生物炭施用对农田土壤酶活性及微生物群落的影响
作者单位：河北农业大学
学位级别：硕士
导师姓名：王洋
授予年度：2022年
主 题：生物炭 土壤理化性质 土壤酶活性 酶动力学特征 土壤微生物
摘 要：生物炭可有效改良土壤理化性质,直接或间接对土壤酶活性、微生物群落等生物学性质产生影响。土壤酶和土壤微生物作为土壤环境敏感因子,可有效指示土壤性状,探究生物炭对土壤酶和土壤微生物性状影响,可有效明确生物炭对土壤改良效果。对生物炭施用即刻效果研究较多,生物炭施入土壤后,随时间推移,对土壤作用效果逐渐降低,后续是否存在对土壤微生物及酶活性的影响研究尚不足,本研究就生物炭一次性施入玉米-小麦农田的第3个轮作开展其对土壤酶活性和微生物群落结构的作用效果研究。通过对2019-2020年夏玉米-冬小麦成熟期农田土壤理化性质、土壤酶活性、微生物群落进行取样分析,探究2017年6月生物炭一次性施入对其产生的影响。实验设置4个处理:对照处理(T1:0t/hm2)、低量生物炭处理(T2:5 t/hm2)、中量生物炭处理(T3:10 t/hm2)、高量生物炭处理(T4:20 t/hm2)。分别在玉米、小麦成熟期取0-20cm 土壤,对土壤理化性质、土壤酶活性、土壤微生物群落多样性进行测定。揭示施加生物炭后,土壤酶动力学和土壤微生物群落结构的变化特征。并采用相关性分析和主成分分析探究影响土壤微生物群落结构的主要影响因子,为深入探究生物炭施入对土壤的影响作用提供科学依据。主要研究结果如下:1)生物炭施入土壤,玉米-小麦轮作模式下土壤理化性质呈现出不同表现趋势。表层土壤温度、含水量变化特征趋势一致,随着生物炭施入量增加,表层土壤温度、含水量越高,小麦生长季地表温度增幅比玉米生长季大;在T2处理,土壤容重、pH分别平均上升0.43%、0.89%,在T4处理,容重、pH分别平均下降3.30%、1.49%;小麦季土壤硝态氮、铵态氮、有效磷、速效钾含量比玉米季分别高68.88%、20.88%、42.13%、45.31%,且随着生物炭施入水平提高,呈现不同变化趋势;土壤铵态氮含量随着生物炭施入量增加而呈现出先上升后下降趋势,均在T2处理达到峰值,分别为3.20 mg/kg、3.56 mg/kg;玉米-小麦轮作模式下施加生物炭后,土壤有机质、可溶性碳含量分别显著升高37.42%、49.78%。2)玉米-小麦轮作模式下施加生物炭可显著提高土壤碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性,在土壤酶促反应第一阶段发挥消极作用,第二阶段发挥积极作用。施入生物炭处理碱性磷酸酶酶活性、脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶分别平均增加22.53%、9.81%、14.32%、10.80%,小麦季土壤碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性分别比玉米季高21.19%、11.54%、31.12%,玉米季过氧化氢酶活性比小麦季高30.96%。玉米-小麦轮作模式下施加生物炭可显著提高土壤碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶催化潜能;玉米-小麦轮作模式下施加生物炭可显著提高碱性磷酸酶对底物亲和力,显著降低土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶对底物亲和力;玉米-小麦轮作模式下施加生物炭可显著增土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶反应速度。3)玉米-小麦轮作模式下土壤中微生物数量与群落多样性随生物炭施用显著提高。土壤中施入生物炭后微生物量碳含量会显著提高,施入生物炭处理微生物量碳含量增涨幅度为8.35%～52.91%,土壤微生物量碳含量在玉米季比小麦季高49.21%。不同水平生物炭施入土壤可增加土壤OTUs数量,土壤细菌、真菌特有OTUs数量随生物炭施入水平的提高而增加,在玉米季比小麦季分别高42.39%、18.91%。玉米-小麦轮作模式下施加生物炭可提高土壤细菌群落丰富度和多样性,T3处理对土壤真菌群落丰富度和多样性提升效果最明显。土壤优势菌门中变形菌门、放线菌门、子囊菌门菌群相对丰度均≥10%,厚壁菌门是玉米季菌群特有优势菌门,纤维杆菌门是小麦季菌群特有优势菌门。生物炭处理玉米季酸杆菌门、绿弯菌门、宝石单胞菌门、球囊菌门、毛霉菌门、芽枝菌门群落相对丰度升高,变形菌门、放线菌门、浮霉菌门、被孢霉门、壶菌门、子囊菌门群落相对丰度下降。小麦季拟杆菌门群落相对丰度升高,放线菌门、宝石单胞菌门、浮霉菌门、芽枝菌门、壶菌门群落相对丰度下降。施加生物炭处理对土壤微生物纲水平优势菌群活性有显著影响。土壤理化性质、酶活性与土壤细菌群落优势菌门群落相对丰度显著相关,与真菌群落优势菌群相对丰度相关性不尽相同。4)土壤理化性质、酶活性与微生物多样性具有显著相关性,在农田土壤中最佳生物炭施入量为5 t/hm2。通过进行相关性分析发现,土壤养分对微生物群落多样性和丰富度具有显著相关性;土壤酶活性与具有显著相关性真菌微生物群落多样性和丰富度具有显著相关性具有显著相关性;土壤理化性质变化可使土壤酶活性发生显著变化。综上,生物炭施入可有效改良土壤性状,提高土壤肥力,增加土壤酶活性,可增加土壤微生物数量和群落多样性。结合土壤理化性质与生物学性状,在土壤中施入5 t/hm2生物炭对农田土壤综合影响最佳。
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