生物炭对紫色土和黄壤养分、微生物及酶活性的影响

摘要

紫色土和黄壤是西南地区主要的农耕区土壤类型，西南地区地处丘陵地区，降水充足，人口密度大，坡地耕作强度大，因此存在土壤侵蚀，养分流失和土壤酸化等问题，在一定程度上阻碍了农业发展。生物炭具有高 pH值(大于7)，高灰分含量，高阳离子交换量，比表面积大、粒度细小、孔结构丰富、吸附性强等特性，因此能够提高酸性土壤pH，增加土壤肥力，改善土壤质量，为解决这一问题提供了新的途径。但是，由于生物炭的来源、性质、施用量及土壤类型的不同，其改良土壤的效果也有差异。本文采用盆栽试验，以稻壳生物炭为供试材料，通过16s、ITS测序等方法，研究了施用不同比例生物炭对紫色土和黄壤的养分含量、pH值、微生物群落结构多样性、酶活性和作物生长状况的作用效果及其动态变化规律，以期为西南地区紫色土和黄壤的改良提供理论依据和实践指导。主要研究结果如下：
　　1、紫色土和黄壤施用不同浓度生物炭后，明显提高了土壤 pH值，黄壤 pH值升高了1.0~1.6个单位，紫色土pH值升高了0.5~1.0个单位；同时，有机质、全磷、有效磷和速效钾含量随生物炭含量增加而增加；在不同培养阶段，土壤全钾含量以及全氮含量无明显变化规律，但在一定程度上减少了土壤碱解氮含量。
　　2、在不同时期，不同比例生物炭处理均显著增加了紫色土的放线菌数量、黄壤的细菌和放线菌数量，且随生物炭含量的增加而增加，在4％生物炭处理时增加达到最大，分别为对照的1.4~2.9倍、3.1~8.8倍和1.0~5.9倍。在30d时，紫色土细菌数量随生物炭含量增加呈现明显的递增趋势，4%生物炭处理与对照相比提高了53.1%；而60d以后，细菌数量增速放缓，生物炭的影响逐渐变得不显著。在30d~180d，施用4%生物炭，显著增加了黄壤真菌数量，较对照组分别提高31.0%，53.8%和30.6%；但180d(P)时，随生物炭施用量增加，黄壤真菌数量却显著减少，减少了89.1%。紫色土真菌数量在30d时各处理间无显著差异；60d和180d时呈下降趋势，4%生物炭处理的真菌数量下降至最低，与对照组相比分别减少了43.2%和44.2%；在180d(P)时，真菌数量随生物炭施用量增加而显著增加，2%生物炭处理时达到最大值，为对照的3.04倍。
　　3、运用高通量测序技术，探究了180d时种植作物并添加不同比例生物炭处理后，紫色土和黄壤中微生物群落结构和多样性指数的变化。通过对黄壤细菌多样性指数计算结果表明，添加生物炭各处理的Chao1指数均大于对照处理，Shannon指数呈波动态势。添加生物炭均增加了黄壤细菌中变形菌门（Proteobacteria），拟杆菌门（Bacteroidetes），疣微菌门（Verrucomicrobia）；降低了放线菌门（Actinobacteria），绿弯菌门（Chloroflexi）以及厚壁菌门（Firmicutes）的相对丰度。同时，生物炭的施用改变了黄壤中属水平上细菌的群落结构，在不同程度上增加了有助于植物生长和生物防护相关菌属的丰度，如：诺卡氏菌属（Nocardioides）和节杆菌属（Arthrobacter）；降低了某些植物病原细菌属的相对丰度，如假单胞菌（Pseudomonas）。
