【摘要】：煙草作為我國主要經(jīng)濟(jì)作物之一,為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提升做出了很大貢獻(xiàn)。然而近年來,土地的不合理使用造成土壤質(zhì)量下降,有機(jī)質(zhì)含量降低,碳氮營養(yǎng)失衡,土壤生物活性降低,煙草土傳病害加重,嚴(yán)重威脅著烤煙的可持續(xù)生產(chǎn)。本文于2013-2015年在山東省沂水煙草試驗(yàn)站,以碳輸入及碳氮調(diào)節(jié)為手段,從土壤有機(jī)碳氮組分、微生物生態(tài)多樣性、煙株生長發(fā)育、烤煙產(chǎn)質(zhì)量等方面系統(tǒng)研究了生物質(zhì)炭對(duì)山東褐土煙田的改良效果及對(duì)煙葉生產(chǎn)的影響。主要研究結(jié)果如下:1生物炭促進(jìn)土壤有機(jī)碳氮固持在大田條件下分析了條施不同用量生物炭(0、1、2、4 t/hm~2)對(duì)烤煙生長不同時(shí)期土壤碳氮組分的影響。結(jié)果表明:施用生物炭可增加土壤有機(jī)碳、氮固持,減少土壤可溶性有機(jī)碳、氮淋失,有利于提高土壤肥力。其中,土壤TOC(Total Organic Carbon,總有機(jī)碳)、TN(Total Nitrogen,全氮)、MBC(Microbial Biomass Carbon,微生物生物量碳)和MBN(Microbial Biomass Nitrogen,微生物生物量氮)含量均隨著生物炭施用量的增加而提高,在生物炭施用量為4 t/hm~2時(shí)達(dá)到最大值,在烤煙旺長期(移栽后60d)分別比對(duì)照增加122.69%、22.55%、53.45%和42.93%。添加生物炭處理的土壤DOC(Dissolved Oganic Carbon,可溶性有機(jī)碳)含量在煙草發(fā)育中后期(移栽后60-90d)分別比對(duì)照低11.36-20.06%,11.45-24.91%和11.35-22.16%,不同處理土壤DON(Dissolved Oganic Nitrogen,可溶性有機(jī)氮)含量在煙草整個(gè)生育期比對(duì)照低11.03-24.85%,且DOC和DON含量隨著生物炭的施用量的增加而逐漸降低。本研究中,褐土煙田條施生物炭量為2 t/hm~2時(shí)改土效果最佳。此外,皮爾遜相關(guān)分析表明,除了土壤TN與活性碳氮相關(guān)性不大之外,其他指標(biāo)之間關(guān)系密切,并且土壤溶解性有機(jī)碳氮與其他碳氮指標(biāo)均為負(fù)相關(guān)關(guān)系。2生物炭提高了土壤碳庫管理指數(shù)土壤碳庫管理指數(shù)是監(jiān)測土壤碳庫動(dòng)態(tài)及反應(yīng)土壤碳庫質(zhì)量的有效指標(biāo)。本研究表明,生物炭施用對(duì)土壤碳庫有顯著的影響,土壤中活性有機(jī)碳含量隨著生物炭用量的增加而提高,但碳庫活度及碳庫活度指數(shù)則隨著生物炭用量的增加逐漸降低。此外,施用生物炭的處理土壤碳庫指數(shù)及碳庫管理指數(shù)顯著高于對(duì)照,大田條施生物炭用量為1、2、4 t/hm~2時(shí),土壤碳庫管理指數(shù)分別比對(duì)照提高了18%、22%和34%。對(duì)比不同高碳物料對(duì)土壤碳庫修復(fù)效果的試驗(yàn)結(jié)果表明,不同高碳物料均可提高土壤總有機(jī)碳含量及碳庫管理指數(shù),生物炭(BC)、草炭(GC)和秸稈(CS)處理土壤有機(jī)碳總量分別比對(duì)照提高了25.48%、16.99%和9.09%,碳庫管理指數(shù)分別比對(duì)照高16%、48%和46%。對(duì)比分析不同物料提高土壤碳庫管理指數(shù)的原因表明,BC處理土壤POC(Particle Organic Carbon,顆粒態(tài)有機(jī)碳)含量較高,而GC和CS處理土壤AOC(Active Organic Carbon,活性有機(jī)碳)和TOC含量較高,GC和CS處理土壤碳庫活度和碳庫活度指數(shù)比BC處理高,說明從碳庫固持角度看,BC處理效果較好,從促進(jìn)碳循環(huán)和提高碳庫活性角度看,GC和CS效果較優(yōu)。