不同水分條件下生物質(zhì)炭對濕地土壤氮素礦化的影響

于小彥 張平究 張群 杜永固

摘要：為了探明不同土壤水分條件下添加不同裂解溫度和洗滌處理的生物質(zhì)炭對濕地土壤氮素礦化的影響，通過720 d 的室內(nèi)培養(yǎng)法，研究了3種水分條件下（干濕交替、75%田間持水量、淹水），添加4種生物質(zhì)炭（350WX：裂解溫度為350℃的未洗滌生物質(zhì)炭;600WX：裂解溫度為600℃的未洗滌生物質(zhì)炭;350X：裂解溫度為350℃的洗滌生物質(zhì)炭;600X：裂解溫度為600℃的洗滌生物質(zhì)炭）的濕地土壤礦質(zhì)態(tài)氮差異特征。結(jié)果表明：與對照土壤相比，干濕交替和75%田間持水量條件下培養(yǎng)360 d后，添加生物質(zhì)炭的土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量分別平均下降了64.62%和27.64%，氮素凈礦化速率分別平均下降了82.9%和36.1%，且生物質(zhì)炭對土壤氮素礦化作用的抑制率為正值;而淹水條件下，培養(yǎng)120 d和240 d，添加生物質(zhì)炭的土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量和凈礦化速率低于對照土壤，分別下降了14.93%和21.30%，且生物質(zhì)炭對土壤氮素礦化作用的抑制率也為正值，但培養(yǎng)360 d時，高于對照土壤且平均分別增加了49.16%和176.22%，礦化作用的抑制率為負(fù)值。3種水分條件下，總體上土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量和凈礦化速率均表現(xiàn)為添加裂解溫度為350℃生物質(zhì)炭的土壤大于添加裂解溫度為600℃生物質(zhì)炭的土壤，其中75%田間持水量條件下添加洗滌處理的生物質(zhì)炭土壤大于未洗滌處理的生物質(zhì)炭土壤。本研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭施用對土壤氮素礦化抑制或促進(jìn)作用受土壤水分影響，同時又深受施用時間長短、生物質(zhì)炭裂解溫度以及生物質(zhì)炭洗滌處理的影響。

關(guān)鍵詞：濕地土壤;生物質(zhì)炭;氮礦化;礦化速率

中圖分類號：S153文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2019）01-0104-06

Effects of Biochar on Nitrogen Mineralization in

Wetland Soils under Different Water Conditions

Yu Xiaoyan， Zhang Pingjiu， Zhang Qun， Du Yonggu

（College of Territorial Resources and Tourism， Anhui Normal University/Anhui Provincial

Key Laboratory for Research of Process and Prevention of Natural Disasters， Wuhu 241003， China）

Abstract?Different characteristics of soil mineral nitrogen in wetland were investigated with the addition of four types of biochar （350WX： unwashed by alcohol with pyrolytic temperature as 350℃; 600WX： unwashed by alcoho with pyrolytic temperature as 600℃; 350X： washed by alcohol with pyrolytic temperature as 350℃; 600X： washed by alcohol with pyrolytic temperature as 600℃） along with 720-day room incubation under three types of water regimes （alternation of wetting and drying， 75% field water holding capacity， waterflooding） to study how water regimes control the effects of biochar addition on soil nitrogen mineralization. The results showed that， compared with CK， biochar addition decreased the mineral nitrogen content at the average degrees of 64.62% and 27.64% and the net mineralization rate at the average degrees of 82.9% and 36.1% after 360-day incubation under the alternation of wetting and drying and 75% field water holding capacity condition respectively， showing positive inhibition effects on soil nitrogen mineralization. Under waterflooding， compared with CK， biochar addition decreased the mineral nitrogen content and the net mineralization rate at average degrees of 14.93% and 21.30% after 120-day and 240-day incubation respectively， showing a positive inhibition effects on soil nitrogen mineralization， but incresed those at average degrees of 49.16% and 176.22% higher after 360-day incubation， showing negative inhibition effects on soil nitrogen mineralization. The mineral nitrogen content and net mineralization rate were always higher in soils added with biochar pyrolyed at 350℃ than those pyrolyed at 600℃ under three types of water regimes， while they were higher in soils added with biochar washed with alcohol than those in soils added with biochar unwashed by alcohol under 75% field water holding capacity condition. The study indicated that water condition controlled whether the positive or negative effects of biochar addition on soil nitrogen mineralization. Moreover， the effects were influenced by the duration of incubation， biochar pyrolytic temperature， and biochar washing treatments.

