不同施肥處理添加生物炭對設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤 不同形態(tài)氮的影響 李婧睿1 任鳳玲2 李亞林3 魏雪勤4 孫楠4 1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 2 生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心 3 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院土壤與水科學(xué)系 4 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 北方干旱半干旱耕地高效利用 全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測與評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 摘要 生物炭在設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤中施用 對土壤氮形態(tài)具有顯著影響 探明不同施肥處理添加生物炭對設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤不同形態(tài)氮 的影響 可為設(shè)施農(nóng)業(yè)施用生物炭減排提供科學(xué)依據(jù) 以設(shè)施菜地土壤 褐潮土 為研究對象 設(shè)置不施肥 CK 施用有機(jī)肥 M 化肥 F 有機(jī)無機(jī)混施 M F 4種處理下投入2 和4 生物炭與土壤干質(zhì)量比 生物炭處理 采用室內(nèi)恒溫好氧培養(yǎng) 氣相色譜測定方法監(jiān)測土壤N2O釋放量 測定土壤中可溶性有機(jī)氮 DON 和無機(jī)氮 Nmin 的含量 并分析DON Nmin含量變化 及其與土壤N2O釋放量變化之間的關(guān)系 研究表明 生物炭的施用在不同條件下對土壤N2O的釋放速率和累積釋放量產(chǎn)生不 同影響 在CK和M處理下 生物炭在施用初期 第0 1 5天 顯著促進(jìn)了土壤中N2O的釋放 但隨后 第2 60天 在CK處理 下 生物炭的添加對N2O的釋放速率和累積釋放量沒有產(chǎn)生顯著影響 同樣地 在M處理下 生物炭的添加也未對N2O的釋放 速率產(chǎn)生顯著作用 然而 在培養(yǎng)結(jié)束時(shí) 添加4 的生物炭顯著提高了土壤中N2O的累積釋放量 值得注意的是 在F和 M F的處理中 生物炭的加入在初期階段 第0 2天 有效地降低了土壤N2O的釋放速率 這種降低效果隨著生物炭施用量的增 加而變得更加顯著 在F和M F處理下 添加生物炭在不同時(shí)間段內(nèi) 第2 25天和第3 14天 顯著增加了土壤N2O釋放速 率 但對該速率的影響在后續(xù)階段并不顯著 培養(yǎng)結(jié)束后 F處理下 添加2 和4 生物炭的土壤N2O累積釋放量分別顯著提 高78 和90 M F處理下 添加2 和4 生物炭的土壤N2O累積釋放量分別顯著提高80 和67 相關(guān)性分析結(jié)果顯示 在施用生物炭的土壤中 DON和Nmin的含量與N2O的排放量之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系 表明生物炭的添加通過調(diào)整土壤 中DON和Nmin的含量 對N2O的排放產(chǎn)生了直接影響 將生物炭投入到不同的施肥土壤中 土壤N2O的釋放速率和累積釋放 量出現(xiàn)不同的變化趨勢 但是由于生物炭自身特性的多樣性 配施化肥和有機(jī)肥種類的差異 施肥方式和時(shí)間的差異等 因此分 析生物炭添加后對土壤N2O累積釋放量影響時(shí) 需要根據(jù)研究時(shí)的具體條件做合理分析 關(guān)鍵詞 生物炭 施肥處理 N2O 土壤溶解性有機(jī)氮 土壤無機(jī)氮 中圖分類號(hào) X53 文章編號(hào) 1674 991X 2024 05 1550 10 doi 10 12153 j issn 1674 991X 20240341 Effects of biochar addition on different forms of nitrogen in facility agricultural soils under various fertilization regimes LI Jingrui1 REN Fengling2 LI Yalin3 WEI Xueqin4 SUN Nan4 1 College of Engineering China Agricultural University 2 Technical Center for Soil Agriculture and Rural Ecology and Environment Ministry of Ecology and Environment 3 Department of Soil and Water Sciences College of Land Science and Technology China Agricultural University 4 State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi arid