蚯蚓堆肥渗滤液（VCL）引发时长对干旱和盐分胁迫下藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）萌发指数及幼苗活力的影响

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Studying the effect of quinoa seed priming with vermicompost leachate on germination indices under salinity and drought stress

　　

研究以蚯蚓堆肥渗滤液（vermicompost leachate, VCL）对藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）种子进行引发对盐度和干旱胁迫下萌发指数的影响。VCL缓解干旱诱导的藜麦抑制。优化引发改善渗透胁迫（osmotic stress）下的萌发。适当引发时长增强干旱下根系生长。引发响应在干旱与盐分胁迫间存在差异。VCL引发支持干旱土壤中藜麦建植。

研究背景：全球气候变化加速农业生态环境退化，非生物胁迫对农业生产力和全球粮食安全构成持续威胁。干旱影响约三分之一陆地和四分之一耕地，破坏蛋白质、氨基酸和碳水化合物等初级代谢，并诱导活性氧（reactive oxygen species, ROS）在细胞区室积累，进而引起脂质过氧化、电子泄漏及蛋白合成、膜完整性和酶活性受损，最终降低光合能力并促使气孔提前关闭。气候驱动的水文变化还加剧土壤盐渍化和干旱，盐分胁迫主要造成渗透压升高、离子失衡和氧化胁迫，且作物在萌发和幼苗建立阶段最为敏感。将耐逆物种纳入农业系统是重要策略。藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）营养丰富，含必需氨基酸、维生素和钙、铁、锰、镁、铜、钾等矿质元素，并具耐盐和耐旱性，被联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization, FAO）视为21世纪粮食安全战略作物。种子引发可提高萌发整齐度和出苗率，但传统引发多依赖单一活性剂，合成引发剂成本高且存在环境顾虑。厌氧消化（anaerobic digestion, AD）产物直接施用可能释放残留甲烷、氨、硫化氢和臭味气体，并因挥发性脂肪酸（volatile fatty acids, VFAs）产生植物毒性，病原菌风险也限制其直接农用。蚯蚓堆肥（vermicomposting）可通过蚯蚓和微生物协同作用将消化物料转化为有机改良剂或肥料，成熟蚯蚓堆肥可改善孔隙度、排水和持水能力，其液体部分VCL具有种子处理潜力。Kurdistan Province降雨不足，藜麦多种植于雨养条件，因此研究人员首次将干旱和盐分作为该地区藜麦栽培的重要挑战，系统评价来自混合有机原料的渗滤液，假设VCL引发可加速萌发并降低盐旱生理不利影响，提高藜麦种子活力和抗性。

研究人员开展了什么研究及结论和意义：研究人员构建中试蚯蚓堆肥装置，以Eisenia fetida处理固体蔬菜废弃物、沼气消化物固相和干燥羊、山羊垫料混合物，获得VCL，并开展种子引发和萌发试验。结果表明，VCL引发在特定干旱条件下改善选择性萌发或早期幼苗特征，尤其14至18 h引发在干旱下提高萌发百分率（germination percentage, GP）、萌发速率（germination rate, GR）和幼苗活力指数（seedling vigor index, SVI）；但在供试盐分条件下，VCL引发未缓解盐分胁迫，反而抑制萌发。该研究证实所产蚯蚓堆肥符合农艺标准，支持将有机废物可持续循环为高价值生物刺激剂，并为VCL作为半干旱和盐渍化种植系统中提升藜麦生产力与韧性的策略工具提供基础，但需大规模田间试验验证。

关键技术方法：采用高密度聚乙烯（high-density polyethylene, HDPE）蚯蚓堆肥中试装置，以Eisenia fetida处理沼气消化物固相（solid fraction of digestate, SFD）、干燥羊和山羊垫料（dried goat and sheep litter, SGSB）及固体蔬菜废弃物（solid vegetable wastes, SVW）混合物，获得VCL。样品来源：沼气消化物来自Kurdistan University of Medical Sciences健康科学学院；藜麦种子来自伊朗Isfahan的Pakan Bazr Company；蚯蚓来自Arvij。种子以VCL按1:4（w/v）引发6、10、14、18、24 h；干旱用PEG 6000，盐分用NaCl，在培养皿萌发试验中评估GP、GR、平均萌发时间（mean germination time, MGT）和SVI；采用裂区设计完全随机区组（randomized complete block design, RCBD），用SAS 9.4进行方差分析和LSD均值比较。

研究结果：
3.1 蚯蚓堆肥过程中的理化动态。通过48天监测pH、电导率（electrical conductivity, EC）、有机碳、总氮和C/N比，研究人员发现pH由7.57降至7.1，EC由1.19升至2.42 mS/cm，有机碳由29.35%降至24.91%，总氮由0.98%升至1.81%，C/N比由30:1降至13.76。结论为获得稳定、成熟、高氮且低C/N比的有机肥，EC低于农业常用上限4 mS/cm。讨论认为，pH下降与有机磷转化为正磷酸盐及形成有机酸和腐殖质有关，EC升高与无机离子和可溶物积累、矿化增强有关，低C/N比表明成熟并降低土壤氮固定风险。

