生物炭、秸秆和粪肥对滨海盐碱土氮矿化和硝化作用的影响

胡立煌，史文竹，项 剑，王艮梅，张焕朝

(南京林业大学南方现代林业协同创新中心/ 林学院，江苏 南京 210037)

盐碱土是在各种自然环境及人为活动因素的综合作用下，盐类直接参与土壤形成过程，并以盐(碱)化过程为主导作用而形成的土壤[1]。我国盐碱土总面积约为9.9×107hm2，其中滨海盐碱土占比近40%[2]。受气候变化和人为活动的影响，滨海盐碱土退化严重，已成为制约我国生态环境建设和经济发展的突出问题[3]。因此，如何有效地解决盐碱地改良问题，使其成为能够被利用的土地资源，成为目前的研究热点之一。有机物料添加作为一种经济有效的措施在盐碱土改良中占有十分重要的地位。研究表明秸秆还田能有效降低滨海盐土全盐含量和pH值，增加土壤有机质含量、土壤微生物数量和酶活性[4]。粪肥能直接为植物提供营养，其含有大量的酸性物质，施入盐碱土后能明显降低土壤pH值，且粪肥还能提高土壤胶体的吸盐能力，从而降低土壤有效盐分的比例[5]。近年来，生物炭在盐碱土改良中发挥着越来越重要的作用，因其具有多孔结构，且比表面积大，用作土壤调理剂可降低土壤容重[6]，改善土壤与孔隙结构[7]，提高土壤通透性[8]。并且其对离子交换吸附的能力能将盐碱土中的Na+代换出来，增加Na+淋洗量，从而降低土壤盐分[9]。因此，利用有机物料进行盐碱土改良，不仅能将农业固体废弃物资源化，而且能增加土壤养分和有机质含量，改善土壤结构，提升土壤肥力[10]。

氮是植物生长发育必不可少的大量营养元素，而盐碱土因其养分贫瘠，在综合改良利用的同时往往需要投入大量氮肥。研究表明，过量的氮肥易造成氧化亚氮(N2O)排放量增加、水体富营养化及硝酸盐大量淋溶进入地下水等环境污染问题[11]。有机物料添加会影响氮转化，从而对氮利用效率及其环境效应产生重要影响。一方面，有机物料会增加土壤微生物数量和活性，提高微生物利用矿质态氮的能力，使得更多的硝态氮和铵态氮被暂时性地固定下来，减少了硝化底物的浓度，从而抑制土壤硝化作用[12]。同时，土壤盐分含量、pH值等的变化也会影响盐碱土无机氮转化。研究表明，当土壤盐分含量低于17.00‰时，随着盐分含量的升高，土壤硝化作用逐渐增强，使得硝态氮含量增加，铵态氮含量不断降低[13]；但较高的盐分会抑制盐碱土中脲酶的水解速率，土壤硝化速率随着盐分的增加而降低，而反硝化速率则逐步升高[14]。此外，随盐碱土pH值的升高，土壤净氮矿化速率逐步降低，土壤铵态氮含量呈下降趋势，但土壤硝化作用增强，硝态氮含量呈增加趋势[15]。

综上所述，有机物料在改良盐碱土盐分和pH值等的同时也会影响土壤氮的转化，但其影响效果因有机物料类型的不同而不同。为探究滨海盐碱土改良中适宜的有机物料及不同有机物料的生态环境效益，笔者以江苏滨海盐碱土为对象，通过室内培养试验研究单施氮肥和氮肥配施不同有机物料对滨海盐碱土氮转化的影响，从土壤环境健康的角度评价不同有机物料对盐碱土改良的综合效益，以期为盐碱土改良利用的综合生态效应评估和可持续发展提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自江苏省大丰沿海农业科技示范园(32°59′40″ N, 120°49′43″ E)，该地属于亚热带与暖湿带的过渡地带，年平均气温14.1 ℃，年无霜期213 d，年降水量1 042.2 mm，年均日照时数2 238.9 h，土壤质地为海相沉积物发育而成的砂质壤土，全盐量和pH值分别为1.80‰和8.92。于2019年4月在示范园内油菜与田菁轮作地 (约2 000 m2)采集表层土壤(0～20 cm)，采用“S”型采样法采集土样，每次采集10个点的混合土壤样品，共采集10次。将土壤充分混匀后于室温下风干磨细去除残茬，过2 mm孔径筛保存备用，土壤理化性质测定结果见表1。