Arable Land in Northern China Key Laboratory of Arable Land Quality Monitoring and Evaluation Ministry of Agriculture and Rural Affairs Institute of Agricultural Resources and Regional Planning Chinese Academy of Agricultural Sciences Abstract Biochar application in facility agriculture soil has a significant impact on the forms of soil nitrogen 收稿日期 2024 05 20 基金項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 42177341 作者簡介 李婧睿 2005 女 主要從事智慧農(nóng)業(yè)和設(shè)施農(nóng)業(yè)研究 Ljr15910951582 責(zé)任作者 1 任鳳玲 1992 女 博士 主要從事土壤培肥與肥力演變及土壤改良等方面的研究 flren0302 2 孫楠 1975 女 研究員 主要從事土壤培肥與肥力演變及土壤改良等方面的研究 sunnan Vol 14 No 5環(huán) 境 工 程 技 術(shù) 學(xué) 報(bào)第 14 卷 第 5 期 Sep 2024 Journal of Environmental Engineering Technology 2024 年 9 月 李婧睿 任鳳玲 李亞林 等 不同施肥處理添加生物炭對設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤不同形態(tài)氮的影響 J 環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào) 2024 14 5 1550 1559 LI J R REN F L LI Y L et al Effects of biochar addition on different forms of nitrogen in facility agricultural soils under various fertilization regimes J Journal of Environmental Engineering Technology 2024 14 5 1550 1559 Clarifying the effects of different fertilization treatments with the addition of biochar on various forms of nitrogen in the soil of facility agriculture can provide a scientific basis for emission reduction through the application of biochar in facility agriculture The dissolved organic nitrogen DON and inorganic nitrogen Nmin in soil were measured in greenhouse vegetable soil brown fluvio aquic soil after biochar application under different fertilization regimes no fertilizer CK manure M chemical fertilizer F chemical fertilizer plus manure M F using indoor constant temperature aerobic cultivation and gas chromatography Incubation was carried out to investigate N2O release and the contents of DON Nmin after 2 biochar dry soil and 4 biochar application under the different fertilization regimes The influence of biochar addition on soil N2O releases was studied and the correlation between the changes in DON and Nmin contents and soil N2O releases was analyzed The research indicated that the application of biochar had different effects on the release rate and cumulative release of soil N2O under different conditions Under CK and M patterns biochar application significantly increased the rate and amount of soil N2O release in the early period 0 1 