生物質炭對酸性菜地土壤氮素礦化和N2O排放的影響

丁愛芳,張芯源,夏筱莉,柳 勇

(1. 南京曉莊學院 環境科學學院,江蘇 南京 211171;2. 廣東省生態環境與土壤研究所,廣東 廣州 510650 )

在我國南方酸性土壤分布地區,高經濟價值的蔬菜種植十分普遍,由于高強度連作,長期偏施氮肥等化學肥料,導致菜地土壤酸化,土壤氮素礦化作用受到影響,氮素淋洗和反硝化損失風險增加[1,2]。N2O是一種重要的溫室氣體,土壤是N2O的重要排放源,主要是通過微生物參與土壤硝化與反硝化過程產生的,氮肥的大量使用,造成了土壤N2O的高排放[3,4]。土壤性質如土壤溫度、pH值、有機碳、全氮、水分等性質影響土壤N2O的排放[5,6]。因此,改善土壤理化性質,降低N2O等溫室氣體排放一直是環境科學研究的熱點。

生物質炭是生物質在高溫無氧或缺氧環境中經熱裂解過程形成的固體產物,是高度芳香化的固態物質,性質穩定,具有孔隙度高、比表面積大、吸附性強等特性,可降低土壤酸度,促進土壤有機碳的固定,增加土壤的保肥性和持水性,提高土壤氮素的有效性,進而減少農業面源污染,增加作物的產量,是一種非常有潛力的土壤改良劑[7,8]。作為土壤改良劑,生物質炭通過改變土壤理化性質,直接或間接影響參與土壤氮循環相關的微生物群,影響土壤氮循環[9]。Song等研究發現生物質炭降低了土壤活性氮濃度和土壤氮循環相關酶活性,使毛竹林土壤N2O排放降低了28.8%～31.3%[10],張秀玲等研究發現生物質炭顯著降低了華北平原4種典型土壤N2O的排放量[11],孫贇等研究發現酸化茶園土壤中,生物質炭通過抑制土壤硝化和反硝化作用降低土壤N2O的排放[12]。但Yanai等研究發現生物質炭促進土壤N2O的排放[13],Scheer等研究認為生物質炭對土壤N2O排放沒有影響[14]。

生物質炭對N2O排放的影響,因土壤性質、生物質炭的來源、性質及其施用量等因素不同常有較大差異[15,16]。目前針對生物質炭對南方酸性菜地土壤氮素礦化和N2O排放的影響研究還較少。因此,本文以廣州市近郊某蔬菜種植基地的土壤為對象,研究生物質炭施加對酸性菜地土壤氮素礦化和N2O排放的影響,為探討生物質炭調控菜地土壤氮循環、減少土壤氮素損失提供實驗和理論依據。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試土壤采自廣州市近郊某蔬菜種植基地,該區屬于亞熱帶季風氣候,日照充足,降水豐富。土壤采集深度為0～20 cm,于陰涼通風處自然風干,剔除植物殘體等雜質,研磨過2 mm篩備用。

供試生物質炭為水稻殼炭(RB)和棕櫚絲炭(PB)兩種,購買自南京勤豐眾成生物質新材料有限公司,生物質炭均在450 ℃缺氧條件下炭化制成。將購買來的兩種生物質炭置于烘箱中105 ℃烘干,在干燥器中自然冷卻,研磨過1 mm篩備用。

供試土壤和生物質炭基本理化性質見表1。

表1 供試土壤和生物質炭基本理化性質

1.2 實驗設計

實驗設置10個處理:無外源添加物處理(CK)、添加3%和6%水稻殼生物質炭(3%RB和6%RB)、添加3%和6%棕櫚絲生物質炭(3%PB和6%PB),只施氮肥處理(N)、施氮肥和水稻殼炭(3%RB+N和6%RB+N)、施氮肥和棕櫚絲生物質炭(3%PB+N和6%PB+N)。每個培養瓶中裝入150 g處理過的土壤(干質量),采用尿素作為實驗外加氮源,施氮量為150 mg/kg。每個處理做 6 個重復,其中 3 個重復用來采集氣體,另 3個重復在培養周期內定期取土,用于測定土壤無機氮含量。

