有氧条件下油菜秸秆生物质炭对淡灰钙土中硫形态转化及微生物群落的影响

作     者：陈艳雪 

作者单位：兰州交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵保卫

授予年度：2018年

学科分类：12[管理学] 1204[管理学-公共管理] 082803[工学-农业生物环境与能源工程] 07[理学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 120405[管理学-土地资源管理] 0713[理学-生态学] 

主      题：生物质炭 淡灰钙土 硫 微生物多样性 

摘      要：营养元素的存在形态及其转化直接影响到植物的生长和代谢,科学且有效地利用土壤中营养元素,使其转化为作物可直接利用的形态,对提高作物产量和改良农业生态环境大有裨益。硫元素是作物生长发育不可缺少的营养元素,就需要量而言仅次于氮、磷和钾。硫在土壤中含量虽较少,但却是土壤物质循环的重要组成部分,参与多种化学平衡反应。硫素在土壤中的氧化与还原作用对土壤生态环境具有重要意义。然而,由于自然淋滤作用和长期施肥不平衡现象,加之为防止大气污染的限制硫排放政策的实施,土壤缺硫问题日益严重。淡灰钙土是我国西北地区主要的土壤类型之一,土壤贫瘠,肥力水平低,孔隙率低,透水性差,营养元素淋失严重。兰州地区施肥以尿素和磷肥复合肥、碳氨肥料为主,导致土壤潜在缺硫。因此,充分利用土壤中硫素,将还原态的硫氧化成植物能直接利用的硫酸盐化合物对促进植物生长、改良土壤硫素缺失现状非常重要。生物质炭是将生物质在限氧条件下热解得到的多孔、富碳且高度芳香化的物质。其比表面积大,孔隙结构发达,在环境修复和土壤改良等领域应用价值高,已然得到学术界的广泛关注。目前,关于生物质炭对土壤中氮和磷的影响研究较多,然而,对硫的研究却极为鲜见。因此,本文选取油菜秸秆在300℃和600℃下制备生物质炭(分别标记为BS300和BS600),而后,将两种生物质炭分别以0%、1%、3%和5%的比例与淡灰钙土混合(分别记为CK、BS3001、BS3003、BS3005和CK、BS6001、BS6003、BS6005),在有氧条件下,25±1℃恒温培育12周。分析在不同生物质炭的施加量时,土壤理化性质、酶活性和各种形态硫的含量随培育时间的变化情况,研究生物质炭施加量对土壤理化性质及硫形态转化的影响。利用高通量测序技术,分析施加生物质炭后,土壤中微生物数量、丰度、群落结构及其多样性的变化情况。为生物质炭在改良土壤环境的应用提供理论参考。主要研究结果有:(1)生物质炭施入土壤中,可增大土壤pH值、电导率、有机质含量和脲酶活性,对过氧化氢酶影响较小。生物质炭对土壤理化性质的影响与培育时间有关,与生物质炭的施加量有关。土壤pH值和电导率随时间呈先增后减再增大的趋势;土壤有机质含量随时间变化先增大后减小;土壤脲酶活性随时间变化而呈先增大后减小趋势。培育12周之后,这些指标的值与其初始值相比,增减幅度不同。BS300施加量为0%、1%、3%和5%时,pH值的增幅分别为3.2%、4.7%、3.1%和0.7%;电导率的增幅分别为47.5%、18.3%、9.9%和-14.3%;施加0%、1%、3%和5%BS600后pH值与初始值相比分别减小了-3.2%、1.9%、4.9%和3.3%;电导率的增幅分别为47.5%、51.7%、25.4%和27.2%。土壤pH值、电导率、有机质含量都随生物质炭施加量的增加而显著增大,培养周期结束时测得,BS300和BS600施加量为1%、3%、5%时,土壤pH值比对照组分别增大了5.4%、7.8%、9.7%和6.3%、12.6%、18.1%;土壤电导率比对照组分别增加了23.4%、71.4%、78.9%和41.1%、90.9%、178.6%;有机质含量均为对照组的2倍以上。土壤脲酶活性随BS300施加量的增大而减小,且呈显著性差异,过氧化氢酶活性随生物质炭施加量无显著性变化。(2)土壤中各种形态硫的含量随培育时间变化而变化,其变化幅度随着生物质炭施加量不同而不同。土壤全硫、水溶态硫、吸附态硫和盐酸可溶态硫含量随培育时间的变化规律均为先减后增再减小,有机硫含量呈先增后减趋势。培育12周之后,各形态硫的含量与其初始值相比,增减幅度不同。BS300施加量为0%、1%、3%和5%时,全硫含量减小的幅度分别为25.8%、30.4%、25.4%和26.6%;水溶态硫减小幅度分别为58.9%、57.2%、30.2%和66.9%,吸附态硫减小幅度分别为54.6%、62.2%、69.2%和72.2%,盐酸可溶态硫减小幅度分别为51.3%、50.2%、50.0%和57.8%;BS600施加量为0%、1%、3%和5%时,水溶态硫减小幅度分别为58.9%、52.2%、53.7%和49.3%,吸附态硫减小幅度分别为54.6%、66.0%、64.5%和66.9%,盐酸可溶态硫增大的幅度分别为-51.3%、3.4%、14.2%和28.5%。此外,各种形态硫的含量随生物质炭施加量不同而呈显著性差异。水溶态硫和盐酸可溶态硫的含量随BS300施加量的增加而先增后减,且差异显著,随BS600施加量增加而显著增加;吸附态硫含硫随BS300施加量的变化不显著,随BS600施加量增大而增大,但无显著性差异。(3)培育12周之后,施加生物质炭的土壤与未施加生物质炭的土壤相比,微生物群落的OTU数量减少,均匀度降低,OTU丰度增加。随着生