旱地土壤施用生物炭减少土壤氮损失及提高氮素

分类：论文范文 发表时间：2021-04-20 09:22

　　摘要：该试验采用土柱室内模拟的方法，旱地土壤上分别添加不同比例的生物炭（0、0.5%、2%、4%、6%、8%），通过模拟降雨淋洗，探讨生物炭对旱地土壤氮素动态变化的影响。结果表明：添加生物炭能延缓NO3-和总氮淋洗速度，生物炭添加质量百分数达2%及以上时，可显著降低总氮和NH4+淋洗，其添加质量百分数达4%及以上时，可显著降低NO3-淋洗，而添加少量生物炭对氮的淋洗无影响；NO3-淋洗量占旱地土壤氮素淋洗总量的84%～90%，而NH4+仅占0.4%～2%；各处理下不同土层间土壤全氮含量均无差异，而不同处理间土壤全氮含量差异显著，当生物炭添加质量百分数达2%及以上时，土壤全氮含量随生物炭添加量的增加而增加，且生物炭添加百分数与土壤全氮之间满足极显著的指数关系（R2=0.9944）。因此，在旱地土壤上施用生物炭量至少达2%以上才能显著减少氮素淋洗和增加土壤全氮含量，达到减少土壤氮素损失和提高氮素利用率，减少由氮素带来的环境污染以及改善土壤肥力的综合目标。

　　关键词：氮；土壤；碳；生物炭；淋洗；硝态氮；铵态氮

　　0引言

　　氮肥利用率低的问题是一个世界性的难题，据统计，中国主要粮食作物的氮肥利用率为27.5%，呈逐渐下降趋势[1]，尤其在旱地土壤上种植的蔬菜作物，由于施肥量较高，氮肥利用率仅在10%左右[2]。过量氮肥施用和较低氮肥利用率导致氮素以不同方式进入环境，其中氮的淋溶作用是土壤氮素损失途径之一，约占施氮量的2%，而在多雨年份则可达19%[3]，对地表水和地下水产生极大的危害[4-5]，因此如何提高氮肥利用率，减少氮素损失是迫切需要解决的关键问题。

　　1试验材料与方法

　　1.1试验材料

　　1.1.1供试土壤

　　供试土壤采自湖南省长沙市长沙县榔梨镇（28°11′0.72′′N，113°06′23.79′′E）长期种植蔬菜基地的代表性旱地耕作层（0～20cm），属亚热带大陆性季风气候，年平均气温为17.2°C，年降雨量为1360mm，土壤母质为第四纪红壤（Alisols），质地以砂壤为主。采集土样风干后，挑去肉眼可以看见的细根和石块后过5mm筛保存备用。供试土壤基本理化性质为pH值：5.18，有机质：14.66g/kg，全氮：1.61g/kg，全磷：0.81g/kg，碱解氮：123.62mg/kg，速效磷：45.22mg/kg，土壤容重：1.11g/cm3，有机碳：0.85%。

　　1.1.2生物炭

　　以玉米秸秆为原材料，在500～550°C下限氧烧制而成，研磨后过2mm筛，生物炭性质：pH值为10.08，C质量分数为51.8%，H质量分数为2.65%，N质量分数为1.11%，O质量分数为45.2%，S质量分数为0.39%，比表面积为282m2/g，灰分为37.3%，碱解氮为191.80mg/kg。

　　1.2试验方法

　　1.2.1试验设计

　　试验共设置7个处理（CK、CF、BC0.5、BC2、BC4、BC6、BC8），分别代表不施肥以及施肥下添加不同比例的生物炭（0、0.5%、2%、4%、6%、8%），其中生物炭添加的比例是按添加生物炭量为土壤全质量（干质量）的百分数，重复4次。施肥量与当地常规施肥量一致，即每个土柱加0.512g尿素，相当于施氮量为300kg/hm2。

　　1.2.2试验设计

　　模拟降雨时，在模拟土柱顶层土中间放置一张滤纸，并用注射器缓缓加入蒸馏水，使蒸馏水均匀通过土体下渗。土柱装好后的前7天，每天在土柱上端用注射器缓缓注入78mL的去离子水，折合降雨量为10mm，历时1h，让尿素在土壤中充分反应，以使施入土壤中的尿素完成铵化作用和硝化作用。待有淋洗液流出时，从第7天正式开始模拟降雨，每隔7天降1次雨，参照当地平均降雨量每次降雨205mL，折合降雨量26.1mm。共模拟降雨10次，历时70d。

　　2结果与分析

　　2.1生物炭对氮素淋洗的影响

　　2.1.1生物炭对淋洗液体积的影响

　　由图2可知，整个培养期内，CK和BC0.5的淋洗液体积一直维持在180mL左右，无明显变化，而BC2、BC4、BC6和BC8的淋洗液体积随着淋洗时间的增加，均呈先增加后逐渐稳定的趋势，其中B2、BC4和BC6在第14天达到稳定值，BC8则在第28天达到。由此可推断，添加生物炭可保持土壤水分，延缓土壤淋洗液的产生。各处理淋洗液总体积分别为1842±9、1841±10、1828±20、1748±17、1687±14、1608±13和1514±25mL，方差分析与统计结果表明，CK、CF和BC0.5之间无显著相关性，且均显著高于BC2、BC4、BC6和BC8，而这4个处理之间均达到显著性差异（p＜0.05），BC2、BC4、BC6和BC8的总淋洗液体积较CF分别降幅为5.04%、8.34%、12.66%和17.76%，说明随着生物炭的添加量增加，淋洗液总体积逐渐减少，且生物炭添加百分数（x）与淋洗液总体积（y）满足线性方程：y=-39.338x+1838.4，R2=0.9712，n=20（图3）。由此可见，添加生物炭可增加土壤保水能力，添加量越大，保水能力越强，从而减少土壤水分的淋失，间接减少土壤养分的流失。

