生物炭与褐球固氮菌对滨海盐碱土的联合改良作用及机制

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土壤盐碱化已成为制约滨海地区土地利用效率和农业生产发展的主要因素之一。生物炭与微生物的联合修复作用是一种经济、高效的土壤改良方法。本研究以外来入侵种加拿大一枝黄花为原料,制备并筛选对滨海盐碱土改良效果优异的生物炭,并探究其与褐球固氮菌的联合应用效果和作用机制,可为滨海盐碱土的绿色改良措施提供新思路和一定的科学依据。主要研究结论如下:对不同热解温度下的加拿大一枝黄花生物炭进行基本理化性质表征、安全性评估和发芽测试实验,筛选生物炭的最佳制备温度。结果表明,550℃以下热解制得的低温生物炭存在酚类、羧酸类等有毒化合物,对植物生长和土壤微生物活动存在负效应;550℃及以上热解制得的高温生物炭毒性作用不显著,对土壤理化性质和植物生长具有改善效果。通过盆栽实验,研究加拿大一枝黄花生物炭应用于盐碱土改良时的最优添加量。结果表明,当生物炭添加量为2.5%时,对土壤容重和保水保肥能力显著改善,有效缓解了土壤中过量可交换钠的胁迫,对植物生长和生产促进效果最显著。利用单因素实验和响应面优化分析,探究褐球固氮菌的最佳培养条件。结果表明,温度32.28℃、pH 6.82、转速261.86 rpm·min-1为最优培养条件。在该条件下,以10 mL·kg-1的接种量将褐球固氮菌应用于滨海盐碱土改良,可有效提高土壤养分含量,显著提升土壤氨化细菌、硝化细菌的数量,降低反硝化细菌数量,增强对土壤氮养分的保留。过量的菌剂接种易造成土壤中微生物的不良竞争,导致土壤养分吸收率和利用率的下降。基于生物炭与褐球固氮菌的最优筛选结果,将其分别按最适添加量添加至滨海盐碱土中,以探究二者联合作用对土壤的改良效果和贡献率。研究结果表明,与单独添加相比,生物炭与褐球固氮菌的联合作用可显著提高土壤健康水平和生产力,改善土壤结构状况,缓解盐碱胁迫,同时直接提供丰富的养分以显著改善土壤肥力,从而促进土壤微生物群落功能的改善以及植物的生长。方差分解分析结果表明,褐球固氮菌对土壤改良的单独贡献率为14.78%,主要表现在土壤氮养分方面;生物炭单独贡献率为8.20%,主要体现在土壤结构和盐碱胁迫的改善;二者共同贡献率为27.64%,存在共相关。此外,通过无菌孵化实验发现,生物炭与褐球固氮菌之间存在协同促进作用。生物炭中丰富的碳源物质为固氮菌提供了良好的营养环境,可有效提高nifH固氮基因的相对丰度和土壤固氮酶活性,以增加土壤氮养分含量;同时,褐球固氮菌可有效减少生物炭中的不稳定碳源,以提高生物炭及土壤碳库整体的稳定性。
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