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《浙江大学》 2019年
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生物质炭对酸化土壤的改良效应及其对土壤硝化作用的影响

虞璐  
【摘要】:我国土壤酸化现象具有分布广、程度重、治理难的特点。土壤酸化会造成土壤肥力衰减显著、营养元素流失急增、重金属污染加剧等,进而严重危害作物产量和质量。生产上施用过量氮肥会导致严重的土壤酸化现象,面对这一突出问题寻找合适的土壤改良措施迫在眉睫。生物质炭作为新兴的酸性土壤改良剂,因其特殊的理化性质在缓解土壤酸化、提升土壤质量、改善作物生长环境等方面具有重要的应用价值。为了进一步研究生物质炭对施加氮肥的酸性土壤的改良效应和对土壤硝化作用的影响,我们(1)研究不同水平生物质炭对施用尿素的酸化土壤的化学性质的影响;(2)通过测定根际、非根际土壤氮指标的变化探究施加生物质炭对土壤硝化作用的影响;(3)研究不同水平生物质炭作用下微生物丰度和群落结构变化,以及硝化功能微生物群落的演变,从而阐释生物质炭对土壤养分变化和作物生长的作用机制;(4)开展田间试验验证生物质炭对酸化土壤的实际改良效果。研究结果为我国酸化土壤的改良和氮利用率的提升提供重要的理论依据与应用前景。主要研究结果如下:(1)生物质炭对酸性土壤化学性质的影响。将三个水平(0、1%、3%)的小麦秸秆生物质炭施加到施用三个水平(0、240、480kg N/ha)尿素的酸化土壤中,通过为期两年的盆栽试验探究不同水平的生物质炭对酸性土壤化学性质和大麦生长的影响。结果表明,施用3%生物质炭在第一年和第二年成熟期分别提升土壤pH 0.4-0.9个单位和0.2-1.0个单位。生物质炭的施加对交换性盐基离子和总碳含量都有显著的提升;然而,生物质炭的碱性效果在施用尿素的土壤中被不同程度地弱化。总的来说,生物质炭对低水平(240kg N/ha)尿素处理的酸化土壤比高水平(480kg N/ha)尿素处理的酸化土壤改良效果更显著。(2)生物质炭对土壤微生物丰度和多样性的影响。提取两年盆栽试验其中三个时期根际、非根际土壤的DNA,通过高通量测序分析微生物对生物质炭的响应。结果表明生物质炭对土壤微生物多样性指数的影响不显著,对微生物相对丰度有显著的影响。在根际土壤中,生物质炭的施加提升了与养分转化相关的变形菌门的丰度,对生物质炭响应的敏感微生物丰度先增加后趋于稳定;在非根际土壤中,生物质炭提升了变形菌门和放线菌门的丰度,敏感微生物对生物质炭的响应具有滞后性。冗余分析(RDA)和Mantel检验都表明环境因子比如土壤pH、可溶性有机碳(DOC)、交换性盐基离子、速效氮等都会影响土壤微生物群落结构。(3)生物质炭对土壤硝化作用的影响。生物质炭对大麦籽粒、茎秆、根系生物量分别提升24-46、6-20、0.7-6倍,对株高和根长分别提升0.9-1.4和0.6-2倍。在测定了土壤总氮(Ntotal)和速效氮(NH4+、N03-)的基础上,通过定量聚合酶链式反应(qPCR)监测了氨氧化细菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)基因拷贝数的动态变化。结果表明生物质炭提升了土壤总氮含量,但生物质炭施加显著降低根际土壤中的NH4+和NO3-浓度,而它对非根际土壤中的速效氮浓度无显著作用。生物质炭提升了氨氧化微生物基因拷贝数(p0.05),且AOB基因拷贝数的增长速率大于AOA基因拷贝数的增长速率,AOA/AOB比值在240kg N/ha尿素+生物质炭(N1C2)中最小;但高浓度尿素会弱化生物质炭的作用,尤其表现在根际土壤中。生物质炭的施加有利于土壤氮素的保持和生物可利用氮的增加。(4)生物质炭对硝化微生物群落结构的影响。研究将高通量测序数据中与硝化作用相关的功能微生物基因序列挑选出来,和NCBI数据库进行比对,分别将氨氧化细菌(AOB)、氨氧化古菌(AOA)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)基因序列进行建树分析。结果表明,AOB中的亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)是硝化作用优势菌,它们的丰度总和在大麦苗期和成熟期分别占了硝化微生物总丰度的60-85%和61-76%。在整个大麦生长期中,硝化微生物优势菌群从Nitrosospira向Nitrosomonas转变,尤其表现在根际土壤中。在苗期,生物质炭降低Nitrosomonas丰度、增加Nitrosospira丰度;在成熟期,生物质炭促进了NOB多样性。冗余分析表明在苗期,根际土壤的硝化微生物群落与土壤pH、交换性盐基离子、N03-、DOC正相关(P0.01),而在成熟期它们和环境因子之间的相关性关系不显著。非根际土壤的硝化微生物群落与土壤pH和交换性盐基离子正相关(p0.01),而与土壤DOC的相关性关系不显著。(5)生物质炭对土壤肥力和作物生长的影响。大田试验中将1%生物质炭施加到施用不同氮肥(尿素、硝酸钾和硫酸铵)处理的酸化土壤中,探究生物质炭对酸化土壤的改良效果以及对作物生长的影响。田间试验表明,生物质炭对缓解土壤酸化和提升作物产量均有显著的作用。其中,生物质炭和硝酸钾组合对土壤pH升高和土壤肥力提升的效果最佳。磷脂脂肪酸测定(PLFA)表明施加生物质炭提升了微生物总磷脂脂肪酸、革兰氏阴性菌特征磷脂脂肪酸、丛枝菌根真菌特征磷脂脂肪酸的丰度,降低了革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌、饱和脂肪酸/单一不饱和脂肪酸、环丙烯磷脂脂肪酸/含前体磷脂脂肪酸等比值。生物质炭改良后的土壤环境有利于作物根系生长,根系和微生物的共同作用提升了根际土壤中作物可利用的氮浓度,从而促进作物的生长。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S156.6;S154.3

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