不同改良剂对油茶林酸性土壤镉污染及N2O排放的影响

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土壤重金属污染严重威胁人类健康,温室气体排放增加则引起全球气候变化,是可持续发展面临的严峻挑战。重金属污染和土壤氧化亚氮(N2O)排放与土壤p H密切相关。土壤p H低,重金属元素具有极高的可迁移性和活性,同时酸性土壤N2O排放加剧。因此,酸性土壤重金属污染和温室气体排放问题尤为突出。油茶(Camellia oleifera)是我国重要的木本油料树种,具有极高的经济价值和生态价值。由于油茶集约型施肥,根系分泌有机酸等生理特性,以及生长区域气候特征等原因,集约型油茶林土壤酸化严重,已超出油茶适宜生长土壤酸度范围(p H=5.5-6.5)。土壤酸化不仅会导致油茶减产,还会增加土壤重金属污染风险,导致温室气体排放加剧。为缓解重金属污染和全球气候变化,改良土壤酸化,当前已经开展了多种研究。羟基磷灰石具有高吸附性、高稳定性,被认为是治理重金属的理想吸附剂。农林有机废弃物制备生物质炭已被广泛用于土壤改良、重金属治理,以及缓解土壤酸化。改性生物质炭是通过对生物质炭进行修饰,提高吸附重金属离子能力。与羟基磷灰石相比,改性生物质炭材料来源更为广泛。以上不同改良剂对油茶林酸性土壤重金属治理以及N2O减排效果尚不明确。本研究通过对比分析生物质炭、改性生物质炭和羟基磷灰石施用对油茶林酸性土壤重金属镉(Cd)污染以及土壤N2O排放的影响,研究生物质炭、改性生物质炭和羟基磷灰石对酸性土壤重金属污染治理以及N2O减排的潜在影响和机制。同时探讨了不同改良措施下土壤N2O微生物功能基因丰度,深入分析其微生物机制。结果表明:(1)羟基磷灰石对土壤Cd污染的治理效果最佳,在不施氮肥和施氮肥土壤中分别降低73.4%和64.9%,其次是生物质炭和改性生物质炭。(2)Cd显著降低施氮土壤64.1%N2O排放,抑制土壤微生物氨氧化古菌(AOA)基因的丰度,这可能是Cd降低土壤N2O排放的机制之一。(3)羟基磷灰石降低施氮土壤NH4+-N和NO3--N浓度、AOA和nir S基因丰度,改性生物质炭增加Cd污染土壤nos Z基因丰度,生物质炭增加Cd污染土壤氨氧化细菌(AOB)基因丰度。(4)施氮肥下,羟基磷灰石、改性生物质炭和生物质炭显著降低了无镉污染土壤N2O排放,抑制效果为羟基磷灰石>改性生物质炭>生物质,这与p H值的增加密切相关。虽然羟基磷灰石对土壤N2O排放的抑制作用比改性生物质炭和生物质炭更为有效,但增加了114.9%土壤CO2排放。生物质炭促进了镉污染土壤N2O排放,羟基磷灰石和改性生物质炭对土壤N2O排放有显著抑制作用。(5)油茶土壤酸化改良方面,改性生物质炭和生物质炭改良后的土壤p H值在5.4-6.5之间,属于油茶的适宜生长范围,而羟基磷灰石极大提高土壤p H值,超出了油茶适宜p H范围。因此,改性生物质炭和生物质炭在油茶土壤酸化改良上更值得推广。(6)结构方程模型表明,土壤改良剂对土壤N2O排放影响更多是通过间接作用影响,如通过影响土壤p H、铵态氮和硝态氮等。重金属Cd对N2O排放直接影响为抑制,间接影响为通过减少土壤硝态氮含量对N2O排放产生抑制作用。综上,生物质炭、改性生物炭和羟基磷灰石均可通过改变土壤微生物功能基因及氮转化对土壤N2O排放产生抑制作用。但生物质炭在Cd污染土壤中会促进N2O排放,适用于无重金属Cd污染的土壤减排和酸性改良。羟基磷灰石在减排和治理重金属Cd污染上潜力巨大,但不适用于油茶土壤的酸性改良。改性生物炭在降低Cd污染和N2O排放,油茶酸性改良方面适用性更强,具有广泛应用前景。
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