香蕉假茎生物炭对香蕉苗生长及根际微生物的影响

摘要

香蕉作为热带及亚热带地区主要的经济作物而被广泛种植，在我国南方广东、广西、福建等地区，香蕉产业为农民带来了巨大的经济效益。传统的香蕉种植施用大量化学肥料提高香蕉产量以追求更高的经济效益，而这种粗放的施肥方式不仅对肥料中养分的利用率低，同时还造成了蕉园出现土壤酸化、结构破坏、土壤板结、有机质含量降低、土壤微生物群落被破坏等问题。同时，过量的化学肥料还会随着降水、灌溉作用等流入到地下水中，造成地下水资源的污染。所以，现在需要找到一种有效环保的土壤改良剂，改善土壤的营养状况，促进香蕉的生长。生物炭是指在无氧条件下，将生物质热解形成的一种富含碳元素的固体，生物炭的原料来源十分广泛，作物秸秆、树木枝叶、牲畜粪便等生物质都可作为生物炭的原料。田间施加生物炭能够有效增加土壤中的有机质、无机质营养，调节酸性土壤pH，提高土壤持水能力，修复土壤微生物群落等。所以生物炭是一种改善酸化土壤现状的理想土壤添加剂。本研究通过对香蕉假茎生物炭性质及施加后对土壤、香蕉苗、土壤微生物群落等的影响，为生物炭在改良土壤方面的开发利用提供一定的理论基础。主要的研究结果如下： 1．香蕉假茎生物炭与香蕉假茎理化性质具有明显差异。香蕉假茎热解生成生物炭后，平整的表面结构消失，形成了丰富的孔状结构和明显的空隙。生物炭呈现强碱性，pH达10.30，固定碳、灰分、挥发分分别为43.26%、37.25%、19.49%。由于具有丰富的孔状结构，生物炭具有较好的吸附性，碘吸附值达到159.61 mg/g。香蕉假茎生物炭中C、N、S、P的含量分别为16.58 mg/g、5.91 mg/g和5.93 mg/g。金属元素K、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、Mn含量分别为38.68 mg/g、15.23 mg/g、10.68 mg/g、6.78 mg/g、2.76 mg/g、5.05 mg/g、1.05 mg/g，相较于香蕉假茎元素含量有明显提升。 2．香蕉假茎生物炭的施加明显促进了香蕉苗的生长。使用原始样（CK）和将生物炭以1%（C1）、2%（C2）、3%（C3）的重量比例与土壤混合后的基质种植香蕉苗进行盆栽实验。结果表明，生物炭的施加能够明显促进香蕉苗的生长。生物炭处理组香蕉苗在株高、茎围（上、中、下）、青叶数，最大叶长、宽方面均优于空白对照组。其中，C2处理组香蕉苗根、茎、叶及总生物量均为最大值，相较于对照组分别增长了62.7%、87.2%、29.2%和59.0%。 3．生物炭处理组香蕉苗叶片 C、N、K、P的含量均高于空白对照组，C的最高含量出现在C3中达388.93 mg/g相较于空白对照组增加7.5%；N的最高含量出现在C1中达14.71 mg/g相较于空白对照组增加13.2%；K的最高含量出现在C2中达94.46 mg/g相较于空白对照组增加220.0%；P的最高含量出现在C3达5.02mg/g相较于空白对照组增加83.2%； 4．生物炭的施加明显提高了酸性土壤的pH，C1、C2、C3处理组土壤pH由原来的6.68分别提升至7.13、7.70和7.90。土壤阳离子交换量明显提升，由空白对照组的7.57 cmol/Kg分别提升至25.46 cmol/Kg、31.99 cmol/Kg、20.87 cmol/Kg。速效磷、速效钾和有机质含量随生物炭施加量的增加而增加，最大增加量相较于空白对照组分别增长了273.8%、156.2%和171.6%。速效氮的量随着生物炭施得加量增加而降低。 5．生物炭对土壤酶活性具有明显影响。过氧化氢酶活性随生物炭施加量增加而增加，由空白对照组0.62 U/g分别达1.05 U/g、1.45 U/g、1.78 U/g。脲酶活性由空白对照组3.16 U/g分别达3.85 U/g、4.86 U/g、5.13 U/g。脱氢酶酶活在空白对照组组中未检测到，在生物炭处理组中分别为1.09 U/g、0.91 U/g、0.30 U/g。酸性磷酸酶由空白对照组0.49 U/g分别达1.50 U/g、0.43 U/g、0.37 U/g。