强还原处理联合生物炭对连作障碍土壤的修复效果研究

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土壤强还原处理(Reductive soil disinfestation,RSD)能够在短期内有效修复连作障碍问题,但在修复过程中亦会导致N2O大量排放。研究表明,施用生物炭能够减少土壤N2O排放,亦可用于连作障碍修复。目前,关于RSD与生物炭联合修复对温室气体排放影响的研究已有报道,但结论尚不一致。同时,二者联合修复对土壤可溶性有机质(Dissolved organic mater,DOM)及连作障碍修复效果的影响还尚未明确。基于此,本研究设置未修复对照(CK)、土壤强还原处理(RSD)、生物炭修复(BC)以及RSD与生物炭联合修复(RSD+BC),采用培养实验对比研究:(1)不同修复处理对土壤酶活性和温室气体(CO2和N2O)排放的影响,分析环境因子、酶活性与温室气体排放的内在关联;(2)利用光谱技术,研究不同修复处理对土壤DOM含量和光谱特征的影响;(3)通过田间小区实验,研究不同修复方法对土壤微生物群落组成与辣椒产量的影响,对比不同修复方法对连作障碍修复效果。培养实验研究结果如下:相较CK处理,RSD和RSD+BC处理显著提高了土壤中β-葡萄糖苷酶(βG)、纤维二糖水解酶(CBH)、过氧化物酶(PEO)、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和酸性磷酸酶(AP)的活性以及酶C/P与酶N/P值(P<0.05),而BC处理对上述5种胞外酶活性影响并不显著。同CK相比,RSD、BC和RSD+BC处理的CO2排放量分别增加了10.6、1.1和12.2倍;RSD处理的N2O排放量亦显著增加,而BC和RSD+BC处理的显著降低(P<0.05)。与RSD相比,RSD+BC处理的N2O排放量和综合温室效应(GWP)显著减少了86.9%和37.8%。结构方程模型(SEM)分析表明:βG与土壤可溶性有机碳(DOC)对CO2累积排放量具有直接正效应,且βG与CBH通过影响DOC含量间接影响CO2排放;硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)对N2O累积排放量具有直接显著负效应。与CK相比,RSD、BC和RSD+BC修复后土壤的DOC含量分别增加了142.9%、24.6%和127.0%;相较于RSD处理,RSD+BC处理的DOC含量显著降低(P<0.05)。土壤DOM组分以类富里酸和类腐殖酸物质为主,RSD修复增加了土壤中类腐殖酸组分,而RSD+BC修复更有利于类富里酸物质的增加。同时,RSD、BC以及二者联合修复土壤DOM的芳香化和腐殖化程度显著增强。SEM分析表明,土壤p H对DOC含量和腐殖化指数(HIXem)产生直接正效应,Eh对DOC含量具有直接负效应,p H亦可通过影响DOC含量间接影响微生物量碳(MBC)和荧光指数(FI)。田间实验设置6组处理:未修复对照(CK)、淹水对照(SF)、淹水覆膜对照(SFF)、强还原修复(RSD)、生物炭修复(BC)以及强还原与生物炭联合修复(RSD+BC),对比研究不同修复方法对土壤微生物群落组成变化及辣椒产量的影响。结果表明:RSD与RSD+BC处理可以短期内有效去除土壤中累积的NO3--N,提高土壤p H值、NH4+-N、DOC和Fe2+、Mn2+离子的浓度(P<0.05)。与CK、SF和SFF相比,RSD和RSD+BC处理显著降低了细菌和真菌的丰富度和多样性(P<0.05),而BC处理的变化不显著。RSD处理显著降低了镰刀菌属(Fusarium)的相对丰度,提高了芽孢杆菌属(Bacillus)和梭状芽孢杆菌属(Clostricium)的相对丰度(P<0.01),RSD+BC处理增强了该趋势。此外,相较CK处理,BC、RSD与RSD+BC处理辣椒产量分别增加了27.4%、55.3%和44.4%。辣椒产量与土壤DOC、NH4+-N含量,Bacillus、和Clostricium的相对丰度呈极显著正相关(P<0.01),与NO3--N和Fusarium的相对丰度呈显著负相关关系(P<0.05)。因此,综合考虑土壤基本性质的改良、温室气体减排、DOM特性、微生物种群变化及田间产量等,RSD与生物炭联合对连作障碍修复效果更佳。
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