CN110972592A - 一种提高土壤硝态氮微生物同化效率的方法 - Google Patents

一种提高土壤硝态氮微生物同化效率的方法 Download PDF

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程炯
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Abstract

本发明公开了提高土壤硝态氮微生物同化效率的方法，包括(1)将水稻秸秆烘干后粉碎过筛；(2)将桉树木屑烘干后，热解1.5个小时，将热解后所得的生物炭粉碎过筛；(3)将表层30cm土方挖出并转运；(4)按照施加土层厚度土壤干重的2％的施加量，将桉树木屑和水稻秸秆均匀施加在土层表面；(5)按照施加土层厚度土壤干重的0.1％的施加量，将葡萄糖均匀施加在土层表面；(7)使用旋耕机将桉树木屑、水稻秸秆和葡萄糖与施加土层土壤充分混合；(8)将(3)中剥离的表土均匀回填到相应地块表面，保持地块平整。该方法可提高土壤硝态氮的微生物同化速率并降低硝态氮迁移性，并提高深层土壤的孔隙率和含氧量。

Description

一种提高土壤硝态氮微生物同化效率的方法
技术领域
本发明涉及农业土壤面源污染减排技术领域，特别是涉及一种利用农作物秸秆、桉树木屑和葡萄糖施加提高土壤硝态氮微生物同化效率的方法。
背景技术
长期以来，人们普遍认为土壤微生物优先摄取和利用土壤铵态氮，同时较少摄入和利用硝态氮，这使得有关于硝态氮微生物同化过程的研究和应用相对较少。通常土壤硝态氮通过硝化过程产生，并通过反硝化和微生物同化过程消耗。硝态氮的微生物同化过程是指微生物以土壤硝态氮作为氮源，并转化为微生物氮。此过程一方面具有土壤保氮功能且环境友好，另一方面微生物氮可再矿化以提供植物利用。
与利用土壤铵态氮相比，微生物在利用硝态氮时需消耗更多能量，且需要同步利用更多碳源。现有研究显示土壤有效碳含量是限制硝态氮微生物同化的关键因子。通常而言，农业土壤有效碳含量较低，这极大的限制了微生物对土壤硝态氮的同化速率。葡萄糖施加可以明显提高土壤硝态氮的微生物同化速率，但局限于葡萄糖的易分解性，作用效果时限较短。养殖粪便、堆肥等有机物料的碳氮比较低，对于提高硝态氮的微生物同化速率效果不明显。农作物秸秆(水稻、甘蔗等)的碳氮比较高(通常大于20)，秸秆碳的可利用性通常可以满足微生物的生长需求，对于提高硝态氮的微生物同化速率十分有效。
土壤胶体和土壤硝态氮均为负电性，彼此相斥，这使得硝态氮在土壤环境中的迁移能力强于铵态氮。硝态氮的易迁移性使得硝态氮的微生物同化效率较低，通过施加木本生物炭，借助生物炭的强吸附能力，可以显著降低硝态氮的迁移能力，从而提高土壤硝态氮的微生物同化效率。
一般而言，表土(0～20cm)中氧气含量较为充足，随着土层深度(>20cm)增加，土壤含氧量呈指数型下降。在氧气充足的情况下，反硝化速率降低，硝态氮通过转化为氮氧化物以气体形式损失的风险较低。但在深层土壤中，反硝化微生物的数量和活性急剧增加，极大地促进了土壤反硝化过程。表层土壤中未被利用或同化的硝态氮随着水流的垂向运动，逐渐向深层土壤迁移，在厌氧环境下极有可能通过反硝化过程被损失掉。以生物炭深施为手段，提高深层土壤(>20cm)的孔隙率和含氧量，可以有效抑制深层土壤的硝态氮反硝化过程，解决深层土壤中硝态氮的流失问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用水稻秸秆、桉树木屑和葡萄糖联合施加提高土壤硝态氮微生物同化效率的方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种提高土壤硝态氮微生物同化效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将水稻秸秆进行干燥处理后，粉碎过筛；
