城市污泥发酵产物对沙质潮土土壤质量的影响

摘要

以小麦-玉米轮作体系下的沙质潮土为研究对象，选用经无害化城市污泥发酵后的产物，通过2013-2015年田间定位试验，研究了不同城市污泥发酵产物施用量对土壤肥力、酶活性和微生物群落组成的影响，以期为城市污泥资源化利用提供理论基础和技术依据。处理设:单施化肥(CK)、CK+污泥发酵产物15 t·hm-2(CS1)、CK+污泥发酵产物30 t hn-2(CS2)和CK+污泥发酵产物45 t·hm-2(CS3)。主要研究结果如下:
　　1.连续三年定位试验结果表明，同一施用污泥发酵产物处理土壤pH随施用时间的增加呈下降趋势;土壤养分含量如有机质(SOM)、全氮(TN)、速效磷(AP)和速效钾（AK）随施用时间的增长呈上升趋势。与CK处理相比，在2015年玉米季施用污泥发酵产物各处理土壤pH显著降低了0.34-0.83（P＜0.05），且与污泥发酵产物施用量呈反比;土壤SOM、TN、AP和AK分别显著提高了52.08％-166.85％、77.25％-177.84％、215.67％-486.26％和167.20％-378.96％(P＜0.05)，且与污泥发酵产物施用量呈正比。施用污泥发酵产物各处理土壤微生物量碳氮(MBC、MBN)含量和微生物碳氮比(MBC/MBN)均显著提高(P＜0.05)，并且季节的不同也显著影响土壤MBC、MBN含量和MBC/MBN(P＜0.05)。研究结果表明施用污泥发酵产物能显著降低土壤pH和提高沙质潮土土壤养分，同时促使土壤微生物的群落向以真菌为主的群落转化。
　　2.与CK处理相比，土壤活性碳库组分MBC、易氧化有机碳(LOC)和可溶性有机碳(DOC)在施用污泥发酵产物各处理分别显著提高了84.00％-188.07％，26.26％-58.03％和109.58％-185.39％(P＜0.05)，其中CS3处理提升效果最明显;施污泥发酵产物各处理土壤微生物量熵(MBC/TOC)和易氧化有机碳有效率(LOC/TOC)均有升高趋势，提高范围分别为8.02％-2.77％和13.75％-46.48％，土壤可溶性有机碳有效率(DOC/TOC)施污泥发酵产物各处理分别显著降低了17.06％-40.94％(P＜0.05)，并且随污泥发酵产物施用量的增大，MBC/TOC、LOC/TOC和DOC/TOC呈下降趋势，说明施用45 t·hm-2污泥发酵产物增大了土壤中稳定态碳含量，导致其比值降低;施污泥发酵产物各处理土壤碳库活度(L)和碳库指数(LI)随污泥发酵产物施用量增大而降低，说明施用45 t·hm-2污泥发酵产物其土壤稳定态碳含量高，有利于沙质潮土土壤有机碳的积累;施污泥发酵产物各处理土壤碳库管理指数(CMPI)显著提高了153.45％-195.40％(P＜0.05)，其中CS3处理提升效果最为明显;通过相关性分析及冗余分析得出，用CMPI来表征土壤肥力的变化比用TOC更灵敏、直接，能更好地反映出土壤养分及碳库的动态变化。
　　3.与CK处理相比，施用污泥发酵产物各处理土壤和植物籽粒中重金属含量均有不同程度累积，但是其值均远低于国家环境质量二级标准(GB15618-1995)和国家农产品质量安全规定的限量值，说明在本研究中的所用污泥发酵产物施用量范围内不会造成土壤和植物籽粒重金属污染，能够保持土壤环境健康。
　　4.与CK处理相比，施用污泥发酵产物各处理土壤碳氮磷循环的酶活性（除了碱性磷酸酶）均显著提高，但土壤酶比活却显著下降(P＜0.05)，表明微生物释放和生产酶的能力降低;施用污泥发酵产物各处理土壤微生物功能多样性降低，且和污泥发酵产物施用量呈反比，但施用污泥发酵产物各处理土壤的微生物群落结构多样性显著提高(P＜0.05)，表明施用污泥发酵产物后土壤微生物群落结构向由非活性的微生物占主导的群落转变或向由利用养分效率更高的微生物（真菌）主导的群落转变。主成分分析(PCA)和冗余分析(RDA)均得出土壤pH能显著影响土壤酶活性和酶比活变化。由皮尔逊相关指数分析得出，土壤酶比活较酶活性与土壤微生物活性和群落结构更相关，所以土壤酶比活较酶活性更能作为土壤微生物群落结构的指示指标。
　　5.与CK处理相比，施用污泥发酵产物各处理土壤的丰富度指数（ACE和Chao1）显著提高（P＜0.05），土壤均匀度(Shannon和Simpson)指数虽然有所提高，但与CK相比无显著差异，表明施用污泥发酵产物可以显著改变土壤的α多样性。门水平上，施用污泥发酵产物各处理土壤Acidobacteria，Proteobacteria，Actinobacteria和Chloroflexi相对丰度升高，而Actinobacteria和Firmicutes相对丰度降低，同时纲和目水平上施用污泥发酵产物各处理同样有显著变化，表明污泥发酵产物的施用能显著改变土壤的微生物群落组成。PCA得出，施用高用量的污泥发酵产物处理（CS2和CS3）土壤微生物群落相似，与CK和CS1处理群落组成差异较大，表明高施用量污泥发酵产物对土壤群落组成的影响更大。RDA得出，土壤pH和全氮能显著影响土壤微生物群落组成。
　　综上所述，施用城市污泥发酵产物，尤以施用45 t hm-2污泥发酵产物(CS3)，在确保土壤植物安全的前提下，可以有效改善贫瘠的沙质潮土的土壤养分状况，提高沙质潮土有机质的贮存量和内在活性，有效改善土壤微生物学特性，这对于克服沙质潮土障碍因子，提高沙质潮土土壤质量，保证国家粮食安全长效机制方面具有重要理论意义和实践指导作用。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 土壤改良剂对土壤理化性质的影响

