生物炭影响土壤磷素、钾素有效性的微生态机制

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导师姓名
孟军
学科专业
作物学
文献出处
沈阳农业大学   2016年
关键词
生物炭论文  磷素论文  钾素有效性论文  解磷论文  解钾微生物论文  微生物多样性论文  种群结构论文
论文摘要

磷素和钾素是作物生长所需的重要营养元素。随着我国农业的发展,作物对磷素和钾素的需求不断增加。虽然土壤中磷素和钾素的含量都十分丰富,但绝大部分都以铝硅酸盐等难溶形态存在,而能够被植物直接利用的有效态磷素和钾素十分不足。因此,绝大多数农作物都要追施磷肥和钾肥,然而肥料利用率低、过度施肥都严重阻碍了环境保护和农业的发展。因此,提高土壤中磷素和钾素的有效性,以及高效利用磷肥与钾肥成为当今农业的重要课题。自然界中存在着大量的有助于磷素与钾素向有效态转化的微生物,即解磷微生物和解钾微生物。并有研究证明,生物炭可以调节土壤的理化性质,进而影响土壤的微生物群落结构,甚至影响微生物的功能与活性。本论文在此基础上进一步研究在土壤中添加生物炭能否影响土壤的微生态环境,有助于解磷菌和解钾菌生长,从而促进无效态的磷素和钾素向有效态转化,以提高土壤磷素和钾素的有效性。为证明以上假设,本论文开展了三部分试验内容,包括田间试验、土壤室内培养试验和细菌培养试验。其中,田间试验地点选在沈阳农业大学的北山玉米连作长期定位试验田,选择不同配置的三种施肥处理(不施肥、施氮钾肥和施氮磷钾肥),并且分别添加或不添加玉米秸秆生物炭,以考察生物炭与不同施肥处理对玉米养分吸收、棕壤土理化性质以及棕壤土微生物多样性的影响;土壤室内培养实验选择红壤、棕壤和盐碱土三种不同土壤,分别添加浓度为0 t/hm2、10t/hm2、20 t/hm2和40t/hm2的稻壳生物炭,在28℃和15℃下昼夜交替培养9周,以考察不同施炭梯度对不同土壤的理化性质和微生物多样性的影响;细菌培养实验选择解钾细菌Bacillus mucilaginosus AS1153为实验菌株,在其生长过程中分别添加玉米秸秆生物炭、玉米穗轴生物炭、稻壳炭和竹子生物炭,以考察不同原料的生物炭对解钾菌株B. mucilaginosus AS1153的细胞生长的影响,并且在其生长过程中分别添加清洗过的玉米秸秆生物炭以及其清洗溶液,以考察玉米秸秆炭本身及其表面物质对解钾菌株B. mucilaginosus AS1153的细胞生长的影响。田间试验和室内培养实验的结果表明,土壤添加生物炭能够有效地调节土壤的理化性质。首先,土壤pH与含水量是影响土壤环境的两个重要因素。适宜的土壤pH有助于推动土壤养分元素的化学行为,并且可以促进土壤养分循环过程中相关微生物的生长与活性。同样,适宜的土壤含水量可以使作物根际范围内的水分更充足,更有利于矿质元素的释放与迁移,从而能够更好的被作物以及微生物所吸收。本论文中土壤添加生物炭后,可以有效调节土壤的pH和含水量,并且可以使土壤pH持续升高。进一步,本论文验证了生物炭可以显著提高土壤有效磷和速效钾的含量,并且经过计算,有效磷和速效钾的增加量高于生物炭本身所带入的有效磷和速效钾的含量。其次,添加生物炭可以显著提高土壤微生物量碳、土壤微生物量磷的含量以及土壤磷酸酶的活力。这在一定程度上可以说明,生物炭促进了士壤微生物和解磷微生物的生长,并且增强了解磷微生物的活性。另外,在田间试验中土壤有效磷、土壤微生物量磷的含量以及土壤磷酸酶的活力的变化趋势与土壤含水量具有相关性,这进一步说明添加生物炭可以调节棕壤的理化性质,如pH和含水量,为微生物提供有利的生长环境,提高其活性,进而提高了土壤磷素与钾素的有效性。已证明生物炭可以提高土壤磷素与钾素的有效性后,本论文进一步考察了玉米对磷素和钾素的吸收情况。实验结果表明,土壤添加生物炭后,可以显著提高玉米茎叶和籽粒中磷的含量;并且可以显著提高玉米籽粒中钾的含量。以上实验结果与土壤微生物多样性的检测结果相结合,说明生物炭可以通过调节土壤的理化性质,进而有效的影响土壤微生物的群落结构,并且促进或加速红壤与盐碱土的微生物群落结构在一定程度上向棕壤转变,形成更加肥沃的土壤微生物区系,并且生物炭对红壤的影响更为明显。生物炭在培养前期提高了三种土壤中的硫杆菌属(Thiobacillus)的比例:红壤和盐碱土中的假单胞菌属(Pseudomonas)以及红壤中的黄杆菌属(Flavobacterium)的比例。这三种菌属包含了许多典型的解磷细菌。虽然这种影响在培养前期更明显,而且不能一直持续,但在一定程度上说明了,生物炭对一部分解磷细菌是有促进作用的,进而促进土壤的磷素有效性。细菌培养实验的结果表明,不同原料制成的生物炭对解钾细菌Bacillus mucilaginosus AS 1153细胞生长的影响程度是不同的,并且试验中所有生物炭,都对Bacillus mucilaginosus AS 1153细胞生长有促进作用。其中玉米秸秆生物炭通过促进解钾细菌细胞生长的效果最明显,并且其表面营养物质,和玉米秸秆生物炭本身都具有促进解钾细菌Bacillus mucilaginosus AS 1153细胞生长的作用。综上,土壤添加生物炭可以有效调节红壤、棕壤和盐碱土的理化性质,如pH和含水量等,进而在短期内促进或加速红壤与盐碱土的微生物群落结构在一定程度上向棕壤的微生物群落结构转变,形成更加肥沃的土壤微生物区系。并且为部分解磷细菌和解钾细菌提供有利的生长环境,促进其生长以及增强其活性。从而提高土壤磷素与钾素的有效性,并且促进玉米对磷素和钾素的吸收。