(2)将桉树木屑进行干燥处理后热解，将热解后所得的生物炭粉碎过筛；
(3)挖取土方并转运至临时储存区；
(4)按照施加土层厚度土壤干重施加生物炭粉、水稻秸秆和葡萄糖；
(5)将生物炭粉、水稻秸秆和葡萄糖与施加土层土壤充分混合；
(6)将(3)中剥离的表土均匀回填到相应地块表面，保持地块平整。
进一步的，所述桉树木屑的热解温度为500～600℃。
进一步的，所述干燥后桉树木屑的水分含量在15％以下。
进一步的，所述水稻秸秆和生物炭粉粉碎磨细后的颗粒直径为0.5mm以下。
进一步的，所述临时储存区包括有排水、拦挡、遮盖等临时防护措施。
进一步的，所述生物炭粉和水稻秸秆的施加土层厚度为20～30cm。
进一步的，所述葡萄糖的施加土层厚度为0～20cm。
一种富集土壤硝态氮微生物的方法，其特征在于，向土壤中按照土层厚度土壤干重施加生物炭粉、水稻秸秆和葡萄糖。
进一步的，所述生物炭粉为桉树木屑热解所得。
进一步的，所述水稻秸秆和生物炭粉的颗粒直径为0.5mm以下。
本发明的有益效果是：
1)利用葡萄糖的易分解特性提高土壤微生物活性(激活效应)。
2)利用水稻秸秆的高碳氮比提高土壤硝态氮的微生物同化速率。
3)利用桉树木屑的多孔性和强吸附能力，降低硝态氮迁移性，并提高深层土壤的孔隙率和含氧量。
4)利用碳源添加促进微生物量以提高土壤的硝态氮同化潜力。
这一方法既可以解决农业废弃物资源化利用问题，也可以降低农业面源污染风险。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：赤红壤中硝态氮微生物同化速率的提升
1、地点：广东省广州市增城区洋田村实验基地(赤红壤)
2、实验方法：
1)在实验田中划出一块区域，将表层20cm土方挖出，将挖出的土方堆放于临时储存区。按照表层以下20～30cm土壤干重2％的施加量，将桉树木屑均匀施加在土层表面；随后按照表层以下20～30cm土壤干重2％的施加量，将水稻秸秆均匀施加在土层表面；使用旋耕机(旋耕深度约为10cm)将桉树木屑、水稻秸秆与20～30cm土层土壤充分混合。随后将之前剥离出的表土均匀回填到相应地块表面，保持地块平整。按照表层(0～20cm)土壤的干重计算水稻秸秆和葡萄糖的施加量，水稻秸秆的施加量为干土重量的2％，葡萄糖的施加量为干土重量的0.1％。将水稻秸秆和葡萄糖施加入表层土壤(0～20cm)，使用旋耕机(旋耕深度约为20cm)将水稻秸秆、葡萄糖和表层土壤(0～20cm)充分混匀。
2)使用土柱取样器(直径10cm)从处理田块和未处理田块中，分别取出0～30cm土柱3个，用于后续实验。
3)将土柱转移入恒温培养箱，参照重量法向土柱中施加去离子水以使得土壤湿度达到40％田间持水量。
4)向所有测试土壤样品施加15N标记的Na15NO3(98atm％15N)，施加比例为100mgNkg-1干土。所有样品25℃培养30天。
5)30天后，按照土层(0～10cm、10～20cm和20～30cm)分层取样。
6)加入100mL的1M KCl溶液，振荡30分钟；随后将混合液置于离心机，1000rpm离心30分钟，并舍去上清液；上述萃取—离心过程重复3次。
7)取出离心后的固体残渣，使用同位素质谱仪测定其中总N含量和15N含量。
8)借助以下公式计算硝态氮微生物同化率：
Figure BDA0002314535190000031
Figure BDA0002314535190000032
