【摘要】：煙草作為我國主要經(jīng)濟作物之一,為國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提升做出了很大貢獻。然而近年來,土地的不合理使用造成土壤質(zhì)量下降,有機質(zhì)含量降低,碳氮營養(yǎng)失衡,土壤生物活性降低,煙草土傳病害加重,嚴重威脅著烤煙的可持續(xù)生產(chǎn)。本文于2013-2015年在山東省沂水煙草試驗站,以碳輸入及碳氮調(diào)節(jié)為手段,從土壤有機碳氮組分、微生物生態(tài)多樣性、煙株生長發(fā)育、烤煙產(chǎn)質(zhì)量等方面系統(tǒng)研究了生物質(zhì)炭對山東褐土煙田的改良效果及對煙葉生產(chǎn)的影響。主要研究結(jié)果如下:1生物炭促進土壤有機碳氮固持在大田條件下分析了條施不同用量生物炭(0、1、2、4 t/hm~2)對烤煙生長不同時期土壤碳氮組分的影響。結(jié)果表明:施用生物炭可增加土壤有機碳、氮固持,減少土壤可溶性有機碳、氮淋失,有利于提高土壤肥力。其中,土壤TOC(Total Organic Carbon,總有機碳)、TN(Total Nitrogen,全氮)、MBC(Microbial Biomass Carbon,微生物生物量碳)和MBN(Microbial Biomass Nitrogen,微生物生物量氮)含量均隨著生物炭施用量的增加而提高,在生物炭施用量為4 t/hm~2時達到最大值,在烤煙旺長期(移栽后60d)分別比對照增加122.69%、22.55%、53.45%和42.93%。添加生物炭處理的土壤DOC(Dissolved Oganic Carbon,可溶性有機碳)含量在煙草發(fā)育中后期(移栽后60-90d)分別比對照低11.36-20.06%,11.45-24.91%和11.35-22.16%,不同處理土壤DON(Dissolved Oganic Nitrogen,可溶性有機氮)含量在煙草整個生育期比對照低11.03-24.85%,且DOC和DON含量隨著生物炭的施用量的增加而逐漸降低。本研究中,褐土煙田條施生物炭量為2 t/hm~2時改土效果最佳。此外,皮爾遜相關分析表明,除了土壤TN與活性碳氮相關性不大之外,其他指標之間關系密切,并且土壤溶解性有機碳氮與其他碳氮指標均為負相關關系。2生物炭提高了土壤碳庫管理指數(shù)土壤碳庫管理指數(shù)是監(jiān)測土壤碳庫動態(tài)及反應土壤碳庫質(zhì)量的有效指標。本研究表明,生物炭施用對土壤碳庫有顯著的影響,土壤中活性有機碳含量隨著生物炭用量的增加而提高,但碳庫活度及碳庫活度指數(shù)則隨著生物炭用量的增加逐漸降低。此外,施用生物炭的處理土壤碳庫指數(shù)及碳庫管理指數(shù)顯著高于對照,大田條施生物炭用量為1、2、4 t/hm~2時,土壤碳庫管理指數(shù)分別比對照提高了18%、22%和34%。對比不同高碳物料對土壤碳庫修復效果的試驗結(jié)果表明,不同高碳物料均可提高土壤總有機碳含量及碳庫管理指數(shù),生物炭(BC)、草炭(GC)和秸稈(CS)處理土壤有機碳總量分別比對照提高了25.48%、16.99%和9.09%,碳庫管理指數(shù)分別比對照高16%、48%和46%。對比分析不同物料提高土壤碳庫管理指數(shù)的原因表明,BC處理土壤POC(Particle Organic Carbon,顆粒態(tài)有機碳)含量較高,而GC和CS處理土壤AOC(Active Organic Carbon,活性有機碳)和TOC含量較高,GC和CS處理土壤碳庫活度和碳庫活度指數(shù)比BC處理高,說明從碳庫固持角度看,BC處理效果較好,從促進碳循環(huán)和提高碳庫活性角度看,GC和CS效果較優(yōu)。3生物炭提高了土壤細菌多樣性,對土壤微生物群落結(jié)構影響顯著短期的盆栽試驗結(jié)果表明,生物炭可以提高土壤微生物生物量和細菌多樣性,放線菌門(Actinobacteria)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、疣微菌門(Verrucomicrobia)和浮霉菌門(Planctomycetes)細菌的相對豐度明顯高于對照,酸桿菌門(Acidobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、TM7和硝化螺旋菌門(Nitrospira)豐度低于對照。