不同秸秆生物炭对红壤性水稻土养分及微生物群

分类：论文范文 发表时间：2021-04-20 09:18

　　摘要：【目的】研究不同秸秆转化生物炭对红壤性水稻土养分含量及微生物群落结构的影响差异，为土壤改良和秸秆资源的合理利用提供理论参考。【方法】以水稻和玉米秸秆300°C、400°C和500°C裂解得到的生物炭为添加材料，以发育于第四纪的红壤性水稻土为供试土壤，通过135d室内培育试验，研究秸秆生物炭添加对红壤性水稻土pH、有机碳和养分含量、土壤微生物生物量碳（MBC）的影响，及其对磷脂脂肪酸（PLFA）表征的微生物群落结构的影响。试验共设7个处理：对照（CK）、添加水稻秸秆炭300°C（RB300）、400°C（RB400）、500°C（RB500）和添加玉米秸秆炭300°C（CB300）、400°C（CB400）、500°C（CB500）。【结果】物料类型和制备温度因素显著影响裂解得到生物炭材料的养分含量和化学性质。培育试验表明，两种秸秆生物炭的添加，平均提高土壤pH值0.16个单位；土壤有机碳、速效磷和速效钾水平，分别比对照增加26.1%、20.6%和281.8%。水稻秸秆炭对土壤速效钾水平促进作用较大，而玉米秸秆炭则主要增加速效磷含量。低温裂解秸秆炭（300°C）的添加，并没有显著影响土壤碱解氮和无机氮含量；而添加RB500和CB500处理的碱解氮分别比对照低10.4%和8.1%，硝态氮含量分别比对照高63.6%和100.7%（P＜0.05）。添加生物炭处理，微生物生物量碳和磷脂脂肪酸总量平均比对照增加63.4%和47.5%，但添加300°C秸秆炭处理与对照差异不显著；两种秸秆炭的输入均可以增加革兰氏阴性细菌（G-）、革兰氏阳性细菌（G+）、放线菌和真菌的含量，且不同制备温度处理间的差异表现为300°C＜400°C＜500°C。主成分分析表明，水稻秸秆炭对土壤微生物群落结构的影响较玉米秸秆炭更为显著；不同温度水稻秸秆炭间，群落结构差异明显，而不同温度玉米秸秆炭间没有区分开来。典范对应分析结果表明，生物炭添加可以通过改变土壤性质，间接影响微生物群落结构；其中，土壤速效磷、有机碳和速效钾含量与土壤微生物群落分布显著相关。【结论】水稻和玉米秸秆炭均可以改良红壤性水稻土的酸度，提高土壤养分含量和微生物量水平；两种秸秆炭的添加均改变了土壤微生物群落结构，其中以水稻秸秆炭的影响更为明显。

