不同水分条件下生物质炭对湿地土壤氮素矿化的影响

于小彦 张平究 张群 杜永固

摘要：为了探明不同土壤水分条件下添加不同裂解温度和洗涤处理的生物质炭对湿地土壤氮素矿化的影响，通过720 d 的室内培养法，研究了3种水分条件下（干湿交替、75%田間持水量、淹水），添加4种生物质炭（350WX：裂解温度为350℃的未洗涤生物质炭;600WX：裂解温度为600℃的未洗涤生物质炭;350X：裂解温度为350℃的洗涤生物质炭;600X：裂解温度为600℃的洗涤生物质炭）的湿地土壤矿质态氮差异特征。结果表明：与对照土壤相比，干湿交替和75%田间持水量条件下培养360 d后，添加生物质炭的土壤矿质态氮含量分别平均下降了64.62%和27.64%，氮素净矿化速率分别平均下降了82.9%和36.1%，且生物质炭对土壤氮素矿化作用的抑制率为正值;而淹水条件下，培养120 d和240 d，添加生物质炭的土壤矿质态氮含量和净矿化速率低于对照土壤，分别下降了14.93%和21.30%，且生物质炭对土壤氮素矿化作用的抑制率也为正值，但培养360 d时，高于对照土壤且平均分别增加了49.16%和176.22%，矿化作用的抑制率为负值。3种水分条件下，总体上土壤矿质态氮含量和净矿化速率均表现为添加裂解温度为350℃生物质炭的土壤大于添加裂解温度为600℃生物质炭的土壤，其中75%田间持水量条件下添加洗涤处理的生物质炭土壤大于未洗涤处理的生物质炭土壤。本研究结果表明，生物质炭施用对土壤氮素矿化抑制或促进作用受土壤水分影响，同时又深受施用时间长短、生物质炭裂解温度以及生物质炭洗涤处理的影响。

关键词：湿地土壤;生物质炭;氮矿化;矿化速率

中图分类号：S153文献标识号：A文章编号：1001-4942（2019）01-0104-06

Effects of Biochar on Nitrogen Mineralization in

Wetland Soils under Different Water Conditions

Yu Xiaoyan， Zhang Pingjiu， Zhang Qun， Du Yonggu

（College of Territorial Resources and Tourism， Anhui Normal University/Anhui Provincial

Key Laboratory for Research of Process and Prevention of Natural Disasters， Wuhu 241003， China）

Abstract Different characteristics of soil mineral nitrogen in wetland were investigated with the addition of four types of biochar （350WX： unwashed by alcohol with pyrolytic temperature as 350℃; 600WX： unwashed by alcoho with pyrolytic temperature as 600℃; 350X： washed by alcohol with pyrolytic temperature as 350℃; 600X： washed by alcohol with pyrolytic temperature as 600℃） along with 720-day room incubation under three types of water regimes （alternation of wetting and drying， 75% field water holding capacity， waterflooding） to study how water regimes control the effects of biochar addition on soil nitrogen mineralization. The results showed that， compared with CK， biochar addition decreased the mineral nitrogen content at the average degrees of 64.62% and 27.64% and the net mineralization rate at the average degrees of 82.9% and 36.1% after 360-day incubation under the alternation of wetting and drying and 75% field water holding capacity condition respectively， showing positive inhibition effects on soil nitrogen mineralization. Under waterflooding， compared with CK， biochar addition decreased the mineral nitrogen content and the net mineralization rate at average degrees of 14.93% and 21.30% after 120-day and 240-day incubation respectively， showing a positive inhibition effects on soil nitrogen mineralization， but incresed those at average degrees of 49.16% and 176.22% higher after 360-day incubation， showing negative inhibition effects on soil nitrogen mineralization. The mineral nitrogen content and net mineralization rate were always higher in soils added with biochar pyrolyed at 350℃ than those pyrolyed at 600℃ under three types of water regimes， while they were higher in soils added with biochar washed with alcohol than those in soils added with biochar unwashed by alcohol under 75% field water holding capacity condition. The study indicated that water condition controlled whether the positive or negative effects of biochar addition on soil nitrogen mineralization. Moreover， the effects were influenced by the duration of incubation， biochar pyrolytic temperature， and biochar washing treatments.