Keywords?Wetland soil; Biochar; Nitrogen mineralization; Mineralization rate

濕地土壤是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有維護(hù)生物多樣性、調(diào)節(jié)和分配地表水分、蓄留和提供養(yǎng)分元素、降解污染物等功能[1]，被譽為“地球之腎”。而氮素是濕地植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素之一，也是影響濕地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要因子[2]。其中礦質(zhì)態(tài)氮主要以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的形式存在，其含量的多少直接關(guān)系到濕地植物可吸收利用的土壤氮素含量[3]，也為了解濕地土壤氮素供應(yīng)能力提供重要依據(jù)。

生物質(zhì)炭是有機物料在缺氧條件下，經(jīng)高溫裂解產(chǎn)生的有機物質(zhì)，具有孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大、表面官能團(tuán)豐富等特征，是優(yōu)良的土壤改良劑和固碳減排材料[4]。大量研究表明，生物質(zhì)炭添加會影響土壤氮素的礦化，但研究結(jié)果不盡相同。陳玉真等[5]通過46 d的短期室內(nèi)培養(yǎng)試驗，研究生物質(zhì)炭對茶園土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭添加降低了土壤氮的礦化量和凈礦化速率。羅煜等[6]在酸性（pH值3.8）和堿性（pH值7.6）土壤中均添加生物質(zhì)炭，也發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭添加抑制了土壤氮的礦化，降低了土壤銨態(tài)氮含量。但Nelissen[7]和Berglund[8]等研究結(jié)果表明，由于生物質(zhì)炭添加增加了土壤可溶性碳含量，加速了土壤微生物活動，從而促進(jìn)了土壤有機氮的礦化，且低溫裂解生物質(zhì)炭（350℃）比高溫裂解生物質(zhì)炭（550℃）更能促進(jìn)土壤氮的礦化。也有大量研究表明生物質(zhì)炭在短期內(nèi)能夠刺激土壤氮的礦化，加速氮的短期循環(huán)[9，10]，但關(guān)于不同水分條件如何左右生物質(zhì)炭對土壤氮素礦化作用影響的研究報道較少。且目前關(guān)于生物質(zhì)炭對氮素影響的研究主要集中在農(nóng)業(yè)土壤、森林土壤方面[11]，而對濕地土壤氮素礦化影響的研究報道較少。濕地具有獨特水文特征，導(dǎo)致濕地淹水和干濕交替土壤水分條件不同，而水分條件本身也影響土壤氮素的礦化[12，13]，可能左右著生物質(zhì)炭添加對土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量的影響。因此，本試驗以十五里河濕地土壤為研究對象，采用室內(nèi)培養(yǎng)法獲得土壤樣品并分析土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量，探討不同水分條件下添加不同裂解溫度和洗滌處理的生物質(zhì)炭對土壤氮素礦化作用的影響，以期豐富生物質(zhì)炭影響濕地土壤氮循環(huán)的認(rèn)識。

1?材料與方法

1.1?土壤樣品采集與處理

樣品于2014年4月采集于巢湖十五里河河口濕地（31°43′56.89′′N，117°21′29.66′′E）表層（0～10 cm）土壤。土樣采集后，自然風(fēng)干。全部過孔徑0.9 mm篩，其中一部分用于室內(nèi)模擬試驗;另一部分用于測定供試土壤基本理化性狀（表1）。

1.2?生物質(zhì)炭樣品制備與處理

生物質(zhì)炭的制備是以風(fēng)干蘆葦為原料，分別在350℃和600℃條件下，用馬弗爐隔氧加熱4 h。然后將生物質(zhì)炭研磨，過篩篩選粒徑為2～0.613 mm的生物質(zhì)炭。由于生物質(zhì)炭在制作過程中會產(chǎn)生醋液、無機鹽和焦油等熱解副產(chǎn)物，附在生物質(zhì)炭表面[14]，所以本研究將兩種制備溫度的生物質(zhì)炭再分為2份，一份為未洗滌處理，另一份用去離子水反復(fù)浸泡后，再用無水乙醇溶液洗滌，生物質(zhì)炭與洗滌液體以體積比1∶10浸泡24 h，重復(fù)3次后，再用純水洗滌，直至淋洗液的電導(dǎo)率降至100 μS·cm-1?以下，得到處理后的生物質(zhì)炭。在60℃下干燥后再次篩選粒徑為2～0.613 mm的生物質(zhì)炭。

