發(fā)布時(shí)間：2020-05-31 02:48

【摘要】：生物炭是農(nóng)作物秸稈、動(dòng)物糞便以及其他生物質(zhì)在完全或部分缺氧條件下進(jìn)行高溫?zé)峤馓炕傻囊环N含碳量豐富、性質(zhì)穩(wěn)定的固態(tài)物質(zhì)。其發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu),豐富的表面官能團(tuán)以及較大的比表面積等特性,使其在土壤改良,緩解溫室效應(yīng),促進(jìn)作物生長以及治理土壤污染等方面都有著巨大的潛力。生物炭被國內(nèi)外學(xué)者視為有效的土壤改良劑。硫是作物生長發(fā)育不可缺少的營養(yǎng)元素之一,直接參與生物體內(nèi)的許多重要的生化反應(yīng),調(diào)節(jié)植物的新陳代謝,并提高作物的品質(zhì),在缺硫條件下植物的生長會(huì)受到嚴(yán)重的阻礙,甚至枯萎、死亡。因此,硫是作為繼氮、磷、鉀之后第四位重要的營養(yǎng)元素。淡灰鈣土作為我國西北地區(qū)的土壤主要類型之一,其養(yǎng)分貧瘠,結(jié)構(gòu)疏松,孔隙度大,團(tuán)聚能力差,有機(jī)質(zhì)含量較低。因此,向淡灰鈣土中添加生物炭有望改善土壤的結(jié)構(gòu)與性質(zhì),提高農(nóng)作物產(chǎn)量。同時(shí),生物炭添加到土壤后,因其特殊的物理化學(xué)性質(zhì),勢必會(huì)影響營養(yǎng)元素的遷移轉(zhuǎn)化和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。然而,目前關(guān)于生物炭對(duì)土壤營養(yǎng)元素的影響研究大多集中于氮、磷、鉀等,而對(duì)于硫素的轉(zhuǎn)化鮮有報(bào)道,尤其是硫轉(zhuǎn)化中的硫還原反應(yīng)的研究幾乎為空白。因此,本文選取油菜秸稈作為生物質(zhì),在300℃和600℃兩種熱解溫度下制備生物炭(分別標(biāo)記為BS300和BS600)。通過掃描電鏡、元素分析、紅外等方法對(duì)BS300和BS600進(jìn)行表征,分析其結(jié)構(gòu)組成。采用淹水實(shí)驗(yàn),向淡灰鈣土中分別添加0、1%、3%和5%的BS300和BS600,研究兩種生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)、硫轉(zhuǎn)化以及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。旨在揭示厭氧狀態(tài)下生物炭對(duì)淡灰鈣土中硫素的遷移轉(zhuǎn)化和微生物群落結(jié)構(gòu)變化的影響及規(guī)律。主要結(jié)論如下:(1)生物炭的產(chǎn)率和灰分含量與熱解溫度緊密相關(guān),隨熱解溫度升高,油菜秸稈生物炭產(chǎn)率下降,灰分含量增大。BS600的芳香化程度更高,而BS300的極性和親水性更強(qiáng)。通過掃描電鏡可以看出,適當(dāng)?shù)奶岣邿峤鉁囟扔欣谏锾靠紫督Y(jié)構(gòu)的發(fā)育。FTIR測試表明,BS300和BS600均含有豐富的表面官能團(tuán)。(2)淹水狀態(tài)下,將BS300添加到淡灰鈣土中,發(fā)現(xiàn)隨著BS300添加量的增加,土壤p H值、有機(jī)質(zhì)含量和脲酶活性顯著性提高,而土壤過氧化氫酶活性在BS300添加量增加時(shí)略有增大,但其變化沒有達(dá)到顯著性水平。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長,對(duì)照組以及添加生物炭的土壤中全硫含量都呈降低趨勢,且其下降幅度隨著添加量的增加而增大。土壤全硫和無機(jī)硫含量均隨BS300的添加量增加而上升,而且全硫含量相對(duì)于對(duì)照組達(dá)到顯著性差異水平,其增加幅度分別為0.4%、8.8%和21.2%。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),土壤全硫含量與p H值和有機(jī)質(zhì)含量均呈顯著正相關(guān),而與脲酶活性和過氧化氫酶活性呈正相關(guān),并無顯著性。通過高通量測序可知,BS300添加量為0、1%、3%和5%的土樣(分別標(biāo)記為BS300a、BS300b、BS300c和BS300d)均在97%的序列相似性水平進(jìn)行非重復(fù)序列的OTU聚類,共產(chǎn)生5780個(gè)OTU。多樣性分析結(jié)果顯示4個(gè)樣品的多樣性大小為BS300bBS300cBS300aBS300d。在門、綱、屬三個(gè)水平下發(fā)現(xiàn),4個(gè)樣品共同擁有的優(yōu)勢菌群有10個(gè)門、14個(gè)綱、10個(gè)屬。另外,在屬水平下4個(gè)樣品中發(fā)現(xiàn)了脫硫孢菌屬(Desulfurispora)優(yōu)勢菌屬,其含量隨BS300添加量增加而增大,分別提高0.1%、0.3%、1.4%和1.7%。(3)淹水狀態(tài)下,將BS600添加到淡灰鈣土中,發(fā)現(xiàn)隨著BS600添加量的增加,土壤p H值、有機(jī)質(zhì)含量顯著性提高。土壤脲酶活性在添加量為1%時(shí)相對(duì)于對(duì)照組增加了21.6%,且差異顯著。但在添加量為3%、5%時(shí),脲酶活性分別降低了0.7%和9.3%并且達(dá)到顯著性差異水平。土壤過氧化氫酶活性在BS600添加量增加時(shí)略有增大,但其變化沒有達(dá)到顯著性水平。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長,對(duì)照組以及添加生物炭的土壤中全硫含量都呈降低趨勢,且其下降幅度隨著添加量的增加而增大。土壤全硫和無機(jī)硫含量均隨BS600的添加量增加而上升,且其含量相對(duì)于對(duì)照組達(dá)到顯著性差異水平。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),土壤全硫含量與p H值和有機(jī)質(zhì)含量均呈極顯著正相關(guān)性;脲酶活性和過氧化氫酶活性與土壤全硫含量并無顯著性。通過高通量測序可知,BS600添加量為0、1%、3%和5%的土樣(分別標(biāo)記為BS600a、BS600b、BS600c和BS600d)均在97%的序列相似性水平進(jìn)行非重復(fù)序列的OTU聚類,共產(chǎn)生4799個(gè)OTU。多樣性分析結(jié)果顯示4個(gè)樣品的多樣性大小為BS600aBS600bBS600cBS600d,表明添加BS600不宜于增加淹水條件下土壤微生物多樣性。在門、綱、屬三個(gè)水平下發(fā)現(xiàn),4個(gè)樣品共同擁有的優(yōu)勢菌群有11個(gè)門、13個(gè)綱、10個(gè)屬。另外,在屬水平下4個(gè)樣品中發(fā)現(xiàn)了脫硫孢菌屬(Desulfurispora)優(yōu)勢菌屬,其含量隨BS600添加量增加而增大,分別提高0.2%、0.6%、1.7%和2.2%。(4)對(duì)比BS300和BS600添加到土壤中對(duì)硫素及微生物的影響發(fā)現(xiàn),在同一添加量下,BS600對(duì)土壤p H值、全硫含量、脫硫孢菌屬含量的提升更大,而BS300的土壤微生物群落豐富度以及多樣性更高。
【圖文】：

