大豆秸秆生物炭对黄土中硫转化及微生物群落的影响

论文摘要

硫是植物生长发育必需的中量元素,在土壤营养元素中占据重要的地位。近年来,与世界上许多国家和地区一样,中国黄土高原土壤缺硫的现象已经成为影响作物产量的重要因素。土壤中硫的含量对土壤生态系统中微生物的生长和增殖,微生物群落结构有很大的影响。土壤缺硫会使农作物的产量降低,并且可以抑制豆类作物的固氮作用。随着土壤缺硫现象越来越严重,与之相关的土壤改良和土壤修复技术的研究也越来越多。生物炭是生物质在完全或部分缺氧的条件下热解炭化产生的材料,向土壤中施加生物炭可以改变土壤的理化性质,生物炭已被作为一种良好的土壤改良剂使用。研究表明,生物炭对土壤有机质含量（SOM）,土壤pH值,土壤电导率（EC）及其他土壤性质有一定影响。由于较大的表面积和特殊的孔隙结构,生物炭在提高微生物丰度和治理贫硫土壤方面具有广阔的应用前景。本研究在300℃和600℃的温度条件下热解大豆秸秆,制备得到大豆秸秆生物炭BC300和BC600。分别将BC300和BC600以1%、3%和5%（w/w）的施加率施加于100 g黄土土壤样品中。这些处理记为BC300-1、BC300-3、BC300-5、BC600-1、BC600-3和BC600-5。每种处理设置三个平行样,与空白对照一起恒温培养15周,并在第0、3、6、9、12和15周,测定土壤样本的理化性质、酶活性和土壤中各形态硫含量。第15周,对土壤样本进行DNA提取和PCR扩增测序分析鉴定硫氧化细菌,并研究生物炭施入后微生物群落的变化。本研究的主要结果如下:（1）较高的热解温度引起了大豆秸秆生物炭理化性质的变化。随着热解温度从300℃升高到600℃,生物炭pH从7.87增加到8.42,灰分含量从13.5%增加到15.5%,BET表面积从2.00增加到13.84 m2·g-1。（2）向黄土中施加生物炭,土壤理化性质和土壤酶活性随生物炭的施加发生显著性变化。培养15周后,BC300的施加量分别为1%、3%和5%时,土壤pH值分别比对照高3.1%、3.4%和5.3%。BC600的施加量分别为1%、3%和5%时,土壤pH值分别比对照高2.9%、4.5%和5.9%。电导率（EC）的变化趋势与pH值的变化趋势相似,但却更显著,BC300和BC600的施加量为5%时,其电导率（EC）的增量分别为25.6%和36.6%。培育初期,土壤中有机质（SOM）略有增加,但在第9周后,逐渐低于对照。培育15周后,施加BC300的脲酶活性比对照组高8.1%10.2%,施加BC600的土壤脲酶活性比对照组低2.5%8.6%。土壤中过氧化氢酶活性的变化不大,与生物炭的施用无显著性关联。（3）不同生物炭对土壤中各形态硫的影响各不相同。施加生物炭后,土壤中总硫、水溶性硫、有机硫含量变化显著,吸附性硫和盐酸可溶性硫无显著性变化。其中,土壤中水溶性硫和有机硫含量的变化最显著。培育第3周,生物炭的施加均提高了土壤中水溶性硫的含量,且提高量较大。对比第15周的数据,有机硫的含量均低于或远低于对照组。（4）施加BC600土壤中硫氧化菌和溶杆菌属的相对丰度最高。BC600处理的溶菌菌相对丰度为2.84%4.19%,BC300处理的溶菌菌相对丰度仅为1.24%2.38%。所有样品的优势菌种主要为变形杆菌门、双生单胞菌门、放线菌门、拟杆菌门、绿弯菌门。大多数生物炭处理的土壤变形杆菌相对丰度较对照组（27.3%）有所增加,其中BC300-5和BC600-5最高,分别为34.2%和35.2%。在所有生物炭处理中,以BC300-1和BC600-3处理差异最大（14.6%）,分别为22.0%和23.6%,芽单胞菌门的相对丰度显著增加。生物炭降低了放线菌和绿弯杆菌的相对丰度,但对拟杆菌和酸杆菌的影响不大。研究表明,大豆秸秆生物炭不仅使黄土的硫转化和理化性质发生了显著变化,而且引起了黄土微生物群落的变化。研究结果表明,大豆秸秆生物炭对土壤微生物群落和硫矿化具有良好的作用,可作为黄土土壤改良剂应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 Introduction
•   1.1 The role and importance of sulfur in soil
•     1.1.1 Availability of sulfur and its role in soil
•     1.1.2 The sulfur cycle and sulfur transformations in soil
•   1.2 The role and importance of microorganisms in soil
•     1.2.1 Microbial community and soil health
•     1.2.2 The role of microorganisms in sulfur transformations
•   1.3 Development of biochar as a soil amendment
•     1.3.1 Background
•     1.3.2 Production and basic characteristics of biochar
•   1.4 Research background,significance,and objectives
•     1.4.1 Research background and significance
•     1.4.2 Research content and objectives
•     1.4.3 Technical flowchart
• 2 Production and characterization of biochar
•   2.1 Introduction
•   2.2 Materials and methods
•     2.2.1 Raw materials and production method