1.3?室內(nèi)土壤培養(yǎng)試驗

室內(nèi)模擬土柱內(nèi)壁直徑為7 cm，高度為15 cm 的PVC圓柱管。每個土柱內(nèi)裝7 g生物質(zhì)炭和168 g土壤（生物質(zhì)炭量為土壤的4%）的均勻混合物，形成約10 cm的土柱。試驗在3種水分條件下（干濕交替、75%田間持水量、淹水）設(shè)置5個生物質(zhì)炭處理（CK、350WX、350X、600WX、600X）。CK代表不添加生物質(zhì)炭的空白對照;350和600表示生物質(zhì)炭制備溫度分別為350℃和600℃;X代表洗滌處理生物質(zhì)炭，WX代表未洗滌處理生物質(zhì)炭。同時用拉伸薄膜覆蓋封閉來控制淹水和75%田間持水量處理的水分蒸發(fā)，干濕交替為敞開式培養(yǎng)，先保持薄薄水層，干到接近原始重量，再添加水。以稱重法確定后期培養(yǎng)加水量，添加水為超級純凈水，以免水分污染。共15個處理，培養(yǎng)時間始于2014年9月，共培養(yǎng)720 d，在培養(yǎng)至120、240、360、480、600、720 d時，每個處理每批重復(fù)破壞性取樣3個。

1.4?分析方法

土壤理化性狀的測定參考魯如坤[15]的方法。生物質(zhì)炭的碳、全氮、硫含量和碳氮比用Elementar元素分析儀測定。土壤pH值按水土比5∶2測定，生物質(zhì)炭pH值按水炭比為5∶1測定。土壤NH?+4-N含量采用靛酚藍(lán)比色法[15]測定，硝態(tài)氮采用紫外分光光度法[16]。由于土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量是NO?-3-N和NH?+4-N含量之和，所以土壤礦化速率的計算公式為[12]：

土壤氮素凈礦化速率（mg·kg-1?·d-1?）=（培養(yǎng)后礦質(zhì)態(tài)氮含量-培養(yǎng)前礦質(zhì)態(tài)氮含量）/培養(yǎng)時間;

土壤氮素礦化作用抑制率（%）=（對照處理氮礦化量-生物質(zhì)炭處理氮礦化量）/對照處理氮礦化量×100。

1.5?數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2003對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和制圖，應(yīng)用STST2對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析。

2?結(jié)果與分析

2.1?生物質(zhì)炭添加對濕地土壤礦質(zhì)態(tài)氮的影響

由圖1可知，干濕交替水分條件下，添加生物質(zhì)炭培養(yǎng)360 d后土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量顯著降低，各處理比對照下降48.34%～78.66%（?P?<?0.05），?平均下降64.62%;且隨培養(yǎng)時間的延長，對照土壤的礦質(zhì)態(tài)氮含量先增加而后略下降，至720 d，比120 d時僅增加4.25%，而添加生物質(zhì)炭的土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量隨培養(yǎng)時間的延長而下降，最后趨于平穩(wěn)，720 d與120 d相比平均下降56.22%。75%田間持水量條件下，與對照相比，生物質(zhì)炭添加也降低了各時期土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量，各處理平均下降?2.40%～?56.46%，培養(yǎng)360 d時各處理平均下降27.64%;但隨培養(yǎng)時間的延長，對照土壤和添加生物質(zhì)炭的土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量均逐漸增加，至720 d，比120 d時分別增加?156.73%?和?138.75%。?而淹水條件下，培養(yǎng)120 d和240 d，與對照相比，生物質(zhì)炭添加也降低了土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量，平均下降14.93%，但培養(yǎng)360 d時，生物質(zhì)炭添加增加了土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量，與對照相比平均增加49.16%;且隨培養(yǎng)時間的延長，對照土壤和添加生物質(zhì)炭的土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量均逐漸下降，平均分別下降64.17%和?40.14%。?同一洗滌處理下，添加350℃生物質(zhì)炭的土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量總體上高于添加600℃生物質(zhì)炭的土壤;且干濕交替和75%田間持水量條件下，培養(yǎng)240 d后土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量表現(xiàn)為350X>350WX、600X>600WX。

