造纸废液生物炭对红壤氮素转化的影响及微生物作用机制

Biochar could regulate nitrogen transformation, improve soil fertility and increase crop yield. Although the attention has been paid for biochar, most previous studies focused on agricultural wastes instead of industrial wastes. China is the biggest non-wood pulping country in the world. There are large amounts of pulping waste liquor was produced every year. The pulping waste liquor could waste the resource and pollute the environment if not rational utilizing. In this study, typical upland red soil will be used to evaluate the effect of biochar obtained from pyrolysis of pulping waste liquor on soil nitrogen transformation and its microbial mechanism. Combining traditional research methods, stable isotope tracer technique and modern molecular biotechnology will be comprehensively applied in the experiments. The changes of microbial functional diversity, structural diversity, genetic diversity and nitrogen transforming microbe will be measured. The plant growth and nitrogen uptake will be studied after biochar obtained from pyrolysis of pulping waste liquor applied. The reasonable dosage of biochar will be elucidated by analyzing 4-year monitoring data. The study will reveal microbial mechanism of red soil nitrogen transformation with different dosage of biochar obtained from pyrolysis of pulping waste liquor application. This project will provide theoretical basis for nitrogen regulation of red soil and resource utilization of pulping waste liquor.

生物炭具有调节土壤氮素转化、提高土壤肥力、增加作物产量等功能，目前所研究的生物炭大多以农业废弃物为原料，对工业废弃物来源的生物炭研究甚少。我国是草浆造纸大国，产生的造纸废液如能加工成生物炭并得到合理利用，既能促进资源有效循环还能减少环境污染。本项目选取我国南方典型旱地红壤，以造纸废液生物炭为研究对象，通过布置小区试验结合微区试验，综合运用土壤化学传统分析方法、15N同位素示踪技术和现代分子生物学技术等，研究施用造纸废液生物炭后土壤氮素的转化特征，土壤微生物群落功能、结构和遗传多样性的变化，氮素转化相关微生物分布和丰度的变化以及植株生长及氮素吸收特性，对比分析4年监测结果，阐明造纸废液生物炭对红壤氮素转化及有效性的影响，提出造纸废液生物炭在旱地红壤上的合理用量，初步揭示造纸废液生物炭施用后红壤氮素转化的微生物作用机制，为旱地红壤氮素有效调控及造纸废液资源化利用提供理论依据和技术参考。

我国每年都产生大量造纸废液，利用不当不仅造成资源浪费还会带来环境污染，而国内外研究发现生物炭具有调节土壤氮素转化、提高土壤肥力、增加作物产量等功能，但目前所研究的生物炭大多以农业废弃物为原料，对工业废弃物来源的生物炭研究甚少。本项目以亚铵法草将造纸废液干粉为供试原料，设定3个温度（200℃、400℃和600℃）和3个时间（1 h、2 h和4 h）制备造纸废液生物炭，对其理化性质进行测定。本项目进一步以我国南方典型旱地红壤为供试土壤，通过田间试验结合微区试验，综合运用土壤化学传统分析方法、15N同位素示踪技术和现代分子生物学技术，监测土壤N2O释放特征、不同形态氮素含量变化及植株氮素吸收特性，利用BIOLOG生态板、PLFAs、定量PCR及Illumina Miseq高通量测序研究土壤微生物群落多样性变化。结果表明：随着裂解温度的升高，造纸废液生物炭的pH、灰分、C含量及C稳定性逐渐升高，而挥发物质、H、O、N、S含量降低，同时，H/C、O/C及（O+N）/C比值降低，裂解温度对生物炭性质的影响较裂解时间显著。施用造纸废液生物炭对土壤N2O释放特征存在显著影响，与对照相比，造纸废液生物炭处理土壤N2O释放峰值均降低，而且出现时间有所推迟，当造纸废液生物炭用量大于22.5 t/hm2时，土壤N2O累积释放量显著降低。造纸废液生物炭对玉米各部位氮含量没有显著影响，但能够通过提高玉米产量而增加玉米累积吸氮量。利用15N同位素示踪法研究也发现了相似规律，而且造纸废液生物炭能够促进玉米对土壤中氮素的吸收利用，施用一定量（＜45 t/hm2）造纸废液生物炭能够提高氮素利用率。土壤pH随着造纸废液生物炭用量增加而显著升高，这与生物炭呈碱性有关。土壤TN、DTN、NH4+-N和MBN含量均表现出随着造纸废液生物炭施用量增加而升高的趋势，NO3--N表现出相反的规律。造纸废液生物炭能够促进土壤微生物碳代谢功能，提高群落多样性。就微生物数量而言，当一定用量（＜45 t/hm2）造纸废液生物炭有利于微生物生长和繁殖。造纸废液生物炭施用提高了土壤真菌和放线菌的数量。施用造纸生物炭降低了土壤酸杆菌、浮霉菌、芽单胞菌和蓝细菌的的相对丰度。施用造纸废液生物炭能够提高AOA丰度，对于nirS、 nosZ型反硝化微生物没有显著影响，一定量（＜45 t/hm2）造纸废液生物炭能够提高土壤nirK型反硝化