玉米秸秆生物炭对耕作土中硫形态转化及微生物群落结构的影响

论文摘要

生物炭是由农作物秸秆等废弃生物质在缺氧条件下,热解炭化得到的一种含碳量丰富、孔隙结构发达、性质稳定且高度芳香化的物质。将生物炭还田既能够实现废弃生物质资源化高效利用,又能够对土壤进行改良。耕作黄土是我国黄土高原分布最广的耕作土壤,将生物炭施入将有效改善耕作黄土持水保水性差、有机质含量低、结构不稳定、营养元素易淋溶和保肥能力较差等缺点。硫是土壤中重要的矿质营养元素,对植物生长发育非常重要,近年来,随着作物产量提高和无硫肥料的大量使用等原因导致土壤中硫的储备量下降,继而引发植物的缺硫症状频现,土壤缺硫已成为影响农业生产的新问题。目前,关于生物炭对土壤中氮和磷的影响研究颇多,但是有关生物炭施入对土壤中各形态硫转化及微生物群落结构变化的研究却鲜有报道。为研究生物炭施入对土壤理化性质、硫形态转化和土壤中微生物群落结构的影响,本文选取300℃和600℃限氧条件下制备的玉米秸秆生物炭BC300和BC600,分别以0%、1%、3%和5%的量施入耕作黄土中,恒温培育15周。分别在第0、3、6、9、12、15周取样,测定土样性质和土样中各形态硫含量,研究生物炭施加对耕作黄土性质、土壤中各形态硫含量的影响。培育周期结束后,通过16S rDNA扩增子测序技术对土样进行高通量测序,分析不同样本组间的物种组成和微生物群落多样性的差异性,研究生物炭施加对耕作黄土中微生物群落结构的影响。通过实验研究,为玉米秸秆生物炭在耕作黄土改良方面的应用提供理论参考。主要研究结果有:（1）生物炭对土壤性质的影响与培育时间、生物炭热解温度和施加量有关。玉米秸秆生物炭施入耕作黄土后,土壤pH值、土壤电导率EC值、有机质含量增大,土壤中脲酶和过氧化氢酶活性增强。BC300和BC600的施加量越大,土壤pH值、EC值和有机质含量越大。培育15周之后,BC300的施加量为0%、1%、3%和5%时,土壤pH值的大小分别为5.70、5.86、5.94和6.01;电导率EC值分别为0.6、0.73、0.93和1.12ms·cm-1;有机质含量分别为1.96%、2.34%、2.64%和2.57%。BC600的施加量为0%、1%、3%和5%时,土壤pH值的大小分别为5.70、5.90、5.96和6.07;电导率EC的值分别为0.6、0.91、1.0和1.15 ms·cm-1;有机质含量分别为1.96%、2.16%、2.40%和2.52%。BC300和BC600对土壤脲酶和过氧化氢酶活性的影响随培育时间的变化而发生改变。培育第9周,BC300和BC600对土壤脲酶和过氧化氢酶活性的提高均最明显。此外,施加BC600对土壤pH值和脲酶活性的提高较施加BC300明显,而BC300对土壤有机质含量的提高较BC600更明显。施加量为3%的BC300和施加量为5%的BC600对土壤中过氧化氢酶的提高作用分别最强。（2）土壤中各形态硫含量随培育时间的变化而发生改变,生物炭的热解温度和施加量不同,对土壤中各形态硫含量的影响各不相同。施加BC300和BC600后,土壤中总硫含量降低。培育第15周,BC300的施加量为0%、1%、3%和5%时,土壤总硫的含量分别是728.12、692.00、707.59和686.14 mg·kg-1;BC600的施加量为1%、3%和5%时,土壤总硫的含量分别是654.90、680.50和631.89 mg·kg-1。施加BC300和BC600后,土壤中水溶态硫含量增加,BC600的施加量为1%时,土壤中水溶态硫的增加量最大。培育初期,施加BC300和BC600均可提高土壤中吸附态硫含量,施加量为3%时,土壤中吸附态硫的增加量均达到最大。BC300的施加量为1%和3%时,可显著提高土壤中盐酸可溶态硫含量;BC600的施加量为3%时,对土壤中盐酸可溶态硫含量的提高最显著。根据土壤中无机态硫含量变化可得,施加BC600有利于土壤中水溶态硫向吸附态硫和盐酸可溶态硫转化。施加BC300和BC600后土壤中有机硫的含量降低。培育第15周,BC300的施加量为0%、1%、3%和5%时,土壤总硫的含量分别是286.55、257.51、262.26和251.0 mg·kg-1;BC600的施加量为1%、3%和5%时,土壤总硫的含量分别是200.32、249.53和177.75 mg·kg-1。土壤中总硫含量的降低归因于土壤中有机硫含量的减少,BC600的施加量为5%时,有机硫的减少幅度达到最大。（3）施加BC600后土样中特有OTUs聚类数增多,BC600的施加量越大,土壤中特有的OTUs聚类数越多。施加量为1%和3%的BC300与施加量为5%的BC600可以使土壤中微生物群落数减少,施加量为1%和3%的BC600可以使土壤中微生物群落数增加。施加BC300和BC600后,样本组中变形菌门类所占比例增大;芽单胞菌门类所占比例均减少;放线菌门和浮霉菌门类所占比例随生物炭施加量增加而增大;拟杆菌门、酸杆菌门和疣微菌门类所占比例随生物炭施加量的增加而减小;绿弯菌门和广古菌门类所占比例增大,且随生物炭施加量的增加而增大。施加BC300和BC600后,土壤中微生物群落多样性提高,其中生物炭的施加量为3%时,土壤中微生物群落多样性最大。生物炭的施加量较小时,可以提高土壤中微生物的群落丰富度。施加生物炭后,样本组中物种分布更均匀。BC600的施加量为3%时,对土壤物种丰富程度的提高作用最显著。BC600对土壤中物种组成的影响较BC300大,生物炭的施加量越大,对土壤中微生物物种组成的影响越大。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 生物炭概述

