生物炭对植烟褐土的改良效应及其微生态机理研究

发布时间：2020-08-09 13:04

【摘要】：烟草作为我国主要经济作物之一,为国民经济发展和人民生活水平的提升做出了很大贡献。然而近年来,土地的不合理使用造成土壤质量下降,有机质含量降低,碳氮营养失衡,土壤生物活性降低,烟草土传病害加重,严重威胁着烤烟的可持续生产。本文于2013-2015年在山东省沂水烟草试验站,以碳输入及碳氮调节为手段,从土壤有机碳氮组分、微生物生态多样性、烟株生长发育、烤烟产质量等方面系统研究了生物质炭对山东褐土烟田的改良效果及对烟叶生产的影响。主要研究结果如下:1生物炭促进土壤有机碳氮固持在大田条件下分析了条施不同用量生物炭(0、1、2、4 t/hm~2)对烤烟生长不同时期土壤碳氮组分的影响。结果表明:施用生物炭可增加土壤有机碳、氮固持,减少土壤可溶性有机碳、氮淋失,有利于提高土壤肥力。其中,土壤TOC(Total Organic Carbon,总有机碳)、TN(Total Nitrogen,全氮)、MBC(Microbial Biomass Carbon,微生物生物量碳)和MBN(Microbial Biomass Nitrogen,微生物生物量氮)含量均随着生物炭施用量的增加而提高,在生物炭施用量为4 t/hm~2时达到最大值,在烤烟旺长期(移栽后60d)分别比对照增加122.69%、22.55%、53.45%和42.93%。添加生物炭处理的土壤DOC(Dissolved Oganic Carbon,可溶性有机碳)含量在烟草发育中后期(移栽后60-90d)分别比对照低11.36-20.06%,11.45-24.91%和11.35-22.16%,不同处理土壤DON(Dissolved Oganic Nitrogen,可溶性有机氮)含量在烟草整个生育期比对照低11.03-24.85%,且DOC和DON含量随着生物炭的施用量的增加而逐渐降低。本研究中,褐土烟田条施生物炭量为2 t/hm~2时改土效果最佳。此外,皮尔逊相关分析表明,除了土壤TN与活性碳氮相关性不大之外,其他指标之间关系密切,并且土壤溶解性有机碳氮与其他碳氮指标均为负相关关系。2生物炭提高了土壤碳库管理指数土壤碳库管理指数是监测土壤碳库动态及反应土壤碳库质量的有效指标。本研究表明,生物炭施用对土壤碳库有显著的影响,土壤中活性有机碳含量随着生物炭用量的增加而提高,但碳库活度及碳库活度指数则随着生物炭用量的增加逐渐降低。此外,施用生物炭的处理土壤碳库指数及碳库管理指数显著高于对照,大田条施生物炭用量为1、2、4 t/hm~2时,土壤碳库管理指数分别比对照提高了18%、22%和34%。对比不同高碳物料对土壤碳库修复效果的试验结果表明,不同高碳物料均可提高土壤总有机碳含量及碳库管理指数,生物炭(BC)、草炭(GC)和秸秆(CS)处理土壤有机碳总量分别比对照提高了25.48%、16.99%和9.09%,碳库管理指数分别比对照高16%、48%和46%。对比分析不同物料提高土壤碳库管理指数的原因表明,BC处理土壤POC(Particle Organic Carbon,颗粒态有机碳)含量较高,而GC和CS处理土壤AOC(Active Organic Carbon,活性有机碳)和TOC含量较高,GC和CS处理土壤碳库活度和碳库活度指数比BC处理高,说明从碳库固持角度看,BC处理效果较好,从促进碳循环和提高碳库活性角度看,GC和CS效果较优。3生物炭提高了土壤细菌多样性,对土壤微生物群落结构影响显著短期的盆栽试验结果表明,生物炭可以提高土壤微生物生物量和细菌多样性,放线菌门(Actinobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)和浮霉菌门(Planctomycetes)细菌的相对丰度明显高于对照,酸杆菌门(Acidobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、TM7和硝化螺旋菌门(Nitrospira)丰度低于对照。田间定位试验结果表明,土壤添加生物炭3年后,土壤pH、含水量、TOC和TN含量显著增加,而土壤容重和DOC含量则显著降低。土壤微生物量碳含量随着生物炭用量的增加而提高。Illumine MiSeq测序结果显示,生物炭的添加增加了土壤细菌群落Alpha多样性,并且对其群落组成有显著影响。对细菌的检测结果表明,变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、和疣微菌门(Verrucomicrobia)是土壤中的优势菌群。生物炭的施用增加了拟杆菌门(Bacteroidetes)的相对丰度,但是减少了疣微菌门(Verrucomicrobia)的相对丰度。在属水平上,生物炭增加了假单胞菌属(Pseudomonas)和溶杆菌属(Lysobacter)的相对丰度,降低了Ohtaekwangia,鞘脂菌属(Sphingobium)和噬几丁质菌属(Chitinophaga)属的相对丰度。冗余分析(RDA)结果表明,土壤TN、TOC和DOC是对土壤细菌群落结构影响较大的环境因子。以上结果说明生物炭可能通过影响土壤环境进而驱动了土壤微生物群落的生态演替,同时,部分功能微生物群落丰度的改变可能影响土壤生态功能。4生物炭对土壤真菌群落结构有显著影响田间定位试验结果表明,与对照相比,植烟褐土添加生物炭3年后,对土壤真菌Alpha多样性影响不大。所有处理土壤中真菌菌群为:子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、接合菌门(Zygomycota)、微孢子门(Microsporidia)、球囊菌门(Glomeromycota)和壶菌门(Chytridiomycota),其中子囊菌门、接合菌门和担子菌门真菌相对丰度之和占比在90%以上。植烟褐土添加生物炭3年后显著改变了真菌群落结构组成,生物炭显著提高了土壤子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)真菌的相对丰度,显著降低了接合菌门真菌(Zygomycota)的相对丰度。此外,生物炭显著增加了曲霉属(Aspergillus)、锥盖伞属(Conocybe)和链格孢属(Alternaria)真菌的相对丰度,降低了赤霉菌(Gibberella)和放射毛霉(Actinomucor)的相对丰度。皮尔逊相关分析结果表明,真菌优势属相对丰度与土壤理化指标之间有较强的相关性。进一步分析环境因子和真菌群落结构关系发现,土壤DOC、pH和含水率对土壤真菌群落结构的影响最大。5生物炭提高了烤烟产量水平,改善了烤后烟叶品质田间试验结果表明,适量施用生物炭可促进烤烟生长,移栽后75 d时,添加生物炭的各处理株高、茎围及最大叶面积最多分别比对照高6.48%、4.00%和23.54%。生物炭增加了烟株干物质积累量,大田条件下常规施肥基础上条施2 t/hm~2生物炭效果最好,烟株干物质积累量比对照高16.70%。生物炭对烤烟病害有一定的防控作用,施用生物炭的处理烟草气候性斑点病和烟草黑胫病的发病率分别比对照低17.26-52.19%和9.01-50.00%。生物炭提高了烤烟产量和经济效益,条施2 t/hm~2生物炭的处理烤烟产量和经济效益分别比对照增加了7.05%和15.76%。此外,生物炭可以协调烟叶的碳氮代谢,促进了烤烟碳氮代谢的适时转化,烤后烟叶矿质养分较均衡,中性致香物质含量丰富,本研究中生物炭施用量为1-4 t/hm~2时,脚叶成熟期推迟了2-6天。生物炭用量过大会抑制移栽后早期烟草生长,降低整个生育期烟草干物质积累量,需要进一步开展生物炭不同用量在不同土壤类型中应用效果研究。
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S156;S572
【图文】：

