生物质炭对华北平原4种典型土壤冬小麦生育前期氨挥发的影响

2021-01-27张水清张博岳克孙贇张秀玲林杉黄绍敏

农业资源与环境学报 2021年1期

张水清，张博，，岳克，孙贇，张秀玲，林杉，黄绍敏

（1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，郑州 450002；2.华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070）

生物质炭主要指生物质材料在缺氧或绝氧条件下，经高温热解炭化后生成的含碳丰富的固体有机物质[1]，因其在土壤固碳减排方面具有出色表现而受到广泛关注[2]。大量研究结果表明，生物质炭独特的理化性质在土壤改良中发挥着关键作用，如生物质炭具有较大的比表面积和大量孔隙，能增加土壤通气性[3]，生物质炭pH 值和阳离子交换量较高，能显著改良酸化土壤[4]，同时其较强的吸附矿质氮能力在提升土壤肥效方面也具有突出效果，这对控制土壤氨挥发也具有潜在作用[5-6]。

氨挥发是氮肥气态损失的主要途径之一，可占当季农田施氮量的1%～47%[7]。由于受土壤类型、气候及农业管理措施等因素的影响，不同农田氨挥发的差异较大[8]。有研究表明，在华北平原小麦-玉米轮作体系中，小麦季氨挥发损失量约占小麦季施氮总量的17.8%[9]。农田过高的氨挥发损失不仅会降低作物氮肥利用率，还会导致大气污染和农业面源污染[10]。有研究表明，生物质炭由于其特有的官能团结构，对土壤中的矿质氮有较强的吸附能力，从而有效减少土壤中氮肥的挥发损失[11]。董玉兵等[12]研究也认为，施用一定量的生物质炭显著降低了水稻土氨挥发总量，与对照相比，氨挥发累积量减少了36.6%。Mandal 等[13]在林地土壤中的研究也得到了相似的结果。但也有研究者发现施用生物质炭会显著提高土壤pH，进而促进土壤氨挥发[14-15]。例如，赵进等[16]通过长期定位试验发现，在石灰性潮土中施用生物质炭显著促进了潮土氨挥发损失，增幅达到102%。聂新星等[17]研究表明施用生物质炭会降低土壤容重，增强土壤通气性，也会促进氨挥发。这些研究表明，土壤类型不同是造成生物质炭对土壤氨挥发影响存在差异的主要原因。华北平原是我国第二大平原，土壤类型多样，其中水稻土、砂姜黑土、褐土和潮土为4种典型的土壤类型，占整个华北平原耕地面积50%以上。有关华北平原氨挥发研究主要集中于水肥管理模式的优化改良方面[18-19]，而生物质炭对土壤氨挥发影响的研究较少，该地区土壤条件是否适合添加生物质炭以减少氨挥发尚不清楚。为此，本研究开展野外微区试验，探究生物质炭对华北平原4种典型土壤氨挥发的影响，明确生物质炭对这4种土壤氨挥发的影响规律，以期为减少该地区农业源氨排放提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况及试验材料

试验点位于国家土壤质量新乡观测实验站（35°00′28.43″N，113°41′47.66″E），位于黄河北岸新乡市平原新区河南现代农业研究开发基地内，该地区属于北温带大陆性季风气候，全年平均气温15.6 ℃，平均降雨量542.15 mm，无霜期209 d，全年日照时间约1 869.7 h。

本试验选取华北平原4 种典型土壤，分别为水稻土、砂姜黑土、褐土、潮土。土壤基本理化性质见表1。供试生物质炭由河南三利新能源公司生产，生物质炭由花生壳在500 ℃高温厌氧条件下热解4 h 制得，有机碳含量647.16 g·kg-1，碳氮比为42.52，pH 为9.16。

1.2 试验设计

本试验为田间微区试验，水稻土、砂姜黑土、褐土及潮土4 种土壤分别从河南省信阳市潢川县、河南省驻马店市西平县、河南省禹州市及河南省新乡市平原新区采集至试验基地内。试验小区面积为1 m2，上层土壤为新采集的不同类型土壤，厚度为35 cm，下层为原有土壤（砂质潮土），各小区之间用1 m 深水泥板隔开，采用随机区组排列。试验设置4 个处理：不施肥（CK）、单施化肥（NPK）、施用生物质炭（BC）、化肥配施生物质炭（BC+NPK），每个处理3 次重复，共48 个小区。每个小区生物质炭施用量为22.5 t·hm-2，施肥前均匀混入土壤。化肥分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾，施用量分别为纯N 82.5 kg·hm-2、P2O582.5 kg·hm-2、K2O 82.5 kg·hm-2。

