杨树叶生物质炭对风沙土中氮形态分布的影响

刘 辉，邹继颖，李高翔，翁士睿，韩 煦，常文晋，陈宇琦，王晨宇，徐亮亮

(吉林化工学院 资源与环境工程学院，吉林 吉林 132022)

近年来，生物质炭作为一种新型材料在农业、 环境等领域应用广泛[1]. 生物质炭可改善土壤结构、 土壤的保水性、 土壤固碳及减少温室气体排放，是一种适合土壤修复的材料[2-6]. 生物质炭的性质可影响土壤环境中添加生物质炭的效果[7-8]. 树叶是一种凋落物，含有丰富的营养，散落到土壤中，微生物将其迅速分解并产生CO2，CH4和N2O等气体，导致营养损失. 生物质炭可影响在土壤中的各种生物化学过程，如在碳(C)、 磷(P)和氮(N)循环[9-11]中加入生物质炭可促进土壤有机碳(SOC)的稳定化及土壤保持氮和磷的能力[11-12]. 添加生物质炭改变了土壤中氮的形式、 稳定和转化[13]. 当生物质炭残留物中包含一种含氮物质时，添加生物质炭后另一种含氮物质中的氮释放到土壤中[14]. 经生物质炭改良的土壤可通过将有机氮转化为植物直接吸收的矿质氮(铵和硝酸盐)影响有机氮. 应用生物质炭可减少肥料施用量，提高肥料利用率的同时增加作物产量，改善土壤性质，是发展可持续生态农业的新途径[15-18].

内蒙古自治区通辽市奈曼旗科尔沁所处地区生态环境脆弱，气候偏干燥导致年降雨量小，属于干旱区，主要土壤类型为风沙土. 这种土壤颗粒大、 质地松、 有机质含量低，在一定程度上限制了可持续农业的发展. 因此提高土壤有机质含量、 改善土壤肥力是对风沙土改良的主要措施[19]. 氮是植物生长和生产力的关键元素之一[20-23], 由于植物直接通过根系吸收无机氮[24]，因此土壤无机氮(SIN)是植物重要的氮源. 淋溶和挥发导致的氮损失会使作物生产力下降、 富营养化、 地下水中硝酸盐过量以及氧化亚氮(N2O)排放增加[25]. 将生物质炭作为土壤添加剂，可减少氮流失，提高土壤肥力[26]. 但应用生物质炭时，关于氮的可用性存在争议[27-29]. 基于此，本文对生物质炭与SIN间的关系进行分析，选用廉价易得的杨树叶制备生物质炭，用盆栽玉米实验方法研究其对土壤氮形态分布的影响，为了解生物质炭施入沙土后养分迁移规律，同时为确定沙地土壤最佳施肥模式提供依据.

1 实验材料与方法

1.1 仪器与试剂

紫外分光光度计(T9型，北京普析通用仪器有限责任公司)、 自动凯氏定氮仪(K9840型，济南海能仪器股份有限公司)、 智能人工气候箱(PRX-450C型，宁波赛福实验仪器有限公司)、 扫描电子显微镜(5-4800型，日本日立公司).

(NH4)2HPO4,NH4NO3,NaH2PO4,KCl,NaOH,HNO3, 无水乙醇,H2SO4,HCl,(NH4)2SO4,Na2CO3,H3BO3,K2SO4,CuSO4, 硒粉,HClO4,K2Cr2O7,FeSO4, 邻菲罗啉,MgO, 甲基红, 溴甲酚等化学试剂均为国产分析纯试剂，购于天津市大茂化学试剂厂.

1.2 供试材料

1.2.1 实验土壤 在内蒙古自治区通辽市奈曼旗科尔沁采集实验土壤，土壤肥力偏低. 基本理化性质为w(有机质)=2.24 g/kg，w(全氮)=1.36 g/kg，w(全磷)=72.74 mg/kg，阳离子交换量2.32 cmol/kg，pH=6.6.

1.2.2 实验材料 杨树落叶取自吉林化工学院院内； 花盆型号为25 cm×40 cm.