5 d During 2 60 d biochar application had no significant effect on the rate and amount of soil N2O release in CK pattern Biochar application had no significant effect on the soil N2O release rate but 4 biochar at the end of the incubation significantly increased the cumulative soil N2O release in M pattern In F and M F treatments biochar application reduced the soil N2O release rate in the early period 0 2 d with an increasingly apparent effect as the amount of biochar applied increased In F and M F treatments biochar application significantly increased the soil N2O release rate during 2 25 and 3 14 d respectively but the effect on the rate was not significant in the subsequent stages After cultivation the cumulative soil N2O release in F and M F treatments with 2 and 4 biochar application were significantly increased by 78 and 90 80 and 67 respectively The correlation analysis results showed that there was an obvious positive correlation between DON and Nmin contents and N2O emission with biochar application The addition of biochar had a direct impact on N2O release by adjusting the contents of DON and Nmin in the soil The release rate and cumulative release of N2O from different fertilized soils showed different trends when biochar was added However due to the diversity of biochar properties the variation in types of chemical and organic fertilizers and differences in fertilization methods and timing a reasonable analysis was required based on the specific conditions of the study when assessing the impact of biochar addition on soil N2O cumulative release Key words biochar fertilization pattern N2O dissolved organic nitrogen in soil soil inorganic nitrogen 當(dāng)前 隨著全球氣溫的上升 公眾對人類活動(dòng)所 引發(fā)的溫室氣體排放及其對全球氣候變化的影響越 來越關(guān)注 氧化亞氮 N2O 作為一種重要的溫室氣 體 其在百年時(shí)間尺度上的全球增溫潛勢 GWP 是 二氧化碳 CO2 的298倍 1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)是重要 的N2O排放源 其產(chǎn)生的N2O量占全球N2O總排放 量的60 75 2 3 因此 當(dāng)前需要迫切采取優(yōu)化的 農(nóng)田管理措施來減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中N2O的排放 生物炭一般是指將農(nóng)林廢物經(jīng)高溫厭氧裂解形成的 特殊類型的復(fù)雜有機(jī)碳 其結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜 通常包含 高度芳香化的組分 這使得它在化學(xué)和生物學(xué)特性 上表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性 能夠較長時(shí)間存在于土壤 中 4 在增加土壤碳庫 提高土壤質(zhì)量 5 和控制溫室 氣體排放 6 等方面發(fā)揮重要作用 已有許多研究探討了生物炭施用對土壤N2O排 放的影響 結(jié)果表明 將化肥與生物炭混合施用 有 助于減少N2O的排放量 7 而且農(nóng)田土壤N2O排放 