麦秸和烟秆生物炭对氮肥硝化作用及N2O和NH3排放的影响

2019-10-10吴玉洁孙亚娇郭昕晔黄楷淇张翰喆张树兰

西北农林科技大学学报（自然科学版） 2019年11期

吴玉洁，孙亚娇，郭昕晔，黄楷淇，张翰喆，张树兰

(西北农林科技大学资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点试验室，陕西杨凌 712100)

氮素在作物产量和品质形成中起着关键作用。大量研究表明,我国农户氮肥过量施用非常普遍，自20世纪70年代以来我国化肥施用量迅速增加，目前中国氮肥施用量占全球的30%[1]。20世纪90年代末,据朱兆良[2]报道,我国主要粮食作物氮肥利用率为30%～35%。张福锁等[3]对2000-2005年不同作物和不同区域的研究结果发现，主要粮食作物的氮肥利用率为10.8%～40.5%。氮肥过量施用导致氮素以多种途径损失，不仅增加农业生产成本，而且污染环境，如氧化亚氮(N2O)、氨气(NH3)的排放量增加，硝酸盐淋洗进入水体[4]。据报道，农业生产的N2O排放量约占人类活动引起的N2O排放量的84%[5]。因此，提高氮肥利用率，减少氮素损失具有十分重要的意义。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤于2016年10月采自陕西杨凌五泉镇孟家寨“国家黄土肥力与肥料效益监测基地”小麦-玉米轮作长期施肥定位试验的氮磷肥处理样地，该处理代表该作物体系的推荐施肥水平。定位试验已定位超过25年,以蛇形取样法采集 0～20 cm土样，混合均匀，风干后过2 mm 筛备用。供试土壤基本理化性质见表1。

供试的生物炭分别为小麦秸秆生物炭(BS)和烟秆生物炭(BT)，制备温度为550 ℃。供试土壤及生物炭的基本理化性质见表1。

表1 供试土壤和生物炭的基本理化性质

注：测定土壤pH时V(水)：m(土)= 5∶1;测定麦秸生物炭和烟秆生物炭pH时V(水)∶m(生物炭)=1∶1。

Note：Determination of pH of soilV(water)∶m(soil)= 5∶1 ；Determination of pH of wheat straw biochar and tobacco straw biocharV(water)∶m(biochar)=1∶1.

1.2 试验设计

麦秸生物炭(BS)和烟秆生物炭(BT)的添加量设3个水平，分别为0，5.36，10.71 g/kg(0，15，30 Mg/hm2)。同时施用氮肥尿素，氮肥用量为0.032 g/kg(90 kg/hm2)。试验共计6个处理(BS0、BS15、BS30、BT0、BT15、BT30)，每个处理9次重复，其中3次重复用于硝化过程硝铵态氮含量的观测，3次重复用于N2O含量的观测，3次重复用于NH3挥发的观测。

1.2.1 尿素硝化过程培养试验称取170 g风干土于500 mL广口瓶中，加入尿素水溶液使土壤含水量达到田间持水量的80%，于25 ℃的生长箱恒温暗培养，在培养0，2，4，6，8，10，13，16，19 d分别取样，测定土壤铵态氮和硝态氮含量。

1.2.2 尿素硝化过程氧化亚氮排放培养试验称取300 g风干土样于1 L广口瓶中，加入尿素水溶液使土壤含水量达到田间持水量的80%，于25 ℃的生长箱恒温密闭暗培养，在培养0，1，2，3，4，5，6，7，9，10，12和14 d，利用带有三通阀的注射器进行气体样品采集(30 mL)，测定氧化亚氮，然后打开瓶盖放置空气中通气5 min，与空气进行充分的气体交换。

1.2.3 尿素硝化过程氨挥发培养试验称取300 g风干土样于1 L广口瓶中，加入尿素水溶液使土壤含水量达到田间持水量的80%，在广口瓶盖中放置一块磷酸甘油浸泡过的海绵用于吸收挥发的氨，于25 ℃的生长箱恒温密闭暗培养，在培养0，1，2，3，4，6，7，9，12，14，16，17 d，分别替换海绵，然后通气5 min，进行充分的气体交换。

