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Jun 04, 2024

Das weiche Gestein kann die Verbesserung des äolischen Sandbodens im Mu Us Sandy Land, China, fördern

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11813 (2023) Diesen Artikel zitieren 127 Zugriffe 1 Altmetric Metrics Details Diese Studie konzentriert sich auf die Bedeutung der Verbesserung der Landdegradation von Mu Us

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Diese Studie konzentriert sich auf die Bedeutung der Verbesserung der Landdegradation von Mu Us Sandy Land, um die Anbaufläche zu vergrößern und eine ökologische grüne Entwicklung zu fördern. Die Forschungsobjekte waren vier Arten von Mischböden, und Rhizosphärenböden wurden während der Erntezeit gesammelt. Das Volumenverhältnis von weichem Gestein zu Sand betrug 0:1 (Kontrollkontrolle, CK), 1:5 (Verbundboden eins, PS1), 1:2 (Verbundboden zwei, PS2) und 1:1 (Verbundboden drei, PS3). Die Ergebnisse zeigten, dass es sich bei den großen Aggregaten überwiegend um mechanisch stabile Aggregate handelte, während es sich bei den kleinen Aggregaten überwiegend um wasserstabile Aggregate handelte. Das weiche Gestein förderte die Zunahme des Ton- und Schluffgehalts im Sandboden und die Bodentextur veränderte sich von Sand zu Lehm. Der Gehalt an organischer Substanz, verfügbarem Phosphor und verfügbarem Kalium stieg unter PS2- und PS3-Behandlungen signifikant an, es gab jedoch keinen signifikanten Unterschied zwischen ihnen. Beim Gesamtstickstoff gab es zwischen den Behandlungen keinen signifikanten Unterschied. Actinobaciota, Proteobateria und Chloroflexi waren die dominierenden Bakterien im Rhizosphärenboden und machten etwa 75 % aller Mikroorganismen aus. Auf Gattungsebene trägt das weiche Gestein zu einer reichhaltigeren Artenzusammensetzung bei. Der Diversitätsindex, der Gleichmäßigkeitsindex und der Reichhaltigkeitsindex waren in PS1 höher, und der verfügbare Phosphor- und Kaliumgehalt förderte die Zunahme der Diversität. Wenn daher das Verhältnis von weichem Gestein und Sand-Mischboden zwischen 1:5 und 1:2 liegt, kann es als wichtige Grundlage und technischer Parameter für die Verbesserung des Mu Us Sandy Land verwendet werden.

Der Prozess der Wüstenbildung hat sich zu einem kritischen ökologischen und sozialen Problem mit erheblichen Auswirkungen auf das Überleben und den Fortschritt der Menschheit entwickelt1. Die Wüstenfläche auf der Welt hat mehr als 400 Millionen Quadratkilometer erreicht, wovon fast 20 Millionen Quadratkilometer stark verödetes Land sind, und wächst immer noch mit einer Rate von 300.000 Quadratkilometern pro Jahr2,3. China ist mit einer Knappheit an Landressourcen konfrontiert, da die pro Kopf bewirtschaftete Fläche nur ein Viertel des Weltdurchschnitts ausmacht4. Unter Berücksichtigung der Landressourcen und der wirtschaftlichen Entwicklung hat sich China zum Ziel gesetzt, Kulturland durch Maßnahmen wie die Kontrolle der Gesamtmenge des Kulturlandes, die Verbesserung der Qualität des Kulturlandes und die Gewährleistung der Ernährungssicherheit zu schützen. Die Beschleunigung der Sanierung von Wüstengebieten ist von entscheidender Bedeutung sowohl für die Förderung der wirtschaftlichen Entwicklung in Wüstengebieten als auch für die Förderung eines harmonischen Zusammenlebens zwischen Mensch und Natur5 sowie für die Aufrechterhaltung einer stabilen Gesellschaft.

