不同土壤質(zhì)地和含水率對炭基肥料氮素礦化的影響①

李京京，劉 文，任天寶，閻海濤，杜飛樂，張 璐，李朋彥，劉英杰，劉國順*

不同土壤質(zhì)地和含水率對炭基肥料氮素礦化的影響①

李京京1,3，劉 文2，任天寶1，閻海濤1，杜飛樂1，張 璐1，李朋彥1，劉英杰2，劉國順1*

(1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院/河南省生物炭研究工程技術(shù)中心，鄭州 450002；2 河南省煙草公司鄭州市公司，鄭州 450001；3 黃鶴樓科技園(集團(tuán))有限公司，武漢 430040)

為了探究土壤特性對炭基肥料氮素礦化的影響，采用室內(nèi)培養(yǎng)和大田小區(qū)試驗(yàn)，分析了炭基肥在不同土壤質(zhì)地(砂質(zhì)壤土、粉砂質(zhì)壤土、黏土)及含水率(80%、60%、40% 田間最大持水量)條件下，氮素礦化動態(tài)變化特征。結(jié)果表明：在室內(nèi)培養(yǎng)條件下，對于不同土壤質(zhì)地，炭基肥在砂質(zhì)壤土條件下礦化勢最高，其次為黏土，最低的為粉砂質(zhì)壤土；對于不同田間持水量，在粉砂質(zhì)壤土條件下，炭基肥礦化勢最高的為80% 田間最大持水量(80%SMC)，其次為60%SMC，最低的是40%SMC；在砂質(zhì)壤土和黏土條件下，炭基肥的礦化勢均表現(xiàn)為60%SMC > 80%SMC > 40%SMC。培養(yǎng)狀態(tài)下粉砂質(zhì)壤土、砂質(zhì)壤土、黏土條件下最大氮素有效性分別是34.12%、56.31%、41.14%，而在大田條件下，炭基肥單季氮素最大礦化率在粉砂質(zhì)壤土、砂質(zhì)壤土、黏土3種土壤質(zhì)地下分別是50.61%、32.27%、34.29%。

炭基肥；氮素礦化；土壤質(zhì)地；土壤含水率

氮素是滿足作物生長、提高作物產(chǎn)量的重要營養(yǎng)元素，化學(xué)氮肥為全球的糧食生產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)[1]。改革開放以來，由于作物增產(chǎn)的需要，造成我國大量的化肥施入，從而導(dǎo)致了土壤環(huán)境惡化，生產(chǎn)力下降，并已影響到我國糧食食品安全[2]。生物質(zhì)炭施入土壤后能改善土壤環(huán)境，增加作物產(chǎn)質(zhì)量[3-4]，然而因?yàn)樽陨眇B(yǎng)分含量較低且碳氮比較高，施入土壤后可能出現(xiàn)與作物爭奪養(yǎng)分，從而造成作物減產(chǎn)的現(xiàn)象。因此Spokas等[5]指出，僅有50% 的研究證明生物質(zhì)炭對于作物有增產(chǎn)效應(yīng)。于是，將生物質(zhì)炭與有機(jī)無機(jī)肥料結(jié)合，制成炭基肥已成為生物質(zhì)炭發(fā)展的新方向[6]。目前已有大量研究證明炭基肥在改良土壤、提高肥料利用率、提高作物產(chǎn)質(zhì)量等方面發(fā)揮作用[7-11]。有機(jī)肥中氮素主要以有機(jī)態(tài)形式存在，施入土壤后在微生物的作用下變成能被作物吸收的無機(jī)態(tài)氮，在土壤體系中由于含水率和土壤質(zhì)地等一系列條件的影響，會導(dǎo)致肥料的氮素礦化特征發(fā)生變化，從而影響肥料氮素有效性和礦化規(guī)律。