量的降低幅度會(huì)隨著生物炭用量的增加而提高 減 排程度可達(dá)80 8 此外 Cayuela等 9 在14種農(nóng)田 土壤上施用生物炭 結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加2 生物炭處理土 壤 N2O的減排量為10 90 但也有學(xué)者認(rèn)為 生物炭施用之后對土壤中的N2O排放無顯著降低或 者促進(jìn)作用 10 11 造成以上結(jié)果差異的主要原因是 生物炭的種類 來源以及制備條件不同 同時(shí)不同研 究的農(nóng)田土壤類型存在較大的差異 目前 大多數(shù) 生物炭施用對農(nóng)田土壤N2O排放影響的研究主要是 關(guān)注于生物炭的制備技術(shù)方面 如制備溫度 持續(xù)時(shí) 間 12 13 原材料 14 等 以及某種土壤類型上施用特定 生物炭的效果 12 雖然 已有一些學(xué)者開展了有機(jī) 肥配施生物炭的研究 但是大多數(shù)研究主要關(guān)注生 物炭添加對堆肥過程 效果以及養(yǎng)分釋放方面的影 響 15 16 生物炭與其他肥料 如化肥或有機(jī)肥 配合 施用時(shí) 提高了土壤中可利用養(yǎng)分的含量 對作物生 長和發(fā)育具有積極作用 同時(shí)促進(jìn)土壤中養(yǎng)分 如碳 和氮等元素 的吸收與固定 17 相比單施化肥或者 生物炭和有機(jī)肥配合化肥施用 單施生物炭或者生 第 5 期李婧睿等 不同施肥處理添加生物炭對設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤不同形態(tài)氮的影響 1551 物炭結(jié)合有機(jī)肥施用對溫室氣體減排的效果更好 18 有研究發(fā)現(xiàn) 當(dāng)有機(jī)肥與生物炭配合施用時(shí) 施加有 機(jī)肥顯著提高了土壤反硝化勢 但是施加生物炭顯 著降低了土壤反硝化勢 最終的結(jié)果存在較大不確 定性 19 因此 當(dāng)前關(guān)于生物炭施用對土壤中 N2O排放的影響 尤其是生物炭與有機(jī)肥配合施用 的效果 學(xué)術(shù)界尚未達(dá)成一致的結(jié)論 NH 4 由于蔬菜生長周期短和經(jīng)濟(jì)效益高 在追求蔬 菜產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的過程中 農(nóng)戶往往會(huì)過量施用 肥料 這在蔬菜種植中尤為常見 其施肥量通常超出 了大田作物的需求 20 加之蔬菜種植具有特有的封 閉生長環(huán)境 頻繁的灌溉需求以及高復(fù)種指數(shù)等特 性 21 快速增長的集約化菜地與大量氮肥的投入 不 僅影響了土壤中養(yǎng)分的有效利用 還可能引發(fā)土壤 和水體的污染問題 導(dǎo)致N2O大量排放 22 本研究 旨在通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn) 評估不施肥 CK 施用有 機(jī)肥 M 施用化肥 F 以及有機(jī)肥與化肥混合施用 M F 4種施肥模式下 不同量生物炭添加對土壤 N2O排放以及土壤中可溶性有機(jī)氮 DON 無機(jī)氮 N N 含量變化的影響 以期為通過添加 生物炭來減少土壤中N2O的排放提供科學(xué)依據(jù) 1 材料與方法 1 1 試驗(yàn)地概況 于北京市順義區(qū)北務(wù)鎮(zhèn)的康鑫源生態(tài)農(nóng)業(yè)觀光 園 116 49 52 E 40 12 03 N 的溫室中 收集了0 20 cm土層的土壤樣本 該土壤樣本為褐潮土 其基礎(chǔ) 理化特性如下 土壤有機(jī)碳含量為13 68 g kg 全鉀 含量為14 07 g kg 全磷含量為1 90 g kg 全氮含量 為1 44 g kg 土壤pH為7 22 去除土壤中的雜質(zhì) 并使其自然風(fēng)干 通過研磨和篩選 得到粒徑小于2 mm的土壤樣本 以備后續(xù)試驗(yàn)使用 試驗(yàn)中施用的肥料包括有機(jī)肥 生物炭和化 肥 其中施用的有機(jī)肥為商品有機(jī)肥 生產(chǎn)廠家為 北京市美施美生物科技有限公司 畜禽糞便 蚯蚓糞 和作物秸稈等經(jīng)高溫發(fā)酵加工而成 不含有任何化 肥成分 化肥氮肥為尿素 來自中國國藥集團(tuán) 生物 炭由遼寧省金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司提供 原料為 含水量小于20 的作物秸稈在低于700 高溫缺 氧條件下裂解的生物炭 這些有機(jī)物料在風(fēng)干后 經(jīng)過篩選 粒徑小于2 mm 其基本性質(zhì)詳見表1 1 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)12個(gè)處理 1 CK 不施肥 2 3 商品 有機(jī)肥 有機(jī)肥與土壤干重質(zhì)量比 M 3 單施化肥 F 4 有機(jī)肥配施化肥 M F 5 2 生物炭 生物 炭與土壤干重質(zhì)量比 B1 6 4 生物炭 B2 7 M混施2 生物炭 M B1 8 M混施4 生物炭 M B2 9 F混施2 生物炭 F B1 10 F混施 4 生物炭 F B2 11 M F混施2 生物炭 M F B1 12 M F混施4 生物炭 M F B2 不同 處理的肥料添加量如表2所示 