本文關鍵詞：生物炭對植稻酸性土壤微生物群落和土壤肥力的影響

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【摘要】：生物炭是一類富含碳的物質,主要由有機物質(通常是植物材料)在無氧或缺氧環(huán)境下高溫分解生成的。高溫生成的生物炭能夠很好地耐受土壤中微生物的降解。同時,這些生物炭能夠改變土壤理化性質,提高土壤肥力。土壤中添加生物炭還可以減少從土壤到環(huán)境的碳排放。為此,我們設計了一系列實驗以探究不同原料生成的生物質炭對酸性土壤中微生物群落結構和土壤肥力的影響。第一個實驗研究了不同有機原料在300℃C和500℃分別加溫熱解2h和4h制備不同類型的生物炭。通過測定生物炭的物理化學性質,來探究熱解過程中時間和溫度對生物炭特性的影響。生物炭、灰分含量、比表面積、pH、碳氮含量、堿性陽離子和電導率(Electric conductivity, EC)等性質隨著生物炭熱解溫度的升高而增加,5000C熱解生成的生物炭的這些性質均比300℃高,而氫、氧含量和陽離子交換量(Cationic exchange capacity, CEC)等性質則與之相反。此外,通過XRD和EDS分析發(fā)現,5000C熱解生成的生物炭中CaCO3、SiO2和KCl的含量均高于300℃C生物炭。同時,FTIR光譜結果顯示較高溫度下生成的生物炭具有更穩(wěn)定的結構。隨著熱解溫度的升高,鉀和磷的含量也隨之升高。該實驗結果表明,在一定條件下可以通過篩選不同的有機原料和熱解條件制備出適用于提高土壤肥力或碳固定劑的生物炭。在第二個實驗中,我們采用豬糞(SM)、果皮(FP)、蘆葦(PA)和油菜(BR)等有機物料制備的不同類型的四種生物炭,供試土壤為紅砂土和黃筋泥,生物炭添加量為3%(wt/wt),測定了培養(yǎng)過程中鉀、鈣、納、鎂、鋁、銅、鋅、鉛、鉻、鎘、鎳、鉆、錳、鐵、硼、鉬等元素有效性的變化。土壤中鉛、鎘、銅、鎳、錳、鋅、鐵的有效性在生物炭添加處理中顯著增加,其中在SM生物炭處理中鉬、銅和鋅元素的有效性較高。包括鈉、鎂、鉀和鈣在內的可利用礦質元素的濃度在大多數生物炭處理中有顯著的增加,然而其中鎂和鈣元素有效性在BR處理組中有所下降。經過90天的培養(yǎng)試驗,測量了土壤中的磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid, PLFA)和土壤化學性質。原材料或生物炭種類和用量對土壤微生物群落結構和化學性質有顯著的影響。紅砂土中,與對照相比,施用1%和3%FP生物炭、1%SM生物炭和3%PA生物炭增加土壤細菌、真菌、放線菌、革蘭式陽性和陰性菌和硫還原菌的PLFA含量,對照土壤具有較高含量的指示環(huán)境壓力的異構與反異構PLFAs之比。原生動物的PLFA只在3%PA和1%BR生物炭處理中增加。