Im Laufe der Menschheitsgeschichte wurden sowohl mit theoretischen als auch mit praktischen Mitteln Anstrengungen unternommen, die Wüstenbildung zu verhindern und zu kontrollieren. Gegenwärtig umfasst die Bewirtschaftung von Wüstengebieten die Umsetzung von Maßnahmen wie Vegetation, Technik und Chemikalien6,7. Die Theorie der organischen Wiederherstellung des Bodens, die für die Bekämpfung der Wüstenbildung von entscheidender Bedeutung ist, hat sich bei Landsanierungsprojekten als wirksam erwiesen8. Bei der organischen Rekonstruktion des Bodens handelt es sich um ein technisches System, das die Umwandlung von nichtlandwirtschaftlich genutztem Land in Ackerland, die Aufwertung von niedrig gelegenem Land und die Umsetzung von Landprojekten zur Informationalisierung durch Anpassung, Umstrukturierung und Ersatz umfasst. Das ultimative Ziel besteht darin, einen physischen Raum zu schaffen, der das Überleben und die Vermehrung organischer Organismen unterstützt, bekannt als „Reines Land“. Das konkrete Projekt bestand darin, die lokalen weichen Tonmineralien im Sand zu kombinieren, um einen gut durchlässigen Verbundboden zu schaffen, und wassersparende Bewässerungsmethoden zu etablieren, um so die Produktionskapazität des Landes zu erhöhen und die nachhaltige Nutzung von Sand zu fördern9. Weichgestein ist eine Art Lockergestein, das zur klastischen Gesteinsreihe kontinentaler Fazies gehört. Es weist einen geringen Grad an Diagenese, eine schlechte Zementierung der Sandkörner, eine geringe strukturelle Festigkeit auf und ist anfällig für Bodenerosion10. Die Hauptbestandteile des Weichgesteins sind Quarz, Calciummontmorillonit, Kalifeldspat und Calcit sowie andere geringere Gehalte11. Das weiche Gestein konzentriert sich auf dem Ordos-Plateau im nördlichen Teil des Löss-Plateaus und grenzt an Shanxi, Shaanxi und die Innere Mongolei. Je nach Grad der Bodenbedeckung kann es in drei Arten von Gebieten unterteilt werden, nämlich das freigelegte Weichgesteinsgebiet, das Bodenbedeckungsgebiet und das Sandbedeckungsgebiet12, mit einer Gesamtfläche von 16.700 km2. Sowohl weiches Gestein als auch Sand waren der Erosion ausgesetzt und nach der Exposition wurde die Winderosion verringert, während die Bodenerosion verbessert wurde13,14. Die Studie von Guo et al.15 über die Mechanik von Weichgestein zeigt, dass beim Hinzufügen des Weichgesteins zum Sand die feinen Körner die Stelle der großen Körner im Sand einnahmen, was zu einer Vergrößerung des Abstands führte die Körner, was zu einer Zugspannung führt. Untersuchungen von Li et al.16 zu Sandböden deuteten darauf hin, dass die Zugabe von weichem Gestein das Gewichtsverhältnis und die strukturelle Stabilität von Sand erhöhen könnte. Die Ergebnisse der Forschung von Wang et al.17 zu den hydraulischen Eigenschaften von weichem Gestein und Sand zeigten, dass es bei einem höheren Anteil an weichem Gestein zu keiner signifikanten Änderung des Welkkoeffizienten kam und die Fähigkeit, Wasser im Feld zurückzuhalten, verbessert wurde.

Frühere Forschungen zu Verbundböden aus weichem Gestein und Sand konzentrierten sich hauptsächlich auf die Aggregatstruktur, die mechanischen Eigenschaften und die Bodenfeuchtigkeit13,14,15,16,17. Allerdings mangelt es an gemeinsamer Forschung zu den physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften dieses Bodentyps. Insbesondere die biologische Forschung an Weichgesteins- und Verbundsandböden war unzureichend. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Bodens sind wesentliche Faktoren, die die Bodenfruchtbarkeit und -qualität bestimmen. Diese Eigenschaften dienen als Grundlage für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen und sind daher von entscheidender Bedeutung für die landwirtschaftliche Produktion18. Die Variation des Weichgesteinsanteils wird zu einer größeren Auswahl an Möglichkeiten bei der Wiederherstellung der Produktivität führen. Aus diesem Grund wird das Wüstengebiet Mu Us Sandy Land in Yulin untersucht und unterschiedliche Mischungsverhältnisse von weichem Gestein zur Bildung gemischter Böden entwickelt. Die Hauptziele dieser Studie bestehen darin, (1) die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Rhizosphärenböden verschiedener Bodenmischungen aufzudecken; (2) die biologischen Eigenschaften von Rhizosphärenböden aus zusammengesetzten Böden nachweisen; und (3) die Agglomerationseigenschaften von Mischböden klären.

In den Tabellen 1 und 2 ist der prozentuale Anteil an Bodenaggregaten mit einer Größe von mehr als 0,25 mm angegeben, die durch die Methoden der Übertrockensiebung bzw. der Nasssiebung gewonnen wurden. Bei Verwendung der Trockensiebmethode wurde festgestellt, dass der Großteil des Makroaggregatgehalts im Größenbereich von mehr als 5 mm lag. Die PS3-Behandlung zeigte einen signifikanten Anstieg im Vergleich zu anderen Behandlungen, mit einem prozentualen Anstieg von 18,11, 25,2 bzw. 20,64 im Vergleich zu CK, PS1 und PS2. Der Gehalt kleiner Aggregate war dem der großen Aggregate entgegengesetzt (Tabelle 1). Es wurde festgestellt, dass der Gehalt an Zuschlagstoffen mit einer Größe von mehr als 0,5 mm bei der Behandlung mit einem Nasssieb geringer war als bei der Behandlung mit einem Trockensieb. Die mit der Nasssiebung behandelten Zuschlagstoffe waren überwiegend im Korngrößenbereich < 0,25 mm verteilt und machten mehr als 70 % der Gesamtmenge aus. Es wurde jedoch kein signifikanter Unterschied zwischen allen Behandlungen beobachtet, wie in Tabelle 2 gezeigt. Die Behandlung PS2 führte zu den niedrigsten wasserstabilen Aggregaten mit einer Größe von mehr als 5 mm, während die Behandlung PS1 zu den höchsten wasserstabilen Aggregaten führte, die kleiner als 0,25 mm waren.

