生物炭、间作和菌根对重金属污染土壤特性及刨花润楠生长的影响

摘要

作为农林废弃物资源化利用的产物，生物炭可改良土壤，提高土壤肥力和生产力,并具有促进植物生长、增加作物产量、降低土壤重金属生物有效性等作用，在农林业和环境保护领域应用广泛。间作有助于提高植物对不同层级的光和热能的利用效率，使其从土壤中充分吸收养分和水分，这有利于促进作物的生长发育和干物质积累，还可能会影响邻近植物对部分重金属元素生物可利用性。丛植菌根真菌（AMF）也可通过自身的吸附作用改变土壤重金属的形态和生物有效性，直接缓解重金属对宿主植物的毒害性，还可直接增强包括植物的矿质营养、生长发育及对重金属的抗逆性等许多方面的生理机能。将施加生物炭与间作种植、接种AMF等修复技术有机结合能否提高重金属污染土壤的修复效率并高效的恢复污染区的生态重建值得研究探讨。鉴于此，为促进生物炭在农林业上的应用，本文以生物炭为核心，以刨花润楠（Machilus pauhoi）和望江南（Cassia occidentalis）等植物为研究对象，采用室内盆栽试验方法，探讨在重金属污染下，不同用量（0%、1%、4%、8%）生物炭与间作联合以及2种生物炭与丛植菌根真菌（AMF）联合作用对植物生长促进效应、土壤改良效应以及重金属污染修复的效应；采用野外水泥池试验，研究了不同用量（CK、T1、T2、T3）生物炭处理下，刨花润楠与梅叶冬青（Ilex asprella）间作体系中刨花润楠苗期生长动态及生理特性的动态变化，并通过2015年到2017年内连续3年的土壤取样测定，探讨了0-15cm和15-30cm土层土壤pH、土壤养分年际动态、土壤真菌多样性和群落结构的变化。主要研究结果如下：
　　（1）在重金属Cd、Cr和Pb复合污染的土壤中，施加不同用量生物炭（0%、1%、4%、8%）可促进刨花润楠及望江南植株的生长、根系形态的发育及干物质积累，且1%和4%施用量下更有利于刨花润楠植株的生长，施用量过高（8%）则促生长作用不显著甚至抑制生长。不同用量生物炭处理下望江南株高间差异不显著，但与对照相比，均显著增加。刨花润楠和望江南间作对植物各生长指标的影响则相对不显著。生物炭与间作复合处理则比各自单一处理对植物的促生长作用更明显。施加生物炭一定程度改善了植株叶绿素光合电子传递效率，增加了重金属胁迫条件下植株的光合作用，缓解了重金属毒害，间作对其则无显著影响。生物炭显著增加了土壤碳氮养分含量，提高了土壤pH，降低土壤重金属Cd、Cr和Pb有效态组分，减少了刨花润楠对重金属的吸收。并且，间作望江南与配施生物炭联合作用时，两者存在协同作用，与各自单一作用相比，能更有效的降低重金属毒害和促进植株生长。
　　（2）在Cd、Cr、Cu、Fe和Pb重金属复合污染土壤中，通过盆栽试验，探讨生物炭以及铁改性生物炭与接种AMF（摩西球囊霉Funneliformis mosseae）联合对望江南生长及土壤特性的影响。结果表明，在未接种丛枝菌根真菌（AMF）处理组的望江南根系中未发现AMF侵染，接种组则侵染良好，且生物炭与AMF联合处理时，普通生物炭显著增加了望江南根系AMF的侵染率，而铁改性生物炭则降低了AMF侵染率。单一接种AMF可显著促进根系的生长及其形态结构的构建，同时对望江南地上部植株的生长、干物质积累以及磷素的吸收也有显著促进作用，单一生物炭处理对其促进作用则不明显甚至表现出抑制效应，但AMF与生物炭复合作用的对望江南的促生效应相比单一处理更加显著，其中，AMF与普通生物炭的组合表现出最佳效应。接种AMF对土壤pH、土壤养分含量无显著影响，但2种生物炭对其影响显著，尤其能显著增加土壤 pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾含量。此外，单施2种生物炭均能降低望江南茎部除Cr外所有其它元素的含量及叶片中Cd，Cu和Fe的含量。2种生物炭与AMF复合作用也显著降低了望江南地上部茎叶各重金属元素的含量，减少了重金属向地上部的转移。铁改性生物炭与AMF接种复合处理则极大的增加望江南根系Cu和Fe含量。其中，AMF与普通生物炭的组合在促进望江南生长同时减少重金属污染风险的效应最佳。