土壤含水率通過影響土壤的通氣狀況，使得有機(jī)肥礦化反應(yīng)底物向微生物的移動，硝化、反硝化、氨化等作用發(fā)生變化，進(jìn)而影響有機(jī)氮礦化反應(yīng)強(qiáng)度[12]。研究表明[13]，當(dāng)田間最大持水量在18% ~ 45% 時，有機(jī)氮的礦化隨著土壤含水率的增加而增加；而當(dāng)田間最大持水量大于60% 時，由于厭氧微生物的活性會增加，其反硝化作用大于硝化作用，導(dǎo)致有機(jī)氮的礦化會隨著土壤含水率的增加而減少[14-15]，當(dāng)土壤含水率過低時，反應(yīng)底物和微生物的接觸頻率過低，同樣會造成有機(jī)氮礦化的降低[16]。

土壤質(zhì)地是土壤重要的物理指標(biāo)之一，土壤質(zhì)地的改變往往會造成土壤系統(tǒng)通氣狀況的改變，從而影響微生物對有機(jī)氮底料的活性作用。關(guān)于土壤質(zhì)地與有機(jī)肥氮素礦化的研究多集中在土壤黏粒含量方面，S?rensen等[17]通過15N標(biāo)記的羊糞試驗(yàn)說明了黏粒含量越高，被微生物固定的氨態(tài)氮含量越高，從而造成了無機(jī)氮凈礦化量的降低。Hubbard等[18]的研究提出了土壤中黏粒對微生物礦化作用底物的保護(hù)是造成黏粒含量越高有機(jī)氮凈礦化量越低的原因，Thomsen和Olesen[19]以及Chae和Tabatabai[20]的研究也得出了類似的結(jié)論。

目前關(guān)于不同含水率處理和土壤質(zhì)地條件下炭基肥的氮素礦化的研究較少，因此本試驗(yàn)以不同含水量的砂土、壤土、黏土為處理進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，并增設(shè)大田小區(qū)礦化試驗(yàn)，利用曲線擬合與函數(shù)求導(dǎo)研究含水率和土壤質(zhì)地對炭基肥氮素礦化勢、礦化速率和氮素有效性的影響，為炭基肥的推廣利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

選取登封當(dāng)?shù)匚词┓实?種質(zhì)地土壤(粉砂質(zhì)壤土、砂質(zhì)壤土、黏土)，供試炭基肥為生物質(zhì)炭與有機(jī)肥復(fù)混后所得，干燥過篩后稱取300 g土壤與3 g粉碎過篩后的炭基肥充分混勻后按田間最大持水量(SMC)的80%、60%、40% 加入蒸餾水，并設(shè)對照(不加炭基肥)共18個處理3次重復(fù)。用黑色塑料膜封閉后放入培養(yǎng)箱內(nèi)35 ℃ 條件下培養(yǎng)[21]，并用恒重法保持含水率不變。各處理情況如表1，供試土壤和肥料基本理化性質(zhì)見表2。

采用埋設(shè)玻璃纖維濾紙包法進(jìn)行大田條件下氮素礦化試驗(yàn)，具體操作為：取表2中3種土壤質(zhì)地樣品各15 g(烘干后過60目篩)與1 g炭基肥(干樣，過60目篩)充分混合后用玻璃纖維濾紙包好裝入尼龍網(wǎng)袋，于移栽時埋入兩棵煙中間(埋入相對應(yīng)土壤質(zhì)地的土壤中)，埋設(shè)深度為20 cm[22]，每塊試驗(yàn)地埋設(shè)30個肥料袋。

表1 培養(yǎng)試驗(yàn)各處理情況

表2 土壤和炭基肥料基本理化性質(zhì)

1.2 氮素礦化規(guī)律的測定

室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，從培養(yǎng)開始第0、5、11、14、25、43、73、103、130 天取土10 g，5 g用于NO– 3-N、NH4+-N測定，5 g測含水率以補(bǔ)水保持含水率恒定。NO– 3-N、NH4+-N分別以雙波長比色法和靛酚藍(lán)比色法進(jìn)行測定[23-24]。NO– 3-N、NH4+-N之和即為礦質(zhì)氮。炭基肥的氮素凈礦化量等于加炭基肥的礦質(zhì)氮含量與不加炭基肥的礦質(zhì)氮含量之差。

