可溶性有机态氮、常见游离氨基酸和总氨基酸含量导致的。此外，添加蓝藻藻泥的堆体在二次发酵过程中微囊藻毒素-LR和微囊藻毒素-RR被快速降解，并获得较高的发芽指数，实现了蓝藻藻泥资源无害化利用的目标。
　　4.通过响应曲面方法对固体发酵的原料配比进行优化，并通过扩大验证试验获得最优的固体发酵原料配比为:7.61(DW)菜粕:8.85(DW)羽毛粉:6.47(DW)蓝藻藻泥:77.07(DW)腐熟鸡粪堆肥。与普通腐熟鸡粪堆肥相比，配方优化后的发酵原料在经过7天二次固体发酵后获得一种新型生物有机肥，SQR9菌株数量和脂肽含量分别增加23.27倍和5.44倍。该新型生物有机肥对茄子植株有显著的促生效果。盆栽试验中，优化后的生物有机肥处理的茄子株高较化肥处理、普通有机肥处理分别提高了33.4％、15.5％（两季结果平均值），茎粗分别提高8.4％、5.2％（两季结果平均值）。田间试验中，与化肥处理、普通有机肥处理和新型有机肥处理相比，施用优化后的生物有机肥的茄子的株高分别增加了16.7％、10.3％和5.1％（第一季），茎粗分别提高了17.4％、1.6％和1.3％（第一季），茄子果实中的Vc含量分别提高了195％、41.1％和28.2％（第二季），可溶性糖含量分别提高了72.9％、36.1％和27.8％（第二季），增产幅度在8.6％至57.2％之间（两季）。
　　5.相比施用化肥和有机肥，设施番茄连作下施用生物有机肥显著提高番茄产量，降低土传青枯病发病率;而使用生物基质育苗与田间施用生物有机肥可进一步提升产量和降低发病率。连续三季施用生物有机肥在番茄产量上比化肥对照和普通有机肥处理分别提高了198％和67.4％，发病率上分别降低了49.2％和34.0％，而使用生物基质育苗与田间施用生物有机肥处理比化肥对照和普通有机肥处理分别增产314％和132％，发病率分别降低了76.9％和70.0％;连续五季种植后，处理间的差异进一步扩大，施用生物有机肥在番茄产量上比化肥处理和普通有机肥处理分别提高了220％和80.1％，发病率上分别降低了43.3％和29.6％，而使用生物基质育苗与田间施用生物有机肥处理比化肥对照和普通有机肥处理分别增产330％和143％，发病率分别降低了64.2％和55.6％。
　　6.连作会导致病原菌和真菌数量的增加。与普通有机肥处理相比，施用生物有机肥和使用生物基质育苗与田间施用生物有机肥可以增加土壤细菌数量，减少真菌及病原菌数量。Miseq高通量测序结果表明，连续三季种植设施番茄的土体和根际土壤中，相比于普通有机肥处理，施用生物有机肥显著增加了根际细菌中Chryseobacterium、Lysobacter、Luteimonas、Sphingobacterium和Shinella属，土体细菌中Lysobacter、Limnobacter、Burkholderia、Sphingorhabdus、Marinithermus和Succinispira属。使用生物基质育苗与田间施用生物有机肥较普通有机肥处理显著增加了土体细菌中Limnobacter、Thalassolituus、Sphingomonas、Burkholderia、Lysobacter、Luteimonas、Rhodanobacter、Acetitomaculum和Rhodovibrio属的相对丰度。对不同施肥处理的微生物群落进行维恩分析，发现不同施肥构建了不同的土体土壤微生物区系，而土体土壤微生物区系又进一步影响了根际土壤微生物区系，这可能是不同施肥造成番茄土传青枯病防控效应差异的原因之一。土体土壤和根际土壤中病原菌的相对丰度均和发病率之间存在显著线性拟合关系(R2分别为0.651和0.688)，但是根际土壤中病原菌的相对丰度远高于土体土壤病原菌的相对丰度，说明根际土壤病原菌的聚集有可能是番茄土传青枯病的主要原因。相关性分析发现，土体土壤中病原菌的相对丰度和土体土壤中硝态氮含量呈显著负相关关系(p＜0.05)，和碳氮比呈显著正相关关系(p＜0.05);而根际土壤中病原菌的相对丰度和土体土壤的pH呈显著正相关关系(p＜0.05)，和电导率(p＜0.01)、总磷含量呈显著负相关关系(p＜0.05)。
　　7.Miseq高通量测序发现，连续五季施用生物有机肥改变了土体土壤和根际土壤的微生物群落结构，而连续使用生物基质育苗与田间施用生物有机肥进一步加强该变化趋势，体现在根际细菌中Bacteroidetes门（拟杆菌门）的相对丰度，土体细菌中Gemmatimonadetes门（芽单胞菌门）的相对丰度和根际真菌中Ascomycota门（子囊菌门）的相对丰度上。相比于有机肥处理，连续五季施用生物有机肥和使用生物基质育苗与田间施用生物有机肥均显著降低了土体土壤和根际土壤中病原茵的相对丰度，土体土壤的病原菌相对丰度分别降低了67.0％和67.8％，而在对应根际土壤中分别降低了18.7％和71.0％。连续五季使用生物基质育苗与田间施用生物有机肥提高了Bacillus属的相对丰度（根际土壤和土体土壤）以及Pseudomonas属的相对丰度（根际土壤）。基于随机矩阵构建的群体网络结果显示，连续五季施用生物有机肥提高了土体土壤真菌群落及细菌群落的有序化程度(模块性分别为0.480和0.625)，增强了网络稳定性;而使用生物基质育苗与田间施用生物有机肥有效增强了根际土壤细菌群落组织有序化程度（模块性为0.859），提高其网络稳定性。
　　结论:合适的碳氮比与堆肥起始添加起爆菌种或腐熟肥料可以提高堆肥效率。在腐熟鸡粪堆肥中添加蓝藻藻泥、菜粕、羽毛粉等含氮固体有机废弃物可以实现废弃物资源无害化利用，提高肥料品质，且其具有良好的促生、增产功效。该（生物）有机肥料中氨基酸含量、脂肽含量和功能菌的数量是其具有促生增产效应的原因之一。连续使用生物基质育苗与田间施用生物有机肥可以有效提高番茄产量、改善果实品质、降低土传青枯病的发病率。造成防控效率差异的原因之一是有效降低了根际土壤和土体土壤中病原菌的含量与相对丰度;第二是有效增加了土体土壤和根际土壤中芽孢杆菌属的相对丰度和根际土壤中假单胞菌属的相对丰度;第三是有效提高了微生物群落的有序化程度，增强了微生物群体网络的稳定性。所以本研究获得了一种高效、高质、可持续发展农事模式。

