双氰胺与盐酸苯肼对洪泽湖区域酸化土壤硝化作用的影响

论文总字数：12009字

摘 要

本课题以洪泽湖周边地区农田土壤为研究对象，通过检测铵态氮的转化率，明确了硝化抑制剂盐酸苯肼（PHH）与双氰胺（DCD）单独施用的最佳浓度为10umol/gDCD与15umol/gPHH。在此基础上，采用正交试验，确定了DCD 10umol/g PHH 20umol/g为效应最佳的硝化抑制剂施用浓度组合。然后，对不加硝化抑制剂，仅施加10umol/gDCD、仅施加15umol/gPHH和施加DCD和PHH的最佳组合四个处理组进行比较分析，结果显示，施加DCD和PHH的最佳组合的处理效果最好。同时，利用荧光PCR技术对以上4个处理的土样的硝化细菌的丰度变化进行检测，结果表明，硝化抑制剂组合DCD10umol/g PHH 20umol/g对酸化土壤菌群丰度具有更为显著的抑制作用。

关键字：盐酸苯肼、双氰胺、正交试验、荧光PCR

Abstract: The farmland soil around Hongze Lake was taken as the research material, the optimum concentration of phenylhydrazine hydrochloride (PHH) and dicyandiamide (DCD) applied alone was 10 umol/g DCD and 30 umol/g PHH by measuring the conversion of ammonium nitrogen. On this basis, the optimum concentration combination of DCD 10umol/g PHH 20umol/g as nitrification inhibitor was determined by orthogonal test. Then, the nitrification activity of the four treatment soil samples including without nitrification inhibitor, only 10 umol/g DCD, only 15 umol/g PHH and the best combination of DCD and PHH were compared and analyzed.. The results showed that the best combination of DCD and PHH was the best. At the same time, fluorescent PCR was used to detect the abundance changes of nitrifying bacteria in the four soil samples. The results showed that DCD 10umol/g PHH 20umol/g, a combination of nitrification inhibitors, played a more significant role in lnhibiting the abundance of acidified soil bacteria.

Keywords: hydrazine hydrochloride, dicyandiamide, orthogonal test, fluorescence PCR

目 录

1 前言 6

1.1土壤酸化现状 6

1.2 土壤酸化原因 6

1.2.1 酸雨 6

1.2.2 工业生产废物 6

1.2.3 过量施用化肥 6

1.3土壤酸化的不良影响 7

1.3.1 土壤酸碱度降低 7

1.3.2 有益微生物的减少 7

1.4 酸化土壤的改良 7

1.4.1 石灰改良剂 7

1.4.2 矿物及工业副产物的使用 7

1.4.3 施加农业有机物 8

1.4.4 生物修复 8

1.4.5 硝化抑制剂 8

2 材料与方法 9

2.1 材料与试剂 9

2.2 实验方法 9

2.2.1筛选硝化抑制剂的最佳浓度 9

2.2.1.1土样铵态氮含量检测（靛蓝法） 9

2.2.2 设计正交试验筛选最佳浓度组合 10

2.2.3对比分析 10

2.2.4 洪泽湖区域酸化土壤菌群丰度检测（荧光定量PCR） 10

3结果与分析 12

3.1铵态氮检测结果 12

3.2正交实验结果 15

3.3对比实验结果分析 16

3.4 荧光定量PCR试验检测结果分析 16

结 论 18

参考文献 19

致 谢 20

1 前言

1.1土壤酸化现状

中国是一个农业大国，从上世纪80年代到新世纪，粮食产量迅速增加^[1]。与此同时氮肥使用量也大幅增加，而农田化肥的长期过量施用，致使我国土壤酸化问题日益严重，土壤质量严重恶化，生产效率大大下降。尽管我国各地采用了秸秆回田措施^[2]，在一定程度上缓解了土壤质量的下降。但尚未根本改变这种传统的能源投入型生产方式。

洪泽湖水自1970年以来一直遭受污染，而且污染程度不断加深。当前，随着污染控制技术的不断发展，面源污染问题，特别是农业生产和农村生活引起的农业面源污染问题己成为污染水体的主要因素。污染负荷量变化趋势统计结果显示，洪泽湖周边地区，化肥施用污染源产生的污染负荷最多，而且化肥施用污染负荷占总污染负荷的比例呈逐年上升趋势。洪泽湖是我国第四大淡水湖，每年进入湖泊的污染物的总量已远超湖泊自身承载能力。2009年水质报告显示洪泽湖总体水质为劣Ⅴ类，综合污染指数均值为12.07，超标项目主要为总氮和总磷^[3]