2.2?生物質(zhì)炭添加對濕地土壤氮素凈礦化速率的影響

從圖2可以看出，生物質(zhì)炭添加對土壤氮素凈礦化速率的影響和礦質(zhì)態(tài)氮含量的變化一致，均表現(xiàn)為干濕交替、75%田間持水量條件下培養(yǎng)360 d后和淹水條件下培養(yǎng)120～240 d，與對照相比生物質(zhì)炭添加均降低了土壤氮素凈礦化速率，且分別下降 69.06%～100.95%、平均下降?82.9%，?16.15%～?70.63%、?平均下降36.1%，?3.49%～?45.98%、平均下降21.30%，而淹水條件下培養(yǎng)360 d后，與對照相比生物質(zhì)炭添加增加了土壤氮素凈礦化速率，各處理增加了?50.50%～?414.25%，平均增加176.22%。但干濕交替、75%田間持水量和淹水條件下，隨培養(yǎng)時間的延長，對照土壤和添加生物質(zhì)炭的土壤氮素凈礦化速率均逐漸下降，且分別下降82.29%和96.67%、44.12%和?44.26%、97.82%?和93.26%。而生物質(zhì)炭裂解溫度和洗滌處理對土壤氮素凈礦化速率的影響和礦質(zhì)態(tài)氮含量的變化一致。

2.3?生物質(zhì)炭添加對濕地土壤氮素礦化作用抑制率的影響

由圖3可知，干濕交替條件下，除培養(yǎng)120 d，土壤氮素礦化作用抑制率為負(fù)值外，培養(yǎng)240 d后礦化作用抑制率均為正值，且礦化作用抑制率隨培養(yǎng)時間的延長先增加而后略有下降，至720 d，比120 d平均增加了11.09倍。75%田間持水量條件下，在培養(yǎng)720 d內(nèi)，礦化作用抑制率均為正值，但受生物質(zhì)炭裂解溫度的影響，表現(xiàn)為添加低溫生物質(zhì)炭的土壤氮素礦化作用抑制率隨培養(yǎng)時間的延長而下降，平均下降了54.09%，而添加高溫裂解生物質(zhì)炭的土壤氮素礦化作用抑制率隨培養(yǎng)時間的延長而增加，平均增加了127.17%。而淹水條件下，與干濕交替相反， 培養(yǎng)120 d和240 d時，礦化作用抑制率為正值，但培養(yǎng)360 d后為負(fù)值，且隨培養(yǎng)時間的延長，先下降而后略有回升，720 d比120 d平均下降3.80倍。

