生物质炭对酸性菜地土壤氮素矿化和N2O排放的影响

丁爱芳,张芯源,夏筱莉,柳 勇

(1. 南京晓庄学院 环境科学学院,江苏 南京 211171;2. 广东省生态环境与土壤研究所,广东 广州 510650 )

在我国南方酸性土壤分布地区,高经济价值的蔬菜种植十分普遍,由于高强度连作,长期偏施氮肥等化学肥料,导致菜地土壤酸化,土壤氮素矿化作用受到影响,氮素淋洗和反硝化损失风险增加[1,2]。N2O是一种重要的温室气体,土壤是N2O的重要排放源,主要是通过微生物参与土壤硝化与反硝化过程产生的,氮肥的大量使用,造成了土壤N2O的高排放[3,4]。土壤性质如土壤温度、pH值、有机碳、全氮、水分等性质影响土壤N2O的排放[5,6]。因此,改善土壤理化性质,降低N2O等温室气体排放一直是环境科学研究的热点。

生物质炭是生物质在高温无氧或缺氧环境中经热裂解过程形成的固体产物,是高度芳香化的固态物质,性质稳定,具有孔隙度高、比表面积大、吸附性强等特性,可降低土壤酸度,促进土壤有机碳的固定,增加土壤的保肥性和持水性,提高土壤氮素的有效性,进而减少农业面源污染,增加作物的产量,是一种非常有潜力的土壤改良剂[7,8]。作为土壤改良剂,生物质炭通过改变土壤理化性质,直接或间接影响参与土壤氮循环相关的微生物群,影响土壤氮循环[9]。Song等研究发现生物质炭降低了土壤活性氮浓度和土壤氮循环相关酶活性,使毛竹林土壤N2O排放降低了28.8%～31.3%[10],张秀玲等研究发现生物质炭显著降低了华北平原4种典型土壤N2O的排放量[11],孙贇等研究发现酸化茶园土壤中,生物质炭通过抑制土壤硝化和反硝化作用降低土壤N2O的排放[12]。但Yanai等研究发现生物质炭促进土壤N2O的排放[13],Scheer等研究认为生物质炭对土壤N2O排放没有影响[14]。

生物质炭对N2O排放的影响,因土壤性质、生物质炭的来源、性质及其施用量等因素不同常有较大差异[15,16]。目前针对生物质炭对南方酸性菜地土壤氮素矿化和N2O排放的影响研究还较少。因此,本文以广州市近郊某蔬菜种植基地的土壤为对象,研究生物质炭施加对酸性菜地土壤氮素矿化和N2O排放的影响,为探讨生物质炭调控菜地土壤氮循环、减少土壤氮素损失提供实验和理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试土壤采自广州市近郊某蔬菜种植基地,该区属于亚热带季风气候,日照充足,降水丰富。土壤采集深度为0～20 cm,于阴凉通风处自然风干,剔除植物残体等杂质,研磨过2 mm筛备用。

供试生物质炭为水稻壳炭(RB)和棕榈丝炭(PB)两种,购买自南京勤丰众成生物质新材料有限公司,生物质炭均在450 ℃缺氧条件下炭化制成。将购买来的两种生物质炭置于烘箱中105 ℃烘干,在干燥器中自然冷却,研磨过1 mm筛备用。

供试土壤和生物质炭基本理化性质见表1。

表1 供试土壤和生物质炭基本理化性质

1.2 实验设计

实验设置10个处理:无外源添加物处理(CK)、添加3%和6%水稻壳生物质炭(3%RB和6%RB)、添加3%和6%棕榈丝生物质炭(3%PB和6%PB),只施氮肥处理(N)、施氮肥和水稻壳炭(3%RB+N和6%RB+N)、施氮肥和棕榈丝生物质炭(3%PB+N和6%PB+N)。每个培养瓶中装入150 g处理过的土壤(干质量),采用尿素作为实验外加氮源,施氮量为150 mg/kg。每个处理做 6 个重复,其中 3 个重复用来采集气体,另 3个重复在培养周期内定期取土,用于测定土壤无机氮含量。

