【《不同种类微生物载体对土壤农田土壤生态及温室气体排放的影响实验探究分析》6800字】

不同种类微生物载体对土壤农田土壤生态及温室气体排放的影响实验探究分析1.1对土壤理化性质的影响1.1.1土壤全碳、全氮、碳氮比、DOC、DON、NH4+和NO3-的影响土壤全碳是土壤碳库的重要指标，本次试验中生物质炭和沙棘果渣的添加对于土壤全碳含量具有显著提升效果，见图3（a）。生物质炭组（C）提升效果最为显著，较对照组平均提升率达到44.68%。全碳中所提升的部分或主要来源于其所含碳组分。因生物质炭中的碳元素性质较为稳定（Lehmann等，2006），多数碳不易于微生物直接利用，故全碳含量得以整体保持在较高水平，在碳储藏与长效养分方面可能存在一定价值。沙棘果渣组（S）的全碳含量提升程度略低于生物质炭，较对照组平均提升16.31%。其全碳的增量可能也来自于自身，同时由于沙棘果渣所含碳主要存在于易分解的有机质，很可能在被土壤中活性较高的微生物分解后产生消耗。生物陶粒组（T）的全碳含量整体与对照组含量较为接近，其中在第7天时增加明显，高于对照组12.15%，这可能由于生物陶粒的多孔结构促进了微生物繁殖生长，使得当时土壤中固碳微生物活性较强，促进了土壤碳素的固定。此外，沙棘果渣组土壤在7-14天间的全碳含量显著上升，推测此时土壤中微生物受到果渣的激发作用，可能较为明显地促进了水稻土中固碳微生物的生长，同时试验的水稻土可能通过物理、化学以及生物等形式（潘根兴等，2008）对形成了一个较为明显的固碳过程，使得土壤碳素出现明显提升。土壤全氮含量反映了土壤中氮素整体收支情况，本试验中生物质炭和沙棘果渣组整体上都促进了土壤全氮含量的提升，见图3（b）。其中生物质炭组的提升效果较为显著，相较对照组增幅达到14.24%～36.03%，但其变化趋势基本与对照组一致，推测整体性提升的全氮含量来源于生物质炭中较为稳定的氮源，这部分氮素并未积极参与至土壤氮素循环过程。沙棘果渣组的增幅波动较大，在-5.28%～43.42%之间，整体全氮水平略低于生物质炭，推测这一现象也可归结于沙棘果渣中含有的易分解组分较多，被较为迅速地分解损耗；此外在7-14天中，该组的全氮含量出现明显提升，推测这一阶段微生物整体活性增强，土壤中微生物对易分解利用的氮素消耗较多，促进了土著固氮微生物的活性的激发，增强了土壤中的固氮作用，提升土壤总氮含量。生物陶粒组的全氮含量相较对照组略有提升，其中7-21天中含量整体高于对照组，推测由于生物陶粒的对土著微生物生长存在一定的促进作用，一定程度上增强了土著微生物的固氮作用。土壤碳氮比为土壤全碳和全氮的比值，受到两种数据相对变化强度的影响。从实验结果（图3（c））上看，生物质炭的碳氮比显著较高，趋势同对照组相似，这很可能一方面由于其自身的高碳氮比特性有关，本次实验所用的生物质炭的碳氮比约21，且大量碳、氮元素都较为稳定，可提升土壤的碳氮比，另一方面因生物质炭较少参与土壤碳、氮循环，主要变化来源于土壤碳氮比的变化；沙棘果渣组的碳氮比含量整体呈现逐步上升的趋势，一方面在碳氮同处于消耗的时候，氮素的相对消耗程度略高于碳素，而在两者同处积累状态时，碳素的相对固定量又高于氮素，使得土壤中的碳氮比整体呈现上升趋势。生物陶粒组中碳氮比的变化趋势较对照组更为缓和，前期该组在全氮含量缓慢消耗的过程中，全碳含量仍略有上升或变化较小，从而保持了碳氮比逐步升高的状态，后期土壤中全氮的含量都得到大幅度提升，使得碳氮比在21-28天呈现明显的下降。图3不同类型微生物载体类型施入土壤对土壤全碳、全氮、碳氮比的影响Fig3Effectsofdifferentmicrobialcarriertypesonsoiltotalcarbon，totalnitrogen,andC/Nratio不同小写字母表示同一采样时间下不同处理间存在显著性差异(P＜0.05)，下同Differentlowercaselettersindicatesignificantdifferencesbetweendifferenttreatmentsatthesamesamplingtime(P＜0.05)，samebelow.土壤DOC含量在一定程度上可反映微生物较为容易利用的土壤有机碳类型，与土壤中物质的循环转化过程有着密切的联系（柳敏等，2007）。