表1 供试土壤及有机物料的基本理化性质

试验所用生物炭为水稻秸秆生物炭，购自湖北金日生态能源股份有限公司，w(有机碳)为55.10%，w(全氮)为1.12%，pH值为9.96，C/N比为49.2。试验所用鸡粪为商品有机肥，购自东台田娘有机肥料股份有限公司，鸡粪w(有机碳)为20.20%，w(全氮)为1.36%，pH值为6.8，C/N比为14.9。试验所用秸秆为当地水稻收获后的新鲜秸秆地上部分，秸秆w(有机碳)为40.20%，w(全氮)为0.72%，pH值为7.2，C/N比为55.8。将秸秆、鸡粪、生物炭于80 ℃下烘干12 h[16]，粉碎过1 mm孔径筛备用。

1.2 培养方法

试验共设置7个处理：不施氮肥的对照处理(CK)，单施氮肥处理(N)，氮肥配施生物炭处理(N+B)，氮肥配施鸡粪处理(N+M)，氮肥配施秸秆处理(N+S)，氮肥配施生物碳和鸡粪处理(N+BM)，氮肥配施秸秆和鸡粪处理(N+SM)，每个处理18个重复。试验开始前，称取相当于烘干土质量100 g的风干土于250 mL广口瓶中，加入去离子水使水分含量达到70%田间持水量，25 ℃预培养7 d以激活土壤微生物。预培养结束后，分别将生物炭、鸡粪、秸秆按照6 000 kg·hm-2(2.15 g·kg-1，以C计)加入土壤中(添加量以秸秆全量还田计算)，其中N+BM和N+SM处理中的有机物料为每种施用3 000 kg·hm-2(以C计)，充分混匀后加入硫酸铵溶液，使土壤w(铵态氮)达150 mg·kg-1，CK处理加入等量去离子水，同时调节水分含量为80%田间持水量，用保鲜膜封口，并扎3～4个小孔以利于通气，将广口瓶至于25 ℃下黑暗培养60 d。每隔3 d对样品补水，以补充因蒸发而引起的水分损失。于培养后1、5、10、20、40、60 d分别随机选取3瓶土样用于测定土壤无机氮含量，将瓶内土壤取出，充分混匀后称取10 g相当于烘干土的土壤于浸提瓶内，加入50 mL 2 mol·L-1KCl溶液，振荡(220 r·min-1)1 h后离心(3 000 r·min-1)10 min，离心半径为15.6 cm，过滤后滤液用于测定 NH4+-N、NO3--N浓度。

1.3 分析方法

土壤pH值采用V(水)∶m(土)=5∶1的电位法测定；土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定；土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定；田间持水量采用内室环刀法测定；NH4+-N含量采用靛酚蓝比色法测定；NO3--含量N采用紫外分光光度法测定[16-17]。

1.4 数据处理

净硝化速率(N)、净氮矿化量(M)和净氮矿化速率(S)计算公式为

N=(Ct-C1)/(t-t1)，

(1)

M=Gt-G1，

(2)

S=M/(t-t1)。

(3)

式(1)～(3)中，N为净硝化速率，mg·kg-1·d-1(以NO3--N计)；Ct和C1分别为培养第t天和第1天时 NO3--N的含量，mg·kg-1；M为净氮矿化量，mg·kg-1(以N计)；Gt和G1分别为培养第t天和1天时NH4+-N与NO3--N含量之和，mg·kg-1；S为净氮矿化速率，mg·kg-1·d-1；t为培养天数，d；t1为第1天。

以上计算方法参照李平等[16]和李光敏等[18]，所有数据均为3次重复的平均值。采用 Origin 2018软件作图，SPSS 13.0 软件对数据进行统计分析，采用单因素方差分析和最小显著差异法 (LSD)进行不同处理之间的多重比较，分析不同有机物料处理在α=0.05和α=0.01水平下的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 土壤中铵态氮含量的动态变化

不同处理土壤中铵态氮含量的动态变化如图1所示。

N+B—氮肥配施生物炭处理；N+S—氮肥配施秸秆处理；N+M—氮肥配施鸡粪处理；N+BM—氮肥配施生物炭和鸡粪处理；N+SM—氮肥配施秸秆和鸡粪处理；N—单施氮肥处理；CK—对照处理。

整个培养期间，土壤铵态氮含量均表现为随时间而逐渐下降的变化规律。培养后期各处理土壤w(铵态氮)较起始时减少53.20%～80.12%，N+B、N+S、N+M、N+BM、N+SM、N和CK处理分别为42.24、24.12、16.01、24.01、24.68、22.79和14.48 mg·kg-1。培养结束时，除了N+M处理土壤铵态氮含量与CK处理无明差异之外，其余各施肥处理土壤铵态氮含量均显著高于CK处理(P<0.05)。此外，就施肥处理而言，N+B处理土壤铵态氮含量显著高于N处理(P<0.01)，而N+M处理则显著低于N处理(P<0.01)，其余各处理间无显著差异。