　　紫色土细菌多样性指数计算结果表明，0.8%和4%生物炭处理的Chao1指数均低于对照，降低了细菌群落的丰富度；不同比例生物炭处理后，均增加了Shannon指数与细菌群落中芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）的相对丰度，降低了细菌中放线菌门和疣微菌门（Verrucomicrobia）的相对丰度。紫色土中菌属的群落结构也有明显变化，在施用生物炭的各处理中，具有磷代谢功能的芽单胞菌属（Gemmatimonadetes）的相对丰度较对照均有不同程度增加。具有降解芳香化合物代谢能力的鞘脂单胞菌属（Sphingomonas）的相对丰度仅在0.8%生物炭处理中升高，在2%和4%处理中下降。类诺卡氏菌属（Nocardioides）和节杆菌属（Arthrobacter）相对丰度在不同生物炭处理中均呈下降趋势。
　　黄壤真菌多样性指数计算结果表明，仅2%生物炭处理的Chao1指数低于对照处理，不同生物炭处理的Shannon指数均低于对照。黄壤中，添加生物炭均增加了真菌中接合菌门（Zygomycota）的相对丰度，降低了子囊菌门（Ascomycota），担子菌门（Basidiomycota）的相对丰度；添加2%生物炭时，增加了壶菌门（Chytridiomycota）的相对丰度。
　　紫色土真菌多样性指数计算结果表明，生物炭各处理的Chao1指数均低于对照，Shannon指数均高于对照。紫色土中，施用不同比例生物炭后，增加了真菌中子囊菌门、壶菌门的相对丰度，降低了接合菌门的相对丰度；担子菌门仅在2%生物炭处理中增加。
　　4、黄壤施用不同比例生物炭后，土壤蔗糖酶活性均显著降低（180d除外），在各阶段2%生物炭处理蔗糖酶活性降至最低，与对照相比分别降低了63.5%、64.9%、49.4%和58.6%。各取样阶段的紫色土蔗糖酶活性都在生物炭含量为4%的处理达到最高，为对照的2.1~4.8倍。黄壤脲酶活性在生物炭添加量为4%时达到最高，并随着培养时间增加不同处理间差异逐渐显著，与对照相比升高了18.0%~67.1%。紫色土不同处理之间(180d除外)脲酶活性无显著差异。施用生物炭的黄壤和紫色土在培养初期(30d-60d)对过氧化氢酶活性并无显著影响，随着培养时间增加，过氧化氢酶活性显著增加，4%处理过氧化氢酶活性达到最高。
　　5、黄壤添加不同含量生物炭后，油菜株高和植株生物量均显著增加，0.8%、2%和4%生物炭处理株高均显著高于对照，油菜株高增加了4.00～4.60倍；油菜生物量也都显著高于对照处理，分别增加了8.49～11.44倍。紫色土添加生物炭后，仅0.8%的添加量显著增加了油菜的株高和植株生物量，与对照相比分别增加了16.5%和8.2%，生物炭添加量为4%时反而明显抑制了油菜的株高和植株生物量。

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第1章 文献综述

1.1 紫色土和黄壤概况

1.2 生物炭的研究现状

1.3 高通量测序技术的出现

1.4 结语

第2章 前言

2.1 研究目的和意义

2.2 研究内容

2.3 技术路线

第3章 生物炭对紫色土和黄壤pH值、养分的影响

3.1材料与方法

3.2数据处理

3.3结果与分析

3.4讨论与结论

第4章 生物炭对紫色土和黄壤微生物数量的影响

4.1材料与方法

4.2数据处理

4.3结果与分析

4.4讨论与结论

第5章 生物炭对紫色土和黄壤微生物群落结构的影响

5.1材料与方法

5.2数据计算方法

5.3结果与分析

5.4讨论与结论

第6章 生物炭对紫色土和黄壤酶活性的影响

6.1材料与方法

6.2数据处理

6.3结果与分析

6.4讨论与结论

第7章 生物炭对植株生长的影响

7.1材料与方法

7.2数据处理

7.3结果与分析

7.4讨论与结论

第8章 结论与展望

8.1主要结论

8.2研究不足与展望

参考文献

致谢

发表论文及参加课题