硫是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的中量元素,在土壤營(yíng)養(yǎng)元素中占據(jù)重要的地位。近年來(lái),與世界上許多國(guó)家和地區(qū)一樣,中國(guó)黃土高原土壤缺硫的現(xiàn)象已經(jīng)成為影響作物產(chǎn)量的重要因素。土壤中硫的含量對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)中微生物的生長(zhǎng)和增殖,微生物群落結(jié)構(gòu)有很大的影響。土壤缺硫會(huì)使農(nóng)作物的產(chǎn)量降低,并且可以抑制豆類作物的固氮作用。隨著土壤缺硫現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重,與之相關(guān)的土壤改良和土壤修復(fù)技術(shù)的研究也越來(lái)越多。生物炭是生物質(zhì)在完全或部分缺氧的條件下熱解炭化產(chǎn)生的材料,向土壤中施加生物炭可以改變土壤的理化性質(zhì),生物炭已被作為一種良好的土壤改良劑使用。研究表明,生物炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量(SOM),土壤pH值,土壤電導(dǎo)率(EC)及其他土壤性質(zhì)有一定影響。由于較大的表面積和特殊的孔隙結(jié)構(gòu),生物炭在提高微生物豐度和治理貧硫土壤方面具有廣闊的應(yīng)用前景。本研究在300℃和600℃的溫度條件下熱解大豆秸稈,制備得到大豆秸稈生物炭BC300和BC600。分別將BC300和BC600以1%、3%和5%(w/w)的施加率施加于100 g黃土土壤樣品中。這些處理記為BC300-1、BC300-3、BC300-5、BC600-1、BC600-3和BC600-5。每種處理設(shè)置三個(gè)平行樣,與空白對(duì)照一起恒溫培養(yǎng)15周,并在第0、3、6、9、12和15周,測(cè)定土壤樣本的理化性質(zhì)、酶活性和土壤中各形態(tài)硫含量。第15周,對(duì)土壤樣本進(jìn)行DNA提取和PCR擴(kuò)增測(cè)序分析鑒定硫氧化細(xì)菌,并研究生物炭施入后微生物群落的變化。本研究的主要結(jié)果如下:(1)較高的熱解溫度引起了大豆秸稈生物炭理化性質(zhì)的變化。隨著熱解溫度從300℃升高到600℃,生物炭pH從7.87增加到8.42,灰分含量從13.5%增加到15.5%,BET表面積從2.00增加到13.84 m~2·g~(-1)。(2)向黃土中施加生物炭,土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性隨生物炭的施加發(fā)生顯著性變化。培養(yǎng)15周后,BC300的施加量分別為1%、3%和5%時(shí),土壤pH值分別比對(duì)照高3.1%、3.4%和5.3%。BC600的施加量分別為1%、3%和5%時(shí),土壤pH值分別比對(duì)照高2.9%、4.5%和5.9%。電導(dǎo)率(EC)的變化趨勢(shì)與pH值的變化趨勢(shì)相似,但卻更顯著,BC300和BC600的施加量為5%時(shí),其電導(dǎo)率(EC)的增量分別為25.6%和36.6%。培育初期,土壤中有機(jī)質(zhì)(SOM)略有增加,但在第9周后,逐漸低于對(duì)照。培育15周后,施加BC300的脲酶活性比對(duì)照組高8.1%~10.2%,施加BC600的土壤脲酶活性比對(duì)照組低2.5%~8.6%。土壤中過(guò)氧化氫酶活性的變化不大,與生物炭的施用無(wú)顯著性關(guān)聯(lián)。(3)不同生物炭對(duì)土壤中各形態(tài)硫的影響各不相同。施加生物炭后,土壤中總硫、水溶性硫、有機(jī)硫含量變化顯著,吸附性硫和鹽酸可溶性硫無(wú)顯著性變化。其中,土壤中水溶性硫和有機(jī)硫含量的變化最顯著。培育第3周,生物炭的施加均提高了土壤中水溶性硫的含量,且提高量較大。對(duì)比第15周的數(shù)據(jù),有機(jī)硫的含量均低于或遠(yuǎn)低于對(duì)照組。(4)施加BC600土壤中硫氧化菌和溶桿菌屬的相對(duì)豐度最高。BC600處理的溶菌菌相對(duì)豐度為2.84%~4.19%,BC300處理的溶菌菌相對(duì)豐度僅為1.24%~2.38%。所有樣品的優(yōu)勢(shì)菌種主要為變形桿菌門、雙生單胞菌門、放線菌門、擬桿菌門、綠彎菌門。大多數(shù)生物炭處理的土壤變形桿菌相對(duì)豐度較對(duì)照組(27.3%)有所增加,其中BC300-5和BC600-5最高,分別為34.2%和35.2%。在所有生物炭處理中,以BC300-1和BC600-3處理差異最大(14.6%),分別為22.0%和23.6%,芽單胞菌門的相對(duì)豐度顯著增加。生物炭降低了放線菌和綠彎桿菌的相對(duì)豐度,但對(duì)擬桿菌和酸桿菌的影響不大。研究表明,大豆秸稈生物炭不僅使黃土的硫轉(zhuǎn)化和理化性質(zhì)發(fā)生了顯著變化,而且引起了黃土微生物群落的變化。研究結(jié)果表明,大豆秸稈生物炭對(duì)土壤微生物群落和硫礦化具有良好的作用,可作為黃土土壤改良劑應(yīng)用。
【學(xué)位單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S156.2
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 Introduction
    1.1 The role and importance of sulfur in soil
        1.1.1 Availability of sulfur and its role in soil
        1.1.2 The sulfur cycle and sulfur transformations in soil
    1.2 The role and importance of microorganisms in soil
        1.2.1 Microbial community and soil health
        1.2.2 The role of microorganisms in sulfur transformations
