玉米秸秆生物炭的施用对农田土壤蚯蚓种群的生态效应

作     者：张方娟 

作者单位：沈阳大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋雪英

授予年度：2021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] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 120405[管理学-土地资源管理] 

主      题：玉米秸秆生物炭 蚯蚓 生态效应 繁殖实验 抗氧化酶活性 

摘      要：本文以赤子爱胜蚯蚓（Eisenia fetida）为供试生物,以350～500℃热裂解制备的玉米秸秆生物炭为供试生物炭材料,研究农田土壤生物炭施用早期与施用7年后,不同的施用量的生物炭对蚯蚓种群的生态效应。论文采用超声提取-硅胶柱净化-高效液相色谱检测分析方法,对玉米秸秆生物炭以及不同生物炭施用量的农田土壤中USEPA优控16种多环芳烃（PAHs）的含量与成分谱进行分析,并采用实验室蚯蚓繁殖试验探讨了生物炭施用早期与施用7年后不同生物炭施用量农田土壤对蚯蚓的生长、繁殖和分子生态毒性影响。研究结果表明,玉米秸秆生物炭中检测到的USEPA优控PAHs的总浓度为3611.2 μg/kg,满足欧洲生物炭基金规定的优级生物炭标准（≤4000 μg/kg）。玉米秸秆生物炭施用7年后,不同施用量（1%、3%和5%）处理中土壤PAHs的含量均显著高于未添加生物炭的对照处理（P0.05）,5%生物炭施用量处理中土壤PAHs总浓度最高,达到1032.9 μg/kg。蚯蚓繁殖实验结果表明,蚯蚓的体重增长率、死亡率和幼蚓数量受到生物炭施用量和施用时间的影响。在生物炭施用早期,随着施用量的增加,蚯蚓的体重增长率呈下降趋势,5%、7%和1 0%的生物炭处理组中蚯蚓的体重增长率分别比对照组减少了 16.5%、21.7%和28.7%;随着施用量的增加,蚯蚓死亡率有所上升,最终在1 0%的生物炭处理组中,死亡率达到最大值30.3%;幼蚓数量随生物炭施用量增加则呈现出先增加后降低的趋势,低施用量（1%和3%）的生物炭可以促进蚯蚓的繁殖,而较高施用量（5%、7%和10%）的土壤抑制蚯蚓生长和繁殖,甚至导致了蚯蚓的死亡;蚓茧数在不同浓度的处理组之间均无显著差异（p0.05）。生物炭施用7年后,随施用量的增加（1%～5%）,蚯蚓的体重增长率先增加后降低,3%施用量处理中蚯蚓体重增长率最高,5%施用量处理中蚯蚓体重增长率与对照处理间无明显差异;在生物炭施用量相同条件下,蚯蚓母体死亡率低于早期施用处理,5%施用量处理组中死亡率最大（为20.0%）;对幼蚓数量和蚓茧数的对比发现,在不同施用量的处理组之间无显著差异（P0.05）。说明施用7年后生物炭土壤对蚯蚓生长繁殖的毒性作用与施用早期的相比有所降低。对蚯蚓体内抗氧化酶系与丙二醛（MDA）含量等生理生化指标的分析结果表明,在生物炭施用早期,随生物炭施用量的增加和培养时间的延长,蚯蚓体内的抗氧化酶系即超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性整体上先增加后降低,均在培养至21天（d）时酶活性最高;MDA含量则随着生物炭施用量增加而增加,在10%施用量处理中MDA的含量最高。生物炭施用7年后,随着施用量的增加与培养时间的延长,蚯蚓体内的SOD、POD和CAT活性仍然具有先增加后降低的趋势,在培养至21d时达到最大值;MDA含量在1%和3%生物炭施用量处理组中无显著差异（P0.05）,在5%生物炭施用量处理组中,于培养的第28 d达到最大值。总体上,生物炭施用7年后,蚯蚓体内抗氧化酶系的激活程度与MDA含量均低于生物炭施用早期。生物炭施用7年后农田土壤的野外监测结果表明,1%和3%处理组中蚯蚓的体重增长高于对照处理,3%生物炭施用量对蚯蚓体重增长的促进作用最大,蚯蚓体重增长率在不同生物炭施用量处理组之间无显著性差异（P0.05）,野外实验与室内实验的研究结果相一致。