冗余分析(Redundancyanalysis, RDA)顯示在不同生物炭種類和添加量的情況下土壤微生物群落結構與土壤化學性質之間的關系,結果表明不同的生物炭引起了pH、可溶性有機碳(DOC)、總碳(TOC)和氮素(N)在內的化學性質的改變,同時也改變了微生物的群落結構,這些性質的改變可以作為土壤改良和C固定的指標。在黃筋泥土壤中,細菌、真菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、真菌細菌比例、環(huán)丙烷脂肪酸、異構脂肪酸、反異構脂肪酸、異構與反異構脂肪酸之比和硫還原菌的PLFA含量在1%和3%FP生物炭處理土壤中較高,1%SM和3%PA生物炭處理次之,但都高于對照,但所有生物炭處理土壤的原生動物PLFA含量均有顯著的變化,而革蘭氏陰性菌的PLFA含量則有所下降,土壤pH、K、可溶性有機碳和總碳的含量有所升高；而除了SM和FP生物炭處理,大多數生物炭處理土壤的硝態(tài)氮含量卻有所下降。RDA分析顯示,細菌、原生生物、異構脂肪酸、革蘭氏陽性菌、飽和脂肪酸、硫還原菌、反異構脂肪酸、單不飽和脂肪酸、真菌PLFAs與土壤pH、DO、NO3-和交換態(tài)無機氮呈正相關,而且這些值在1%和3%PA、1%FP和3%SM生物炭處理中較高。革蘭氏陰性菌、放線菌、環(huán)丙烷、厭氧菌、異構與反異構PLFAs之比、真菌細菌比、環(huán)丙烷脂肪酸與其前體脂肪酸之比和飽和脂肪酸與單不飽和脂肪酸之比等與土壤呼吸(C02)和可溶性有機碳呈正相關,同時這些值在3%FP生物炭添處理和對照中較高。RDA分析表明生物炭改變了土壤DOC、N、C含量以及微生物的群落結構。在第三個水稻盆栽試驗研究中,將3%(wt/wt)的小麥秸稈生物炭分別添加到紅砂土和黃筋泥土壤中。水稻收獲時,測定不同處理土壤中淋溶液和醋酸銨可提取態(tài)養(yǎng)分以及水稻產量和微生物群落結構。添加生物炭后,紅砂土和黃筋泥土壤pH分別從4.2和4.7增加到6.2和6.7,總氮分別增加135%和37%,有機碳增加90%和80%,但可溶性有機氮分別下降了24%和15%,可溶性有機碳分別下降40%和44%。同時生物炭添加降低了紅砂土土壤中K、B、Cu、Mn和Zn的淋失,分別降低了24%、25%、80%、37%和33%；降低了黃筋泥土壤中Al、 B、Cu、Fe、Mn和Zn的淋失,分別降低了38%、50%、60%、43%、69%和83%。在紅砂土土壤中可提取態(tài)的Al、Cu、Mn、Mo和Zn分別降低了22%、45%、22%、65%和62%；在黃筋泥土壤中Al和Mo分別降低了37%和45%。在兩種土壤中,生物炭的添加促進了水稻對養(yǎng)分的吸收。同時,生物炭的添加通過增加土壤pH、總有機碳和可溶性有機碳等改變了土壤微生物的群落結構。生物炭的添加可以促進了作物對養(yǎng)分的吸收和土壤對養(yǎng)分的表面吸附,即添加生物炭降低了土壤養(yǎng)分的損失,卻提高了土壤肥力和作物產量。
【關鍵詞】：
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：S141
【目錄】：

