本文關(guān)鍵詞：生物炭對(duì)植稻酸性土壤微生物群落和土壤肥力的影響

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【摘要】：生物炭是一類富含碳的物質(zhì),主要由有機(jī)物質(zhì)(通常是植物材料)在無氧或缺氧環(huán)境下高溫分解生成的。高溫生成的生物炭能夠很好地耐受土壤中微生物的降解。同時(shí),這些生物炭能夠改變土壤理化性質(zhì),提高土壤肥力。土壤中添加生物炭還可以減少?gòu)耐寥赖江h(huán)境的碳排放。為此,我們?cè)O(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)以探究不同原料生成的生物質(zhì)炭對(duì)酸性土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤肥力的影響。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)研究了不同有機(jī)原料在300℃C和500℃分別加溫?zé)峤?h和4h制備不同類型的生物炭。通過測(cè)定生物炭的物理化學(xué)性質(zhì),來探究熱解過程中時(shí)間和溫度對(duì)生物炭特性的影響。生物炭、灰分含量、比表面積、pH、碳氮含量、堿性陽(yáng)離子和電導(dǎo)率(Electric conductivity, EC)等性質(zhì)隨著生物炭熱解溫度的升高而增加,5000C熱解生成的生物炭的這些性質(zhì)均比300℃高,而氫、氧含量和陽(yáng)離子交換量(Cationic exchange capacity, CEC)等性質(zhì)則與之相反。此外,通過XRD和EDS分析發(fā)現(xiàn),5000C熱解生成的生物炭中CaCO3、SiO2和KCl的含量均高于300℃C生物炭。同時(shí),FTIR光譜結(jié)果顯示較高溫度下生成的生物炭具有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。隨著熱解溫度的升高,鉀和磷的含量也隨之升高。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在一定條件下可以通過篩選不同的有機(jī)原料和熱解條件制備出適用于提高土壤肥力或碳固定劑的生物炭。在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中,我們采用豬糞(SM)、果皮(FP)、蘆葦(PA)和油菜(BR)等有機(jī)物料制備的不同類型的四種生物炭,供試土壤為紅砂土和黃筋泥,生物炭添加量為3%(wt/wt),測(cè)定了培養(yǎng)過程中鉀、鈣、納、鎂、鋁、銅、鋅、鉛、鉻、鎘、鎳、鉆、錳、鐵、硼、鉬等元素有效性的變化。土壤中鉛、鎘、銅、鎳、錳、鋅、鐵的有效性在生物炭添加處理中顯著增加,其中在SM生物炭處理中鉬、銅和鋅元素的有效性較高。包括鈉、鎂、鉀和鈣在內(nèi)的可利用礦質(zhì)元素的濃度在大多數(shù)生物炭處理中有顯著的增加,然而其中鎂和鈣元素有效性在BR處理組中有所下降。經(jīng)過90天的培養(yǎng)試驗(yàn),測(cè)量了土壤中的磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid, PLFA)和土壤化學(xué)性質(zhì)。原材料或生物炭種類和用量對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)有顯著的影響。紅砂土中,與對(duì)照相比,施用1%和3%FP生物炭、1%SM生物炭和3%PA生物炭增加土壤細(xì)菌、真菌、放線菌、革蘭式陽(yáng)性和陰性菌和硫還原菌的PLFA含量,對(duì)照土壤具有較高含量的指示環(huán)境壓力的異構(gòu)與反異構(gòu)PLFAs之比。原生動(dòng)物的PLFA只在3%PA和1%BR生物炭處理中增加。