楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭對(duì)風(fēng)沙土中氮形態(tài)分布的影響

劉 輝，鄒繼穎，李高翔，翁士睿，韓 煦，常文晉，陳宇琦，王晨宇，徐亮亮

(吉林化工學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

近年來(lái)，生物質(zhì)炭作為一種新型材料在農(nóng)業(yè)、 環(huán)境等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]. 生物質(zhì)炭可改善土壤結(jié)構(gòu)、 土壤的保水性、 土壤固碳及減少溫室氣體排放，是一種適合土壤修復(fù)的材料[2-6]. 生物質(zhì)炭的性質(zhì)可影響土壤環(huán)境中添加生物質(zhì)炭的效果[7-8]. 樹(shù)葉是一種凋落物，含有豐富的營(yíng)養(yǎng)，散落到土壤中，微生物將其迅速分解并產(chǎn)生CO2，CH4和N2O等氣體，導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)損失. 生物質(zhì)炭可影響在土壤中的各種生物化學(xué)過(guò)程，如在碳(C)、 磷(P)和氮(N)循環(huán)[9-11]中加入生物質(zhì)炭可促進(jìn)土壤有機(jī)碳(SOC)的穩(wěn)定化及土壤保持氮和磷的能力[11-12]. 添加生物質(zhì)炭改變了土壤中氮的形式、 穩(wěn)定和轉(zhuǎn)化[13]. 當(dāng)生物質(zhì)炭殘留物中包含一種含氮物質(zhì)時(shí)，添加生物質(zhì)炭后另一種含氮物質(zhì)中的氮釋放到土壤中[14]. 經(jīng)生物質(zhì)炭改良的土壤可通過(guò)將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為植物直接吸收的礦質(zhì)氮(銨和硝酸鹽)影響有機(jī)氮. 應(yīng)用生物質(zhì)炭可減少肥料施用量，提高肥料利用率的同時(shí)增加作物產(chǎn)量，改善土壤性質(zhì)，是發(fā)展可持續(xù)生態(tài)農(nóng)業(yè)的新途徑[15-18].

內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市奈曼旗科爾沁所處地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，氣候偏干燥導(dǎo)致年降雨量小，屬于干旱區(qū)，主要土壤類(lèi)型為風(fēng)沙土. 這種土壤顆粒大、 質(zhì)地松、 有機(jī)質(zhì)含量低，在一定程度上限制了可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展. 因此提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、 改善土壤肥力是對(duì)風(fēng)沙土改良的主要措施[19]. 氮是植物生長(zhǎng)和生產(chǎn)力的關(guān)鍵元素之一[20-23], 由于植物直接通過(guò)根系吸收無(wú)機(jī)氮[24]，因此土壤無(wú)機(jī)氮(SIN)是植物重要的氮源. 淋溶和揮發(fā)導(dǎo)致的氮損失會(huì)使作物生產(chǎn)力下降、 富營(yíng)養(yǎng)化、 地下水中硝酸鹽過(guò)量以及氧化亞氮(N2O)排放增加[25]. 將生物質(zhì)炭作為土壤添加劑，可減少氮流失，提高土壤肥力[26]. 但應(yīng)用生物質(zhì)炭時(shí)，關(guān)于氮的可用性存在爭(zhēng)議[27-29]. 基于此，本文對(duì)生物質(zhì)炭與SIN間的關(guān)系進(jìn)行分析，選用廉價(jià)易得的楊樹(shù)葉制備生物質(zhì)炭，用盆栽玉米實(shí)驗(yàn)方法研究其對(duì)土壤氮形態(tài)分布的影響，為了解生物質(zhì)炭施入沙土后養(yǎng)分遷移規(guī)律，同時(shí)為確定沙地土壤最佳施肥模式提供依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 儀器與試劑

紫外分光光度計(jì)(T9型，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)、 自動(dòng)凱氏定氮儀(K9840型，濟(jì)南海能儀器股份有限公司)、 智能人工氣候箱(PRX-450C型，寧波賽福實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)、 掃描電子顯微鏡(5-4800型，日本日立公司).

