氮肥及生物炭对土壤微生物活性和氨氧化影响的研究

发布时间：2020-11-05 13:53

　　 我国自20世纪80年代以来,持续大量氮肥的施用在换来高产的同时,也带来严重的环境负效应。近年来,生物炭作为一种功能材料在农业生产中得到了逐步应用,它能有效改善土壤微生物的生存环境。土壤微生物是农田生态系统的重要组成之一,土壤微生物活性和酶活性是表征土壤状况的重要指标,氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)是氮循环中硝化作用的重要执行者。因此,本研究以土壤微生物为中心,结合长期氮肥定位试验和室内培养实验,采用物理化学和生物的方法,基于微量热和实时荧光定量PCR技术,系统地对华北平原地区小麦玉米轮作体系下土壤微生物活性和酶活性的变化规律进行了研究,以及氮肥对它们的影响进行深入探讨,并且选取微生物活性和酶活性较高时期的土壤对AOB和AOA功能基因amoA拷贝数进行了定量分析,然后进一步了解生物炭的施用对两种类型(酸性和碱性土壤)土壤微生物的影响,以及比较生物炭和氮肥处理和仅施氮处理的施用效果,为农业土壤的可持续发展提高理论参考。主要研究结果如下：(1)不同施氮量对土壤微生物活性和酶活性有显著影响,且不同生育期的土壤微生物活性和酶活性也存在差异,不施氮处理和高氮处理的土壤微生物活性均低于其它施氮处理。适量氮肥施入(小麦土壤≤250 kg hm-2,玉米土壤≤210 kg hm-2)有利于土壤微生物活性的提高,超过该范围后土壤微生物活性受到抑制。(2)土壤酶活性在作物生育旺盛期达最高值,不同施氮量对土壤酶活性的影响因酶类型的不同而存在差异。小麦季施氮250 kg hm-2土壤酶指数较高,玉米季施氮210 kg hm-2土壤酶指数较高。(3)进一步相关功能基因及多样性指数的研究显示无论是小麦土壤还是玉米土壤,其AOB功能基因amoA拷贝数和硝化势均随施氮量的增加而增加,而AOA功能基因amoA拷贝数随施氮量的增加而降低,AOA与AOB的比值均大于1,表明该地区AOB和AOA在氨氧化过程中占据重要位置,但前者的贡献较大。(4)生物炭的室内培养实验表明生物炭在一定程度上减弱了过量施氮的影响,对土壤微生物起到了一定的促进作用。综上所述,土壤微生物与不同施氮量间的关系在反映土壤环境变化方面发挥着重要作用,生物炭的施入有利于减少过量氮肥造成的土壤pH值、土壤微生物活性、土壤酶活性和氨氧化微生物下降的问题。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：S154.3
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
缩写和符号清单
1 引言
2 文献综述
    2.1 农田土壤中氮肥的施用现状及带来的环境影响
        2.1.1 国内外氮肥施用现状
        2.1.2 农业生产中氮肥利用率现状
        2.1.3 氮在农业生态系统中的作用
        2.1.4 农业生产中氮肥所产生的环境负效应
    2.2 土壤微生物
        2.2.1 土壤微生物活性
        2.2.2 土壤微生物活性的研究方法
    2.3 土壤酶活性
        2.3.1 土壤酶的来源和种类
        2.3.2 土壤酶活性在农田生态系统中的作用
        2.3.3 土壤酶活性的影响因素
    2.4 土壤中与氮相关的微生物
        2.4.1 氨氧化微生物
        2.4.2 反硝化微生物
    2.5 土壤施加生物炭的效果研究
        2.5.1 减少温室气体的排放
        2.5.2 降低硝态氮淋溶及氮素淋失
        2.5.3 提高农作物产量、生长及品质
        2.5.4 对土壤微生物的影响
    2.6 分子生物学方法
        2.6.1. 末端限制片段长度多态性分析
        2.6.2 变性梯度凝胶电泳
        2.6.3 实时荧光定量PCR技术
3 研究思路与内容
    3.1 研究思路
    3.2 研究内容
        3.2.1 施氮量对土壤微生物活性的影响
        3.2.2 施氮量对土壤酶活性的研究
        3.2.3 施氮量对土壤AOB和AOA功能基因amoA的影响
        3.2.4 生物炭对土壤微生物的影响及施用效果研究
4 氮肥对土壤微生物活性的影响
    4.1 材料与方法
        4.1.1 研究区域概况
        4.1.2 试验设计及土壤样品采集
    4.2 结果与分析
        4.2.1 施氮量对小麦土壤微生物活性的影响
        4.2.2 施氮量与微量热参数间的关系
        4.2.3 施氮量对玉米土壤微生物活性的影响
        4.2.4 施氮量和微量热参数间的关系
    4.3 讨论
    4.4 本章小结
5 氮肥对土壤酶活性的影响
    5.1 材料与方法
        5.1.1 研究区域概况
        5.1.2 试验设计及土壤样品采集
        5.1.3 土壤酶活性的测定
        5.1.4 土壤酶指数
        5.1.5 数据分析
    5.2 结果与分析
        5.2.1 施氮量对土壤脲酶活性的影响
        5.2.2 施氮量对土壤过氧化氢酶活性的影响
        5.2.3 施氮量对土壤FDA水解酶活性的影响
        5.2.4 土壤酶指数
        5.2.5 土壤酶活性和微生物生长速率常数间的相关性分析
    5.3 讨论
    5.4 本章小结
6 氮肥对土壤氨氧化细菌和氨氧化古菌的影响
    6.1 材料与方法
        6.1.1 土壤样品
        6.1.2 AOB和AOA功能基因amoA的定量PCR分析
        6.1.3 土壤硝化势的测定
        6.1.4 多样性
        6.1.5 数据分析
    6.2 结果与分析
        6.2.1 施氮量对土壤pH和含水量的影响
        6.2.2 施氮量对土壤有机碳、铵态氮和硝态氮含量的影响
        6.2.3 土壤AOB和AOA功能基因amoA定量分析
        6.2.4 AOB和AOA多样性分析
        6.2.5 施氮量对土壤硝化势的影响
        6.2.6 相关性分析
    6.3 讨论
    6.4 本章小结
7 氮肥和生物炭对土壤微生物的影响
    7.1 材料与方法
        7.1.1 实验土壤
        7.1.2 实验材料
        7.1.3 室内培养实验设计
        7.1.4 分析指标的测定
    7.2 结果与分析
        7.2.1 生物炭对土壤pH值的影响
        7.2.2 生物炭对土壤微生物活性的影响
        7.2.3 生物炭对土壤酶活性的影响
        7.2.4 生物炭对氨氧化微生物的影响
        7.2.5 施用生物炭后的效果分析
    7.3 讨论
    7.4 本章小结
8 结论
    8.1 主要研究结论
    8.2 创新点
参考文献
作者简历及在学研究成果
学位论文数据集

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 刘明;来永才;李炜;肖佳雷;毕影东;刘淼;李琬;;生物炭与氮肥施用量对大豆生长发育及产量的影响[J];大豆科学;2015年01期

2 王晓龙;徐力刚;白丽;张奇;;鄱阳湖典型湿地植物群落土壤酶活性[J];生态学杂志;2011年04期

本文编号：2871724