连续多年施用生物炭对植烟褐土微生态的影响

摘要

随着农业化肥的大量施用，土壤出现了越来越多的问题:土壤板结、土壤酸化、土壤肥力下降、土壤微生态系统平衡紊乱、土传病害增加、作物产量和品质下降等。生物炭作为良好的土壤改良剂，其高达40％-75％的碳素含量，巨大的孔隙度结构、较大的比表面积、丰富的表面负电荷以及较高的电荷密度可以显著降低土壤酸度、吸附有毒重金属、提高土壤CEC、增加土壤碳汇，有效改善土壤理化特性，明显提高土壤肥力，促进作物增产增质。此外微生物作为土壤微生态的重要一部分，对土壤周围环境的变化极为敏感。生物炭改变了土壤周围的环境，也就影响着土壤微生物的生长发育。本文于2014-2017在河南农业大学许昌校区现代烟草科教园区试验田进行，共设置四个处理，CK（30kg/hm2/a纯氮）、T1（1.5t/hm2/a生物炭+30kg/hm2/a纯氮）、T2(15t/hm2/a生物炭+30kg/hm2/a纯氮)、T3(45t/hm2/a生物炭+30kg/hm2/a纯氮)。从土壤理化特性、细菌微生物的多样性、烟株生长发育、烤烟经济性状等方面研究了连续多年施用生物炭对植烟褐土的改良效果及对烟叶种植的影响。主要研究结果如下:
　　1、T1处理土壤容重、pH、含水率和团聚体未发生明显改变，T2和T3处理土壤容重分别降低了8.33％和12.5％，pH增加了2.31％和2.96％，含水率提高了15.49％和22.26％，干筛下土壤团聚体MWD（平均重量直径）提高了15.4％和21.38％，湿筛下土壤团聚体MWD提高了12.89％和25.77％;T3处理土壤DR0.25（大于0.25mm的机械稳定性团聚体）和WR0.25（大于0.25mm的水稳定性团聚体）分别提高了3.00％和58.11％，达到显著水平;PAD（土壤团聚体破坏率）和ELT（土壤不稳定团粒指数）分别降低了25.21％和25.00％，达到显著水平。
　　2、生物炭明显提高了土壤有机质、全碳、全氮和速效养分含量。T1、T2和T3处理有机质和全氮含量分别提高(7.47％、20.64％和24.56％)和(5.56％、11.11％和16.77％)，T1处理土壤全碳含量和C/N略有增加，但未达到显著水平，T2和T3处理土壤全碳含量和C/N分别提高了(30.37％、55.14％)和(17.24％、32.97％)，达到显著水平。土壤速效磷、速效钾和硝态氮含量明显增加，T1、T2和T3处理速效磷、速效钾和硝态氮含量分别增加了（37.64％、48.27％和82.88％）、(8.96％、16.17％和48.67％)和(33.83％、41.67％和68.75％)。土壤铵态氮含量处理间变化趋势不一致，T1处理显著增加，较对照提高了2.42％，T2处理未发生显著变化，T3处理显著降低了土壤铵态氮含量，降幅为9.09％。
　　3、生物炭提高了细菌的丰度和功能多样性。施用生物炭不仅改变了土壤的理化特性，也改变了土壤细菌的丰度和群落结构功能。在非根际土样中生物炭显著提高了门水平下优势种群变形菌门和酸杆菌门（Proteobacteria和Acidobacteria）的丰度，降低了放线菌门（Actinobacteria）的丰度;在根际土中，施加生物炭降低了厚壁菌门（Firmicutes）和Actinobacteria的丰度，但增加了Proteobacteria、Acidobacteria、奇古菌门（Thaumarchaeota）等的丰度，T2处理显著增加了其他处理没有显著变化的硝化螺旋菌门（Nitrospirae）的丰度。在非根际土样中，生物炭显著降低了属水平下优势种群芽孢杆菌属（Bacillus）的丰度，但生物炭增加了根瘤菌属（Rhizobium）和假单胞菌属(Pseudomonas)的丰度，T1处理显著增加了其他处理没有变化的剑菌属（Ensifer）的丰度，T2处理显著降低其他处理没有显著变化的Streptomyces的丰度，T3处理显著增加其他处理没有显著变化的Sphingobium的丰度;在根际土中，施加生物炭降低了节杆菌属（Arthrobacter）、Streptomyces和Bacillus的丰度，增加了Sphingomonas的丰度，且随着生物炭量的增加Arthrobacter和Streptomyces的丰度在逐渐降低。土壤中的理化特性与土壤细菌的丰度和群落结构功能有着紧密的联系，其中有机质含量、pH、硝态氮含量以及含水率对土壤细菌的丰度和群落结构功能影响最为显著。Bacillus与土壤有机质(SOM)和pH显著相关。Steroidobacter与SOM显著相关。粘细菌属（Haliangium）与土壤水分(Mositure)显著相关。戴沃斯氏菌属（Devosia）与硝态氮的含量(Nitrate)显著相关。
　　4、15t/hm2/a生物炭处理可以提高烤烟的产量，改善烤后烟品质。相比CK处理，旺长前期生物炭的施用抑制了烟株的生长发育，在旺长后期促进了烟株的生长发育，整个时期，施用生物炭T3处理生长发育最差，T2处理对烟株的生长发育最好;生物炭在一定程度上增加了烤烟中部叶(C3F)的总糖、还原糖、氯、钾含量以及钾氯比、糖碱比，但是确降低了烟碱的含量，按照优质烟叶的标准来，T2处理最为适宜;相比CK处理，T1处理增加了烤烟的产量、产值、均价和上中等烟比例，增幅依次是2.46％、4.26％、1.76％、0.35％;T2处理增加了烤烟的产量、产值、均价和上中等烟比例，增幅依次是4.67％、11.58％、6.61％、4.02％;T3处理降低了烤烟的产量、产值、均价和上中等烟比例，降幅依次是1.04％、2.34％、1.32％、0.35％。
　　结论:15t/hm2/a和30t/hm2/a生物炭处理明显改变了土壤物理特性，表现为土壤容重、PAD和ELT降低，而土壤pH值、含水率和土壤团聚体MWD增加;多年施用生物炭明显提高了土壤有机质、全碳、全氮和速效养分含量，提高幅度与生物炭用量成正比;生物炭改变了土壤细菌群落结构，提高了优势菌种的丰度和多样性，每年每公顷土壤施用15吨生物炭可以促进烟株生长，改善烟草品质。