2.2 土壤中硝态氮含量的动态变化

试验中各处理土壤硝态氮含量的变化如图2所示。土壤硝态氮含量在前20 d内均迅速上升，然后上升速度逐渐缓慢。在培养结束时各处理土壤硝态氮含量与CK处理相比均极显著增加(P<0.01)。培养结束时，CK处理的土壤w(硝态氮)为19.20 mg·kg-1，而N、N+B、N+SM和N+M处理则分别高达89.87、67.61、99.15和111.73 mg·kg-1。N+B、N+M、N+SM处理土壤硝态氮平均含量与N处理差异极显著(P<0.01)，而N+S和N+BM处理与N处理相比则无显著差异。试验期间各处理土壤硝态氮平均含量的大小规律表现为N+M处理> N+SM处理> N处理> N+B处理> CK处理。

N+B—氮肥配施生物炭处理；N+S—氮肥配施秸秆处理；N+M—氮肥配施鸡粪处理；N+BM—氮肥配施生物炭和鸡粪处理；N+SM—氮肥配施秸秆和鸡粪处理；N—单施氮肥处理；CK—对照处理。

2.3 不同施肥处理土壤的硝化速率

不同施肥处理对土壤硝化作用的影响非常显著(图3)。与CK处理相比，施用氮肥显著提高了土壤的硝化速率，培养60 d后N处理的平均硝化速率为1.33 mg·kg-1·d-1，是CK处理的8.87倍，差异极显著(P<0.01)。在施用氮肥的基础上添加鸡粪会进一步促进硝化作用，N+M处理的土壤平均硝化速率为1.75 mg·kg-1·d-1，分别是CK和N处理的11.67和1.32倍；N+SM处理的土壤平均硝化速率为1.48 mg·kg-1·d-1，分别是CK和N处理的9.87和1.11倍。与N处理相比，N+S和N+BM处理的土壤硝化速率均无明显差异；但N+B处理则会降低土壤的硝化速率，其硝化速率(1.00 mg·kg-1·d-1)比N处理下降了24.81%。

N+B—氮肥配施生物炭处理；N+S—氮肥配施秸秆处理；N+M—氮肥配施鸡粪处理；N+BM—氮肥配施生物炭和鸡粪处理；N+SM—氮肥配施秸秆和鸡粪处理；N—单施氮肥处理；CK—对照处理。直方柱上方英文小写字母不同表示各处理间净硝化速率差异显著(P<0.05)。

2.4 土壤净矿化氮量和NH4+-N/NO3--N比的动态变化

试验期间各处理土壤净矿化氮量均随着时间逐渐增加，NH4+-N/NO3--N比在培养开始后迅速下降，随后缓慢下降并趋于稳定(图4)。与N处理相比，N+B处理显著降低土壤净矿化氮量(P<0.05)，并提高NH4+-N/NO3--N比，表明生物炭能抑制土壤有机氮的矿化、延缓铵态氮的硝化，减少土壤有机氮的损失。N+M和N+SM处理净矿化氮量显著高于N处理(P<0.05)，表明鸡粪、秸秆加鸡粪能促进土壤有机矿化氮和铵态氮硝化，增加土壤有机氮的损失。N+S、N+BM处理净矿化氮量和NH4+-N/NO3--N比与N处理无显著差异。

2.5 培养结束时不同处理的氮净矿化速率和NH4+-N/NO3--N比

由图5可知，培养期间N+M和N+SM处理的平均氮矿化速率均显著高于N处理；而N+B处理的平均氮矿化速率显著低于N处理；N+S和N+BM处理的平均氮矿化速率与N处理则无明显差异。由此可见，生物炭能抑制土壤氮矿化作用，而鸡粪则能促进土壤氮矿化作用。至培养结束时(60 d)，N+B、CK、N+BM、N+S、N+SM、N和N+M处理NH4+-N/NO3--N比分别为1.05、0.75、0.42、0.40、0.40、0.39和0.22。与CK处理相比，N+B处理显著提高了NH4+-N/NO3--N比值，而其他施肥处理NH4+-N/NO3--N比值均显著降低(P<0.05，图5)。就施肥处理的NH4+-N/NO3--N比而言，N+B处理显著高于N处理，N+M处理则显著低于N处理(P<0.05)，其他处理与N处理相比无明显差异。另外，N+B与N+M处理的NH4+-N/NO3--N比差异极显著(P<0.01)。这表明生物炭的施用能够维持较高水平的铵态氮含量，抑制土壤硝化作用；而鸡粪的施用会促进土壤硝化作用，产生较多的硝态氮。

