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[博士论文] 翟伟伟
土壤学 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,随着中国畜禽养殖业的快速发展,畜禽废弃物的排放量也迅速增长。在规模化畜禽养殖过程中,有机胂制剂因其具有预防疾病、提高饲料转化率、促进畜禽生长等作用在畜禽养殖业广泛应用。然而,大部分有机胂制剂随畜禽排泄物排出体外,造成畜禽废弃物中含有较高浓度的砷。当农田施用高砷含量的畜禽废弃物时,可能会造成土壤和农作物砷累积,进而威胁农产品安全和人体健康。堆肥是畜禽废弃物实现资源化处理最有效的一种措施,可以使畜禽废弃物减量化和无害化。但是畜禽废弃物堆肥过程中砷的形态转化尤其是砷的甲基化过程以及砷甲基化微生物的驱动机制还缺乏研究。本研究在对浙北地区养猪废弃物、废水及长期施用猪粪的农田土壤砷污染调查基础上,通过室内模拟堆肥和野外实际堆肥结合的方式,研究堆肥过程中砷的氧化、还原尤其是甲基化作用,探讨了生物质炭添加对畜禽废弃物堆肥过程中砷形态转化的影响。同时,应用qPCR、克隆文库和16S rRNA基因高通量测序等分子生物学手段研究了畜禽养殖废弃物堆肥过程中砷甲基化功能微生物群落结构多样性及其演替规律,揭示了生物质炭对堆肥过程中砷甲基化行为特征的影响与微生物驱动机制。主要的结论如下:
  (1)对浙北地区规模化养猪场猪粪、堆肥样品和养猪场废水样品砷含量调查发现,堆肥样品中砷的含量明显高于猪粪样品中砷的含量,养猪场废水中砷的含量明显低于猪粪中砷的含量。在猪粪和堆肥样品中,As(Ⅴ)是最主要的无机砷形态,甲基砷主要是DMAs(Ⅴ),但是堆肥样品中MMAs(Ⅴ)和DMAs(Ⅴ)所占的比例高于猪粪样品。养猪场废水中DMAs(Ⅴ)是主要的砷形态,且处理过程中存在砷的甲基化过程。大部分试验点长期施用猪粪没有引起土壤砷积累,但是随着猪粪施用量的增加,土壤中As(Ⅴ)所占的比例逐渐增加、As(Ⅲ)所占的比例减少,猪粪的长期施用会促进土壤砷的氧化。
  (2)野外实际堆肥试验发现,堆肥后猪粪中砷、铜和锌等其他重金属的总浓度增加,生物有效性和移动性减少,并向更稳定的形态转化。As(Ⅴ)是猪粪堆肥过程中最主要的形态,随着堆肥的进行,两个堆体中As(Ⅴ)含量逐渐增加;堆肥过程中As(Ⅲ)由于发生氧化和甲基化作用导致As(Ⅲ)在堆肥结束时下降了26%左右;MMAs(Ⅴ)含量随着堆肥时间逐渐增加并在高温期达到峰值,在腐熟期随着堆肥时间迅速下降;但DMAs(Ⅴ)的含量随着堆肥时间逐渐增加;堆肥过程中甲基砷(MMAs(Ⅴ)+DMAs(Ⅴ))的积累证实在堆肥过程中发生了砷的甲基化。为了进一步研究不同浓度的砷在猪粪堆肥过程中砷的形态转化,通过向猪粪中分别添加As(Ⅴ)和As(Ⅲ)进行室内模拟堆肥试验,结果发现,添加低浓度As(Ⅴ)和As(Ⅲ)会增强堆肥高温期砷的甲基化作用,尤其是添加As(Ⅲ),对增强堆肥过程中砷甲基化作用更显著;但高浓度As(Ⅴ)和As(Ⅲ)添加会对堆肥体系中的微生物产生毒害,砷甲基化作用减弱。
  (3)通过结合多种分子生物学方法(qPCR,克隆文库以及16S rRNA高通量测序技术)研究了猪粪堆肥过程中砷甲基化功能微生物的丰度、群落结构多样性及其演替规律。qPCR结果表明,砷还原基因arsC的丰度在堆肥过程中先减少后增加,砷甲基化基因arsM的丰度随着堆肥时间逐渐增加;Eh、NH4+-N和OM是影响arsC和arsM基因的主导环境因素;堆肥过程中理化性质的变化通过增加砷还原菌和砷甲基化微生物的数量,从而促进堆肥过程中砷甲基化过程。砷甲基化微生物群落结构组成在堆肥过程中发生动态演替。克隆文库结果发现链霉菌目(Streptomycetales)和根瘤菌目(Rhizobiales)是堆肥高温期的主要的砷甲基化微生物优势菌,而在堆肥腐熟期砷甲基化优势菌群主要由根瘤菌目(Rhizobiales),Solirubribactrales目和放线菌目(Actinomycetales)构成。16S rRNA测序结果也显示可能与砷甲基化相关的微生物群落结构组成在堆肥过程中发生了显著的变化。另外,克隆文库和16S rRNA测序结果的一致性说明Streptomyces sp.GSRB54,Amycolatopsis mediterranei U32和phaerobacter thermophiles DSM20745可能对堆肥过程中砷甲基化过程中有着更重要的作用,但其作用机制还需进一步验证。
  (4)模拟堆肥试验和反应器堆肥试验发现生物质炭添加影响猪粪堆肥过程中砷的形态转化。结果发现,添加5%生物质炭可以促进堆肥升温期和高温期砷甲基化作用,而添加10%生物质炭在升温期和高温期对砷甲基化作用没有影响,但是抑制了降温期和腐熟期砷的甲基化作用,促进砷的氧化作用;当砷的浓度过高时,会降低砷代谢微生物的活性,抑制砷的氧化和甲基化作用,生物质炭的添加量没有影响。反应器堆肥试验中,添加生物质炭能够更快地完成堆肥腐熟进程;As(Ⅲ)所占的比例在堆肥升温期显著降低;堆肥过程会造成甲基砷的积累,显著促进了堆肥升温期MMAs(Ⅴ)和DMAs(Ⅴ)的生成,但是减少了堆肥高温期和降温腐熟期甲基砷所占的比例,这是由于添加生物质炭促进堆肥过程中砷的挥发;此外,添加生物质还会影响挥发性砷的形态,堆肥过程中产生的气态砷的主要成分是AsH3和As(CH3)3,添加生物质炭主要是增加了堆肥升温期和高温前期气态砷中AsH3的比例,减少了堆肥高温后期和降温腐熟期AsH3的比例。
  (5)堆肥过程中微生物的多样性和丰富度主要受堆肥温度的影响,生物质炭的添加影响较小。但是添加生物质炭对第15天、40天、80天样品中属水平微生物群落结构有显著影响,添加生物质炭会导致一些特异性微生物的出现。代表性OTUs与堆肥过程中MMAs(Ⅴ)和DMAs(Ⅴ)的含量有显著相关的关系,分为正相关和负相关,Firmicutes(厚壁菌门)Ureibacillus suwonensis菌与MMAs(Ⅴ)、DMAs(Ⅴ)呈显著正相关关系,而Firmicutes(厚壁菌门)Lactobacillales,Clostridiales目中许多属水平的微生物与MMAs(Ⅴ)和DMAs(Ⅴ)呈显著的负相关;添加生物质炭后,与MMAs(Ⅴ)和DMAs(Ⅴ)有相关关系的微生物增加,生物质炭的添加可能通过Streptococcus属和Clostridium属的作用促进砷的挥发。
[硕士论文] 钟意
森林培育 浙江农林大学 2018(学位年度)
摘要:袋控缓释肥是根据作物养分需求特性,改变一般控释肥颗粒包膜的设计思路,利用肥料袋装打孔技术控制肥料释放的一种肥料。本试验先在室内条件下研究了袋控缓释肥氮素释放特性以及减少养分损失效果,后在田间条件下以雷竹(Phyllostachys violascens)为试材,研究了肥料袋控缓释对土壤养分与雷竹生理生化指标的影响,以期为利用肥料袋控缓释技术提高肥料利用率以及为雷竹林的可持续经营提供理论与技术支持。本文主要研究结果如下:
  以水溶液浸提法评价袋控缓释肥氮素释放特性,在袋内肥料质量相同条件下,氮素释放速率主要受肥料袋微孔排数影响,微孔排数越多,养分释放越快;在微孔排数相同的条件下,袋内肥料质量越小养分释放越快;当微孔密度在一定范围内时,以玉米淀粉袋塑料为包装的袋控缓释肥控释效果较双面涂蜡牛皮纸袋袋控缓释肥控释效果更佳。
  室内恒温土柱淋洗试验中,普通尿素的氮素第一次溶出率为23.38%,而1、3、5、7排孔的玉米淀粉塑料袋袋控缓释肥(B-1、B-3、B-5、B-7)和双面涂蜡牛皮纸袋袋控缓释肥(B-W)5种袋控缓释肥的氮素溶出率分别为0.98%、0.94%、1.07%、1.13%和2.69%,远低于缓释肥料初期溶出率为15%的要求,缓释效果较好。双面涂蜡牛皮纸袋袋控缓释肥前期氮素释放量过大,相对而言玉米淀粉塑料袋袋控缓释肥缓释性能更优。用Logistics方程N=a/1+e-k(t-tc)估算得出的tc(氮素累积释放量拐点出现的时间)延长,表现出明显的氮素释放滞后效应。
  氨挥发模拟试验结果表明:B-1、B-3、B-5、B-7、B-W5种袋控缓释肥的累积氨挥发氮损失量较普通尿素氨挥发氮损失量分别减少23.78%、18.21%、16.82%、13.46%和17.81%,显著小于普通尿素处理(P<0.05);双面涂蜡牛皮纸袋袋控缓释肥第一周内氨挥发累积损失量显著高于其它袋控缓释肥,缓释性能有待进一步改良。玉米淀粉塑料袋袋控缓释肥能降低氨挥发速率,减少氨挥发损失,在实际生产上应用是可行的。
  田间试验结果表明,在施肥量一致的条件下,与一次性撒施普通复混肥相比,袋控肥供氮稳定持久,1排孔和3排孔玉米淀粉塑料袋袋控缓释肥处理可以显著提高雷竹生长后期叶片叶绿素含量,改善雷竹叶片光合性能,提高雷竹叶片中硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性,促进雷竹叶片氮代谢的进行有利于植物对养分的吸收与利用,使得雷竹叶片中氮含量、可溶性蛋白含量显著增加,其中以打有3排孔的玉米淀粉塑料袋袋控缓释肥效果最佳。
  通过本研究可知,肥料袋装打孔能够有效地控制养分释放速率,减少养分淋溶和氨挥发损失,能够维持土壤中氮素含量的相对稳定性,有利于植物的吸收与利用。限于时间,袋控缓释肥的施用效果有待进一步检验;肥料用量也有待深入探讨,使之与实际生产过程更加符合。