Der äolische Sandboden zeichnet sich durch eine lockere Bodenstruktur mit Einzelkörnern und mangelnder Kohäsion aus (Abb. 1a). Mit zunehmendem Weichgesteinsanteil trat die Mikroaggregatstruktur von Verbundböden mit einer Korngröße von weniger als 0,25 mm deutlicher hervor. Einige Sandpartikel hafteten an anderen Sandpartikeln, was zu einer Verringerung des Abstands zwischen den Bodenpartikeln innerhalb dieses Korngrößenbereichs führte (Abb. 1b). Bei der Beobachtung ist es offensichtlich, dass die 1:2-Verbundböden Tonkörnchen aufweisen, die in einem umhüllten Zustand an Sandkörnern adsorbiert sind. Darüber hinaus sind die großen Poren mit kleinen Partikeln gefüllt (Abb. 1c). Mit zunehmendem Weichgesteinsanteil füllten die Tonpartikel nach und nach die Makroporosität zwischen den Sandkörnern, was zu einer kompakteren Aggregatstruktur mit klaren Rändern führte (Abb. 1d). Es ist ersichtlich, dass das weiche Gestein die Bildung und Entwicklung der äolischen Sandagglomerationsstruktur fördert.

Mikrostruktur von Aggregaten verschiedener Mischböden mit Partikelgröße < 0,25 mm. (a)–(d) stellen das Volumenverhältnis von weichem Gestein zu Sand mit 0:1, 1:5, 1:2 bzw. 1:1 dar.

Im Vergleich zur CK-Behandlung führte die Zugabe von Weichgestein zu einem deutlichen Anstieg des Ton- und Schluffgehalts im Boden, während der Sandgehalt deutlich verringert wurde. Die Bodenbeschaffenheit veränderte sich von sandig zu lehmig (Abb. 2). Bei der Untersuchung von PS2 und PS3 kam es mit zunehmendem Weichgesteinsanteil zu keiner signifikanten Veränderung der Bodentextur oder Partikelzusammensetzung.

Bodenbeschaffenheit unterschiedlicher Bodenmischungen. CK, PS1, PS2 und PS3 stellen das Volumenverhältnis von weichem Gestein zu Sand mit 0:1, 1:5, 1:2 bzw. 1:1 dar. Unterschiedliche Kleinbuchstaben weisen auf signifikante Unterschiede bei den Bodenpartikeln zwischen denselben Behandlungen hin (P < 0,05).

Die Menge an organischer Substanz in PS2 und PS3 war höher als die von CK, jedoch nicht in PS1 (Abb. 3). Es gab keinen signifikanten Unterschied im Gesamtstickstoffgehalt zwischen den Behandlungen. Der Anteil an Weichgestein korreliert positiv mit dem Gehalt an verfügbarem Phosphor und verfügbarem Kalium. Der Nährstoffgehalt steigt bei 1:2- und 1:1-Behandlungen deutlich an. Die Studie ergab keinen signifikanten Unterschied in der organischen Substanz des Bodens und im Gesamtstickstoff zwischen CK- und PS1-Behandlungen. Allerdings zeigte die PS1-Behandlung im Vergleich zur CK-Behandlung einen signifikanten Anstieg des verfügbaren Phosphors und des verfügbaren Kaliums.

Bodennährstoffgehalt verschiedener Bodenmischungen. CK, PS1, PS2 und PS3 stellen das Volumenverhältnis von weichem Gestein zu Sand mit 0:1, 1:5, 1:2 bzw. 1:1 dar. SOM, TN, SAP und SAK stehen für organische Bodensubstanz, Gesamtstickstoff, bodenverfügbaren Phosphor bzw. bodenverfügbares Kalium. Unterschiedliche Kleinbuchstaben weisen auf signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen hin (P < 0,05).