(NH4)2HPO4,NH4NO3,NaH2PO4,KCl,NaOH,HNO3, 無(wú)水乙醇,H2SO4,HCl,(NH4)2SO4,Na2CO3,H3BO3,K2SO4,CuSO4, 硒粉,HClO4,K2Cr2O7,FeSO4, 鄰菲羅啉,MgO, 甲基紅, 溴甲酚等化學(xué)試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭?，?gòu)于天津市大茂化學(xué)試劑廠.

1.2 供試材料

1.2.1 實(shí)驗(yàn)土壤 在內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市奈曼旗科爾沁采集實(shí)驗(yàn)土壤，土壤肥力偏低. 基本理化性質(zhì)為w(有機(jī)質(zhì))=2.24 g/kg，w(全氮)=1.36 g/kg，w(全磷)=72.74 mg/kg，陽(yáng)離子交換量2.32 cmol/kg，pH=6.6.

1.2.2 實(shí)驗(yàn)材料 楊樹(shù)落葉取自吉林化工學(xué)院院內(nèi)； 花盆型號(hào)為25 cm×40 cm.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭制備 以楊樹(shù)落葉為碳源，利用水熱法制備生物質(zhì)炭，如圖1所示. 將楊樹(shù)落葉清洗干凈，于105 ℃烘干，研磨成粉末，過(guò)80目篩，密閉保存. 取20 g粉末置于燒杯中，加入2.5 mol/L NaOH，攪拌1 h，于100 ℃恒溫水浴中加熱3 h，冷卻，靜止，過(guò)濾，棄上清液，加入80 ℃去離子水，繼續(xù)靜止，沉淀，至pH接近中性. 向燒杯中加2.5 mol/L HNO3，水浴4 h，振蕩5 h，洗滌至近中性，過(guò)濾，干燥，研磨； 將粉末置于馬弗爐中，于450 ℃保持2 h，用無(wú)水乙醇和去離子水分別洗滌3次，于100 ℃烘干24 h，干燥即制得楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭. 用掃描電子顯微鏡(SEM)分析楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭的形貌和結(jié)構(gòu)特征.

圖1 楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭Fig.1 Biomass charcoal from poplar leaves

1.3.2 盆栽實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 盆栽實(shí)驗(yàn)分為傳統(tǒng)施肥方式及測(cè)土配方施肥方式. 傳統(tǒng)施肥方式添加生物質(zhì)炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0(CCK)，0.5%(CC1)，1%(CC2)，2%(CC3)，并施加(NH4)2HPO4(m(N)∶m(P)∶m(K)=46∶18∶11)； 測(cè)土配方施肥方式添加生物質(zhì)炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0(PCK)，0.5%(PC1)，1%(PC2)，2%(PC3), 主要施加NH4NO3,NaH2PO4,KCl，施加量分別為75,25,116 mg/kg. 根據(jù)玉米生長(zhǎng)的4個(gè)不同階段，設(shè)4個(gè)采樣時(shí)間，即30,60,90,120 d. 用抖土法[30]取樣，測(cè)定其氮的質(zhì)量比. 盆栽實(shí)驗(yàn)的溫度、 濕度和光照完全模擬自然環(huán)境，在花盆中栽種玉米，設(shè)置兩個(gè)平行實(shí)驗(yàn).

1.3.3 樣品采集及制備方法 根據(jù)當(dāng)?shù)赜衩咨L(zhǎng)周期，確定4個(gè)采樣時(shí)間，即苗期(約30 d)、 拔節(jié)期(約60 d)、 穗期(約90 d)和成熟期(約120 d). 實(shí)驗(yàn)用抖土法取根系土樣約200 g，土壤樣品采集后剔除雜質(zhì)，自然風(fēng)干，研磨后過(guò)篩(2 mm)，備用.

1.3.4 不同形態(tài)氮測(cè)定方法 分別用KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法、 CaSO4浸提-紫外分光光度計(jì)法、 擴(kuò)散吸收法和凱氏蒸餾法測(cè)定土壤銨態(tài)氮、 硝態(tài)氮、 速效氮和全氮的質(zhì)量比.