冗余分析(Redundancyanalysis, RDA)顯示在不同生物炭種類和添加量的情況下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系,結(jié)果表明不同的生物炭引起了pH、可溶性有機(jī)碳(DOC)、總碳(TOC)和氮素(N)在內(nèi)的化學(xué)性質(zhì)的改變,同時(shí)也改變了微生物的群落結(jié)構(gòu),這些性質(zhì)的改變可以作為土壤改良和C固定的指標(biāo)。在黃筋泥土壤中,細(xì)菌、真菌、放線菌、革蘭氏陽(yáng)性菌、真菌細(xì)菌比例、環(huán)丙烷脂肪酸、異構(gòu)脂肪酸、反異構(gòu)脂肪酸、異構(gòu)與反異構(gòu)脂肪酸之比和硫還原菌的PLFA含量在1%和3%FP生物炭處理土壤中較高,1%SM和3%PA生物炭處理次之,但都高于對(duì)照,但所有生物炭處理土壤的原生動(dòng)物PLFA含量均有顯著的變化,而革蘭氏陰性菌的PLFA含量則有所下降,土壤pH、K、可溶性有機(jī)碳和總碳的含量有所升高；而除了SM和FP生物炭處理,大多數(shù)生物炭處理土壤的硝態(tài)氮含量卻有所下降。RDA分析顯示,細(xì)菌、原生生物、異構(gòu)脂肪酸、革蘭氏陽(yáng)性菌、飽和脂肪酸、硫還原菌、反異構(gòu)脂肪酸、單不飽和脂肪酸、真菌PLFAs與土壤pH、DO、NO3-和交換態(tài)無機(jī)氮呈正相關(guān),而且這些值在1%和3%PA、1%FP和3%SM生物炭處理中較高。革蘭氏陰性菌、放線菌、環(huán)丙烷、厭氧菌、異構(gòu)與反異構(gòu)PLFAs之比、真菌細(xì)菌比、環(huán)丙烷脂肪酸與其前體脂肪酸之比和飽和脂肪酸與單不飽和脂肪酸之比等與土壤呼吸(C02)和可溶性有機(jī)碳呈正相關(guān),同時(shí)這些值在3%FP生物炭添處理和對(duì)照中較高。RDA分析表明生物炭改變了土壤DOC、N、C含量以及微生物的群落結(jié)構(gòu)。在第三個(gè)水稻盆栽試驗(yàn)研究中,將3%(wt/wt)的小麥秸稈生物炭分別添加到紅砂土和黃筋泥土壤中。水稻收獲時(shí),測(cè)定不同處理土壤中淋溶液和醋酸銨可提取態(tài)養(yǎng)分以及水稻產(chǎn)量和微生物群落結(jié)構(gòu)。添加生物炭后,紅砂土和黃筋泥土壤pH分別從4.2和4.7增加到6.2和6.7,總氮分別增加135%和37%,有機(jī)碳增加90%和80%,但可溶性有機(jī)氮分別下降了24%和15%,可溶性有機(jī)碳分別下降40%和44%。同時(shí)生物炭添加降低了紅砂土土壤中K、B、Cu、Mn和Zn的淋失,分別降低了24%、25%、80%、37%和33%；降低了黃筋泥土壤中Al、 B、Cu、Fe、Mn和Zn的淋失,分別降低了38%、50%、60%、43%、69%和83%。在紅砂土土壤中可提取態(tài)的Al、Cu、Mn、Mo和Zn分別降低了22%、45%、22%、65%和62%；在黃筋泥土壤中Al和Mo分別降低了37%和45%。在兩種土壤中,生物炭的添加促進(jìn)了水稻對(duì)養(yǎng)分的吸收。同時(shí),生物炭的添加通過增加土壤pH、總有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳等改變了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)。生物炭的添加可以促進(jìn)了作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和土壤對(duì)養(yǎng)分的表面吸附,即添加生物炭降低了土壤養(yǎng)分的損失,卻提高了土壤肥力和作物產(chǎn)量。
【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S141
【目錄】：