图4 不同处理土壤净矿化氮与NH4+-N/NO3--N比的动态变化

N+B—氮肥配施生物炭处理；N+S—氮肥配施秸秆处理；N+M—氮肥配施鸡粪处理；N+BM—氮肥配施生物炭和鸡粪处理；N+SM—氮肥配施秸秆和鸡粪处理；N—单施氮肥处理；CK—对照处理。同一幅图中直方柱上方英文小写字母不同表示各处理间某指标差异显著(P<0.05)。

3 讨论

3.1 鸡粪、秸秆对土壤氮矿化和硝化作用的影响

土壤氮的矿化作用是以土壤微生物特别是土壤异养微生物为主导，将土壤有机氮转化为可供植物吸收利用的无机氮的过程。当向土壤中施用无机氮肥或有机物料时，会改变土壤的C/N比，使土壤氮矿化/同化过程的强度和时间发生重大变化，进而影响土壤无机氮的动态变化[19]。该研究中无论是鸡粪还是氮肥均显著提高滨海盐碱土的净矿化速率，这是由于外加碳、氮的激发效应能促进土壤的矿化[20]，特别是铵态氮肥的施用可以增加微生物异养硝化作用需要的铵态氮，减少微生物固持的铵态氮量，从而激发硝化微生物活性，增加其氮矿化量，提高矿化速率[21]。另一方面，有机粪肥中含有大量易分解的有机碳、氮、磷等物质，且在其分解矿化的过程中还会释放出一部分水溶性有机碳，为微生物提供最直接的碳源，同时氮肥的配施为土壤微生物提供了充足的氮，促进了土壤微生物的快速繁殖[22]，进而增强了土壤原有氮的矿化作用。此外，有机粪肥本身在分解过程中因矿化作用产生大量矿质态氮，也是其增强土壤氮矿化作用的一个重要原因[23]。

土壤硝化作用是NH4+-N在微生物参与下转化为NO3--N的过程，施用氮肥和有机物料会改变土壤微生物的数量和活性，从而影响土壤硝化作用。研究表明，施用氮肥尤其是铵态氮肥对土壤硝化作用具有促进效应[24]。这与该研究的结果一致：铵态氮肥的添加促进了土壤硝化作用，且添加不同有机物料对土壤硝化作用的影响存在着明显差异。N+M处理在培养结束时与N处理相比铵态氮含量显著降低，硝态氮含量显著提高，平均硝化速率显著上升，氮肥与有机粪肥配施会进一步促进土壤硝化作用，这与张晓贺[25]在盐碱土上的研究结果一致。碱性土壤中参与硝化作用的微生物主要是氨氧化细菌(AOB)，有机粪肥施用显著提升土壤AOB种群丰富度和丰度，并改变其群落结构[26]。此外，硝化细菌等微生物数量及其种类的改变也会随着有机肥的施用不断增强，进而不断提升土壤硝化作用强度[27]。

目前，关于氮肥配施秸秆对土壤硝化作用影响的报道较多，但结论不一。添加秸秆会导致黑土及紫色土氮的净同化[28]，而范晓辉等[29]在红壤和潮土、李贵桐等[30]在碱性土上的研究发现秸秆还田促进了土壤有机氮的矿化作用。因为C/N比与有机氮的矿化作用密切相关，添加秸秆对土壤矿化作用表现为净矿化还是净同化主要取决于所添加秸秆的C/N比。一般认为，当有机物料C/N比大于30时，矿质氮的生物固持作用大于有机氮的矿化作用，表现为矿质氮的净同化；而当有机物料C/N小于20时，微生物不需要额外的矿质氮，有机氮的矿化速率大于矿质氮的生物同化速率，从而表现为净矿化[31]。然而，该研究中N+S处理对土壤矿化作用无明显影响，这可能是由于秸秆添加量较低，对土壤盐碱度的影响有限，还不足以明显影响土壤矿化作用。另一方面，秸秆增加了微生物对黑土无机氮的固持作用，使其转化为微生物体氮，从而抑制了硝化作用[16]。但是，范晓晖等[29]研究发现，秸秆配施无机肥促进了南方红壤和华北潮土的硝化作用，从而提高土壤矿质氮含量。该研究中N+S处理对土壤硝化作用无明显影响，这可能是由于秸秆添加量较低，导致秸秆作用被弱化。同时，添加秸秆对土壤硝化作用的影响还与土壤类型、pH值、秸秆种类以及土壤温度和土壤含水率有关[32]。