1.1.1 生物炭的制备及其特性

1.1.2 生物炭施入对土壤性质的影响

1.2 土壤中的硫素

1.2.1 土壤中硫的状况

1.2.2 土壤中硫形态转化过程及硫循环的生态学意义

1.3 土壤微生物多样性及其研究方法

1.3.1 土壤微生物群落结构组成

1.3.2 土壤微生物多样性研究方法

1.4 研究意义、内容和技术路线

1.4.1 研究背景及意义

1.4.2 研究内容

1.4.3 技术线路

2 生物炭的制备及结构表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验材料与仪器

2.2.2 生物炭的制备

2.2.3 生物炭的表征方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 生物炭的产率和灰分含量

2.3.2 生物炭的基本理化性质

2.3.3 电镜扫描分析

2.3.4 生物炭的XRD分析

2.4 小结

3 生物炭对耕作土性质的影响

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验材料与仪器

3.2.2 实验设计

3.2.3 测试方法

3.2.4 数据分析

3.3 结果与讨论

3.3.1 生物炭对培育周期内土壤pH值的影响

3.3.2 生物炭对培育周期内土壤电导率的影响

3.3.3 生物炭对培育周期内土壤有机质的影响

3.3.4 生物炭对培育周期内土壤脲酶活性的影响

3.3.5 生物炭对培育周期内土壤过氧化氢酶活性的影响

3.3.6 生物炭对培育周期结束后土壤性质的影响

3.4 小结

4 生物炭对耕作土中各形态硫含量的影响

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验材料与仪器

4.2.2 实验设计

4.2.3 测试方法

4.2.4 数据分析

4.3 结果与讨论

4.3.1 生物炭对培育周期内土壤中总硫含量的影响

4.3.2 生物炭对培育周期内土壤中水溶态硫含量的影响

4.3.3 生物炭对培育周期内土壤中吸附态硫含量的影响

4.3.4 生物炭对培育周期内土壤中盐酸可溶态硫含量的影响

4.3.5 生物炭对培育周期内土壤中有机硫含量的影响

4.3.6 生物炭对培育周期结束后土壤中各形态硫含量的影响

4.4 小结

5 生物炭对耕作土中微生物群落结构的影响

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 样本采集

5.2.2 16S rDNA扩增子测序流程

5.2.3 信息分析流程

5.2.4 分析项目和方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 物种注释与OTU分析

5.3.2 物种分布情况分析

5.3.3 样本复杂度分析（α多样性分析）

5.3.4 多样本比较分析（β多样性分析）

5.4 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吕玉德

导师: 赵保卫

关键词: 生物炭,耕作黄土,土壤理化性质,微生物

来源: 兰州交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 生物学,农业基础科学,农业基础科学,农艺学,农艺学

单位: 兰州交通大学

基金: 国家自然科学基金项目“生物炭输入对黄土中硫迁移转化和植物有效性的影响及其作用机制(21467013)”

分类号: S153;S154.3

DOI: 10.27205/d.cnki.gltec.2019.000093

总页数: 76

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玉米秸秆生物炭对耕作土中硫形态转化及微生物群落结构的影响

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