Keywords Wetland soil; Biochar; Nitrogen mineralization; Mineralization rate

濕地土壤是湿地生态系统的重要组成部分，具有维护生物多样性、调节和分配地表水分、蓄留和提供养分元素、降解污染物等功能[1]，被誉为“地球之肾”。而氮素是湿地植物生长发育所必需的营养元素之一，也是影响湿地生态系统生产力的重要因子[2]。其中矿质态氮主要以铵态氮和硝态氮的形式存在，其含量的多少直接关系到湿地植物可吸收利用的土壤氮素含量[3]，也为了解湿地土壤氮素供应能力提供重要依据。

生物质炭是有机物料在缺氧条件下，经高温裂解产生的有机物质，具有孔隙结构发达、比表面积大、表面官能团丰富等特征，是优良的土壤改良剂和固碳减排材料[4]。大量研究表明，生物质炭添加会影响土壤氮素的矿化，但研究结果不尽相同。陈玉真等[5]通过46 d的短期室内培养试验，研究生物质炭对茶园土壤氮素转化的影响，发现生物质炭添加降低了土壤氮的矿化量和净矿化速率。罗煜等[6]在酸性（pH值3.8）和碱性（pH值7.6）土壤中均添加生物质炭，也发现生物质炭添加抑制了土壤氮的矿化，降低了土壤铵态氮含量。但Nelissen[7]和Berglund[8]等研究结果表明，由于生物质炭添加增加了土壤可溶性碳含量，加速了土壤微生物活动，从而促进了土壤有机氮的矿化，且低温裂解生物质炭（350℃）比高温裂解生物质炭（550℃）更能促进土壤氮的矿化。也有大量研究表明生物质炭在短期内能够刺激土壤氮的矿化，加速氮的短期循环[9，10]，但关于不同水分条件如何左右生物质炭对土壤氮素矿化作用影响的研究报道较少。且目前关于生物质炭对氮素影响的研究主要集中在农业土壤、森林土壤方面[11]，而对湿地土壤氮素矿化影响的研究报道较少。湿地具有独特水文特征，导致湿地淹水和干湿交替土壤水分条件不同，而水分条件本身也影响土壤氮素的矿化[12，13]，可能左右着生物质炭添加对土壤矿质态氮含量的影响。因此，本试验以十五里河湿地土壤为研究对象，采用室内培养法获得土壤样品并分析土壤矿质态氮含量，探讨不同水分条件下添加不同裂解温度和洗涤处理的生物质炭对土壤氮素矿化作用的影响，以期丰富生物质炭影响湿地土壤氮循环的认识。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集与处理

样品于2014年4月采集于巢湖十五里河河口湿地（31°43′56.89′′N，117°21′29.66′′E）表层（0～10 cm）土壤。土样采集后，自然风干。全部过孔径0.9 mm筛，其中一部分用于室内模拟试验;另一部分用于测定供试土壤基本理化性状（表1）。

1.2 生物质炭样品制备与处理

生物质炭的制备是以风干芦苇为原料，分别在350℃和600℃条件下，用马弗炉隔氧加热4 h。然后将生物质炭研磨，过筛筛选粒径为2～0.613 mm的生物质炭。由于生物质炭在制作过程中会产生醋液、无机盐和焦油等热解副产物，附在生物质炭表面[14]，所以本研究将两种制备温度的生物质炭再分为2份，一份为未洗涤处理，另一份用去离子水反复浸泡后，再用无水乙醇溶液洗涤，生物质炭与洗涤液体以体积比1∶10浸泡24 h，重复3次后，再用纯水洗涤，直至淋洗液的电导率降至100 μS·cm-1 以下，得到处理后的生物质炭。在60℃下干燥后再次筛选粒径为2～0.613 mm的生物质炭。

1.3 室内土壤培养试验

室内模拟土柱内壁直径为7 cm，高度为15 cm 的PVC圆柱管。每个土柱内装7 g生物质炭和168 g土壤（生物质炭量为土壤的4%）的均匀混合物，形成约10 cm的土柱。试验在3种水分条件下（干湿交替、75%田间持水量、淹水）设置5个生物质炭处理（CK、350WX、350X、600WX、600X）。CK代表不添加生物质炭的空白对照;350和600表示生物质炭制备温度分别为350℃和600℃;X代表洗涤处理生物质炭，WX代表未洗涤处理生物质炭。同时用拉伸薄膜覆盖封闭来控制淹水和75%田间持水量处理的水分蒸发，干湿交替为敞开式培养，先保持薄薄水层，干到接近原始重量，再添加水。以称重法确定后期培养加水量，添加水为超级纯净水，以免水分污染。共15个处理，培养时间始于2014年9月，共培养720 d，在培养至120、240、360、480、600、720 d时，每个处理每批重复破坏性取样3个。

