不同生物炭類型及添加量對土壤碳氮轉(zhuǎn)化的影響

趙鳳亮　單穎　劉玉學　丁哲利　王必尊　李虹　宋順

摘 要 通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗，研究不同生物炭類型（椰殼炭、稻殼炭、檸條炭）以及生物炭添加水平對不同土壤（磚紅壤和水稻土）碳素轉(zhuǎn)化的影響。結(jié)果表明，在施用等量尿素的情況下，隨著生物炭添加量的增加土壤的有機碳含量顯著提高。對土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響總體表現(xiàn)一致，土壤銨態(tài)氮含量逐漸減少，而硝態(tài)氮含量逐漸增加；添加1%、2%、5%生物炭的處理土壤NH4+-N含量分別比對照降低了13.3%～16.0%、18.6%～28.5%、51.1%～68.8%，NO3--N含量比對照提高了6.4%～13.3%、12.9%～19.7%、18.4%～22.7%，這可能與添加生物炭后土壤pH升高引起的氨揮發(fā)增加有關，然而其影響程度與土壤類型、生物炭類型和生物炭添加量密切相關。

關鍵詞 生物炭類型；氮素轉(zhuǎn)化；磚紅壤；水稻土

中圖分類號 S158.2 文獻標識碼 A

生物炭是指在部分或完全缺氧、溫度相對較低（≤700 ℃）的條件下，由生物質(zhì)如木屑、作物秸稈、動物糞便、城市固體垃圾等，經(jīng)過熱解炭化產(chǎn)生的一種含碳量極其豐富、性質(zhì)穩(wěn)定、高度芳香化的固態(tài)物質(zhì)[1]。生物炭由于具有特殊的理化性質(zhì)，不但可以固定大氣CO2，還可以作為土壤改良劑，在提升土壤質(zhì)量，保持土壤肥力等諸多方面發(fā)揮積極作用，如降低土壤容重，增加土壤有機碳含量[2]，吸附土壤中銨根離子（NH4+）和硝酸根離子（NO3-）[3-4]，減少土壤氮磷養(yǎng)分流失[5-6]。

研究表明生物炭對土壤氮素礦化作用有較大的影響。Nelissen等[7]研究表明，生物炭促進氮礦化、硝化以及NH4+、NO3-的固定，這與添加生物炭后土壤有機碳增加、pH提高促進了土壤微生物活性有關。另外，也有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以影響土壤銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）含量[8]，這可能是由于生物炭對NH4+、NO3-的吸附作用[3，9-11]，或促進了微生物的吸收轉(zhuǎn)化所致[12]。生物炭也會影響土壤微生物對氮素的固定、有機氮的礦化、以及硝化與反硝化作用[13]。以上研究多是以土壤中固有氮素為研究樣本，生物炭對外源氮素的影響過程和機制尚未可知，而這正是將生物炭應用于減氮增效工作時亟待明確的問題[14]。為此，本研究以不同類型的生物炭為試材，通過培養(yǎng)試驗分析生物炭對尿素在土壤中轉(zhuǎn)化的影響，以期為生物炭存在條件下氮肥（尿素）的合理投入提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用的椰殼炭由椰子殼在450 ℃條件下制備而成，稻殼炭和檸條炭由浙江省農(nóng)業(yè)科學院環(huán)境資源與土壤肥料研究所生物炭工程技術研究中心提供，其基本理化性質(zhì)如表1。供試土壤為磚紅壤和水稻土，基本性質(zhì)如表2。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗按照三因素設計：因素A為土壤類型，設水稻土和磚紅壤2個水平；因素B為生物炭類型，設椰殼炭、稻殼炭和檸條炭3個水平；因素C為生物炭添加量，設對照（C1）、1%生物炭（C2）、2%生物炭（C3）、5%生物炭（C4）4個水平；共24個處理（表3）。培養(yǎng)試驗所用器皿為塑料瓶，每個瓶裝土120 g，與生物炭均勻混合，每個處理重復3次。放入培養(yǎng)箱之前，加入3.92 g/L尿素溶液20 mL，加水至質(zhì)量（風干土）含水率25%，在溫度為25 ℃、空氣濕度為80%的條件下培養(yǎng)。