田間定位試驗結(jié)果表明,土壤添加生物炭3年后,土壤pH、含水量、TOC和TN含量顯著增加,而土壤容重和DOC含量則顯著降低。土壤微生物量碳含量隨著生物炭用量的增加而提高。Illumine MiSeq測序結(jié)果顯示,生物炭的添加增加了土壤細菌群落Alpha多樣性,并且對其群落組成有顯著影響。對細菌的檢測結(jié)果表明,變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、和疣微菌門(Verrucomicrobia)是土壤中的優(yōu)勢菌群。生物炭的施用增加了擬桿菌門(Bacteroidetes)的相對豐度,但是減少了疣微菌門(Verrucomicrobia)的相對豐度。在屬水平上,生物炭增加了假單胞菌屬(Pseudomonas)和溶桿菌屬(Lysobacter)的相對豐度,降低了Ohtaekwangia,鞘脂菌屬(Sphingobium)和噬幾丁質(zhì)菌屬(Chitinophaga)屬的相對豐度。冗余分析(RDA)結(jié)果表明,土壤TN、TOC和DOC是對土壤細菌群落結(jié)構影響較大的環(huán)境因子。以上結(jié)果說明生物炭可能通過影響土壤環(huán)境進而驅(qū)動了土壤微生物群落的生態(tài)演替,同時,部分功能微生物群落豐度的改變可能影響土壤生態(tài)功能。4生物炭對土壤真菌群落結(jié)構有顯著影響田間定位試驗結(jié)果表明,與對照相比,植煙褐土添加生物炭3年后,對土壤真菌Alpha多樣性影響不大。所有處理土壤中真菌菌群為:子囊菌門(Ascomycota)、擔子菌門(Basidiomycota)、接合菌門(Zygomycota)、微孢子門(Microsporidia)、球囊菌門(Glomeromycota)和壺菌門(Chytridiomycota),其中子囊菌門、接合菌門和擔子菌門真菌相對豐度之和占比在90%以上。植煙褐土添加生物炭3年后顯著改變了真菌群落結(jié)構組成,生物炭顯著提高了土壤子囊菌門(Ascomycota)和擔子菌門(Basidiomycota)真菌的相對豐度,顯著降低了接合菌門真菌(Zygomycota)的相對豐度。此外,生物炭顯著增加了曲霉屬(Aspergillus)、錐蓋傘屬(Conocybe)和鏈格孢屬(Alternaria)真菌的相對豐度,降低了赤霉菌(Gibberella)和放射毛霉(Actinomucor)的相對豐度。皮爾遜相關分析結(jié)果表明,真菌優(yōu)勢屬相對豐度與土壤理化指標之間有較強的相關性。進一步分析環(huán)境因子和真菌群落結(jié)構關系發(fā)現(xiàn),土壤DOC、pH和含水率對土壤真菌群落結(jié)構的影響最大。5生物炭提高了烤煙產(chǎn)量水平,改善了烤后煙葉品質(zhì)田間試驗結(jié)果表明,適量施用生物炭可促進烤煙生長,移栽后75 d時,添加生物炭的各處理株高、莖圍及最大葉面積最多分別比對照高6.48%、4.00%和23.54%。生物炭增加了煙株干物質(zhì)積累量,大田條件下常規(guī)施肥基礎上條施2 t/hm~2生物炭效果最好,煙株干物質(zhì)積累量比對照高16.70%。生物炭對烤煙病害有一定的防控作用,施用生物炭的處理煙草氣候性斑點病和煙草黑脛病的發(fā)病率分別比對照低17.26-52.19%和9.01-50.00%。生物炭提高了烤煙產(chǎn)量和經(jīng)濟效益,條施2 t/hm~2生物炭的處理烤煙產(chǎn)量和經(jīng)濟效益分別比對照增加了7.05%和15.76%。此外,生物炭可以協(xié)調(diào)煙葉的碳氮代謝,促進了烤煙碳氮代謝的適時轉(zhuǎn)化,烤后煙葉礦質(zhì)養(yǎng)分較均衡,中性致香物質(zhì)含量豐富,本研究中生物炭施用量為1-4 t/hm~2時,腳葉成熟期推遲了2-6天。生物炭用量過大會抑制移栽后早期煙草生長,降低整個生育期煙草干物質(zhì)積累量,需要進一步開展生物炭不同用量在不同土壤類型中應用效果研究。
【學位授予單位】：河南農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：S156;S572
【圖文】：