表1 试验土壤基本理化性质Table 1 Physicochemical properties of the experimental soil

2017年10月16日播种小麦，播种量约为150 kg·hm-2，行距23 cm，当日对土壤进行翻耕施入化肥，深度为5 cm。

1.3 测定方法

土壤氨挥发测定采用海绵通气法[20]。氨挥发收集装置为有机玻璃材质，内径为15 cm，高度为30 cm。试验前将收集装置插入土壤中，深度为5 cm。用厚度为2 cm、直径为15 cm 的海绵均匀地浸以15 mL 磷酸甘油并置于距管底15 cm 处，用来吸收土壤挥发的氨。另用3 cm 厚海绵均匀浸以30 mL 磷酸甘油，置于与管顶部齐平处，用来隔绝空气中的氨。为防止降雨等对测定结果的影响，在装置顶部支起一个半径大于收集装置的顶盖。每个取样日上午9：00 开始收集海绵，将下层海绵装入自封袋中密封，同时换上刚浸好磷酸甘油的海绵，上层的海绵视其干湿情况3～7 d 更换一次。样品取完后，将装置更换位置重新放置，开始下一次田间吸收。收集的海绵带回实验室，用50 mL 1 mol·L-1的KCl 溶液反复按压，保证海绵充分浸润，静置30 min后，收集海绵内溶液并过滤，采用德国Seal Analytical AA3 流动分析仪测定滤液中的铵态氮含量。

氨挥发测定于施肥后第1、3、5、9、13、18、25、35、43、56、72、93 d进行，氨挥发采样的同时记录土温，并采集土壤表层（0～20 cm）样品，测定矿质氮含量和pH值。

图1 试验期间气温和降雨量的日变化情况Figure 1 Diurnal variation of temperature and precipitation during the experimental period

土壤矿质氮用1 mol·L-1的KCl溶液浸提过滤（水土质量比5∶1），用德国Seal Analytical AA3 流动分析仪测定。土壤pH值采用2.5∶1水土质量比，电位计法测定。土壤机械组成、容重、全氮、有效磷、速效钾采用实验室常规方法测定。

气象资料由试验地气象设备（Watchdog，美国）收集所得，试验期间气象信息如图1所示。

1.4 数据计算与统计分析

氨挥发速率按公式（1）计算：

式中：F为土壤氨挥发速率，kg N·hm-2·d-1；C为海绵中铵态氮（）含量，mg；S为收集装置横截面积，m2；D为装置收集天数，d。氨挥发累积量（kg N·hm-2）由每次采样氨挥发速率和收集天数乘积之和计算获得。

氨挥发损失率为氨挥发累积量与施氮量的比值乘以100%。

土壤孔隙含水率按公式（2）计算：

式中：WFPS 为土壤孔隙含水率，%；Wg为土壤质量含水率，%；BD 为土壤容重，g·cm-3；2.65 为土壤密度，g·cm-3。

采用Excel 2010 处理数据，SPSS 22 进行单因素方差分析（ANOVA）、多重比较和相关性分析，显著性水平设置α=0.05，Origin 9.0进行绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤氨挥发

2.1.1 土壤氨挥发速率变化

图2 施肥后土壤氨挥发速率动态变化Figure 2 Temporal variation of ammonia volatilization flux after fertilization

4 种土壤氨挥发速率变化趋势如图2 所示，其中NPK与BC+NPK 处理，氨挥发速率随施肥后时间的延长均出现一个峰值，水稻土在第5 d达到峰值，其他土壤均在第3 d 达到峰值，潮土NPK 处理的挥发峰值最大，为0.27 kg N·hm-2·d-1，水稻土BC+NPK 处理挥发峰值最小，为0.11 kg N·hm-2·d-1，4 种土壤NPK 处理氨挥发速率峰值表现为潮土＞砂姜黑土＞褐土＞水稻土，而BC+NPK 处理表现为潮土＞褐土＞砂姜黑土＞水稻土，均为潮土最高，水稻土最低。到达峰值后氨挥发速率开始逐渐降低，水稻土在第18 d降低至平稳状态，而其他土壤均在第9 d 趋于平稳。4 种土壤的CK和BC 处理氨挥发速率均无较大变化，基本维持在0.01～0.05 kg N·hm-2·d-1之间。

比较NPK 与BC+NPK 处理可以看出，4 种土壤中除了褐土以外，其他土壤添加生物质炭均降低了氨挥发速率峰值，但只在潮土中达到显著水平（P＜0.05），其他土壤均不显著。

2.1.2 土壤氨挥发累积量比较

如表2所示，4种土壤CK 和BC 处理中，水稻土氨挥发累积量均最低，分别为1.66 kg N·hm-2和1.73 kg N·hm-2，均显著低于其他3 种土壤；潮土氨挥发累积量最高，分别为2.53 kg N·hm-2和2.83 kg N·hm-2。NPK 和BC+NPK 处理仍表现为潮土氨挥发累积量最高，分别达到了4.00 kg N·hm-2和3.41 kg N·hm-2；NPK处理在水稻土中最低，为2.70 kg N·hm-2；BC+NPK 处理在砂姜黑土中最低，为2.66 kg N·hm-2。从氨挥发损失率来看，潮土损失率最高，NPK 和BC+NPK 处理损失率分别为4.9% 和4.1%，其他土壤损失率在3.2%～3.8%之间。

