厌氧条件下油菜秸秆生物炭对淡灰钙土中硫转化及微生物群落结构的影响

发布时间：2020-05-31 02:48

【摘要】：生物炭是农作物秸秆、动物粪便以及其他生物质在完全或部分缺氧条件下进行高温热解炭化而成的一种含碳量丰富、性质稳定的固态物质。其发达的孔隙结构,丰富的表面官能团以及较大的比表面积等特性,使其在土壤改良,缓解温室效应,促进作物生长以及治理土壤污染等方面都有着巨大的潜力。生物炭被国内外学者视为有效的土壤改良剂。硫是作物生长发育不可缺少的营养元素之一,直接参与生物体内的许多重要的生化反应,调节植物的新陈代谢,并提高作物的品质,在缺硫条件下植物的生长会受到严重的阻碍,甚至枯萎、死亡。因此,硫是作为继氮、磷、钾之后第四位重要的营养元素。淡灰钙土作为我国西北地区的土壤主要类型之一,其养分贫瘠,结构疏松,孔隙度大,团聚能力差,有机质含量较低。因此,向淡灰钙土中添加生物炭有望改善土壤的结构与性质,提高农作物产量。同时,生物炭添加到土壤后,因其特殊的物理化学性质,势必会影响营养元素的迁移转化和土壤微生物群落结构。然而,目前关于生物炭对土壤营养元素的影响研究大多集中于氮、磷、钾等,而对于硫素的转化鲜有报道,尤其是硫转化中的硫还原反应的研究几乎为空白。因此,本文选取油菜秸秆作为生物质,在300℃和600℃两种热解温度下制备生物炭(分别标记为BS300和BS600)。通过扫描电镜、元素分析、红外等方法对BS300和BS600进行表征,分析其结构组成。采用淹水实验,向淡灰钙土中分别添加0、1%、3%和5%的BS300和BS600,研究两种生物炭对土壤理化性质、硫转化以及土壤微生物群落结构的影响。旨在揭示厌氧状态下生物炭对淡灰钙土中硫素的迁移转化和微生物群落结构变化的影响及规律。主要结论如下:(1)生物炭的产率和灰分含量与热解温度紧密相关,随热解温度升高,油菜秸秆生物炭产率下降,灰分含量增大。BS600的芳香化程度更高,而BS300的极性和亲水性更强。通过扫描电镜可以看出,适当的提高热解温度有利于生物炭孔隙结构的发育。FTIR测试表明,BS300和BS600均含有丰富的表面官能团。(2)淹水状态下,将BS300添加到淡灰钙土中,发现随着BS300添加量的增加,土壤p H值、有机质含量和脲酶活性显著性提高,而土壤过氧化氢酶活性在BS300添加量增加时略有增大,但其变化没有达到显著性水平。随着培养时间的延长,对照组以及添加生物炭的土壤中全硫含量都呈降低趋势,且其下降幅度随着添加量的增加而增大。土壤全硫和无机硫含量均随BS300的添加量增加而上升,而且全硫含量相对于对照组达到显著性差异水平,其增加幅度分别为0.4%、8.8%和21.2%。通过相关性分析发现,土壤全硫含量与p H值和有机质含量均呈显著正相关,而与脲酶活性和过氧化氢酶活性呈正相关,并无显著性。通过高通量测序可知,BS300添加量为0、1%、3%和5%的土样(分别标记为BS300a、BS300b、BS300c和BS300d)均在97%的序列相似性水平进行非重复序列的OTU聚类,共产生5780个OTU。多样性分析结果显示4个样品的多样性大小为BS300bBS300cBS300aBS300d。在门、纲、属三个水平下发现,4个样品共同拥有的优势菌群有10个门、14个纲、10个属。另外,在属水平下4个样品中发现了脱硫孢菌属(Desulfurispora)优势菌属,其含量随BS300添加量增加而增大,分别提高0.1%、0.3%、1.4%和1.7%。(3)淹水状态下,将BS600添加到淡灰钙土中,发现随着BS600添加量的增加,土壤p H值、有机质含量显著性提高。土壤脲酶活性在添加量为1%时相对于对照组增加了21.6%,且差异显著。但在添加量为3%、5%时,脲酶活性分别降低了0.7%和9.3%并且达到显著性差异水平。土壤过氧化氢酶活性在BS600添加量增加时略有增大,但其变化没有达到显著性水平。随着培养时间的延长,对照组以及添加生物炭的土壤中全硫含量都呈降低趋势,且其下降幅度随着添加量的增加而增大。土壤全硫和无机硫含量均随BS600的添加量增加而上升,且其含量相对于对照组达到显著性差异水平。通过相关性分析发现,土壤全硫含量与p H值和有机质含量均呈极显著正相关性;脲酶活性和过氧化氢酶活性与土壤全硫含量并无显著性。通过高通量测序可知,BS600添加量为0、1%、3%和5%的土样(分别标记为BS600a、BS600b、BS600c和BS600d)均在97%的序列相似性水平进行非重复序列的OTU聚类,共产生4799个OTU。多样性分析结果显示4个样品的多样性大小为BS600aBS600bBS600cBS600d,表明添加BS600不宜于增加淹水条件下土壤微生物多样性。在门、纲、属三个水平下发现,4个样品共同拥有的优势菌群有11个门、13个纲、10个属。另外,在属水平下4个样品中发现了脱硫孢菌属(Desulfurispora)优势菌属,其含量随BS600添加量增加而增大,分别提高0.2%、0.6%、1.7%和2.2%。(4)对比BS300和BS600添加到土壤中对硫素及微生物的影响发现,在同一添加量下,BS600对土壤p H值、全硫含量、脱硫孢菌属含量的提升更大,而BS300的土壤微生物群落丰富度以及多样性更高。
【图文】：

