本文關鍵詞：生物質(zhì)炭對高度風化的酸性鐵鋁土碳氮磷循環(huán)及土壤質(zhì)量的影響研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：鐵鋁土屬高度風化的土壤,因地處熱帶、亞熱帶,它們具有巨大的生產(chǎn)潛力。然而,由于該類土壤的低pH、高交換性Al3+和缺乏有機質(zhì)、養(yǎng)分等內(nèi)在屬性及人類對這些土壤的不合理管理,目前全球鐵鋁土的退化較為嚴重,肥力質(zhì)量普遍較低。施用石灰、有機肥和化肥是改良這類土壤和獲得作物高產(chǎn)的重要管理措施。中國因耕地資源緊缺,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴集約經(jīng)營,通過高量投入化肥及其它農(nóng)用物資來獲得高產(chǎn),這在一定程度上加劇了這類土壤性質(zhì)的退化：同時,高投入也造成了農(nóng)田氮、磷等養(yǎng)分的流失,增加了農(nóng)田周圍地表水和地下水的污染風險。因此,如何發(fā)展新技術來保育鐵鋁土的土壤質(zhì)量及提高土壤養(yǎng)分的保蓄能力,是預防鐵鋁土土壤質(zhì)量退化和促進鐵鋁土持續(xù)利用的重要途徑。 生物質(zhì)炭(Biochar)是近年來被農(nóng)業(yè)與環(huán)境等領域關注的物質(zhì),因其有機碳含量高且穩(wěn)定性強,比表面積較大,負電荷及電荷密度較高,對土壤養(yǎng)分的吸附能力較強,能夠提高土壤有機碳含量,改善土壤理化性狀,被眾多學者推薦為能同時滿足農(nóng)田固碳和增加土壤養(yǎng)分的改良劑。而鐵鋁土是中國南方地區(qū)肥力較低、酸性較強的土壤類型,比較適合用生物質(zhì)炭進行改良,以達到提高土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量的目的。眾多研究表明,在土壤中施用生物質(zhì)炭,可促進土壤有機碳的固定、增加土壤的保肥性和保水性、提高土壤養(yǎng)分的有效性、降低土壤的酸度和重金屬的生物有效性,增加作物的產(chǎn)量。但文獻報道生物質(zhì)炭對碳循環(huán)的作用有較大的可變性,因生物質(zhì)炭來源、種類和土壤類型等的不同常有較大的差異。碳、氮、磷的循環(huán)是土壤中物質(zhì)循環(huán)的重要組成,它們深受施肥與改良劑應用的影響。為了深入了解施用生物質(zhì)炭施用對中國南方鐵鋁土質(zhì)量的影響,本文選擇南方地區(qū)廣泛分布的第四紀紅土母質(zhì)發(fā)育的鐵鋁土(紅壤)和竹炭與木炭等二種生物質(zhì)炭為試驗材料,以土壤碳、氮、磷循環(huán)研究為重點,設置了系列模擬試驗,開展了施用生物質(zhì)炭對酸性鐵鋁土中微生物活性與生物量及群落結(jié)構(gòu)、土壤碳組分和酶活性、土壤氮磷組分和吸附能力及土壤養(yǎng)分有效性與作物(黑麥草)生長等的影響。研究試驗中設置了一個對照(不添加生物質(zhì)炭)和3個生物質(zhì)炭施用水平(施用量分別為0.5%、1.0%和2.0%)(文中,施竹炭的3個處理分別表示為B05,B10和B20；施木炭的3個處理分別表示為W0.5,W1.0和W2.0)。試驗總周期為1年,較全面地分析了土壤物理、化學與生物學性狀的變化。通過研究,獲得了以下主要結(jié)果。 1、通過對1、8和16個星期的培養(yǎng)試驗土樣分析,結(jié)果表明土壤pH值、土壤有機碳總量(TOC)和尿酶活性隨生物質(zhì)炭用量的增加呈現(xiàn)顯著增加,而酸性磷酸酶活性卻隨生物質(zhì)炭用量的增加而下降,后者的下降可能和其活性與土壤pH值呈反相關有關。土壤有機碳含量與尿酶活性呈正相關,這表明有機質(zhì)在保護尿酶活性方面有重要的作用。土壤中β-糖苷酶活性與可溶性有機碳呈正相關、與C/N比呈負相關,表明有機質(zhì)的礦化為該酶的作用提供了物質(zhì)基礎。研究發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭用量最低土壤中微生物生物量碳、氮和PLFA最高,特別是W0.5處理土壤的細菌、真菌和革蘭陽性細菌的相對豐度較高。這些結(jié)果表明,施用生物質(zhì)炭可通過提高土壤pH值、總有機碳、DOC,提高土壤酶活性和微生物生物量及群落多樣性,改善酸性鐵鋁土的土壤肥力水平。 2、對培養(yǎng)372天的土壤總有機碳、高錳酸鉀可氧化的有機碳(POXC)、輕組分有機碳(LFOC)、水溶性有機碳(WSC)、熱水溶性有機碳(HWC)、微生物生物量碳(MBC)、大團聚體(025mm)、脫氫酶、β-糖苷酶及尿酶活性的分析表明,生物質(zhì)炭用量最低的土壤(包括W0.5和B05二個處理)具最高的大團聚體及POXC、LFOC、HWC、MBC含量和酶活性。