不同生物炭类型及添加量对土壤碳氮转化的影响

赵凤亮　单颖　刘玉学　丁哲利　王必尊　李虹　宋顺

摘 要 通过室内培养试验，研究不同生物炭类型（椰壳炭、稻壳炭、柠条炭）以及生物炭添加水平对不同土壤（砖红壤和水稻土）碳素转化的影响。结果表明，在施用等量尿素的情况下，随着生物炭添加量的增加土壤的有机碳含量显著提高。对土壤氮素转化的影响总体表现一致，土壤铵态氮含量逐渐减少，而硝态氮含量逐渐增加；添加1%、2%、5%生物炭的处理土壤NH4+-N含量分别比对照降低了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%，这可能与添加生物炭后土壤pH升高引起的氨挥发增加有关，然而其影响程度与土壤类型、生物炭类型和生物炭添加量密切相关。

关键词 生物炭类型；氮素转化；砖红壤；水稻土

中图分类号 S158.2 文献标识码 A

生物炭是指在部分或完全缺氧、温度相对较低（≤700 ℃）的条件下，由生物质如木屑、作物秸秆、动物粪便、城市固体垃圾等，经过热解炭化产生的一种含碳量极其丰富、性质稳定、高度芳香化的固态物质[1]。生物炭由于具有特殊的理化性质，不但可以固定大气CO2，还可以作为土壤改良剂，在提升土壤质量，保持土壤肥力等诸多方面发挥积极作用，如降低土壤容重，增加土壤有机碳含量[2]，吸附土壤中铵根离子（NH4+）和硝酸根离子（NO3-）[3-4]，减少土壤氮磷养分流失[5-6]。

研究表明生物炭对土壤氮素矿化作用有较大的影响。Nelissen等[7]研究表明，生物炭促进氮矿化、硝化以及NH4+、NO3-的固定，这与添加生物炭后土壤有机碳增加、pH提高促进了土壤微生物活性有关。另外，也有研究发现，生物炭可以影响土壤铵态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N）含量[8]，这可能是由于生物炭对NH4+、NO3-的吸附作用[3，9-11]，或促进了微生物的吸收转化所致[12]。生物炭也会影响土壤微生物对氮素的固定、有机氮的矿化、以及硝化与反硝化作用[13]。以上研究多是以土壤中固有氮素为研究样本，生物炭对外源氮素的影响过程和机制尚未可知，而这正是将生物炭应用于减氮增效工作时亟待明确的问题[14]。为此，本研究以不同类型的生物炭为试材，通过培养试验分析生物炭对尿素在土壤中转化的影响，以期为生物炭存在条件下氮肥（尿素）的合理投入提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试验所用的椰壳炭由椰子壳在450 ℃条件下制备而成，稻壳炭和柠条炭由浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所生物炭工程技术研究中心提供，其基本理化性质如表1。供试土壤为砖红壤和水稻土，基本性质如表2。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验按照三因素设计：因素A为土壤类型，设水稻土和砖红壤2个水平；因素B为生物炭类型，设椰壳炭、稻壳炭和柠条炭3个水平；因素C为生物炭添加量，设对照（C1）、1%生物炭（C2）、2%生物炭（C3）、5%生物炭（C4）4个水平；共24个处理（表3）。培养试验所用器皿为塑料瓶，每个瓶装土120 g，与生物炭均匀混合，每个处理重复3次。放入培养箱之前，加入3.92 g/L尿素溶液20 mL，加水至质量（风干土）含水率25%，在温度为25 ℃、空气湿度为80%的条件下培养。

1.2.2 样品采集与测定 在培养开始后的第5、10、15、20天采集土壤样品，用1 mol/L氯化钾溶液浸提，0.45 μm滤膜过滤后，采用靛酚蓝比色法测定土壤NH4+-N，酚二磺酸比色法测定土壤NO3--N。试验结束后，采集的土壤样品经自然风干后过2 mm筛，利用碳氮分析仪测定土壤碳含量，计算土壤有机碳含量。

1.3 数据统计分析

利用SPSS 19.0统计软件对所测数据进行单因素方差分析（One-way ANOVA）和显著性差异分析（p≤0.05）。利用Origin Lab 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 添加生物炭条件下土壤有机碳变化

添加生物炭后土壤有机碳含量如图1所示。添加不同类型的生物炭后水稻土和砖红壤有机碳含量均为C1各试验因素对土壤有机碳的方差分析如表4所示。土壤类型、生物炭添加量显著影响土壤有机碳含量，而生物炭类型的影响未达到显著（p=0.09）。3个因素（A、B和C）间的交互作用对土壤有机碳含量的影响也不显著。

2.2 添加生物炭条件下土壤铵态氮变化

尿素添加到水稻土中会发生水解，提高土壤铵态氮含量。起初水稻土铵态氮（NH4+-N）含量为14.2 mg/kg，5 d后达到309.8～363.7 mg/kg（图2）。在培养后的5～20 d内，NH4+-N含量逐渐降低，说明生物炭处理土壤中NH4+-N不但积累快，转化为其他形态氮的速度也比较快。不论添加何种生物炭，水稻土各处理NH4+-N含量大小顺序均为C1>C2>C3>C4。在室内培养后的第20天，不添加生物炭的对照处理（C1）土壤NH4+-N含量降至73.8～75.6 mg/kg；添加1%、2%、5%生物炭的处理土壤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），分别比对照降低了13.3%～16.0%、18.6%～28.5%、51.1%～68.8%，这可能与添加生物炭后土壤pH升高（图4）引起的氨挥发增加有关。

添加生物炭后砖红壤铵态氮含量随培养时间的变化如图3所示。与水稻土类似，经过20 d的培养，添加3种生物炭处理砖红壤中NH4+-N含量的大小顺序均为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%生物炭的处理土壤NH4+-N含量分别比对照降低了7.4%～12.5%、13.0%～15.4%、19.4%～25.1%。与水稻土相比，磚红壤NH4+-N下降幅度较小，这与其较低的土壤pH、不利于土壤氨挥发有关（图4）。

各试验因素对土壤铵态氮的方差分析如表5所示。土壤类型、生物炭类型及添加量均显著影响土壤铵态氮含量；而且生物炭类型与土壤类型（A）、生物炭添加量（C）对土壤铵态氮的影响均达到显著水平（p≤0.05）。在添加相同量的尿素情况下，经过20 d的培养，砖红壤NH4+-N含量是水稻土的2.8～6.7倍，这与土壤本身的性质有关。与稻壳炭相比，添加椰壳炭和柠条炭的处理土壤NH4+-N下降幅度较大。在水稻土和砖红壤中添加生物炭的处理NH4+-N下降幅度较大，而且随着生物炭添加量的增加下降幅度也增大，说明土壤中铵态氮的含量受生物炭添加量的影响较大。

2.3 添加生物炭条件下土壤硝态氮变化

不同类型生物炭按照不同比例添加到水稻土中，经过20 d的培养，硝态氮（NO3--N）含量随时间推移逐渐增加（图5）。不论添加的生物炭类型，水稻土各处理NO3--N含量大小顺序均为C1不同类型生物炭按照不同比例添加到砖红壤中，经过20 d的培养，NO3--N含量随时间推移逐渐增加（图6）。与水稻土类似，不论添加何种类型的生物炭砖红壤各处理NO3--N含量大小顺序均为C1

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