珊瑚砂中成熟高油脂厨余垃圾堆肥的生态安全阈值：礁岛修复的微生物网络指标

《Marine Environmental Research》：Ecological safety threshold for mature high-oil food waste compost in coral sand: Microbial network indicators for reef island restoration

　　

摘要

珊瑚礁岛屿正面临日益加剧的退化，这是由于极端基底贫瘠性（珊瑚沙）和孤立海洋环境中的废物管理挑战所致。高油脂食品废弃物堆肥提供了一项循环经济解决方案，然而不受控制的应用可能会通过盐分淋溶进入相邻水域而造成海洋污染风险。本研究确立了南海珊瑚沙中成熟高油脂食品废弃物堆肥改良剂的基于证据的生态安全阈值。该堆肥达到了完全成熟（发芽指数 157.5%，C/N 11.37，油脂降解率 92.7%，残留油脂 1.84%，NH₄⁺/NO₃^- 0.21，腐殖化指数 7.70）。通过 45 天受控盆栽实验（0%、5%、10%、15% 和 20% 添加量），分段回归确定了 10% 为关键非线性阈值。该剂量优化了基质水分（增加 16.5 倍），缓解了碱性胁迫（pH 8.65），并维持了海洋安全盐度（EC 0.53 mS cm^-1，低于 1.0 mS cm^-1 的植被胁迫限值），同时最大化植物生物量和土壤酶活性。机制上，10% 的添加量独特地富集了功能细菌（Solirubrobacter）和腐生真菌（Aspergillus 和 Melanocarpus），构建了平衡的微生物共现网络。综合 PICRUSt2-酶活性相关性验证了预测的碳/氮代谢潜力与测量的土壤酶活性之间的耦合（Spearman ρ=0.74–0.84, FDR q<0.001）。溶解性有机质分析证实了最佳的腐殖化程度（82.19% 腐殖酸）和稳定的芳香族核心结构，生命周期评价验证了可忽略的海洋富营养化负担（EP: 0.0275 kg PO₄^3- eq t^-1）。这些发现为热带礁岛修复中的有机改良剂提供了首个基于证据的生态限制，并提议将微生物网络稳定性作为沿海生态系统功能状态的相关生物指标。

引言

珊瑚礁岛屿代表了热带海洋生态系统中的生物多样性热点和关键地质结构，为海洋物种提供重要栖息地、海岸保护以及在海洋环境中的人类定居点（Perry 等，2018; Wang 和 Liu，2023）。然而，这些脆弱的岛屿生态系统面临气候变化、海平面上升和人为干扰等日益加剧的威胁，特别是原生植被覆盖的退化（Kench 等，2023）。礁岛上的植被丧失会引发级联环境后果，包括海岸侵蚀加剧、沉积物流入相邻珊瑚礁，以及抵御台风和盐雾的韧性降低，最终威胁陆海生态界面（Wu 等，2024; Fan 等，2025）。因此，恢复退化珊瑚礁岛屿上的植被已成为海洋环境保护的紧迫优先事项。

与内陆农业土壤不同，珊瑚沙（礁岛上的主要基底）表现出极端的物理化学限制，严重阻碍植被建立，包括粗糙的钙质质地（>90% 碳酸盐沙）、可忽略的有机质含量（<1 g·kg^-1）、碱性 pH（8.5–9.5）和保水能力差（Li 等，2023; Zhang 等，2024）。这些特征反映了其海洋沉积物起源（来自珊瑚和贝壳碎屑的生物源碳酸盐碎片），而非陆地土壤形成。传统的土壤改良措施（例如商业肥料和表土进口）对于偏远岛屿来说成本 prohibitively 昂贵且在后勤上不可行，通常需要能源密集型的运输，这 paradoxically 增加了碳足迹，并在海运过程中存在通过包装废物和潜在泄漏造成海洋污染的风险（Sanchez-Garcia 等，2015）。因此，开发利用现场有机资源的本地化、环保修复技术代表了沿海生态工程中的一个关键知识空白。

中国每年产生超过 1.2 亿吨高油脂食品废弃物，由于填埋空间有限和运离岛屿运输成本 prohibitively 高昂，孤立岛屿面临特殊的处理挑战（Wang 等，2026）。好氧堆肥通过将废弃物转化为富含腐殖质的改良剂，提供了一种循环经济解决方案，理论上可以同时解决废物管理和基底贫瘠性问题（Tian 等，2020）。然而，文献中对高油脂堆肥应用于珊瑚沙的海洋环境安全性研究仍严重不足。在这些渗透性、粗质地的海洋沉积物中过度添加有机改良剂，有严重盐胁迫（渗透毒性）、脂质残留积累以及随后营养物（N/P）淋溶到礁岛周围浅海的风险，可能引发富营养化和藻类爆发，从而窒息珊瑚（Seeley 等，2020）。与内陆盐碱土不同，珊瑚沙缺乏粘土矿物和土壤结构来保留营养物和缓冲盐度，因此精确的剂量控制对于防止从生态修复转变为海洋污染至关重要。