1.2.2 樣品采集與測定 在培養(yǎng)開始后的第5、10、15、20天采集土壤樣品，用1 mol/L氯化鉀溶液浸提，0.45 μm濾膜過濾后，采用靛酚藍比色法測定土壤NH4+-N，酚二磺酸比色法測定土壤NO3--N。試驗結(jié)束后，采集的土壤樣品經(jīng)自然風干后過2 mm篩，利用碳氮分析儀測定土壤碳含量，計算土壤有機碳含量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件對所測數(shù)據(jù)進行單因素方差分析（One-way ANOVA）和顯著性差異分析（p≤0.05）。利用Origin Lab 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加生物炭條件下土壤有機碳變化

添加生物炭后土壤有機碳含量如圖1所示。添加不同類型的生物炭后水稻土和磚紅壤有機碳含量均為C1各試驗因素對土壤有機碳的方差分析如表4所示。土壤類型、生物炭添加量顯著影響土壤有機碳含量，而生物炭類型的影響未達到顯著（p=0.09）。3個因素（A、B和C）間的交互作用對土壤有機碳含量的影響也不顯著。

2.2 添加生物炭條件下土壤銨態(tài)氮變化

尿素添加到水稻土中會發(fā)生水解，提高土壤銨態(tài)氮含量。起初水稻土銨態(tài)氮（NH4+-N）含量為14.2 mg/kg，5 d后達到309.8～363.7 mg/kg（圖2）。在培養(yǎng)后的5～20 d內(nèi)，NH4+-N含量逐漸降低，說明生物炭處理土壤中NH4+-N不但積累快，轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)氮的速度也比較快。不論添加何種生物炭，水稻土各處理NH4+-N含量大小順序均為C1>C2>C3>C4。在室內(nèi)培養(yǎng)后的第20天，不添加生物炭的對照處理（C1）土壤NH4+-N含量降至73.8～75.6 mg/kg；添加1%、2%、5%生物炭的處理土壤NH4+-N含量降至63.1～65.5 mg/kg（C2）、53.1～61.5 mg/kg（C3）、23.1～37.0 mg/kg（C4），分別比對照降低了13.3%～16.0%、18.6%～28.5%、51.1%～68.8%，這可能與添加生物炭后土壤pH升高（圖4）引起的氨揮發(fā)增加有關。

添加生物炭后磚紅壤銨態(tài)氮含量隨培養(yǎng)時間的變化如圖3所示。與水稻土類似，經(jīng)過20 d的培養(yǎng)，添加3種生物炭處理磚紅壤中NH4+-N含量的大小順序均為C1>C2>C3>C4，且生物炭添加水平越高，NH4+-N含量降低幅度越大。添加1%、2%、5%生物炭的處理土壤NH4+-N含量分別比對照降低了7.4%～12.5%、13.0%～15.4%、19.4%～25.1%。與水稻土相比，磚紅壤NH4+-N下降幅度較小，這與其較低的土壤pH、不利于土壤氨揮發(fā)有關（圖4）。

各試驗因素對土壤銨態(tài)氮的方差分析如表5所示。土壤類型、生物炭類型及添加量均顯著影響土壤銨態(tài)氮含量；而且生物炭類型與土壤類型（A）、生物炭添加量（C）對土壤銨態(tài)氮的影響均達到顯著水平（p≤0.05）。在添加相同量的尿素情況下，經(jīng)過20 d的培養(yǎng)，磚紅壤NH4+-N含量是水稻土的2.8～6.7倍，這與土壤本身的性質(zhì)有關。與稻殼炭相比，添加椰殼炭和檸條炭的處理土壤NH4+-N下降幅度較大。在水稻土和磚紅壤中添加生物炭的處理NH4+-N下降幅度較大，而且隨著生物炭添加量的增加下降幅度也增大，說明土壤中銨態(tài)氮的含量受生物炭添加量的影響較大。

2.3 添加生物炭條件下土壤硝態(tài)氮變化

不同類型生物炭按照不同比例添加到水稻土中，經(jīng)過20 d的培養(yǎng)，硝態(tài)氮（NO3--N）含量隨時間推移逐漸增加（圖5）。不論添加的生物炭類型，水稻土各處理NO3--N含量大小順序均為C1不同類型生物炭按照不同比例添加到磚紅壤中，經(jīng)過20 d的培養(yǎng)，NO3--N含量隨時間推移逐漸增加（圖6）。與水稻土類似，不論添加何種類型的生物炭磚紅壤各處理NO3--N含量大小順序均為C1

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