調節土壤水分至田間持水量的50%,培養7 d進行活化,以消除干濕效應和激活微生物?；罨Y束后,按照實驗設計要求將生物質炭、尿素和土壤混合均勻后,裝入250 mL培養瓶中,加蒸餾水調節至土壤田間持水量的65%,用保鮮膜覆蓋在培養瓶瓶口處,然后用針對保鮮膜扎出大小均勻的孔,將扎好孔的培養瓶放置于30 ℃的恒溫培養箱中進行培養,在培養期間,用稱重法對土壤進行定期補水。分別在第1、3、5、7、14、21、28、35 d,測定土樣N2O釋放量、土壤銨態氮和硝態氮含量。

1.3 樣品采集以及測定

1.3.1 N2O氣體采樣以及測定方法

氣體于采樣日上午9:00進行采集,采集前,揭掉保鮮膜,向瓶內吹入數分鐘空氣以除去瓶內氣體,隨后迅速用硅膠塞塞住瓶口,并用704膠密封瓶口和塞子之間的空隙。在密封錐形瓶后0及40 min分別用25 mL注射器通過硅膠塞的中間取樣孔采集瓶中氣體5 mL,注入氣相色譜儀(安捷倫GC7890A),N2O濃度用電子捕獲檢測器(ECD)測定,通過標準氣體和待測氣體的峰面積比值計算樣品濃度。

土壤N2O排放通量的計算公式為[4]:

F=ρ×ΔC/Δt×V×[273.15/(273.15+T)]/m

(1)

式中:F為N2O的排放通量(μg/(kg·h));ρ是標準狀況下的N2O密度(1.964 kg/m3);ΔC/Δt是N2O在錐形瓶內的濃度變化率(10-9/h);V為在培養瓶去除土壤的空間體積(m3);T是采氣時環境溫度(℃);m是培養土烘干后的質量(kg)。

土壤N2O的累積排放量的計算公式為[4]:

(2)

式中:M為N2O累積的排放量(N2O,μg/kg);F為土壤中N2O的排放通量(N2O-N,μg/(kg·h));t為采樣時間(d);i為采樣的次數;ti-ti-1為兩次采樣的間隔天數(d)。

1.3.2 硝態氮、銨態氮的提取和測定方法

1.3.3 土壤其他測定項目及方法

土壤pH值測定玻璃電極電位法(水土質量比2.5∶1);有機碳測定采用重鉻酸鉀-硫酸硝化法;全氮采用半微量凱氏定氮法[18]?？扇苄杂袡C碳(DOC)含量測定按水土質量比5∶1浸提2 h,0.45 μm濾膜過濾,采用TOC儀(德國Elementer Vario)測定。

1.4 數據統計

數據用Microsoft Excel 2010進行計算,SPSS 20.0進行單因素方差分析,Duncan法進行多重比較分析處理間的差異。

2 結果與討論

2.1 不同處理對土壤無機氮含量變化的影響

a. 未施氮肥處理;b. 施氮肥處理圖1 不同處理土壤含量的動態變化

a. 未施氮肥處理;b. 施氮肥處理圖2 不同處理土壤含量的動態變化

從圖2(b)可以看出,施氮處理中土壤硝態氮含量呈增加趨勢,在1～21 d培養期間,土壤中硝態氮含量呈顯著上升趨勢,在21～35 d培養期間,變化緩慢,含量較穩定。與單施尿素(N)相比,生物質炭配施尿素處理,不同程度降低了土壤中硝態氮含量,在培養結束時,單施尿素處理(N)土壤硝態氮含量最大,可達273.6 mg/kg,生物質炭尿素配施處理土壤硝態氮含量在206.3～240.8 mg/kg之間,比單施尿素處理(N),降低了12.0%～24.6%。棕櫚絲炭配施的降低作用大于稻殼炭,6%生物質炭添加處理降低作用高于3%生物質處理。

