城市污泥发酵物连续施用对沙质潮土土壤质量的影响
发布时间：2020-08-23 22:28
【摘要】：城市生活污泥发酵物应用于土壤改良,对有效消控城市污泥和改善土壤质量具有重要意义。本论文以河南省沙质潮土为研究对象,通过2013-2016年4年8季田间连续定位试验结合盆栽模拟试验,在小麦-玉米轮作制度下,研究了添加不同量城市生活污泥发酵物(简称污泥发酵物)(SW)0t·hm-2(CK)、15t·hm-2(SW1)、30t·hm-2(SW2)和 45t·hm-2(SW3)对土壤基本理化性质、土壤肥力、土壤酶活性及微生物群落结构和功能的影响特征,以期为污泥发酵物培肥沙质潮土提供科学依据。主要研究结果如下:1.施用污泥发酵物显著改善了土壤肥力和环境质量。连续定位施用污泥发酵物能够提高土壤含水量,降低土壤pH,提高土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)和速效磷和钾含量。与CK相比,污泥发酵物处理土壤SOC、TN和综合肥力指数(IFI)分别增加了 121.2%～265.8%、93.1%～284.3%和25.31%～55.51%,均随污泥发酵物施入量增加而显著增加(P0.05),培肥效果显著;同时,经过4年8季定位试验,耕层土壤重金属含量未发现显著增加,远低于土壤环境质量二级标准,在本研究条件下污泥发酵物培肥沙质潮土具有环境安全性。2.土壤活性有机氮组分含量随污泥发酵物施入量的增大而增加,土壤活性有机氮组分在土壤全氮中的分配受污泥发酵物施入量影响显著。污泥发酵物各处理土壤活性有机氮组分含量均显著提高(P0.05),且与污泥发酵物施用量呈正比。施用污泥发酵物处理中活性有机氮各组分含量呈现:颗粒态有机氮(PON)轻组有机氮(LFON)溶解性有机氮(DON)微生物生物量氮(SMBN)。污泥发酵物促进颗粒态有机氮和微生物生物量氮分配,较CK处理,SMBN/TN分别显著增加了 0.8～5.4倍(P0.05),而PON/TN增加幅度较小。污泥发酵物处理降低了 LFON/TN和DON/TN分配,分别显著降低了 17.3%～33.4%和38.5%～71.3%(P0.05),表明在施用污泥发酵物培肥土壤过程中,颗粒态有机氮和微生物生物量氮对土壤活性有机氮库存稳定性发挥着重要作用,而溶解性有机氮更容易被吸收利用,能代替部分矿质养分供给植物和微生物生长所利用。通过冗余分析表明,施用污泥发酵物改善土壤pH和土壤含水量等理化条件,有利于土壤有机氮组分以活性有机氮组分形式存在,从而提高土壤养分供应能力。3.土壤15N丰度变化特征可作为污泥发酵物对沙质土壤质量提升效果的指示指标。与CK处理相比,施用污泥发酵物SW1、SW2和SW3处理分别显著降低了土壤15N丰度41.4%、47.7%和59.9%(P0.05);通径分析和冗余分析结果表明,土壤15N丰度与土壤环境条件、土壤活性有机氮组分含量及分配存在显著相关性,表明土壤δ15N变化可用于指示沙质潮土培肥过程中土壤活性有机氮组分含量及转化特征。4.施用污泥发酵物显著影响了土壤胞外酶活性。较CK处理,SW3处理土壤蔗糖酶、β-葡糖苷酶和β-纤维二糖甘酶活分别显著增加了 64.6%、89.8%和202.6%(P0.05);脲酶、乙酰葡糖氨糖苷酶和芳香胺基酶分别增加了 110.3%、357.8%和116.9%(P0.05);磷酸酶显著增加了10.6%(P0.05)。污泥发酵物处理显著降低土壤氧化酶活性,较CK处理,污泥发酵物处理酚氧化酶和过氧化物酶活分别降低了 28.5%～35.4%和31.1%～43.9%(P0.05),污泥发酵物处理间差异不显著。相关性分析表明,土壤酶与土壤活性有机氮组分含量及分配显著相关,说明土壤养分循环过程受多种代谢酶共同参与调节,同时,土壤氮酶与土壤15N丰度相关性均高于与其他土壤活性有机氮组分的相关性(R2=0.995),可见土壤15N丰度与土壤氮酶活性变化高度一致,可指示土壤氮养分循环过程。主成分分析和冗余分析证实,土壤酶活性与污泥发酵物施入量和环境条件改变存在显著相关性,污泥发酵物改善土壤环境条件,进而调节土壤养分循环过程。5.施用污泥发酵物对土壤细菌群落结构和代谢功能影响显著。污泥发酵物处理降低土壤OTUs、Chao1丰度和香浓多样性指数,施入量增加降低细菌丰度,污泥发酵物施用量达45t·hm-2时效果最为显著(P0.05),Chao1指数和香浓多样性指数分别降低了8.69%和3.50%(P0.05)。