2 結(jié)果與討論

2.1 楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭表征

圖2為水熱法制得楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭的SEM照片. 由圖2可見(jiàn)，生物質(zhì)炭表面呈鱗狀，類(lèi)似木炭的層狀結(jié)構(gòu). 此時(shí)炭?jī)?nèi)部大面積的孔狀和層狀構(gòu)造基本成型，比低溫時(shí)的孔狀和層狀結(jié)構(gòu)密集，顆粒產(chǎn)生明顯的收縮聚合現(xiàn)象.

圖2 楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of biomass charcoal from poplar leaves

2.2 楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭對(duì)土壤銨態(tài)氮的影響

土壤中的銨態(tài)氮可被土壤膠體吸附，形成交換性銨狀態(tài)氮肥，銨態(tài)氮也可溶解在土壤溶液中，被植物直接吸收利用，屬于速效性氮素. 圖3為不同施肥模式下玉米不同生長(zhǎng)期土壤銨態(tài)氮質(zhì)量比的變化. 由圖3可見(jiàn)： PCK和CCK處理土壤中銨態(tài)氮的質(zhì)量比變化趨勢(shì)基本一致，均隨玉米生長(zhǎng)時(shí)間的變化呈先上升后下降的趨勢(shì)； 加入楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭處理土壤中銨態(tài)氮的質(zhì)量比明顯高于PCK和CCK，其中CC3土壤中氮的質(zhì)量比最高，平均值達(dá)到36.43 mg/kg，高于CCK處理平均值的154.4%. 在玉米生長(zhǎng)周期中，傳統(tǒng)施肥及測(cè)土配方施肥模式下，土壤銨態(tài)氮的質(zhì)量比均為PC3/CC3>PC2/CC2>PC1/CC1>PCK/CCK. 在兩種施肥模式下添加楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭對(duì)土壤銨態(tài)氮質(zhì)量比作用差異較小. 添加楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭后銨態(tài)氮淋失量減少，氮滯留量增加，可見(jiàn)楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭可通過(guò)吸附銨態(tài)氮，增加其在土壤中的滯留，進(jìn)而減少土壤中銨態(tài)氮的淋失，提高土壤的氮儲(chǔ)量.

2.3 楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭對(duì)土壤硝態(tài)氮的影響

硝態(tài)氮可加快作物生長(zhǎng)，延長(zhǎng)作物生長(zhǎng)期和采收期. 圖4為不同施肥模式下玉米不同生長(zhǎng)期土壤硝態(tài)氮質(zhì)量比的變化. 由圖4可見(jiàn)： CCK和PCK處理土壤中硝態(tài)氮的質(zhì)量比均呈下降趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)不顯著； 在兩種施肥模式下，CC1，CC2，PC1，PC2，PC3處理土壤中硝態(tài)氮的質(zhì)量比在玉米生長(zhǎng)周期內(nèi)均呈上升趨勢(shì)； CC3處理土壤中硝態(tài)氮的質(zhì)量比變化不顯著，但仍高于其他處理方式土壤中硝態(tài)氮的質(zhì)量比，這可能是楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭增加了土壤的碳氮比所致[31]，或與楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭提高了土壤的pH值有關(guān)[32-33]. 植株在不同生長(zhǎng)階段對(duì)硝態(tài)氮的吸收能力不同，幼苗期較弱，在土壤硝化作用下，硝態(tài)氮迅速富集； 隨著作物進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛期，植物的吸收能力逐漸增強(qiáng)，硝態(tài)氮的質(zhì)量比增長(zhǎng)減緩，并出現(xiàn)下降趨勢(shì)； 在成熟期，植物的吸收能力減弱，硝態(tài)氮的質(zhì)量比略有增加.