　　关键词：秸秆生物炭；土壤养分；微生物生物量碳；磷脂脂肪酸；典范对应分析

　　0引言

　　【研究意义】据统计，当前中国每年秸秆产量约为8亿吨[1]，合理开发利用秸秆等农业废弃物资源仍然是亟需解决的问题。中国南方热带和亚热带地区分布着大面积酸性土壤[2]，以往的研究表明农作物秸秆等的施用可以提高土壤肥力[3]；但由于秸秆类材料易被微生物分解，其改良效果并不长久，也容易引起二氧化碳等温室气体释放增加，其直接还田利用面临严峻的现实挑战。生物炭（biochar）作为秸秆厌氧条件下低温热解产生的固体残渣，因其丰富的孔隙结构、高度难降解性和碱度特性，不仅可以改善土壤肥力，减少CO2和N2O等气体的产生[4]，而且具有持续的碳封存能力[5]。因此，将秸秆等农业废弃物碳化为生物炭施用，被认为可能是未来有效的秸秆处理方式和改良酸性土壤质量的重要途径[6]。【前人研究进展】秸秆来源生物炭不仅是富含碳的有机物质，还包括氮、氧、硫等多种养分元素和无机碳酸盐成分，其输入可以增加土壤有机碳含量水平，提供微生物可利用组分[7]。同时，秸秆生物炭具有一定的离子交换能力和吸附特性，其对营养元素（如NO3--N，NH4+-N，PO43-）的吸附和截留，可以降低肥料养分的流失，提高养分利用率[8]。此外，生物炭还可以通过对土壤pH、CEC等环境的改变，影响氮素转化过程[9]以及提高磷素有效性[10]。周桂玉等[11]研究发现玉米秸秆炭添加可以提高草甸黑土有机碳和有效养分含量，但张晗芝等[12]则报道，秸秆炭的添加对砂浆水稻土有效磷和pH值没有显著影响。物料类型和裂解温度可决定生物炭的组分及特性[13]，随着裂解温度的升高，碳氮元素富集，生物炭的脂肪性减弱，芳构化增强，表面吸附特性及孔度也发生变化[14]，都会影响其对土壤养分状况的改变程度。微生物在土壤生态系统的物质循环和能量流动过程中扮演着重要的角色，它可以直接或间接参与生物炭在土壤中的降解、迁移和转化过程[15]；生物炭作为一种性质独特的物质，其孔隙结构及对水肥的吸附作用可直接为土壤微生物提供良好的栖息环境和生长所需养分[16]。研究结果表明，秸秆炭的输入可以增加塿土等的微生物数量和生物量水平[17-18]；但木质生物炭的添加会降低土壤微生物生物量碳的含量[19]，这可能是由于秸秆炭较木质炭含有更为丰富的微生物可利用组分以及栖息环境造成。不同来源的生物炭因结构特性及组分差异，往往会被不同的微生物群体所利用[20]，其引起的微生物群落结构变化也会有差异。研究认为，因生物炭可直接被微生物所利用的组分含量有限[16]，其对微生物群落结构的改变主要是通过间接途径实现，如影响土壤的养分状况、化学性质[21]和微生物细胞间信号物质的传递[22]等。另外，生物炭对土壤微生物活性和群落结构组成的改变，也受到施用土壤本身性质的影响[18,23]。【本研究切入点】红壤性水稻土是一类经过长期水耕熟化的人为土，具有高度风化、质地粘重和养分易淋失等特性。近年来，秸秆废弃物转化生物炭还田，改良红壤水稻土的酸度及肥力衰退等研究已有开展[2-3]。但是，就生物炭对红壤水稻土微生物活性，尤其是微生物群落结构的影响，并未见广泛报道；不同类型生物炭对土壤微生物群落结构的作用差异还不清楚，其影响微生物群体的机制也有待进一步揭示。【拟解决的关键问题】本研究选用水稻和玉米两种常见作物秸秆于300°C、400°C和500°C下，厌氧裂解得到6种生物炭材料。通过短期室内培育试验，研究不同性质生物炭对红壤性水稻土养分和微生物群落结构的作用差异，以期为土壤改良和秸秆资源的合理利用提供理论参考。

　　1材料与方法

　　1.1供试土壤性质

　　土壤采自鹰潭农田生态系统国家野外科学观测研究站水稻田。该站位于江西省余江县，地处东经116°55′30′′，北纬28°15′20′′，属亚热带季风气候区，年均气温17.6°C，年降雨量1785mm，年蒸发量1318mm，降雨主要集中在3—6月。采样田块是该区典型的稻田，常年保持双季稻轮作。供试土壤发育于第四纪红色黏土，属于潴育黄泥田（Fe-accumul-StagnicAnthrosols）。在选定的田块上通过多点混合采集0—20cm土层土样，样品经风干处理后，挑去肉眼可见细根，过2mm筛备用。供试土壤的基本理化性质为pH值5.32、有机碳22.2g?kg-1、全氮2.17g?kg-1、速效磷74.1mg?kg-1、速效钾118.5mg?kg-1、阳离子交换量8.37cmol?kg-1、硝态氮17.4mg?kg-1、铵态氮158.5mg?kg-1。