表 2 不同處理的肥料以及C N添加量 Table 2 Amount of materials added and input of C and N in different treatments 處理鮮土質(zhì)量 g商品有機(jī)肥添加量 g尿素添加量 g生物炭添加量 g CK 71 43 M 71 43 1 8 F 71 43 0 054 5 M F 71 43 1 8 0 054 5 B1 71 43 1 2 B2 71 43 2 4 M B1 71 43 1 8 1 2 M B2 71 43 1 8 2 4 F B1 71 43 0 054 5 1 2 F B2 71 43 0 054 5 2 4 M F B1 71 43 1 8 0 054 5 1 2 M F B2 71 43 1 8 0 054 5 2 4 在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所 農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了一系列 的培養(yǎng)試驗(yàn) 試驗(yàn)的首要階段是預(yù)培養(yǎng)階段 旨在 激活和增強(qiáng)土壤微生物的活性 為后續(xù)試驗(yàn)創(chuàng)造更 為適宜的環(huán)境條件 試驗(yàn)采用自然干燥的土壤樣 本 通過添加蒸餾水來調(diào)節(jié)土壤濕度 以保持土壤的 疏松性并避免結(jié)塊 操作步驟為 邊向2 mm篩過的 風(fēng)干土壤中加入蒸餾水 邊進(jìn)行攪拌 直至土壤濕度 達(dá)到大約60 的田間持水量 WHC 之后 將均勻 混合的土壤樣品放入恒溫培養(yǎng)箱 設(shè)定溫度為25 相對濕度為60 在無光條件下進(jìn)行為期1周的 預(yù)培養(yǎng) 預(yù)培養(yǎng)階段結(jié)束后 準(zhǔn)確稱量71 43 g土壤 放 入300 mL容量的培養(yǎng)容器中 依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì) 將所 需的試驗(yàn)材料加入到每個(gè)容器中 接著 通過玻璃 表 1 添加物料的基本性質(zhì) Table 1 Basic properties of materials used 物料有機(jī)碳含量 g kg TN含量 g kg TP含量 g kg TK含量 g kg pH 有機(jī)肥138 1 14 13 6 33 30 88 8 09 生物炭374 4 2 25 1 9 15 18 9 76 1552 環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)第 14 卷 棒進(jìn)行攪拌 以確保試驗(yàn)材料能夠均勻且充分地融 入土壤中 攪拌完成后 密封容器口 并將其置于溫 度為25 的恒溫培養(yǎng)箱中 啟動(dòng)培養(yǎng)計(jì)時(shí)器 培養(yǎng) 過程持續(xù)60 d 在此期間 為維持土壤濕度 定期對 培養(yǎng)容器進(jìn)行稱重 并補(bǔ)加必要的蒸餾水 1 3 土樣的采集及指標(biāo)測定 NH 4 NO 3 NH 4 每個(gè)試驗(yàn)處理都設(shè)有16個(gè)重復(fù) 其中 4個(gè)重 復(fù)專門用于收集氣體樣本 余下的12個(gè)重復(fù)則在培 養(yǎng)周期的第12天 第24天 第36天和第60天通 過破壞性采樣方法 對土壤中的DON以及 N N進(jìn)行分析測定 DON的測定采用硫酸 鉀 K2SO4 溶液浸提 multi N C3100 德國耶拿 N N測定采用KCl浸提 FLAstar 5000 德國福斯 1 4 氣樣的采集及指標(biāo)測定 試驗(yàn)培養(yǎng)開始后 第1天每12 h進(jìn)行1次樣本 采集 第2 7天每天采樣1次 第8 20天每48 h采 樣1次 第20 30天每72 h采樣1次 第30 60天每 隔120 h采樣1次 整個(gè)周期內(nèi)共采集樣本25次 氣體樣本的采集和分析方法參照文獻(xiàn) 23 24 所有 采集到的氣體樣本在24 h內(nèi)通過氣相色譜儀 Agilent 7 890 進(jìn)行N2O濃度的測定 氣相色譜的 運(yùn)行條件設(shè)置如下 分別使用火焰離子化檢測器 FID 和電子捕獲檢測器 ECD 測定N2O濃度 其工 作溫度分別為250和350 色譜柱箱保持在60 輔助區(qū)域 鎳催化劑轉(zhuǎn)化器 的溫度設(shè)定為375 載氣和輔助氣體的流量分別設(shè)置為氫氣 H2 60 mL min 空氣500 mL min 氮?dú)?N2 2 mL min 氬甲 烷40 mL min 1 5 數(shù)據(jù)計(jì)算 N2O產(chǎn)生速率計(jì)算公式 24 如下 F 273 Qt Q0 V M 1 00022 4 273 T m t 1 F V Qt Q0 式中 為N2O產(chǎn)生速率 g kg h 為培養(yǎng)容器 內(nèi)的氣體體積 L m為土壤樣本的干質(zhì)量 kg 和 分別為常溫條件下 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)和初始時(shí)通過氣 相色譜法測定的N2O濃度 mg kg t為培養(yǎng)時(shí)間 h