以往关于堆肥应用的研究主要集中在内陆农业土壤上，假设肥料剂量与产量呈线性或 S 形响应，而经常忽视生态毒理学阈值和海洋环境风险（Yin 等，2022）。“生态安全阈值”的概念，即过量添加会触发负反馈机制（盐胁迫、微生物菌群失调、营养物淋溶），尚未针对珊瑚沙等极端海洋基底建立。此外，尽管微生物群落驱动沿海沉积物中的养分循环，但其在岛屿环境中对有机改良剂剂量的网络级响应及其对生态系统稳定性的影响仍知之甚少（Omolayo 等，2021; Bai 等，2023）。

本研究解决了热带岛屿生态系统修复中基于风险的精确改良的关键需求。我们假设高油脂堆肥通过添加营养物和微生物网络重建来改善珊瑚沙特性；然而，存在一个生态毒理学阈值，过量添加会诱导盐胁迫和网络不稳定。具体而言，我们旨在（i）建立能够最大化沿海植被建立同时防止超过海洋环境安全标准的最大安全添加比例；（ii）揭示该碳酸盐海洋基底中的溶解性有机质（DOM）转化动态；（iii）识别岛屿条件下调节 C/N/P 循环的关键物种；以及（iv）通过生命周期评价（LCA）评估全链条环境绩效，重点关注对相邻海洋水域的富营养化/酸化风险。这些发现为可持续的岛屿废弃物增值和脆弱的珊瑚礁环境保护提供了机制基础。

章节片段

实验设计与材料

珊瑚沙采集自南海一个礁岛的表面层（0–10 cm），风干并过筛（2 毫米）。其初始性质如下：pH 9.47±0.17，电导率（EC）0.07±0.01 mS cm^-1，水分 0.84±0.01%，以及极低的有机碳（1.67±0.07 mg g^-1）和全氮（低于检测限）（Cheng 等，2022）。成熟的高油脂食品废弃物堆肥是通过 30 天的实验室规模好氧堆肥过程生产的（60 L 反应器，强制

土壤理化性质的阈值响应与非线性改良特征

珊瑚沙土壤表现出显著缺水，初始水分含量仅为 0.85±0.02 %，远低于一般农业土壤（通常维持在 20–30 %）（Foley 和 Cooperband，2002; Lamichhane 和 Kim，2025）。在添加不同比例的食品废弃物堆肥后，初始土壤水分含量随堆肥添加量的增加而显著增加（p<0.05）。CS-5%C、CS-10%C、CS-15%C、CS-20%C 和 S-20%C 的初始水分含量分别为 4.43±0.30%，

结论

本研究确立了 10% 作为南海珊瑚沙中成熟高油脂食品废弃物堆肥改良剂的生态安全阈值。该限值优化了基质物理化学性质（水分增加 16.5 倍，pH 降至 8.65，海洋安全 EC 为 0.53 mS cm^-1），最大化植物生物量，并激活了土壤酶活性。机制上，10% 的添加量独特地富集了功能细菌（Solirubrobacter）和腐生真菌（Aspergillus 和 Melanocarpus），

局限性与未来展望

本研究受限于 45 天的温室持续时间，这排除了在田间条件下推断长期盐分积累、有机质矿化和微生物演替的可能性。使用 Raphanus sativus 作为模式物种并排除海洋胁迫因素（潮汐冲刷、盐雾、风蚀）限制了对原生礁岛植被的直接外推。淋溶实验使用了去离子水而不是模拟海水，且基底疏水性，

CRediT 作者贡献声明

BaoChuan Qi: 方法论，调查。Xin Sheng: 方法论，调查。Hu Xu: 方法论，调查。YangYang Li: 写作 – 审查 & 编辑，写作 – 初稿，可视化，方法论，调查，形式分析，概念化。ZhiWei Zhao: 监督，资金获取，形式分析。Li Li: 监督，资金获取

未引用参考文献

Li 等，2026; Liu 等，2020; Pan 等，2025; Tang 等，2025; Wang 等，2026; Zhou 等，2025。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本报告工作的出现。

致谢

本研究得到了 国家重点研发计划（海洋环境安全与珊瑚礁可持续发展重点专项项目： 2021-01）的支持。

YangYang Li|Hu Xu|Xin Sheng|BaoChuan Qi|Li Li|ZhiWei Zhao