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        叢枝菌根真菌和生物炭聯(lián)合施用對土壤有機(jī)碳組分及團(tuán)聚體的影響

        2022-07-29 06:49:08陳雪冬劉雪龍吳孔陽
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2022年14期
        關(guān)鍵詞:土壤有機(jī)表面積可溶性

        陳雪冬, 劉雪龍, 吳孔陽, 唐 琳, 李 俊

        (洛陽師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,河南洛陽 471934)

        土壤有機(jī)碳是土壤質(zhì)量的核心,不僅影響土壤質(zhì)量和功能,而且對全球氣候變化也有重要作用。土壤活性有機(jī)碳是指土壤中穩(wěn)定性差、周轉(zhuǎn)速率快、易礦化分解、易受微生物影響的那部分碳素,主要包括可溶性有機(jī)碳、易氧化態(tài)有機(jī)碳等,其變化可以表征土壤固碳能力。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位,由土壤顆粒膠結(jié)形成,團(tuán)聚體的形成可以限制土壤微生物的活動(dòng),引起微生物與有機(jī)碳的空間隔離,從而提高土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。

        生物炭是由廢棄的生物質(zhì)殘?bào)w在高溫限氧情況下熱裂解而產(chǎn)生的高度芳香化物質(zhì),制備工藝簡單,且原材料來源豐富,是一種環(huán)境友好型材料,具有含碳豐富、孔隙發(fā)達(dá)、表面積大、吸附能力強(qiáng)等突出優(yōu)勢,能夠與土壤顆粒形成團(tuán)聚體,避免土壤微生物的分解,長時(shí)間留存在土壤中,長期施用可增強(qiáng)土壤貯碳功能。

        叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza,簡稱AM)真菌是一類分布廣泛的土壤微生物,幾乎存在于所有的陸地生態(tài)系統(tǒng)中。AM真菌具有豐富的外延菌絲,包含20%~30%的微生物生物量,相當(dāng)于15%的土壤有機(jī)碳庫,而且AM真菌可以通過豐富的菌絲網(wǎng)絡(luò)將土壤纏繞在一起,使土壤顆粒按照一定的規(guī)律進(jìn)行排列,提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。此外,AM真菌菌絲會(huì)分泌球囊霉素,球囊霉素儲(chǔ)存的碳可以在土壤中保留長達(dá)12~22年之久,而且球囊霉素是形成土壤團(tuán)聚體的重要黏合劑,可以加速土壤團(tuán)聚過程,提高土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定。目前許多研究已證實(shí)AM真菌和生物炭能提高土壤有機(jī)碳含量,但二者聯(lián)合作用的研究仍然較少,尤其是AM真菌與生物炭配施對土壤活性碳組分和土壤結(jié)構(gòu)的影響尚不明確。因此,為了探明AM真菌與生物炭聯(lián)合施用對土壤有機(jī)碳和土壤結(jié)構(gòu)的影響,本研究設(shè)計(jì)了盆栽試驗(yàn)研究不同溫度制備的秸稈生物炭與AM真菌配施對土壤有機(jī)碳組分及團(tuán)聚體分布的影響,以期為菌根技術(shù)和生物炭的聯(lián)合應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)于2019年4—7月在洛陽師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院科研溫室進(jìn)行。

        土壤:選取郊外無污染的玉米農(nóng)田,采集0~20 cm 土壤,除去生物殘?bào)w、石塊等雜物,充分混合后取足量土壤帶回實(shí)驗(yàn)室,鮮土粉碎后過5 mm篩,裝袋保存。

        菌種:以玉米為宿主,選用筆者所在研究室保存的根內(nèi)根生囊霉()菌種進(jìn)行繁殖,60 d后收集其孢子、菌絲體和侵染根段,制備為接種菌劑,裝袋保存。

        生物炭:生物炭購自南京智融聯(lián)科技有限公司,由玉米秸稈經(jīng)過不同溫度(300、400、500 ℃)制備而成。

        玉米:選飽滿程度相似的玉米種子,表面消毒后,萌發(fā)備用。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        將供試土壤經(jīng)高溫高壓滅菌冷卻后,各取 1.0 kg 土壤裝入塑料花盆中(直徑21 cm,高 12 cm),試驗(yàn)設(shè)生物炭(不添加,添加300、400、500 ℃ 生物炭)和AM真菌(不接種、接種)2個(gè)因素,共8個(gè)處理,其中每種生物炭的添加量為3%,與土壤混勻。向需要接菌的土壤中添加30 g菌劑,不需接種的土壤添加等量滅菌菌劑和10 mL菌劑過濾液,使土壤中的其他微生物組成一致,然后將萌發(fā)的玉米種子撒在花盆中間,每個(gè)處理5盆重復(fù),之后按常規(guī)育苗管理。