3?討論

土壤氮素礦化是指土壤中難以被植物直接吸收利用的有機氮，在微生物的作用下，轉(zhuǎn)化為礦質(zhì)態(tài)氮的過程[17]。大量研究表明，生物質(zhì)炭通過影響土壤微生物活性、氨揮發(fā)、氨化和硝化作用及礦質(zhì)態(tài)氮吸附解吸等過程[6，18]，影響土壤氮素的礦化。陳玉真等[5]和Deenik等[19]研究認(rèn)為，生物質(zhì)炭本身含有酚類等揮發(fā)性物質(zhì)，能夠抑制微生物活性，從而降低土壤氮的礦化。也有研究表明，生物質(zhì)炭添加能夠提高土壤碳氮比，促進(jìn)微生物生長，從而固定更多的礦質(zhì)態(tài)氮[7，20]，進(jìn)而降低礦質(zhì)態(tài)氮含量。本研究中干濕交替培養(yǎng)240 d后和75%田間持水量條件下生物質(zhì)炭添加降低了土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量和凈礦化速率，氮素礦化作用抑制率為正值，這些結(jié)果與以上表述一致，同時培養(yǎng)試驗中添加的生物質(zhì)炭本身也含有較高碳氮比（表2），能夠刺激固氮微生物活性，促進(jìn)氮的生物固持。劉杏認(rèn)等[21]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭施用量低于5%時，促進(jìn)N?2?O的排放，而本研究中生物炭施用量為4%，可能促進(jìn)了N?2?O的排放，降低了礦質(zhì)態(tài)氮含量。同時大量研究表明，生物質(zhì)炭由于巨大的比表面積和豐富的陽離子含量，能夠吸附土壤中的NH?+4和NO?-3，從而進(jìn)一步導(dǎo)致土壤礦質(zhì)態(tài)氮降低[11]。而淹水條件下，由于處于厭氧環(huán)境，以反硝化作用為主，但生物質(zhì)炭添加可能抑制了反硝化作用，減少了N2O的排放，進(jìn)而有利于NH?+4-N的累積[18，22]。本研究還發(fā)現(xiàn)，75%田間持水量條件下，土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量表現(xiàn)為添加洗滌處理生物質(zhì)炭土壤高于未洗滌處理生物質(zhì)炭，低溫裂解生物質(zhì)炭高于高溫裂解生物質(zhì)炭，這可能與生物質(zhì)炭在制作過程中產(chǎn)生的醋液、無機鹽和焦油等熱解副產(chǎn)物有關(guān)[14]，但具體影響機制還有待進(jìn)一步研究。同時高溫裂解生物質(zhì)炭比低溫裂解生物質(zhì)炭的空隙結(jié)構(gòu)更加發(fā)達(dá)，比表面積更大，為微生物生長提供更好的棲息地，所以更有利于促進(jìn)氮的生物固持[4，11]，同時更有利于對礦質(zhì)態(tài)氮的吸附[18]。

前人研究表明，土壤氮素礦化趨勢分為前期快速增長期和后期停滯穩(wěn)定期[13]，這與本研究結(jié)果一致，土壤氮的礦化趨勢如圖1，在3種水分條件下均表現(xiàn)為前期（120 d）氮素凈礦化速率最大，累積的氮素凈礦化量迅速增加。這主要是因為在培養(yǎng)前期土壤中存在大量活性營養(yǎng)元素和有機質(zhì)，為微生物生長提供了較好的底物和能量，在適宜的水分條件下，微生物活性較高，促進(jìn)了氮素的礦化，但隨著培養(yǎng)時間的延長，微生物可利用的營養(yǎng)元素逐漸減少，限制了微生物活動，礦化速率逐漸降低并趨于穩(wěn)定[13，23]。且研究發(fā)現(xiàn)礦化作用抑制率隨培養(yǎng)時間的延長，在干濕交替條件下是增加的，在75%田間持水量條件下添加高溫裂解生物質(zhì)炭是增加而添加低溫裂解生物質(zhì)炭是下降的，而且淹水條件下也是下降的。這說明干濕交替和75%田間持水量條件下，生物質(zhì)炭添加雖然都抑制了土壤氮素礦化，但是隨著培養(yǎng)時間的延長，生物質(zhì)炭對土壤氮礦化的抑制強度受土壤含水量、生物質(zhì)炭裂解溫度的影響而不同，且淹水條件下隨培養(yǎng)時間的延長生物質(zhì)炭添加反而促進(jìn)了氮素的礦化。因此土壤水分條件是干擾生物質(zhì)炭對土壤氮素礦化作用影響的重要因素。

4?結(jié)論

在干濕交替、75%田間持水量和淹水條件下，生物質(zhì)炭添加對濕地土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量產(chǎn)生一定的影響，但影響方式與程度受土壤水分條件、生物質(zhì)炭裂解溫度、洗滌處理以及培養(yǎng)時間長短的影響。無論是干濕交替還是75%田間持水量條件下，4種生物質(zhì)炭添加均在培養(yǎng)360 d后降低了土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量，其中添加高溫裂解生物質(zhì)炭和未洗滌處理的生物質(zhì)炭下降更顯著，且礦化作用抑制率為正值，但淹水條件下促進(jìn)土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量增加。同時3種水分條件下，隨培養(yǎng)時間的延長土壤氮素凈礦化速率均逐漸下降，但75%田間持水量條件下下降幅度相對較小。因此，生物質(zhì)炭添加對土壤氮素礦化的抑制或促進(jìn)，受土壤水分條件和生物質(zhì)炭裂解溫度的影響顯著。

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