3.2 种子引发对干旱下GP的影响。通过裂区萌发试验，研究人员发现引发时长与干旱强度交互显著影响GP、根长、茎长、GR和SVI，对MGT影响不显著。干旱10 g/L下，18 h引发GP最高94%，对照最低71%；15 g/L下14 h引发GP最高91%，10 h最低73%；20 g/L下14 h引发GP最高90%，对照最低62%；在25和50 g/L处理中，14 h和6 h分别表现为最高和最低GP。相较未引发对照，GP相对增幅在20 g/L加14 h引发为45.16%，10 g/L加18 h为32.39%，15 g/L加14 h为16.67%，50 g/L加18 h为10.34%，25 g/L加14 h为1.12%。根长方面，25 g/L加6和10 h引发最大为4.43 cm，50 g/L加24 h引发最低为0.48 cm；15 g/L加10 h引发较对照增加109.54%，20 g/L加24 h引发降低17.00%。茎长方面，10 g/L加18 h引发最大为4.17 cm，50 g/L加24 h引发最低为0.33 cm；10 g/L加18 h引发较对照增加145.29%，15 g/L加10 h引发增加183.45%。GR方面，10 g/L加18 h引发最高为22.5，50 g/L加6 h引发最低为10.62；20 g/L加14 h引发较对照增加62.68%。SVI方面，10 g/L下24 h和18 h引发分别为1.06和1.02，高于对照0.83；50 g/L下各处理下降，6 h和14 h最低为0.44和0.50，18 h保持最高0.69，6 h较对照降低68.18%。讨论认为，14 h引发可能使种子处于吸水第二阶段末期，激活修复和代谢机制而不突破胚根，VCL改变耐旱阈值；短时引发不足以充分激活代谢，过长引发消耗种子储备并增加呼吸，高渗胁迫超过幼苗耐受阈值。

3.3 盐分胁迫下引发的GP影响。通过NaCl 25和50 mM，即6和12 dS m^-1的萌发试验，研究人员发现引发时长与盐分对GP交互不显著。VCL未降低盐分胁迫，反而似抑制藜麦萌发；最高萌发表现（原文记为GR）为对照88.66%，所有引发时长均显著降低萌发，并随处理时长增加而加剧，14和18 h更明显；6 h较对照降低13.66%，18 h降低19.28%。根长方面，非胁迫下10 h和24 h引发最大为2.33和2.26 cm，高于对照1.88 cm；25 mM下对照最大为2.26 cm，引发中6 h和14 h较好，为1.69和1.68 cm；50 mM下对照最大为2.17 cm，10 h和24 h较好，为1.84和1.65 cm。茎长交互不显著，非胁迫平均2.24 cm，25 mM降至1.70 cm，50 mM降至1.42 cm。GR方面，非胁迫下对照最高20.62，10 h和14 h较优，18 h最低14.87；25 mM下对照和24 h最高，18 h最低14.87；50 mM下对照21.25和6 h较高，6 h接近对照，14、18和24 h分别降至18、17.25和18.5。MGT方面，非胁迫下6 h最低0.80天，对照0.87天，18 h和24 h较对照增加39.08%和33.33%；25和50 mM下14 h最优，MGT分别为0.71和0.75天，较对照1.07和1.09天降低约50.70%和45.33%。SVI交互不显著，非胁迫下对照最高343.10，其次10 h为326.55，引发总体降低，18 h降低54.07%，10 h降低5.04%；非胁迫总体SVI最高351.6，25 mM降至259.13，50 mM降至246.98，25和50 mM间无显著差异。讨论认为，VCL益处取决于盐分水平，延长引发可能导致过量盐吸收，降低光合效率、限制水分利用并扰乱生长调节；供试盐度下不建议使用该引发，但6 h在50 mM下相对可行，14 h在盐分下加速萌发但未显著提高SVI。

讨论部分总结：研究人员认为，引发响应受胁迫类型、强度、基因型、种子年龄和引发剂特性影响。VCL含营养、有机酸及蚯蚓和微生物代谢物，可促生长并诱导抗性；蚯蚓堆肥产物C/N比和EC适宜，符合农艺标准，是低投入有机废物转化策略。干旱下VCL引发通过激活修复和代谢、调节渗透及抗氧化适应提高GP、GR和SVI；盐分下则可能与盐离子共同增加渗透或离子毒性，导致抑制。研究结论翻译：本研究表明，VCL引发在特定干旱条件下改善选择性萌发或早期幼苗特征。干旱胁迫下，引发作为有效生长增强剂，显著提高最终GP和SVI。当干旱强度增至15 g/L时，14 h引发最有效，GP最高91%；20 g/L下14 h再次显示最高GP 90%；10 g/L干旱下18 h引发茎长最大4.17 cm，确认长期引发可缓解水分亏缺；10 g/L下24 h和18 h引发SVI最高，分别为1.06和1.02，显著高于对照0.83。相反，引发时长与盐分对GP的交互不显著。结果表明VCL是有前景的引发剂，但其应用必须根据环境胁迫类型和强度调整；该问题本研究未调查，需进一步研究。研究还证实所产蚯蚓堆肥符合农艺标准，具有将有机废物可持续循环为高价值生物刺激剂的潜力。适当加入膨胀剂支持蚯蚓生物量增长，提供低投入环境管理和废物生物转化策略。总之，该研究为VCL作为提升藜麦在半干旱（semi-arid）和盐渍化种植系统中生产力与韧性的战略工具提供基础，但建议通过大规模田间试验验证其稳健性和实际适用性。未来工作包括在干旱和半干旱地区田间验证最佳引发时长，评估多代效应，并探索更广的渗滤液浓度和暴露时长，以确定促生长与抑制之间的阈值。