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生物炭对紫色土和黄壤养分、微生物及酶活性的影响

李治玲  
【摘要】:紫色土和黄壤是西南地区主要的农耕区土壤类型,西南地区地处丘陵地区,降水充足,人口密度大,坡地耕作强度大,因此存在土壤侵蚀,养分流失和土壤酸化等问题,在一定程度上阻碍了农业发展。生物炭具有高pH值(大于7),高灰分含量,高阳离子交换量,比表面积大、粒度细小、孔结构丰富、吸附性强等特性,因此能够提高酸性土壤pH,增加土壤肥力,改善土壤质量,为解决这一问题提供了新的途径。但是,由于生物炭的来源、性质、施用量及土壤类型的不同,其改良土壤的效果也有差异。本文采用盆栽试验,以稻壳生物炭为供试材料,通过16s、ITS测序等方法,研究了施用不同比例生物炭对紫色土和黄壤的养分含量、pH值、微生物群落结构多样性、酶活性和作物生长状况的作用效果及其动态变化规律,以期为西南地区紫色土和黄壤的改良提供理论依据和实践指导。主要研究结果如下:1、紫色土和黄壤施用不同浓度生物炭后,明显提高了土壤pH值,黄壤pH值升高了1.0~1.6个单位,紫色土pH值升高了0.5~1.0个单位;同时,有机质、全磷、有效磷和速效钾含量随生物炭含量增加而增加;在不同培养阶段,土壤全钾含量以及全氮含量无明显变化规律,但在一定程度上减少了土壤碱解氮含量。2、在不同时期,不同比例生物炭处理均显著增加了紫色土的放线菌数量、黄壤的细菌和放线菌数量,且随生物炭含量的增加而增加,在4%生物炭处理时增加达到最大,分别为对照的1.4~2.9倍、3.1~8.8倍和1.0~5.9倍。在30d时,紫色土细菌数量随生物炭含量增加呈现明显的递增趋势,4%生物炭处理与对照相比提高了53.1%;而60d以后,细菌数量增速放缓,生物炭的影响逐渐变得不显著。在30d~180d,施用4%生物炭,显著增加了黄壤真菌数量,较对照组分别提高31.0%,53.8%和30.6%;但180d(P)时,随生物炭施用量增加,黄壤真菌数量却显著减少,减少了89.1%。紫色土真菌数量在30d时各处理间无显著差异;60d和180d时呈下降趋势,4%生物炭处理的真菌数量下降至最低,与对照组相比分别减少了43.2%和44.2%;在180d(p)时,真菌数量随生物炭施用量增加而显著增加,2%生物炭处理时达到最大值,为对照的3.04倍。3、运用高通量测序技术,探究了180d时种植作物并添加不同比例生物炭处理后,紫色土和黄壤中微生物群落结构和多样性指数的变化。通过对黄壤细菌多样性指数计算结果表明,添加生物炭各处理的chao1指数均大于对照处理,shannon指数呈波动态势。添加生物炭均增加了黄壤细菌中变形菌门(proteobacteria),拟杆菌门(bacteroidetes),疣微菌门(verrucomicrobia);降低了放线菌门(actinobacteria),绿弯菌门(chloroflexi)以及厚壁菌门(firmicutes)的相对丰度。同时,生物炭的施用改变了黄壤中属水平上细菌的群落结构,在不同程度上增加了有助于植物生长和生物防护相关菌属的丰度,如:诺卡氏菌属(nocardioides)和节杆菌属(arthrobacter);降低了某些植物病原细菌属的相对丰度,如假单胞菌(pseudomonas)。紫色土细菌多样性指数计算结果表明,0.8%和4%生物炭处理的chao1指数均低于对照,降低了细菌群落的丰富度;不同比例生物炭处理后,均增加了shannon指数与细菌群落中芽单胞菌门(gemmatimonadetes)的相对丰度,降低了细菌中放线菌门和疣微菌门(verrucomicrobia)的相对丰度。紫色土中菌属的群落结构也有明显变化,在施用生物炭的各处理中,具有磷代谢功能的芽单胞菌属(gemmatimonadetes)的相对丰度较对照均有不同程度增加。具有降解芳香化合物代谢能力的鞘脂单胞菌属(sphingomonas)的相对丰度仅在0.8%生物炭处理中升高,在2%和4%处理中下降。类诺卡氏菌属(nocardioides)和节杆菌属(arthrobacter)相对丰度在不同生物炭处理中均呈下降趋势。黄壤真菌多样性指数计算结果表明,仅2%生物炭处理的chao1指数低于对照处理,不同生物炭处理的shannon指数均低于对照。黄壤中,添加生物炭均增加了真菌中接合菌门(zygomycota)的相对丰度,降低了子囊菌门(ascomycota),担子菌门(basidiomycota)的相对丰度;添加2%生物炭时,增加了壶菌门(chytridiomycota)的相对丰度。紫色土真菌多样性指数计算结果表明,生物炭各处理的chao1指数均低于对照,shannon指数均高于对照。紫色土中,施用不同比例生物炭后,增加了真菌中子囊菌门、壶菌门的相对丰度,降低了接合菌门的相对丰度;担子菌门仅在2%生物炭处理中增加。4、黄壤施用不同比例生物炭后,土壤蔗糖酶活性均显著降低(180d除外),在各阶段2%生物炭处理蔗糖酶活性降至最低,与对照相比分别降低了63.5%、64.9%、49.4%和58.6%。各取样阶段的紫色土蔗糖酶活性都在生物炭含量为4%的处理达到最高,为对照的2.1~4.8倍。黄壤脲酶活性在生物炭添加量为4%时达到最高,并随着培养时间增加不同处理间差异逐渐显著,与对照相比升高了18.0%~67.1%。紫色土不同处理之间(180d除外)脲酶活性无显著差异。施用生物炭的黄壤和紫色土在培养初期(30d-60d)对过氧化氢酶活性并无显著影响,随着培养时间增加,过氧化氢酶活性显著增加,4%处理过氧化氢酶活性达到最高。5、黄壤添加不同含量生物炭后,油菜株高和植株生物量均显著增加,0.8%、2%和4%生物炭处理株高均显著高于对照,油菜株高增加了4.00~4.60倍;油菜生物量也都显著高于对照处理,分别增加了8.49~11.44倍。紫色土添加生物炭后,仅0.8%的添加量显著增加了油菜的株高和植株生物量,与对照相比分别增加了16.5%和8.2%,生物炭添加量为4%时反而明显抑制了油菜的株高和植株生物量。


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