1.3 实验方法

1.3.1 杨树叶生物质炭制备 以杨树落叶为碳源，利用水热法制备生物质炭，如图1所示. 将杨树落叶清洗干净，于105 ℃烘干，研磨成粉末，过80目筛，密闭保存. 取20 g粉末置于烧杯中，加入2.5 mol/L NaOH，搅拌1 h，于100 ℃恒温水浴中加热3 h，冷却，静止，过滤，弃上清液，加入80 ℃去离子水，继续静止，沉淀，至pH接近中性. 向烧杯中加2.5 mol/L HNO3，水浴4 h，振荡5 h，洗涤至近中性，过滤，干燥，研磨； 将粉末置于马弗炉中，于450 ℃保持2 h，用无水乙醇和去离子水分别洗涤3次，于100 ℃烘干24 h，干燥即制得杨树叶生物质炭. 用扫描电子显微镜(SEM)分析杨树叶生物质炭的形貌和结构特征.

图1 杨树叶生物质炭Fig.1 Biomass charcoal from poplar leaves

1.3.2 盆栽实验设计 盆栽实验分为传统施肥方式及测土配方施肥方式. 传统施肥方式添加生物质炭的质量分数分别为0(CCK)，0.5%(CC1)，1%(CC2)，2%(CC3)，并施加(NH4)2HPO4(m(N)∶m(P)∶m(K)=46∶18∶11)； 测土配方施肥方式添加生物质炭的质量分数分别为0(PCK)，0.5%(PC1)，1%(PC2)，2%(PC3), 主要施加NH4NO3,NaH2PO4,KCl，施加量分别为75,25,116 mg/kg. 根据玉米生长的4个不同阶段，设4个采样时间，即30,60,90,120 d. 用抖土法[30]取样，测定其氮的质量比. 盆栽实验的温度、 湿度和光照完全模拟自然环境，在花盆中栽种玉米，设置两个平行实验.

1.3.3 样品采集及制备方法 根据当地玉米生长周期，确定4个采样时间，即苗期(约30 d)、 拔节期(约60 d)、 穗期(约90 d)和成熟期(约120 d). 实验用抖土法取根系土样约200 g，土壤样品采集后剔除杂质，自然风干，研磨后过筛(2 mm)，备用.

1.3.4 不同形态氮测定方法 分别用KCl浸提-靛酚蓝比色法、 CaSO4浸提-紫外分光光度计法、 扩散吸收法和凯氏蒸馏法测定土壤铵态氮、 硝态氮、 速效氮和全氮的质量比.

2 结果与讨论

2.1 杨树叶生物质炭表征

图2为水热法制得杨树叶生物质炭的SEM照片. 由图2可见，生物质炭表面呈鳞状，类似木炭的层状结构. 此时炭内部大面积的孔状和层状构造基本成型，比低温时的孔状和层状结构密集，颗粒产生明显的收缩聚合现象.

图2 杨树叶生物质炭的SEM照片Fig.2 SEM images of biomass charcoal from poplar leaves

2.2 杨树叶生物质炭对土壤铵态氮的影响

土壤中的铵态氮可被土壤胶体吸附，形成交换性铵状态氮肥，铵态氮也可溶解在土壤溶液中，被植物直接吸收利用，属于速效性氮素. 图3为不同施肥模式下玉米不同生长期土壤铵态氮质量比的变化. 由图3可见： PCK和CCK处理土壤中铵态氮的质量比变化趋势基本一致，均随玉米生长时间的变化呈先上升后下降的趋势； 加入杨树叶生物质炭处理土壤中铵态氮的质量比明显高于PCK和CCK，其中CC3土壤中氮的质量比最高，平均值达到36.43 mg/kg，高于CCK处理平均值的154.4%. 在玉米生长周期中，传统施肥及测土配方施肥模式下，土壤铵态氮的质量比均为PC3/CC3>PC2/CC2>PC1/CC1>PCK/CCK. 在两种施肥模式下添加杨树叶生物质炭对土壤铵态氮质量比作用差异较小. 添加杨树叶生物质炭后铵态氮淋失量减少，氮滞留量增加，可见杨树叶生物质炭可通过吸附铵态氮，增加其在土壤中的滞留，进而减少土壤中铵态氮的淋失，提高土壤的氮储量.

