生物炭和有机物料对水稻土DOM及厌氧铁还原过程的影响

摘要

生物炭是生物质在高温缺氧条件下裂解产生的物质，近年来其在改良土壤、提高农作物产量、修复土壤重金属方面有很好的成效。生物炭施入土壤可以影响土壤中微生物群落结构，促进水稻土的呼吸作用，可以明显提高氧化铁的微生物还原速率，在生物炭的制备过程中会产生大量的木醋液，将其施入土壤后可以改变土壤的酸碱度和电导率等，因而可能会促进土壤中微生物铁还原过程。腐殖酸是陆生和水生环境中最普遍的天然无生命有机物质，可以作为电子穿梭体的角色在铁还原过程中发挥着重要的作用。已有研究指出，水溶性有机碳与铁还原过程有着密切的联系，因此通过探究施加生物炭和有机物料后土壤中水溶性有机质（DOM）结构及组成的变化，可以更好的理解其对土壤中铁还原过程的影响机理。本研究通过厌氧泥浆培养试验及水稻盆栽种植实验，设置生物炭、木醋液、腐殖酸及生物炭与有机物料配施处理，分析各处理中水溶性有机碳（DOC）的含量、DOM的组成、土壤中Fe(Ⅲ)还原特征、水稻生物量及叶绿素含量的变化，得出以下主要结论： （1）生物炭和木醋液使得水稻根冠比和地上地下部分生物量降低，叶片叶绿素含量增加，总体上对水稻生长表现出微弱的抑制作用。腐殖酸因水稻种植土壤不同而表现不同，安康水稻土中添加腐殖酸使得水稻地上和地下部分生物量干重增加，叶绿素含量降低；而汉中水稻土添加腐殖酸使得水稻生物量干重增加，叶绿素含量呈现先增多后减少的趋势。 （2）生物炭可促进水稻土微生物铁还原过程，增加水稻土中DOC含量和SUVA254值。不同土壤由三维荧光光谱特征鉴定出的主要组分类别及相对数量不同，添加生物炭在湖南酸性水稻土中不仅增加了土壤富里酸组分，而且各组分相对含量间变化明显；生物炭对接近中性的天津水稻土和强碱性的吉林水稻土中组分类别和含量的影响程度较小，特别在TJ水稻土中与CK没有明显差异。相关分析结果揭示了添加生物炭可通过调节SUVA254、DOM组成和体系pH值，从而影响厌氧水稻土中的硝酸盐还原、铁还原及产甲烷过程。 （3）木醋液对水稻土厌氧铁还原的促进作用明显，对调控土壤初始pH值也有一定功效。添加木醋液使水稻土DOC含量明显增加，DOM的紫外光谱吸收特征值增大。不同类型的水稻土中DOM优势组分种类和相对含量有所不同，木醋液的添加对水稻DOM的相对含量影响较大，而对DOM的组分无明显影响。相关分析结果显示，DOC含量、土壤富里酸和类酪氨酸的改变均对HN水稻土中铁还原能力产生影响，TJ水稻土中铁还原能力受DOC含量、SUVA254和高分子量腐殖酸相对含量变化的共同影响，而JL水稻土中铁还原能力的增强受SUVA254的影响较大。 （4）腐殖酸能够调节土壤微生物铁还原能力，增加铁还原潜势和还原速率，对强碱性水稻土中pH调控作用明显。添加腐殖酸总体上增加了水稻土中DOC含量和芳香族物质，改变了DOM组分的相对含量，对DOM优势组分种类没有明显影响，优势组分包括高分子量腐殖酸（UVC）、低分子量腐殖酸（UVA）、土壤富里酸、类酪氨酸和微生物腐殖酸。相关分析结果表明，水稻土微生物铁还原能力和pH值受DOC含量、SUVA254和DOM组成的共同调控。 （5）生物炭和有机物料配施可促进水稻土中氧化铁的还原过程，总体上增加了土壤中DOC含量和紫外光谱特征值（SUVA254），改变DOM组分类别。HN水稻土中增加了土壤富里酸组分，TJ水稻土中增加了低分子量腐殖酸组分，而JL水稻土DOM优势组分类别没有发生变化，各组分相对含量变化明显。相关分析结果表明土壤铁还原过程受DOC含量、SUVA254及体系pH影响较大，生物炭及有机物料的添加通过影响土壤中DOC含量、SUVA254及体系pH来调控铁还原过程。