BMC與所有的活性有機碳組分指標、大團聚體含量呈正相關,這表明微生物活性的增加是土壤有機質(zhì)礦化的結(jié)果,后者為大團聚體的形成提供的膠結(jié)物質(zhì)。試驗土壤的C/N比與大部分有機碳的活性組分指標和大團聚體呈負相關,這可能是土壤中有效態(tài)氮素不足影響了土壤活性有機碳的生成有關,隨之影響了大團聚體的形成。與對照土壤比較,W0.5和B05處理土壤有機碳庫活度指數(shù)(LI,處理土壤的碳庫活度與對照土壤的碳庫活度的比值,其中碳庫活度是指活性有機碳與非活性有機碳的比值)分別增加了4%和6%；而施用生物質(zhì)炭后土壤碳庫管理指數(shù)(CMI,反映土壤有機碳含量及活性有機碳比例的綜合指標)增加了50%-268%,這表明施用生物質(zhì)炭大大促進了土壤碳的固定。但施用生物質(zhì)炭提高CMI主要與碳的固定有關,受活性有機碳的提高影響較小。這些研究結(jié)果認為,施用生物質(zhì)炭可促進鐵鋁土有機碳含量,提高土壤微生物活性,隨而增加了土壤中大團聚體數(shù)量、提升土壤質(zhì)量。 3、生物質(zhì)炭的施用也可影響土壤中氮、磷的化學形態(tài)及土壤對氮的吸附行為。對培養(yǎng)4個月的土壤中NO3-N、NH4+-N和有機N等氮素形態(tài)分析表明,隨著生物質(zhì)炭用量的增加,土壤中NH4+-N濃度有所下降,NH4+-N濃度以對照土壤為最高(6.31mg kg-1),這表明施用生物質(zhì)炭可導致土壤NH4+-N的下降。土壤中N03--N含量以生物質(zhì)炭施用量較低的處理為最高,其中B0.5處理的土壤中為最高(98.61mg kg-1)。土壤全氮與有機態(tài)氮的含量呈正相關(r=0.99***),這表明在施用生物質(zhì)炭的情況下土壤氮素主要以有機態(tài)氮形態(tài)積累。對土壤磷素化學形態(tài)的分級表明,土壤全磷與殘余態(tài)磷呈正相關(r=0.86,***),表明了施用生物質(zhì)炭可促進土壤中殘余態(tài)磷的形成。有效態(tài)磷(NaHCO3-P)和潛在有效態(tài)磷(NaOH-P)含量與土壤微生物生物量碳呈現(xiàn)顯著的正相關(r=0.58**和0.73***,),表明生物質(zhì)炭可通過改善微生物生存環(huán)境,促進磷素循環(huán),提高土壤磷素有效性。吸附試驗表明,生物質(zhì)炭可提高土壤對NH4+-N和N03--N的吸附,其中竹碳比木炭具有對NH4+-N和N03-N更強的吸附作用,土壤對氮素的吸附能力隨生物質(zhì)炭用量的增加而增加。但施用生物質(zhì)炭對土壤吸附磷的影響不明顯。 4、生物試驗表明,雖然竹炭與木炭制備溫度相同,它們的pH值、碳含量和形態(tài)特征比較接近,但它們對作物生長的影響卻存在著一定的差異。分析表明,木炭具有較高的比表面積、孔度和含氧基團,這些非養(yǎng)分屬性的土壤性質(zhì)也可改善被改良土壤的容重、持水性能和陽離子交換量。而竹炭具有較高的養(yǎng)分含量,其能提供土壤較多的養(yǎng)分。試驗結(jié)果表明,應用生物質(zhì)炭可提高酸性鐵鋁土的有機碳、pH值CEC、鹽基飽和度、持水能力,降低土壤酸度和交換性Al3+和容重,從而改善了黑麥草生長環(huán)境,提高土壤肥力質(zhì)量。主成分分析結(jié)果表明,在眾多的土壤性質(zhì)中,試驗土壤的有效N、有效P與黑麥草地上部分生物量之間的相關性最為顯著,認為氮素和磷素是決定試驗土壤生產(chǎn)性最重要的因素。結(jié)果還表明,施用竹炭比施用木炭更能促進作物生長,施用竹炭土壤上生長的黑麥草地上和地下的生物量、養(yǎng)分的吸收都明顯高于木炭,這可能與竹炭比木炭具有更多的內(nèi)在養(yǎng)分有關。結(jié)果認為,生物質(zhì)炭中養(yǎng)分性狀對作物生長的影響比非養(yǎng)分性狀的影響更為明顯。 總之,試驗結(jié)果表明,施用生物質(zhì)炭可顯著提高酸性鐵鋁土的土壤質(zhì)量,促進農(nóng)作物的生長。本試驗的初步結(jié)果表明,生物質(zhì)炭用量以0.5%為宜。然而,本研究獲得的生物質(zhì)炭施用對土壤碳氮磷循環(huán)的影響和對作物生長的影響的結(jié)果主要基于短期的室內(nèi)試驗,還需要通過進一步的田間長期試驗進行驗證。
【關鍵詞】：生物質(zhì)炭 酶活性 微生物生物量 活性有機碳 碳庫管理指數(shù) 氮形態(tài) 磷組分 吸附作用 土壤質(zhì)量 黑麥草
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：S156;S158
【目錄】：

• ACKNOWLEGMENTS8-9