Auf der taxonomischen Ebene des Phylums erwiesen sich Actinobacteriota, Proteobacteria und Chloroflexi als die dominierenden Phyla in jeder Behandlung und machten 67,94 % bis 76,60 % der gesamten Bakterien aus (Abb. 4). Im Vergleich zu CK ist die Häufigkeit von Actinobacteriota bei der PS1-, PS2- und PS3-Behandlung um 9,22, 4,44 bzw. 7,15 Prozentpunkte gestiegen. Mit zunehmendem Weichgesteinsanteil nimmt die Häufigkeit der Actinobacteriota zunächst zu, dann ab und schließlich wieder zu. Die Häufigkeit von Proteobakterien zeigte nach Zugabe von weichem Gestein einen abnehmenden Trend, die Abnahmeamplitude nimmt jedoch mit zunehmendem Anteil von weichem Gestein ab. Im Vergleich zu CK verringerte sich die Häufigkeit von PS1, PS2 und PS3 um 2,65, 2,13 bzw. 0,95 Prozentpunkte. Die Chloroflexi hatten einen ähnlichen Trend wie Actinobacteriota.

Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft basierend auf der Phylum-Ebene. CK, PS1, PS2 und PS3 stellen das Volumenverhältnis von weichem Gestein zu Sand mit 0:1, 1:5, 1:2 bzw. 1:1 dar.

Auf Gattungsebene waren die dominanten Bakterien über verschiedene Behandlungen hinweg konsistent, es wurde jedoch eine größere Vielfalt einzigartiger Gattungen beobachtet. Die dominierenden Bakterien bei der CK-Behandlung waren Arthrobacter, norank_f__JG30-KF-CM45 und norank_f__norank_o__norank_c__KD4-96. Im Vergleich zur CK-Behandlung zeigten die dominanten Gattungen bei der PS1-, PS2- und PS3-Behandlung einen Schwankungstrend, der zunächst zunahm, dann abnahm und dann mit der Zunahme des Weichgesteins wieder zunahm (Abb. 5). Darüber hinaus zeigte die Korrelations-Heatmap auch, dass die von PS2 und PS3 behandelte Bakteriengemeinschaftsstruktur ähnlich war und die beiden Gruppen zu einer Klasse zusammengefasst wurden. Darüber hinaus unterschieden sich die drei dominanten Gattungen voneinander und wurden in einer Kategorie zusammengefasst.

Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft basierend auf der Gattungsebene. CK, PS1, PS2 und PS3 stellen das Volumenverhältnis von weichem Gestein zu Sand mit 0:1, 1:5, 1:2 bzw. 1:1 dar.

Die Studie ergab, dass die Bakterienbedeckungsrate der Bodenproben zwischen 94,70 % und 97,96 % lag. Dies legt nahe, dass die in der Studie verwendeten Sequenzierungsdaten die Art und die Grundstruktur der untersuchten Flora zuverlässig widerspiegeln. Es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen dem Shannon-Index und dem Shannoneven-Index nach der Mischung von weichem Gestein und Sand (Tabelle 3). Der Simpson-Index, der Ace-Index und der Chao-Index zeigten den gleichen Trend, aber PS1 war deutlich höher als CK. Im Vergleich zur CK-Behandlung stiegen der Simpson-Index, der Ace-Index und der Chao-Index um 0,53 %, 13,32 % bzw. 13,52 %. Der Simpson-Even-Index stieg im Vergleich zu CK, PS2 und PS3 um 150 %, 79,92 % bzw. 84,82 %.

Gemäß den in Tabelle 4 dargestellten Ergebnissen der Pearson-Korrelationsanalyse gab es eine signifikante positive Korrelation zwischen dem Simpson-Index und dem SAP- und SAK-Gehalt. Dies deutet darauf hin, dass eine Erhöhung des SAP- und SAK-Gehalts die mikrobielle Vielfalt im Boden verbessern kann. Die Ergebnisse der Studie zeigten eine positive Korrelation zwischen dem Simpson-Index und Ton- und Schluffpartikeln, während bei Sandkörnern eine negative Korrelation beobachtet wurde. Der Simpson-Even-Index zeigte eine negative Korrelation mit den Gehalten an SAP, SAK, Ton und Schluff. Die Studie legt nahe, dass die Einbeziehung von weichem Gestein die mikrobielle Vielfalt in Sandböden erhöhen und deren Einheitlichkeit verringern kann.