调节土壤水分至田间持水量的50%,培养7 d进行活化,以消除干湿效应和激活微生物。活化结束后,按照实验设计要求将生物质炭、尿素和土壤混合均匀后,装入250 mL培养瓶中,加蒸馏水调节至土壤田间持水量的65%,用保鲜膜覆盖在培养瓶瓶口处,然后用针对保鲜膜扎出大小均匀的孔,将扎好孔的培养瓶放置于30 ℃的恒温培养箱中进行培养,在培养期间,用称重法对土壤进行定期补水。分别在第1、3、5、7、14、21、28、35 d,测定土样N2O释放量、土壤铵态氮和硝态氮含量。

1.3 样品采集以及测定

1.3.1 N2O气体采样以及测定方法

气体于采样日上午9:00进行采集,采集前,揭掉保鲜膜,向瓶内吹入数分钟空气以除去瓶内气体,随后迅速用硅胶塞塞住瓶口,并用704胶密封瓶口和塞子之间的空隙。在密封锥形瓶后0及40 min分别用25 mL注射器通过硅胶塞的中间取样孔采集瓶中气体5 mL,注入气相色谱仪(安捷伦GC7890A),N2O浓度用电子捕获检测器(ECD)测定,通过标准气体和待测气体的峰面积比值计算样品浓度。

土壤N2O排放通量的计算公式为[4]:

F=ρ×ΔC/Δt×V×[273.15/(273.15+T)]/m

(1)

式中:F为N2O的排放通量(μg/(kg·h));ρ是标准状况下的N2O密度(1.964 kg/m3);ΔC/Δt是N2O在锥形瓶内的浓度变化率(10-9/h);V为在培养瓶去除土壤的空间体积(m3);T是采气时环境温度(℃);m是培养土烘干后的质量(kg)。

土壤N2O的累积排放量的计算公式为[4]:

(2)

式中:M为N2O累积的排放量(N2O,μg/kg);F为土壤中N2O的排放通量(N2O-N,μg/(kg·h));t为采样时间(d);i为采样的次数;ti-ti-1为两次采样的间隔天数(d)。

1.3.2 硝态氮、铵态氮的提取和测定方法

1.3.3 土壤其他测定项目及方法

土壤pH值测定玻璃电极电位法(水土质量比2.5∶1);有机碳测定采用重铬酸钾-硫酸硝化法;全氮采用半微量凯氏定氮法[18]。可溶性有机碳(DOC)含量测定按水土质量比5∶1浸提2 h,0.45 μm滤膜过滤,采用TOC仪(德国Elementer Vario)测定。

1.4 数据统计

数据用Microsoft Excel 2010进行计算,SPSS 20.0进行单因素方差分析,Duncan法进行多重比较分析处理间的差异。

2 结果与讨论

2.1 不同处理对土壤无机氮含量变化的影响

a. 未施氮肥处理;b. 施氮肥处理图1 不同处理土壤含量的动态变化

a. 未施氮肥处理;b. 施氮肥处理图2 不同处理土壤含量的动态变化

从图2(b)可以看出,施氮处理中土壤硝态氮含量呈增加趋势,在1～21 d培养期间,土壤中硝态氮含量呈显著上升趋势,在21～35 d培养期间,变化缓慢,含量较稳定。与单施尿素(N)相比,生物质炭配施尿素处理,不同程度降低了土壤中硝态氮含量,在培养结束时,单施尿素处理(N)土壤硝态氮含量最大,可达273.6 mg/kg,生物质炭尿素配施处理土壤硝态氮含量在206.3～240.8 mg/kg之间,比单施尿素处理(N),降低了12.0%～24.6%。棕榈丝炭配施的降低作用大于稻壳炭,6%生物质炭添加处理降低作用高于3%生物质处理。

