秸稈生物質(zhì)炭對(duì)稻田土壤剖面N2O和N2濃度的影響*

馬蕓蕓，周 偉，何莉莉，趙 旭?，王林權(quán)?

秸稈生物質(zhì)炭對(duì)稻田土壤剖面N2O和N2濃度的影響*

馬蕓蕓1，2，周 偉2，何莉莉3，趙 旭2?，王林權(quán)1?

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌，712100；2. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008；3. 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021）

稻田剖面反硝化；秸稈生物質(zhì)炭；N2直接定量法；氣態(tài)氮淋溶

由于反硝化的最終產(chǎn)物N2在大氣中含量高達(dá)78%，因此直接測(cè)定來(lái)自土壤反硝化過(guò)程產(chǎn)生的N2存在困難[10]。除N2外，反硝化過(guò)程中間產(chǎn)物之一的N2O會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)和破壞臭氧層，而稻田也是N2O排放的重要來(lái)源[11]。測(cè)定土壤溶液中N2O和反硝化產(chǎn)生N2量（Excess N2，下文中用exN2表示)的方法是一直以來(lái)研究稻田反硝化的有效手段。由于研究方法的限制，稻田剖面反硝化的研究多是室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，田間原位研究較少。近年來(lái)，隨著膜進(jìn)樣質(zhì)譜方法的成熟應(yīng)用，使得快速、準(zhǔn)確測(cè)定水中溶解性N2成為可能。由于土壤的阻滯和水壓的作用使得稻田土壤溶液中的氣體擴(kuò)散緩慢，因此可通過(guò)測(cè)定土壤溶液中溶解性N2量，再減去自然溶解性N2量，得到反硝化產(chǎn)生N2量，該法被稱為N2直接定量法[7]。

生物質(zhì)炭是近些年來(lái)新興起的功能性物質(zhì)，施用生物質(zhì)炭能夠提高土壤pH，改善土壤物理性狀，其中部分可降解組分還可被微生物利用，因此生物質(zhì)炭施入到土壤會(huì)改變微生物主導(dǎo)的反硝化過(guò)程。已有的生物質(zhì)炭對(duì)土壤反硝化影響研究多集中在其對(duì)地表N2O、N2排放通量的影響。例如Obia等[12]認(rèn)為生物質(zhì)炭可以改變酸性土壤的pH，進(jìn)而抑制酸性土壤的N2O凈產(chǎn)生，并增加N2的產(chǎn)量。Chintala等[13]用乙炔抑制法研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭能夠降低N2O的排放及總的（N2O+N2）-N的排放。還有研究發(fā)現(xiàn)新鮮的生物質(zhì)炭可以抑制異養(yǎng)硝化作用，而老化的生物質(zhì)炭通過(guò)增加羧基和羥基的官能團(tuán)密度來(lái)增強(qiáng)硝化-反硝化作用[14]，可見(jiàn)生物質(zhì)炭對(duì)土壤反硝化的影響與土壤性質(zhì)、老化時(shí)間等密切相關(guān)。上述研究均基于短期培養(yǎng)試驗(yàn)，并未考慮田間狀況下可能發(fā)生的其他因素，比如生物質(zhì)炭老化、生物質(zhì)炭-土壤-植物之間的相互作用。此外稻田水分下滲量大，大量的物質(zhì)會(huì)隨水下滲，從而影響耕層以下土壤的理化性質(zhì)及微生物活性。生物質(zhì)炭能夠影響耕層土壤反硝化的能力已經(jīng)得到了證實(shí)[15]，但其對(duì)耕層以下土壤反硝化過(guò)程的影響尚不明確，考慮到深層土壤反硝化對(duì)減少地下水硝酸鹽污染至關(guān)重要，因此有必要開(kāi)展田間試驗(yàn)，研究秸稈生物質(zhì)炭對(duì)稻田剖面反硝化的影響。

