功能化生物炭对风沙土磷有效性的调控作用及其微生物群落变化的响应过程

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近年来,生物炭作为土壤改良剂广泛应用于农田土壤质量改良和污染修复。施入生物炭可以一定程度上改善土壤磷的有效性,但是碱性土壤中较高的p H值和钙、镁等阳离子的存在,会限制生物炭对于磷有效性的调控作用。因此,必须考虑对普通生物炭进行功能改性,以期满足其在碱性土壤中的适用性。本研究选择宁夏石灰性风沙土为供试土壤,以提高磷肥的利用率为目标,选取生物炭(BC)、纳米羟基磷灰石(HAP)和腐殖酸钠(HANa)制备功能化生物炭材料。通过土壤微宇宙培养实验,结合自然培养与无菌培养两种培养情景,探究比较施用BC、HAP以及改性后功能化生物炭,对于土壤有效磷输入与磷形态调控的差异性;同时通过土柱淋溶实验,探查了不同材料处理后,磷在土壤中的垂直迁移能力;并比较分析了腐殖酸单独施用和作为基质负载两种方式对于减少磷淋溶损失的作用贡献;最后运用高通量测序手段,探究了土壤细菌与真菌微生物群落响应特征,并探讨了功能化生物炭施用调控与磷转化的内在关联机制。主要结果如下:1.通过化学沉淀法合成纳米羟基磷灰石,并成功改性生物炭,得到BC-HAP(BC:HAP=1:1),改性后的生物炭比表面积增加,促进了腐殖酸钠(HANa)的包埋,最终成功获得复合功能化生物炭(BC-HAP-HANa),其中腐殖酸钠包埋量达到80%左右;通过扫描电镜、透射电镜、傅里叶红外光谱、X射线衍射仪等表征手段分析,证实了功能化生物炭材料被成功制备。2.功能化生物炭BC-HAP-HANa(HANa负载)和BC-HAP+HANa(HANa单独施加)以及生物炭处理显著提高了土壤的碱性磷酸酶活性,同时还提升了土壤中有效磷、总磷、土壤有机质和可溶解有机碳的含量,且高浓度处理组促进效果更为显著(p<0.05)。土壤磷分级结果表明,风沙土中磷主要以稀盐酸提取态磷(Ca-P)的形式存在;BC-HAP-HANa和BC-HAP+HANa处理促进了土壤中难溶性磷组分向Ca-P形态转化。由土壤磷的淋溶试验结果可知,HANa以溶液的单独施用,会加剧土壤中磷淋溶损失的环境风险。土壤无菌实验结果发现,各处理组中土壤有效磷和土壤有机质含量均显著降低,间接表明了磷的有效态转化与有机质的含量变化过程中微生具有一定的影响作用。3.土壤微生物群落变化特征主要是细菌群落响应较为敏感,不同处理间细菌群落结构的差异性较为显著,且随着施用浓度的增加,群落结构的差异性也随之增大;细菌群落物种组成中,一些碳、氮循环相关的微生物,例如Xanthobacteraceae和Nitrosomonadacea等相对丰度增加,与环境因子SOM、TN、NH4+-N和DOC呈正相关,与环境因子显著负相关的Acidibacter相对丰度降低,同时还发现,Gemmatimonadacea和Burkholderiaceae与碱性磷酸酶、总磷和有效磷存在显著相关性。与对照组相比,其他处理中真菌群落结构多样性无显著变化,Beta多样性受到显著影响;总体上细菌群落变化程度要强于真菌群落。综上所述,功能化生物炭复合材料的施入,可以显著提升风沙土的有效磷含量,同时有效促进难溶性磷的形态转化为稀盐酸提取态磷,拓宽了后续磷增效利用的空间;腐殖酸钠负载的功能化生物炭可以显著降低磷在风沙土的淋溶损失率,有效维持了磷在风沙土中相对稳定性;同时,发现功能生物炭复合材料的施用,可以招募并显著促进碳氮循环微生物群落的变化,间接影响风沙土中磷有效态的转化。总之,生物炭负载纳米羟基磷灰石后,采用腐殖酸包埋技术,这种生物炭改性方式不仅可以显著提升磷的利用率,还可以激活土壤中难利用磷和增加土壤有机质含量,为今后提升风沙土磷的高效利用与保障农作物磷有效吸收,奠定了一定的理论依据与实施策略。
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