本实验中，沙棘果渣组的DOC含量同对照组在前期有相似的变化趋势（图4（a）），出现了明显的DOC含量上升，推测对照组土壤此时可能由于受到外力搅拌处理，土壤氧气含量增加，可能提升了好氧菌的活性，对土壤有机质有一个大幅度的分解，DOC含量呈现明显上升；沙棘果渣所带来的外源有机质可能进一步激发了微生物生长繁殖，而土壤可能处于沙棘果渣和土壤有机质的高分解和DOC高消耗的状态，而最终得到的DOC瞬时含量恰好与对照组相近；此外，试验后期沙棘果渣组还是对土壤的DOC含量具有少量提升效果。生物质炭组和生物陶粒组的DOC含量的变化幅度则较小，其中第7天的DOC含量明显低于对照组，这可能由于生物质炭和生物陶粒的添加在短期内没有提供较为易分解的有机碳，同时还可能通过少量的物理阻碍或释放部分含有毒性、与微生物生长环境差异较大的离子，影响局部pH、CEC等环境条件，使得土著微生物需要被迫适应的相对不佳的生活环境，对于有机质的分解活性受到明显降低，使得土壤DOC含量整体偏低。土壤中的DON主要来源于土壤中的大分子含氮物质，如蛋白质等，由通过胞外酶的解聚作用形成（Danniel等，2010），是一种微生物较为容易利用的氮素类型。试验期内各组土壤的可溶性氮含量都呈现了较大范围的波动（图4（b）），从对照组结果来看，在土壤培养的0-7天，土壤中的有机氮有明显的消耗，降幅达到74.59%，这可能与此时好氧菌的活动消耗有关，且消耗量可能明显多于分解量，后期为了补充此前消耗，增加分解至平衡状态。生物质炭和生物陶粒组的变化趋势较为一致，在0-21天土壤DON呈现缓慢减少的趋势，降幅分别为67.52%和71.06%，在21天达到五次测定中的最小值，这一变化有可能由于土壤微生物逐步适应外源物添加后带来的环境改变，微生物活性逐步提高，DON的分解利用量逐步上升，在21天测得观测值中的最大消耗量；在21-28天时都有所回升，其中生物陶粒DON的回升速率高于生物质炭，可能由于生物陶粒组微生物的活性相对较强，对大分子的解聚作用更强。沙棘果渣组整体含量相对较低且变化幅度也相对较小，其中第0天的DON含量较对照组就出现了明显的下降，降低了76.28%。这可能由于沙棘果渣添加后，第0天中r型微生物的大量繁殖，对土壤中的DOC进行消耗；0-7天土壤中有机质氮分解补充以满足较大的微生物生长需求，使得土壤中DON有小范围增长，7-21天土壤中的固氮效果增强，对于DON的整体处于消耗略大于分解的状态，土壤DON含量整体上逐步缓慢下降，在21天达到较低值后大分子量有机质分解速率增加，呈现DON含量小范围的上升。土壤硝态氮的测定结果中（图4（c）），不同处理组呈现较为明显的差异。其中沙棘果渣组和对照组在第7天出现了硝态氮含量的明显下降，且沙棘果渣组下降更为显著，较同时期对照组的硝态氮含量低13.80%，这可能由于沙棘果渣为高碳氮比有机质，微生物在利用时往往还需要吸收一部分氮素来平衡碳氮比，后期沙棘果组的硝态氮含量逐步上升，可能是由于土壤中铵态氮含量提升促进了硝化作用；而生物陶粒组和生物质炭组在试验期间硝态氮减少相对缓慢，这可能是由于两种材料对于硝态氮存在一定的吸附能力，可能减少了硝态氮淋溶下沉的损失量；同时微生物的代谢活性较低，对于消耗有机质进行的硝态氮补充需要较少。在铵态氮方面（图4（d）），试验结果存在一定波动，但不同处理间仍存差别。沙棘果渣整体上对土壤铵态氮含量有提升效果，平均提升率达到26.16%，这可能与沙棘果渣中含有较多易分解的有机质有一定关联；其中沙棘果渣在0-7天出现明显下降，推测是微生物为利用高碳氮比的沙棘果渣，吸收了容易利用的铵态氮进行氮素补充，而7-14天中，沙棘果渣组的铵态氮含量有较为明显的上升趋势，可能是由于为了补充土壤中铵态氮的消耗，土壤中的土著固氮菌的活动增强，在21-28天左右铵态氮含量达到较高水平，此时土壤的硝化反应可能得到增强，同时微生物的氮利用可能也有所增加，使得后土壤铵态氮含量降低。而生物质炭和生物陶粒组铵态氮含量整体含量略低于对照组，可能因添加这两种材料后土壤中的微生物活性受影响，使得分解产生少于消耗。而生物质炭组前期可能对生物质炭有所利用，在利用过程中也吸收了土壤中部分铵态氮，其含量呈现较明显下降，后期或增强了对DON的分解，铵态氮含量略有回升。