　　2.1.2生物炭对NH4+淋失的影响

　　各处理NH4+淋失量变化趋势基本一致，均由培养前期的较高水平迅速降低至一个较低水平（第21天）后有1个小幅上升（第28天），之后逐渐降低，培养35d后各处理NH4+淋失量均维持在较低水平（图4）。培养结束后，各处理NH4+累积淋失量如表1所示，其中BC0.5的NH4+累积淋失量大于CF，但差异不显著，表明添加少量生物炭对NH4+的淋洗无影响；BC2、BC4、BC6、BC8的NH4+累积淋失量较CF降幅分别为8.93%、12.50%、23.21%和42.86%，方差分析与统计结果表明，BC2、BC4、BC6、BC8与CF之间均达到显著性差异（p＜0.05），表明生物炭添加量达2%及以上时，可显著抑制NH4+的淋洗，且随其添加量的增加NH4+的淋洗量随之减少。

　　2.2生物炭对不同土层和不同处理土壤全氮含量的影响

　　培养试验结束后，各处理下不同土层间的土壤全氮含量均无显著性差异（表2），而不同处理间的土壤全氮含量有明显差异，其大小关系为：BC8（3.16g/kg）＞BC6（2.75g/kg）＞BC4（2.22g/kg）＞BC2（1.87g/kg）＞BC0.5（1.69g/kg）、CF（1.60g/kg）、CK（1.59g/kg），与CF相比，生物炭处理（BC2、BC4、BC6、BC8）土壤全氮含量增幅分别达14.44%、38.75%、71.88%、97.50%。方差分析与统计结果表明，BC2、BC4、BC6、BC8之间差异均显著（p＜0.05），而CF与CK、BC0.5之间差异均不显著，表明施肥和施用少量生物炭对土壤全氮的含量无明显影响，当生物炭添加量达到2%以上时，土壤全氮含量随生物炭添加量的增加而增加，经最优方程选择，生物炭添加百分数（x）与土壤全氮（y）之间满足指数方程：y=1.6e0.0845x，R2=0.9944，n=24（图7）。

　　3讨论

　　整个培养期内，各处理NH4+淋失量均在培养初期最高，而35d后维持在较低水平，表明NH4+的淋洗主要发生在前期，原因是旱地土壤通气透气性好，硝化作用强，其他形式氮转化的NH4+很快通过硝化作用转化为NO3-；各处理NO3-和总氮淋失量前期逐渐升高，后期逐渐降低，随着生物炭添加量的增加，各处理NO3-和总氮淋失量达到峰值的时间逐渐推迟，由此可得出，施用生物炭可对旱地土壤氮素具有缓释作用，与Magrini-Bair等[15]研究结果一致。原因可能是生物炭通过改变土壤空隙大小，土壤溶液滞留时间及流程，来改变土壤溶液的淋洗[16]，本试验中，随着生物炭的增加，前期淋洗液体积逐渐减少（图2），从而延缓了氮的淋失，另外，生物炭对NH4+具有较强吸附力[8]，延缓了NH4+向NO3-转化的速率。因此在农业生产上，应注意各种形式氮素淋洗高峰的时间段，加强此阶段的养分管理，而施用生物炭后，在土壤中持续而缓慢地释放，相当于营养元素的缓释载体，可达到保肥的效果[17]，对提高氮肥利用率和减少氮素损失意义重大。

　　4结论

　　1）随着生物炭添加量的增加，NO3-和总氮淋失量达到峰值的时间逐渐推迟，达到了一种缓释的作用，因此生物炭的施用对提高氮肥利用率和减少氮肥损失具有重要意义。

　　2）生物炭的添加量达4%以上时，可显著减少旱地土壤NH4+、NO3-和总氮等形式氮的淋失，降幅分别达12.50%～42.86%、3.23%～11.87%和4.62%～10.62%，而添加少量生物炭对减少氮素淋失无明显效果，因此利用生物炭防治土壤氮素的淋失，需要使生物炭的施用量达到一定水平。

　　3）施用生物炭量达2%以上时，可显著增加土壤全氮的含量，增幅为14.44%～97.50%，而对不同土层间全氮含量无影响，因此添加生物炭达到一定水平可显著提高土壤全氮含量，达到明显改善土壤氮素肥力的目的。

　　参考文献

　　[1]LehmannJ,daSilvaJP,SteinerC,etal.NutrientavailabilityandleachinginanarchaeologicalanthrosolandaferralsoloftheCentralAmazonbasin:Fertilizer,manureandcharcoalamendments[J].PlantandSoil,2003,249(2):343－357.

　　[2]张斌，刘晓雨，潘根兴，等.施用生物质炭后稻田土壤性质、水稻产量和痕量温室气体排放的变化[J].中国农业科学，2012，45(23)：4844－4853.ZhangBin,LiuXiaoyu,PanGenxing,etal.Changesinsoilproperties,yieldandtracegasemissionfromapaddyafterbiocharamendmentintwoconsecutivericegrowingcycles[J].ScientiaAgriculturaSinica,2012,45(23):4844－4853.(inChinesewithEnglishabstract)

　　[3]DingY,LiuYuxue,WuWeixiang,etal.EvaluationofbiochareffectsonnitrogenretentionandleachinginMulti-layeredsoilcolumns[J].WaterAirSoilPollt,2010,213(1/2//3/4):47－55.

　　高德才1,2,3,4，张蕾1,4，刘强1,2,3,4※，荣湘民1,2,3,4，张玉平1,2,3,4，田昌1,2,3,4

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