生物炭和有机肥对松嫩平原沙化土壤的改良效应及其机制研究

发布时间：2020-10-22 09:43

　　 松嫩平原西部与科尔沁沙地东段的交汇处,是半湿润与半干旱气候的过渡带,在自然因子和人为干扰的双重作用下,地表植被破坏、土地沙化严重,制约了土地生产力的提高,限制了社会经济与生态环境的可持续发展。本文以沙化土壤系统的改良途径和作用效果为主线,选取松嫩平原腹地吉林省西部地区作为野外大田实验区域进行随机区组实验,设置5个处理:不加改良剂,单独施加生物炭,单独施加有机肥,两种不同浓度的生物炭和有机肥联合施加。分析不同改良剂施加对松嫩平原沙化土壤物理、化学性质及土壤养分元素保持的影响,探讨改良剂对沙化土壤理化性质的改良效应及其作用机制。另设置不加改良剂、低浓度生物炭(10 t ha~(-1))+有机肥(40 t ha~(-1))及高浓度生物炭(20 t ha~(-1))+有机肥(40t ha~(-1))3个处理,选取4个作物品种设计裂区实验,采用高通量测序技术分析生物炭和有机肥联合施加对沙化土壤细菌、真菌以及丛枝菌根真菌群落多样性和组成的影响及作用机制,并结合作物对改良剂施加的响应分析改良剂的作用效果。主要结果如下:(1)生物炭和有机肥可改善土壤理化性质。改良剂的施加增加了土壤的田间持水量、团聚体稳定性、电导率、总有机碳、总氮、速效氮、速效磷和速效钾的含量,提高了土壤碳氮比,降低了土壤容重,特别是生物炭和有机肥联合施加的改良效果显著。单施生物炭及其与有机肥联合施加的处理土壤总有机碳含量、碳氮比和阳离子交换量有显著增加,生物炭与有机肥联合施加对土壤容重、田间持水量、团聚体稳定性、电导率、阳离子交换量、总有机碳、总氮和速效氮含量等体现出联合效应。(2)生物炭和有机肥的施加显著增加了土壤细菌群落多样性,改善了土壤细菌群落的结构组成。二者联合施加后土壤细菌群落的Chao1指数,Shannon指数,Richness指数显著高于对照,而且群落多样性指数与土壤理化指标显著相关,表明改良剂的施加通过改善土壤理化性质而增加了土壤细菌群落的多样性,不同受试作物对土壤细菌群落多样性的影响不显著。生物炭和有机肥联合施加使土壤变形菌门的柠檬酸杆菌属、不动杆菌属、假单胞菌属和马赛菌属细菌相对丰度显著降低,这些菌群多为致病菌,可见改良剂施加后可以一定程度上抑制致病菌菌群的增加,降低了病害的潜在发生率。二者的联合施加使变形菌门下的鞘氨醇单孢菌属、硝化菌属和根瘤菌属,酸杆菌门下的旱杆菌属、芽单胞菌门下的芽单胞菌属细菌相对丰度显著增加,这些菌属具有固氮或提高植物抗逆性的作用。物种丰富度聚类和主成分分析表明生物炭和有机肥的施加对土壤微生物类群产生的影响强于受试作物类型和生物炭施加量的影响。(3)生物炭和有机肥联合施加影响土壤真菌群落组成及丛枝菌根真菌群落结构。生物炭和有机肥联合施加土壤中真菌群落多样性未发生显著变化,而土壤中一些能引起作物土传病害的真菌相对丰度降低,同时改良剂对具有生防作用的一些真菌也产生抑制作用。改良剂施加后根际土壤中柄孢壳菌属真菌极显著增加,可提高对土传病害的抑制作用。偏小二乘辨别分析表明改良剂的施加与否及受试作物类型均对土壤真菌群落产生影响,其中以改良剂的影响作用更显著。生物炭和有机肥联合施加作物根系丛枝菌根真菌侵染率有所降低,但其群落多样性水平与对照土壤差异不显著。LEfSe判别分析表明,生物炭和有机肥联合施加使原囊霉属、地管囊霉属、双型囊霉属真菌相对丰度显著增加,两种绿豆根围土壤球囊霉属真菌的相对丰度显著高于两种红豆。偏小二乘辨别分析表明受试作物类型对土壤丛枝菌根真菌的影响作用显著。(4)生物炭和有机肥联合施加对受试作物生物量积累和产量指标的增效显著,即使少量生物炭和有机肥联合施加其效应也较强。高浓度的生物炭和有机肥联合施加显著增加受试作物不同时期各器官的生物量及单株荚数、单株产量、公顷产量和百粒重,低浓度生物炭与有机肥联合施加也可以显著增加作物的产量和生殖分配。相关分析表明,作物产量指标与土壤理化性质有显著相关关系。4种受试作物的产量与土壤总有机碳、总氮和总磷含量均相关显著,呈现幂函数或线性相关关系。两种绿豆的产量与土壤pH呈显著的线性负相关关系,与土壤电导率呈显著的线性正相关关系。表明一定比例的生物炭与有机肥联合施加通过改善土壤养分含量及土壤结构,调节pH和盐基离子含量,促进作物增产。本研究有助于生物炭和有机肥对沙化土壤理化性质改良及土壤微生物群落建成作用及机制的理解,丰富了恢复生态学的研究内容,可为土壤细菌及真菌群落组成研究、沙化土壤的生态恢复及其农业可持续利用提供理论依据和实践经验。
【学位单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S156
【部分图文】：

