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生物炭对酸化土壤的改良效应与生物化学机理研究

戴中民  
【摘要】:土壤酸化是土壤退化的一个重要方面,土壤酸化会造成土壤质量和肥力的下降,营养元素的流失,从而对生长的作物产生严重危害。当前,我国酸化土壤分布广泛,酸化程度日益加剧,严重影响我国农业的可持续发展。生物炭作为新兴的酸性土壤改良剂,因其独特的生物物理化学性质在提高土壤肥力、降低土壤酸度、改良土壤微生物生长环境等方面具有重要的潜在应用价值。为了进一步深入认识生物炭对酸化土壤的化学性质和生物化学性质的改良效应和生物化学作用机理,本研究对不同原料和热解温度制备而成的生物炭理化性质进行表征,评估了其在农业生产中的应用价值;然后选取代表性生物炭添加到不同类型的酸化土壤中进行培养,探讨生物炭作用下酸化土壤酸度和肥力的变化规律及其作用机理;接着研究了生物炭对酸化土壤微生物丰度和多样性的影响和作用机理,以及生物炭自身定殖微生物的群落结构、主导菌群和碳氮代谢功能基因及其生态意义。研究结果为我国酸化土壤的改良和农田生产的可持续发展等方面提供理论参考与技术指导。主要研究结果如下:(1)通过单一原料生物炭的制备和理化性质的表征,揭示生物炭的各种理化性质之间的相关性和随热解温度和原材料的变化规律。研究采用9种不同类型的原料和两种不同的热解温度(300℃和500℃)制备生物炭,并对其理化性质进行表征。结果表明,生物炭的理化性质主要受热解温度和原材料类型的影响。热解温度越高,生物炭的芳香饱和度、pH、灰分、比表面积、总碳、总磷、盐基离子含量增加,而脂肪饱和度、总氢、总氧和产率下降。粪肥类生物炭具有较高的pH、灰分含量、总磷和盐基离子总量,而秸秆类生物炭具有较高的总碳和比表面积。基于对生物炭性质的评估,我们预测高热解温度粪肥类生物炭更适合改良土壤的酸度和提高土壤的养分元素,秸秆类生物炭可用来提高土壤的稳定性碳库,也可以作为吸附材料。(2)通过混合原料生物炭的制备和理化性质的表征,获取单一原料生物炭的各自优势,评估了混合原料生物炭的农业和环境应用价值。研究通过在猪粪原料中添加不同质量配比的水稻秸秆原料,制备成混合原料的改性生物炭,并对其理化性质进行表征,评估其农业生产的应用价值。随着水稻秸秆原料比例的增加,生物炭的pH、总碳、比表面积增加,而灰分和产率降低。元素分析、X衍射、傅里叶红外和电镜图谱等表明,随着水稻秸秆原料比例的增加,改性生物炭的元素组成、矿物晶体结构、表面官能团和表面形态结构均发生改变,此改性生物炭兼备两种单一原料生物炭各自的优点,是一个极具潜力的酸化土壤改良剂。在农业生产应用中,建议采用高水稻秸秆原料配比生物炭提高土壤有机质,也可用作吸附材料;低水稻秸秆原料配比生物炭可以用来增加土壤的矿质营养元素,提高土壤肥力。(3)探讨生物炭对酸化土壤的酸度改良和肥力提升的作用效果和机理,筛选出最优的生物炭改良剂和最适合被改良的土壤类型。通过室内培养实验研究了四种不同类型的生物炭(猪粪生物炭、芦苇秸秆生物炭、油菜秸秆生物炭和菠萝果皮生物炭)对三种酸化土壤(红砂土、红壤和黄斑田)化学性质的影响。研究表明,生物炭能够提高土壤的pH、有机碳、盐基离子和pH缓冲性能,并降低土壤的交换态铝浓度。生物炭对土壤pH的作用机理主要有两个方面:生物炭的碱度可以直接提高土壤的pH,作用时间为添加初期(3天内),而硝化作用导致土壤pH下降,作用时间为培养的前期(30天内),同时碱度作用程度远远大于硝化作用,最终导致整体的土壤pH大幅度上升。对于pH较低的酸化土壤,生物炭主要作用于土壤酸度(如pH、Al)的改良,对于pH相对较高的酸化土壤,生物质炭除了作用于酸度之外,还会影响养分(尤其是氮素)的循环。猪粪生物炭是改良酸化土壤的最优改良剂,而pH较低、养分贫瘠、质地为砂性的红砂土是最适合被改良的土壤类型。(4)探讨生物炭对酸化土壤微生物群落结构的作用效果和机理,揭示根际土壤和非根际土壤微生物群落结构、细菌与真菌群落结构的差异。研究通过水稻盆栽实验观察生物炭对土壤微生物群落结构的影响机制,结果表明生物炭显著降低了土壤酸度,增加了土壤肥力,促进了水稻根际的生长,从而改变了微生物的生存环境,导致微生物的群落结构发生改变。生物炭增加了土壤中富养型微生物(如拟杆菌门)的相对丰度,降低了土壤中贫养型微生物(如酸杆菌门)的相对丰度。同时,生物炭改变了土壤细菌的Alpha多样性,而对真菌的Alpha多样性影响不大。多变量统计分析表明生物炭添加后土壤酸度和土壤养分共同决定了细菌的群落结构,而土壤养分对真菌群落结构的决定作用大于土壤酸度。另一方面,生物炭由于促进了作物根系的生长,使之分泌更多的根际分泌物(有机碳),加上生物炭对有机碳具有较强的吸附和固持能力,导致根际土壤微生物比非根际接触到更多的有机碳。有机碳是决定微生物群落结构的一个重要因子,从而导致根际土壤微生物对生物炭的敏感程度大于非根际土壤微生物。(5)探讨生物炭表面定殖微生物的种类、群落结构与功能基因,解析微生物的定殖机理。研究通过将高温热解生物炭(700℃)和低温热解生物炭(300℃)添加到红砂土(低肥力)和黑土(高肥力)中进行培养,并将两种生物炭提取出来,通过高通量测序对微生物的种类、群落结构和碳氮代谢基因进行测定。结果表明,低温热解生物炭定殖微生物的活性和生物量(呼吸速率、DOC和DNA浓度)大于高温热解生物炭,而高温热解生物炭定殖微生物群落结构多样性(OTU数量、Chao 1和Shannon指标)大于低温热解生物炭。生物炭表面定殖的主导细菌为放线菌门,主导碳氮代谢功能基因为碳水化合物代谢基因、反硝化基因和同化异化硝酸盐还原基因。低温热解生物炭由于具有较多的脂肪族碳结构,可直接作为细菌生长繁殖所需的碳源,导致细菌的活性和生物量远远大于高温热解生物炭。然而,高温热解生物炭因具有特殊的理化性质更适合各类微生物的生存,导致其多样性高于低温热解生物炭,但是因为缺乏碳源,导致微生物的生长受到抑制,最终形成"高多样性低生物量"的现象。


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