3.2 生物炭对土壤氮矿化和硝化作用的影响

生物炭作为土壤添加剂用于滨海湿地盐碱土改良，不仅能够吸附土壤中的游离NH3、NH4+和NO3-[33]，减少无机N的损失，还可以改善土壤的理化性质(如保水性、pH值、CEC等)和微生物群落结构，进而影响土壤生态系统中N的转化[34]，对土壤N的生物地球化学循环过程产生影响。该研究中生物炭对土壤硝化作用的影响与有机肥截然相反，生物炭通过固持铵态氮、降低硝化过程中的有效底物显著抑制硝化作用。SUN等[35]研究表明，小麦秸秆生物炭会抑制滨海盐碱土的硝化作用，使土壤中铵态氮含量增加22.9%～45.7%，硝态氮含量降低3.8%～13.0%。张瑶[36]对内蒙古河套地区盐碱土的改良试验中也发现生物炭的类似效果。SHI等[37]通过培养试验发现，生物炭兼具抑制酸性土壤硝化和再酸化的双重效果。尽管如此，何飞飞等[38]研究却发现，生物炭提高了酸性菜地土壤最大硝化速率，降低达到最大硝化速率的时间和最大硝化潜势。综上所述，生物炭对碱性土壤的硝化作用具抑制作用，而对酸性土壤的硝化作用影响尚不明确。有研究指出，随着pH值的增加，土壤硝化作用变强[13]。一般而言，生物炭呈碱性反应，加入土壤后会提高土壤的pH值，这可能是生物炭能提高酸性土壤最大硝化速率的重要原因之一。此外，生物炭的添加会吸附土壤铵态氮、降低氨氧化细菌种群数量，从而抑制酸性土壤硝化作用[39]。该研究中添加生物炭后土壤硝化作用明显减弱，可能是因为生物炭对铵态氮的吸附作用和对微生物活性的综合影响，从而降低了硝化底物的含量，同时也降低了氨氧化微生物的丰度和活性，进而抑制土壤硝化作用，降低氮肥添加后盐碱土的硝化强度。

另一方面，生物炭因其自身的特性而难以在短期内被矿化利用[40]，但仍能影响土壤生态系统内部及外部物质循环。该研究中生物炭对土壤氮矿化产生明显的抑制作用。这与LUO等[41]对黄河三角洲滨海土壤有机氮矿化的影响研究结果一致，生物炭的添加显著降低了土壤净氮累积矿化量，抑制了土壤有机氮的矿化；而芦苇秸秆增强了土壤矿质氮的生物固持作用。土壤氮的矿化与氮的供应密切相关[42]，土壤氮矿化速率与土壤总氮含量呈正相关关系，总氮含量高的土壤通常具有较高的矿化速率[43]。生物炭添加后土壤铵态氮的固持明显增强，导致土壤硝化微生物可利用的底物浓度较低，降低了土壤硝化作用，从而抑制了土壤矿化作用[44]。

值得注意的是，滨海盐碱土全氮含量普遍较低，土壤反硝化底物相对不足，而土壤硝化作用增强会使得NO3--N含量增加，从而为反硝化作用提供充足的底物。研究表明，贫氮系统中土壤硝化-反硝化的耦合作用机制能够促进土壤NO3--N反硝化还原成N2O排放到大气中[45]，从而显著降低土壤无机氮尤其是NO3--N含量，使得土壤硝化速率降低。同时，盐碱土较高的pH值和盐分含量有利于氨挥发，MANDAL等[46]研究发现当土壤pH值超过8时，羟基离子的增加使得土壤氨挥发量较高。因此，滨海盐碱土有机物料改良实践过程中N2O的排放和氨挥发也不应被忽视。

4 结论

添加不同有机物料对滨海盐碱土氮硝化作用和矿化作用均具有显著影响。施用氮肥后土壤氮硝化和矿化作用显著增强；而配施鸡粪会进一步促进土壤氮硝化和矿化作用，生物炭则抑制了施氮后土壤氮的硝化作用和矿化作用。在滨海盐碱土的改良利用中，添加鸡粪增加了土壤无机氮含量，且以硝态氮为主，尽管提供了更多的植物可利用氮，却增加了硝酸盐环境污染的风险；添加生物炭能够固持较多的铵态氮，从而抑制土壤氮硝化作用，降低硝酸盐淋失的环境污染风险，减少土壤氮的损失。因此，从土壤氮素转化的角度来看，生物炭配合有机粪肥施用是滨海盐碱土改良的一种较为有效的环境友好型措施。