逐漸地，研究者們發(fā)現(xiàn)生物炭還可以改善土壤質(zhì)量，作為一種新興的土壤改良劑，生物炭有“黑色黃金”之稱，近年來越來越受到科研工作者的重視，相關研究報道逐年增加（圖1-1）。圖1-1 生物炭相關研究的發(fā)表論文數(shù)量Fig. 1-1 Number of publications related to biochar研究表明，生物炭可以改善土壤質(zhì)量，如提高酸性土壤pH，降低土壤容重提高土壤孔隙度，增加土壤碳匯提高土壤碳氮比，促進植物對營養(yǎng)元素的吸收（Laird et al., 2010；Kimetuet al., 2010; 陳紅霞等，2011）。由于富含有機碳，生物炭施入土壤可以提高土壤的CN比，進而提高土壤對氮素及其他養(yǎng)分元素的吸持（Gaskin et al., 2010）。生物炭的多孔隙結(jié)構可以為土壤微生物棲息提供良好的環(huán)境，同時其對水肥的固持能夠影響土壤微生物的生長、發(fā)育

14構能成為微生物躲避天敵的適宜棲息地（圖1-2）（Lehmann et al., 2011）。3）生物炭還可以改善土壤理化特性，如增加pH、透氣性、水容量和陽離子交換量，這些因子的改變可能間接影響了微生物群落結(jié)構特征（Chintala et al., 2014）。4）不同的生物炭可能誘導產(chǎn)生不同的微生物定植群體，高溫裂解的生物炭芳香類碳含量較多，而低溫裂解的生物炭脂肪族碳含量較多，加上高溫裂解炭本身的結(jié)構也不同于低溫條件下制備的生物炭。因此，高溫炭可能利于更多種類的微生物定植，而低溫炭可能更有利于提高土壤微生物豐度和活性（戴中民，2016）。5) 生物炭本身的結(jié)構和表面官能團等特性可產(chǎn)生多種生態(tài)位，這有利于微生物多樣性的提高（Hanzel et al., 2013）。a 真菌菌絲體 b 細菌孢子圖 1-2 土壤微生物定植在生物炭上（Lehmann et al., 2011）Fig. 1-2 Visual observation of spatial association and colonization of biochar by microorganisms5.4 生物炭對作物生產(chǎn)的影響大量研究表明，生物炭可以改善土壤肥力進而提高作物產(chǎn)量，這種促進作用在水稻、玉米、小麥、大豆等多種作物生產(chǎn)中得到證實（Jeffery et al., 2011）。生物炭對作物產(chǎn)量的影響與土壤肥力基礎及肥料運籌有關。研究發(fā)現(xiàn)在低磷土壤中添加生物炭可以提高旱稻產(chǎn)量

圖 1-3 16S rRNA 基因可變區(qū)和保守區(qū)（劉馳等，2015）Fig. 1-3 Conserved and variable regions of the 16S rRNA gene近年來，基于高通量測序的分子生物學研究方法在研究土壤微生物多樣性及群落結(jié)構方面有著巨大優(yōu)勢，通過直接提取土壤總DNA，測定微生物ITS或16S特定區(qū)域的序列（圖1-3），有較為理想的測序深度，能夠獲得土壤微生物90%以上的信息，極大地增加了分析的準確度

【參考文獻】

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本文編號：2787160