中性磷酸酶由空白对照组1.28 U/g分别达2.05 U/g、1.61 U/g、1.94 U/g。 6．土壤微生物生物量碳随生物炭施加量增加而增加。生物炭的施加对香蕉苗根际土壤微生物数量具有明显影响。细菌数量呈现出CK＜C1＜C2＜C3，且组间差异显著。真菌数量表现为CK＜C3＜C2＜C1。放线菌呈现出CK＜C2＜C1＜C3。固氮菌表现为CK＜C1＜C2＜C3。氨化细菌为CK＜C1＜C2＜C3。 7．通过Biolog分析发现，在同一时间点，各处理组的AWCD值呈现C3＞C2＞C1＞CK，表明生物炭提高了香蕉苗根际土壤微生物群落利用碳源的能力。同时各处理组的物种丰度指数、均匀度指数、碳源利用丰度相较于空白对照组分别增加了8.1%~9.8%、0.8%~1.8%、10.0%~18.7%。生物炭对微生物群落利用复合物、糖类、羧酸类、氨基酸类、酚类和胺类碳源能力具有促进作用，特别是在高浓度生物炭施加量下，微生物群落对胺类和酚类碳源的利用能力明显提升。表明生物炭对香蕉苗根际土壤中的微生物群落的代谢能力、结构具有显著的优化作用。 8．对香蕉苗根际土壤微生物群落磷酸脂肪酸分析后发现，生物炭各处理组磷酸脂肪酸总量均高于空白对照组且差异显著，呈现出C2＞C1＞C3＞CK的趋势，相较于空白对照组，生物炭处理组的磷酸脂肪酸总量分别增加了48.2%、55.1%和15.5%。生物炭对各种微生物的磷酸脂肪酸量表现出促进作用:细菌的磷酸脂肪酸含量表现为CK＜C1＜C2＜C3，且各组差异明显。革兰氏阳性菌的磷酸脂肪酸含量表现为 CK＜C3＜C2＜C1，C1、C2两组磷酸脂肪酸含量显著高于其他两处理组。革兰氏阴性菌的磷酸脂肪酸含量表现为 C3＜CK＜C2＜C1。真菌、丛枝菌根真菌和放线菌的磷酸脂肪酸含量也都表现为C1、C2处理组中的含量显著高于其余两处理组。 9．通过对香蕉苗根际土壤细菌群落的16s DNA高通量测序分析后发现，不同生物炭处理对细菌群落的组成具有明显影响。在门水平上，变形菌门、放线菌门、拟杆菌门、酸杆菌门、疣微菌门和绿弯菌门为各处理土壤细菌群落中含量最高的6大菌门类，其中变形菌门和放线菌门在细菌群落中所占的比例达到60%~67%。不同菌对生物炭的施加及施加量反应不同，如生物炭的施加促进了变形菌门、疣微菌门、绿弯菌门等比率的增高，而对酸杆菌门、放线菌门等则会出现抑制作用。在属水平上，生物炭的施加对 Thermomonas、Steroidobacter、Arthrobacter、Nitrospira、Devosia和 Candidatus-Nitrososphaera等的丰度起到了促进作用，而 Amycolatopsis、Phenylobacterium、Aquicella等在有生物炭存在的情况下，其丰度会明显降低。总体上来说，生物炭的施加会使香蕉苗根际土壤的细菌群落结构发生变化，生物炭处理组内，C1、C2处理组的细菌群落相似程度较高。

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主要符号对照表

第1章 引言

1.1 香蕉及其种植产业现状

1.2 生物炭

1.3 生物炭施加对土壤的影响

1.4 生物炭对土壤微生物的影响

1.5 本研究的内容、目的和意义

第2章 香蕉假茎生物炭理化性质分析

2.1 材料与方法

2.2 结果与分析

2.3 讨论

第3章 香蕉假茎生物炭施加对土壤及香蕉苗生长的影响

3.1 材料与方法

3.2 结果与分析

3.3 讨论

第4章 香蕉假茎生物炭对土壤微生物的影响

4.1 材料与方法

4.2 结果与分析

4.3 讨论

第5章 高通量测序法研究香蕉假茎生物炭对细菌群落结构的影响

5.1 实验材料与方法

5.2 结果与分析

5.3 讨论

第6章 结论

6.1 香蕉假茎生物炭理化性质

6.2 生物炭的施加对香蕉小苗生长、土壤营养及土壤酶的影响

6.3 生物炭对微生物群落的影响

参考文献

致谢

个人简历、在校期间发表的学术论文与研究成果