• ABBREVIATIONS9-10
• LIST OF TABLES10-12
• LIST OF FIGURES12-18
• 中文摘要18-21
• ABSTRACT21-25
• 1 BACKGROUND AND JUSTIFICATION25-27
• 2 LITERATURE REVIEW27-40
• 2.1 Distribution and charcterstics of ferralsols27-28
• 2.1.1 Parent material27
• 2.1.2 Distribution of ferralsols27
• 2.1.3 Characteristics of ferralsols27-28
• 2.1.3.1 Morphological characteristics27-28
• 2.1.3.2 Physical characteristics28
• 2.1.3.3 Chemical characteristics28
• 2.2 Management and use of ferralsols28-31
• 2.2.1 Inappropriate management of Ferralsols29-31
• 2.2.1.1 Inorganic fertilizer use29-31
• 2.2.1.2 Tillage31
• 2.3 PREPARATION AND PROPERTIES OF BIOCHAR31-34
• 2.3.1 Is biochar a new technology?31
• 2.3.2 Terra preta31-32
• 2.3.3 Biochar preparation32-33
• 2.3.4 Biochar's composition33
• 2.3.5 Biochar's Properties33-34
• 2.3.6 Biochar sources34
• 2.4 EFFECTS OF BIOCHAR ON QUALITY OF SOILS34-37
• 2.4.1 Physical properties34-35
• 2.4.2 Chemical properties35-36
• 2.4.3 Microbial activity, biomass and community36-37
• 2.4.4 Sorption of ions37
• 2.5 Biochar on productivity of crops37-38
• 2.6 BIOCHAR ON ENVIRONMENTAL BEHAVIOR OF POLLUTANTS IN SOIL38-39
• 2.7 POTENTIAL FOR USING BIOCHAR ON FERRALSOLS39-40
• 3 PREPARATION AND CHARACTERIZATION OF THE TESTED SOIL ANDBIOCHARS40-44
• 3.1 BIOCHAR PREPARATION AND CHARACTERIZATION40-42
• 3.1.1 pH40
• 3.1.2 Total C, H, N and O40
• 3.1.3 Moisture content40-41
• 3.1.4 Ash content41
• 3.1.5 Surface area and Pore volume41
• 3.1.6 Morphology41
• 3.1.7 Chemical composition of carbon41-42
• 3.2 COLLECTION, PREPARATION AND STORAGE OF SOIL42
• 3.3 Analysis of soil basic properties42-44
• 3.3.1 Particle size distribution42
• 3.3.2 Soil pH42
• 3.3.3 Total organic carbon (TOC)42
• 3.3.4 Total nitrogen (TN)42-43
• 3.3.5 Total phosphorous (TP)43
• 3.3.6 Total potassium (TK)43-44
• 4 EFFECTS OF BIOCHAR APPLICAION ON MICROBIAL ACTIVITIES,BIOMASS AND COMMUNITIES IN HIGHLY WEATHERED ACIDICFERRALSOLS44-62
• 4.1 INTRODUCTION44-45
• 4.2 MATERIALS AND METHODS45-48
• 4.2.1 Incubation Experiment45
• 4.2.2 Dissolved Organic Carbon (DOC)45-46
• 4.2.3 Enzyme Activity46