大田小區(qū)試驗(yàn)，從肥料袋埋入后的第0、10、20、30、40、50、60、70、80、90天，每塊試驗(yàn)地取3個肥料袋，風(fēng)干過60目篩后用德國Element元素分析儀進(jìn)行總氮的測定。

1.3 炭基肥料氮凈礦化量和凈礦化率的計算

式中：N是礦質(zhì)氮；對于培養(yǎng)試驗(yàn)，(N)和(N)0是第天和第0 天礦質(zhì)氮含量；對于田間礦化試驗(yàn)，是第天和第0 天總氮含量[25]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007和Matlab 2012a對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 培養(yǎng)試驗(yàn)炭基肥料氮素礦化特征

各個土壤質(zhì)地下炭基肥的氮素礦化特征如圖1所示，炭基肥施入土壤后在粉砂質(zhì)壤土和黏土條件下前3 d即出現(xiàn)了凈礦化的狀況，而砂質(zhì)壤土條件下在前5 d出現(xiàn)了礦質(zhì)氮下降的情況，即負(fù)礦化，說明炭基肥在施入砂質(zhì)壤土?xí)r會出現(xiàn)氮素固定的狀況。在粉砂質(zhì)壤土條件下，80%SMC下能礦化出更多的礦質(zhì)氮，其含量達(dá)到了107 mg/kg；而60%SMC下僅比40%SMC高5 mg/kg。砂質(zhì)壤土條件下，60%SMC在培養(yǎng)結(jié)束后礦質(zhì)氮含量最高，為172 mg/kg；其次為80%SMC，最少為40%SMC，能礦化出10 mg/kg的礦質(zhì)氮；且80%SMC 與60%SMC間差異不大。黏土條件下和砂質(zhì)壤土類似。

對炭基肥氮素累計礦化量選用matlab中cftool工具箱進(jìn)行擬合，為了確保擬合的穩(wěn)定與準(zhǔn)確，運(yùn)用最小二乘殘差法(LAR)進(jìn)行魯棒性檢測，并統(tǒng)一選擇信賴域算法(Trust-Region)。擬合情況見表3，可以看出各擬合方程的2均在0.90以上，且標(biāo)準(zhǔn)差在15.00以下，說明擬合情況較好，擬合后方程能代表原曲線的大部分信息。

圖1 炭基肥氮素礦化特征

表3 炭基肥氮素礦化特征曲線擬合情況

最大礦化率是指各曲線經(jīng)擬合后所得的礦化勢除以土壤中炭基肥氮素的含量，從表3可以看到炭基肥的最大礦化率在18.17% ~ 56.31% 之間。其中粉砂質(zhì)壤土處理礦化氮素的能力最弱，平均值僅為24.37%，最高能礦化34.12% 的氮素，最低在40% 大田最大持水量情況下只能礦化18.17% 的氮素。而礦化能力最強(qiáng)的是砂質(zhì)壤土，平均值為44.3%，最高能礦化炭基肥56.31% 的氮素，最低能礦化35.52% 的氮素。而黏土礦化氮素的能力在這3種土壤質(zhì)地的土壤中處于中間水平，平均值為34.42%，最高能礦化41.14% 的氮素，最低僅能礦化23.93% 的氮素。

為了確定炭基肥在不同土壤質(zhì)地及含水率條件下的氮素礦化速率，選用matlab中的diff函數(shù)對所擬合的方程求一階導(dǎo)數(shù)得到礦化速率。如圖2所示為各個土壤質(zhì)地下炭基肥的氮素礦化速率。炭基肥料的氮素礦化速率從零上升到最大之后又降低到零的趨勢發(fā)展，其曲線近似于高斯函數(shù)。

圖2 炭基肥氮素礦化速率

對于粉砂質(zhì)壤土處理，其礦化速率最大值為80%SMC處理，在25 d左右達(dá)到最大值，約為42 mg/(kg·d)，其礦化速率在75 d左右降到1以下；對于60%SMC處理，其礦化速率達(dá)到最大值的時間明顯滯后，約在60 d達(dá)到最大礦化率，而其速率小于1時其培養(yǎng)時間需要到120 d左右；對于礦化量最少的40%SMC其速率達(dá)到最大值時約為25 d，在其培養(yǎng)時間為80 d時速率就降至1以下。