•     2.2.2 Analysis methods
•   2.3 Results and discussion
•     2.3.1 pH
•     2.3.2 Ash content
•     2.3.3 Surface area and SEM images
•     2.3.4 Elemental composition
•     2.3.5 X-ray diffraction（XRD）
•   2.4 Conclusion
• 3 Effect of biochar on soil quality and enzyme activity of loess
•   3.1 Introduction
•   3.2 Materials and methods
•     3.2.1 Experimental design
•     3.2.2 Soil sampling and basic properties
•     3.2.3 Analysis methods
•   3.3 Results and discussion
•     3.3.1 Effect of biochar on soil pH
•     3.3.2 Effect of biochar on soil electrical conductivity（EC）
•     3.3.3 Effect of biochar on soil urease and catalase activity
•     3.3.4 Effect of biochar on soil organic matter（SOM）
•   3.4 Conclusion
• 4 Effect of biochar on sulfur transformations
•   4.1 Introduction
•   4.2 Materials and methods
•     4.2.1 Experimental design
•     4.2.2 Total sulfur
•     4.2.3 Water-soluble sulfur
•     4.2.4 Adsorbed sulfur
•     4.2.5 HCl-soluble sulfur
•     4.2.6 Organic sulfur
•     4.2.7 Data analysis
•   4.3 Results and discussion
•     4.3.1 Effect of biochar on total sulfur
•     4.3.2 Effect of biochar on water-soluble sulfur
•     4.3.3 Effect of biochar on adsorbed sulfur
•     4.3.4 Effect of biochar on HCl-soluble sulfur
•     4.3.5 Effect of biochar on organic sulfur
•     4.3.6 Effect of biochar on sulfur transformations
•   4.4 Conclusion
• 5 Effect of biochar on soil microbial community and its role in sulfur transformations
•   5.1 Introduction
•   5.2 Materials and methods
•     5.2.1 Experimental design
•     5.2.2 DNA extraction,sequencing,and PCR amplification
•     5.2.3 Data processing
•     5.2.4 Statistical analysis
•   5.3 Results and discussion
•     5.3.1 Relative abundance of microbial community
•     5.3.2 OTU analysis
•     5.3.3 Rarefaction analysis
•     5.3.4 Nonmetric multidimensional scaling（nMDS）analysis
•     5.3.5 Principle component analysis（PCA）
•     5.3.6 Linear discriminant analysis（LDA）effect size（LEfSe）
•     5.3.7 Effect of biochar on microbial community structure and its role in sulfur transformations
•   5.4 Conclusion
• 6 Conclusions and future research
•   6.1 Conclusions
•   6.2 Future research
• Acknowledgements
• References
• Research Achievements and Awards

文章来源

类型: 硕士论文

作者: Alexandar James Niebuhr

导师: 赵保卫

关键词: 生物炭,黄土,大豆秸秆,硫转化,微生物群落

来源: 兰州交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 自然地理学和测绘学,农业基础科学,农艺学

单位: 兰州交通大学

分类号: S156.2

DOI: 10.27205/d.cnki.gltec.2019.000331

总页数: 65

文件大小: 3474K

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