较CK处理,污泥发酵物高施入量处理(SW2和SW3),变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门中α变形菌纲和γ变形菌纲、芽孢杆菌纲(Bacilli)、拟杆菌门incertae_sedis菌纲、黄色单胞菌目(Xanthomonadales)和红螺菌目(Rhodospirillales)和芽孢杆菌目(Bacillales)不同分类水平物种均具有最高丰度,较CK处理,丰度分别增加了 27.30%、100.07%、27.52%、81.53%、106.94%、108.45%、44.40%、80.25%和 93.06%(P0.05)。而 CK 处理下,放线菌门(Actinobacteria)、酸酐菌门(Acidobacteria)、Candidatus Saccharibacteria 和疣微菌门(Verrucomicrobia)具有较强的环境适应能力,丰度分别为29.93%、12.22%、1.20%和1.38%,表明污泥发酵物施用抑制了其生长代谢。基于处理点之间物种组成差异性分析和冗余分析可知,污泥发酵物高施用量促进微生物群落结构向养分循环过程有关的物种组成转变,促进养分循环和能量代谢相关基因表达,同时,污泥发酵物施入改善了土壤环境条件、提高氮素供应是微生物的群落结构和基因差异表达的间接诱导因素,其中土壤DOC、DON含量及养分水平是影响物种组成的主要环境因素。综上所述,在确保污泥发酵物施用量不存在环境风险性的前提下,施用污泥发酵物可显著改善沙质潮土土壤物理特性,提高土壤养分供应能力和土壤氮库存,对沙质潮土土壤质量提升效果显著,连续4年8季连续施用污泥发酵物后,以45 t·hm-2施入量效果最佳,通过分析微生物参与养分循环过程的代谢特征、物种组成和基因表达特征可证实,污泥发酵物改善了土壤微生物学特性,促进微生物群落结构组成以参与养分循环过程的物种为主;研究结果对污泥资源化利用和沙质土壤培肥具有重要理论和现实指导意义。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703
【图文】：
５５Ｎ邋（％ｔ）逡逑图３．７邋５１ＳＮ与土壤活性有机氮组分的相关性分析逡逑Ｆｉｇ邋３．７邋Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｏｉｌ邋ａｃｔｉｖｅ邋ｏｒｇａｎｉｃ邋ｎｉｔｒｏｇｅｎ邋ｆｒａｃｔｉｏｎｓ邋ａｎｄ邋８１５Ｎ逡逑３．３．３邋土壤５１５Ｎ与土壤活性有机氮组分的通径分析逡逑本文通过通径分析，可以明确活性有机氮各组分对土壤氮库的贡献作用，以探明土壤氮库对逡逑土壤养分的供应能力。用ｙ表示土壤ＴＮ含量，Ａ表示ＬＦＯＮ含量，Ｘ２表示ＰＯＮ含量，ｘ３表示逡逑ＳＭＢＮ含量，々表示ＤＯＮ含量，ｊｃｓ表示土壤Ｓ１５Ｎ，通过逐步回归，建立最优回归方程：逡逑决定系数Ｒ２＝０．９５１，说明对土壤ＴＮ含量有影响的变量为ＬＦＯＮ、逡逑ＰＯＮ和土壤５１５Ｎ。由通径分析图３．８可知，ＬＦＯＮ和５１ＳＮ对土壤ＴＮ含量的直接贡献作用达到显逡逑著水平，直接通径系数分别为０．４３１和－０．５１７（Ｐ＜０．0５＞间接通径分析可知，＆和ｈ通过Ａ＇ｌ对？逡逑的间接贡献作用分别达０．３６５和０．３３５，邋ｑ和通过文５对ＴＮ贡献分别为０．４０２和－０．４９１，说明土壤逡逑活性有机氮组分对土X蹋裕尾苯雍图浣佑跋熳饔
本文编号：2802105
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X703
【图文】：
５５Ｎ邋（％ｔ）逡逑图３．７邋５１ＳＮ与土壤活性有机氮组分的相关性分析逡逑Ｆｉｇ邋３．７邋Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｏｉｌ邋ａｃｔｉｖｅ邋ｏｒｇａｎｉｃ邋ｎｉｔｒｏｇｅｎ邋ｆｒａｃｔｉｏｎｓ邋ａｎｄ邋８１５Ｎ逡逑３．３．３邋土壤５１５Ｎ与土壤活性有机氮组分的通径分析逡逑本文通过通径分析，可以明确活性有机氮各组分对土壤氮库的贡献作用，以探明土壤氮库对逡逑土壤养分的供应能力。用ｙ表示土壤ＴＮ含量，Ａ表示ＬＦＯＮ含量，Ｘ２表示ＰＯＮ含量，ｘ３表示逡逑ＳＭＢＮ含量，々表示ＤＯＮ含量，ｊｃｓ表示土壤Ｓ１５Ｎ，通过逐步回归，建立最优回归方程：逡逑决定系数Ｒ２＝０．９５１，说明对土壤ＴＮ含量有影响的变量为ＬＦＯＮ、逡逑ＰＯＮ和土壤５１５Ｎ。由通径分析图３．８可知，ＬＦＯＮ和５１ＳＮ对土壤ＴＮ含量的直接贡献作用达到显逡逑著水平，直接通径系数分别为０．４３１和－０．５１７（Ｐ＜０．0５＞间接通径分析可知，＆和ｈ通过Ａ＇ｌ对？逡逑的间接贡献作用分别达０．３６５和０．３３５，邋ｑ和通过文５对ＴＮ贡献分别为０．４０２和－０．４９１，说明土壤逡逑活性有机氮组分对土X蹋裕尾苯雍图浣佑跋熳饔
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