M為N2O摩爾質(zhì)量 g mol T為培養(yǎng)過程中的溫 度 1 6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析 數(shù)據(jù)初步整理工作采用Excel 2010軟件完成 利用SPSS對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析 圖形的繪制通過 Sigmaplot 12 5軟件實(shí)現(xiàn) 在統(tǒng)計(jì)分析過程中 主要 應(yīng)用方差分析 ANOVA 來評估不同處理間的差異 并進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)以判斷結(jié)果的統(tǒng)計(jì)意義 采用 Duncan進(jìn)行不同處理間的多重比較分析 2 試驗(yàn)結(jié)果 2 1 不同施肥處理下添加生物炭土 壤 N2O排放特征 如圖1所示 培養(yǎng)期間 不同施肥處理下的土壤 N2O排放速率存在明顯的差異 但變化趨勢相同 即 初期排放速率較高 隨后隨時(shí)間推移逐漸降低 在 深入分析4種施肥模式下生物炭添加對土壤N2O釋 放速率的具體影響時(shí)發(fā)現(xiàn) 在CK處理中 N2O的排 放速率為0 01 0 02 g kg h 圖1 a 在培養(yǎng)的 前1 5 d內(nèi) B1和B2處理的土壤N2O排放速率迅速 上升 分別達(dá)到了0 09 0 15和0 06 0 14 g kg h 生物炭添加顯著提升了N2O的排放水平 然而 在 接下來的培養(yǎng)時(shí)間段內(nèi) 這2個(gè)處理對N2O的釋放 速率并未產(chǎn)生顯著影響 圖1 b 同樣地 M處理 下的N2O釋放速率為0 03 0 08 g kg h 而添加 2 和4 生物炭后 土壤中N2O的釋放速率分別 為0 07 0 12和0 09 0 17 g kg h 顯著提升了 N2O的釋放速率 F處理在培養(yǎng)初期前1 5天的 N2O釋放速率較高 為4 23 9 91 g kg h 然而添 加2 和4 生物炭后 N2O釋放速率分別降至 0 54 8 95和0 52 8 54 g kg h 圖1 c 總體 上 生物炭添加量增加會(huì)抑制N2O的排放 而在培 養(yǎng)的第2 25天內(nèi) 添加生物炭顯著促進(jìn)了N2O的排 放 在M F施肥處理下 土壤在培養(yǎng)前2 d的 N2O釋放速率為5 60 13 94 g kg h 當(dāng)添加2 和4 的生物炭后 釋放速率分別降至0 94 11 04 和0 71 10 21 g kg h 盡管在初始階段生物炭的 添加似乎導(dǎo)致N2O的釋放速率變慢 但在隨后的第 3 14天培養(yǎng)期內(nèi) 添加生物炭的處理卻顯著提高了 N2O的釋放速率 在M F處理中 N2O排放的峰值 通常出現(xiàn)在培養(yǎng)的第0 5 6 0天 尤其在第1 5天時(shí) 達(dá)到最高 速率為13 94 g kg h 圖1 d 相比 之下 添加2 和4 生物炭的處理中 N2O排放的 峰值出現(xiàn)在第1 7天 且在第6天時(shí)達(dá)到最高 分別 為33 53和33 00 g kg h 其不僅顯著高于M F 處理的排放速率 還延長了N2O排放的持續(xù)時(shí)間 并 推遲了排放峰值的出現(xiàn) 圖2呈現(xiàn)了60 d培養(yǎng)期結(jié)束后 不同施肥處理 下土壤中N2O的累積釋放量 以及添加2 和 4 生物炭對累積釋放量的影響 結(jié)果表明 生物炭 的添加對土壤中N2O的累積釋放量具有顯著的施肥 模式依賴性 具體來說 在CK處理以及分別添加 2 和4 生物炭的處理中 N2O的累積釋放量均穩(wěn) 定在同一水平 分別為50 56 47 95和47 29 g kg 圖2 a M處理在培養(yǎng)結(jié)束時(shí) N2O的累積釋放 第 5 期李婧睿等 不同施肥處理添加生物炭對設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤不同形態(tài)氮的影響 1553 量為55 04 g kg 而添加2 和4 生物炭后 N2O 的累積釋放量顯著增至63 05和76 63 g kg 顯示生 物炭的添加量增加導(dǎo)致N2O累積釋放量的顯著增加 圖2 b F處理在培養(yǎng)結(jié)束時(shí) N2O的累積釋放 量為1181 05 g kg 添加2 和4 生物炭后 N2O 的累積釋放量分別顯著增至2 094和2 247 g kg 分 別提高了78 和90 圖2 c M F處理在培養(yǎng) 結(jié)束時(shí) N2O的累積釋放量為1 733 g kg 添加 2 和4 生物炭后 N2O的累積釋放量分別為3 12 7和2 899 g kg 與M F處理相比 分別提高了80 和67 圖2 d 2 2 不同施肥處理下添加生物炭土壤不同形態(tài)氮變 化特征 隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長 土壤DON含量呈現(xiàn)逐漸 下降的趨勢 圖3 除了CK處理在培養(yǎng)第24天時(shí) DON含量略有改變外 M F和M F 3種處理中 添 加2 和4 生物炭的土壤在培養(yǎng)第36天時(shí)DON 含量有顯著變化 在所有施肥條件下 