第 2 章 材料与方法1 研究区概况1.1 地理概况究区选取松嫩平原腹地的吉林省西部地区（图 2-1），此地区为生弱的半湿润向半干旱的过渡区，地理坐标为东经 121°40′-126°20′46°18′。包括白城市（洮北区）、大安市、洮南市、通榆县、镇赉长岭县、前郭县、乾安县和松原市（宁江区）10 个市县。地处中温为 5.1℃），年降水量在 370-470 mm 之间，四季分明。据全省第资料，该地区土壤共含 8 个土类，15 个亚类，20 个土属，59 个土钙土、淡黑钙土、草甸土、风沙土和碱土为主要土类。风沙土和沙分布于大安市南部和中部的沙岗地和二级阶地上，是沙化土地形成

图 2-2 大安地区土地沙化敏感性分析图Figure 2-2 Sensitivity analysis map in arid area of Da'an re土地沙化敏感性分析看（图 2-2），该地区沙化土地集中连片分布，主要集中于西部的舍力镇、烧锅镇镇、联合乡、四棵树乡、太山镇、红岗子乡、龙沼块状零星分布。中度沙化土地相对集中于两个区域镇；二是集中分布于南部的龙沼乡，其它乡镇（大岗广镇）呈片状或斑点状分布。重度度沙化土地面积的安广镇。根据本区域沙化土壤的分布情况以及沙土地面积仅占沙化土地面积的 1.40%，中、重度沙3，因此考虑到项目技术手段后续的应用范围以及省西部大安地区舍力镇（中轻度沙化土壤）作为本

图 2-3 大田实验小区设置图Figure 2-3 The setup of field experimental plots2.3.2 生物炭和有机肥联合施加对沙化土壤微生物群落的影响实验选取生物炭和有机肥联合施加的小区进行裂区实验，共设 3 个处理：CK（对照，不施加任何改良剂）、FA（10 t ha-1生物炭+40 t ha-1有机肥）和 FB（20 t ha-1生物炭+40 t ha-1有机肥），每个处理重复 3 次，共 9 个 8m×8m 的小区，采取完全随机区组分布，小区之间设置 1 m 的隔离带降低边缘效应（图 2-4）。小区内分成 4 个裂区，分别播种 2 个红小豆品种：珍珠红（HD1）和大红袍（HD2），2个绿豆品种：小绿王（LD1）和绿丰 1 号（LD2），共 36 个裂区，12 个处理。分别设为：CKH1、FAH1、FBH1（HD1）；CKH2、FAH2、FBH2（HD2）；CKL1、FAL1、FBL1（LD1）；CKL2、FAL2、FBL2（LD2）。2017 年 5 月 1 日分别称取相应的改良剂施入各小区，旋耕机旋耕三次，使改良剂与土壤充分混合。2017年 5 月 20 日再次翻耕打垄后进行播种，行距 60 cm，株距 16 cm，每个作物品种播种 3 垄/小区，每小区计 12 垄。按照常规农作方式进行管理，中间不补施任何肥料。
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本文编号：2851430