發(fā)布時(shí)間：2017-12-09 11:38

  本文關(guān)鍵詞：生物炭對(duì)土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)的影響

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【摘要】：微生物是土壤生物化學(xué)過程的重要參與者,對(duì)土壤肥力的形成具有重要作用。大量研究表明生物質(zhì)在熱裂解過程中其碳骨架結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,孔隙結(jié)構(gòu)愈加發(fā)達(dá)且吸附性能會(huì)顯著提升,將其用于土壤改良,在調(diào)理土壤理化性質(zhì)的同時(shí)可為微生物提供寄居場(chǎng)所,有利于微生物繁殖,提升土壤微生物活力、豐度、群落結(jié)構(gòu)多樣性和功能多樣性。為明確在不同土壤類型、不同生物炭用量、不同肥料配置條件下生物炭對(duì)土壤微生物種群多樣性、結(jié)構(gòu)特征和碳源利用能力的影響,本研究選取不同酸堿性土壤開展了生物炭梯度模擬土培實(shí)驗(yàn)、盆栽實(shí)驗(yàn)以及玉米大田試驗(yàn),采用變性梯度凝膠電泳(DGGE)、Biolog和Miseq高通量測(cè)序等技術(shù)開展研究。模擬培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)選用的生物炭為稻殼炭,供試土壤分別為紅壤(廣東惠州)、棕壤(遼寧沈陽(yáng))、鹽堿土(遼寧營(yíng)口),施炭梯度分別為Otha-1、10tha-1、20tha-1和40t ha-1。結(jié)果表明：添加生物炭能提高三種土壤微生物量碳含量,鹽堿土微生物量氮含量表現(xiàn)為增高趨勢(shì),而紅壤和棕壤表現(xiàn)為降低趨勢(shì)。紅壤pH的影響隨著施炭量的增加而增加,而鹽堿土和棕壤則隨著施炭量的增加而降低,由此推斷生物炭和土壤之間的酸堿性差異決定了改良效果,進(jìn)而影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。Alpha多樣性分析顯示生物炭能影響土壤的群落豐富度和多樣性。主成分分析結(jié)果顯示,生物炭對(duì)紅壤土微生物群落結(jié)構(gòu)的影響最為顯著,其次為鹽堿土和棕壤。RDA用于分析環(huán)境因子(pH、土壤含水量和微生物量氮)、優(yōu)勢(shì)菌群和不同處理間的關(guān)系。pH對(duì)菌群的影響能力高于微生物量氮和土壤含水量。土壤含水量和微生物量氮成正相關(guān),微生物量氮和pH成負(fù)相關(guān),含水量和pH間相關(guān)性不顯著。添加生物炭提高了紅壤、鹽堿土和棕壤整體細(xì)菌群系的膜轉(zhuǎn)運(yùn)和氨基酸代謝功能,但同時(shí)降低了基因的復(fù)制和修復(fù)功能。土壤細(xì)菌群系結(jié)構(gòu)和豐度的變化可能引發(fā)土壤系統(tǒng)功能的改變,添加生物炭可提高硝化螺旋菌門(Nitrospira)的豐度,其主要參與亞硝酸鹽的氧化和N循環(huán)細(xì)菌的活動(dòng)。厚壁菌門的一些芽孢桿菌(Bacilli)能利用各種碳源,促進(jìn)植物生長(zhǎng)的根際微生物,預(yù)防植物疾病。大田試驗(yàn)供試土壤為棕壤,供試作物為玉米,試驗(yàn)設(shè)8個(gè)處理,分別為：(1)CK1-CK2:不炭化還田+不施化肥；(2)BC-CK2:秸稈炭化還田+不施化肥：(3)CK1-N：?jiǎn)问┑�肥�?4)BC-N:秸稈炭化還田+單施氮肥；(5)CK1-PK:施磷鉀肥；(6) BC-PK:秸稈炭化還田+施磷鉀肥；(7)CK1-NPK:施氮磷鉀肥；(8)BC-NPK:秸稈炭化還田+施氮磷鉀肥。