生物炭与氮肥配施提升酸性土壤肥力和氮素利用率的效应及其微生物学机制
生物炭是农业废弃物在低温厌氧条件下制得的固体材料，在土壤改良、温室气体减排等方面具有很高的应用价值。酸性红壤是我国南方地区主要的土壤类型，土壤酸化、铝毒、氮肥利用率低等问题限制了该地区农业的可持续发展。本研究，首先采用土壤培养的试验方式，探讨氮肥与生物炭配施对酸性土壤肥力的提升，对土壤微生物群落结构及其代谢产物的影响;其次通过作物培养试验结合δ15N同位素探讨氮肥配施不同比例生物炭处理下苗期玉米的氮肥利用情况，并通过铝核磁技术(27AlNuclearmagneticresonance,27A1NMR)、X射线衍射分析(X-raydiffractometer,XRD)、傅里叶红外(FourierTransformInfraredSpectrometer,FITR)、扫描电镜-能谱分析(Scanningelectronmicroscope-Energydispersivespectrometer,SEM-EDS)以及孔隙结构测定(Brunner-Emmet-Teller,BET)探究生物炭施入土壤后生物炭理化性质的变化，从而揭示生物炭改良酸性土壤的机制;最后利用宏基因组技术等测序技术，明确根际土壤微生物群落组成及多样性对炭氮配施下的响应，为生物炭在酸性土壤上的应用及氮肥的高效利用提供理论基础和科学指导。 1氮肥配施生物炭对酸性土壤肥力的影响 与单独施用氮肥相比，炭氮配施对酸性土壤具有显著的改良效果。首先生物炭具有丰富的碱性基团和植物可利用的速效养分,施用后土壤pH提高0.10-0.50个单位,土壤速效钾、有机质分、铵态氮(Ammoniumnitrogen,NH4+-N)和硝态氮(Nitrate,NO3--N)含量别提高66.01-69.09％、327.60-341.22％、19.62-156.74％和45.39-451.49％。此外，生物炭施用后可以有效缓解酸性土壤铝毒胁迫，土壤中Al3+含量降低66.61-88.83％。通过27A1NMR、XRD及SEM-EDS等多种表征技术证明生物炭的多孔结构可以吸附含土壤中含铝化合物(Al2SiO5),表面的官能团能与酸性土壤中Al3+和H+结合，从而减缓酸性土壤中铝毒、酸毒对作物和微生物的伤害。最后，与单独施用氮肥相比，炭氮配施乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、β-葡萄糖苷酶(βG)和α-葡萄糖苷酶(αG)的活性分别提高了155.56-266.66％、91.43-178.57％和100-196.76％。 2氮肥配施生物炭对酸性土壤根际微生物群落及其代谢产物的影响 与只施用氮肥处理相比，炭氮配施改变酸性土壤中微生物群落组成及代谢产物含量。首先，氮肥和生物炭配施改良酸性土壤为微生物的生长和繁殖提供良好的环境条件，提高微生物对碳源物质的利用能力。其次，氮肥配施生物炭可以提高细菌的多样性，提高厚壁菌门和异常球菌等有益微生物的相对丰度。氮肥配施生物炭改变根际以及非根际土壤细菌群落组成的差异，而真菌的群落组成对氮肥和生物炭添加的响应并不敏感。在根际土壤中大多数土壤理化因子对细菌群落具有显著影响（P＜0.05）,而只有NH4+-N、NO3--N、氨单加氧酶（AMO）、羟胺脱氢酶（HAO）及亚硝酸盐氧化还原酶（NXR）对非根际土壤的细菌群落具有显著影响（P＜0.05）。根际土壤的真菌仅仅受到AMO活性显著影响，非根际土壤真菌受到NH4+-N含量显著影响（P＜0.05）。氮肥和生物炭配施影响土壤微生物次生代谢物生物合成和氨基酸代谢途径，提高土壤中代谢产物中脂类、有机氧及有机酸分子含量。 3氮肥配施生物炭对酸性土壤氮素有效性的作用及转化机制 炭氮配施提高酸性土壤氮素有效性。首先通过SEM、BET等技术发现生物炭施入土壤后生物炭表面结构受到破坏，比表面积降低，孔径体积增加，可以储存氮肥，供植物和微生物吸收利用。其次氮肥配施生物炭可以促进土壤氮循环，提高酸性土壤微生物的固氮和硝化作用，生物炭处理下AOB和nifH基因丰度分别提高910.00％和422.64％。在硝化过程中氮肥配施生物炭处理下HAO、NXR的活性分别增加6.98-12.84％、5.31-9.16％,促进土壤有机氮向无机氮转化，被植物吸收利用。 4氮肥配施生物炭对玉米苗期生长及氮肥利用率的影响 通过土柱分层和根箱试验探究氮肥配施生物炭对玉米生长及氮肥利用率的影响。首先，氮肥配施生物炭有助于苗期玉米农艺性状提升及根系形态的构建。氮肥配施生物炭处理后根体积、根尖数、分叉数及交叉数分别提高35.43-84.32％、18.75-205.45％、112.13-865.53％、152.75-5415.81％。其次与单独施用氮肥处理相比，炭氮配施有利于苗期玉米养分的吸收。最后，通过δ15N同位素示发现，与只施用氮肥处理相比，氮肥配施生物炭处理玉米苗期地下部氮肥利用率从2.66-4.97％提升到4.13-10.41％,地上部氮肥利用率从12.84-39.00％提升到15.50-56.61％。与传统施肥相比，氮肥深施配施生物炭更能提升氮肥利用率,植株氮肥利用率增加0.37-1.71％。 综上所述，与单独施用氮肥处理相比，炭氮配施可以明显提升酸性土壤质量,缓解酸性土壤铝毒、酸毒胁迫。生物炭的孔隙结构可以给微生物繁殖提供适宜的场所，提高土壤微生物的多样性和丰富度，提高土壤微生物的代谢活性，土壤代谢产物丰度增加。相对于真菌群落，细菌群落组成的变化对于生物炭和氮肥的添加更加敏感。炭氮配施可以提高作物氮肥利用率，减少因淋洗和挥发造成土壤氮肥损失。
生物炭;氮肥;酸性土壤;氮肥利用率;土壤微生物
华中农业大学
博士
植物营养学
姜存仓
2023
中文
S565.101;S143.1
2023-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）