　　（3）2015年-2017年野外水泥池中生物炭对刨花润楠与梅叶冬青间作体系影响的田间小区种植试验表明，在土壤中施入生物炭后，当年对种植初期刨花润楠幼苗生长、叶绿素荧光特性及干物质积累促进效应不显著，但随生长期的延长，施用第2年后，其促进效应逐渐显著，且适宜的施用量（T2）促生长效应最强。生物炭处理组的土壤pH及土壤养分含量显著高于对照组，土壤有机质和速效钾含量的增加与生物炭施用量成正比，表现出显著的土壤改良效应，且该效应在植物生长初期（2015年）、中期（2016年）及后期（2017年）均有所体现，具有显著的长效性。生物炭直接施于表层土壤，因此，0-15cm土层土壤 pH及土壤养分含量的对生物炭的响应显著高于15-30cm。此外，土壤养分随时间的延长逐渐较少，0-15cm土层养分含量显著高于15-30cm土层。并且，土壤重金属含量较低，未达到污染水平，其含量随生物炭施用量增加而增加，各元素含量之间的相关性较强，具有显著的同源性，各养分含量间也具有显著相关性。
　　（4）在野外水泥池刨花润楠与梅叶冬青间作体系的土壤中施入生物炭后第3年， 对土壤真菌群落结构进行取样研究。结果表明，生物炭可增加土壤 OTU数量，改变原有的真菌群落组分，提高土壤真菌群落的丰富度和多样性，且在 T2处理时促进效应最明显。0-15cm土层比15-30cm土层对生物炭的响应更为显著。与CK相比，低施用量生物炭处理下（T1）土壤真菌优势度也有所增加，高施用量生物炭（T2、T3）处理下优势度则无显著变化。土壤中的优势菌门有被孢毛霉亚门（Mortierellomycotina）、壶菌门（Chytridiomycota）、球囊菌门（Glomeromycota）、子囊菌门（Ascomycota）、担子菌门（Basidiomycota）5个菌门。施入生物炭后，0-15cm土层门水平上被孢毛霉亚门（Mortierellomycotina）、壶菌门（Chytridiomycota）、球囊菌门（Glomeromycota）和子囊菌门（Ascomycota）的相对丰度，属水平上Ostropa、Ochroconis、Capnobotryella、Muyocopron、水球壳属（Hydropisphaera）的相对丰度增加，属水平上子囊真菌路霉属（Lulworthia）、节梗霉属（Thamnocephalis）丰度降低，且T2处理下最高，与其它处理间差异显著。同时，15-30cm土层门水平上担子菌门（Basidiomycota）、球囊菌门（Glomeromycota）的丰度，属水平上球囊霉属（Glomus）、多腔菌属（Myriangium）、Capnobotryella、Zoophagus、木霉属（Trichoderma）的相对丰度降低。RDA分析显示，柄囊霉属（Funneliformis）、Ostropa、Piriformospora、小不整球壳属(Plectosphaerella)的丰度正相关于土壤养分含量，负相关于土壤pH。与土壤pH正相关的菌属有球囊霉属（Glomus）、Mycotribulus、圆孔牛肝菌属（Gyroporus）。其中，小不整球壳属(Plectosphaerella)、圆孔牛肝菌属（Gyroporus）对环境的敏感性最强，Piriformospora对环境的敏感性最差。
　　综上所述，生物炭可作为重金属污染土壤的改良剂及土壤真菌载体，将其与间作和AMF联合作用可降低重金属对目标植物的毒性，促进植物的生长并改良土壤环境，达到边修复边生产的目的。并且生物炭对土壤的改良效应具有长效性，可用于林地生态重建。本论文可为农业废弃物的资源化利用、污染土地生态修复和优良树种在轻度污染的地区的推广提供技术参考。

目录

声明

1 绪论

1.1土壤重金属污染研究现状

1.2 生物炭研究现状

1.3 间作的研究现状

1.4 AMF研究现状

1.5 本研究的意义和主要内容

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.3 结果与分析

2.4 讨论

2.5 小结

3.1 引言

3.2材料与方法

3.3 结果与分析

3.4 讨论

3.5 小结

4 生物炭对间作体系中刨花润楠幼苗生长及土壤养分年际变化的影响

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.3 结果与分析

4.4 讨论

4.5 小结

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.3 数据统计分析

5.4 结果与分析

5.5 讨论

6.1 结论

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

致谢

参考文献

附录A 部分实验结果列表

附录B 部分实验结果图片

附录C 攻读博士学位期间论文成果