        1.3 生物炭比表面積的測定

        利用比表面分析儀(V-Sorb2800P,北京)測定不同溫度制備的生物炭的比表面積。

        1.4 玉米生長指標(biāo)的測定

        待玉米生長3個(gè)月后,拍照記錄玉米植株的生長狀況,使用長直尺測量玉米植株的株高并記錄,使用游標(biāo)卡尺測定玉米植株的地徑并記錄。

        1.5 土壤有機(jī)碳及活性碳組分的測定

        土壤總有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定;土壤可溶性有機(jī)碳含量采用冷水浸提后用TOC儀測定;土壤易氧化有機(jī)碳含量采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化法測定。

        1.6 土壤團(tuán)聚體組成的測定

        稱取適量的風(fēng)干土樣,利用8411型電動(dòng)振篩機(jī)進(jìn)行土壤顆粒的篩分,篩分后得到6個(gè)粒徑土壤顆粒(f1:>4 000 μm;f2:>2 000~4 000 μm;f3:>1 000~2 000 μm;f4:>250~1 000 μm;f5:58~250 μm;f6:<58 μm),對各粒徑范圍土壤質(zhì)量進(jìn)行稱量,計(jì)算該土壤樣品中土壤團(tuán)聚體組成。

        1.7 統(tǒng)計(jì)分析

        利用SPSS 22.0分析不同生物炭和AM真菌處理后的玉米生長、有機(jī)碳組分及團(tuán)聚體的差異,利用Origin 9.0作圖。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同溫度制備的生物炭的比表面積比較

        對不同溫度制備的玉米秸稈生物炭的比表面積進(jìn)行表征,從表1可以看出,400 ℃熱裂解制備的玉米秸稈生物炭的比表面積最大,為6.88 m/g;300 ℃ 制備的生物炭比表面積最小,為1.13 m/g;而500 ℃制備的生物炭比表面積介于二者之間,為4.83 m/g。

        表1 不同溫度制備的玉米秸稈生物炭的比表面積

        2.2 不同處理對玉米幼苗生長的影響

        從圖1可以看出,同時(shí)添加生物炭和接種AM真菌處理下的玉米生長狀況整體上要優(yōu)于單接種AM真菌或單添加400、500 ℃生物炭處理。通過雙因素交互分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)AM真菌和生物炭聯(lián)合處理能夠顯著影響玉米的株高,二者交互作用達(dá)到了顯著水平。在不接菌的情況下,單獨(dú)添加300、500 ℃ 生物炭對玉米株高有促進(jìn)作用,但400 ℃生物炭作用效果不明顯。在接菌處理下,同時(shí)添加300、400、500 ℃生物炭對玉米的株高均有顯著的促進(jìn)作用(圖2-a)。此外,生物炭對玉米地徑具有顯著影響,但AM真菌對玉米地徑的影響并不顯著。與單接種AM真菌相比,同時(shí)添加300 ℃生物炭處理下的玉米地徑有顯著改善(圖2-b)。

        2.3 不同溫度生物炭和AM真菌聯(lián)合處理對土壤有機(jī)碳及活性碳組分的影響

        通過雙因素交互分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物炭對土壤總有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳含量均有極顯著影響,而AM真菌主要對易氧化有機(jī)碳含量有極顯著影響,生物炭和AM真菌對可溶性有機(jī)碳含量的交互影響達(dá)到顯著水平。具體而言,添加生物炭后土壤總有機(jī)碳含量要顯著高于未添加生物炭處理(圖3-a);未接種AM真菌的情況下,添加生物炭對土壤可溶性有機(jī)碳影響并不大,但接種AM真菌的條件下,添加300 ℃生物炭能顯著提高土壤可溶性碳含量(圖3-b);接種AM真菌并添加 300 ℃ 生物炭能顯著提高土壤易氧化有機(jī)碳含量,但接種AM真菌并添加500 ℃生物炭反而會(huì)降低土壤易氧化有機(jī)碳含量(圖3-c)。

        2.4 不同溫度生物炭和AM真菌聯(lián)合處理對土壤團(tuán)聚體組成的影響

        從表2可看出,生物炭和AM真菌處理對中等粒徑的土壤團(tuán)聚體(>1 000~2 000 μm和>250~1 000 μm)影響并不顯著,但單獨(dú)接種AM真菌能夠顯著增加大團(tuán)聚體(>4 000 μm和>2 000~4 000 μm)的比例,減少微團(tuán)聚體(58~250 μm和<58 μm)的比例,而且接種AM真菌添加400 ℃生物炭處理下的58 μm以下微團(tuán)聚體比例有所降低。