鑒于此，本研究開(kāi)展了為期2年的野外原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了不同處理稻田剖面土壤溶液中反硝化產(chǎn)物N2O和exN2的時(shí)空變異規(guī)律及其影響因素，以明確長(zhǎng)期秸稈生物質(zhì)炭還田對(duì)稻田土壤剖面反硝化能力的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于中國(guó)科學(xué)院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站宜興面源污染防控技術(shù)研發(fā)與示范基地（31°07′N(xiāo)～31°37′N(xiāo)，119°31′E～120°03′E），距離太湖西北岸約1 km。屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫15.7℃，年均降雨量1 177 mm。當(dāng)?shù)亟邓透邷刂饕性谙募荆?018年8月份月均降水量高達(dá)255 mm，7月份月均氣溫高達(dá)29.4℃。

1.2 供試材料

供試土壤類型為發(fā)育于湖泊沉積物上的水稻土（潛育水耕人為土），采用稻麥輪作，耕層土壤（0～20 cm）基本理化性質(zhì)如下：pH 6.05，有機(jī)碳15.4 g·kg–1，全氮1.79 g·kg–1；砂粒（>0.05 mm)8.3%，粉粒（0.002～0.05 mm）81.5%，黏粒（<0.02 mm）10.2%。

供試生物質(zhì)炭制備原材料為水稻秸稈，通過(guò)基于沼氣能源的秸稈生物炭化爐在5℃·min–1的熱解速率，最高溫度為500℃限氧條件下8 h制成。秸稈生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)如下：pH 9.16，灰分131 g·kg–1，CEC18.9 cmol·kg–1，TOC 620 g·kg–1，堿度210 cmol· kg–1，全氮全磷分別為13.3 g·kg–1和4.40 g·kg–1，比表面積51.3 m2·g–1，有效鉀、鈣、鈉、鎂分別為13.4、4.06、5.41、1.24 g·kg–1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理：（1）對(duì)照處理（CK），不施秸稈生物質(zhì)炭；（2）低倍秸稈生物質(zhì)炭處理（1BC），秸稈生物質(zhì)炭每季施加量為2.25 t·hm–2；（3）中倍量秸稈生物質(zhì)炭處理（5BC），秸稈生物質(zhì)炭每季施加量為11.3 t·hm–2；（4）高倍量秸稈生物質(zhì)炭處理（10BC），秸稈生物質(zhì)炭每季施加量為22.5 t·hm–2。每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)12個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為24 m2。該地區(qū)每季秸稈生產(chǎn)量約為7.5 t·hm–2，秸稈生物質(zhì)炭炭化爐的產(chǎn)率為30%，1BC、5BC和10BC處理相當(dāng)于將7.5 t·hm–2（1倍）、37.5 t·hm–2（5倍）和75 t·hm–2（10倍）作物秸稈炭化還田。秸稈生物質(zhì)炭以撒施的方式均勻施入田中，并翻耕入土。各處理均按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量，氮肥（尿素）用量（以N計(jì)）稻季施250 kg·hm–2，麥季為200 kg·hm–2，按3︰4︰3的比例分別在稻麥移栽或直播、分蘗期和拔節(jié)期施用。磷、鉀肥（磷酸二氫鈣和氯化鉀，以P2O5和K2O計(jì)）每季均按照60 kg·hm–2水平基施。

生物質(zhì)炭還田始于2010年水稻季，在2018和2019年兩個(gè)稻季進(jìn)行觀測(cè)。2018年稻季在7月初施基肥后插秧，7月和8月中旬分別進(jìn)行第一次追肥和第二次追肥，10月下旬收獲。2019稻季為6月中旬施基肥后移栽，2019年7月和8月中旬分別進(jìn)行第一次追肥和第二次追肥，10月下旬收獲。作物生長(zhǎng)季的田間管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的大田常規(guī)管理措施相同。