Die Bodenagglomeration spielt eine entscheidende Rolle bei der Bodenzusammensetzung, da sie die Koordination von Wasser, Dünger, Luft und Wärme im Boden erleichtert. Es beeinflusst auch die Art und Aktivität von Bodenenzymen, trägt zur Erhaltung und Stabilisierung der lockeren Reifeschicht des Bodens bei und hat letztendlich einen direkten Einfluss auf die Pflanzenproduktivität19. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Stabilität der Bodenstruktur durch Bodenbearbeitungsmethoden und Bodenzusammensetzung aufgrund ihres Einflusses auf die Umwandlung und Umverteilung zwischen Mikroaggregaten und Makroaggregaten beeinflusst werden kann20,21. Die Ergebnisse zeigten, dass die Bodenstruktur des behandelten Weichgesteins besser war als die von CK. Das mechanisch stabile Aggregat war hauptsächlich größer als 0,25 mm und machte 60,46–84,42 % aus, und das wasserstabile Aggregat betrug weniger als 0,25 mm und machte 71,80–77,70 % aus. Es zeigte sich, dass Wasser eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Verbundböden spielt. Diese Studie sammelte und analysierte Proben am Ende der Ernte. Der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens war moderat und die Verteilung der Bodenpartikel war relativ gleichmäßig, wobei große Aggregate vorherrschten. Die Zunahme von Pflanzenwurzelexsudaten und mikrobiellen Metaboliten im Boden fördert die organische Leimkopplung zwischen Bodenpartikeln, was die Agglomeration fördert und Partikelgrößen von weniger als 0,25 mm in größere Agglomerate umwandelt. Dieser Prozess legt den Grundstein für eine weitere Agglomeration22. Die Ergebnisse stimmten mit der Forschung zur Verbesserung der Bodenstruktur durch den Anbau von Nutzpflanzen auf degradiertem und verödetem Land überein23. Die Ergebnisse zeigten auch, dass die Mikrostruktur mit einem Durchmesser von weniger als 0,25 mm reich an Zementmaterialien war (Abb. 1), die die Materialbasis für die Bildung großer Aggregate bilden können. Zahlreiche Wissenschaftler haben den bedeutenden Beitrag von Tonmineralien zur Aufwertung sandiger Böden anerkannt. Diese Mineralien unterstützen die Ansammlung von Bodenpartikeln, die Speicherung von Wasser und Düngemitteln und führen letztlich zu besseren Ernteerträgen12,13,14,15,16,17.

Die Bodenfruchtbarkeit ist ein entscheidender Bestandteil von Kulturland und spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Bodenqualität und der nachhaltigen Nutzung der Kulturlandressourcen24. Der Nährstoffgehalt der Mischböden von 1:5, 1:2 und 1:1 zeigte insgesamt einen Aufwärtstrend, der auf die Implantation anorganischer Kolloide (Weichgestein) in äolischen Sandboden zurückzuführen ist, deren Gehalt anstieg Bodenschlamm und Ton (Abb. 2) und die einfache Kombination mit Bodennährstoffen zur Bildung organisch-anorganischer Komplexe, die den Nährstoffen einen physikalischen Schutz bieten. Andererseits hat sich gezeigt, dass die Bodenbearbeitung und der Eintrag organischer Stoffe sowie die Zersetzung von Kartoffelwurzelsystemen die allgemeinen Biolebensraumbedingungen des Bodens verbessern25. Die Wirkung von 1:2-Mischboden war besser und die Textur war lehmig, was für den Pflanzenanbau geeignet war. Die Ergebnisse zeigen, dass das optimale Verhältnis von Weichgestein die Verfügbarkeit von Nährstoffen erheblich verändern und die Bodeneigenschaften erheblich beeinflussen kann. Relevanten Studien zufolge weist der 1:2-Verbundboden eine gleichmäßige Partikelzusammensetzung, eine moderate Verteilung auf und erfüllt die geeigneten Bedingungen für das Pflanzenwachstum. Darüber hinaus verfügt es über eine bessere Belüftung und Durchlässigkeit26,27.

Veränderungen in der Häufigkeit vorherrschender Bakterienstämme wurden in Sandböden nach der Einführung von weichem Gestein beobachtet, während die Gesamtzusammensetzung der Bakteriengemeinschaft auf Stammebene unverändert blieb. Dies war dasselbe wie bei der Untersuchung der Auswirkungen der Plantagensanierung auf die Mikroben im Mu Us Sandy Land28. Actinobakterien waren in dieser Studie die dominierenden Bakterien und wiesen bei verschiedenen Behandlungen die höchste Häufigkeit auf. Untersuchungen haben gezeigt, dass Actinobakterien ein weit verbreiteter Bodenparasit mit robusten Adhäsionsfähigkeiten sind. Es hat das Potenzial, als Speicherbakterium zu dienen, während seine Schleimsekretion Sandpartikel wirksam binden kann. Darüber hinaus fördert seine filamentöse Körperstruktur die Stabilität der Bodenstruktur29. Die Ergebnisse zeigten, dass weiches Gestein einen gewissen Einfluss auf die mikrobielle Gemeinschaftsstruktur hatte und die Bildung von Agglomerationsstrukturen förderte. Die Diversitätsanalyse zeigte auch, dass die entsprechende Zugabe von weichem Gestein die Zunahme der Bakterienvielfalt, -häufigkeit und -einheitlichkeit wirksam fördern kann. Der verfügbare Phosphor und das verfügbare Kalium korrelierten positiv mit dem Diversitätsindex. Untersuchungen zufolge enthält weiches Gestein Primärmineralien wie Kalzium, Magnesium, Kalium, Natrium und andere häufig vorkommende Elemente. Diese Mineralien werden durch Verwitterung freigesetzt und liefern Nährstoffe, die von Pflanzen und Mikroben aufgenommen werden können30. Daher wurde der Anstieg des Nährstoffgehalts durch die Zunahme der mikrobiellen Vielfalt und Häufigkeit gefördert.