　　1.2生物炭样品制备及性质

　　选用水稻和玉米两种作物的秸秆。制备生物炭前，物料放入80°C烘箱，烘干12h处理。采用中国科学院南京土壤研究所研制ZBX1型炭化炉（专利批准号B200920232191.9）烧制，物料放入炭化炉后，确保箱体密封性，抽真空，充氮气，在无氧状态下缓慢升温至预定热裂解温度，并保持6h，待仪器冷却后取出生物炭产品，保存。每种物料均设定300°C、400°C和500°C3个热裂解温度，制备得到6种生物炭样品；水稻秸秆炭处理分别标记为RB300、RB400和RB500，玉米秸秆炭处理分别标记为CB300、CB400和CB500。

　　2结果

　　2.1不同生物炭对土壤pH、有机碳和养分含量的影响

　　培养135d后，添加两种秸秆生物炭处理的pH值与对照相比平均增加0.16个单位（表2，P＜0.05），但同一裂解温度下，两种生物炭处理间的差异并不显著。同时，添加生物炭处理的土壤有机碳、速效磷和速效钾含量，分别比对照平均增加26.1%、20.6%和281.8%。两种秸秆炭处理间，土壤有机碳含量的变化并没有显著差异；添加水稻炭显著增加土壤速效钾含量，而玉米炭的输入则对土壤速效磷具有显著的提高效果（P＜0.05）。同一材料的不同裂解温度间，土壤有机碳、速效磷和速效钾的含量差异未达到显著（P＜0.05）。低温裂解秸秆炭（300°C）的添加，并没有影响土壤碱解氮含量；而添加RB500和CB500处理的碱解氮含量分别比对照低10.4%和8.1%（P＜0.05）。同时，低温秸秆炭（300°C和400°C）的添加，并未引起土壤硝态氮的含量积累；而高温秸秆炭（500°C）显著促进了土壤铵态氮向硝态氮形态的转化，RB500和CB500处理的硝态氮含量分别比对照高63.6%和100.7%。

　　2.2不同生物炭对土壤微生物生物量碳、磷脂脂肪酸含量及组成的影响

　　培养135d后，对照处理的土壤微生物生物量碳（MBC）含量为（185±26）mg?kg-1（表3）。其中，低温裂解秸秆炭（300°C）的添加并没有显著影响MBC含量；而添加400°C和500°C秸秆炭处理，MBC含量分别比对照显著增加50.1%和84.3%（P＜0.05）。同一裂解温度下，RB500和CB500对MBC的影响差异达到显著。从表3可以看出，添加秸秆炭促进了磷脂脂肪酸表征的土壤微生物量的积累，PLFA总量比对照处理平均增加47.5%，但处理RB300和CB300与对照差异不显著。添加两种秸秆炭的土壤，革兰氏阴性细菌、革兰氏阳性细菌、放线菌和真菌含量分别平均比对照增加58.3%、59.6%、40.4%和46.8%，处理RB300和CB300的分类PLFA含量与对照亦无显著差异。不同裂解温度间，两种秸秆炭总量PLFA和分类PLFA均表现为300°C＜400°C＜500°C；并且，添加300°C秸秆炭处理的PLFA含量显著低于400°C和500°C秸秆炭处理（P＜0.05）。同一裂解温度下，RB300处理的总量PLFA和分类PLFA水平均低于CB300处理；而RB400和RB500处理的PLFA含量水平，则均高于CB400和CB500处理。土壤革兰氏阴性/阳性细菌和真菌/细菌的比值范围分别为0.97—1.10和0.12—0.14，水稻秸秆炭添加并没有显著影响阴性/阳性细菌的比值，而CB500则显著降低了这一比值；两种秸秆炭的添加并没有显著改变土壤真菌/细菌值（P＞0.05）。