• Acknowledgement10-11
• Abbreviations11-17
• Abstract17-21
• 摘要21-24
• Chapter 1 General introduction24-30
• 1.1 Objectives28-30
• Chapter 2 Literature review30-52
• 2.1 Introduction30-52
• 2.1.1 Chronology of biochar31-32
• 2.1.2 Pyrolysis process32-34
• 2.1.3 Pyrolysis technologies34
• 2.1.4 Pyrolysis temperatures34-35
• 2.1.5 Chemical heterogeneity of biochar35-36
• 2.1.6 Impact of biochar on soil physical properties36-38
• 2.1.7 Impact of biochar on soil chemical properties38-42
• 2.1.8 Impact of biochar on soil microbial community42-46
• 2.1.9 Effect of biochar on pesticides behavior46-47
• 2.1.10 Effect of biochar on plant growth and nutrient availability47-50
• 2.1.11 Carbon sequestration50-52
• Chapter 3 Physico-chemical properties ofbiochars generated from different feedstocksunder different pyrolysis conditions52-70
• 3.1 Introduction52-53
• 3.2 Material and methods53-55
• 3.2.1 Biochar production53-54
• 3.2.2 Physical and chemical analysis54-55
• 3.3 Results and discussion55-69
• 3.3.1 Physicochemical properties of biochars55-60
• 3.3.2 Elemental analysis60-65
• 3.3.3 X-ray diffraction analysis65
• 3.3.4 FTIR analysis65-67
• 3.3.5 Scanning Electron Microscopy(SEM)67-69
• Conclusions69-70
• Chapter 4 Biochars from different feedstocks change the element concentrations inPsammaquent and Plinthudult70-80
• 4.1 Introduction70-71
• 4.2 Materials and methods71-72
• 4.2.1 Soil collection and classification71
• 4.2.2 Biochar production71-72
• 4.2.3 Experimental design72
• 4.2.4 Element extraction and analysis72
• 4.3 Results and discussions72-78
• 4.3.1 Element analysis of soils and biochars used in this experiment72-74
• 4.3.3 Influence of biochars on available soil element concentrations74-78
• Conclusion78-80
• Chapter 5 Changes in soil microbial community structure due to biochars generated fromdifferent feedstocks and biochar relationships with soil chemical properties80-106
• 5.1 Introduction80-82
• 5.2. Material and methods82-85
• 5.2.1 Biochar production and characterization82
• 5.2.2 Chemical analysis of control and amended soil after incubation82-83
• 5.2.3 PLFA extraction83
• 5.2.4 Microbial biomarkers83-84
• 5.2.5 Statistical analysis84-85
• 5.3 Results and discussion85-105
• 5.3.1 Physico-chemical characterization of biochars85-86
• 5.3.2 Influence of biochars on chemical properties of soils86-90
• 5.3.2.1 Psammaquent86-88
• 5.3.2.2 Plinthudult88-90
• 5.3.3 Influence of biochars on microbial community structure90-101
• 5.3.3.1 Psammaquent90-96
• 5.3.3.2 Plinthudult96-101
• 5.3.5 Relationship between soil microbial community and chemica101-105
• 5.3.5.1 Psammaquent101-102
• 5.3.5.2 Plinthudult102-105
• Conclusion105-106
• Chapter 6 Influence of wheat straw biochar on yield of rice and some properties of aPsammaquent and a Plinthudult106-128
• 6.1 Introduction106-109
• 6.2 Materials and Methods109-112
• 6.2.1 Soils and biochar109
• 6.2.2 Greenhouse experiment109-110
• 6.2.3 Analysis110-112
• 6.3 Results and Discussion112-127
• 6.3.1 Wheat straw biochar and soil properties112-113
• 6.3.2 Changes in soil properties at harvest due to biochar113-115
• 6.3.3 Effect of biochar on nutrient leaching from soils115-118
• 6.3.4 Extractable concentrations of nutrients in biochar amended and non-amended soils118-120
• 6.3.5 Effect of biochar on plant growth120-121
• 6.3.6 Accumulation of nutrients in rice straw and grain121-124
• 6.3.7 Microbial PLFA community structure in biochar amended soils growingnee.124-127
• Conclusion127-128
• Chapter 7 Major conclusions and perspectives128-131
• 7.1 Major findings128-129
• 7.2 Future challenges and recommendations129-131
• References131-154
• Appendix154-156

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前5條

1 ;Bacterial Community Structure and Diversity in a Black Soil as Affected by Long-Term Fertilization[J];Pedosphere;2008年05期

2 ;Amendment of Acid Soils with Crop Residues and Biochars[J];Pedosphere;2011年03期

3 ;Rice production in China in the early 21~(st) Century[J];Chinese Rice Research Newsletter;2000年02期

4 Md.Jahidul Islam SHOHAG;;Characterization of ~(68)Zn uptake,translocation,and accumulation into developing grains and young leaves of high Zn-density rice genotype[J];Journal of Zhejiang University-Science B(Biomedicine & Biotechnology);2011年05期

5 黃紹文,金繼運;我國北方一些土壤對外源鉀的固定[J];植物營養(yǎng)與肥料學報;1996年02期

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本文編號：851838