[硕士论文] 邬欣慧
农业资源利用 东北农业大学 2018(学位年度)
摘要:秸秆和畜禽粪便资源化利用一直是科研工作者关注的热点问题。纤维素作为秸秆主要成分,是地球上数量最大的可再生资源之一,利用微生物进行秸秆纤维素降解已成为目前较有效且更接近自然生态的一种方法。畜禽粪便用于发酵堆肥处理时普遍存在氮素损失问题,降低了有机肥料养分含量,同时造成环境污染。本研究旨在从以猪粪和秸秆为原料的堆肥中筛选具有纤维素降解能力的菌株,以期加速堆肥发酵进程缩短发酵周期。同时利用筛选的高效纤维素降解菌和实验室保存菌种(除臭脱硫菌)与化学调理剂(氯化钙)结合,设置3个处理组,分别为:处理1(猪粪+秸秆)、处理2(猪粪+秸秆+氯化钙)和处理3(猪粪+秸秆+氯化钙+混合菌),用于猪粪与秸秆堆肥发酵,以期为控制氮素损失提供可靠的堆肥方案,为提高堆肥质量提供科学依据。本研究得出以下结论:
  (1)通过刚果红培养基和滤纸条降解试验作为初筛,并进行液体发酵培养测定酶活力,得到羧甲基纤维素(CMC)酶活和滤纸(FPA)酶活均很高的2株菌,通过一系列的鉴定可知:1号菌为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),7号菌为隐球酵母菌(Cryptococcus flavescens)。并对其进行产酶特性研究,结果表明,在pH值6.5,培养时间48h的条件下,1号和7号菌株的CMC酶活封闭额达26.82、31.28U/mL,FPA酶活达20.32、30.82U/mL。
  (2)堆肥过程中堆温>50℃天数:处理1(22d)<处理2(27d)<处理3(30d),满足粪便无害化卫生标准,各处理组pH值、水分含量变化趋势相近。添加菌剂的处理组3可加快有机碳(TOC)的分解和全氮(TN)、全钾(TK)和全磷(TP)含量增加。试验结束时,各处理组堆体的T<0.6,已达到了完全腐熟。
  (3)堆体内加入不同类型的调理剂可不同程度减少臭气产生,减少N素流失。各处理组能闻到臭味的时间分别为:26、16和10d。试验组的NH3和H2S释放量均表现为:处理组1>处理组2>处理组3。外加CaCl2和菌剂对堆体内臭气挥发存在明显减弱作用。堆体内加入不同类型调节剂对堆体中N素含量影响为:随着堆肥进行,TN逐渐增加,NH4+-N先增加后减少且逐渐转化为NO3--N,堆肥结束时,试验组NO3--N含量分别为:1200、1560和1580mg/kg。
  (4)堆肥过程中N素转化关键微生物菌群变化特征为,氮化细菌数量先上升后降低,硝化细菌、反硝化细菌与固氮菌数量均为逐渐增加趋势。处理组3中4种N素转化关键微生物数量均高于其它处理。氨化细菌与NH3、NH4+-N极显著正相关关系;硝化细菌与NH3和NH4+-N为负相关关系,而与NO3--N呈正相关关系;反硝化细菌与NH3为负相关,NO3--N为显著正相关。
[博士论文] 刘晓永
植物营养学 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:中国化肥消费量大、有机肥资源丰富,但有机肥养分资源数量和还田量以及农田养分的输入、输出时空分布特征尚不明确,各地区农业生产中养分需求和供给不清楚,严重制约养分资源的合理分配和高效利用以及农业的可持续发展。研究区域和国家层面上农田养分投入/产出和平衡以及农业生产对养分的需求,把握不同区域养分资源与利用特点,可为养分资源的科学管理和分配提供战略性对策和依据。本研究采用统计数据和文献资料等,研究了1980~2016年中国秸秆、粪尿等有机肥养分的数量、区域分布和还田量,分析了农田养分投入/产出平衡的时空变化特征和规律,估算了2016年全面平衡施肥场景下我国农业生产的养分需求以及化肥需求和供给差。主要结果如下:
  1)依据作物产量、草谷比、秸秆还田率和秸秆养分含量,计算不同年代各省秸秆和氮磷钾养分量及其还田利用。结果表明,与1980s相比,2010s全国秸秆及其NPK量(N+P+K)分别增长8577%和104.00%,2010s年均分别为90585.89×104和2502.11×104t,西北诸省、西藏和黑龙江省增幅明显,华北、长江中下游地区、四川盆地以及黑龙江省秸秆及其养分资源占全国2/3以上。与1980s相比,2010s全国秸秆NPK还田量增长2倍多,2010s年均为1783.23×104t,还田率为71.27%,其中N579.14×104t,P106.27×104t和K1097.87×104t,还田率分别为60.70%、77.34%和77.83%。华北、长江中下游地区、四川盆地和黑龙江省的秸秆NPK还田量约占全国的70%。
  2)基于畜禽年末存栏数、年内出栏数、饲养周期、排泄系数和粪、尿养分含量,计算不同年代各省畜禽粪尿量、粪尿养分及其还田利用。结果表明,与1980s相比,2010s全国畜禽粪尿量及其NPK量(N+P+K)分别增长5335%和6228%,2010s年均分别为423529.66×104(鲜基)和409576×104t,东北地区增幅最大。畜禽粪尿NPK还田量从1980s年均1132.71×104增加到2010s年均1713.33×104t,河南、四川、内蒙古、山东、河北、湖南、新疆、广西、云南和安徽的畜禽粪尿NPK还田量约占全国的55.02%~59.66%。2010s畜禽粪尿N、P和K年均还田量分别为617.99×104、297.81×104和797.53×104t,还田率分别为30.58%、70.75%和48.22%。
  3)我国有机肥NPK(N+P+K)资源量持续增加,2010s年均达到7797.41×104t,比1980s增加67.11%,东北地区增幅最大,河南、山东、四川、河北、湖南、内蒙古、湖北、云南、江苏和安徽有机肥NPK资源量约占全国的55.21%~57.33%。2010s有机肥N、P和K年均还田量分别为1332.69×104、437.97×104和1929.30×104t,还田率分别为35.00%、61.91%和58.78%。河南、山东、四川、河北、内蒙古、湖南、安徽、江苏、湖北和广东的有机肥NPK还田量约占全国的55.72%~60.82%。
  4)基于作物产量,单位经济产量吸收养分量和秸秆还田养分量,估算了不同年代各省作物生产中养分移走量。结果表明,与1980s相比,2010s全国农田氮磷钾养分移走量(N+P2O5+K2O)增长7533%,其中N、P2O5和K2O分别增长67.03%、82.59%和84.81%,西北地区增幅最大,2010s年均移走量为3086.90×104t,其中N1497.07×104t,P2O5621.23×104t,K2O968.60×104t,河南、黑龙江、河北、江苏、四川、吉林、安徽、湖北、湖南和广东的农田养分移走量约占全国的55.66%~59.75%。
  5)通过计算养分的投入(化肥、有机肥)和产出(作物移走量),得出不同年代各省养分表观平衡和偏平衡(PNB,养分移走量/投入量)。结果表明,与1980s相比,2010s全国氮磷钾养分盈余量(N+P2O5+K2O)增长208.23%,东北地区增幅最大,河南、山东、四川、湖北、河北、广西、广东、安徽、湖南、江苏和云南的盈余量占全国的56.23%~64.33%。2010s盈余5284.42×104t,其中N、P2O5和K2O分别盈余2220.36×104t、2002.27×104t和1061.79×104t。1980s到2010s PNB逐渐下降,2010s PNB-N介于0.13~0.87,东北、华北和长江中下游多数省份高于0.37;PNB-P2O5介于0.06~0.41,东北高于0.26,华北和长江中下游多数省份介于0.19~0.29,其他省份低于0.20;PNB-K2O介于0.02~0.85,东北和华北大多数省份高于0.53,其他多数省份介于0.3~0.6。
  6)按2016年农作物、林地、草地、水产养殖面积和平衡施肥量,全面平衡施肥场景下全国氮磷钾养分(N+P2O5+K2O)的需求量为8441.80×104t,其中N3758.13×104t、P2O5203596×104t和K2O2647.71×104t。粮食作物养分需求量约占全国的41.53%,其次蔬菜/瓜果占21.09%。长江中下游和华北地区的养分需求较大,河南、四川、山东、湖南、广西、河北、云南、湖北、内蒙古和江苏的养分需求量占全国的52.96%。全国化肥消费与需求差为74452×104t,其中N亏缺120.61×104t,P2O5过量474.78×104t,K2O过量390.35×104t,华北地区过量最多,特别是河南、山东、河北过量较多,而西北和西南地区的多数省份化肥投入不足。
[硕士论文] 周杏
环境规划与管理 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:我国是农业大国,秸秆资源丰富。作为一项资源循环利用、节本增效的农田管理措施,还田后的秸秆腐解进入土壤碳库,可以提高土壤有机碳含量,但同时也会引起N2O、CH4等温室气体排放量的增加。探索秸秆还田与土壤有机碳、农业温室气体排放的输入响应关系,探讨通过优化还田模式提升土壤碳固持的正效应,控制温室气体增排负效应的可行性,对优化农田生态环境效益,实现农业低碳、绿色发展具有重要意义。
  本文以南方农业区秸秆还田对土壤有机碳、农业温室气体排放的影响机制为研究对象,采用Meta分析方法定量评估秸秆还田对土壤有机碳以及温室气体排放的影响,在DAYCENT模型支持下模拟不同秸秆还田模式下土壤有机碳和温室气体排放的特征,以此优化秸秆还田配套农田管理措施。主要研究结论如下。