1.4 土壤剖面溶液采集

1.5 溶解性N2O和N2測(cè)定

地下水中來(lái)自反硝化產(chǎn)生的N2濃度參照Weymann等[16]所推薦的計(jì)算方法，計(jì)算過(guò)程如下：

式中，exN2代表反硝化產(chǎn)生的N2濃度，計(jì)算中該值會(huì)出現(xiàn)零是由于外界高溫水的進(jìn)入造成的稀釋效應(yīng)，或者是土壤水中CH4或者CO2等氣體飽和度過(guò)高，出現(xiàn)了氣泡現(xiàn)象，會(huì)帶走大量的N2，目前的方法無(wú)法定量這一過(guò)程造成的N2損失，所以以零計(jì)。N2T表示地下水樣品中溶解性N2的濃度，由膜進(jìn)樣質(zhì)譜儀MIMS（Membrane inlet mass spectronmeter，Bay Instruments，Easton，MD，美國(guó)）測(cè)定。Ar為惰性氣體，水環(huán)境中Ar 溶解度一般只受溫度和鹽度的控制，其濃度非常穩(wěn)定，N2源于物理過(guò)程（水氣平衡）和生物過(guò)程（主要為反硝化），因此可以通過(guò)測(cè)定水樣中N2/Ar計(jì)算水樣中真實(shí)的N2濃度；N2EQ表示N2自然溶解度，可根據(jù)Weiss[17]推導(dǎo)的N2溶解度方程計(jì)算得到；N2EA表示源自其他途徑來(lái)源的N2，例如地下水補(bǔ)給過(guò)程中代入的N2，可根據(jù)地下水中Ar的濃度進(jìn)行估算，方法參照Weymann等[16]，具體如下：

式中，ArT表示地下水中Ar的濃度，由MIMS測(cè)定；ArEQ表示地下水中Ar的自然溶解度，可根據(jù)Weiss[17]推導(dǎo)的Ar溶解度方程計(jì)算得到；N2atm和Aratm分別表示自然大氣中N2和Ar的摩爾濃度。

水體中溶解的N2O根據(jù)Terry等[18]的方法測(cè)定。用注射器抽取5 mL水樣，打入已抽真空的20 mL玻璃瓶中（日本國(guó)立農(nóng)業(yè)環(huán)境研究所提供），并設(shè)置5個(gè)空白對(duì)照瓶打入5 mL的去離子水，通入當(dāng)?shù)乜諝?，使其與外界大氣平衡，隨后放入4℃冰箱平衡24 h，抽取瓶?jī)?nèi)上部空氣注入電子捕獲（ECD)檢測(cè)器的氣相色譜（安捷倫–7890A)中測(cè)定N2O濃度。計(jì)算公式如下：

式中，N2Odiss表示地下水中N2O的濃度；N2Oh表示平衡后測(cè)出真空玻璃瓶空氣中N2O的濃度；N2Oa表示外界空氣中N2O濃度；Hvol表示加入水樣后玻璃中空氣的體積，為15 mL；α表示溫度是4℃時(shí)，N2O的本生系數(shù)，為1.128 96；Wvol表示吸取水樣體積，為5 mL。

1.6 氮淋溶量估算

氮素淋溶損失量按照1 m深度計(jì)算[19]，為1 m處土壤溶液氮濃度與淋溶水量的乘積。在稻田淹水條件下，淋溶水體積可根據(jù)測(cè)得的水分垂直下滲速率估計(jì)。本研究中實(shí)測(cè)得到CK、1BC、5BC和10BC處理小區(qū)的平均水分垂直下滲速率分別為3.42± 0.16、3.43±0.23、3.61±0.18和3.54±0.12 mm·d–1。各處理氮素淋溶量計(jì)算公式為：