種植制度為玉米連作,生物炭逐年還田,還田量2.55 t ha-1。試驗(yàn)分別于2014年和2015年9月進(jìn)行田間采樣。試驗(yàn)結(jié)果表明,添加生物炭能改善土壤理化性質(zhì),可顯著提高土壤微生物量碳含量。與碳元素不同,生物炭可提供的氮素養(yǎng)分極其有限,因此生物炭還田對(duì)土壤微生物量氮的影響更大比例是來(lái)自生物炭對(duì)土壤氮素的調(diào)控,尤其是高量施用水平下(20t ha-1和40tha-1), C/N提升幅度更大。生物炭調(diào)節(jié)土壤氮素循環(huán)主要通過改變氮素的持留和轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn),進(jìn)而直接或間接影響土壤微生物活性、豐度以及多樣性。Alpha多樣性分析結(jié)果顯示,BC-N處理的微生物豐富度最高,而不添加肥料和生物炭的處理CK1-CK2微生物多樣性最低。添加生物炭增加了一些功能性菌屬的豐度,如慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobium),具有固氮作用。厭氧粘細(xì)菌(Anaeromyxobacter)對(duì)環(huán)境中的重金屬等污染物具有生物修復(fù)功能。伯克氏菌(Burkholderia)在農(nóng)業(yè)上作為生物降解、控制及促進(jìn)植物生長(zhǎng)的根際微生物。盆栽試驗(yàn)設(shè)定三個(gè)施炭量處理,分別為Control (0tha-1)、BC1 (20t ha-1)和BC2(40t ha-1)。結(jié)果表明,添加生物炭刺激細(xì)菌和放線菌的生長(zhǎng),對(duì)氨化細(xì)菌和固氮菌的生長(zhǎng)影響尤為顯著,但對(duì)真菌的繁殖影響不顯著。優(yōu)勢(shì)菌群OTU單元系統(tǒng)分類為：厚壁菌門(Firmicutes),酸桿菌門(Acidobacteria),芽單胞菌門(Gemmatimonadetes),放線菌門(Actinobacteria),藍(lán)藻細(xì)菌(Cyanobacteria)和α-,β-, γ-a, δ-變形菌門(a-,β-,r-and δ-proteobacteria),平均相似度大于95%。藍(lán)藻細(xì)菌和α-變形菌門的一些種屬能通過與植物共生關(guān)系的形式固定大氣中的氮。添加生物炭后,土壤微生物的碳源利用能力有部分提升,包括L-天門冬酰胺、吐溫80、D-甘露醇、L-絲氨酸、γ-羥丁酸、N-乙酰-D-葡萄糖胺、糖原、衣康酸、甘氨�；�-L-左旋谷氨酸、α-丁酮酸、腐胺,其他的20種碳源在Biolog生態(tài)板中表現(xiàn)出碳源利用能力下降的現(xiàn)象。冗余分析(RDA)顯示,在BC2處理中,土壤理化性質(zhì)、細(xì)菌多樣性指數(shù)、碳代謝特征與添加生物炭產(chǎn)生的新菌種成正相關(guān)。這說(shuō)明添加生物炭在環(huán)境因子和微生物群落之間起到了積極的作用。總之,添加生物炭通過改變土壤理化性質(zhì)(土壤含水量、pH、土壤微生物量碳、氮,速效氮、磷、鉀、總有機(jī)碳、全氮、C/N等)從而間接影響土壤微生物細(xì)菌群落。在不同施炭量梯度水平對(duì)微生物群落有顯著影響,而短期內(nèi)不同取樣時(shí)間對(duì)土壤微生物群系的影響差異表現(xiàn)不一致。試驗(yàn)結(jié)果表明生物炭能提高土壤微生物豐度和多樣性,改變土壤細(xì)菌種群分布,提高土壤微生物碳源的代謝特征,從而可能引發(fā)土壤系統(tǒng)功能的改變。
【學(xué)位授予單位】：沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S154.3

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