生物质炭对人工林土壤微生物群落结构和碳源可利用性的影响:原位实验毕业论文_生态学毕业论文

生物质炭对人工林土壤微生物群落结构和碳源可利用性的影响:原位实验毕业论文

2021-04-27更新

摘 要

生物质炭因在碳固定和土壤改良方面具有巨大潜力而成为众多学科研究的前沿热点。本研究以江苏省镇江市下蜀林场的榉树人工林为试验样地,设计不添加生物质炭的对照(CK)、添加300 °C制备的生物质炭(水稻为原料,B300)、添加500 °C制备的生物质炭(水稻为原料,B500)3个处理,进行182 d的原位实验,采用磷脂脂肪酸(PLFAs)等技术,研究生物质炭对土壤微生物群落结构的影响。经过182 d的培养,与CK处理相比,B300处理的PLFAs含量提高了68.6%(p lt; 0.01),而B500处理的PLFAs含量降低了75.6%(p lt; 0.01)。CK、B300和B500处理的土壤Cmic含量分别为1711、2031和95 mg C kg-1,同样呈现B300 gt; CK gt; B500的规律。因此,300 °C制备生物质炭提高土壤微生物群落大小,而500 °C制备生物质炭降低土壤微生物群落大小。与CK处理相比,B300和B500处理的真菌比例分别升高了13.1%(p lt; 0.01)和6.25%(p lt; 0.05),真菌/细菌比例相应提高了15.0%(p lt; 0.01)和8.47%(p gt; 0.05)。B300处理的放线菌比例降低了11.3%(p lt; 0.01)。B300处理提高了G 菌比例并降低了G菌/G 菌(p gt; 0.05),而B500处理降低了G 菌比例并提高了G菌/G 菌(p lt; 0.01)。总之,生物质炭能够显著改变榉树人工林土壤的微生物群落结构,主要体现在对真菌、放线菌和G 菌相对丰度的改变,并且不同制备温度生物质炭所产生的影响不同。本研究结果将为生物质炭固碳功能的深入研究提供基础数据。

关键词:生物质炭;微生物生物量碳;PLFA;土壤溶解有机碳;榉树人工林

Effect of Biochars on Soil Microbial Community Structure from a Zelkova serrata Plantation

ABSTRACT

Biochar has become a hot topic in many disciplines because of its great potential for carbon sequestration and soil amelioration. In situ experiment was conducted to investigate the effects of biochar on the size and structure of soil microbial communities using phospholipid fatty acids (PLFAs) from a Zelkova serrata plantation in Xiashu forest farm, Zhenjiang, Jiangsu province. Treatments included control without biochar (CK), biochar prepared from rice at 300 °C (B300), and biochar prepared from rice at 500 °C (B500). After 182 d of incubation, compared with CK, the content of PLFAs increased by 68.6% and decreased by 75.6% in B300 (p lt; 0.01) and B500 (p lt;0.01) treatments, respectively. The soil Cmic content were 1711, 2031, and 95 mg C kg-1 in CK, B300, and B500 treatments, respectively, also with the trend of B300 gt; CK gt; B500. Therefore, biochar prepared at 300 °C increased the size of soil microbial community, while biochar prepared at 500 °C decreased the size of soil microbial community. Compared with CK, the proportions of fungi increased by 13.1% (p lt; 0.01) and 6.25% (p lt;0.05), and the fungi : bacteria ratio increased by 15.0% (p lt; 0.01) and 8.47% (p gt; 0.05) in B300 and B500 treatments, respectively. The proportion of actinomycetes was reduced by 11.3% in B300 treatment (p lt; 0.01). The proportion of G bacteria increased and Gbacteria : G bacteria decreased in B300 treatment (p gt; 0.05), while the contrary results occurred in B500 treatment. In conclusion, biochar can significantly change the microbial community structure in the soil from Zelkova serrata plantation, which mainly due to the changes in the relative abundance of fungi, actinomycetes, and G bacteria, and the effects of biochars prepared at different temperatures are different. The results of this study will provide basic data for further study of carbon sequestration by biochar.

Key words: Biochar; Microbial biomass carbon; PLFA; Dissolved organic carbon; Zelkova serrata plantation soil

目 录

1 文献综述 1

1.1 生物质炭及其性质 1

1.1.1 生物质炭 1

1.1.2 生物质炭的性质 1

1.1.3 不同裂解温度生物质炭的性质 1

1.2 生物质炭对土壤微生物群落的影响及原因 2

1.2.1 生物质炭对土壤微生物群落的影响 2

1.2.2 生物质炭影响土壤微生物群落的原因 4

2 研究背景、内容和技术路线 5

2.1 研究背景 5

2.2 研究内容 5

2.3 技术路线 7

3 材料与方法 8

3.1 研究区概况 8

3.2 生物质炭的制备 8

3.3 实验方案 8

3.4 样品分析 9

3.4.1 土壤微生物生物量碳(Cmic) 9

3.4.2 土壤微生物群落结构 10

3.5 数据统计 10

4 结果与分析 11

4.1 生物质炭对微生物群落大小的影响 11

4.1.1 微生物生物量碳 11

4.1.2 PLFAs含量 12

4.2 土壤微生物群落组成 13

4.2.1 细菌、真菌及真菌/细菌 13

4.2.2 放线菌 14

4.2.3 G菌、G 菌和G菌/G 菌 14

4.2.4 好氧菌及好氧菌/厌氧菌 16

4.3 土壤微生物群落结构 17

5 讨论 18

5.1 生物质炭对土壤微生物群落大小的影响 18

5.2 生物质炭对土壤微生物群落组成和结构的影响 19

6 结论与展望 20

6.1 结论 20

6.2 展望 20

致 谢 21

参考文献 22

1 文献综述

1.1 生物质炭及其性质

1.1.1 生物质炭

生物质炭(biochar)是指由碳含量高的生物质在限氧条件下经高温裂解生成的一种具有富含碳元素、高度芳香化的固体颗粒物质(孔丝纺等,2015)。制备生物质炭的原料有各种植物残体、动物粪便、有机废弃物、固体垃圾等,其大多数原料为农业废弃物(Abdullah和Wu, 2009)。通过限氧热解将农业废弃物转化为生物质炭可以减少废弃物对环境的污染,并且可作生物质能源使用,实现资源的循环利用(Demirbas et al., 2006; Laird, 2008)。