1.3 测定指标及方法

1.3.2 土壤氧化亚氮(N2O)含量将1.2.2节中采集的气体样品利用气相测谱仪(7890B，美国)进行测定，其中采用氮气作载气，尾吹气为氩甲烷。

1.4 数据处理与分析

N2O排放通量(F)的计算公式为：

F=(N2O峰面积×N2O浓度/标准气体N2O浓度)/(时间×土样质量)。

NH3排放通量(F′)的计算公式为：

采用Microsoft Excel 2016对试验数据进行整理，对不同处理间的差异采用SPSS 22软件进行单因素方差分析，LSD法进行多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 添加生物炭条件下尿素硝化过程中硝铵态氮含量的变化

BT.烟秆生物炭;BS.麦秸生物炭。不同小写字母表示同一取样时间下各处理间差异显著(P<0.05)。下同BT.Tobacco straw biochar;BS.Wheat straw biochar.Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at same sampling time (P<0.05).The same below

由图1-D可见，在培养的0～13 d，所有处理土壤的硝态氮含量均随培养时间延长呈增加趋势，在13～16 d硝态氮含量均呈下降趋势，之后基本稳定，其中BT15和 BT30处理土壤的硝态氮含量均显著低于对照(BT0)。对照(BT0)土壤硝态氮最大含量为54.40 mg/kg，BT15和 BT30处理的最大含量分别为41.17和44.06 mg/kg，较对照分别降低24.32%和19.01%。

2.2 添加生物炭条件下尿素硝化过程中土壤氧化亚氮的排放动态

添加烟秆和麦秸生物炭后，尿素硝化过程中氧化亚氮的排放动态见图2。由图2-A可知，开始培养时，BS0、BS15、BS30处理土壤的N2O排放通量最高，分别为5.59，24.34和 22.78 g/(kg·d)，其中麦秸生物炭处理显著高于对照(BS0)。随着培养时间的延长，所有处理土壤的N2O排放通量明显下降，在培养4 d之后N2O排放通量均稳定在较低水平。

图2 添加不同水平麦秸生物炭(A)和烟秆生物炭(B)时尿素硝化过程中氧化亚氮排放通量的动态变化

由图2-B可知，培养1 d后，BT0、BT15、BT30处理的N2O排放通量均较高，分别为3.29，9.77和 13.86 g/(kg·d)，且均以烟秆生物炭处理显著高于对照(BT0)。随着培养时间的延长，烟秆生物炭处理土壤的N2O排放通量总体呈先增后降趋势，而对照的N2O排放通量总体呈下降趋势，但在培养4 d后，3个处理的N2O排放通量均稳定在很低水平。

表2表明，在培养期间，添加两种类型不同剂量生物炭的N2O总排放量均显著高于对照，但添加低量与高量麦秸生物炭处理之间的N2O总排放量无显著差异，而添加高量烟秆生物炭处理的N2O总排放量显著高于添加低量烟秆生物炭。

表2 土娄土添加烟秆和麦秸生物炭尿素硝化过程中N2O和NH3的总排放量

注：同列数据后标不同小写字母表示同一生物炭处理间差异显著(P<0.05)。

Note:Difference lowercase letters indicate significant difference within same biochar treatment (P<0.05).