目录

声明

论文说明

摘要

本文所用缩略语及专有词汇

第一章 文献综述

1．2 农业有机固体废弃物肥料化利用

2 影响堆肥进程的理化因素及其腐熟程度评价的研究进展

2．2 影响堆肥进程的理化因素

2．3 肥料腐熟度评价研究进展

3 堆肥过程中微生物群落的研究

3．1 微生物与堆肥进程时期

3．2 微生物与堆肥物质

3．3 堆肥过程中微生物功能

3．4 堆肥微生物区系的研究

4 生物有机肥研究及应用

4．2 用于生物肥料研发的功能性微生物

4．3 含拮抗菌的生物有机肥防控土传病害的机制

4．4 生物有机肥对土壤微生物区系的影响

5 番茄土传青枯病及其防治的研究进展

5．2 青枯菌的分类

5．3 青枯菌的病原过程及番茄青枯病发病症状

5．4 青枯菌的检测和鉴定

5．5 防控策略

6 本课题研究的目的、内容和技术路线

6．2 本研究的主要内容

6．3 本研究的技术路线

第二章 鸡粪稻壳联合高温堆肥研究

第一节 不同稻壳添加量对鸡粪高温堆肥效率及其耦合的微生物区系影响研究

1 材料与方法

2 结果与分析

3 讨论

4 本节小结

第二节 不同堆肥添加物促进鸡粪高温堆肥效率及关联的微生物区系变化研究

1 材料与方法

2 结果与分析

3 讨论

4 本节小结

第三章 新型鸡粪有机肥与鸡粪生物有机肥的研制及其肥效研究

第一节 含蓝藻藻泥的新型鸡粪有机肥料研制及其促生效应探究

1 材料与方法

2 结果与分析

3 讨论

4 本节小结

第二节 新型鸡粪生物有机肥料的研制及其肥效探究

1 材料与方法

2 结果与分析

3 讨论

4 本节小结

第四章 使用生物基质育苗与田间施用新型鸡粪生物有机肥防控番茄土传青枯病效应与机制研究

1 材料与方法

1．2 试验方法

1．3 数据统计与分析

2．1 不同处理对番茄产量及发病率的影响

2．2 不同处理对番茄农艺性状及果实品质的影响

2．3 不同处理对土壤理化性质的影响

2．4 不同处理对总细菌、总真菌和病原菌数量的影响

2．5 不同处理对土壤微生物群落变化的影响

2．6 不同处理对微生物群体网络结构的影响

3 讨论

4 本章小结

参考文献

全文结论

研究展望

创新点

不足之处

致谢

博士期间已发表论文与授权发明专利