1.4 分析方法

土壤理化性状的测定参考鲁如坤[15]的方法。生物质炭的碳、全氮、硫含量和碳氮比用Elementar元素分析仪测定。土壤pH值按水土比5∶2测定，生物质炭pH值按水炭比为5∶1测定。土壤NH +4-N含量采用靛酚蓝比色法[15]测定，硝态氮采用紫外分光光度法[16]。由于土壤矿质态氮含量是NO -3-N和NH +4-N含量之和，所以土壤矿化速率的计算公式为[12]：

土壤氮素净矿化速率（mg·kg-1 ·d-1 ）=（培养后矿质态氮含量-培养前矿质态氮含量）/培养时间;

土壤氮素矿化作用抑制率（%）=（对照处理氮矿化量-生物质炭处理氮矿化量）/对照处理氮矿化量×100。

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel 2003对试验数据进行处理和制图，应用STST2对数据进行差异性分析。

2 结果与分析

2.1 生物质炭添加对湿地土壤矿质态氮的影响

由图1可知，干湿交替水分条件下，添加生物质炭培养360 d后土壤矿质态氮含量显著降低，各处理比对照下降48.34%～78.66%（ P < 0.05）， 平均下降64.62%;且随培养时间的延长，对照土壤的矿质态氮含量先增加而后略下降，至720 d，比120 d时仅增加4.25%，而添加生物质炭的土壤矿质态氮含量随培养时间的延长而下降，最后趋于平稳，720 d与120 d相比平均下降56.22%。75%田间持水量条件下，与对照相比，生物质炭添加也降低了各时期土壤矿质态氮含量，各处理平均下降 2.40%～ 56.46%，培养360 d时各处理平均下降27.64%;但随培养时间的延长，对照土壤和添加生物质炭的土壤矿质态氮含量均逐渐增加，至720 d，比120 d时分别增加 156.73% 和 138.75%。 而淹水条件下，培养120 d和240 d，与对照相比，生物质炭添加也降低了土壤矿质态氮含量，平均下降14.93%，但培养360 d时，生物质炭添加增加了土壤矿质态氮含量，与对照相比平均增加49.16%;且随培养时间的延长，对照土壤和添加生物质炭的土壤矿质态氮含量均逐渐下降，平均分别下降64.17%和 40.14%。 同一洗涤处理下，添加350℃生物质炭的土壤矿质态氮含量总体上高于添加600℃生物质炭的土壤;且干湿交替和75%田间持水量条件下，培养240 d后土壤矿质态氮含量表现为350X>350WX、600X>600WX。

2.2 生物质炭添加对湿地土壤氮素净矿化速率的影响

从图2可以看出，生物质炭添加对土壤氮素净矿化速率的影响和矿质态氮含量的变化一致，均表现为干湿交替、75%田间持水量条件下培养360 d后和淹水条件下培养120～240 d，与对照相比生物质炭添加均降低了土壤氮素净矿化速率，且分别下降 69.06%～100.95%、平均下降 82.9%， 16.15%～ 70.63%、 平均下降36.1%， 3.49%～ 45.98%、平均下降21.30%，而淹水条件下培养360 d后，与对照相比生物质炭添加增加了土壤氮素净矿化速率，各处理增加了 50.50%～ 414.25%，平均增加176.22%。但干湿交替、75%田间持水量和淹水条件下，随培养时间的延长，对照土壤和添加生物质炭的土壤氮素净矿化速率均逐渐下降，且分别下降82.29%和96.67%、44.12%和 44.26%、97.82% 和93.26%。而生物质炭裂解温度和洗涤处理对土壤氮素净矿化速率的影响和矿质态氮含量的变化一致。

2.3 生物质炭添加对湿地土壤氮素矿化作用抑制率的影响

由图3可知，干湿交替条件下，除培养120 d，土壤氮素矿化作用抑制率为负值外，培养240 d后矿化作用抑制率均为正值，且矿化作用抑制率随培养时间的延长先增加而后略有下降，至720 d，比120 d平均增加了11.09倍。75%田间持水量条件下，在培养720 d内，矿化作用抑制率均为正值，但受生物质炭裂解温度的影响，表现为添加低温生物质炭的土壤氮素矿化作用抑制率随培养时间的延长而下降，平均下降了54.09%，而添加高温裂解生物质炭的土壤氮素矿化作用抑制率随培养时间的延长而增加，平均增加了127.17%。而淹水条件下，与干湿交替相反， 培养120 d和240 d时，矿化作用抑制率为正值，但培养360 d后为负值，且随培养时间的延长，先下降而后略有回升，720 d比120 d平均下降3.80倍。