  Meta分析表明:(1)秸秆还田显著提高SOC含量,其固碳效应受化学氮肥施用和还田年限的影响,增加施氮量和延长还田年限更利于SOC的累积。(2)秸秆还田对CH4排放的影响主要受限于水分管理方式的选择,间歇灌溉下还田对CH4增排效应最小。(3)总体上秸秆还田对N2O排放无显著影响,持续淹水以及降低化学氮肥用量可显著降低秸秆还田下N2O排放。
  不同还田模式模拟结果显示:(1)秸秆还田较不还田处理SOC含量显著提高了5.6%~10.58%。秸秆半量还田可基本维持SOC现有水平,配合减氮和持续淹水的还田模式有利于土壤有机碳累积。(2)不同模式下秸秆还田增加8.90%~26.24%的CH4排放,还田配合间歇灌溉和减少施氮的模式对CH4增排贡献最小。(3)不同还田模式下N2O增排13.09%~39.34%,其中还田配合常规施肥和持续淹水的模式可最大程度抵消还田对N2O的增排。(4)仅就秸秆还田对农业温室气体排放效应而言,半量还田配合常规施氮和间歇灌溉模式的固碳减排效应最佳。
[硕士论文] 张敬昇
土壤学 四川农业大学 2018(学位年度)
摘要:土壤氮素供应与合理施用氮肥对提高作物产量以及氮素利用率起重要作用。控释氮肥(CRNF)较普通尿素(UR)更能满足作物对氮素的需求,有效促进作物生长发育,但因其价格高,农民普遍不易接受,在大面积推广使用上相对受限。故采用控释氮肥掺混尿素施肥方法,可望实现作物全生育期氮素协调,降低成本,提高经济效益。目前国内外研究主要集中在控释氮肥掺混尿素对作物生长与产量以及氮素利用率等影响上,而将土壤氮素与氮的关键转换酶作为研究整体的报道较少,其相互联系和作用机理的研究更为缺乏。因此,本文通过稻麦轮作大田试验,在施氮量均为150kg/hm2条件下,采用一次性基施0、10%、20%、40%、80%、100%控释氮肥掺混尿素处理,重在研究控释掺混尿素条件下土壤氮形态、含量和氮的关键转换酶变化过程与原因,以期寻求适宜的控释掺混尿素,实现提高土壤氮素供应能力和促进作物生长之目的。主要研究结果如下:
  (1)掺混适宜的控释氮肥处理促进了稻麦生育中后期的土壤脲酶、蛋白酶活性和小麦生育后期土壤硝酸还原酶活性,进而实现推迟水稻铵态氮峰值期,提供小麦充足的硝态氮养分且减少了20-40cm土层硝态氮含量,显著提升土壤无机氮和微生物生物量氮的供应水平。
  掺混20%~100%控释氮肥处理显著提升水稻拔节-成熟期的铵态氮含量0.90~5.10mg/kg、提高抽穗-成熟期微生物生物量氮含量4.63~12.57mg/kg(小麦)和1.39~5.43mg/kg(水稻)。掺混40%~100%控释氮肥处理显著提高抽穗-成熟期硝态氮水平9.86~43.24mg/kg(小麦)和1.13~3.94mg/kg(水稻)、拔节-成熟期碱解氮含量6.78~24.24mg/kg(小麦)和5.10~13.10mg/kg(水稻)。掺混40%~100%控释氮肥处理对拔节-抽穗期的土壤脲酶提了36.09%~86.57%(小麦)和7.07%~31.82%(水稻)、蛋白酶活性提高了6.85%~42.85%(小麦)和7.69%~26.63%(水稻),增长了抽穗-成熟期的土壤硝酸还原酶活性5.92%~33.33%(小麦)和8.32%~84.38%(水稻)。
  (2)掺混适宜的控释氮肥处理显著提高了稻麦作物地上部干物质与氮积累量,改善农艺性状,促进稻麦籽粒增产增收。掺混40%控释氮肥作物产量和效益最佳,掺混20%次之。
  掺混20%~100%控释氮肥较常规尿素处理,显著提高了拔节-成熟期的地上部干物质积累量2.81%~15.09%(小麦)和3.90%~11.90%(水稻),但掺混800%~100%控释氮肥处理下作物穗部干物质与氮的分配比例明显较低。40%控释氮肥掺混60%尿素处理可显著改善小麦穗长与旗叶面积,以及水稻穗粒数、千粒重、结实率、旗叶长与旗叶面积,在稻麦作物农艺性状、产量、经济效益均达最优,小麦增产14.23%、水稻增产10.93%。
  (3)随掺混比例增加,稻麦季氮肥偏生产力、氮肥农学利用率、氮素吸收效率、氮肥表观利用率均呈先增加后减少趋势,以40%控释氮肥掺混60%尿素处理最优,小麦与水稻时期分别比常规尿素处理增长了14.21%、27.26%、17.50%、29.89%和10.93%、73.72%、19.15%、53.09%;氮收获指数以100%控释氮肥处理最低,较常规尿素处理分别下降了3.99%(小麦)和8.51%(水稻);土壤氮依存率随掺混配比增加呈先下降后回升趋势,以40%控释氮肥掺混60%尿素处理最低,小麦与水稻时期分别下降了14.38%与15.84%。
  综上,一次性基施掺混20%~40%控释氮肥提高了稻麦土壤氮素供应、土壤酶活性与稻麦作物生长、产量、氮素利用率,省时省力,尤以40%控释氮肥掺混60%尿素处理养分释放适宜,增产增收效果最佳,推广应用潜力较大。
[硕士论文] 谌首蓓
土壤学 四川农业大学 2018(学位年度)
摘要:菌渣量大且含有丰富的营养成分,施用菌渣能提高土壤质量,改善作物品质。但目前菌渣的循环利用率较低,造成了资源浪费和环境污染。菌渣中残留有一定量的重金属,长期施用可能造成土壤重金属污染风险并通过食物链危害人体健康。研究表明,重金属风险更多地取决于其形态和生物有效性。所以试验依托成都平原常见的稻麦轮作制度,探究菌渣还田对土壤重金属形态及生物有效性的影响。为了使田间试验与一般施肥管理具有一致性和可比性,便于系统性分析,试验以常规施氮量为平衡基准,以菌渣带入氮量为施肥量的计算基础,并用菌渣施用量计算重金属Cu、Cd、Pb、Zn的带入量。试验共设8个处理,分别为不施肥对照(CK)、常规化肥对照(CF)、菌渣提供25%N(M1)、菌渣提供50%N(M2)、菌渣提供75%N(M3)、菌渣提供100%N(M4)、菌渣提供125%N(M5)和菌渣提供150%N(M6)。
  试验采集水稻和小麦成熟期的土壤和作物样品,采用BCR连续提取法提取土壤中重金属的弱酸提取态、可还原态、可氧化态和残渣态,采用原子吸收光谱法测定土壤和作物籽粒中重金属Cu、Cd、Pb、Zn的总量及土壤重金属各形态含量,并对土壤重金属各化学形态的生物有效性进行分析。同时进一步对土壤重金属总量和形态进行生态污染评价,对作物进行健康风险评价,以期得到适宜的菌渣还田施肥方案,为成都平原菌渣还田的利用与推广提供支撑与依据。得到以下研究结果:
  (1)水稻季和小麦季土壤重金属Cu、Pb、Zn的总量随菌渣施用量增加呈上升趋势;土壤重金属Cd的总量随菌渣施用量增加呈先减少后增加的趋势。水稻季时土壤Cd含量在M1和M2处理下与常规化肥CF处理相比显著降低了6.60%和4.51%;小麦季时土壤Cd含量在M1和M2处理下与常规化肥CF处理相比显著降低了7.64%和6.15%。
  (2)除个别重金属元素外,施用菌渣后土壤重金属形态发生了惰性转化,由生物有效性较高的形态转化为生物有效性较低的形态。与常规化肥对照相比,M2处理能降低水稻季土壤重金属的活性态分配系数,菌渣与化肥配施(M1~M3)处理可以降低小麦季土壤重金属的活性态分配系数。
  (3)小麦籽粒中的重金属含量高于水稻籽粒。在M1~M6处理下,作物籽粒中的重金属含量随菌渣施入量的增加均呈上升趋势。与常规化肥对照相比,M1处理显著降低了水稻籽粒中重金属Cu、Cd、Pb、Zn的含量和小麦籽粒中重金属Cd、Pb和Zn的含量。
  (4)除土壤中重金属Pb和Zn的活性态含量和水稻籽粒重金属含量间无显著相关性外,其余重金属活性态含量与作物籽粒重金属含量间均有显著或极显著相关性,说明可以用活性态含量来表征土壤重金属的生物有效性。通过多元线性回归方程分析可知,在不同的土壤环境中重金属各形态的生物有效性不同。总体来说,可还原态对水稻籽粒重金属含量影响大,生物有效性高;弱酸提取态和可氧化态对小麦籽粒重金属含量影响大,生物有效性高。
  (5)与常规化肥CF相比,水稻季时和小麦季时,土壤pH在M1处理下显著提高了0.13和0.16个单位;土壤有机质在M1~M6处理下显著提高了9.15%~21.19%和8.32%~16.67%;土壤CEC在M1~M6处理下显著提高了15.58%~20.77%和13.14%~20.52%。相关分析结果表明,影响土壤重金属活性态含量的主要因子是pH和OM,其中土壤重金属生物有效性与土壤pH均呈负相关关系,与OM均呈正相关关系,CEC对土壤重金属各活性态生物有效性的影响相对较弱。
  (6)土壤重金属内梅罗综合指数分析法和潜在生态风险法表明,水稻季和小麦季土壤在各处理下均处于无污染状态,且在M1处理下土壤的污染风险最小。土壤重金属次生相原生相比值法表明,M1和M2处理较常规化肥对照处理可以降低重金属次生相所占比例,减少重金属对环境的潜在危害。健康安全风险评价法分析表明,菌渣和化肥配施(M1~M3)较常规化肥对照处理而言可以降低当地人食用米面对人体健康的威胁,且籽粒的健康风险在M1处理下最低。
  建议:综合各评价方法,M1处理即菌渣提供25%N与化肥配施的处理方案带来的重金属污染风险最小。因此适宜成都平原稻麦轮作的具体施肥方案为:水稻季施用菌渣2408kg·hm-2,尿素245kg·hm-2,过磷酸钙121kg·hm-2,钾肥47kg·hm-2;小麦季施用菌渣2890kg·hm-2,尿素293kg·hm-2,过磷酸钙146kg·hm-2,钾肥56kg·hm-2。