1.2 土壤酸化原因

1.2.1 酸雨

酸雨已发展为当前世界面临的主要环境问题之一。近年来，一些地区已经成为酸雨多发区，形成的酸沉降可导致土壤pH值下降。酸雨降落到地面, 酸雨中的硫酸根离子和硝酸 根离子均会直接加快土壤的酸化^[4]。故严控工业含硫等酸性废气排放、各种机动车尾气的排放、燃烧含硫量较高的煤进而控制酸雨是减缓土壤酸化的必要途径。

1.2.2 工业生产废物

化工厂在加工、合成某些化合物过程中会产生许多中间代谢产物。这些代谢产物排放到耕地、湖 泊、河流等地，造成水体和土壤污染。这些排放物中 有些本身就是酸性物质，如化工厂排放的稀硫酸，可以直接造成土壤酸化^[5]。

1.2.3 过量施用化肥

长期过量施肥，尤其是长期大规模施用酸性肥料，是引起土壤酸化到重要原因。其原理在于被过量施加到土壤中的酸性肥料中的酸性物质可以直接导致土壤酸化，或由于植物偏好吸收 NH₄ 而使SO₄^2-在土壤中残留，SO₄^2-会与H 结合成硫酸进而导致土壤酸化^[6],过量施肥将超过植物吸收需要，促使NH₄ 在土壤中发生硝化反应释放H ,进一步加速土壤酸化^[7]

1.3土壤酸化的不良影响

自然界中存在着氮素循环，不同含氮化合物常发生相互转化，而硝化作用就是氮素循环中的一个重要过程，氮硝化过程中产生的NO₃^¯不仅可以导致土壤的酸化和板结，恶化作物的栽培环境；同时，大量NO₃^¯ 的淋失将会造成严重的地表水和地下水资源的污染。此外，大量研究表明，饮用水源一旦遭到农田流失的NO₃^¯的污染，这将会显著增加癌症、心脏疾病及婴儿高铁血红蛋白血症的患病风险^[8]，严重危害人类身体健康。

1.3.1 土壤酸碱度降低

土壤酸化不可避免的会导致土壤酸碱度的下降。并且土壤酸碱度的降低，会造成许多最初存在于土壤中的化学平衡失衡。例如，土壤酸化会促使分子态硫化氢的生成,致使离子态硫化物浓度降低。从而导致大量H 进入植物根细胞细胞质,使其细胞质中pH下降、抑制酶活性、生物自由基不正常积累、膜脂过氧化加剧,导致亚显微结构被破坏和细胞解体,从而影响植株生长和品质^[9]。

1.3.2 有益微生物的减少

微生物的代谢作用在土壤各类元素的循环转化过程中扮演着重要角色。然而，随着土壤酸化程度加深，土壤中微生物种群逐渐发生改变，有益微生物的生理活性受到抑制，酶活性也随之降低。相反，嗜酸性细菌含量增加，原有的良性元素循环被破坏，影响作物生长及发育。

1.4 酸化土壤的改良

1.4.1 石灰改良剂

在土壤中施加石灰改良剂，土壤中的酸性物质可与石灰发生中和反应，产生氢氧化物沉淀，降低土壤酸度，缺陷在于会导致土壤板结。

1.4.2 矿物及工业副产物的使用

一些矿物和工业副产物可改良土壤酸化问题，如磷白云石、粉煤灰、碱渣等，均能起到改良酸性土壤的作用。施用白云石后的土壤中交换性铝、锰含量明显降低，并且随着白云石粉用量的增加，土壤有效磷和速效钾含量呈增加趋势^[10]。

粉煤灰具有密度小、孔隙大等特点，可以改善土壤结构，促进作物的新陈代谢^[11]。还因其含有CaO、MgO等碱性物质，中和土壤氢离子浓度，从而使作物的硝化酶活性提升，促进硝化作用，作物生长与发育环境得到改善。碱渣是制碱过程中产生的大量废弃物，溶水后得到碱性溶液，可以中和微酸性及酸性的土壤，以使土壤性质得到改善^[12]。此外，污水处理厂产生的污泥、炼铝工厂产生的赤泥、工业燃煤烟气厂的脱硫副产物等均可用于酸性土壤的改良。

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