Bodeneigenschaften werden durch Landnutzungsmuster, Vegetation und meteorologische Faktoren beeinflusst. Nach Jahren der Bewirtschaftung konnten die Eigenschaften unterschiedlicher Mischerdeanteile zunehmend verbessert werden. Äolischer Sand hat keinen Zusammenhalt zwischen den einzelnen Körnern und seine Oberfläche ist glatt. Nach der Zugabe von Weichgestein wurde die Oberflächenzementierung der Mikroaggregat-Bodenpartikel verstärkt und die organische Anhaftung erhöht. Unter normalen Bodenbearbeitungsbedingungen liegen Bodenpartikel in Form großer Aggregate vor. Mit zunehmendem Wasser- und Düngemittelgehalt können auch kleine Partikel die Bildung großer Aggregate fördern. Die Bodenbeschaffenheit veränderte sich von sandigem zu lehmigem Boden, was für den Anbau von Nutzpflanzen günstiger war. Die Struktur und Leistung von 1:2-Verbundboden war stärker ausgeprägt. Auf dieser Grundlage waren die Gehalte an organischer Substanz, Gesamtstickstoff, verfügbarem Phosphor und verfügbarem Kalium hoch, wenn das Verhältnis von weichem Gestein und Sand 1:2 und 1:1 betrug, es gab jedoch keinen signifikanten Unterschied zwischen ihnen. Auf verschiedenen Klassifizierungsstufen zeigten Actinobacteriota absolute Überlegenheit. Die Diversität und der Reichtum an Mikroorganismen wurden im Mischboden verbessert, und der Mischboden mit 1:5 war besser. Der Gehalt an verfügbarem Phosphor und verfügbarem Kalium korrelierte positiv mit der mikrobiellen Vielfalt und negativ mit der Gleichmäßigkeit. Wenn das Verhältnis von weichem Gestein zu Sand zwischen 1:5 und 1:2 lag, waren daher die Gesamteigenschaften des Bodens besser, was als bessere Wahl für die Sandbodenverbesserung genutzt werden kann.

Durch diese Studie können wir die biologischen Grundlagen der Sandlandverbesserungsforschung von Mu Us und den Anwendungsbereich von Weichgesteinsmaterialien ergänzen. In Bezug auf die Verwendung von weichem Gestein zur Verbesserung von Sandböden lieferte dieses Papier auch eine Fülle grundlegender theoretischer Daten für Wissenschaftler, um theoretische Referenzen bereitzustellen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz von Weichgestein zur Verbesserung des äolischen Sandbodens praktikable Maßnahmen zur Kontrolle von Mu Us Sandy Land darstellt und in ähnlichen Gebieten populär gemacht werden kann. Die Forschungsergebnisse können nicht nur die landwirtschaftliche Fläche in Sandgebieten vergrößern, sondern auch die nachhaltige Entwicklung der lokalen Agrarwirtschaft und die Verbesserung der ökologischen Umwelt fördern.

Die Studie wurde in der Stadt Yulin in der Gemeinde Xiaojihan in der Provinz Shaanxi durchgeführt. Das Forschungsgebiet liegt am südwestlichen Rand des Mu Us Sandy Land. Es liegt auf der Nordseite des North Wind Sand. Das Untersuchungsgebiet liegt in der gemäßigten kontinentalen Monsunklimazone mit einer jährlichen Durchschnittstemperatur von 13 °C, reichlich Sonnenschein, einer jährlichen durchschnittlichen Sonnenscheindauer von 2390 Stunden, einer jährlichen frostfreien Periode von 165 Tagen, trockenem Klima, mehrjähriger Dürre und wenig Regen und einem jährlichen Durchschnittsniederschlag von 300 mm. Aufgrund des starken Nordwestwinds kann es im Frühjahr leicht zu Sandstürmen kommen. Der Bodentyp im Untersuchungsgebiet ist äolisches Sandland mit lockerer Textur und wenig Nährstoffen. Der mineralische Bestandteil des Bodens besteht aus feinen Sandkörnern, die weniger Ton und Schluff enthalten. Die meisten Pflanzen sind Xerophyten und mittlere Xerophyten.