[硕士论文] 张文浩
生态学;微生物生态学 东北农业大学 2018(学位年度)
摘要:堆肥技术是处理畜禽粪便等农业固体废弃物的有效方法。但是,在传统的自然静态堆肥中,堆体的温度和氧气分布不均一,导致发酵不均匀、堆肥质量不佳。本研究针对这一现象,设计了一种静态发酵装置,可以克服传统堆肥技术“堆体表面温度低、堆体深层厌氧”的技术缺陷。微生物在堆肥发酵过程中扮演重要角色,决定堆肥的进程和堆肥的质量,因此,研究堆肥过程中微生物的群落结构对于丰富堆肥理论和改进堆肥技术具有科学价值。本研究采用新型静态好氧堆肥工艺处理牛粪和水稻秸秆,通过测定堆体理化及生物指标来验证堆肥的腐熟程度,并利用高通量测序技术来研究堆肥过程中的细菌、真菌群落结构的组成及动态变化,探讨微生物群落组成与理化及生物指标之间的相关关系。主要研究结果如下:
  (1)堆肥化共持续17d,第3d堆肥的中心及外层温度均达到55℃以上,堆肥进入高温期并持续9d(3d~12d)。在整个堆肥过程中,pH值保持下降趋势并始终维持在弱碱性状态下;含水率同样一直呈下降趋势,在堆肥结束后降至51.0%;NH4+-N呈现先升后降的趋势,并在堆肥升温期达到最大值(932.2mg·kg-1),随后开始逐渐下降;NO3--N缓慢上升,腐熟期达到最大值(95.5mg·kg-1)。随着堆肥的进行,种子发芽指数同样逐渐上升,堆肥结束后达到97.7%。根据堆肥过程中理化及生物指标综合推断,在堆肥17d可使牛粪堆肥达到腐熟。
  (2)应用高通量测序技术研究堆肥过程中细菌、真菌群落结构的组成及动态变化。结果表明,在堆肥化过程中,细菌及真菌群落的操作分类单元(OTU)数量及香侬(Shannon)多样性指数有着相同的变化趋势,都是呈先增加再减小的趋势,但是细菌群落的丰富度及多样性要明显高于真菌群落。随着堆肥的进程,细菌及真菌群落结构均发生了明显变化。
  (3)门分类水平上,在堆肥初始期占据优势的细菌门为变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes),而在高温期阶段厚壁菌门(Firmicutes)成为优势细菌门类,当堆肥进入高温期,放线菌门(Actinobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)占据优势。对于真菌门来说,担子菌门(Basidiomycota)在堆肥的初始期相对丰度最高并占据绝对优势,而堆肥进入高温期后,优势真菌门变为子囊菌门(Ascomycota)。
  (4)属分类水平上,堆肥的初始阶段相对丰度较高的属包括紫单胞菌属(Petrimonas),噬氢菌属(Hydrogenophaga)、不动杆菌属(Acinetobacter)、黄杆菌属(Flavobacterium)和丛毛单胞菌属(Comamonas)等,而当堆肥进入腐熟期后,甲基暖菌属(Mythylocaldum)、卢德曼氏菌属(Luedemannella)、高温多孢菌属(Thermopolyspora)和高温单孢菌属(Thermomonospora)等是优势菌属。对于真菌属来说,节担菌属(Wallemia)和毛孢子属(Trichosporon)在堆肥前期占据优势,而堆肥腐熟期的优势真菌属为未分类的子囊菌门(Unclassified Ascomycota)以及鬼伞属(Coprinus)。
  (5)微生物群落结构组成与理化及生物指标之间的相关关系分析结果表明,细菌中高温单孢菌属(Thermomonospora)和高温多孢菌属(Thermopolyspora)的相对丰度与全氮、硝态氮和种子发芽指数呈显著正相关(p<0.05),与含水率、全碳、C/N和铵态氮呈显著负相关(p<0.05)。真菌中鬼伞属(Coprinus)的相对丰度与全氮、硝态氮和种子发芽指数呈显著正相关(p<0.05),与含水率、全碳、C/N和铵态氮呈显著负相关(p<0.05)。
[硕士论文] 张子豪
农业机械化工程 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:我国畜禽养殖业在高速发展的同时,产生的大量畜禽粪便也对环境和我国的可持续发展带来了威胁。本文采用热解炭化的方式处理牛粪与猪粪,探究其热解生物炭的肥料化利用特性,以期在解决环境污染的同时,实现畜禽粪便的资源化利用。为了探究热解温度对畜禽粪便热解得到生物炭理化特性、养分特性和孔隙特性的影响,同时考虑到添加秸秆能够改善畜禽粪便热解过程物料流动性、强化其传热传质效果,而混合热解对生物炭特性的机理影响需要深入进行研究。本课题组拟采用玉米芯秸秆为调理料与畜禽粪便进行混合热解炭化,旨在为畜禽粪便的肥料化利用提供试验依据与参考,本文的主要研究内容及结果如下:
  (1)原料的基本特性(元素分析、组分分析)是影响热解生物炭的重要因素。玉米芯秸秆较牛粪与猪粪具有较高含量的纤维素和半纤维素,而低温热解过程中主要是纤维素和半纤维素的分解。畜禽粪便与植物类生物质相比C含量低而O含量相对较高,这是导致畜禽粪便和植物类生物质的低位发热量较低的主要原因。
  (2)热解条件对畜禽粪便与秸秆混合生物炭的基本特性(炭产率、pH、工业分析)的影响表现为:热解温度为200℃时,畜禽粪便与秸秆混合物热解反应不明显,超过200℃时,随着热解温度的升高,生物质热解反应加剧,炭产率下降,pH升高。玉米芯秸秆的添加有助于调节畜禽粪便与秸秆混合热解生物炭的高碱性pH。玉米芯秸秆相对牛粪与猪粪含有更多的挥发分和更少的灰分,热解过程中,生物炭挥发分减少,灰分增加,同时得到的固定碳含量增加。
  (3)畜禽粪便与秸秆混合生物炭的养分特性分析结果表明,热解温度的升高会导致生物炭中全P、全K含量的升高以及Mg、Ca、Na和Fe等矿质元素、Cu和Zn等重金属元素的富集,而全N损失加剧。猪粪与秸秆混合热解生物炭较牛粪与秸秆混合热解生物炭具有更好的养分特性,适宜利用其养分特性施用于土壤。其中,热解温度为300℃、秸秆添加量为20%的猪粪与玉米芯秸秆混合生物炭养分特性表现最好,并且符合相关有机肥料标准,适宜作为有机肥料施用于土壤。
  (4)畜禽粪便与秸秆混合生物炭的孔隙特性分析结果表明,牛粪与秸秆生物炭、猪粪与秸秆生物炭分别在热解温度为400℃、500℃时,生物炭的总孔隙率、比表面积和总孔容积等孔隙特性表现最好,牛粪与秸秆生物炭较猪粪与秸秆生物炭具有更好的孔隙特性,适宜利用其孔隙特性施用于土壤。牛粪与秸秆混合生物炭对水中氨氮及硝酸盐吸附与生物炭的比表面积呈正向相关关系。添加牛粪与秸秆生物炭到土壤中有助于增加土壤对氨氮的吸收。添加不同质量分数的牛粪与秸秆生物炭(热解温度为400℃,添加秸秆量为20%)对有机基质土中氨氮及硝酸盐的保固试验表明:添加质量分数为2%的生物炭能够降低有机基质土中56.32%的氨氮损失,添加质量分数为10%的生物炭能够降低有机基质土中33.91%的硝酸盐损失。
  综合试验研究结果,猪粪与秸秆生物炭适宜利用其养分特性,可选择热解温度为300℃、秸秆添加量为20%的猪粪与玉米芯秸秆混合生物炭作为有机肥施用于土壤;热解温度为500℃,添加秸秆量为20%的猪粪与玉米芯秸秆混合生物炭可考虑作为磷肥施用于土壤。牛粪与玉米芯秸秆混合生物炭适宜利用其孔隙特性,可考虑将热解温度为400℃,秸秆添加量为20%的牛粪与秸秆生物炭作为土壤添加剂或土壤改良剂施用于土壤。秸秆的添加能有助于畜禽粪便的脱水预处理,对热解过程的传热传质及对热解设备的结渣等实际生产都有良性作用,应该根据实际生产要求、施用土壤类型及生物炭目标用途等选择添加秸秆量。
[硕士论文] 李发
农业资源利用 东北农业大学 2018(学位年度)
摘要:集约化养殖业中大量添加剂被添加到家禽饲料中,由于添加剂中重金属含量较高,使得粪便和有机肥含量超标严重,大量施用后会对土壤和种植的作物产生毒害。作物中有害金属元素超过一定浓度时,严重影响人体健康。本文通过调查分析黄淮海不同省市有机肥重金属含量特征,探讨其潜在环境风险;通过大田试验,研究施用有机肥对土壤重金属(全量和有效态含量)、肥力(氮、磷、钾和有机质含量)以及蔬菜体内重金属富集特征与品质影响,主要结果如下:
  (1)通过调查120种来自黄淮海地区的鸡粪有机肥样品,并测定分析有机肥中As、Pb、Cd、Zn和Cu含量、形态分布以及浸提毒性。结果表明,有机肥中重金属含量差异较大,表现为Cd<As<Pb<Cu<Zn,与有机肥行业规定的标准相比,Pb、As、Cd存在超标现象,分别为14.28%、47.05%和6.7%,不同省市间重金属含量特征差异明显。有机肥中Zn、Cd主要以铁锰结合态存在,分别占43.79%和37.3%,而Pb的残渣态、Cu的有机结合态,As的交换态比例较高。有机肥中TCLP-As、-Pb、-Cd、-Cu和-Zn含量分别为0.21、1.25、0.07、3.33和41.11mg·kg-1,有机肥中Pb和Zn含量超标数为5和6个,以河北省和江苏省为主。有机肥中As、Cd、Cu和Zn总量与TCLP(toxicity characteristic leaching procedure)提取的含量存在相关性显著(P<0.05)。按鸡粪有机肥年施肥量15t·hm-2推算,其安全使用年限长短为北京<河北<山东=江苏=安徽<天津<河南。