　　3讨论

　　3.1添加生物炭对土壤pH和养分含量的影响

　　生物炭材料多为碱性，含有的灰分元素如K、Ca、Mg都呈可溶态，可增加酸性土壤的盐基饱和度，进而可以交换降低土壤氢离子及交换性铝的水平[27]。本研究中，两种秸秆炭的加入均引起红壤水稻土pH的升高（表2）；并且秸秆生物炭本身pH越高，对土壤酸度的改良效果更好。此外，高温裂解生物炭比低温裂解生物炭对土壤pH的提高要多（表2），这是由于高温生物炭含有更少的酸性挥发物[28]，较多的表面碱性含氧官能团及灰分（表1）。物料类型同样会影响制备生物炭的灰分及pH特性。袁金华等[2]的研究指出，豆科物料来源生物炭对土壤pH的提高幅度要大于非豆科物料制备的生物炭。本研究中，同一裂解温度下，仅500°C水稻和玉米秸秆炭间差异达到显著（表2），这可能是由于供试两种秸秆物料的碱性组分差异并不明显造成。

　　3.2生物炭对土壤微生物生物量和群落结构的影响

　　生物炭相对稳定，并不是微生物较好利用的基质；但是生物炭的添加仍然显著影响着土壤微生物的活动。比如，生物炭的孔隙结构及其对水肥的吸附作用可以为微生物提供良好的栖息环境[34]，其可利用组分可以直接被微生物生长所利用[35]。以往研究表明，生物炭添加可显著提高温带土壤[18]、土[17]等的微生物生物量和酶活性。本研究得出，两种秸秆生物炭的添加，均可以促进红壤性水稻土微生物的活动，提高MBC和总量PLFA表征的微生物生物量水平（表3）。Lehmann等[16]总结指出，生物炭对养分元素的保持和提高，对土壤酸度的改善，对微生物的物理保护以及对有毒物质的吸附都利于增加土壤微生物量。虽然有报道指出[18]，低温裂解生物炭因含有低分子量易降解的有机化合物，其添加往往更利于微生物的活动，提高其生物量和活性。但是，本研究表明，高温制备生物炭比低温生物炭更能促进微生物量的增加，这可能归因于其对土壤性质的改良效果更好[23]。相关分析也显示，添加生物炭土壤MBC和PLFA含量与pH、SOC和速效钾含量显著正相关（P＜0.05）。因生物炭的组分及结构特异性，不同微生物群落对添加生物炭的响应往往不同；微生物群落结构的改变程度主要受生物炭性质、添加量及土壤类型的影响。Steiness等[20]的研究发现，酵母生物炭会促进真菌的生长，而葡萄糖源生物炭则主要被革兰氏阴性菌所利用。本研究中，不同秸秆炭的添加，均增加了革兰氏阴性细菌、革兰氏阳性细菌、放线菌和真菌的生物量（表3）。陈伟等[36]对茶园土壤的研究也表明，生物炭的添加通过对土壤的水分、营养、通气等环境条件得到了改善，可以增加土壤细菌、真菌和放线菌的数量。此外，添加RB500处理总量PLFA和分类PLFA的含量含量均高于CB500处理（表3），这表明红壤性水稻土中，RB500能够更好的促进微生物生长和活动。主成分分析的结果表明，水稻秸秆炭对红壤性水稻土微生物群落结构的改变程度较玉米秸秆炭更为明显（图1），这可能是由于水稻秸秆对此种土壤类型下的微生物群体具有更好的适应性。所以，在农业废弃物转化生物炭的再利用过程中，要优先考虑特定土壤类型下的原有作物材料。

　　eferences

　　[1]WangYJ,BiYY,GaoCY.Theassessmentandutilizationofstrawresourcesinchina.AgriculturalSciencesinChina,2010,9(12):1807-1815.

　　[2]YuanJH,XuRK,QianW,WangRH.Comparisonoftheamelioratingeffectsonanacidicultisolbetweenfourcropstrawsandtheirbiochars.JournalofSoilsandSediments,2011,11(5):741-750.

　　[3]HuaL,LuZQ,MaHR,JinSS.Effectofbiocharoncarbondioxiderelease,organiccarbonaccumulation,andaggregationofsoil.EnvironmentalProgress&SustainableEnergy,2014,33(3):941-946.

　　李明1,2，李忠佩1,2，刘明1，江春玉1，吴萌1

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