式中：NI(％)为硝态氮微生物同化率，Org15N为微生物同化的15N标记硝态氮总量，N为土壤总有机N含量，atom％15Nm为测定所得的固体残渣15N丰度，atom％15Nma为15N的自然丰度，atom％15Nf为外加硝酸盐的15N丰度。
9)使用紫外分光光度法测定土壤中的可萃取NO3 -含量。
10)使用“氯仿熏蒸—K2SO4提取—碳分析仪测定”方法测定土壤中的微生物量。
11)使用经验计算方法，按照下述公式计算土壤孔隙率：
Figure BDA0002314535190000041
式中：
Figure BDA0002314535190000042
为孔隙率，Wc为水与干土壤质量的比值(反映土壤中水的含量)，ms为单位质量土壤加热去除水后的干土壤质量，ρw为孔隙水的密度，ρb为土壤总体密度。
3、实验结果：
施加了水稻秸秆、葡萄糖、桉树木屑生物炭的处理，30天后的土壤硝态氮微生物同化率平均为53.12％(0～30cm土层)；空白处理的土壤硝态氮微生物同化率平均为14.37％(0～30cm土层)；水稻秸秆、葡萄糖和桉树木屑生物炭的施加显著提高了土壤硝态氮微生物同化率。外加碳源处理的可萃取NO3 -含量较空白处理平均降低32.18％(0～30cm土层)，其中底层(20～30cm)土壤中的可萃取NO3 -含量较空白处理平均降低45.18％，这说明外加碳源处理显著降低了土壤NO3-的可溶性和迁移能力。外加碳源处理的微生物量较空白处理平均提高了23.57％(0～30cm土层)，其中表层(0～10cm)土壤中的微生物量较空白处理平均提高了34.71％，这说明外加碳源处理可通过增加土壤微生物量提高土壤NO3 -的微生物同化效率。外加碳源处理的底层(20～30cm)土壤孔隙率较空白处理平均提高了11.32％，这一方面限制了底层土壤的反硝化过程，也可以提高硝态氮的微生物同化潜力。
实施例2：山地红壤中硝态氮微生物同化速率的提升
1、地点：广东省梅州市大埔县实验地(山地红壤)
2、实验方法：
1)在实验田中划出一块区域，将表层20cm土方挖出，将挖出的土方堆放于临时储存区。按照表层以下20～30cm土壤干重2％的施加量，将桉树木屑均匀施加在土层表面；随后按照表层以下20～30cm土壤干重2％的施加量，将水稻秸秆均匀施加在土层表面；使用旋耕机(旋耕深度约为10cm)将桉树木屑、水稻秸秆与20～30cm土层土壤充分混合。随后将之前剥离出的表土均匀回填到相应地块表面，保持地块平整。按照表层(0～20cm)土壤的干重计算葡萄糖的施加量，葡萄糖的施加量为干土重量的0.1％。将葡萄糖施加入表层土壤(0～20cm)，使用旋耕机(旋耕深度约为20cm)将葡萄糖和表层土壤(0～20cm)充分混匀。
2)使用土柱取样器(直径10cm)从处理田块和未处理田块中，分别取出0～30cm土柱3个，用于后续实验。
3)将土柱转移入恒温培养箱，参照重量法向土柱中施加去离子水以使得土壤湿度达到40％田间持水量。
4)向所有测试土壤样品施加15N标记的Na15NO3(98atm％15N)，施加比例为100mgNkg-1干土。所有样品25℃培养30天。
5)30天后，按照土层(0～10cm、10～20cm和20～30cm)分层取样。
6)加入100mL的1M KCl溶液，振荡30分钟；随后将混合液置于离心机，1000rpm离心30分钟，并舍去上清液；上述萃取—离心过程重复3次。
7)取出离心后的固体残渣，使用同位素质谱仪测定其中总N含量和15N含量。
8)借助以下公式计算硝态氮微生物同化率：
Figure BDA0002314535190000051
Figure BDA0002314535190000052