  (2)通过大田实验,施加不同梯度的两种鸡粪有机肥(L1和L2)后,土壤中全氮含量为1.79~3.81g·kg-1,碱解氮含量为132.37~283.40mg·kg-1,全磷含量为2.21-4.76mg·kg-1,有效磷含量为162.23-583.25mg·kg-1,全钾含量为24.73-27.66g·kg-1。土壤中有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷含量随施肥量增加而增加。分析发现施肥量与全氮、有效磷和碱解氮表现为显著正相关性(P<0.05),施用量与全磷、有效磷和有机质表现为正相关性。施肥可提高土壤肥力,改善土壤理化性状。
  (3)通过大田实验,施加不同梯度的两种鸡粪有机肥(L1和L2),小白菜鲜重随施肥量增加呈现出先增加后降低趋势,在T1处理时蔬菜鲜重最高,分别为74.62和55.05g,而在T8处理时鲜重含量达到最低分别为31.78和26.01g;可溶性糖随有机肥施用量的增加而增加,分别比对照高增加11.00%-73.20%和20.99%-144.32%。施肥后,小白菜体内重金属Zn、Cu、Cd和As的含量随有机肥施用量增加而提高,在T8处理时达到最高。小白菜中Zn含量最高为94.28和99.67mg·kg-1,Cu含量最高为21.82和18.21mg·kg-1,Cd含量最高为1.068和0.938mg·kg-1,As含量最高为0.055和0.059mg·kg-1。土壤中重金属Zn、Cd、As含量随有机肥施用量增加而提高,在T8处理时重金属Zn、Cd和As含量最高。土壤中Zn最高含量为265.54和245.51mg·kg-1,Cd最高含量为2.93和2.87mg·kg-1,As最高含量为33.70和40.29mg·kg-1。通过TCLP提取土壤中重金属含量发现,随施肥量的增加,TCLP-Zn、-Cu、-As随施肥量增加而显著增加,而-Cd、-Pb随施肥量的增加而显著降低。根据国家蔬菜重金属安全研究标准(GB18406.1-2001),小白菜中重金属Cd、Pb全部超标。根据GB15618-1995《土壤环境质量标准》,土壤中重金属Cd含量全部超过土壤评价三级标;而As含量在有机肥L1的T8处理下超过三级标准,有机肥L2在T4和T8处理下超过土壤评价三级标准。
[硕士论文] 周书玉
森林培育 四川农业大学 2018(学位年度)
摘要:凋落物的分解是陆地生态系统养分和碳循环的重要组成部分,影响着森林生产力和温室气体的排放。青花椒(Zanthoxylum armatum)作为精准扶贫的主要树种之一,被大力推广发展,具有重大的生态价值、经济价值和社会价值。然而随着青花椒种植规模的不断扩大,采收剩余物的数量日益增加,但目前采收剩余物的主要处理方式为被焚烧或就地丢弃,从而造成环境污染和资源浪费。与焚烧相比,堆肥化处理不仅可使青花椒采收剩余物作为有机肥还地改土,又可实现养分循环利用,是适合剩余物可持续发展的处置方式。为揭示堆肥处理对青花椒采收剩余物分解和养分释放的影响方式和作用机制,为加快剩余物的分解和养分释放提供理论基础和数据支撑。因此,本研究以青花椒采收剩余物为研究对象,通过堆肥处理,研究了青花椒采收剩余物分解和养分释放对堆肥的响应。
  在堆肥试验中,研究不同菌剂类型(包括:未添加菌剂对照(CK)、有机物料发酵剂(YJ)、种植EM菌液(ZZ)、植物与发酵EM菌(ZW))和C/N比(包括:20、25、30和35)对青花椒采收剩余物分解及养分释放的影响。结果表明:
  (1)堆肥试验中,青花椒采收剩余物叶分解最快,剩余物枝分解较慢,剩余物刺分解最慢。经过180d的分解,剩余物叶的质量残留率在40.42%~65.2%,剩余物枝的质量残留率在70.8%~79.84%,剩余物刺的质量残留率在82.7%~93.3%。
  (2)添加菌剂显著促进剩余物的分解,特别是剩余物叶,其中种植EM菌液(ZZ)效果最佳,植物与发酵EM菌(ZW)效果次之,有机物料发酵剂(YJ)效果最差。合适的C/N比有利于剩余物的分解,在相同菌剂处理不同C/N比条件下,C/N为25时,剩余物叶、枝、刺的质量残留率最低,分解95%的时间最短,C/N20、C/N30、C/N35的质量残留率依次递增,分解95%的时间越来越长。
  (3)添加微生物菌剂能提高剩余物养分含量,其中种植EM菌液(ZZ)效果最佳,植物与发酵EM菌(ZW)效果次之,有机物料发酵剂(YJ)效果最差。大体上看,添加微生物菌剂处理的养分残留率小于CK,表明微生物菌剂促进了养分元素的释放。剩余物的养分残留率均随时间变化显著,微生物菌剂和C/N比均显著影响了养分元素的释放。通过调节C/N所得到的剩余物总养分残留率表现为C/N35>C/N30>C/N20>C/N25。
  (4)堆肥试验中,处理10(种植EM菌液+C/N25)的剩余物分解最快,养分含量最高,促进养分释放最显著。剩余物叶分解50%和95%所需时间为0.49a和2.12a,剩余物枝分解50%和95%所需时间为1.15a和4.98a,剩余物刺分解50%和95%所需时间为2.03a和8.76a。
  综上所述,适宜的菌剂类型和外源氮素添加量对促进青花椒采收剩余物分解和养分释放具有重要作用,同时也是增加剩余物养分含量的关键。
[硕士论文] 刘平东
植物营养学 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:秸秆还田过程中养分的释放、秸秆自身对养分的吸持及秸秆还田对土壤养分转化的影响对于提高土壤养分的有效性起着重要的作用。本研究通过田间试验和室内模拟试验相结合,从以下3方面展开研究:(1)通过田间试验研究覆盖还田条件下油菜全生育期内稻草腐解和养分释放特征;(2)采集长期定位试验土壤进行室内培养试验,分析添加不同C/N比秸秆对长期秸秆还田土壤矿质氮含量的影响;(3)以水稻秸秆和油菜秸秆为研究对象,通过室内模拟试验研究秸秆对外源铵态氮的吸附特征与机理。研究结果为秸秆还田氮素合理运筹提供理论依据。主要研究结果如下:
  1.油菜季稻草覆盖还田试验表明,在油菜季生长期内,稻草腐解末期至油菜收获时(157~228d)平均速率是其还田开始阶段(0~157d)腐解速率的3倍。降雨量和>0℃积温是制约前期秸秆腐解的关键因子,后期降雨量(150天左右突增)和>0℃积温(180天左右大幅增加)促进秸秆腐解快速进行。秸秆养分累计释放率表现为K>N>P。秸秆钾的释放最为明显,而秸秆氮和磷含量的变化不明显,秸秆腐解前期的氮、磷释放率存在负值,说明秸秆腐解前期出现吸附氮、磷的现象。
  2.添加不同C/N秸秆的土壤培养试验结果表明,添加尿素和秸秆处理的土壤铵态氮、硝态氮和矿质氮含量均显著提高,整体表现为:添加尿素培养(Urea)>添加C/N24秸秆(Straw C/N24)>添加C/N36秸秆(Straw C/N36)>添加C/N55秸秆(Straw C/N55)>对照(Control)。不灭菌处理在第50天土壤铵态氮明显下降。在培养结束(第130天)时,长期秸秆还田处理土壤(NPKS)硝态氮和矿质氮含量均明显高于长期秸秆不还田处理(NPK)。其中不灭菌条件,NPKS组各处理矿质氮较NPK处理增幅为2.57%~9.93%;灭菌条件下NPKS组各处理矿质氮较NPK处理增幅为15.76%~34.44%。
  3.秸秆静态吸附影响因素结果表明:在本试验范围内,提高溶液初始浓度,适当增加环境温度,溶液在中性或碱性环境,增加吸附时间和接触面积,均有利于提高秸秆吸附量。秸秆吸附铵态氮试验的推荐条件为:秸秆用量为0.25g,温度介于25~40℃,较高的初始浓度,pH介于7~9之间,吸附时间4h,完全接触状态。
  4.秸秆静态吸附动力学试验通过SEM和FTIR分析,与油菜秸秆相比,水稻秸秆乳突较多,比表面积较大,且其孔隙更明显,秸秆吸附铵态氮后出现官能团的振动形式,产生新结构,吸附过程包含物理吸附和化学吸附两种吸附作用。不同浓度下的吸附动力学结果表明,4mg/L,12mg/L,20mg/L油菜秸秆的平衡吸附量依次为0.33mg/g、0.61mg/g、0.79mg/g,水稻秸秆的平衡吸附量依次为0.39mg/g、1.29mg/g、2.49mg/g。采用准一级、准二级、Elovich和颗粒内扩散四种方程描述油菜和水稻秸秆对铵态氮吸附的动力学特征,发现准一级动力学模型R2较高且与实际吸附量较吻合,所以准一级动力学模型是最佳模型。
  5.在秸秆静态吸附热力学试验中,不同温度下的吸附等温线表明,升温促进吸附,278K,298K,313K油菜秸秆的平衡吸附量依次为0.11mg/g、0.20mg/g、0.25mg/g,水稻秸秆的平衡吸附量依次为0.23mg/g、0.26mg/g、0.32mg/g。应用Langmuir吸附等温方程式能较好地描述水稻秸秆(R2:0.95~0.97)和油菜秸秆(R2:0.69~0.90)不同温度下吸附铵态氮的规律,水稻秸秆的Langmuir和Freundlich吸附等温式模型效果优于油菜秸秆的模拟效果。吸附热力学方程计算结果表明,秸秆吸附铵态氮的等温吸附过程,焓变(△H)>0、熵变(△S)>0、自由能(△G)<0,是吸热熵增的自发过程,吸附方式主要是以物理吸附为主。
  6.秸秆动态吸附试验结果表明:增大铵态氮初始溶液的浓度或增大体系溶液的流速,能缩短秸秆吸附到达平衡的时间,提高秸秆吸附量。在相同条件下,水稻秸秆对铵态氮的吸附能力高于油菜秸秆。在本试验中,流速为5ml/min,铵态氮浓度为16mg/L,此时,油菜和水稻秸秆对铵态氮的吸附率分别为57.3%和88.6%。
[硕士论文] 张高升