目录

论文说明

声明

主要符号对照表

第一章 绪论

1.1 选题目的与意义

1.2 选题的依据

1.3 生物炭

1.3.1 生物炭对土壤微生物的影响

1.3.2 生物炭对水稻土中微生物铁还原过程的影响

1.3.3 生物炭在农业方面的应用

1.3.4 生物炭施用的潜在风险

1.4 木醋液

1.4.1 木醋液的制备方法

1.4.2 木醋液在农业上的应用

1.4.3 木醋液在其他方面的应用

1.5 腐殖酸

1.5.1 腐殖酸的氧化还原特性及电子传递机理

1.5.2 腐殖酸对铁还原的影响

1.5.3 腐殖酸对污染物的降解与转化

1.5.4 腐殖酸在农业上的应用

1.6 水溶性有机质

第二章 研究内容与方法

2.1 研究的主要内容

2.1.1 添加生物炭、木醋液及腐殖酸对水稻生长的影响

2.1.2 添加生物炭、木醋液及腐殖酸对水稻土DOM及厌氧铁还原的影响

2.1.3 生物炭及有机物料配施对水稻土DOM及厌氧铁还原的影响

2.2 研究方法

2.2.1 试验材料

2.2.2 测定方法

2.2.3 统计分析方法

2.3 技术路线

第三章 添加生物炭、木醋液及腐殖酸对水稻生长的影响

3.1 材料与方法

3.1.1 供试材料

3.1.2 试验设置

3.1.3 生物量测定

3.1.4 水稻叶片中叶绿素含量测定

3.1.5 数据处理

3.2 结果与分析

3.2.1 不同处理中水稻生物量的变化特征

3.2.2 不同处理中水稻叶绿素的含量变化

3.3 讨论

3.4 本章小结

第四章 生物炭对水稻土DOM及厌氧铁还原的影响

4.1 材料与方法

4.1.1 试验材料

4.1.2 试验设置

4.1.3 样品采集与分析方法

4.1.4 数据处理

4.2 结果与分析

4.2.1 淹水土壤的氧化还原特征变化

4.2.2 不同土壤培养体系中pH值变化

4.2.3 不同厌氧培养阶段中DOC含量的变化

4.2.4 不同厌氧培养阶段中土壤DOM的紫外吸收光谱特征比较

4.2.5 DOM组分变化特征

4.3 讨论

4.4 本章小结

第五章 木醋液对水稻土DOM及厌氧铁还原的影响

5.1 材料与方法

5.1.1 试验材料

5.1.2 试验设置

5.1.3 样品采集与分析方法

5.1.4 数据处理

5.2 结果与分析

5.2.1 淹水土壤的氧化还原特征变化

5.2.2 不同土壤培养体系中pH值变化

5.2.3 不同厌氧培养阶段中DOC含量的变化

5.2.4 不同厌氧培养阶段中土壤DOM的紫外吸收光谱特征比较

5.2.5 DOM组分变化特征

5.3 讨论

5.3.1 添加木醋液对不同土壤DOM中主成分的贡献

5.3.2 DOM中主成分变化对氧化还原过程的影响

5.4本章小结

第六章 腐殖酸对水稻土DOM及厌氧铁还原的影响

6.1 材料与方法

6.1.1试验材料

6.1.2 试验设置

6.1.3 样品采集与分析方法

6.1.4 数据处理

6.2 结果与分析

6.2.1厌氧泥浆中氧化还原特征变化

6.2.2 不同土壤培养体系中pH值变化

6.2.3 不同厌氧培养阶段中DOC含量的变化

6.2.4 不同厌氧培养阶段中土壤DOM的紫外吸收光谱特征比较

6.2.5 DOM组分变化特征

6.3 讨论

6.3.1 添加腐殖酸对不同土壤DOM中主成分的贡献

6.3.2 DOM中主成分变化对氧化还原过程的影响

6.4 本章小结

第七章 生物炭与有机物料配施对水稻土DOM及铁还原的影响

7.1 材料与方法

7.1.1 试验材料

7.1.2 试验设置

7.1.3 样品采集与分析方法

7.1.4 数据处理

7.2 结果与分析

7.2.1 厌氧泥浆中氧化还原特征变化

7.2.2 不同土壤培养体系中pH值变化

7.2.3 不同厌氧培养阶段中DOC含量的变化

7.2.4 不同厌氧培养阶段中土壤DOM的紫外吸收光谱特征比较

7.2.5 DOM组分变化特征

7.3 讨论

7.3.1 生物炭与有机物料配施对不同土壤DOM中主成分的贡献

7.3.2 DOM中主成分变化对氧化还原过程的影响

7.4 本章小结

第八章 结论

8.1 研究取得的主要结果

8.2 本研究的创新点

8.3 研究存在的问题和不足

参考文献

致谢

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