    1.3 Development of biochar as a soil amendment
        1.3.1 Background
        1.3.2 Production and basic characteristics of biochar
    1.4 Research background,significance,and objectives
        1.4.1 Research background and significance
        1.4.2 Research content and objectives
        1.4.3 Technical flowchart
2 Production and characterization of biochar
    2.1 Introduction
    2.2 Materials and methods
        2.2.1 Raw materials and production method
        2.2.2 Analysis methods
    2.3 Results and discussion
        2.3.1 pH
        2.3.2 Ash content
        2.3.3 Surface area and SEM images
        2.3.4 Elemental composition
        2.3.5 X-ray diffraction(XRD)
    2.4 Conclusion
3 Effect of biochar on soil quality and enzyme activity of loess
    3.1 Introduction
    3.2 Materials and methods
        3.2.1 Experimental design
        3.2.2 Soil sampling and basic properties
        3.2.3 Analysis methods
    3.3 Results and discussion
        3.3.1 Effect of biochar on soil pH
        3.3.2 Effect of biochar on soil electrical conductivity(EC)
        3.3.3 Effect of biochar on soil urease and catalase activity
        3.3.4 Effect of biochar on soil organic matter(SOM)
    3.4 Conclusion
4 Effect of biochar on sulfur transformations
    4.1 Introduction
    4.2 Materials and methods
        4.2.1 Experimental design
        4.2.2 Total sulfur
        4.2.3 Water-soluble sulfur
        4.2.4 Adsorbed sulfur
        4.2.5 HCl-soluble sulfur
        4.2.6 Organic sulfur
        4.2.7 Data analysis
    4.3 Results and discussion
        4.3.1 Effect of biochar on total sulfur
        4.3.2 Effect of biochar on water-soluble sulfur
        4.3.3 Effect of biochar on adsorbed sulfur
        4.3.4 Effect of biochar on HCl-soluble sulfur
        4.3.5 Effect of biochar on organic sulfur
        4.3.6 Effect of biochar on sulfur transformations
    4.4 Conclusion
5 Effect of biochar on soil microbial community and its role in sulfur transformations
    5.1 Introduction
    5.2 Materials and methods
        5.2.1 Experimental design
        5.2.2 DNA extraction,sequencing,and PCR amplification
        5.2.3 Data processing
        5.2.4 Statistical analysis
    5.3 Results and discussion
        5.3.1 Relative abundance of microbial community
        5.3.2 OTU analysis
        5.3.3 Rarefaction analysis
        5.3.4 Nonmetric multidimensional scaling(nMDS)analysis
        5.3.5 Principle component analysis(PCA)
        5.3.6 Linear discriminant analysis(LDA)effect size(LEfSe)
        5.3.7 Effect of biochar on microbial community structure and its role in sulfur transformations
    5.4 Conclusion
6 Conclusions and future research
    6.1 Conclusions
    6.2 Future research
Acknowledgements
References
Research Achievements and Awards

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