對于砂質(zhì)壤土處理，氮素礦化速率最大值約為66 mg/(kg·d)，60%SMC處理，達(dá)到最大礦化速率的時間約為25 d，其速率降到1以下時培養(yǎng)時間為70 d。而在80%SMC和40%SMC下其最大礦化速率分別為43 mg/(kg·d) 和38 mg/(kg·d)，達(dá)到最大值的時間也約為25 d；80%SMC條件下大約在80 d礦化速率才會小于1，而40%SMC下滯后情況稍輕，大約在培養(yǎng)后65 d后礦化速率小于1。

對于黏土處理，其氮素礦化速率普遍偏低，速率最高的為60%SMC，最高速度僅為33 mg/(kg·d) 左右，在培養(yǎng)后30 d出現(xiàn)峰值，約在95 d時速率才會降至1以下；而在80%SMC時，其滯后情況更為嚴(yán)重，培養(yǎng)45 d后才會達(dá)到最高值，為25 mg/(kg·d)，而培養(yǎng)后120 d左右礦化速率才會降至1左右；在40%SMC下最高速率約為12 mg/(kg·d)，由于其速率一直較慢，導(dǎo)致其達(dá)到最高速率的時間和速率降至1以下的時間相對比較提前，約為25 d和70 d。

2.2 大田條件下氮素礦化特征

大田條件下氮素礦化規(guī)律由埋設(shè)肥料袋的方法所得(圖3)。在炭基肥料埋設(shè)進(jìn)土壤后，除了在通水通氣性很強(qiáng)的粉砂質(zhì)壤土上馬上出現(xiàn)了氮素的損失外，在砂質(zhì)壤土和黏土這兩種土壤質(zhì)地上出現(xiàn)了氮素礦化的延后，在埋入土壤后10 d后才出現(xiàn)氮素的凈礦化。從總礦化量上來看，粉砂質(zhì)壤土處理能礦化出更多的氮素，在移栽后90 d礦化出了0.87 mg/kg的氮素；而砂質(zhì)壤土處理氮素累計礦化量為0.56 mg/kg，為3個土壤質(zhì)地最小量；黏土處理經(jīng)90 d后礦化出的氮素為0.63 mg/kg。對于移栽后0 ~ 60 d和移栽后60 ~ 90 d礦化的氮素量，粉砂質(zhì)壤土處理分別是0.63 mg/kg和0.25 mg/kg，這兩者的比值為2.52；砂質(zhì)壤土處理分別是0.47和0.09，比值為5.2；黏土處理分別是0.50和0.13，比值為3.8。

圖3 大田條件下炭基肥氮素礦化特征

對圖3中曲線進(jìn)行擬合，選用Levenberg-Marquardt算法，其余與培養(yǎng)試驗(yàn)擬合方法選擇一致。擬合結(jié)果如表4?？梢钥闯鰯M合后曲線2均在0.9以上，且標(biāo)準(zhǔn)差均在0.1以下，說明其能夠代表原曲線的大部分信息。粉砂質(zhì)壤土、砂質(zhì)壤土、黏土最大礦化率分別為50.61%、32.27%、34.29%。在粉砂質(zhì)土壤條件下存在田間條件最大礦化率大于培養(yǎng)試驗(yàn)最大礦化率的情況，原因可能是粉砂質(zhì)壤土在大田條件下出現(xiàn)了較強(qiáng)烈的淋洗作用造成了一部分的氮素?fù)p失，并且大田條件下，土壤濕度不是處于恒定的狀態(tài)，特別是對于保水性不強(qiáng)的粉砂質(zhì)壤土，其干濕交替頻率更高從而加強(qiáng)了氮素的礦化[26]。

