松嫩平原西部與科爾沁沙地東段的交匯處,是半濕潤與半干旱氣候的過渡帶,在自然因子和人為干擾的雙重作用下,地表植被破壞、土地沙化嚴(yán)重,制約了土地生產(chǎn)力的提高,限制了社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。本文以沙化土壤系統(tǒng)的改良途徑和作用效果為主線,選取松嫩平原腹地吉林省西部地區(qū)作為野外大田實驗區(qū)域進(jìn)行隨機(jī)區(qū)組實驗,設(shè)置5個處理:不加改良劑,單獨(dú)施加生物炭,單獨(dú)施加有機(jī)肥,兩種不同濃度的生物炭和有機(jī)肥聯(lián)合施加。分析不同改良劑施加對松嫩平原沙化土壤物理、化學(xué)性質(zhì)及土壤養(yǎng)分元素保持的影響,探討改良劑對沙化土壤理化性質(zhì)的改良效應(yīng)及其作用機(jī)制。另設(shè)置不加改良劑、低濃度生物炭(10 t ha~(-1))+有機(jī)肥(40 t ha~(-1))及高濃度生物炭(20 t ha~(-1))+有機(jī)肥(40t ha~(-1))3個處理,選取4個作物品種設(shè)計裂區(qū)實驗,采用高通量測序技術(shù)分析生物炭和有機(jī)肥聯(lián)合施加對沙化土壤細(xì)菌、真菌以及叢枝菌根真菌群落多樣性和組成的影響及作用機(jī)制,并結(jié)合作物對改良劑施加的響應(yīng)分析改良劑的作用效果。主要結(jié)果如下:(1)生物炭和有機(jī)肥可改善土壤理化性質(zhì)。改良劑的施加增加了土壤的田間持水量、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、電導(dǎo)率、總有機(jī)碳、總氮、速效氮、速效磷和速效鉀的含量,提高了土壤碳氮比,降低了土壤容重,特別是生物炭和有機(jī)肥聯(lián)合施加的改良效果顯著。單施生物炭及其與有機(jī)肥聯(lián)合施加的處理土壤總有機(jī)碳含量、碳氮比和陽離子交換量有顯著增加,生物炭與有機(jī)肥聯(lián)合施加對土壤容重、田間持水量、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、電導(dǎo)率、陽離子交換量、總有機(jī)碳、總氮和速效氮含量等體現(xiàn)出聯(lián)合效應(yīng)。(2)生物炭和有機(jī)肥的施加顯著增加了土壤細(xì)菌群落多樣性,改善了土壤細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)組成。二者聯(lián)合施加后土壤細(xì)菌群落的Chao1指數(shù),Shannon指數(shù),Richness指數(shù)顯著高于對照,而且群落多樣性指數(shù)與土壤理化指標(biāo)顯著相關(guān),表明改良劑的施加通過改善土壤理化性質(zhì)而增加了土壤細(xì)菌群落的多樣性,不同受試作物對土壤細(xì)菌群落多樣性的影響不顯著。生物炭和有機(jī)肥聯(lián)合施加使土壤變形菌門的檸檬酸桿菌屬、不動桿菌屬、假單胞菌屬和馬賽菌屬細(xì)菌相對豐度顯著降低,這些菌群多為致病菌,可見改良劑施加后可以一定程度上抑制致病菌菌群的增加,降低了病害的潛在發(fā)生率。二者的聯(lián)合施加使變形菌門下的鞘氨醇單孢菌屬、硝化菌屬和根瘤菌屬,酸桿菌門下的旱桿菌屬、芽單胞菌門下的芽單胞菌屬細(xì)菌相對豐度顯著增加,這些菌屬具有固氮或提高植物抗逆性的作用。物種豐富度聚類和主成分分析表明生物炭和有機(jī)肥的施加對土壤微生物類群產(chǎn)生的影響強(qiáng)于受試作物類型和生物炭施加量的影響。(3)生物炭和有機(jī)肥聯(lián)合施加影響土壤真菌群落組成及叢枝菌根真菌群落結(jié)構(gòu)。生物炭和有機(jī)肥聯(lián)合施加土壤中真菌群落多樣性未發(fā)生顯著變化,而土壤中一些能引起作物土傳病害的真菌相對豐度降低,同時改良劑對具有生防作用的一些真菌也產(chǎn)生抑制作用。改良劑施加后根際土壤中柄孢殼菌屬真菌極顯著增加,可提高對土傳病害的抑制作用。偏小二乘辨別分析表明改良劑的施加與否及受試作物類型均對土壤真菌群落產(chǎn)生影響,其中以改良劑的影響作用更顯著。生物炭和有機(jī)肥聯(lián)合施加作物根系叢枝菌根真菌侵染率有所降低,但其群落多樣性水平與對照土壤差異不顯著。LEfSe判別分析表明,生物炭和有機(jī)肥聯(lián)合施加使原囊霉屬、地管囊霉屬、雙型囊霉屬真菌相對豐度顯著增加,兩種綠豆根圍土壤球囊霉屬真菌的相對豐度顯著高于兩種紅豆。偏小二乘辨別分析表明受試作物類型對土壤叢枝菌根真菌的影響作用顯著。(4)生物炭和有機(jī)肥聯(lián)合施加對受試作物生物量積累和產(chǎn)量指標(biāo)的增效顯著,即使少量生物炭和有機(jī)肥聯(lián)合施加其效應(yīng)也較強(qiáng)。高濃度的生物炭和有機(jī)肥聯(lián)合施加顯著增加受試作物不同時期各器官的生物量及單株莢數(shù)、單株產(chǎn)量、公頃產(chǎn)量和百粒重,低濃度生物炭與有機(jī)肥聯(lián)合施加也可以顯著增加作物的產(chǎn)量和生殖分配。相關(guān)分析表明,作物產(chǎn)量指標(biāo)與土壤理化性質(zhì)有顯著相關(guān)關(guān)系。4種受試作物的產(chǎn)量與土壤總有機(jī)碳、總氮和總磷含量均相關(guān)顯著,呈現(xiàn)冪函數(shù)或線性相關(guān)關(guān)系。兩種綠豆的產(chǎn)量與土壤pH呈顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,與土壤電導(dǎo)率呈顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。表明一定比例的生物炭與有機(jī)肥聯(lián)合施加通過改善土壤養(yǎng)分含量及土壤結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)pH和鹽基離子含量,促進(jìn)作物增產(chǎn)。本研究有助于生物炭和有機(jī)肥對沙化土壤理化性質(zhì)改良及土壤微生物群落建成作用及機(jī)制的理解,豐富了恢復(fù)生態(tài)學(xué)的研究內(nèi)容,可為土壤細(xì)菌及真菌群落組成研究、沙化土壤的生態(tài)恢復(fù)及其農(nóng)業(yè)可持續(xù)利用提供理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。
【學(xué)位單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S156
【部分圖文】：