生物陶粒组前期DON的分解量可能也不高，铵态氮无明显变化；7-14天中可能提升了DON的分解，微生物活性开始逐步增强，代谢量增加，对铵态氮的消耗也有所提升，铵态氮整体含量下降；14-21天微生物活性可能进一步提高，DON的分解增强，固氮效果可能也有明显增强；21-28天期间，微生物主要利用了积累的铵态氮，铵态氮有所下降。图4不同类型微生物载体类型施入土壤对土壤DOC、DON、N-NO3-和N-NH4+的影响Fig4EffectsofdifferentmicrobialcarriertypesonsoilDOC、DON、N-NO3-andN-NH4+1.1.2对土壤pH、有效磷、速效钾、全氢和全硫的影响在土壤pH值方面（图5），几类测试载体的表现存在显著差异。其中沙棘果渣组的对偏酸性土壤的pH存在显著的改良作用，pH提升量为0.25～0.69。研究显示植物质有机肥的添加对水稻土pH存在提升效果（Wang等，2013），这可能是由于植物材料中丰富的有机官能团与土壤中铝、铁的羟基氧化物之间存在配体交换，也可能与植物材料所含有机化合物的解离和结合相关（Xu等，2006）。生物质炭组对pH未呈现显著的提升性改良效果。推测虽然生物质炭的pH呈碱性，但可能因其投入量较为有限，土壤pH的提升效果并不明显，相关研究也表明在低生物质炭投入时，生物质炭在酸性土壤的pH改良方面效果并不显著（郭碧林等，2018）。生物陶粒组对于土壤pH的提升效果波动较大，整体改良效果弱于沙棘果渣。图5不同类型微生物载体类型施入土壤对土壤pH值的影响Fig5EffectsofdifferentmicrobialcarriertypesonsoilpHvalue土壤有效磷含量方面（见图6（a）），载体的施入也都不同程度地降低了有效磷的含量。其中沙棘果渣的施入后有效磷的下降较为显著，下降率达到16.46%～57.35%，而一些新鲜有机质，如紫云英（李峰等，2020），在施入水稻土后也会伴随有土壤有效磷下降的现象。这可能主要与存在外源性可矿化碳时，微生物促进土壤无机磷的有机磷转化（Chen等，2000）以及土壤对无机磷的金属螯合（Levesque等，1967）等因素有关。生物质炭在0-7天对土壤有效磷主要呈削减效果，7-28天转为提升，推测试验前期土壤中有效磷的下降可能缘于生物质炭释放的Ca2+、Mg2+等离子对无机磷的固定（Christel等，2014）以及部分土壤微生物对易利用磷素的消耗，后期有效磷的增加则可能因为生物质炭促进了土壤中原本稳定的磷素向有效态的转变（Knowles等，2011;Jin等，2016）以及土壤生物质炭所携带的磷素释放（才吉卓玛，2013）。相关研究也指出，生物质炭对于土壤有效磷的含量的影响多呈现促进效果（GlaserB等，2019;才吉卓玛，2013）。生物陶粒的施加整体上对于土壤的有效磷含量存在削减抑制效果，这可能与陶粒中所含的Ca2+释放，与有效磷的结合有关，后期则呈现土壤有效磷含量的回升态势，这可能由于土壤中pH总体性升高，降低了Ca2+的抑制效果。土壤速效钾（图6（b））对于载体添加整体呈现显著增加的响应结果，但在不同的时期各组的增加效果有所差异。其中，生物质炭组整体上的提升效果最为显著，提升率可达57.19%～91.46%，这一特点在许多研究中也都有体现（宋燕凤等，2020）,这可能是生物质炭携带的钾素养分释放与土壤解钾菌的活性强化（Wang等，2018）所致。沙棘果渣的施加对于土壤速效钾含量也有显著提升，提升率也到19.22%～62.69%。也有相关文献指出，有机肥的施加能够显著增高土壤中速效钾含量（荣勤雷等，2014）。而沙棘中富含丰富的钾元素，沙棘汁中的钾含量达到1499.96mg/kg（Rajchal等，2009），添加沙棘果渣后土壤有效钾的提升与沙棘果渣中钾元素的释放可能存在较强关联。此外，生物陶粒的施加对于土壤速效钾的含量提升4.53%～35.53%，这可能是由于其多孔结构为土壤微生物提供更适宜的生存条件，在一定程度上提升了解钾菌的解钾效果。风干土壤中全氢的含量可能与土壤中较为稳定的有机质及粘土矿物关系密切。