本文關(guān)鍵詞：生物炭對酸化土壤的改良效應(yīng)與生物化學(xué)機(jī)理研究　出處：《浙江大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：土壤酸化是土壤退化的一個(gè)重要方面,土壤酸化會(huì)造成土壤質(zhì)量和肥力的下降,營養(yǎng)元素的流失,從而對生長的作物產(chǎn)生嚴(yán)重危害。當(dāng)前,我國酸化土壤分布廣泛,酸化程度日益加劇,嚴(yán)重影響我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。生物炭作為新興的酸性土壤改良劑,因其獨(dú)特的生物物理化學(xué)性質(zhì)在提高土壤肥力、降低土壤酸度、改良土壤微生物生長環(huán)境等方面具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。為了進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)生物炭對酸化土壤的化學(xué)性質(zhì)和生物化學(xué)性質(zhì)的改良效應(yīng)和生物化學(xué)作用機(jī)理,本研究對不同原料和熱解溫度制備而成的生物炭理化性質(zhì)進(jìn)行表征,評估了其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值;然后選取代表性生物炭添加到不同類型的酸化土壤中進(jìn)行培養(yǎng),探討生物炭作用下酸化土壤酸度和肥力的變化規(guī)律及其作用機(jī)理;接著研究了生物炭對酸化土壤微生物豐度和多樣性的影響和作用機(jī)理,以及生物炭自身定殖微生物的群落結(jié)構(gòu)、主導(dǎo)菌群和碳氮代謝功能基因及其生態(tài)意義。研究結(jié)果為我國酸化土壤的改良和農(nóng)田生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展等方面提供理論參考與技術(shù)指導(dǎo)。主要研究結(jié)果如下:(1)通過單一原料生物炭的制備和理化性質(zhì)的表征,揭示生物炭的各種理化性質(zhì)之間的相關(guān)性和隨熱解溫度和原材料的變化規(guī)律。研究采用9種不同類型的原料和兩種不同的熱解溫度(300℃和500℃)制備生物炭,并對其理化性質(zhì)進(jìn)行表征。結(jié)果表明,生物炭的理化性質(zhì)主要受熱解溫度和原材料類型的影響。熱解溫度越高,生物炭的芳香飽和度、pH、灰分、比表面積、總碳、總磷、鹽基離子含量增加,而脂肪飽和度、總氫、總氧和產(chǎn)率下降。糞肥類生物炭具有較高的pH、灰分含量、總磷和鹽基離子總量,而秸稈類生物炭具有較高的總碳和比表面積�；趯ι锾啃再|(zhì)的評估,我們預(yù)測高熱解溫度糞肥類生物炭更適合改良土壤的酸度和提高土壤的養(yǎng)分元素,秸稈類生物炭可用來提高土壤的穩(wěn)定性碳庫,也可以作為吸附材料。(2)通過混合原料生物炭的制備和理化性質(zhì)的表征,獲取單一原料生物炭的各自優(yōu)勢,評估了混合原料生物炭的農(nóng)業(yè)和環(huán)境應(yīng)用價(jià)值。研究通過在豬糞原料中添加不同質(zhì)量配比的水稻秸稈原料,制備成混合原料的改性生物炭,并對其理化性質(zhì)進(jìn)行表征,評估其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用價(jià)值。隨著水稻秸稈原料比例的增加,生物炭的pH、總碳、比表面積增加,而灰分和產(chǎn)率降低。元素分析、X衍射、傅里葉紅外和電鏡圖譜等表明,隨著水稻秸稈原料比例的增加,改性生物炭的元素組成、礦物晶體結(jié)構(gòu)、表面官能團(tuán)和表面形態(tài)結(jié)構(gòu)均發(fā)生改變,此改性生物炭兼?zhèn)鋬煞N單一原料生物炭各自的優(yōu)點(diǎn),是一個(gè)極具潛力的酸化土壤改良劑。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中,建議采用高水稻秸稈原料配比生物炭提高土壤有機(jī)質(zhì),也可用作吸附材料;低水稻秸稈原料配比生物炭可以用來增加土壤的礦質(zhì)營養(yǎng)元素,提高土壤肥力。(3)探討生物炭對酸化土壤的酸度改良和肥力提升的作用效果和機(jī)理,篩選出最優(yōu)的生物炭改良劑和最適合被改良的土壤類型。通過室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究了四種不同類型的生物炭(豬糞生物炭、蘆葦秸稈生物炭、油菜秸稈生物炭和菠蘿果皮生物炭)對三種酸化土壤(紅砂土、紅壤和黃斑田)化學(xué)性質(zhì)的影響。研究表明,生物炭能夠提高土壤的pH、有機(jī)碳、鹽基離子和pH緩沖性能,并降低土壤的交換態(tài)鋁濃度。生物炭對土壤pH的作用機(jī)理主要有兩個(gè)方面:生物炭的堿度可以直接提高土壤的pH,作用時(shí)間為添加初期(3天內(nèi)),而硝化作用導(dǎo)致土壤pH下降,作用時(shí)間為培養(yǎng)的前期(30天內(nèi)),同時(shí)堿度作用程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硝化作用,最終導(dǎo)致整體的土壤pH大幅度上升。對于pH較低的酸化土壤,生物炭主要作用于土壤酸度(如pH、Al)的改良,對于pH相對較高的酸化土壤,生物質(zhì)炭除了作用于酸度之外,還會(huì)影響?zhàn)B分(尤其是氮素)的循環(huán)。豬糞生物炭是改良酸化土壤的最優(yōu)改良劑,而pH較低、養(yǎng)分貧瘠、質(zhì)地為砂性的紅砂土是最適合被改良的土壤類型。(4)探討生物炭對酸化土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的作用效果和機(jī)理,揭示根際土壤和非根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、細(xì)菌與真菌群落結(jié)構(gòu)的差異。