3生物炭提高了土壤細(xì)菌多樣性,對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響顯著短期的盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明,生物炭可以提高土壤微生物生物量和細(xì)菌多樣性,放線菌門(Actinobacteria)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、疣微菌門(Verrucomicrobia)和浮霉菌門(Planctomycetes)細(xì)菌的相對(duì)豐度明顯高于對(duì)照,酸桿菌門(Acidobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、TM7和硝化螺旋菌門(Nitrospira)豐度低于對(duì)照。田間定位試驗(yàn)結(jié)果表明,土壤添加生物炭3年后,土壤pH、含水量、TOC和TN含量顯著增加,而土壤容重和DOC含量則顯著降低。土壤微生物量碳含量隨著生物炭用量的增加而提高。Illumine MiSeq測序結(jié)果顯示,生物炭的添加增加了土壤細(xì)菌群落Alpha多樣性,并且對(duì)其群落組成有顯著影響。對(duì)細(xì)菌的檢測結(jié)果表明,變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、和疣微菌門(Verrucomicrobia)是土壤中的優(yōu)勢菌群。生物炭的施用增加了擬桿菌門(Bacteroidetes)的相對(duì)豐度,但是減少了疣微菌門(Verrucomicrobia)的相對(duì)豐度。在屬水平上,生物炭增加了假單胞菌屬(Pseudomonas)和溶桿菌屬(Lysobacter)的相對(duì)豐度,降低了Ohtaekwangia,鞘脂菌屬(Sphingobium)和噬幾丁質(zhì)菌屬(Chitinophaga)屬的相對(duì)豐度。冗余分析(RDA)結(jié)果表明,土壤TN、TOC和DOC是對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響較大的環(huán)境因子。以上結(jié)果說明生物炭可能通過影響土壤環(huán)境進(jìn)而驅(qū)動(dòng)了土壤微生物群落的生態(tài)演替,同時(shí),部分功能微生物群落豐度的改變可能影響土壤生態(tài)功能。4生物炭對(duì)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)有顯著影響田間定位試驗(yàn)結(jié)果表明,與對(duì)照相比,植煙褐土添加生物炭3年后,對(duì)土壤真菌Alpha多樣性影響不大。所有處理土壤中真菌菌群為:子囊菌門(Ascomycota)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、接合菌門(Zygomycota)、微孢子門(Microsporidia)、球囊菌門(Glomeromycota)和壺菌門(Chytridiomycota),其中子囊菌門、接合菌門和擔(dān)子菌門真菌相對(duì)豐度之和占比在90%以上。植煙褐土添加生物炭3年后顯著改變了真菌群落結(jié)構(gòu)組成,生物炭顯著提高了土壤子囊菌門(Ascomycota)和擔(dān)子菌門(Basidiomycota)真菌的相對(duì)豐度,顯著降低了接合菌門真菌(Zygomycota)的相對(duì)豐度。此外,生物炭顯著增加了曲霉屬(Aspergillus)、錐蓋傘屬(Conocybe)和鏈格孢屬(Alternaria)真菌的相對(duì)豐度,降低了赤霉菌(Gibberella)和放射毛霉(Actinomucor)的相對(duì)豐度。皮爾遜相關(guān)分析結(jié)果表明,真菌優(yōu)勢屬相對(duì)豐度與土壤理化指標(biāo)之間有較強(qiáng)的相關(guān)性。進(jìn)一步分析環(huán)境因子和真菌群落結(jié)構(gòu)關(guān)系發(fā)現(xiàn),土壤DOC、pH和含水率對(duì)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的影響最大。5生物炭提高了烤煙產(chǎn)量水平,改善了烤后煙葉品質(zhì)田間試驗(yàn)結(jié)果表明,適量施用生物炭可促進(jìn)烤煙生長,移栽后75 d時(shí),添加生物炭的各處理株高、莖圍及最大葉面積最多分別比對(duì)照高6.48%、4.00%和23.54%。生物炭增加了煙株干物質(zhì)積累量,大田條件下常規(guī)施肥基礎(chǔ)上條施2 t/hm~2生物炭效果最好,煙株干物質(zhì)積累量比對(duì)照高16.70%。生物炭對(duì)烤煙病害有一定的防控作用,施用生物炭的處理煙草氣候性斑點(diǎn)病和煙草黑脛病的發(fā)病率分別比對(duì)照低17.26-52.19%和9.01-50.00%。