土壤图,生物炭,改善土壤,酸性土壤

逐渐地，研究者们发现生物炭还可以改善土壤质量，作为一种新兴的土壤改良剂，生物炭有“黑色黄金”之称，近年来越来越受到科研工作者的重视，相关研究报道逐年增加（图1-1）。图1-1 生物炭相关研究的发表论文数量Fig. 1-1 Number of publications related to biochar研究表明，生物炭可以改善土壤质量，如提高酸性土壤pH，降低土壤容重提高土壤孔隙度，增加土壤碳汇提高土壤碳氮比，促进植物对营养元素的吸收（Laird et al., 2010；Kimetuet al., 2010; 陈红霞等，2011）。由于富含有机碳，生物炭施入土壤可以提高土壤的CN比，进而提高土壤对氮素及其他养分元素的吸持（Gaskin et al., 2010）。生物炭的多孔隙结构可以为土壤微生物栖息提供良好的环境，同时其对水肥的固持能够影响土壤微生物的生长、发育

生物炭,定植,土壤微生物

14构能成为微生物躲避天敌的适宜栖息地（图1-2）（Lehmann et al., 2011）。3）生物炭还可以改善土壤理化特性，如增加pH、透气性、水容量和阳离子交换量，这些因子的改变可能间接影响了微生物群落结构特征（Chintala et al., 2014）。4）不同的生物炭可能诱导产生不同的微生物定植群体，高温裂解的生物炭芳香类碳含量较多，而低温裂解的生物炭脂肪族碳含量较多，加上高温裂解炭本身的结构也不同于低温条件下制备的生物炭。因此，高温炭可能利于更多种类的微生物定植，而低温炭可能更有利于提高土壤微生物丰度和活性（戴中民，2016）。5) 生物炭本身的结构和表面官能团等特性可产生多种生态位，这有利于微生物多样性的提高（Hanzel et al., 2013）。a 真菌菌丝体 b 细菌孢子图 1-2 土壤微生物定植在生物炭上（Lehmann et al., 2011）Fig. 1-2 Visual observation of spatial association and colonization of biochar by microorganisms5.4 生物炭对作物生产的影响大量研究表明，生物炭可以改善土壤肥力进而提高作物产量，这种促进作用在水稻、玉米、小麦、大豆等多种作物生产中得到证实（Jeffery et al., 2011）。生物炭对作物产量的影响与土壤肥力基础及肥料运筹有关。研究发现在低磷土壤中添加生物炭可以提高旱稻产量

序列,可变区,保守区,基因

图 1-3 16S rRNA 基因可变区和保守区（刘驰等，2015）Fig. 1-3 Conserved and variable regions of the 16S rRNA gene近年来，基于高通量测序的分子生物学研究方法在研究土壤微生物多样性及群落结构方面有着巨大优势，通过直接提取土壤总DNA，测定微生物ITS或16S特定区域的序列（图1-3），有较为理想的测序深度，能够获得土壤微生物90%以上的信息，极大地增加了分析的准确度

【参考文献】