研究通過水稻盆栽實(shí)驗(yàn)觀察生物炭對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制,結(jié)果表明生物炭顯著降低了土壤酸度,增加了土壤肥力,促進(jìn)了水稻根際的生長,從而改變了微生物的生存環(huán)境,導(dǎo)致微生物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。生物炭增加了土壤中富養(yǎng)型微生物(如擬桿菌門)的相對豐度,降低了土壤中貧養(yǎng)型微生物(如酸桿菌門)的相對豐度。同時(shí),生物炭改變了土壤細(xì)菌的Alpha多樣性,而對真菌的Alpha多樣性影響不大。多變量統(tǒng)計(jì)分析表明生物炭添加后土壤酸度和土壤養(yǎng)分共同決定了細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu),而土壤養(yǎng)分對真菌群落結(jié)構(gòu)的決定作用大于土壤酸度。另一方面,生物炭由于促進(jìn)了作物根系的生長,使之分泌更多的根際分泌物(有機(jī)碳),加上生物炭對有機(jī)碳具有較強(qiáng)的吸附和固持能力,導(dǎo)致根際土壤微生物比非根際接觸到更多的有機(jī)碳。有機(jī)碳是決定微生物群落結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要因子,從而導(dǎo)致根際土壤微生物對生物炭的敏感程度大于非根際土壤微生物。(5)探討生物炭表面定殖微生物的種類、群落結(jié)構(gòu)與功能基因,解析微生物的定殖機(jī)理。研究通過將高溫?zé)峤馍锾?700℃)和低溫?zé)峤馍锾?300℃)添加到紅砂土(低肥力)和黑土(高肥力)中進(jìn)行培養(yǎng),并將兩種生物炭提取出來,通過高通量測序?qū)ξ⑸锏姆N類、群落結(jié)構(gòu)和碳氮代謝基因進(jìn)行測定。結(jié)果表明,低溫?zé)峤馍锾慷ㄖ澄⑸锏幕钚院蜕锪?呼吸速率、DOC和DNA濃度)大于高溫?zé)峤馍锾?而高溫?zé)峤馍锾慷ㄖ澄⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)多樣性(OTU數(shù)量、Chao 1和Shannon指標(biāo))大于低溫?zé)峤馍锾�。生物炭表面定殖的主�?dǎo)細(xì)菌為放線菌門,主導(dǎo)碳氮代謝功能基因?yàn)樘妓衔锎x基因、反硝化基因和同化異化硝酸鹽還原基因。低溫?zé)峤馍锾坑捎诰哂休^多的脂肪族碳結(jié)構(gòu),可直接作為細(xì)菌生長繁殖所需的碳源,導(dǎo)致細(xì)菌的活性和生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高溫?zé)峤馍锾�。然�?高溫?zé)峤馍锾恳蚓哂刑厥獾睦砘再|(zhì)更適合各類微生物的生存,導(dǎo)致其多樣性高于低溫?zé)峤馍锾?但是因?yàn)槿狈μ荚?導(dǎo)致微生物的生長受到抑制,最終形成"高多樣性低生物量"的現(xiàn)象。
[Abstract]:Soil acidification is an important aspect of soil degradation . Soil acidification results in the decrease of soil quality and fertility , and the loss of nutrient elements . ( 2 ) The preparation and physical and chemical properties of bio - carbon from mixed raw materials are characterized by the advantages of different raw materials , such as the increase of the proportion of raw materials of rice straw , the change of the mineral crystal structure , surface function and surface morphology . ( 3 ) The effect and mechanism of bio - carbon on the acidity improvement and soil fertility of acidified soil were discussed . The effects of bio - carbon on the chemical properties of three acidified soils ( red sandy soil , red soil and yellow spot ) were studied . The results showed that the biological carbon could increase the pH , organic carbon , salt - based ion and pH buffering property of soil . ( 4 ) The effect and mechanism of biochar on microbial community structure of acidified soil were discussed . The effects of biochar on microbial community structure were discussed .

【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S156.6

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