市政工程 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:随着我国城镇污泥产量的不断增加和处理处置要求的提高,发展多元化的处理处置方法解决污泥处理处置的困境迫在眉睫。蚯蚓堆肥(vermicomposting)由于其环境友好、安全可持续的特点有望为当前的污泥处理提供一个新出路。城镇污泥蚯蚓堆肥仍属于好氧堆肥范畴,污泥复氧能力是制约其堆肥效率的一个重要因素。城镇污泥粒径大小不同,其比表面积不同,与氧接触的面积不同,降解效率也有所差异。本研究将城镇污泥制成5mm和14.5 mm的颗粒,加入蚯蚓后考察:1)两种粒径污泥中有机质(OM)、含水率、电导率(EC)、pH、NH4+、NO3-、溶解性有机碳(DOC)、微生物碳量(MBC)八种理化指标以及傅里叶红外光谱、三维荧光光谱两种光谱特性随时间的变化;2)两种粒径污泥中脱氢酶(DHA)、FDA酶、蔗糖酶、纤维素酶、脂肪酶、脲酶、蛋白酶七种酶活性随时间的变化;3)两种粒径污泥中16s rDNA和18srDNA两种微生物群落随时间的变化;4)不同污泥复氧能力对蚯蚓堆肥过程中物质、酶活性和微生物群落三者之间关系的影响。主要结论如下:
  (1)城镇污泥粒径对蚯蚓堆肥理化指标有显著影响,主成分分析表明减小粒径在蚯蚓堆肥前期能够加速有机碳矿化、在中后期通过加速氨化和提前硝化进程加速了有机氮矿化,且在中期加速了难利用有机质的分解。傅里叶红外光谱结果表明,减小污泥粒径有助于对于纤维素、半纤维素等的降解,同时蚯蚓处理城镇污泥过程可能并不是以有机质的芳香化为根本稳定手段。三维荧光光谱的结果说明了蛋白质类有机氮的矿化发生在堆肥后期,蚯蚓堆肥过程并不是通过将有机质腐殖化来稳定污泥,而是将相对难降解的物质进一步分解,减小污泥粒径有助于加强这一过程。
  (2)酶活性变化表明减小污泥粒径对微生物利用蔗糖、脂类等易利用有机碳源促进作用有限,但是对纤维素这样的难利用有机碳源有明显的促进作用。减小粒径促进污泥中有机氮的矿化不是通过蛋白酶实现的,而是通过促进脱氨基作用和通过脲酶促进尿素分解实现的。主成分分析也表明减小粒径在0~10天稍稍加速了易利用有机碳的利用、在10~30天大大加速纤维素等难利用有机碳的利用以及在30天后极大加速了脱氨基和硝化作用。
  (3)蚯蚓堆肥过程中始终保持优势地位的16s rDNA菌门是变形菌门、拟杆菌门、放线菌门、绿菌门和绿弯菌门,减小粒径能够减少优势菌门的种类。此外,减小污泥粒径能够提高对纤维素具有分解能力的16s rDNA的菌门占比(87.39%提高至92.54%),也有利于降低堆肥中厌氧菌的占比。蚯蚓堆肥过程中始终保持优势地位的18s rDNA菌门只有子囊菌门,但在堆肥开始与结束时均为优势菌门的还有担子菌门和前毛壶菌门,接合菌门很快取代纤毛虫门成为堆肥过程中占绝对主导地位的优势菌门。蚯蚓、纤毛虫门和领鞭毛虫门这两种优势原生动物、接合菌门之间存在捕食关系,减小粒径通过加速蚯蚓对原生动物的捕食为接合菌门的大量繁殖创造了条件。此外,由于易利用碳源的减少,堆肥结束时,两处理组中子囊菌门、担子菌门、接合菌门这三种能够利用难利用碳源的菌门之和均较堆肥初期有巨大增长,增幅超过60%,且两处理组之间没有太大差异。
  (4)堆肥过程物质与酶活性相关性结果表明,小粒径处理组中纤维素的降解对有机质降解的贡献要高于大粒径处理组。蚯蚓堆肥过程中从蛋白质大分子有机氮到氨基酸等小分子有机氮再到NH4+这两个过程不是同时期发生的,但是从尿素到NH4+的过程则是从堆肥开始就在进行,硝化作用的发生则需要等待有机质降解到一定程度后才能发生,减小污泥粒径有助于加速硝化进程。堆肥过程微生物群落与酶活性相关性结果表明,蚯蚓堆肥过程中与蔗糖酶分泌有关的菌门有Saccharibacteria,与纤维素酶分泌有关的菌门有Choanoflagellida、Cryptomycota,与脂肪酶分泌有关的菌门有Saccharibacteria、Proteobacteria、Firmicutes、Choanoflagellida、Ciliophora,与脲酶分泌有关的菌门有Saccharibacteria、Firmicutes、Actinobacteria、Choanoflagellida,与蛋白酶分泌有关的菌门有Zygomycota,相关性均在0.5以上。其余优势菌门在蚯蚓堆肥中的具体功能还需要进一步研究。堆肥前30天主要是脂肪酶等、蔗糖酶等、尿酶等、蛋白酶等在发挥作用,使污泥中易利用物质被快速降解,并在系统中积累NH4+和氨基酸;30天后脱氨基作用和硝化作用占据主导地位。小粒径处理组在前30天加速了有机碳的利用,以及在前20天加速尿素的分解为NH4+,为其在20天后就开始硝化进程提供了条件,在30天后加速脱氨基作用也进一步提供了大量硝化底物——NH4+,从而硝化强度明显高于大粒径处理组。
[硕士论文] 王静
微生物学 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:生物碳(Biochar)是指生物质原料(木材、作物秸秆、畜禽粪便等)在无氧或低氧的密闭环境,温度<700℃条件下,经热解而产生的富含碳的黑色物质。由于生物碳含有较多的官能团和多孔结构,使其具有吸附性和持水性。生物碳的pH值呈碱性,可用来中和酸性土壤。生物碳有机肥是指将生物碳与有机肥共同发酵制备的碳基肥,使用后可将肥料缓慢地释放到土壤中,提高肥料的利用率。生物碳有机肥的使用,可以改善土壤理化性质,增加土壤养分的含量、增加土壤中有益微生物的数量、减少土壤板结问题。
  本研究通过筛选高效降解纤维素的菌种,与其他微生物结合制成复合菌剂,添加到生物碳与畜禽粪便共同发酵的生物碳有机肥中,取得的研究结果如下:
  1.从兰州养牛场采集的牛粪中筛选出2株纤维素酶活和滤纸酶活力较高的真菌,通过对ITS序列进行DNA测序,鉴定G1菌和HE菌株分别为黄曲霉(Aspergillus flavus)和黑曲霉(Aspergillus nige)。将这2株菌与实验室保藏的解脂假丝酵母(Clipolytica)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)按照1∶1∶1∶1发酵制成微生物复合菌剂,加快生物碳有机肥的发酵的升温速度。
  2.通过扫描电镜分析,小麦秸秆生物碳、花生壳生物碳、水稻秸秆生物碳的碳元素含量分别为74.23%、69.08%和7.45%。
  3.通过添加稻草粉调节生物碳有机肥发酵时的C/N比为30,经单因素实验确定生物碳有机肥发酵的最优化条件,为含水率65%,堆肥原料采用牛粪和羊粪,选择的生物碳为小麦秸秆生物碳,菌剂添加量为10%。与对照组相比,实验组的堆肥升温速度快2-3d,发酵的时间缩短了2d,生物碳有机肥发酵完成后检测重金属Pb、Cd、As、Hg、Cr的含量,分别为11.62 mg/kg、1.21 mg/kg、9.6 mg/kg、0.54 mg/kg、39.82 mg/kg,以生物有机肥国家标准NY525-2012为参照,含水率、有机质含量、重金属含量等均符合国家标准,可作为基肥与其他肥料配施。
  4.小麦秸秆生物碳、花生壳生物碳、水稻秸秆生物碳之间存在结构、元素种类、元素含量的差异,对作物的生长也有不同的影响。通过盆栽试验,选取株高相同的小麦苗栽种30d后,添加生物碳有机肥、小麦秸秆碳、水稻秸秆碳、花生壳碳、纯土壤的的小麦株高总生长量分别为15.09cm、10.18cm、12.45cm、8.7cm、13.42cm,证明生物碳有机肥可以促进植物的生长。
[硕士论文] 马忻远
动物遗传育种与繁殖 四川农业大学 2018(学位年度)
摘要:随着中国畜牧业的快速发展,生猪养殖所产生的大量粪便也在不断对环境卫生及安全造成危害。因此,开展生猪养殖粪便污染控制和资源再利用的技术研究意义重大,而堆肥就是一种可以实现猪粪无害化处理和资源化利用的技术手段。针对传统猪粪堆肥过程中存在的氮素损失严重、堆肥肥料腐熟度低和发酵时间较长等问题,本试验探究了在堆肥基质中添加蚯蚓粪对有机质降解、氮素损失和腐熟度变化的影响,并采用16S rRNA高通量测序技术对微生物V4区段测序,进一步分析各处理微生物群落结构的变化。主要研究结果如下:
  (1)添加蚯蚓粪可以使堆体温度持续保持在50℃以上的时间增加3~4天,使堆肥达到卫生安全标准,机质降解量提高4.8%~14.0%,总氮含量增加5.2%~13.3%,并使物料中总磷和硝态氮含量提高,铵态氮含量降低,同时使堆肥具有更低的C/N和硝化指数,堆肥结束时物料GI值提高31.6%~90.5%,堆肥腐熟度提高,产生更高品质,更加安全无害的有机肥料。
  (2)Alpha分析表明添加蚯蚓粪对堆肥各阶段中微生物群落的多样性未造成显著影响,而Beta分析表明添加蚯蚓粪使堆肥中的微生物群落在高温阶段和降温阶段发生了显著改变。
  (3)试验中各处理堆肥细菌均主要分布在5个菌门中:放线菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、芽单胞菌门和变形菌门,在堆肥初始阶段和高温阶段中变形菌门都是相对丰度最高的主导菌门(30.6%~60.6%),而在降温阶段的主导菌门则为拟杆菌门(30.9%~39.9%)。添加蚯蚓粪会使堆肥高温阶段中放线菌门和芽单胞菌门的相对丰度显著增加,而变形菌门相对丰度显著减少,但对降温阶段各菌门的影响较小。