2.2 不同處理對菜地土壤凈氮轉化的影響

培養結束后,分別計算不同處理土壤凈礦化量、土壤凈硝化量等指標,并分別對施氮肥和不施氮肥兩種狀況下的處理進行差異性比較,結果如表2。從表2可以看出,施氮肥和不施氮肥兩種狀況下,添加生物質炭處理都顯著降低了菜地土壤氮礦化量、凈硝化量、凈氮礦化速率和凈硝化速率(P<0.05),生物質炭類型和添加量不同,下降幅度不同。在不施氮肥處理中,隨著稻殼炭(RB)添加量的增加,氮礦化量、凈硝化量及速率增加,棕櫚絲炭(PB)表現出相反的趨勢;在施氮肥處理中,氮礦化量、凈硝化量及速率都隨生物質炭添加量的增加而降低,相同添加量下,棕櫚絲炭的降低作用大于稻殼炭,但沒有顯著差異。與CK相比,添加生物質炭處理均抑制了土壤硝化作用,土壤硝化抑制率為23.2%～37.3%,6%PB處理抑制作用最大,與其他處理存在顯著差異(P<0.05);與單施氮肥(N)相比,生物質炭與氮肥配施處理也抑制了土壤硝化作用,土壤硝化抑制率為12.0%～23.4%,6%RB+N處理抑制作用最大,與3%RB+N處理存在顯著差異(P<0.05)。

表2 菜地土壤凈氮轉化速率

圖3 不同處理土壤N2O排放通量的動態變化

2.3 不同處理對土壤N2O排放影響

2.3.1 不同處理土壤N2O排放通量的動態變化

圖3表示不同處理對土壤N2O排放通量的影響。從圖3可以看出,不同處理土壤N2O排放通量變化趨勢基本相同,在培養1～3 d升高,在第3 d達到峰值,單施尿素最高,可達到3.57 μg/(kg·h),遠高于其他各處理。隨后,各處理N2O排放通量處于降低階段,對照和單施生物質炭處理在培養7 d以后,單施尿素及其與生物質炭配施處理在14 d以后,N2O排放通量處于較低排放水平,低至0.05～0.08 μg/(kg·h)之間。與對照相比,添加生物質炭對土壤N2O排放通量有不同程度的降低作用,施入尿素,顯著提升了N2O排放通量,與單施尿素相比,生物質炭與尿素配施均降低了N2O排放通量,不同生物質炭的降低作用不同,稻殼炭的降低作用優于棕櫚絲炭,6%施用量的降低作用高于3%施用量。

圖4 不同處理土壤N2O排放累積量注:不同字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。

2.3.2 不同處理對N2O排放累積量的影響

圖4表示了各處理在培養時間內所釋放出的N2O排放累積量。從圖4可以看出,對照處理(CK)N2O排放總量為72.6 μg/kg,單施生物質炭處理N2O排放總量在44.1～68.6 μg/kg之間,比對照降低了5.5%～39.3%,6%RB處理降低作用最顯著(P<0.05),其他處理之間差異不顯著。尿素施入顯著增加了土壤N2O排放總量,達到了383.7 μg/kg,生物質炭與尿素配施處理N2O排放總量在163.2～302.7 μg/kg之間,比單施尿素處理降低了21.1%～57.5%,生物質炭添加量越高,降低作用越大,稻殼炭降低作用高于棕櫚絲炭(P<0.05)。

3 結 論

通過35 d土壤室內培養實驗,研究了稻殼炭、棕櫚絲炭以及配施尿素對酸性菜地土壤銨態氮、硝態氮含量變化過程以及N2O排放的影響,結論如下:

(1) 與CK和施氮肥相比,添加生物質炭影響了土壤礦化過程,顯著降低了菜地土壤氮礦化量、凈硝化量、凈氮礦化速率和凈硝化速率(P<0.05),抑制了土壤硝化作用,6%RB+N處理抑制作用最大。

(2) 生物質炭施加降低了土壤N2O排放通量,不同處理N2O排放通量變化過程和土壤銨態氮含量變化過程較一致,兩者之間呈顯著正相關,與土壤硝態氮含量變化過程相反,呈顯著負相關。

(3) 與CK相比,施加生物質炭顯著降低了N2O排放累積量,比對照降低了5.5%～39.3%;單施尿素顯著增加了土壤N2O排放累積量,生物質炭與尿素配施處理顯著降低了N2O排放累積量,比單施尿素處理降低了21.1%～57.5%,6%稻殼炭施入量降低作用最顯著。