2.2 不同处理对菜地土壤净氮转化的影响

培养结束后,分别计算不同处理土壤净矿化量、土壤净硝化量等指标,并分别对施氮肥和不施氮肥两种状况下的处理进行差异性比较,结果如表2。从表2可以看出,施氮肥和不施氮肥两种状况下,添加生物质炭处理都显著降低了菜地土壤氮矿化量、净硝化量、净氮矿化速率和净硝化速率(P<0.05),生物质炭类型和添加量不同,下降幅度不同。在不施氮肥处理中,随着稻壳炭(RB)添加量的增加,氮矿化量、净硝化量及速率增加,棕榈丝炭(PB)表现出相反的趋势;在施氮肥处理中,氮矿化量、净硝化量及速率都随生物质炭添加量的增加而降低,相同添加量下,棕榈丝炭的降低作用大于稻壳炭,但没有显著差异。与CK相比,添加生物质炭处理均抑制了土壤硝化作用,土壤硝化抑制率为23.2%～37.3%,6%PB处理抑制作用最大,与其他处理存在显著差异(P<0.05);与单施氮肥(N)相比,生物质炭与氮肥配施处理也抑制了土壤硝化作用,土壤硝化抑制率为12.0%～23.4%,6%RB+N处理抑制作用最大,与3%RB+N处理存在显著差异(P<0.05)。

表2 菜地土壤净氮转化速率

图3 不同处理土壤N2O排放通量的动态变化

2.3 不同处理对土壤N2O排放影响

2.3.1 不同处理土壤N2O排放通量的动态变化

图3表示不同处理对土壤N2O排放通量的影响。从图3可以看出,不同处理土壤N2O排放通量变化趋势基本相同,在培养1～3 d升高,在第3 d达到峰值,单施尿素最高,可达到3.57 μg/(kg·h),远高于其他各处理。随后,各处理N2O排放通量处于降低阶段,对照和单施生物质炭处理在培养7 d以后,单施尿素及其与生物质炭配施处理在14 d以后,N2O排放通量处于较低排放水平,低至0.05～0.08 μg/(kg·h)之间。与对照相比,添加生物质炭对土壤N2O排放通量有不同程度的降低作用,施入尿素,显著提升了N2O排放通量,与单施尿素相比,生物质炭与尿素配施均降低了N2O排放通量,不同生物质炭的降低作用不同,稻壳炭的降低作用优于棕榈丝炭,6%施用量的降低作用高于3%施用量。

图4 不同处理土壤N2O排放累积量注:不同字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。

2.3.2 不同处理对N2O排放累积量的影响

图4表示了各处理在培养时间内所释放出的N2O排放累积量。从图4可以看出,对照处理(CK)N2O排放总量为72.6 μg/kg,单施生物质炭处理N2O排放总量在44.1～68.6 μg/kg之间,比对照降低了5.5%～39.3%,6%RB处理降低作用最显著(P<0.05),其他处理之间差异不显著。尿素施入显著增加了土壤N2O排放总量,达到了383.7 μg/kg,生物质炭与尿素配施处理N2O排放总量在163.2～302.7 μg/kg之间,比单施尿素处理降低了21.1%～57.5%,生物质炭添加量越高,降低作用越大,稻壳炭降低作用高于棕榈丝炭(P<0.05)。

3 结 论

通过35 d土壤室内培养实验,研究了稻壳炭、棕榈丝炭以及配施尿素对酸性菜地土壤铵态氮、硝态氮含量变化过程以及N2O排放的影响,结论如下:

(1) 与CK和施氮肥相比,添加生物质炭影响了土壤矿化过程,显著降低了菜地土壤氮矿化量、净硝化量、净氮矿化速率和净硝化速率(P<0.05),抑制了土壤硝化作用,6%RB+N处理抑制作用最大。

(2) 生物质炭施加降低了土壤N2O排放通量,不同处理N2O排放通量变化过程和土壤铵态氮含量变化过程较一致,两者之间呈显著正相关,与土壤硝态氮含量变化过程相反,呈显著负相关。

(3) 与CK相比,施加生物质炭显著降低了N2O排放累积量,比对照降低了5.5%～39.3%;单施尿素显著增加了土壤N2O排放累积量,生物质炭与尿素配施处理显著降低了N2O排放累积量,比单施尿素处理降低了21.1%～57.5%,6%稻壳炭施入量降低作用最显著。