Die Arten von weichem Gestein sind weiß, grau, lila, rosa und andere Arten. Sowohl das in dieser Studie verwendete weiche Gestein als auch der Sand (Sandboden) wurden im Dorf Dajihan, Bezirk Yuyang, Stadt Yulin, Mu Us Sandy Land, gesammelt. Der Entstehungsprozess von Weichgestein wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter der geologischen Struktur, dem Klima und der biologischen Wirkung. Infolgedessen weist weiches Gestein vielfältige Morphologien und Eigenschaften auf. Das in dieser Studie verwendete weiche Gestein war purpurrot. Es bestand aus einer lockeren Gesteinsformation, die als Zwischenschicht bekannt ist und aus dicken Sandsteinen, Sandschiefern und Tonsandsteinen bestand. Diese Gesteine ​​gehörten zum Paläozoikum des Perms (vor etwa 250 Millionen Jahren) sowie zur mesozoischen Trias-, Jura- und Kreidezeit. Das in dieser Studie erwähnte Weichgestein ist eine kontinentale klastische Serie, die durch niedrigen Druck, einen geringen Grad an Diagenese und eine geringe strukturelle Festigkeit gekennzeichnet ist. Die Mineralien im Weichgestein enthalten hauptsächlich Quarz und Montmorillonit, während die Mineralien im Sand hauptsächlich Quarz sind. Die grundlegenden Eigenschaften sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Um den Landzustand der gemischten Schicht aus weichem Gestein und Sand im Mu Us Sandy-Land zu simulieren, wurde im Mu Us Sandy Land in Yulin, China, ein Feldversuchsgelände eingerichtet. Das Feld wurde 2010 angelegt und seit 13 Jahren bepflanzt. Eine Mischung aus weichem Gestein und Sand wurde in einer Tiefe von 0 bis 30 cm auf das Testgelände gelegt. Die Bodenschicht unter 30 cm war primitiver äolischer Sandboden. Das weiche Gestein und der Sand wurden gemischt, um einen Verbundboden im Volumenverhältnis von 0:1, 1:5, 1:2 und 1:1 (weiches Gestein:Sand) zu bilden. CK (Kontrollprüfung), PS1 (Verbundboden eins), PS2 (Verbundboden zwei) und PS3 (Verbundboden drei) stellen diese Anteile der Reihe nach dar. Jede Behandlung wurde mit 3 Wiederholungen und insgesamt 12 Testparzellen angelegt. Die Versuchsfelder wurden Anfang April bepflanzt und Mitte bis Ende September nach einer Einzelkultur pro Jahr mit Kartoffel- und Maiswechsel abgeerntet. Während der Anbauzeit wurden ausschließlich chemische Düngemittel und keine organischen Düngemittel zugesetzt. Die im Testfeld getesteten Düngemitteltypen waren Harnstoff, Diammomiumphosphat und Kaliumchlorid, und die Düngemittelausbringungsmenge betrug 250 kg/hm2 N, 325 kg/hm2 P2O5 und 150 kg/hm2 K2O.

Ende September 2021 befand sich die Kartoffel in der Ernte und der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens lag zwischen 19 und 24 %. Der Rhizosphärenboden der Kartoffel während der Erntezeit wurde durch die Bodenschüttelmethode gesammelt. Nach dem Herausziehen der Knolle wurde die Erde geschüttelt und in die Aluminiumbox gegeben. Von jeder Testparzelle wurden fünf Rhizosphären-Bodenproben entnommen, dann zu einer Bodenprobe gemischt und in die Aluminiumbox gegeben. Von jeder Testparzelle wurden zwei Aluminiumbox-Rhizosphärenböden gesammelt – einer für die Agglomerationsanalyse und der andere für die Bodeneigenschaften. Insgesamt wurden 24 Bodenproben aus Aluminiumkisten gesammelt. Der Aluminiumkastenboden zur Messung der Bodeneigenschaften wurde in zwei Teile geteilt, einen für die chemischen Eigenschaften und einen für die mikrobielle Analyse im Kühlschrank bei −80 °C.

Entfernen Sie Wasser aus dem Boden, schneiden Sie die trockene Bodenprobe ab, entfernen Sie das überschüssige Korn und wählen Sie eine relativ glatte Stelle als Testebene. Tragen Sie elektrisch leitfähigen Klebstoff auf den Arbeitstisch auf, sprühen Sie dann den Ionenspray auf die Oberfläche der Bodenprobe und legen Sie sie zur Analyse in die Probenkammer. Die Beschleunigungsspannung beträgt 10kV31. Die Vergrößerung beträgt 200-fach.

Trocknen Sie die Erde zur späteren Verwendung in einer Aluminiumbox im Innenbereich. Die wasserstabilen Aggregate wurden mit der Nasssiebmethode bestimmt. Die mechanische Stabilität von Aggregaten wurde mit der Trockensiebmethode32 bestimmt.