2.3 添加生物炭条件下尿素硝化过程中的氨挥发排放动态

添加烟秆和麦秸生物炭后，尿素硝化过程中氨挥发排放的动态变化见图3。由图3-A可知，在整个培养期内，各处理NH3排放通量的动态变化过程并不相同，但总体呈先下降后上升再下降的趋势。培养初期BS0、BS15、BS30处理的NH3排放通量分别为0.388，0.559和0.526 g/(kg·d)，在培养结束时NH3排放通量分别为0.211，0.272和0.315 g/(kg·d)，较最初培养时分别下降了45.62%，51.34%和40.11%。在整个培养过程中，对照与添加两种不同水平生物炭处理之间NH3排放通量无显著差异。

由图3-B可知，在整个培养期内，添加烟秆生物炭处理的 NH3排放通量的波动较添加麦秸生物炭小，总体呈先下降后上升的趋势。培养初期BT0、BT15、BT30处理的NH3挥发排放通量分别为0.504，0.558和0.323 g/(kg·d)，在培养结束时BT0、BT15和BT30的氨挥发排放通量分别为0.261，0.228和0.150 g/(kg·d)，较培养初期分别下降了48.21%，59.14%和53.56%。在整个培养过程中，对照与添加两种不同生物炭水平之间NH3排放通量无显著差异。

图3 施用不同水平麦秸(A)和烟秆生物炭(B)时尿素硝化过程中氨挥发排放的动态变化 Fig.3 Changes of ammonia volatilization emission in urea nitrification process after application of wheat straw (A) and tobacco straw (B) biocar

由表2可见，添加不同生物炭及其不同用量对NH3的总排放量无显著影响。

3 讨论

3.1 施用不同生物炭对尿素硝化过程的影响

本试验结果表明，与对照相比，添加麦秸和烟秆生物炭均可以降低土壤铵态氮和硝态氮含量，显著抑制尿素的硝化作用，特别是添加高量麦秸生物炭时抑制作用更为明显。朱继荣[11]研究表明，在安徽淮北砂壤土中施用生物炭后，有效延缓了复垦土壤和菜地土壤的硝化作用，并且随着生物炭用量的增加，延缓作用更为明显。在灭菌与未灭菌的棕壤中添加玉米秸秆生物炭，有利于尿素向铵态氮的转化，但会抑制铵态氮向硝态氮的转化[19]。然而，DeLuca等[12]的研究证实，自燃火灾形成的生物炭可以加快森林土壤的硝化作用，不过对自然状态下高硝化草地土壤的硝化作用无明显影响。胡俊鹏等[20]研究发现，施用玉米秸秆生物炭能显著促进燥红壤的硝化作用，提高硝化强度。赵凤亮[7]研究表明，在砖红壤以及水稻土中添加不同类型生物炭均可以显著促进其硝化作用。上述研究结果表明，施用生物炭可促进低pH土壤(燥红壤、砖红壤以及水稻土)的硝化作用，而对高pH土壤的硝化过程表现出抑制作用。这主要是由于生物炭呈碱性，当其施入低pH土壤后，增大了土壤的pH值[20-21]，因此有助于硝化作用的进行。而本试验中，添加生物炭后土壤可能通过吸附铵态氮或者将其转化为其他有机物，降低了硝化作用底物铵态氮的含量，进而抑制了硝化作用。

3.2 施用不同生物炭对尿素硝化过程中N2O排放的影响

本研究发现，添加烟秆生物炭或麦秸生物炭均可以增加尿素硝化过程中的N2O排放通量及总排放量，而且高量烟秆生物炭处理的N2O排放通量显著高于低量烟秆生物炭处理。在土大田中添加果枝生物炭也能增加N2O的排放量[18]。在南方稻田土壤或酸性菜地土壤中，施用生物炭均能减少N2O的排放通量[14,19，22]，这主要与生物炭改善了土壤团粒结构、增强了土壤的通气性及抑制了反硝化微生物的活性有关。而Singh等[13]的研究表明，将生物炭施于淋溶土(pH 6.12)和变性土(pH 8.8)后，其N2O排放通量与生物炭类型有关，总体而言N2O排放通量有所降低。本试验中，添加生物炭尽管可以抑制土壤的硝化作用，但是增加了N2O的总排放量，这可能与试验中较高的土壤水分含量增加了反硝化微生物的活性有关[13]。因此，土中施用生物炭有增加温室气体N2O的风险，建议施用改性生物炭或采取其他措施以减少N2O的排放。