对生物质炭的研究始于对黑土(Terra Preta)的研究(刘玉学等,2009)。生物质炭对土壤环境功能的影响是目前的研究重点,不同处理的生物质炭的添加会对土壤物理和化学性质产生多种相似或不同的影响。生物质炭可以提高土壤对养分的吸持能力、提高土壤pH、吸附有毒元素而降低毒害作用、提高土壤养分的利用率、提高土壤的持水能力、增加阳离子交换量(CEC)、改善土壤结构和一些物理性质、提高土壤微生物丰度、提高土壤微生物活性、降低农田土壤N2O和CH4的排放、增加土壤有机碳的含量(Keiluweit和Nico, 2010; Asai和Samson, 2009; Cao和Harris, 2010; Chan et al., 2007; Silber et al., 2010)。

1.1.2 生物质炭的性质

生物质炭具有高碳素和大量营养物质、有着很大的比表面积、拥有丰富的孔隙结构、其表面含有大量的含氧官能团。生物质炭的多孔结构可增加表层土壤孔隙度,有利于植物生长。生物质炭拥有比原料更复杂的结构和稳定性,有着非常强的抗分解能力,有些时候它可以在土壤中稳定存在几千年(Pessenda et al., 2001)。

1.1.3 不同裂解温度生物质炭的性质

随着生物质炭随裂解温度的提高,其C、P元素比例随之增加;H、O、S含量随之减少;不同原料制备的生物质炭N元素含量有所不同,以木材或秸秆为原料制备的N略有增加,而以畜禽粪便为原料制备的N却减少(Hatton和Singh, 2010)。随着裂解温度的提高,生物质炭中速效P含量的变化较大。一般情况下裂解温度越高,速效P含量越低,其原因可能是高的裂解温度产生更高的pH,而形成磷酸盐(Asai和Samson, 2009; Chan et al., 2007)。裂解温度对生物质炭的比表面积有较大影响(Chun et al., 2004)。通常情况下,随着裂解温度升高,比表面积增加,碱性基团增加,pH随之升高,总官能团和极性官能团减少,持水量也随之减少(Chun et al., 2004; Lehmann, 2007)。

1.2 生物质炭对土壤微生物群落的影响及原因

1.2.1 生物质炭对土壤微生物群落的影响

土壤微生物主要指土壤中个体微小的生物体,主要包括细菌、放线菌、真菌等(黄韡等,2013)。研究发现,添加生物质炭可以引起微生物种类的变化(Grossman et al., 2010)。例如,Warnoc等(2007)的研究表明,添加生物质炭的土壤中作物根部的真菌繁殖能力增强,真菌丰度增加。Steinbeiss等(2011)同样发现生物质炭的添加增加了土壤中真菌的含量,而Khodadad等(2011)则发现添加生物质炭增加了放线菌门的相对丰度,尽管微生物的整体多样性减少。除此之外,添加生物质炭可以提高微生物群落的呼吸代谢速率,改善微生物对基质的利用格局(Pietikainen et al., 2000)。韩光明等(2012)也认为适量的生物质炭可以促进某些微生物的活性。

表1.1 生物质炭添加对土壤微生物群落结构(PLFAs方法表征)的影响

生物质炭类型

土壤类型

培养时间

总量

一般细菌

G比例

G 比例

真菌比例

放线菌比例

G/G

真菌/细菌

好氧/厌氧

质量或摩尔比例

文献来源

烟秆炭和桑条炭(450 °C)

红壤

120d

增加

增加

显著增加

显著增加

摩尔比例

何玉亭等(2016)

玉米秸秆(500 °C)

砂壤土

30d

30d后增加

30d后增加

30d后增加

30d后减少

30d后增加

30d后增加

30d后增加

30d后增加

30d后增加

质量比例

Lu等(2014)

杉木茎叶(350、550、750 °C)

红壤

364d

影响不大

显著降低

增加

影响不大

影响不大

显著下降

影响不大

摩尔比例

雷海迪等(2016)

小麦(525 °C)

微酸性砂壤土

100d

增加

增加

下降

影响不大

增加

影响不大

摩尔比例

Watzinger等(2014)

枫木(500 °C)

砂壤土

168d

上升

显著上升

显著上升

上升

显著上升

影响不大

下降

质量比例

Mitchell等(2015)

1.2.2 生物质炭影响土壤微生物群落的原因

生物质炭影响土壤微生物群落的机理复杂,其多孔结构可以为土壤微生物提供较大生活空间,生物质炭孔隙中贮存的水分和养分为微生物提供良好的栖息生活微环境。此外,生物质炭可以改变土壤理化性质(pH值、土壤阳离子交换量、持水性、通气性及保肥性等)。例如,土壤pH是影响微生物生长发育的重要因素,真菌和细菌对土壤pH的要求有所不同。输入生物质炭可以提高土壤pH,从而影响土壤微生物群落结构变化(黄韡等,2013)。章明奎等(2012)人的研究发现,生物质炭添加的前期,土壤中微生物量碳(Cmic)呈上升趋势,之后慢慢下降。

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