Die organische Bodensubstanz (SOM), der Gesamtstickstoff (TN), der im Boden verfügbare Phosphor (SAP), das im Boden verfügbare Kalium (SAK) und die Bodentextur wurden durch Kaliumdichromat-Oxidation und externe Erwärmungsmethode, Kjeldahl-Stickstoffbestimmungsmethode und Natriumbicarbonatextraktion bestimmt und Molybdän-Antimon-Antispektrophotometrie, Natriumnitrat-Extraktion und Natriumtetraphenobor-Turbidimetrie-Methode sowie Malvern-Laser-Partikelgrößenanalyse33,34.

Die PCR-Amplifikation der variablen Regionen V3-V4 wurde mit den Primern 338F (5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3') und 806R (5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3') durchgeführt. Die PCR-Produkte wurden mit 2 % Agarosegel gereinigt, mit Tris-HCl eluiert und durch 2 % Agarose-Elektrophorese nachgewiesen. Für den quantitativen Nachweis wurde Quanti FluorTM-ST (Promega, USA) verwendet. Für die Sequenzierung wurde die Miseq PE300-Plattform von Illumina verwendet35.

Zur Sortierung der Daten und Analyse der Grundmerkmale wurde Excel 2019 verwendet. Die SPSS-Software (Version v.19.0) wurde verwendet, um statistische Tests an den Testdaten durchzuführen (https://www.ibm.com/cn-zh/products/spss-statistics). Die Pearson-Korrelationsanalyse wurde auch mit der Software SPSS 19.0 durchgeführt. Die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft basiert auf der Datentabelle im Ordner tax_summary_a, die mit R-Sprachtools erstellt wurde. Der Diversitätsindex wurde mit Mothur (Version v.1.30.2) analysiert.

Alle Eingriffe mit Pflanzen wurden gemäß den Richtlinien und Vorschriften durchgeführt.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind im [INSDC]-Repository verfügbar, und die Sequenzierungsdaten sind bei NCBI (SRA) verfügbar: [SRR22797124, SRR22797123, SRR22797122, SRR22797121, SRR22797120, SRR22797119, SRR22797118, SRR2279 7117, SRR22797116 SRR22797115, SRR22797114, SRR22797113, SRR22797112, SRR22797111, SRR22797110, SRR22797109, SRR22797108, SRR22797107, SRR22797106, SRR22797105 , SRR22797104, SRR22797103, SRR22797102, SRR22797101], BioProject: [PRJNA913429], BioSample: [SAMN32298774, SAMN32298775, SAMN32298776, SAMN32298777, SAMN32298 778 , SAMN32298779, SAMN32298780, SAMN32298781, SAMN32298782, SAMN32298783, SAMN32298784, SAMN32298785, SAMN32298786, SAMN32298787, SAMN32298788, SAMN32298789, SAMN32298790, SAMN32298791, SAMN32298792, SAMN32298793, SAMN32298794, SAMN32298795, SAMN32298796, SAMN32298797].

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Diese Studie wird finanziell unterstützt vom Technology Innovation Center for Land Engineering and Human Settlements, der Shaanxi Land Engineering Construction Group Co., Ltd. und der Xi'an Jiaotong University (2021WHZ0087, 2021WHZ0093), Natural Science Basic Research Program of Shaanxi (2021JZ-57). ), Shaanxi Province Innovative Talents Program-Youth Science and Technology Rising Star Project (2021KJXX-88), Internes wissenschaftliches Forschungsprojekt der Shaanxi Land Engineering Construction Group (DJNY2022-24, DJNY2022-22). Vielen Dank auch an Li Juan Innovation Studio für die großartige Unterstützung.

Technologieinnovationszentrum für Landtechnik und menschliche Siedlungen, Shaanxi Land Engineering Construction Group Co., Ltd. und Xi'an Jiaotong University, Xi'an, 710075, China

Zhen Guo, Juan Li, Yang Zhang, Huanyuan Wang und Wanying Li

Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co., Ltd., Xi'an, 710075, China

Zhen Guo, Juan Li, Yang Zhang, Huanyuan Wang und Wanying Li

Institut für Landtechnik und Technologie, Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co., Ltd., Xi'an, 710021, China

Zhen Guo, Juan Li, Yang Zhang, Huanyuan Wang und Wanying Li

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Alle Autoren waren an der Durchführung der Experimente beteiligt. ZG und JL haben das Manuskript geschrieben, ZG und YZ haben das Manuskript überarbeitet und WYL und HYW haben die Daten verarbeitet und die Zahlen vorbereitet. ZG und HYW konzipierten und gestalteten die Experimente. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Zhen Guo.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Guo, Z., Li, J., Zhang, Y. et al. Das weiche Gestein kann die Verbesserung des äolischen Sandbodens im Mu Us Sandy Land, China, fördern. Sci Rep 13, 11813 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38928-7

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Eingegangen: 14. Dezember 2022

Angenommen: 17. Juli 2023

Veröffentlicht: 21. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38928-7

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