• 4.2.3.1 Acid phosphatases46
• 4.2.3.2 β-glucosidase activity46
• 4.2.3.3 Urease activity46
• 4.2.4 Microbial biomass C and N46-47
• 4.2.5 Phospholipid fatty acid analysis (PLFAs)47
• 4.2.6 Statistical analysis47-48
• 4.3 RESULSTS48-58
• 4.3.1 Soil pH48
• 4.3.2 Total organic C (TOC) and total N (TN)48-49
• 4.3.3 Dissolved organic C (DOC)49-50
• 4.3.4 Microbial biomass C (MBC) and N (MBN)50-51
• 4.3.5 Enzymatic Activities51-54
• 4.3.6 Relationships between soil properties and enzymes54
• 4.3.7 Microbial Communities54-58
• 4.4 DISCUSSION58-61
• 4.4.1 Biochar effects on soil pH, DOC, total organic C and N58-59
• 4.4.2 Biochar effects on microbial biomass and enzymatic activities59-60
• 4.4.3 Biochar effects on microbial Communities60-61
• 4.5 CONCLUSIONS61-62
• 5 EFFECTS OF BIOCHAR ON CARBON FRACTIONS AND ENZYMEACTIVITY OF ACIDIC FERRALSOLS62-79
• 5.1 INTRODUCTION62-64
• 5.2 MATERIALS AND METHODS64-68
• 5.2.1 Incubation experiment64
• 5.2.2 Aggregate stability64
• 5.2.3 Labile organic carbon fractions64-66
• 5.2.3.1 The light soil organic carbon fraction(LFOC)64-65
• 5.2.3.2 Water soluble carbon(WSC)and hot-water extractable carbon (HWC)65
• 5.2.3.3 Permanganate oxidizable C(POXC)65
• 5.2.3.4 Microbial biomass C(MBC)65-66
• 5.2.4 Carbon management index66-67
• 5.2.5 Enzyme activity67
• 5.2.5.1 Soil dehydrogenase activity67
• 5.2.5.2 β-glucosidase activity67
• 5.2.5.3 Urease activity67
• 5.2.6 Statistical analysis67-68
• 5.3 RESULTS68-74
• 5.3.1 Total organic carbon and total nitrogen68
• 5.3.2 Labile organic carbon68-69
• 5.3.3 Water aggregate stability69-70
• 5.3.4. Relationships among organic carbon fractions70-71
• 5.3.5 Carbon management index71-72
• 5.3.6 Enzyme activity72-74
• 5.4 DISCUSSION74-78
• 5.4.1 Biochar effect on carbon fractions74-76
• 5.4.2 Biochar effect on aggregate stability76-77
• 5.4.3 Biochar effects on activity of enzymes77-78
• 5.5 CONCLUSIONS78-79
• 6 FRACTIONS AND SORPTION OF NITROGEN AND PHOSPHOROUS ASAFFECTED BY BIOCHAR APPLICATION IN ACIDIC FERRALSOLS79-90
• 6.1 INTRODUCTION79-80
• 6.2 MATERIALS AND METHODS80-83