        表2 不同溫度生物炭和AM真菌處理下的土壤團(tuán)聚體分布

        3 討論與結(jié)論

        3.1 生物炭和AM真菌聯(lián)合作用對玉米生長的影響

        AM真菌可以侵染玉米根系,幫助玉米吸收養(yǎng)分,進(jìn)而促進(jìn)玉米幼苗的生長,生物炭具有豐富的比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu),可以為AM真菌提供生長發(fā)育的場所,也有利于其他根際微生物的生存繁衍,二者聯(lián)用既可以有效改善土壤微生態(tài)環(huán)境,又能提高土壤理化性質(zhì),活化土壤養(yǎng)分,促進(jìn)作物生長。本研究也發(fā)現(xiàn)AM真菌與生物炭聯(lián)合施用可顯著增加玉米的株高和地徑,這與劉先良等的研究結(jié)果是一致的。目前多數(shù)研究已證實(shí)生物炭的施加具有良好的增產(chǎn)作用,但實(shí)際施用效果仍然與生物炭的原料、制備溫度等有關(guān),本研究中施用300 ℃生物炭的玉米幼苗生長狀況要優(yōu)于400、500 ℃生物炭,說明高溫制備的生物炭可能會(huì)阻礙植物的生長,這與Yang等的結(jié)果是一致的。此外,本研究還發(fā)現(xiàn)生物炭和AM真菌聯(lián)合處理下,生物炭對玉米生長的影響作用要顯著大于AM真菌,這與Liu等的研究結(jié)果是一致的,主要是由于生物炭本身有豐富的碳含量,還含有一定數(shù)量的氮、磷、鉀等大量元素及其他一些微量元素,可以為植物的生長發(fā)育提供直接的營養(yǎng)來源,宿主植物養(yǎng)分充足的情況下對AM真菌的依賴性有所減弱。

        3.2 生物炭和AM真菌聯(lián)合作用對土壤有機(jī)碳及其活性組分的影響

        本研究結(jié)果表明,施加生物炭處理能顯著提高土壤總有機(jī)碳含量,因?yàn)樯锾勘旧硎呛钾S富的有機(jī)材料,施加生物炭相當(dāng)于直接輸入了外源有機(jī)碳,有利于土壤固碳。生物炭與AM真菌聯(lián)合施用對土壤活性碳也有顯著影響,但單獨(dú)施加生物炭并未改變土壤可溶性有機(jī)碳含量,而接種AM真菌同時(shí)添加300 ℃生物炭卻顯著增加了土壤可溶性有機(jī)碳,這主要是因?yàn)榭扇苄杂袡C(jī)碳主要來源于植物凋落物、微生物活動(dòng)、根系分泌物以及施肥等途徑,生物炭所含碳是高度芳香化的惰性碳,生物穩(wěn)定性很強(qiáng),難以被土壤微生物分解轉(zhuǎn)化為可溶性碳,而AM真菌的存在可以引起根際激發(fā)效應(yīng),增強(qiáng)土壤微生物活性,促進(jìn)根系分泌物的增加,引起土壤中難溶物質(zhì)的活化與分解,因而會(huì)增加土壤可溶性碳含量。此外,本研究還發(fā)現(xiàn)單施300、400 ℃生物炭、接種AM真菌配施300 ℃生物炭較空白處理均顯著增加了土壤易氧化有機(jī)碳的含量,易氧化有機(jī)碳是容易被微生物分解礦化的有機(jī)碳,由于生物炭結(jié)構(gòu)疏松,孔隙發(fā)達(dá),施用后能夠增加土壤含氧量,促進(jìn)植物根系生長,增加根系分泌物,同時(shí)也為微生物的繁殖提供了有利場所,因此能夠促進(jìn)土壤本底碳的礦化,這與已有的研究結(jié)果是一致的,但是接種AM真菌配施500 ℃生物炭卻會(huì)明顯降低土壤易氧化碳,這可能是由于500 ℃制備的秸稈生物炭表面的活性官能團(tuán)基本上被去除,主要以穩(wěn)定的高度芳香化碳結(jié)構(gòu)物質(zhì)為主,更適用于碳的封存。

        3.3 生物炭和AM真菌聯(lián)合作用對土壤團(tuán)聚體的影響

        本研究發(fā)現(xiàn)接種AM真菌可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成,這與相關(guān)研究結(jié)果是一致的,因?yàn)锳M真菌能夠分泌球囊霉素和菌絲分泌物,可以增加土壤黏結(jié)和團(tuán)聚, 但是AM真菌與生物炭配施后大團(tuán)聚體的比例卻減少,微團(tuán)聚體比例反而增加,說明生物炭與AM真菌聯(lián)合作用并不利于土壤大團(tuán)聚體的形成。由于生物炭具有偏堿性、疏松多孔等特征,目前多數(shù)研究報(bào)道施用生物炭能夠提高土壤大團(tuán)聚體的形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,但也有學(xué)者認(rèn)為,生物炭并不能像其他有機(jī)物料一樣提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性,本研究也發(fā)現(xiàn)施用生物炭對土壤團(tuán)聚體的分布影響并不顯著,說明生物炭對土壤團(tuán)聚體的作用效果會(huì)受到材料來源、土壤類型、施用量等多種因素的影響。

        AM真菌和生物炭聯(lián)合作用能夠促進(jìn)玉米植株的生長,顯著提高農(nóng)田土壤總有機(jī)碳含量。對土壤活性碳組分而言,AM真菌和300 ℃生物炭配施能提高土壤可溶性有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量,促進(jìn)土壤活性碳轉(zhuǎn)化,而AM真菌和500 ℃生物炭配施反而會(huì)降低土壤易氧化有機(jī)碳含量。但是AM真菌和生物炭聯(lián)合作用并不利于土壤大團(tuán)聚體的形成,單接種AM真菌可以提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

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