3 讨论

土壤氮素矿化是指土壤中难以被植物直接吸收利用的有机氮，在微生物的作用下，转化为矿质态氮的过程[17]。大量研究表明，生物质炭通过影响土壤微生物活性、氨挥发、氨化和硝化作用及矿质态氮吸附解吸等过程[6，18]，影响土壤氮素的矿化。陈玉真等[5]和Deenik等[19]研究认为，生物质炭本身含有酚类等挥发性物质，能够抑制微生物活性，从而降低土壤氮的矿化。也有研究表明，生物质炭添加能够提高土壤碳氮比，促进微生物生长，从而固定更多的矿质态氮[7，20]，进而降低矿质态氮含量。本研究中干湿交替培养240 d后和75%田间持水量条件下生物质炭添加降低了土壤矿质态氮含量和净矿化速率，氮素矿化作用抑制率为正值，这些结果与以上表述一致，同时培养试验中添加的生物质炭本身也含有较高碳氮比（表2），能够刺激固氮微生物活性，促进氮的生物固持。刘杏认等[21]研究发现，生物质炭施用量低于5%时，促进N 2 O的排放，而本研究中生物炭施用量为4%，可能促进了N 2 O的排放，降低了矿质态氮含量。同时大量研究表明，生物质炭由于巨大的比表面积和丰富的阳离子含量，能够吸附土壤中的NH +4和NO -3，从而进一步导致土壤矿质态氮降低[11]。而淹水条件下，由于处于厌氧环境，以反硝化作用为主，但生物质炭添加可能抑制了反硝化作用，减少了N2O的排放，进而有利于NH +4-N的累积[18，22]。本研究还发现，75%田间持水量条件下，土壤矿质态氮含量表现为添加洗涤处理生物质炭土壤高于未洗涤处理生物质炭，低温裂解生物质炭高于高温裂解生物质炭，这可能与生物质炭在制作过程中产生的醋液、无机盐和焦油等热解副产物有关[14]，但具体影响机制还有待进一步研究。同时高温裂解生物质炭比低温裂解生物质炭的空隙结构更加发达，比表面积更大，为微生物生长提供更好的栖息地，所以更有利于促进氮的生物固持[4，11]，同时更有利于对矿质态氮的吸附[18]。

前人研究表明，土壤氮素矿化趋势分为前期快速增长期和后期停滞稳定期[13]，这与本研究结果一致，土壤氮的矿化趋势如图1，在3种水分条件下均表现为前期（120 d）氮素净矿化速率最大，累积的氮素净矿化量迅速增加。这主要是因为在培养前期土壤中存在大量活性营养元素和有机质，为微生物生长提供了较好的底物和能量，在适宜的水分条件下，微生物活性较高，促进了氮素的矿化，但随着培养时间的延长，微生物可利用的营养元素逐渐减少，限制了微生物活动，矿化速率逐渐降低并趋于稳定[13，23]。且研究发现矿化作用抑制率随培养时间的延长，在干湿交替条件下是增加的，在75%田间持水量条件下添加高温裂解生物质炭是增加而添加低温裂解生物质炭是下降的，而且淹水条件下也是下降的。这说明干湿交替和75%田间持水量条件下，生物质炭添加虽然都抑制了土壤氮素矿化，但是随着培养时间的延长，生物质炭对土壤氮矿化的抑制强度受土壤含水量、生物质炭裂解温度的影响而不同，且淹水条件下随培养时间的延长生物质炭添加反而促进了氮素的矿化。因此土壤水分條件是干扰生物质炭对土壤氮素矿化作用影响的重要因素。

4 结论

在干湿交替、75%田间持水量和淹水条件下，生物质炭添加对湿地土壤矿质态氮含量产生一定的影响，但影响方式与程度受土壤水分条件、生物质炭裂解温度、洗涤处理以及培养时间长短的影响。无论是干湿交替还是75%田间持水量条件下，4种生物质炭添加均在培养360 d后降低了土壤矿质态氮含量，其中添加高温裂解生物质炭和未洗涤处理的生物质炭下降更显著，且矿化作用抑制率为正值，但淹水条件下促进土壤矿质态氮含量增加。同时3种水分条件下，随培养时间的延长土壤氮素净矿化速率均逐渐下降，但75%田间持水量条件下下降幅度相对较小。因此，生物质炭添加对土壤氮素矿化的抑制或促进，受土壤水分条件和生物质炭裂解温度的影响显著。

参 考 文 献：

[1]倪晋仁，殷康前，赵智杰.湿地景观生态分类研究进展[J].应用生态学报，1998，13（3）：214-221.