  (4)添加蚯蚓粪使高温阶段堆肥中马杜拉放线菌属(Actinomadura)、Gemm-5Unclassified、水生角质菌属(Pilimelia)、Turicibacter和Acrocarpospora的相对丰度明显增加。而添加蚯蚓粪使降温阶段堆肥中噬纤维菌科(Cytophagaceae)Unclassified、Gemm-5Unclassified、梭菌科(Clostridiaceae)Unclassified、Acrocarpospora和Turicibacter的相对丰度明显增加。
  (5)综合各种指标的变化,可以确定添加蚯蚓粪有助于改善堆肥进程,提升堆肥品质,而以物料干重为基础的添加比例在16%~32%之间较为适宜。
[硕士论文] 成利军
生态学;微生物生态学 东北农业大学 2018(学位年度)
摘要:堆肥化技术是资源化、减量化和无害化处理牛粪和秸秆的主流技术。为了克服传统堆肥生产周期长和产品质量不稳定等缺点,本文采用了一种新型的静态好氧高温堆肥技术。反硝化细菌是反硝化过程的驱动力,可导致氮素流失并造成污染环境,在堆肥过程中扮演重要角色。因此,对反硝化细菌群落开展研究有助于加深对堆肥氮循环理论的理解,并且有助于改进堆肥技术。
  本文测定堆肥过程中理化指标和生物学指标(温度、pH、含水率、总有机碳、凯氏氮、碳氮比、铵态氮含量、硝态氮含量、铵态氮与硝态氮比值以及种子发芽指数),通过高通量测序技术分析牛粪秸秆堆肥过程中反硝化细菌的群落结构和多样性变化,应用Spearman相关性热图分析堆肥中优势反硝化细菌菌属与环境因子之间的相关性。主要研究结果如下:
  (1)本研究堆肥化共持续17天,第4天进入高温期,并维持高温14天。通过综合评价pH、含水率、总有机碳(TOC)、凯氏氮(TKN)、C/N、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、NH4+-N/NO3--N比值和种子发芽指数(GI)指标,结果表明采用该新型堆肥技术处理的堆肥产品达到腐熟。
  (2)利用高通量测序技术分析了牛粪和秸秆混合堆肥过程中nirK细菌群落动态变化,结果分析表明在堆肥前期反硝化细菌群落丰富度最大,通过Alpha多样性分析表明不同时期堆肥样品反硝化细菌多样性指数存在差异,堆肥前期反硝化细菌群落多样性最高,堆肥后期较低。通过Beta多样性分析结果表明堆肥不同时期样本间反硝化细菌群落结构差异显著。
  (3)在门分类水平上对牛粪和秸秆混合堆肥中nirK型反硝化细菌群落结构组成分析,结果表明在堆肥中反硝化细菌主要为变形菌门(Proteobacteria)。Unclassified的反硝化细菌占比也比较多,表明在堆肥中存在大量未探明的反硝化细菌。在堆肥前期nirK型反硝化细菌主要是β-变形菌纲(Alphaproteobacteria),随着堆肥进程,β-变形菌纲(Betaproteobacteria)相对丰度逐渐减少,α-变形菌纲(Alphaproteobacteria)逐渐占主导位置。从目分类水平分析,优势菌属主要属于根瘤菌目(Rhizobiales)、红杆菌目(Rhodobacterales)和伯克氏菌目(B urkholderiales),其中根瘤菌目(Rhizobiales)的种类最多,但是伯克氏菌目(Burkholderiales)的相对丰度最高。在堆肥过程中,Rhizobiales相对丰度整体呈逐渐上升的趋势,在腐熟期达到最高。在初始期和升温期Burkholderiales相对丰度较大,并且是这两个时期的优势种群,随着温度的升高,其相对丰度逐渐降低,进入腐熟期后又略微上升。Rhodobacterales主要存在于堆肥初始期,随着堆体温度上升相对丰度逐渐减少,在高温期达到0.19%,在堆肥后期降低为0.01%。从属分类水平分析,堆肥中大多数优势菌属都为未探明的反硝化细菌。
  (4)Spearman相关性分析表明,除了unclassified_Alcaligenaceae和Ochrobactrum剩余10个nirK型反硝化细菌优势菌属变化与环境指标相关。Unclassified_k_norank_d_Bacteria和unclassified_o_Rhizobiales与TOC、C/N、含水率、pH呈负相关,与TKN、NO3--N、GI呈正相关,其他8个优势菌属与TOC、C/N、含水率、pH呈正相关,与TKN、NO3--N、GI呈负相关。Unclassified_o_Rhizobiales与NH4+-N之间呈极显著负相关(p<0.001),unclassified_p_Proteobacteria与NH4+-N之间呈极显著正相关(p<0.001),Pusillimonas与NH4+-N之间呈极显著正相关(p<0.001),Paracoccus与NH4+-N之间呈显著正相关(p<0.05)。所有优势菌属与温度不相关。
[博士论文] 肖阳
农业经济管理 中国农业科学院 2018(学位年度)
摘要:化肥对粮食生产的影响举足轻重,而现阶段我国化肥不合理的施用和农业绿色发展之间的矛盾越来越突出,具体表现在:(1)化肥施用总量和施用强度居高不下,而单位化肥粮食的产出却逐年下降,粮食增产越来越依赖于化肥的增施;(2)肥料整体施用结构不合理,尤其是有机肥施用量低,农村有机养分物质(粪污、秸秆)肥料化利用率偏低;(3)失衡的施肥结构和不合理的施肥方式造成化肥利用率较低,生产成本上升,过量施用的化肥给水体、大气和土壤带来严重污染,最终导致农产品品质下降,影响人体健康。因此,探索现阶段农业生产过程中化肥施用的减量增效,对推进农业绿色发展、实施乡村振兴战略具有重要的现实意义。
  本文以粮食生产的农户用肥为研究对象,利用第一手抽样调查数据,在环境经济学、生态经济学基本理论指导下,从微观层面探讨我国现阶段施肥的合理机制,论文的主要内容和结论如下:
  一、农户化肥施用技术效率研究。基于随机前沿分析和生产技术效率,推导和测算化肥的技术效率,并利用Tobit模型研究其影响因素。结果表明农户生产玉米的化肥平均技术效率仅为0.5541。农户户主教育水平、参加施肥技术培训、玉米种植面积和施用有机肥对化肥施用技术效率有显著正向影响,而家庭劳动力非农转移和土地细碎化程度对其有显著负向影响。
  二、农户合理施肥行为的影响研究。利用结构方程模型分析农户施肥行为的影响因素,结果表明农户的化肥过量负面认识对有机肥施用效果认知有显著直接影响、对有机肥的施用行为有显著间接影响,提高施肥技能和有机肥施用效果认知对农家肥和商品有机肥的施用行为有显著正向影响,提高农户对农业生态环境保护政策的理解力有利于促进其化肥的合理施用。
  三、农户参加施肥技术培训的化肥减量效应研究。采用倾向得分匹配法实证分析,结果表明农户参加施肥技术培训可显著减少小麦和玉米化肥用量平均分别为1.865公斤/亩和4.365公斤/亩、降低施肥强度分别为6.83%和16.36%。
  四、沼肥替代部分化肥的效果研究。结果表明:(1)施用沼肥可显著降低小麦、玉米的化肥施用强度;(2)小麦产量在不同沼肥水平间差异显著,玉米产量在不同沼肥水平间差异不显著,施用沼肥对粮食产量有一定促进作用;(3)沼肥用量和土壤肥力改善两者显著相关,在当前农户沼肥施用范围内,沼肥用量越大,土壤肥力改善效果越明显。
  五、规模化养殖场畜禽粪便肥料化利用整体效果研究。典型案例法分析结果表明畜禽粪便肥料化利用可降低小麦、玉米和蔬菜的施肥强度分别为45.32%、49.62%、65.05%,减少CO2和COD排放分别为254吨和1899吨,农产品品质优良增收为102.73万元,农户节省燃料费73.8万元。
  基于以上研究,本文提出主要政策建议如下:有效利用当地资源,提高农业废弃物肥料化利用率;扭转农业废弃物处理思维模式,注重高盈利产业拉动;充分发挥农技推广体系应有的作用,及时宣传化肥过量的危害和有机肥的施用效果;结合作物种类,根据测土数据做出精准施肥配方;创新有机肥施用效果的宣传方式;加强农业有机肥施肥的社会化服务,克服农村劳动力短缺的瓶颈;发挥新型经营主体的示范带动作用,引领农户就地就近利用有机肥养分。搭建政府与企业协同运作平台,开拓销路市场,通过各种渠道,提高农民的有机农产品收入。
[硕士论文] 苑晓辰
农业机械化工程 华中农业大学 2018(学位年度)
摘要:生物炭基肥实质上是利用特定的方法将生物炭与普通肥料通过一定比例混合而成的颗粒状具有缓/控释性能的肥料。相较于普通肥料,生物炭基肥具有改善土壤环境、提高养分利用率的优点,但传统的生物炭基肥由于其强度不足,运输中损失严重,并且对于农作物生长周期的肥效需求依旧存在养分释放过快的问题。因此,可考虑对其进行包膜以达到增强颗粒强度、提高养分利用率的目的。基于此,本文在之前学者的研究基础上筛选出了新型包膜材料,得到了膜材料组分最佳配比及最优成膜工艺,并对包膜材料进行养分渗透性测试;然后研究了生物炭基肥包膜工艺,得到最佳包膜工艺参数;最后进行未包膜生物炭基肥和包膜生物炭基肥养分释放特性及吸湿特性的对比试验,主要工作以及结论如下:
  (1)生物炭基肥包膜材料配比研究。筛选出成膜材料、交联剂、增塑剂、乳化剂分别为乙基纤维素、戊二醛、邻苯二甲酸二乙酯、吐温-80。以成膜材料用量、交联剂用量、增塑剂用量、乳化剂用量为考察因素,以膜材料的抗拉强度、断裂伸长率、吸水率、损失率为评价指标,进行单因素试验和正交试验。最终得到最优配方为:乙基纤维素用量为5%、邻苯二甲酸二乙酯用量为0.6%、戊二醛用量为1.2%、吐温80用量为0.4%。该试验条件下制备的膜的综合性能最佳,抗拉强度为16.72MPa,断裂伸长率为3.35%,吸水率为8.96%,损失率为6.35%。