生物炭提高了烤煙產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益,條施2 t/hm~2生物炭的處理烤煙產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益分別比對(duì)照增加了7.05%和15.76%。此外,生物炭可以協(xié)調(diào)煙葉的碳氮代謝,促進(jìn)了烤煙碳氮代謝的適時(shí)轉(zhuǎn)化,烤后煙葉礦質(zhì)養(yǎng)分較均衡,中性致香物質(zhì)含量豐富,本研究中生物炭施用量為1-4 t/hm~2時(shí),腳葉成熟期推遲了2-6天。生物炭用量過大會(huì)抑制移栽后早期煙草生長,降低整個(gè)生育期煙草干物質(zhì)積累量,需要進(jìn)一步開展生物炭不同用量在不同土壤類型中應(yīng)用效果研究。
【學(xué)位授予單位】：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S156;S572
【圖文】：

逐漸地，研究者們發(fā)現(xiàn)生物炭還可以改善土壤質(zhì)量，作為一種新興的土壤改良劑，生物炭有“黑色黃金”之稱，近年來越來越受到科研工作者的重視，相關(guān)研究報(bào)道逐年增加（圖1-1）。圖1-1 生物炭相關(guān)研究的發(fā)表論文數(shù)量Fig. 1-1 Number of publications related to biochar研究表明，生物炭可以改善土壤質(zhì)量，如提高酸性土壤pH，降低土壤容重提高土壤孔隙度，增加土壤碳匯提高土壤碳氮比，促進(jìn)植物對(duì)營養(yǎng)元素的吸收（Laird et al., 2010；Kimetuet al., 2010; 陳紅霞等，2011）。由于富含有機(jī)碳，生物炭施入土壤可以提高土壤的CN比，進(jìn)而提高土壤對(duì)氮素及其他養(yǎng)分元素的吸持（Gaskin et al., 2010）。生物炭的多孔隙結(jié)構(gòu)可以為土壤微生物棲息提供良好的環(huán)境，同時(shí)其對(duì)水肥的固持能夠影響土壤微生物的生長、發(fā)育

14構(gòu)能成為微生物躲避天敵的適宜棲息地（圖1-2）（Lehmann et al., 2011）。3）生物炭還可以改善土壤理化特性，如增加pH、透氣性、水容量和陽離子交換量，這些因子的改變可能間接影響了微生物群落結(jié)構(gòu)特征（Chintala et al., 2014）。4）不同的生物炭可能誘導(dǎo)產(chǎn)生不同的微生物定植群體，高溫裂解的生物炭芳香類碳含量較多，而低溫裂解的生物炭脂肪族碳含量較多，加上高溫裂解炭本身的結(jié)構(gòu)也不同于低溫條件下制備的生物炭。因此，高溫炭可能利于更多種類的微生物定植，而低溫炭可能更有利于提高土壤微生物豐度和活性（戴中民，2016）。5) 生物炭本身的結(jié)構(gòu)和表面官能團(tuán)等特性可產(chǎn)生多種生態(tài)位，這有利于微生物多樣性的提高（Hanzel et al., 2013）。a 真菌菌絲體 b 細(xì)菌孢子圖 1-2 土壤微生物定植在生物炭上（Lehmann et al., 2011）Fig. 1-2 Visual observation of spatial association and colonization of biochar by microorganisms5.4 生物炭對(duì)作物生產(chǎn)的影響大量研究表明，生物炭可以改善土壤肥力進(jìn)而提高作物產(chǎn)量，這種促進(jìn)作用在水稻、玉米、小麥、大豆等多種作物生產(chǎn)中得到證實(shí)（Jeffery et al., 2011）。生物炭對(duì)作物產(chǎn)量的影響與土壤肥力基礎(chǔ)及肥料運(yùn)籌有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)在低磷土壤中添加生物炭可以提高旱稻產(chǎn)量

圖 1-3 16S rRNA 基因可變區(qū)和保守區(qū)（劉馳等，2015）Fig. 1-3 Conserved and variable regions of the 16S rRNA gene近年來，基于高通量測序的分子生物學(xué)研究方法在研究土壤微生物多樣性及群落結(jié)構(gòu)方面有著巨大優(yōu)勢，通過直接提取土壤總DNA，測定微生物ITS或16S特定區(qū)域的序列（圖1-3），有較為理想的測序深度，能夠獲得土壤微生物90%以上的信息，極大地增加了分析的準(zhǔn)確度

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2787160