• Acknowledgement10-11
• Abbreviations11-17
• Abstract17-21
• 摘要21-24
• Chapter 1 General introduction24-30
• 1.1 Objectives28-30
• Chapter 2 Literature review30-52
• 2.1 Introduction30-52
• 2.1.1 Chronology of biochar31-32
• 2.1.2 Pyrolysis process32-34
• 2.1.3 Pyrolysis technologies34
• 2.1.4 Pyrolysis temperatures34-35
• 2.1.5 Chemical heterogeneity of biochar35-36
• 2.1.6 Impact of biochar on soil physical properties36-38
• 2.1.7 Impact of biochar on soil chemical properties38-42
• 2.1.8 Impact of biochar on soil microbial community42-46
• 2.1.9 Effect of biochar on pesticides behavior46-47
• 2.1.10 Effect of biochar on plant growth and nutrient availability47-50
• 2.1.11 Carbon sequestration50-52
• Chapter 3 Physico-chemical properties ofbiochars generated from different feedstocksunder different pyrolysis conditions52-70
• 3.1 Introduction52-53
• 3.2 Material and methods53-55
• 3.2.1 Biochar production53-54
• 3.2.2 Physical and chemical analysis54-55
• 3.3 Results and discussion55-69
• 3.3.1 Physicochemical properties of biochars55-60
• 3.3.2 Elemental analysis60-65
• 3.3.3 X-ray diffraction analysis65
• 3.3.4 FTIR analysis65-67
• 3.3.5 Scanning Electron Microscopy(SEM)67-69
• Conclusions69-70
• Chapter 4 Biochars from different feedstocks change the element concentrations inPsammaquent and Plinthudult70-80
• 4.1 Introduction70-71
• 4.2 Materials and methods71-72
• 4.2.1 Soil collection and classification71
• 4.2.2 Biochar production71-72
• 4.2.3 Experimental design72
• 4.2.4 Element extraction and analysis72
• 4.3 Results and discussions72-78
• 4.3.1 Element analysis of soils and biochars used in this experiment72-74
• 4.3.3 Influence of biochars on available soil element concentrations74-78
• Conclusion78-80
• Chapter 5 Changes in soil microbial community structure due to biochars generated fromdifferent feedstocks and biochar relationships with soil chemical properties80-106
• 5.1 Introduction80-82
• 5.2. Material and methods82-85
• 5.2.1 Biochar production and characterization82
• 5.2.2 Chemical analysis of control and amended soil after incubation82-83
• 5.2.3 PLFA extraction83
• 5.2.4 Microbial biomarkers83-84
• 5.2.5 Statistical analysis84-85
• 5.3 Results and discussion85-105
• 5.3.1 Physico-chemical characterization of biochars85-86
• 5.3.2 Influence of biochars on chemical properties of soils86-90
• 5.3.2.1 Psammaquent86-88
• 5.3.2.2 Plinthudult88-90
• 5.3.3 Influence of biochars on microbial community structure90-101
• 5.3.3.1 Psammaquent90-96
• 5.3.3.2 Plinthudult96-101
• 5.3.5 Relationship between soil microbial community and chemica101-105
• 5.3.5.1 Psammaquent101-102
• 5.3.5.2 Plinthudult102-105
• Conclusion105-106
• Chapter 6 Influence of wheat straw biochar on yield of rice and some properties of aPsammaquent and a Plinthudult106-128
• 6.1 Introduction106-109
• 6.2 Materials and Methods109-112
• 6.2.1 Soils and biochar109
• 6.2.2 Greenhouse experiment109-110
• 6.2.3 Analysis110-112
• 6.3 Results and Discussion112-127
• 6.3.1 Wheat straw biochar and soil properties112-113
• 6.3.2 Changes in soil properties at harvest due to biochar113-115
• 6.3.3 Effect of biochar on nutrient leaching from soils115-118
• 6.3.4 Extractable concentrations of nutrients in biochar amended and non-amended soils118-120
• 6.3.5 Effect of biochar on plant growth120-121
• 6.3.6 Accumulation of nutrients in rice straw and grain121-124
• 6.3.7 Microbial PLFA community structure in biochar amended soils growingnee.124-127
• Conclusion127-128
• Chapter 7 Major conclusions and perspectives128-131
• 7.1 Major findings128-129
• 7.2 Future challenges and recommendations129-131
• References131-154
• Appendix154-156

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前5條

1 ;Bacterial Community Structure and Diversity in a Black Soil as Affected by Long-Term Fertilization[J];Pedosphere;2008年05期

2 ;Amendment of Acid Soils with Crop Residues and Biochars[J];Pedosphere;2011年03期

3 ;Rice production in China in the early 21~(st) Century[J];Chinese Rice Research Newsletter;2000年02期

4 Md.Jahidul Islam SHOHAG;;Characterization of ~(68)Zn uptake,translocation,and accumulation into developing grains and young leaves of high Zn-density rice genotype[J];Journal of Zhejiang University-Science B(Biomedicine & Biotechnology);2011年05期

5 黃紹文,金繼運(yùn);我國(guó)北方一些土壤對(duì)外源鉀的固定[J];植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào);1996年02期

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本文編號(hào)：851838