圖3 不同施肥模式下玉米不同生長(zhǎng)期 土壤中銨態(tài)氮質(zhì)量比的變化Fig.3 Changes of mass ratios of ammonium nitrogen in soil at different growth stages of maize under different fertilization modes

圖4 不同施肥模式下玉米不同生長(zhǎng)期 土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比的變化Fig.4 Changes of mass ratios of nitrate nitrogen in soil at different growth stages of maize under different fertilization modes

2.4 楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭對(duì)土壤速效氮的影響

土壤中速效氮的質(zhì)量比可反映近期內(nèi)土壤氮素的供應(yīng)情形. 圖5為不同施肥模式下玉米不同生長(zhǎng)期土壤速效氮質(zhì)量比的變化. 由圖5可見(jiàn)，CCK處理土壤中速效氮的質(zhì)量比呈下降趨勢(shì)，PCK處理土壤中速效氮的質(zhì)量比呈先上升后下降的趨勢(shì). 在玉米生長(zhǎng)期內(nèi)，不同施肥模式下土壤中速效氮的質(zhì)量比變化均不明顯，其中PC1處理土壤中速效氮的質(zhì)量比高于其他處理方式.

2.5 楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭對(duì)土壤全氮的影響

全氮質(zhì)量比是衡量土壤肥力的主要指標(biāo), 是土壤分析的重要指標(biāo)之一. 圖6為不同施肥模式下玉米不同生長(zhǎng)期土壤全氮質(zhì)量比的變化. 由圖6可見(jiàn)： CCK和PCK處理土壤中全氮的質(zhì)量比均呈下降趨勢(shì)； 在玉米生長(zhǎng)期內(nèi)，CC1，CC2，CC3，PC1，PC2，PC3處理土壤中全氮的質(zhì)量比變化不明顯，全氮質(zhì)量比整體上隨玉米生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈略上升趨勢(shì). 在玉米生長(zhǎng)期內(nèi)添加楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭均遠(yuǎn)高于不添加楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭處理土壤中全氮的質(zhì)量比. 主要因?yàn)橥寥乐刑砑訔顦?shù)葉生物質(zhì)炭后，改善了土壤孔隙及其通氣狀況，同時(shí)抑制了氮氧化物的排放和微生物的反硝化作用，從而使土壤中全氮的儲(chǔ)量增加[34].

圖5 不同施肥模式下玉米不同生長(zhǎng)期 土壤中速效氮質(zhì)量比的變化Fig.5 Changes of mass ratios of available nitrogen in soil at different growth stages of maize under different fertilization modes

圖6 不同施肥模式下玉米不同生長(zhǎng)期 土壤中全氮質(zhì)量比的變化Fig.6 Changes of mass ratios of total nitrogen in soil at different growth stages of maize under different fertilization modes

3 結(jié) 論

1) 在玉米生長(zhǎng)周期內(nèi)，傳統(tǒng)施肥及測(cè)土配方施肥模式下，土壤銨態(tài)氮的質(zhì)量比均為w(生物質(zhì)炭)=2.0%>w(生物質(zhì)炭)=1.0%>w(生物質(zhì)炭)=0.5%>不加生物質(zhì)炭. 在兩種施肥模式下，添加楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭對(duì)土壤銨態(tài)氮質(zhì)量比增加的差異不明顯.

2) 傳統(tǒng)施肥方式添加w(生物質(zhì)炭)=2.0%的土壤中銨態(tài)氮質(zhì)量比最高，平均值達(dá)到了36.43 mg/kg，為傳統(tǒng)施肥方式不添加楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭處理平均值的154.4%； 傳統(tǒng)施肥方式添加2.0%楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭的土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比變化趨勢(shì)不顯著，但仍高于其他處理方式下土壤中硝態(tài)氮的質(zhì)量比，可能是楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭增加了土壤的碳氮比所致； 傳統(tǒng)施肥方式添加0.5%生物質(zhì)炭的土壤中速效氮質(zhì)量比最高，原因是土壤中速效氮及易水解的有機(jī)態(tài)氮(氨基酸、 酰胺和易水解蛋白質(zhì))反映的是土壤近期的氮素供應(yīng)情形.

3) 土壤中添加楊樹(shù)葉生物質(zhì)炭后，改善了土壤孔隙及其通氣狀況，同時(shí)抑制了氮氧化物的排放和微生物的反硝化作用，從而使土壤中全氮儲(chǔ)量增加.