2.3 杨树叶生物质炭对土壤硝态氮的影响

硝态氮可加快作物生长，延长作物生长期和采收期. 图4为不同施肥模式下玉米不同生长期土壤硝态氮质量比的变化. 由图4可见： CCK和PCK处理土壤中硝态氮的质量比均呈下降趋势，但变化趋势不显著； 在两种施肥模式下，CC1，CC2，PC1，PC2，PC3处理土壤中硝态氮的质量比在玉米生长周期内均呈上升趋势； CC3处理土壤中硝态氮的质量比变化不显著，但仍高于其他处理方式土壤中硝态氮的质量比，这可能是杨树叶生物质炭增加了土壤的碳氮比所致[31]，或与杨树叶生物质炭提高了土壤的pH值有关[32-33]. 植株在不同生长阶段对硝态氮的吸收能力不同，幼苗期较弱，在土壤硝化作用下，硝态氮迅速富集； 随着作物进入生长旺盛期，植物的吸收能力逐渐增强，硝态氮的质量比增长减缓，并出现下降趋势； 在成熟期，植物的吸收能力减弱，硝态氮的质量比略有增加.

图3 不同施肥模式下玉米不同生长期 土壤中铵态氮质量比的变化Fig.3 Changes of mass ratios of ammonium nitrogen in soil at different growth stages of maize under different fertilization modes

图4 不同施肥模式下玉米不同生长期 土壤中硝态氮质量比的变化Fig.4 Changes of mass ratios of nitrate nitrogen in soil at different growth stages of maize under different fertilization modes

2.4 杨树叶生物质炭对土壤速效氮的影响

土壤中速效氮的质量比可反映近期内土壤氮素的供应情形. 图5为不同施肥模式下玉米不同生长期土壤速效氮质量比的变化. 由图5可见，CCK处理土壤中速效氮的质量比呈下降趋势，PCK处理土壤中速效氮的质量比呈先上升后下降的趋势. 在玉米生长期内，不同施肥模式下土壤中速效氮的质量比变化均不明显，其中PC1处理土壤中速效氮的质量比高于其他处理方式.

2.5 杨树叶生物质炭对土壤全氮的影响

全氮质量比是衡量土壤肥力的主要指标, 是土壤分析的重要指标之一. 图6为不同施肥模式下玉米不同生长期土壤全氮质量比的变化. 由图6可见： CCK和PCK处理土壤中全氮的质量比均呈下降趋势； 在玉米生长期内，CC1，CC2，CC3，PC1，PC2，PC3处理土壤中全氮的质量比变化不明显，全氮质量比整体上随玉米生长时间的延长呈略上升趋势. 在玉米生长期内添加杨树叶生物质炭均远高于不添加杨树叶生物质炭处理土壤中全氮的质量比. 主要因为土壤中添加杨树叶生物质炭后，改善了土壤孔隙及其通气状况，同时抑制了氮氧化物的排放和微生物的反硝化作用，从而使土壤中全氮的储量增加[34].

图5 不同施肥模式下玉米不同生长期 土壤中速效氮质量比的变化Fig.5 Changes of mass ratios of available nitrogen in soil at different growth stages of maize under different fertilization modes

图6 不同施肥模式下玉米不同生长期 土壤中全氮质量比的变化Fig.6 Changes of mass ratios of total nitrogen in soil at different growth stages of maize under different fertilization modes

3 结 论

1) 在玉米生长周期内，传统施肥及测土配方施肥模式下，土壤铵态氮的质量比均为w(生物质炭)=2.0%>w(生物质炭)=1.0%>w(生物质炭)=0.5%>不加生物质炭. 在两种施肥模式下，添加杨树叶生物质炭对土壤铵态氮质量比增加的差异不明显.

2) 传统施肥方式添加w(生物质炭)=2.0%的土壤中铵态氮质量比最高，平均值达到了36.43 mg/kg，为传统施肥方式不添加杨树叶生物质炭处理平均值的154.4%； 传统施肥方式添加2.0%杨树叶生物质炭的土壤中硝态氮质量比变化趋势不显著，但仍高于其他处理方式下土壤中硝态氮的质量比，可能是杨树叶生物质炭增加了土壤的碳氮比所致； 传统施肥方式添加0.5%生物质炭的土壤中速效氮质量比最高，原因是土壤中速效氮及易水解的有机态氮(氨基酸、 酰胺和易水解蛋白质)反映的是土壤近期的氮素供应情形.

3) 土壤中添加杨树叶生物质炭后，改善了土壤孔隙及其通气状况，同时抑制了氮氧化物的排放和微生物的反硝化作用，从而使土壤中全氮储量增加.