[2]Mitsch W J，Gosselin J G.Wetlands[M].New York：Van Nostrand Reinhold Company Inc.，2000：89-125.

[3]Kolberg R L，Rouppet B，Westfall D G，et al. Evaluation of an in situ net soil nitrogen mineralization method in dryland agroecosystems[J]. Soil Science Society of America Journal，1997，61（2）：504-508.

[4]汪青.土壤和沉积物中黑碳的环境行为及效应研究进展[J].生态学报，2012，32（1）：293-310.

[5]陈玉真，王峰，吴志丹，等.添加生物质炭对酸性茶园土壤pH和氮素转化的影响[J].茶叶学报，2016，57（2）：64-70.

[6]罗煜，赵小蓉，李贵桐，等.生物质炭对不同pH值土壤矿质态氮含量的影响[J].农业工程学报，2014，30（19）：166-173.

[7]Nelissen V，Rütting T，Huygens D，et al. Maize biochars accelerate short-term soil nitrogen dynamics in a loamy sand soil[J]. Soil Biology and Biochemistry，2012，55：20-27.

[8]Berglund L M，DeLuca T H，Zackrisson O. Activated carbon amendments to soil alters nitrification rates in Scots pine forests[J]. Soil Biology and Biochemistry，2004，36（12）：2067-2073.

[9]Nelissen V，Rütting T，Huygens D，et al. Temporal evolution of biochar， s impact on soil nitrogen processes-a 15N tracing study[J]. Global Change Biology Bioenergy，2015，7（4）： 635- 645.

[10]刘遵奇，孟军，陈温福. 玉米秸秆生物质炭对尿素分解的影响[J].农业环境科学学报，2015，34（6）：1142-1148.

[11]王洪媛，盖霞普，翟丽梅，等.生物质炭对土壤氮循环的影响研究进展[J].生态学报，2016，36（19）：5998-6011.

[12]马芬，马红亮，邱泓，等.水分状况与不同形态氮添加对亚热带森林土壤氮素净转化速率及N 2 O排放的影响[J].应用生态学报，2015，26（2）：379-387.

[13]田冬，高明，徐畅. 土壤水分和氮添加对3种质地紫色土氮矿化及土壤pH的影响[J]. 水土保持学报，2016，30（1）：255-261.

[14]郭悦，唐伟，代静玉，等.洗脱处理对生物质炭吸附铜离子行为的影响[J].农业环境科学学报，2014，33（7）：1405-1413.

[15]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科技出版社，2000.

[16]宋歌，孙波，教剑英.测定土壤硝态氮的紫外分光光度法与其他方法的比较[J].土壤学报，2007，44（2）：288-293.

[17]张星，张晴雯，刘杏认，等.施用生物质炭对农田土壤氮素转化关键过程的影响[J].中国农业气象，2015，36（6）：709-716.

[18]Nguye T T N，Xu C Y，Tahmasbian I，et al. Effects of biochar on soil available inorganic nitrogen：a review and meta-analysis[J]. Geoderma，2017，288：79-96.

[19]Deenik J L，McClellan T，Uehara G，et al. Charcoal volatile matter content influences plant growth and soil nitrogen transformations[J]. Soil Science Society of America Journal，2010，74（4）：1259-1270.

[20]潘凤娥，胡俊鹏，索龙，等.添加玉米秸秆及其生物质炭对砖红壤N 2 O排放的影响[J].农业环境科学学报，2016，35（2）：396-402.

[21]刘杏认，赵光昕，张晴雯，等. 生物炭对华北农田土壤N 2 O通量及相關功能基因丰度的影响[J]. 环境科学，2018，39（8）：3816-3825.

[22]Zhang A F，Cui L Q，Pan G X，et al. Effect of biochar amendment on yield and methane and nitrous oxide emissions from a rice paddy from Tai Lake plain，China[J]. Agriculture Ecosystem and Environment，2010，139（4）：469-475.

[23]李银坤，陈敏鹏，梅旭荣，等.土壤水分和氮添加对华北平原高产农田有机碳矿化的影响[J].生态学报，2014，34（14）：4037-4046.