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摘要

ABSTRACT

第一章 文献综述

1.1 生物炭对土壤微生态环境的影响

1.1.1 生物炭的基本特性

1.1.2 生物炭对土壤理化性质的影响

1.1.3 生物炭对土壤微生物的影响

1.2 土壤磷素与钾素有效性的研究进展

1.2.1 土壤磷素有效性的研究进展

1.2.2 土壤钾素有效性的研究进展

1.3 国内外对解磷微生物和解钾微生物的研究进展

1.3.1 国内外对解磷微生物的研究进展

1.3.2 国内外对解钾微生物的研究进展

1.4 本研究的目的意义

第二章 生物炭与施肥处理对农田土壤理化性质及玉米养分吸收的影响

2.1 材料与方法

2.1.1 试验材料

2.1.2 试验设计

2.1.3 试验样品采集与处理

2.1.4 试验仪器

2.1.5 试验方法

2.1.6 数据统计与分析

2.2 结果与分析

2.2.1 生物炭与施肥处理对土壤理化性质的影响

2.2.2 生物炭与不同施肥处理对玉米养分吸收的影响

2.3 小结

第三章 生物炭与施肥处理对农田土壤微生物多样性的影响

3.1 材料与方法

3.1.1 试验材料

3.1.2 试验设计

3.1.3 试验仪器

3.1.4 试验方法

3.1.5 数据统计与分析

3.2 结果与分析

3.2.1 生物炭与施肥处理对土壤中微生物种丰度的影响

3.2.2 生物炭与施肥处理对土壤中微生物多样性的影响

3.2.3 生物炭与施肥处理对土壤中微生物的物种分布的影响

3.2.4 生物炭与施肥处理对土壤中微生物群落结构的影响

3.2.5 生物炭与施肥处理对土壤中微生物群落结构的调节作用

3.3 小结

第四章 生物炭对红壤、棕壤和盐碱土的理化性质的影响

4.1 材料与方法

4.1.1 试验材料

4.1.2 试验设计

4.1.3 试验方法

4.1.4 数据统计与分析

4.2 结果与分析

4.2.1 生物炭对红壤、棕壤和盐碱土的pH的影响

4.2.2 生物炭对红壤、棕壤和盐碱土含水量的影响

4.2.3 生物炭对红壤、棕壤和盐碱土的有效磷含量的影响

4.2.4 生物炭对红壤、棕壤和盐碱土的速效钾含量的影响

4.2.5 生物炭对红壤、棕壤和盐碱土的微生物量C含量的影响

4.2.6 生物炭对红壤、棕壤和盐碱土的微生物量P含量的影响

4.2.7 生物炭对红壤、棕壤和盐碱土酸性、中性和碱性磷酸酶活力的影响

4.3 小结

第五章 生物炭对红壤、棕壤和盐碱土的微生物多样性以及解磷细菌的影响

5.1 材料与方法

5.1.1 试验材料

5.1.2 试验设计

5.1.3 试验仪器

5.1.4 试验方法

5.1.5 数据统计与分析

5.2 结果与分析

5.2.1 生物炭对红壤、棕壤和盐碱土的物种丰度的影响

5.2.2 生物炭对红壤、棕壤和盐碱土的微生物多样性的影响

5.2.3 生物炭对红壤、棕壤和盐碱土的微生物物种分布的影响

5.2.4 生物炭对红壤、棕壤和盐碱土的微生物群落结构的影响

5.2.5 生物炭对红壤、棕壤和盐碱土的微生物群落结构的调节作用

5.3 小结

第六章 不同原料的生物炭对解钾细菌细胞生长的影响

6.1 材料与方法

6.1.1 试验材料

6.1.2 试验设计

6.1.3 试验方法

6.1.4 数据统计与分析

6.2 结果与分析

6.2.1 生物炭对B.mucilaginosus AS1153菌株细胞生长的影响以及其对细胞的吸附能力

6.2.2 玉米秸秆生物炭对B.mucilaginosus AS1153菌株细胞生长过程的影响

6.2.3 清洗过的玉米秸秆生物炭对B.mucilaginosus AS1153菌株细胞生长的影响

6.2.4 清洗玉米秸秆生物炭的溶液对B.mucilaginosus AS1153菌株细胞生长的影响

6.3 小结

第七章 结论与讨论

7.1 生物炭对土壤理化性质的影响

7.1.1 生物炭调节土壤pH值和含水量

7.1.2 生物炭提高土壤有效磷和速效钾含量

7.1.3 生物炭提高土壤微生物量和磷酸酶的活性

7.2 生物炭促进玉米对磷素和钾素的吸收

7.3 生物炭对土壤微生物的丰度和多样性的影响

7.4 生物炭对土壤微生物种群结构变化的影响

7.5 生物炭促进解钾细菌BACILLUS MUCILAGINOSUS AS1153的生长

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

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