生物炭的添 加都導(dǎo)致了DON含量的降低 且生物炭施用量的增 加使得DON含量的降低更為顯著 圖4揭示了不同處理在培養(yǎng)過程中對土壤 Nmin含量變化的顯著影響 呈現(xiàn)先下降后上升的趨 勢 最低點(diǎn)出現(xiàn)在培養(yǎng)的第36天 相較于未添加生 物炭的CK處理 43 78 50 55 mg kg 添加2 和 4 的生物炭顯著降低了Nmin含量 分別為 31 97 50 10和21 69 47 94 mg kg M處理中 生物 炭的添加效果變化比較復(fù)雜 在第12天和第60天 生物炭的添加導(dǎo)致土壤Nmin含量呈現(xiàn)降低 在培養(yǎng) 的第24天和第36天 生物炭的添加并未對Nmin含 量產(chǎn)生顯著影響 在F的處理中 培養(yǎng)的第12天 土壤中添加2 和4 生物炭后Nmin含量分別為 46 85和45 81 mg kg 培養(yǎng)的第24天 土壤中添加 2 和4 生物炭后Nmin含量分別為44 33和44 44 mg kg 與同期未添加生物炭的F處理 46 51和 45 16 mg kg 相比 均有所降低 但值得注意的是 在培養(yǎng)結(jié)束時(shí) 在M和F的處理中 土壤中添加2 和 4 生物炭后 Nmin 含量上并沒有表現(xiàn)出顯著差 異 在M F的處理中 除了第36天之外 添加 圖 1 不同施肥處理下土壤中N2O釋放速率 Fig 1 Release rates of N2O in soil under different treatments during incubation 1554 環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)第 14 卷 2 和4 生物炭的土壤Nmin含量在培養(yǎng)期間的變 化趨勢較為穩(wěn)定 分別為43 07 46 75和44 44 46 69 mg kg 與未添加生物炭的M F處理 44 98 50 17 mg kg 相比 添加生物炭的處理中Nmin含量均顯著 降低 2 3 土 壤 DON Nmin含量與土 壤 N2O累積釋放量 的相關(guān)性分析 圖5的相關(guān)性分析結(jié)果表明 在施用生物炭的 條件下 土壤中DON和Nmin含量與N2O累積釋放 量之間具有顯著的正相關(guān)性 相關(guān)系數(shù) R2 分別高 達(dá)0 97和0 59 這一發(fā)現(xiàn)揭示了生物炭的施用可能 通過改變土壤中的DON和Nmin水平 間接地調(diào)節(jié) 土壤中N2O的排放 3 討論 在各種施肥模式中 隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長 生物 炭的添加對N2O釋放速率的影響顯著 在培養(yǎng)的早 期階段 前2 d 特別是在F和M F處理的土壤中 生物炭的加入導(dǎo)致了N2O釋放速率的降低 也有研 究發(fā)現(xiàn) 在水稻生產(chǎn)過程中生物炭添加后 水稻生產(chǎn) 前期N2O排放降低幅度較大 25 這一現(xiàn)象可能與生 物炭獨(dú)特的物理性質(zhì)有關(guān) 其多孔結(jié)構(gòu)和較大的比 表面積 26 使其能夠有效吸附土壤和肥料中的可溶性 氮 從而在初期抑制了N2O的排放 27 28 然而 隨著 培養(yǎng)時(shí)間的延長 特別是在F和M F處理下 土壤 中的N2O釋放速率顯著上升 主要是由于化肥中添 加的氮為土壤微生物提供了豐富的氮源 這促進(jìn)了 微生物的增長和活性 從而增加了N2O的生成 隨 著培養(yǎng)過程的進(jìn)行 不同施肥模式下施用生物炭的 土壤中N2O的釋放速率最終逐漸穩(wěn)定下來 這可能 是由于土壤中的 激發(fā)效應(yīng) 隨時(shí)間的推移而減弱 土壤系統(tǒng)開始恢復(fù)其內(nèi)在的平衡狀態(tài) 同時(shí) 生物 炭在土壤中可能經(jīng)歷了 老化 過程 29 其官能團(tuán) 養(yǎng)分狀況和孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化 30 31 導(dǎo)致其吸附活 性降低 這一現(xiàn)象表明 生物炭對土壤N2O排放的 影響是一個(gè)復(fù)雜而動(dòng)態(tài)變化的過程 需要考慮多種 因素的綜合作用 本研究揭示了生物炭輸入對土壤N2O累積釋放 圖 2 不同施肥處理下土壤中N2O累積釋放量 Fig 2 Accumulative release of N2O in soil under different treatments duirng incubation 第 5 期李婧睿等 不同施肥處理添加生物炭對設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤不同形態(tài)氮的影響 1555 量的影響 其效應(yīng)在不同施肥處理下呈現(xiàn)出顯著的 差異 在CK處理下 生物炭的添加顯著減少了 N2O的累積釋放量 然而 在M F和M F處理下 生物炭的添加卻促進(jìn)了N2O的釋放 這是由于受到 培養(yǎng)時(shí)間 生物炭施用量以及施肥策略等多重因素 的影響 生物炭對土壤中N2O排放的調(diào)控作用表現(xiàn) 在多個(gè)方面 32 34 其強(qiáng)大的吸附性能使其能夠高效地 