式中：NI(％)为硝态氮微生物同化率，Org15N为微生物同化的15N标记硝态氮总量，N为土壤总有机N含量，atom％15Nm为测定所得的固体残渣15N丰度，atom％15Nna为15N的自然丰度，atom％15Nf为外加硝酸盐的15N丰度。
9)使用紫外分光光度法测定土壤中的可萃取NO3 -含量。
10)使用“氯仿熏蒸—K2SO4提取—碳分析仪测定”方法测定土壤中的微生物量。
11)使用经验计算方法，按照下述公式计算土壤孔隙率：
Figure BDA0002314535190000053
式中：
Figure BDA0002314535190000061
为孔隙率，Wc为水与干土壤质量的比值(反映土壤中水的含量)，ms为单位质量土壤加热去除水后的干土壤质量，ρw为孔隙水的密度，ρb为土壤总体密度。
3、实验结果：
施加了水稻秸秆、葡萄糖和桉树木屑生物炭的处理，30天后的土壤硝态氮微生物同化率平均为48.75％(0～30cm土层)；空白处理的土壤硝态氮微生物同化率平均为10.21％(0～30cm土层)；水稻秸秆、葡萄糖和桉树木屑生物炭施加显著提高了土壤硝态氮微生物同化率。外加碳源处理的可萃取NO3 -含量较空白处理平均降低29.53％(0～30cm土层)，其中底层(20～30cm)土壤中的可萃取NO3 -含量较空白处理平均降低39.24％，这说明外加碳源处理显著降低了土壤NO3-的可溶性和迁移能力。外加碳源处理的微生物量较空白处理平均提高了20.21％(0～30cm土层)，其中表层(0～10cm)土壤中的微生物量较空白处理平均提高了31.84％，这说明外加碳源处理可通过增加土壤微生物量提高土壤NO3 -的微生物同化效率。外加碳源处理的底层(20～30cm)土壤孔隙率较空白处理平均提高了13.15％，这一方面限制了底层土壤的反硝化过程，也可以提高硝态氮的微生物同化潜力。
实施例3：砖红壤中硝态氮微生物同化速率的提升
1、地点：广东省雷州市六格村实验地(砖红壤)
2、实验方法：
1)在实验田中划出一块区域，将表层20cm土方挖出，将挖出的土方堆放于临时储存区。按照表层以下20～30cm土壤干重2％的施加量，将桉树木屑均匀施加在土层表面；随后按照表层以下20～30cm土壤干重2％的施加量，将水稻秸秆均匀施加在土层表面；使用旋耕机(旋耕深度约为10cm)将桉树木屑、水稻秸秆与20～30cm土层土壤充分混合。随后将之前剥离出的表土均匀回填到相应地块表面，保持地块平整。按照表层(0～20cm)土壤的干重计算葡萄糖的施加量，葡萄糖的施加量为干土重量的0.1％。将葡萄糖施加入表层土壤(0～20cm)，使用旋耕机(旋耕深度约为20cm)将葡萄糖和表层土壤(0～20cm)充分混匀。
2)使用土柱取样器(直径10cm)从处理田块和未处理田块中，分别取出0～30cm土柱3个，用于后续实验。
3)将土柱转移入恒温培养箱，参照重量法向土柱中施加去离子水以使得土壤湿度达到40％田间持水量。
4)向所有测试土壤样品施加15N标记的Na15NO3(98atm％15N)，施加比例为100mgNkg-1干土。所有样品25℃培养30天。
5)30天后，按照土层(0～10cm、10～20cm和20～30cm)分层取样。
6)加入100mL的1M KCl溶液，振荡30分钟；随后将混合液置于离心机，1000rpm离心30分钟，并舍去上清液；上述萃取—离心过程重复3次。
7)取出离心后的固体残渣，使用同位素质谱仪测定其中总N含量和15N含量。
8)借助以下公式计算硝态氮微生物同化率：
Figure BDA0002314535190000071
Figure BDA0002314535190000072