和脂類合成等生理生化過程中起著重要的作用，調(diào)節(jié)植物的新陳代謝，并提高量[1, 2]。硫是蛋白質(zhì)和氨基酸的主要組成成分，是酶化反應(yīng)活性中心的必需元素素、谷胱甘肽、緇醇和輔酶 A 等細(xì)胞內(nèi)化合物合成的重要介質(zhì)，植物細(xì)胞質(zhì)膜功能的表達(dá)它也參與在其中，并且還是鐵氧化還原蛋白的重要組分[3]。硫?qū)φ{(diào)生長、解毒、防衛(wèi)以及抗逆等過程也起到不可忽視的作用。在缺硫條件下，植會(huì)受到重大的阻礙，代謝紊亂，甚至枯萎、死亡，從而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的破壞[土壤中的硫一般分為無機(jī)硫和有機(jī)硫兩大類。根據(jù)土壤類型、排水情況、礦物組質(zhì)含量和剖面深度的不同，無機(jī)硫和有機(jī)硫之間的比例有很大區(qū)別[6]。表層土壤大多數(shù)以有機(jī)硫狀態(tài)存在，無機(jī)硫只占很少一部分，而有機(jī)硫要經(jīng)過硫類微生礦化為硫酸鹽形態(tài)才能被植物吸收使用[7]。土壤無機(jī)硫主要包括水溶性硫、吸土壤粘粒礦物、鐵鋁氧化物和有機(jī)質(zhì)吸附硫）和鹽酸可溶性硫（CaSO4、FeS），其分布的情況與土壤 pH 值相關(guān)性很大。有機(jī)硫在土壤中以碳鍵硫（C-S）（C-O-S）和未知態(tài)硫（UO-S）三種形態(tài)存在，，并且主要存在于動(dòng)植物殘?bào)w和[8]。消化 降解

BS300 8.83 / 59.41 3.25 35.38 0.88 1.08 0.60 0.05 0.61BS600 10.8 179.4 71.47 1.40 24.65 0.34 2.14 0.34 0.02 0.35從表 2.3 可以看出，兩種油菜秸稈生物炭的元素含量由高到低均為 C > O > H > N，隨著熱解溫度的升高，油菜秸稈生物炭的碳含量也隨之升高，而氫、氧、氮含量下降。隨著溫度的升高，生物炭碳鏈上的 H、O 和 N 裂解形成 CO2、H2O 等其他物質(zhì)脫離出生物炭[83]，從而導(dǎo)致生物炭中的碳含量逐漸上升，而氮、氫、氧含量降低。H/C 比代表生物炭的芳香化程度，比值越小，表示其芳香度越強(qiáng)，生物炭的穩(wěn)定性越強(qiáng)；O/C 和（O+N）/C 分別代表著親水性和極性，比值越小，親水性和極性就越弱。油菜秸稈生物炭隨著熱解溫度的升高，其 H/C、O/C 和（O+N）/C 三個(gè)原子比都顯著降低，說明油菜秸稈生物炭的升溫裂解是一個(gè)芳香性增強(qiáng)，極性和親水性降低的過程，這一研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致[84]。2.3.2 掃描電鏡圖 2.1 和圖 2.2 分別為 BS300 和 BS600 放大 2000 和 5000 倍的掃描電鏡圖。
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S141

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2689154