式中，為氮素淋溶量（kg·hm–2），為1 m處剖面溶液中氮平均濃度（mg·L–1），為水稻移栽至收獲之間的淹水天數(shù)（d），為稻田淹水下連續(xù)3 d測(cè)得的土壤水分垂直下滲速率平均值，2018年和2019年間稻田淹水時(shí)長(zhǎng)分別為98 d和103 d。

1.7 其他觀測(cè)指標(biāo)和分析

1.8 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)用Microsoft excel 2016（Microsoft)軟件整理并用Origin 2016作圖。用IBM SPSS 22.0軟件（IBM SASS Statistics，Stanford University，USA)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。圖表所列數(shù)據(jù)均為相應(yīng)處理3次重復(fù)的均值，使用最小顯著性差異法（LSD)對(duì)數(shù)據(jù)均值進(jìn)行多重比較，誤差棒為相應(yīng)處理3次重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)誤（Standard Deviation）。

2 結(jié) 果

2.1 不同剖面深度土壤溶液中N2O濃度時(shí)空變化

長(zhǎng)期秸稈生物質(zhì)炭還田不同程度改變了水稻生長(zhǎng)期土壤剖面的N2O濃度，滲漏水中N2O濃度變化范圍在0.00～3.64 μg·L–1，其最高值出現(xiàn)在2019年不添加秸稈生物炭CK處理60 cm深度，各處理峰值出現(xiàn)的時(shí)間不盡相同（圖1）。

如圖2，CK處理的深層土壤溶液中N2O濃度高于耕層20 cm，峰值出現(xiàn)在60 cm處。秸稈生物質(zhì)炭處理剖面N2O濃度變化較小，2018年1BC、5BC和10BC峰值分別在80 cm、20 cm和80 cm處，2019年1BC、5BC和10BC分別在100 cm、60 cm和80 cm處。

相較于CK處理，中、高倍量秸稈生物質(zhì)炭（5BC和10BC）還田降低了深層土壤剖面N2O濃度，其中2018年5BC和10BC在60～100 cm和40～100 cm處，2019年5BC和10BC在60 cm和40～60 cm深度的降幅達(dá)到差異顯著水平（<0.05）。

2.2 不同剖面深度土壤溶液中反硝化產(chǎn)生N2濃度的時(shí)空變化

如圖3所示，2年間不同剖面深度的土壤溶液中exN2濃度呈現(xiàn)脈沖式變化，其范圍在0.00～4.72 mg·L–1，施肥和烤田之后exN2濃度均出現(xiàn)峰值，最高峰出現(xiàn)在2018年CK處理第二次追肥3 d后的20 cm深度。

如圖4所示，隨著剖面深度的增加，CK處理exN2濃度有降低趨勢(shì)，其中2019年的底層exN2濃度顯著低于耕層（<0.05）。5BC和10BC處理有降低土壤剖面exN2濃度的趨勢(shì)，2018的降幅顯著大于2019年。低倍秸稈生物質(zhì)炭（1BC）對(duì)exN2濃度影響不明顯。5BC和10BC處理2年間exN2濃度均在表層20 cm處最高，底層100 cm處最低，兩個(gè)深度差異顯著（<0.05）。

2年間表層20 cm處各處理差異不顯著，但耕層以下土層的差異明顯。相較于CK，2018年5BC在40 cm處和10BC處理在40～100 cm 處exN2濃度均顯著下降（<0.05）；2019年5BC在100 cm處，10BC處理在60～100 cm處exN2濃度均顯著降低（<0.05）。

2.3 不同剖面深度土壤溶液中DOC、、-N、DO和Eh分布特征

如圖5，2018年土壤剖面中各處理的DOC濃度無(wú)顯著差異（>0.05）；2019年各處理間差異顯著，10BC處理土壤溶液中DOC濃度最高，顯著高于CK和1BC處理（<0.05）。相比于CK，5BC土壤溶液中DOC濃度增加了14%～52%，10BC土壤溶液中DOC濃度增加了57%～85%。