固定土壤中的氣體分子和養(yǎng)分 從而對溫室氣體的 排放進(jìn)行調(diào)節(jié) 其次 生物炭的豐富孔隙結(jié)構(gòu)不僅 改變了土壤的孔隙性和含水量 還影響了土壤的氣 體交換過程 間接作用于溫室氣體的排放 此外 生 物炭的施入提升了土壤的物理化學(xué)屬性 創(chuàng)造了有 利的微生物生存條件 影響了微生物群落的多樣性 與活性 進(jìn)而間接地影響了溫室氣體的排放 同時(shí) 在N2O的轉(zhuǎn)化過程中 生物炭可能促進(jìn)其還原為 N2 進(jìn)一步調(diào)節(jié)了N2O的排放 這些相互作用機(jī)制 綜合作用于土壤的N2O排放 研究表明無論采用哪種施肥方式 生物炭的施 入都顯著減少了土壤中的DON含量 且隨著生物炭 施用量的提高 DON含量的減少幅度也更加顯著 但不同施肥模式下 生物炭對降低DON含量的效果 存在差異 具體而言 在CK和M處理下 生物炭的 添加導(dǎo)致土壤DON含量降低了0 8 44 6 這一 降幅明顯大于F和M F處理的5 1 20 1 這種 差異可能與氮肥的添加有關(guān) 在F和M F處理中 由于施用了氮肥 導(dǎo)致土壤中原有的DON含量較 高 在此情況下 生物炭對低濃度DON的吸附效果 可能更為顯著 因?yàn)楫?dāng)DON濃度較低時(shí) 生物炭的 吸附位點(diǎn)更容易被占據(jù) 然而 對于高濃度的 DON 生物炭的吸附能力受到其吸附位點(diǎn)數(shù)量的限 制 因此降低效果相對較小 27 28 除此之外 除了少 數(shù)特定時(shí)間點(diǎn) 生物炭的添加普遍能夠使土壤中 DON含量降低 盡管不同施肥模式下生物炭對 DON含量降低的效果存在細(xì)微差異 這一結(jié)果表 明 生物炭對土壤氮素的管理具有潛在的積極作用 但其效果受到施肥策略的影響 生物炭通過其巨大 的表面積和官能團(tuán)的化學(xué)吸附作用以及多級(jí)孔隙結(jié) 構(gòu)的物理吸附作用 能夠吸附土壤中的小分子物質(zhì) 圖 3 不同施肥處理下土壤中DON含量動(dòng)態(tài)變化 Fig 3 Dynamics of DON content in soil in different treatments during incubation 1556 環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)第 14 卷 如銨態(tài)氮等 導(dǎo)致土壤中活性銨態(tài)氮減少 這限制 了氨氧化過程中的底物供應(yīng) 進(jìn)一步減少了硝態(tài)氮 的生成 最終導(dǎo)致土壤中Nmin的總體含量降低 35 此外 有研究指出 生物炭處理能夠激發(fā)土壤微生物 的活性 使得微生物更加活躍地吸附和固定土壤中 的Nmin 36 相關(guān)性分析揭示了土壤DON和Nmin含 量的變化與土壤N2O釋放量之間具有極強(qiáng)的相關(guān) 性 這一發(fā)現(xiàn)凸顯了土壤DON和Nmin含量在調(diào)控 圖 4 不同施肥處理下土壤中Nmin含量動(dòng)態(tài)變化 Fig 4 Dynamics of Nmin content in soil under different treatments during incubation 注 表示在P 0 01水平上顯著相關(guān) 圖 5 生物炭添加處理中DON Nmin含量與N2O累積釋放量之間的相關(guān)性 Fig 5 Correlation between DON Nmin contents and N2O cumulative release under different treatments with biochar addition 第 5 期李婧睿等 不同施肥處理添加生物炭對設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤不同形態(tài)氮的影響 1557 土壤N2O排放過程中的重要性 進(jìn)一步確認(rèn)了它們 是影響土壤N2O排放的關(guān)鍵因素之一 因此 根據(jù) 本研究結(jié)果 從減少N2O排放來看 在土壤中建議將 生物炭與有機(jī)肥和化肥配合施用 然而 生物炭本 身特性的多樣性 配施化肥和有機(jī)肥種類的差異 施肥方式和時(shí)間的差異等因素均可能影響土壤 N2O氣體的釋放 4 結(jié)論 1 不同施肥處理下設(shè)施菜地添加生物炭土壤 的N2O釋放特征不同 CK和M處理下 前1 5 d 添加生物炭處理顯著提高土壤中N2O釋放速率 F和M F處理下 添加生物炭在前2 d均降低土壤 中N2O釋放速率 并且隨著生物炭施入量增加 降低 效果更加明顯 F和M F處理下添加生物炭分別在 第2 25天和第3 14天顯著提高N2O釋放速率 2 在培養(yǎng)結(jié)束時(shí) 不同施肥處理下設(shè)施菜地添 加生物炭對N2O的累積釋放量影響不同 CK處理 下 添加生物炭降低N2O的累積釋放量 但未達(dá)到顯 著影響 M處理下 不同生物炭添加量對土壤 N2O的累積釋放量影響不同 其中4 生物炭添加量 顯著提高N2O的累積釋放量 F處理下N2O的累積 釋放量為1 181 g kg 添加2 和4 生物炭處理 N2O的累積釋放量分別2 094和2 247 g kg M F 處理下N2O的累積釋放量為1 733 g kg 添加 2 和4 生物炭處理下