不同硅含量生物质炭对油茶林土壤酸化改良及温室气体排放的影响

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油茶(Camellia oleifera Abel.),山茶科山茶属,是我国重要的木本油料树种,广泛种植于我国南方红壤地区。油茶压榨的茶油是一种优质的食用油,对保障我国食用油安全具有重要意义。油茶是喜酸性植物,适宜土壤p H为5.5-6.5。由于集约施肥管理,区域气候特征及其自身生理特性等因素,油茶林土壤持续性酸化,脱硅富铝化过程强烈,肥力下降,不仅影响了油茶的正常生长,还潜在促进氧化亚氮(N2O)等温室气体排放。硅肥在提高土壤p H,改善土壤肥力等方面具有重要的作用。生物质炭可有效缓解土壤酸化及温室气体排放,但不同硅含量生物质炭对油茶林施氮土壤酸化改良及温室气体减排的影响及机制尚不明确。红壤强烈风化,脱硅富铝化,而铝离子富集导致土壤进一步酸化。富硅生物质炭是否与土壤铝相互作用,改良酸化土壤并降低温室气体排放尚无研究。本研究以油茶林酸化土壤为研究对象,以富硅(水稻秸秆、毛竹叶)和非富硅(油茶壳、油茶叶)植物残体为原料在600℃条件下高温裂解制备生物质炭,用于土壤酸化改良和温室气体减排。研究主要包括两部分内容:不同硅含量生物质炭对施氮土壤酸化改良和温室气体排放的影响;硅输入与铝互作对土壤酸化改良和温室气体排放的影响。本研究同时分析测定了土壤N2O微生物功能基因丰度,探究不同硅含量生物质炭影响油茶土壤N2O排放的微生物学机制。结果表明:(1)以水稻秸秆、毛竹叶为原料制备的生物质炭硅含量丰富,全硅含量分别为30426.2mg kg-1,25770.0mg kg-1。以油茶壳、油茶叶为原料制备的生物质炭硅含量较低,分别为1891.4mg kg-1,1566.5mg kg-1。富硅生物质炭添加显著增加了施氮土壤有效硅的含量,与对照相比,毛竹叶、水稻秸秆生物质炭处理分别增加施氮土壤63.18%、70.03%有效硅含量。非富硅生物质炭显著降低施氮土壤有效硅含量。铝和改良剂的交互作用对土壤有效硅存在极显著影响。外源铝的输入显著降低油茶壳生物质炭处理土壤有效硅含量。(2)土壤酸化改良效果方面,富硅生物质炭和非富硅生物质炭及硅肥均显著增加了土壤p H,且生物质炭的改良效果优于硅肥;生物质炭输入显著降低土壤交换性酸、交换性铝含量,毛竹叶生物质炭、水稻秸秆生物质炭与油茶叶生物质炭效果类似,均优于油茶壳生物质炭。硅肥处理显著增加施氮土壤交换性酸含量和土壤交换性铝含量。铝和改良剂的交互作用对土壤交换性酸、交换性铝和交换性H+存在显著影响。外源铝添加显著增加土壤交换性酸和交换性H+含量,但对毛竹叶、水稻秸秆生物质炭和硅肥处理的交换性酸含量无显著影响。(3)生物质炭添加显著降低施氮土壤N2O排放,其中油茶叶的减排效果最佳。不施氮下,生物质炭添加显著增加土壤CO2排放;施氮条件下,硅肥处理降低土壤CO2排放。铝处理显著增加土壤N2O排放和CO2排放。(4)通过微生物功能基因分析发现,氨氧化古菌amo A(AOA)基因丰度显著高于氨氧化细菌amo A(AOB),且生物质炭处理显著降低土壤AOA基因拷贝数。此外,生物质炭处理显著增加施氮土壤nir K、nos Z基因丰度。毛竹叶、油茶壳、油茶叶生物质炭及硅肥处理显著增加施氮土壤nir S/nir K、nir K/nos Z、nir(K+S)/nos Z比率。(5)结构方程模型结果表明,硅输入直接降低土壤N2O排放,并通过影响土壤交换性酸和p H间接降低N2O排放。铝输入通过影响土壤p H间接调控其他土壤因子,进而影响土壤N2O排放。此外,硅、铝输入可降低土壤CO2排放速率,对土壤CO2排放以间接影响为主。综上,硅输入对土壤N2O排放和减排具有重要影响。在脱硅富铝化严重的油茶林酸化土壤中,施用富硅生物质炭进行酸性改良可显著增加土壤有效硅含量,并降低交换性铝含量,改良土壤酸化,并实现N2O减排。在集约经营生产活动中,可考虑富硅生物质炭代替硅肥,将有利于亚热带酸土区农林业生产可持续发展,进而缓解全球气候变化。
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