表4 大田試驗(yàn)炭基肥氮素礦化特征曲線擬合情況表

對擬合后的曲線用diff函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù)，得到圖4所示的氮素礦化速率?？梢钥闯鎏炕试诖筇飾l件下的礦化速率先增長到最高速度后逐漸降低。但從圖4可以看出到埋入90 d后各土壤質(zhì)地處理礦化速率均沒有達(dá)到0，在煙株進(jìn)入成熟期后炭基肥仍會礦化出氮素。對于粉砂質(zhì)壤土處理其礦化速率最大值為0.117 9 mg/(kg·d)。約在50 d時達(dá)到最大值。對于砂質(zhì)壤土處理氮素礦化速率達(dá)到最大值時約為移栽后50 d，最大速率約為0.088 7 mg/(kg·d)，而在移栽后90 d其氮素礦化速率為0.021 8 mg/(kg·d)。對于黏土處理在移栽后40 d左右，其氮素礦化速率達(dá)到最大值為0.094 5 mg/(kg·d)，移栽后90 d時其氮素礦化速率為0.020 4 mg/(kg·d)。

圖4 大田條件下炭基肥氮素礦化速率

3 討論

不同的田間持水量影響微生物的活性和豐度從而影響微生物的氨化、硝化等作用，影響有機(jī)肥的氮礦化[12]。本研究中，室內(nèi)培養(yǎng)條件下，砂質(zhì)壤土和黏土在60%SMC狀態(tài)下炭基肥能礦化出最多的氮素，而當(dāng)達(dá)80%SMC時炭基肥的氮素礦化出現(xiàn)了一定程度的抑制現(xiàn)象。這與Linn 和 Doran等人[14]的研究結(jié)果一致，可能是當(dāng)60%SMC時，參與礦化的微生物活度最強(qiáng)從而導(dǎo)致炭基肥中氮素通過硝化作用礦化出來的最多；高于60% 時，可能會導(dǎo)致反硝化的微生物活性增強(qiáng)，硝化量降低從而降低礦化量[15]。而在砂質(zhì)土壤條件下，出現(xiàn)了含水率越高，礦質(zhì)氮含量越高的情況，分析原因，可能是對于通氣性較好的砂性土壤，其參與礦化的微生物活性，在80%SMC及以上情況時出現(xiàn)閾值。對于40%SMC無論在哪種土壤質(zhì)地下其氮素礦化量均是最低的，這與De Neve等人[27]的研究結(jié)果一致，說明在相對干旱的條件下，土壤與肥料底物的可溶性組分移動性減弱，降低了對微生物的供給，造成微生物活性下降從而使硝化作用減弱[16]。

室內(nèi)培養(yǎng)條件下，對于3種土壤質(zhì)地下炭基肥的礦化特征，經(jīng)曲線擬合后的結(jié)果顯示，氮素礦化勢最高的為砂質(zhì)壤土處理，其次為黏土處理，最低為粉砂質(zhì)壤土處理。這與Hubbard等[18]、Chae和Tabatabai[20]的觀點(diǎn)不盡相同，他們認(rèn)為有機(jī)肥施入土壤后其凈礦化量隨著土壤中黏粒含量的升高而降低，而本研究中黏粒含量最低的粉砂質(zhì)壤土礦化量卻是最低的，可能是由于炭基肥中含有一定量的生物質(zhì)炭能促進(jìn)土壤本身的礦化，而粉砂質(zhì)壤土作為土壤易礦化態(tài)氮含量較低的土壤，其被生物質(zhì)炭激發(fā)而礦化出的氮含量極低；而在砂質(zhì)壤土凈礦化量高于黏土則是因?yàn)轲ね令w粒較碎，對易礦化形式的氮有較強(qiáng)的保護(hù)作用從而抑制了硝化作用，且黏土通透性較差從而降低了微生物的活性也會導(dǎo)致硝化作用的降低[18, 20]。同時有研究表明，氮素礦化會隨pH的升高而增加[28-29]，本試驗(yàn)中砂質(zhì)壤土、粉砂質(zhì)壤土、黏土的pH分別為6.65、7.05、6.33，因此不同土壤質(zhì)地下氮素礦化量的不同，是否僅為黏粒含量所造成的，需進(jìn)一步試驗(yàn)證明。