试验的全氢含量中（图6（c）），各组的变化趋势基本一致，主要都是在7-14天出现明显的下降趋势，推测这一阶段，各试验组土壤中可能存在较强的微生物活动，促进了土壤有机质在短期内进行大量分解。由于土壤本底有机质往往可分解性差，推测此时参与分解的可能主要是土壤中真菌等大体积K型微生物。在试验后期部分组别的全氢含量有所增加，可能是促进微生物量的积累。在土壤硫含量方面（图6（d）），样品土壤中的硫元素主要来自于各种载体本身，其中生物陶粒中的硫含量相对较高，各试验组的硫含量可能是实验培养中微生物对部分载体结构进行破坏瓦解，使其中的硫元素释放及进入土壤，造成了部分组别中的硫含量升高。图6不同类型微生物载体类型施入土壤对土壤有效磷、速效钾、全氢和全硫的影响Fig6EffectsofdifferentmicrobialcarriertypesonsoilavailableP,availableK,totalHandtotalS1.1.2对温室气体CO2、CH4、N2O的影响几类载体对农业温室气体释放的产生的影响效果不尽相同，见图7。土壤中的生物代谢以及各类生物化学过程是土壤所释放的二氧化碳的主要来源（Singh等，1997）。通常，土壤二氧化碳释放速率受土壤的有机质含量及其矿化速率、微生物类群数量及其活性等因素的影响（张玉铭等，2011）。本试验中，沙棘果渣的添加对于土壤二氧化碳释放影响较大，在试验前期主要促进了二氧化碳的释放，累积释放量也居各组之首。这可能由于沙棘果渣中的有机质丰富易利用，土壤微生物代谢活动得到强化，导致代谢产物二氧化碳释放激增；但随着培养时间的延长，土壤中释放的二氧化碳速率呈逐步降低态势，速率的平均下降量为2.48mg·（kg·h）-1，可能由于激发作用后期，易获得养分大量耗散，微生物数量逐步下降，整体代谢速率降低（Shahbaz等，2017）。反观生物质炭组和生物陶粒组，温室气体累积释放量则显著低于对照，可能是由于两者施入土壤后，土壤团聚体形成加速，从而通过物理阻隔的方式降低了微生物和酶对有机碳的分解作用（刘杰云等，2015）。土壤中所释放的甲烷主要是产甲烷菌及一些厌氧细菌在厌氧环境中形成的产物。本实验中生物质炭组和生物陶粒组甲烷总释放量与对照组均无显著性差异，28天时甲烷的释放速率有较为明显的提升，这可能由于土壤中的厌氧呼吸加强。土壤中氧化亚氮可来源于土壤中的反硝化反应、硝化反应、甲烷硝化反应和异养硝化作用等微生物参与的生化反应，且反硝化过程是最值得着重关注的一条途径（沈菊培等，2011）。试验各组整体上氧化亚氮释放速率变化较小，生物质炭、生物陶粒组与对照组的累积排放量无显著性差异，其中沙棘果渣组的氧化亚氮释放速率在第7天呈现较为明显的负吸收状态，或与当时低硝态氮含量、弱反硝化作用的环境有关。图7不同类型微生物载体类型施入土壤对土壤CO2、CH4和N2O释放速率和累计释放总量的影响Fig7EffectsofdifferenttypesofmicrobialcarriersonsoilCO2,CH4andN2Oreleaseratesandcumulativetotalrelease从此次试验测定的全球升温潜势来看（图8），测定结果与土壤二氧化碳累积排放量相关性较强，甲烷和氧化亚氮的释放的贡献较小，或可表明与氧气接触较为充分且扰动较少的表层土壤中，主要的温室气体贡献来自于土壤中的有氧呼吸，而需要厌氧条件产生的温室气体整体释放量较少。从不同组别的比较来看，沙棘果渣的全球升温潜势同对照存在显著性差异，为对照组的1.79倍，而生物质炭组和生物陶粒组的整体升温潜势较小，较对照组降低了54.7%和46.03%，存在一定减排潜力。图8不同类型微生物载体类型施入土壤对全球增温潜势的影响Fig8Effectsofdifferentmicrobialcarriertypesonglobalwarmingpotential1.1.3对微生物数量的影响本次实验中不同载体的添加对于微生物数量具有显著差异性，见图9。其中沙棘果渣组在试验前期出现明显微生物数量上涨，较同期对照组微生物数量增加了230.4%～479.5%，这主要是由于沙棘果渣中新鲜的有机质促进了细菌等微生物的生长，使得它们在数量上出现明显的爆发，在14-21天中，微生物数量出现了较为明显的下降，可能是由于一些易利用的有机质基本耗尽，土壤中的微生物回归到接近对照