第 2 章 材料與方法1 研究區(qū)概況1.1 地理概況究區(qū)選取松嫩平原腹地的吉林省西部地區(qū)（圖 2-1），此地區(qū)為生弱的半濕潤向半干旱的過渡區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 121°40′-126°20′46°18′。包括白城市（洮北區(qū)）、大安市、洮南市、通榆縣、鎮(zhèn)賚長嶺縣、前郭縣、乾安縣和松原市（寧江區(qū)）10 個市縣。地處中溫為 5.1℃），年降水量在 370-470 mm 之間，四季分明。據(jù)全省第資料，該地區(qū)土壤共含 8 個土類，15 個亞類，20 個土屬，59 個土鈣土、淡黑鈣土、草甸土、風(fēng)沙土和堿土為主要土類。風(fēng)沙土和沙分布于大安市南部和中部的沙崗地和二級階地上，是沙化土地形成

圖 2-2 大安地區(qū)土地沙化敏感性分析圖Figure 2-2 Sensitivity analysis map in arid area of Da'an re土地沙化敏感性分析看（圖 2-2），該地區(qū)沙化土地集中連片分布，主要集中于西部的舍力鎮(zhèn)、燒鍋鎮(zhèn)鎮(zhèn)、聯(lián)合鄉(xiāng)、四棵樹鄉(xiāng)、太山鎮(zhèn)、紅崗子鄉(xiāng)、龍沼塊狀零星分布。中度沙化土地相對集中于兩個區(qū)域鎮(zhèn)；二是集中分布于南部的龍沼鄉(xiāng)，其它鄉(xiāng)鎮(zhèn)（大崗廣鎮(zhèn)）呈片狀或斑點(diǎn)狀分布。重度度沙化土地面積的安廣鎮(zhèn)。根據(jù)本區(qū)域沙化土壤的分布情況以及沙土地面積僅占沙化土地面積的 1.40%，中、重度沙3，因此考慮到項目技術(shù)手段后續(xù)的應(yīng)用范圍以及省西部大安地區(qū)舍力鎮(zhèn)（中輕度沙化土壤）作為本

圖 2-3 大田實驗小區(qū)設(shè)置圖Figure 2-3 The setup of field experimental plots2.3.2 生物炭和有機(jī)肥聯(lián)合施加對沙化土壤微生物群落的影響實驗選取生物炭和有機(jī)肥聯(lián)合施加的小區(qū)進(jìn)行裂區(qū)實驗，共設(shè) 3 個處理：CK（對照，不施加任何改良劑）、FA（10 t ha-1生物炭+40 t ha-1有機(jī)肥）和 FB（20 t ha-1生物炭+40 t ha-1有機(jī)肥），每個處理重復(fù) 3 次，共 9 個 8m×8m 的小區(qū)，采取完全隨機(jī)區(qū)組分布，小區(qū)之間設(shè)置 1 m 的隔離帶降低邊緣效應(yīng)（圖 2-4）。小區(qū)內(nèi)分成 4 個裂區(qū)，分別播種 2 個紅小豆品種：珍珠紅（HD1）和大紅袍（HD2），2個綠豆品種：小綠王（LD1）和綠豐 1 號（LD2），共 36 個裂區(qū)，12 個處理。分別設(shè)為：CKH1、FAH1、FBH1（HD1）；CKH2、FAH2、FBH2（HD2）；CKL1、FAL1、FBL1（LD1）；CKL2、FAL2、FBL2（LD2）。2017 年 5 月 1 日分別稱取相應(yīng)的改良劑施入各小區(qū)，旋耕機(jī)旋耕三次，使改良劑與土壤充分混合。2017年 5 月 20 日再次翻耕打壟后進(jìn)行播種，行距 60 cm，株距 16 cm，每個作物品種播種 3 壟/小區(qū)，每小區(qū)計 12 壟。按照常規(guī)農(nóng)作方式進(jìn)行管理，中間不補(bǔ)施任何肥料。
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本文編號：2851430