1．2．2 土壤改良剂对土壤酶活性的影响

1．2．3 土壤改良剂及其它农业投入品在土壤微生物方面的研究

1．3 选题的目的与意义

1．4 研究目标

1．5 研究内容

1．6 技术路线

第二章 材料与方法

2．1 供试城市污泥发酵产物

2．2 供试基地

2．3 试验设计

2．4 测定指标及方法

2．4．1 土壤样品的采集

2．4．2 土壤基本理化性质的测定

2．4．3 土壤活性碳库的测定

2．4．4 土壤重金属的测定

2．4．5 土壤酶活性的测定

2．4．6 土壤微生物群落组成的测定

2．5 数据统计分析

第三章 连续施用城市污泥发酵产物对沙质潮土土壤肥力的影响

3．1 对土壤理化指标的影响

3．1．1 土壤主要理化性质

3．1．2 土壤微生物量碳氮

3．1．4 讨论

3．2 对土壤活性碳库及碳库管理指数的影响

3．2．1 施用污泥发酵产物对土壤活性碳库各组分含量的影响

3．2．2 土壤碳库各指标的主成分分析

3．2．3 土壤活性碳库各组分、碳库管理指数之间及与碳素有效率之间的相关性

3．2．4 土壤理化性质与土壤活性碳库组分的冗余分析

3．2．5 讨论

3．3 对土壤和供试植物质量安全性分析

3．3．1 土壤重金属含量

3．3．2 植物籽粒重金属含量

3．3．3 讨论

3．4 小结

第四章 连续施用城市污泥发酵产物对沙质潮土土壤酶活性的影响

4．1 对土壤酶活性和酶比活的影响

4．2 土壤微生物群落功能和组成的多样性

4．3 土壤酶活性和酶比活与环境影响因子的关系

4．4 讨论

4．4．1 施用污泥发酵产物对土壤酶活性和酶比活的影响分析

4．4．2 对土壤微生物功能多样性和群落组成多样性的影响分析

4．4．3 对土壤理化性质和土壤酶活性，酶比活关系的分析

4．5 小结

第五章 连续施用城市污泥发酵产物发酵产物对沙质潮土土壤微生物群落结构的影响

5．1 对细菌α多样性的影响

5．2 土壤细菌群落的组成

5．2．1 土壤细菌门水平丰度

5．2．2 土壤细菌纲水平丰度

5．2．3 土壤细菌目水平丰度

5．2．4 土壤细菌丰富度的影响因子

5．2．5 土壤细菌均匀度的影响因子

5．2．6 土壤细菌群落和环境因子之间的相关性

5．3 讨论

5．3．1 连续施用污泥发酵产物对土壤细菌丰富度和均匀度的影响

5．3．2 连续施用污泥发酵产物改变土壤微生物群落的组成

5．3．3 土壤细菌群落多样性和土壤性质之间的关系

5．4 小结

6．1 结论

6．2 研究展望

参考文献

致谢

作者简历