  (2)生物炭基肥包膜材料成膜工艺研究。研究交联时间、交联温度、pH、烘干时间、烘干温度、烘干量对膜材料物理机械性能的影响,设计单因素和正交试验。正交试验结果表明,最优的成膜工艺为:交联时间为3h,交联温度为50℃,pH为5,烘干时间为8h,烘干温度为50℃,烘干量为25g。在此试验条件下做了3次验证试验,结果显示膜的抗拉强度为13.81MPa,断裂伸长率为2.26%,吸水率为6.91%,损失率为4.67%。包膜材料养分渗透性测试结果表明:第28天时生物炭基肥累计养分透过率为60.27%,当生物炭基肥累计养分透过率达到80%时需要的时间为88天。
  (3)生物炭基肥包膜工艺研究。在包膜材料配比和成膜工艺试验结果的基础上,分别从单因素和正交试验探索包膜生物炭基肥包膜工艺。正交试验直观分析结果显示,包膜生物炭基肥包膜工艺最优方案为:喷液速度为0.5mL/min,包膜温度为65℃,烘干温度为65℃,喷液次数为3次。正交试验方差分析结果表明:因素喷液次数对初期养分溶出率和颗粒强度均影响极显著(P<0.01),因素喷液速度只对颗粒强度影响显著(P<0.05),喷液速度和烘干温度的交互作用对初期养分溶出率影响显著(P<0.05)。且方差分析与直观分析结果相同,保证了最优工艺方案的准确性。
  (4)包膜对生物炭基肥特性影响研究。为进一步研究包膜与未包膜的生物炭基肥特性的差异,设计并进行了养分淋溶试验和吸湿性测试。养分淋溶试验显示:包膜生物炭基肥相比未包膜生物炭基肥的初期养分释放率降低9.62%,30天养分累计释放率降低20.84%。包膜生物炭基肥淋溶至60天其养分累计释放率为70.46%,而未包膜生物炭基肥在淋溶至30天养分累计释放率已经达到89.17%。t检验结果表明:在养分释放期内包膜生物炭基肥的养分累计释放率较未包膜生物炭基肥的养分累计释放率有显著减小,包膜生物炭基肥具有较好的控释效果。吸湿性的测试结果表明:包膜生物炭基肥相较于未包膜的生物炭基肥吸湿速度更慢;包膜后的生物炭基肥比未包膜的生物炭基肥最快的吸湿速率时长减少了3天,且最大的吸湿率差值在第21天达到7.59%。膜材料能够有效阻隔空气中的水蒸气进入生物炭基肥内部,减少肥料价值的损失,延长其保存期。
[硕士论文] 陈静
土壤学 四川农业大学 2018(学位年度)
摘要:畜禽粪便在农业生态系统中的不合理施用易导致土壤中磷的大量积累,土壤中过量的磷通过渗漏或径流等方式向水体迁移,增加水体富营养化风险,利用磷富集植物提取土壤中过量的磷是一种有效的防治措施。本研究通过土培试验,以前期研究筛选出的磷富集植物矿山生态型粗齿冷水花为研究对象,非矿山生态型为对照,探讨猪粪和鸡粪处理下粗齿冷水花对土壤中磷的积累变化特征,主要研究结果如下:
  1、猪粪处理下粗齿冷水花地上部生物量、磷积累量均高于鸡粪处理,分别是鸡粪处理的1.14~1.33倍和1.19~1.49倍,粗齿冷水花对施用猪粪土壤中磷的积累能力更强。随猪粪和鸡粪施用量的增加,两种生态型粗齿冷水花地上部生物量、磷积累量均呈先升高后降低的趋势,在猪粪和鸡粪用量为50g kg-1时最大,矿山生态型地上部磷积累量是非矿山生态型的1.10~1.39倍。施用猪粪和鸡粪后,两种生态型粗齿冷水花体内的磷主要积累在地上部,矿山和非矿山生态型茎、叶磷的分配比例分别在83%和80%以上。猪粪和鸡粪处理下,两种生态型粗齿冷水花根和叶中的磷主要以无机态磷和核酸态磷的形式存在。猪粪处理下,矿山生态型粗齿冷水花叶和根的核酸态磷含量显著高于鸡粪处理,分别是鸡粪处理的1.08~1.16倍和1.18~1.50倍,同时,矿山生态型叶的酯磷含量和根的无机磷含量均高于非矿山生态型。鸡粪处理下,矿山生态型根的酯磷、核酸态磷和残渣态磷含量高于非矿山生态型。矿山生态型体内更多的酯磷和核酸态磷能够维持植物较强的代谢活力,积累更多的磷。
  2、适宜用量猪粪处理下,两种生态型粗齿冷水花地上部和地下部生物量、磷积累量在11周后显著高于鸡粪处理。适宜用量猪粪和鸡粪处理下,两种生态型粗齿冷水花生物量和磷积累量均随生长时期的延长逐渐增加,矿山生态型地上部磷积累量最高分别可达283.07mg plant-1和243.20mg plant-1,是非矿山生态型的1.16倍和1.33倍。两种生态型粗齿冷水花地上部阶段性磷积累量均在7-9周最高,9-11周次之,矿山和非矿山生态型粗齿冷水花在7-11周的阶段性磷积累量分别占磷积累总量的72%~92%和77%~86%。适宜用量猪粪和鸡粪处理下,两种生态型粗齿冷水花地上部磷积累速率均在11周时最高,且矿山生态型高于非矿山生态型。随生长时期的延长,粗齿冷水花地上部磷提取率和磷移除量逐渐升高,植株有效数逐渐降低。相较于鸡粪处理,猪粪处理下粗齿冷水花地上部磷提取率和移除量均较高,植株有效数较低,粗齿冷水花对猪粪处理土壤中磷的提取能力更强。矿山生态型地上部磷提取率和磷移除量高于非矿山生态型,植株有效数低于非矿山生态型,具有更强的磷提取能力。
  3、适宜用量猪粪和鸡粪处理下,粗齿冷水花叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量均随生长时期的延长逐渐降低至11周,降低幅度分别为6%~47%、7%~39%和3%~36%,矿山生态型光合色素含量高于非矿山生态型。猪粪处理下两种生态型粗齿冷水花光合色素含量和光合参数与鸡粪处理相比均无显著差异,畜禽粪便种类对粗齿冷水花光合作用影响较小。适宜用量猪粪和鸡粪处理下,随生长时期的延长,粗齿冷水花净光合速率、气孔导度、蒸腾速率分别降低9%~43%、34%~74%和10%~70%,胞间CO2浓度呈先升高后降低的趋势,其对有机物质的合成能力逐渐降低。矿山生态型净光合速率、气孔导度、蒸腾速率高于非矿山生态型,胞间CO2浓度低于非矿山生态型,光合作用更强。
  4、施用猪粪和鸡粪显著提高了粗齿冷水花根际和非根际土壤各组分磷含量。猪粪和鸡粪处理下,粗齿冷水花根际土壤H2O-Pi、NaHCO3-P含量高于非根际土壤,H2O-Po、NaOH-Pi含量低于非根际土壤。猪粪处理下,粗齿冷水花根际土壤NaHCO3-P和HCl-P含量均显著高于鸡粪处理,分别是鸡粪处理的1.11~1.96倍和1.47~4.80倍。矿山生态型根际H2O-Pi、NaOH-Pi含量低于非矿山生态型,磷吸收利用能力更强。施用猪粪后,粗齿冷水花根际和非根际土壤酸性磷酸酶、碱性磷酸酶和植酸酶活性均高于鸡粪处理。猪粪和鸡粪处理下,两种生态型粗齿冷水花根际土壤pH、酸性磷酸酶活性、碱性磷酸酶活性、植酸酶活性均高于非根际土壤。猪粪处理下,矿山生态型根际植酸酶活性显著高于非矿山生态型,在鸡粪处理下,其根际酸性磷酸酶活性更高。矿山生态型根际更高的磷酸酶活性提高了土壤中磷的有效性,促进了植物对磷的吸收积累。
[硕士论文] 黄荣焱
养殖 四川农业大学 2018(学位年度)
摘要:蚯蚓堆肥是低碳环保的畜禽粪污处理和资源化利用技术。目前,蚯蚓堆肥多数情况下在露天环境中进行,而这种露天堆肥对环境造成的影响尚不清楚。因此,本研究以猪粪、牛粪、污泥和“大平二号”蚯蚓为主要堆肥材料,在人工模拟降雨条件下,研究不同堆肥方式的基料表面径流水和堆体下不同深度土壤中重要元素的含量变化,为评估露天堆肥对水土环境的影响提供理论依据。
  根据四川省统计年鉴中近5年的降雨量及分布特点,将模拟降雨量分别设为小雨(7mm)、中雨(20mm)和大雨(40mm)。试验分别设置猪粪、猪粪+蚯蚓、猪蚓粪、牛粪、牛粪+蚯蚓、牛蚓粪、污泥、污泥+蚯蚓、污蚓粪9个处理,试验周期为4周,每周星期二、四、六进行降雨,每次降雨后收集表面径流水,并待4周降雨完成后,收集表面基料和土壤样品,考察表面径流水、基料和土壤样品中各元素的含量及变化。结果表明:
  1、表面径流水中N和P含量会随着降雨量增大而增加,而Cu和Zn含量则随着降雨量增大而降低。在相同雨量情况下,各基料表面径流水中重要元素含量与原始基料含量呈正相关。
  2、在第一次降雨时,表面径流水中的N、P、Cu和Zn含量最高,随后逐渐减少。其中,第一次和第二次降雨后表面径流水中N含量最高可达52.5mg/L,含量严重超标(GB8978-1996二级标准25mg/L),第三次降雨后最高为7.56mg/L,低于GB一级标准(15mg/L);表面径流水中P含量在前六次降雨后最高可达26.29mg/L,远远超过GB二级标准(1mg/L),而第七次降雨后最高只有0.49mg/L,符合一级排放标准(0.5mg/L);表面径流水中收集的Cu含量最高为0.02mg/L、Zn含量最高为0.11mg/L,均达到GB一级标准(0.5mg/L和2mg/L)。单次降雨产生的Cu、Zn含量不会对水体环境造成影响。
  3、基料中各元素的损失量随着降雨次数的变化规律为:前期损失量较高,随着降雨次数的增加,损失量逐渐减少并最终趋于0。其中损失在表面径流水中的N、P含量主要集中在前6次;Cu在表面径流水的损失量主要集中在前2次;Zn在表面径流水的损失量主要集中在前4次。
  4、在本研究中,基料中的重要元素可在雨水的渗透作用下流入土壤,其中仅有部分土壤中的N、P含量有少量增加。试验期内提升了土壤肥力,未造成重金属污染。
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