硫氧化,土壤硫,单质硫

和脂类合成等生理生化过程中起着重要的作用，调节植物的新陈代谢，并提高量[1, 2]。硫是蛋白质和氨基酸的主要组成成分，是酶化反应活性中心的必需元素素、谷胱甘肽、缁醇和辅酶 A 等细胞内化合物合成的重要介质，植物细胞质膜功能的表达它也参与在其中，并且还是铁氧化还原蛋白的重要组分[3]。硫对调生长、解毒、防卫以及抗逆等过程也起到不可忽视的作用。在缺硫条件下，植会受到重大的阻碍，代谢紊乱，甚至枯萎、死亡，从而导致生态系统的破坏[土壤中的硫一般分为无机硫和有机硫两大类。根据土壤类型、排水情况、矿物组质含量和剖面深度的不同，无机硫和有机硫之间的比例有很大区别[6]。表层土壤大多数以有机硫状态存在，无机硫只占很少一部分，而有机硫要经过硫类微生矿化为硫酸盐形态才能被植物吸收使用[7]。土壤无机硫主要包括水溶性硫、吸土壤粘粒矿物、铁铝氧化物和有机质吸附硫）和盐酸可溶性硫（CaSO4、FeS），其分布的情况与土壤 pH 值相关性很大。有机硫在土壤中以碳键硫（C-S）（C-O-S）和未知态硫（UO-S）三种形态存在，，并且主要存在于动植物残体和[8]。消化降解

扫描电镜图,生物炭,油菜秸秆

BS300 8.83 / 59.41 3.25 35.38 0.88 1.08 0.60 0.05 0.61BS600 10.8 179.4 71.47 1.40 24.65 0.34 2.14 0.34 0.02 0.35从表 2.3 可以看出，两种油菜秸秆生物炭的元素含量由高到低均为 C > O > H > N，随着热解温度的升高，油菜秸秆生物炭的碳含量也随之升高，而氢、氧、氮含量下降。随着温度的升高，生物炭碳链上的 H、O 和 N 裂解形成 CO2、H2O 等其他物质脱离出生物炭[83]，从而导致生物炭中的碳含量逐渐上升，而氮、氢、氧含量降低。H/C 比代表生物炭的芳香化程度，比值越小，表示其芳香度越强，生物炭的稳定性越强；O/C 和（O+N）/C 分别代表着亲水性和极性，比值越小，亲水性和极性就越弱。油菜秸秆生物炭随着热解温度的升高，其 H/C、O/C 和（O+N）/C 三个原子比都显著降低，说明油菜秸秆生物炭的升温裂解是一个芳香性增强，极性和亲水性降低的过程，这一研究结果与前人的研究结果一致[84]。2.3.2 扫描电镜图 2.1 和图 2.2 分别为 BS300 和 BS600 放大 2000 和 5000 倍的扫描电镜图。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S141

【参考文献】