式中：NI(％)为硝态氮微生物同化率，Org15N为微生物同化的15N标记硝态氮总量，N为土壤总有机N含量，atom％15Nm为测定所得的固体残渣15N丰度，atom％15Nna为15N的自然丰度，atom％15Nf为外加硝酸盐的15N丰度。
9)使用紫外分光光度法测定土壤中的可萃取NO3 -含量。
10)使用“氯仿熏蒸—K2SO4提取—碳分析仪测定”方法测定土壤中的微生物量。
11)使用经验计算方法，按照下述公式计算土壤孔隙率：
Figure BDA0002314535190000073
式中：
Figure BDA0002314535190000074
为孔隙率，Wc为水与干土壤质量的比值(反映土壤中水的含量)，ms为单位质量土壤加热去除水后的干土壤质量，ρw为孔隙水的密度，ρb为土壤总体密度。
3、实验结果：
施加了水稻秸秆、葡萄糖和桉树木屑生物炭的处理，30天后的土壤硝态氮微生物同化率平均为57.86％(0～30cm土层)；空白处理的土壤硝态氮微生物同化率平均为16.94％(0～30cm土层)；水稻秸秆、葡萄糖和桉树木屑生物炭显著提高了土壤硝态氮微生物同化率。外加碳源处理的可萃取NO3 -含量较空白处理平均降低35.61％(0～30cm土层)，其中底层(20～30cm)土壤中的可萃取NO3 -含量较空白处理平均降低47.26％，这说明外加碳源处理显著降低了土壤NO3 -的可溶性和迁移能力。外加碳源处理的微生物量较空白处理平均提高了26.47％(0～30cm土层)，其中表层(0～10cm)土壤中的微生物量较空白处理平均提高了37.18％，这说明外加碳源处理可通过增加土壤微生物量提高土壤NO3 -的微生物同化效率。外加碳源处理的底层(20～30cm)土壤孔隙率较空白处理平均提高了12.92％，这一方面限制了底层土壤的反硝化过程，也可以提高硝态氮的微生物同化潜力。

Claims (10)

1.一种提高土壤硝态氮微生物同化效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将水稻秸秆进行干燥处理后，粉碎过筛；
(2)将桉树木屑进行干燥处理后热解，将热解后所得的生物炭粉碎过筛；
(3)挖取土方并转运至临时储存区；
(4)按照施加土层厚度土壤干重施加生物炭粉、水稻秸秆和葡萄糖；
(5)将生物炭粉、水稻秸秆和葡萄糖与施加土层土壤充分混合；
(6)将(3)中剥离的表土均匀回填到相应地块表面，保持地块平整。
2.根据权利要求1所述的方法，桉树木屑的热解温度为500～600℃。
3.根据权利要求1所述的方法，干燥后桉树木屑的水分含量在15％以下。
4.根据权利要求1所述的方法，水稻秸秆和生物炭粉粉碎磨细后的颗粒直径为0.5mm以下。
5.根据权利要求1所述的方法，临时储存区包括有排水、拦挡、遮盖等临时防护措施。
6.根据权利要求1所述的方法，生物炭粉和水稻秸秆的施加土层厚度为20～30cm。
7.根据权利要求1所述的方法，葡萄糖的施加土层厚度为0～20cm。
8.一种富集土壤硝态氮微生物的方法，其特征在于，向土壤中按照土层厚度土壤干重施加生物炭粉、水稻秸秆和葡萄糖。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，生物炭粉为桉树木屑热解所得。
10.根据权利要求8所述方法，其特征在于，水稻秸秆和生物炭粉的颗粒直径为0.5mm以下。
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CN112379078A (zh) * 2020-10-22 2021-02-19 广东省科学院生态环境与土壤研究所 一种测定土壤微生物碳同位素含量的方法

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