如圖6，2018年DO值的變化范圍為2.43～3.33 mg·L–1，2019年為2.40～4.21 mg·L–1，最高值出現(xiàn)在2019年10BC處理。與CK相比，5BC和10BC處理增加了溶液DO濃度；對(duì)于相同的處理，隨著深度的增加，DO值呈增加的趨勢(shì)。

表1 不同剖面深度土壤溶液中和時(shí)間加權(quán)平均濃度

圖7為2年間滲漏水中氧化還原電位Eh值，2018年Eh值在–20～60 mv之間，2019年為–60～40 mv；其中10BC處理Eh值高于CK處理。2018年Eh值隨深度變化不明顯，2019年隨著深度的增加Eh值有增加的趨勢(shì)。

2.4 影響溶解性N2O和反硝化產(chǎn)生N2濃度變化的因素

表2 土壤溶液中exN2和N2O濃度與各因素的逐步回歸關(guān)系

注：不施秸稈生物質(zhì)炭為CK組，添加秸稈生物質(zhì)炭為1BC、5BC、10BC處理。Note：CK：no biochar；1BC，5BC and 10BC：biochar treatments.

3 討 論

本試驗(yàn)大田觀測(cè)土壤20～100 cm剖面中溶解的氣態(tài)氮僅是反硝化的小部分。為完整探究秸稈生物質(zhì)炭長(zhǎng)期施入對(duì)稻田反硝化的影響，需要對(duì)釋放到大氣中的N2O以及N2進(jìn)行觀測(cè)，也要對(duì)田面水溶解態(tài)N2O及N2加以考慮，并結(jié)合現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)探究各脫氮過(guò)程的微生物學(xué)機(jī)理。

4 結(jié) 論

長(zhǎng)期配施秸稈生物質(zhì)炭可減少稻田土壤剖面的N2O和exN2濃度，這種作用隨秸稈生物質(zhì)炭施加量和土壤剖面深度增加而顯著。添加秸稈生物質(zhì)炭增加了土壤溶解氧含量、提高了土壤剖面Eh，改變了反硝化發(fā)生的環(huán)境條件，是降低稻田剖面的反硝化作用及其主要產(chǎn)物N2O和exN2釋放的主要原因。長(zhǎng)期施用中、高量秸稈生物質(zhì)炭可以降低稻田深層土壤反硝化作用，并最終減少溶解性氣態(tài)氮的淋溶損失。

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Effect of Application of Straw-derived Biochar on Concentrations of N2O and N2in Paddy Soil Profile

MA Yunyun1, 2, ZHOU Wei2, HE Lili3, ZHAO Xu2?, WANG Linquan1?

(1. College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China; 2. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3. Institute of Environment, Resource, Soil and Fertilizer, Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310021, China )

Denitrification in rice field profile; Straw-derived biochar; N2direct measuring method; Gaseous nitrogen leaching

S151.9

A

10.11766/trxb202005110231

馬蕓蕓，周偉，何莉莉，趙旭，王林權(quán). 秸稈生物質(zhì)炭對(duì)稻田土壤剖面N2O和N2濃度的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2021，58（6）：1540–1551.

MA Yunyun，ZHOU Wei，HE Lili，ZHAO Xu，WANG Linquan. Effect of Application of Straw-derived Biochar on Concentrations of N2O and N2in Paddy Soil Profile[J]. Acta Pedologica Sinica，2021，58（6）：1540–1551.

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41771338、41807088、41807096）資助Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos. 41771338，41807088，41807096）

Corresponding author，E-mail：zhaoxu@issas.ac.cn；linquanw@nwsuaf.edu.cn

馬蕓蕓（1994—），女，甘肅靜寧人，碩士研究生，主要從事淹水稻田土壤剖面反硝化規(guī)律的研究。E-mail：1264101423@qq.com

2020–05–11；

2020–08–29；

2020–10–21

（責(zé)任編輯：盧 萍)