目录

声明

致谢

摘要

1 文献综述

1．1 生物炭简介

1．2 生物炭对土壤物理性质的影响

1．2．1 生物炭对土壤容重的影响

1．2．2 生物炭对土壤孔隙度的影响

1．2．3 生物炭对土壤水分的影响

1．2．4 生物炭对土壤团聚体结构的影响

1．3 生物炭对土壤化学性质的影响

1．3．1 生物炭对土壤pH的影响

1．3．2 生物炭对土壤阳离子交换量的影响

1．3．3 生物炭对有机质的影响

1．3．4 生物炭对土壤呼吸的影响

1．3．5 生物炭对速效养分的影响

1．4 生物炭对土壤微生物的影响

1．4．1 生物炭对土壤细菌的影响

1．4．2 生物炭对土壤真菌的影响

1．4．3 生物炭对土壤微生物群落结构的影响

1．5 生物炭对烟草生长发育的影响

2 引言

3 材料与方法

3．3．1 土壤指标的测定

3．3．2 微生物多样性测定

3．3．3 农艺性状和烤后样的测定

3．4 数据处理

4 结果与分析

4．1 生物炭对土壤理化特性的影响

4．1．1 生物炭对植烟土壤容重、pH和含水率影响

4．1．2 生物炭对植烟土壤团聚体的影响

4．1．3 生物炭对植烟土壤全碳、全氮、C／N和有机质的影响

4．1．4 生物炭对植烟土壤速效养分的影响

4．1．5 本部分小结

4．2 生物炭对细菌丰度和群落结构多样性的影响

4．2．1 序列质控与聚类分析

4．2．2 土壤细菌多样性分析

4．2．3 土壤细菌群落结构分析

4．2．4 细菌多样性与环境因子的相关分析

4．2．5 本部分小结

4．3 生物炭对烤烟农艺性状、烟叶品质和经济性状的影响

4．3．1 不同时期烟株农艺性状的变化

4．3．2 生物炭对烤后样C3F常规化学成分的影响

4．3．3 生物炭对烤烟经济性状的影响

4．3．4 本部分小结

5 结论与讨论

5．1 生物炭对土壤理化特性的影响

5．1．1 生物炭对植烟褐土物理特性的影响

5．1．2 生物炭对植烟褐土化学特性的影响

5．2 生物炭对细菌丰度和多样性的影响

5．2．1 生物炭对土壤细菌丰度和多样性的影响

5．2．2 生物质炭对土壤细菌群落功能多样性的影响

5．2．3 微生物多样性与环境因子的相关分析

5．3 生物炭对烤烟农艺性状、烟叶品质和经济性状的影响

5．3．1 生物炭对农艺性状的影响

5．3．2 生物炭对烤后样常规化学成分的影响

5．3．3 生物炭对烤烟经济性状的影响

5．4 结论

参考文献