• 6.2.1 Incubation experiment80-81
• 6.2.2 Nitrogen forms81
• 6.2.2.1 Mineral N(NO_3~--N and NH_4~+-N)81
• 6.2.2.2 Organic N81
• 6.2.3 NO_3~--N and NH_4~+-N sorption isotherms81-82
• 6.2.4 Phosphorous fractions82
• 6.2.5 Phosphorous sorption82-83
• 6.2.6 Statistical Analyses83
• 6.3 RESULTS83-88
• 6.3.1 Nitrogen forms85
• 6.3.2 Nitrogen Sorption Capacity85-86
• 6.3.3 Phosphorous fraction86
• 6.3.4 Phosphorous sorption86-88
• 6.4 DISCUSSION88-89
• 6.4.1 Effect of biochar on N forms and sorption88-89
• 6.4.2 Effect of biochar on P fractions and sorption89
• 6.5 CONCLUSIONS89-90
• 7 RYE GRASS RESPONSE TO NUTRIENT PROPERTIES OF BIOCHARS INACIDIC FERRALSOLS90-110
• 7.1 INTRODUCTION90-91
• 7.2 MATERIALS AND METHODS91-93
• 7.2.1 Experimental Design,treatments and plant management91
• 7.2.2 Germination trial91
• 7.2.3 Growth Parameters91-92
• 7.2.3.1 Leaf chlorophyll91-92
• 7.2.3.2 Plant height92
• 7.2.4 Biomass92
• 7.2.4.1 Shoot biomass92
• 7.2.4.2 Root biomass92
• 7.2.5 Plant analysis92
• 7.2.5.1 Total nitrogen92
• 7.2.5.2 Total K,Na,Ca,Mg and P92
• 7.2.6 Statistical analysis92-93
• 7.3 RESULTS93-106
• 7.3.1 Charactersics of the biochars93-94
• 7.3.2 Soil Quality changes94-98
• 7.3.3 Germination98-99
• 7.3.4 Growth99-102
• 7.3.5 Relationship between soil quality and plant growth102-106
• 7.4 DISCUSSION106-108
• 7.4.1 Charactestics of biochar and its effect on soil quality change106-107
• 7.4.2 Growth and agronomic value of biochar107-108
• 7.5 CONCLUSIONS108-110
• 8 MAIN FINDINGS AND CONCLUSIONS110-111
• FUTURE PERSPECTIVES111-112
• LITERATURE CITED112-125

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 章明奎;Walelign D Bayou;唐紅娟;;生物質(zhì)炭對土壤有機質(zhì)活性的影響[J];水土保持學報;2012年02期

2 R.EDIS;Ammonia Volatilization and Denitrilfication Losses from an Irrigated Maize-Wheat Rotation Field in the North China Plain[J];Pedosphere;2004年04期

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4 張小凱;何麗芝;陸扣萍;王海龍;;生物質(zhì)炭修復重金屬及有機物污染土壤的研究進展[J];土壤;2013年06期

  本文關鍵詞：生物質(zhì)炭對高度風化的酸性鐵鋁土碳氮磷循環(huán)及土壤質(zhì)量的影響研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：339841