生物炭对不同茶龄土壤酸度和氮素转化的影响及微生物响应机理

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由于长期大量施用氮肥和茶树自身代谢等因素的影响,茶园土壤随着植茶年限的增加而出现过度酸化的趋势,给茶叶的产量和品质带来了负面影响。此外,氮肥的过量和不均衡施用导致的氮素淋失也造成了茶园周边水域的水体面源污染及富营养化。因此,寻找经济有效的措施改良茶园土壤酸化,同时减少氮素流失已经成为茶园生产及面源污染环境治理研究的热点。生物炭作为具有特殊理化性质的环境友好材料,在减少土壤养分流失、改善土壤质量和提高作物产量方面具有应用前景。本文利用网室土柱盆栽试验,将生物炭(添加量3%和6%)分别施加在植茶年限为20年和60年茶园土壤中,研究其对土壤酸度、氮素淋失、氮肥分配和氮素利用率的影响,并从土壤酶活性和微生物角度解释相关过程机理,探讨生物炭添加对改善茶园土壤酸化现状、减少茶园氮素损失的可行性。主要研究结果如下:(1)生物炭的添加显著提高了2种茶园土壤的p H值,降低了2种茶园土壤中的交换性酸总量、交换性H+和交换性Al3+含量,且生物炭添加量越大,对茶园土壤的酸度影响效果越明显。施加6%的生物炭后,植茶年限为20年和60年的茶园土壤p H值分别提高了1.06-1.10和0.75-0.99个单位,交换性Al3+含量分别降低了50.7-61.3%和49.4-67.2%,说明生物炭的添加可以改良土壤酸化并有效减少铝对作物的毒害作用。(2)生物炭的添加使茶园土壤中的铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)和总氮(TN)的累积淋失量分别减少了26.5-91.9%、32.6-69.2%和38.7-72.2%,生物炭添加量越多,对茶园土壤氮素淋溶的削减量越大。无机态氮是茶园土壤氮素淋失的主要形式,占累积TN淋失量的66.4–74.1%,其中淋溶液中的NO3--N浓度明显大于NH4+-N浓度。相对于20年的茶园土壤,生物炭对60年的茶园土壤的TN淋溶有更好的削减效果。(3)生物炭的添加增加了2种茶园土壤中全氮的含量,有利于土壤氮素的持留。通过15N标记的尿素,发现施入茶园土壤的肥料氮在淋溶损失、土壤残留、植物吸收和气态损失中的占比分别为14.6-47.9%、30.7-48.5%、2.25-4.91%和13.9-38.9%。生物炭的添加减少了肥料氮的淋溶损失,增加了肥料氮在土壤中的残留量,但同时也增加了肥料氮以气态形式损失所占的比例。(4)生物炭的添加增加了2种茶园土壤中的脲酶、N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶、亚硝酸还原酶活性。添加3%的生物炭显著增加了2种茶园土壤中的β-葡萄糖苷酶活性,添加6%的生物炭对20年的茶园土壤中β-葡萄糖苷酶活性有一定降低趋势,但增加了60年的茶园土壤中的β-葡萄糖苷酶活性。(5)20年的茶园土壤中的微生物Chao指数和Shannon指数高于60年的茶园土壤,施用生物炭显著增加了60年的茶园土壤中微生物Chao指数和Shannon指数。茶园土壤的优势细菌分别是变形菌门、酸杆菌门、放线菌、厚壁菌门和绿弯菌门。冗余分析结果表明,土壤脲酶活性、全氮含量、微生物量碳、亚硝酸还原酶活性和p H值等指标均与茶园土壤细菌群落结构有着密切的联系。
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