本研究中大田試驗(yàn)炭基肥氮素礦化狀況與培養(yǎng)試驗(yàn)有所不同，如 3 種土壤質(zhì)地下粉砂質(zhì)壤土的礦化勢最大，黏土最小，原因可能是，在大田條件下土壤處于不斷的干濕交替而不是濕度恒定的狀態(tài)，不斷地干濕交替可能導(dǎo)致某些團(tuán)聚體的裂解，導(dǎo)致微生物與礦化底物的接觸變得更加頻繁，從而加強(qiáng)了礦化，同時干濕交替過程中由于微生物活性下降，可能會導(dǎo)致被微生物固定部分的氮素得到釋放[16]；加上降雨等作用導(dǎo)致一部分氮素出現(xiàn)淋洗等狀態(tài)，造成了氮素的損失。

4 結(jié)論

1)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)中，炭基肥在砂質(zhì)壤土條件下礦化勢最高，其次為黏土條件，最低為粉砂質(zhì)壤土條件，不同含水率條件下砂質(zhì)壤土與黏土中炭基肥氮素有效性情況類似，即60%SMC > 80%SMC > 40%SMC，而粉砂質(zhì)壤土條件下炭基肥氮素有效性則是 80% SMC>60%SMC>40%SMC，炭基肥在 3 種土壤質(zhì)地下的最大有效性分別為34.12%、56.31%、41.14%。

2)大田試驗(yàn)中，炭基肥氮素礦化勢表現(xiàn)為，粉砂質(zhì)壤土>黏土>砂質(zhì)壤土，當(dāng)季氮素有效性在 3種土壤質(zhì)地下分別是50.61%、32.27%、34.29%，且均存在煙葉成熟期后仍有氮素釋放的情況。

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Effects of Soil Texture and Moisture on Nitrogen Mineralization Rate of Biochar-based Fertilizer

LI Jingjing1,3, LIU Wen2, REN Tianbao1,YAN Haitao1, DU Feile1, ZHANG Lu1, LI Pengyan1, LIU Yingjie2, LIU Guoshun1*

(1 Tobacco College, Henan Agricultural University / Henan Biochar Engineering Research Center, Zhengzhou 450002, China; 2 Zhengzhou Tobacco Company of Henan Province, Zhengzhou 450001, China; 3 Huanghelou Science Park (Group) Co., Ltd, Wuhan 430040, China)

In order to study the effect of soil texture and water content on nitrogen mineralization of biochar-based fertilizer, an indoor incubation and field experiment were conducted to study the characteristics of nitrogen mineralization under different soil textures (sandy loam, silty loam, clay) and soil moistures (80%, 60%, 40% of SMC). The results showed that the mineralization potential of the sandy loam was the highest, followed by clay, and silty loam was the lowest; The mineralization potential was in an order of 80%SMC>60%SMC>40%SMC for silty loam, 60%SMC>80%SMC>40%SMC for sandy loam and clay, the maximum nitrogen availability were 34.12% for silty loam, 56.31% for sandy loam, 41.14% for clay, respectively. The nitrogen availability of biochar-based fertilizer in single season under field conditions under three soil types the sand loam clay were 50.61% for silty loam, 32.27% for sandy loam and 34.29% for clay.

Biochar-based fertilizer; Nitrogen mineralization; Soil texture; Soil moisture

S572

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.01.006

李京京, 劉文, 任天寶, 等. 不同土壤質(zhì)地和含水率對炭基肥料氮素礦化的影響. 土壤, 2020, 52(1): 40–46.

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃課題項(xiàng)目(2017YFD0200808)和河南省煙草公司項(xiàng)目(ZYKJ201416、ZYKJ201501)資助。

李京京(1990—)，男，河南漯河人，碩士研究生，研究方向?yàn)闊煵菰耘嗌砩?。E-mail: 18638598063@163.com