表2 土壤氨挥发累积量和损失率Table 2 Cumulative ammonia volatilization（CAV）and loss rate from soil

比较4 种土壤CK 与NPK 处理可以发现，施肥均显著增加了4 种土壤氨挥发累积量，增幅为26.6%～62.7%，同样在BC 与BC+NPK 处理中，BC+NPK 处理也显著增加了土壤氨挥发累积量，增幅为20.5%～60.7%，且均表现为水稻土中增幅最高。对比NPK 与BC+NPK 处理发现，添加生物质炭会显著降低了砂姜黑土和潮土氨挥发，降幅分别为15.3%和14.8%。单施生物质炭显著促进了褐土氨挥发，而对其他土壤作用不显著。多因素方差分析结果表明，土壤类型对氨挥发具有极显著的影响（P＜0.001），生物质炭和化肥的交互作用对土壤氨挥发影响显著（P＜0.05），但生物质炭单独作用效果不明显，且其他交互作用均不显著。

2.2 土壤理化性质

2.2.1 土壤矿质氮含量变化

与氨挥发速率变化趋势相似，4 种土壤NPK 和BC+NPK 处理在施肥后矿质氮含量均有明显升高（图3），除了水稻土施肥后在第9 d达到峰值外，其他土壤均在第5 d 达到峰值，之后土壤矿质氮含量逐渐下降并趋于稳定。4 种土壤的NPK 和BC+NPK 处理在峰值处矿质氮含量都表现为褐土最小，分别为27.01 mg·kg-1和23.17 mg·kg-1，而砂姜黑土最高，分别为38.25 mg·kg-1和31.13 mg·kg-1。

此外，从图3 可以明显看出4 种土壤中BC+NPK处理矿质氮含量均低于NPK，表明添加生物质炭可以有效降低土壤中矿质氮含量，水稻土、砂姜黑土、褐土、潮土分别降低了19.4%、21.2%、14.2%、23.9%，潮土中降幅最大，降低了8.97 mg·kg-1。而4 种土壤CK和BC 处理土壤矿质氮含量变化较小，在5.00～14.10 mg·kg-1之间，平均含量分别为7.74 mg·kg-1和8.08 mg·kg-1，处于较低水平。

图3 施肥后土壤矿质氮含量动态变化Figure 3 Temporal variation of soil mineral nitrogen content after fertilization

2.2.2 土壤pH的变化

本试验pH 值变化情况如表3 所示。分别对4 种土壤的BC与CK处理进行对比发现，添加生物质炭均能显著提升土壤pH，水稻土、砂姜黑土、褐土、潮土分别提升了0.73、0.81、0.44、0.25 个单位，潮土受生物质炭影响最弱，而水稻土和砂姜黑土受其影响较大。在NPK 和BC+NPK 中也表现出同样的变化规律，水稻土、砂姜黑土、褐土、潮土分别提升了0.84、0.70、0.46、0.25 个单位，均达到显著水平。另外值得注意的是，施用化肥降低了4 种土壤pH 值，水稻土、砂姜黑土、褐土、潮土分别降低了0.20、0.03、0.13、0.13 个单位，除砂姜黑土以外的3 种土壤均达到显著水平，这表明施用化肥是导致土壤酸化的重要因素之一。而比较BC+NPK 和CK 处理可以看出，pH 有显著提升，生物质炭在改善土壤酸化方面具有良好的应用效果。

表3 土壤pH值变化情况Table 3 The changes in soil pH value

2.2.3 土壤温度的变化

试验期间土壤温度随气温而变化，初期土壤温度较高，在15 ℃左右，约20 d 之后开始下降，在12 月底最低，约为0 ℃（图1）。添加生物质炭对土壤温度的影响较大（表4），4 种土壤添加生物质炭日均土温分别提升0.29、0.20、0.43、0.30 ℃，对水稻土、褐土和潮土的影响达到显著水平。

2.3 氨挥发与土壤理化性质的关系

相关性分析（表5）表明，4 种土壤氨挥发速率与土壤矿质氮含量、土壤温度均呈显著正相关，且矿质氮的相关系数更大，表明土壤矿质氮含量与氨挥发速率的联系更加紧密。同一土壤氨挥发速率与土壤pH相关性不显著，主要是因为土壤pH 变化较小。但对于不同土壤而言，pH 是造成氨挥发总量差异的主要因素。4 种供试土壤相同处理的氨挥发累积量与土壤pH 回归分析结果（图4）表明，4 个处理氨挥发累积量与pH均呈显著正相关。

表4 生物质炭处理的土壤日均温度（℃）Table 4 Daily soil temperature with or without biochar（℃）

表5 土壤氨挥发速率与土壤理化性质的相关性（r）Table 5 Correlation between soil ammonia volatilization rate and soil properties（r）

3 讨论

施肥是影响土壤氨挥发的重要因素，尿素等化学氮肥在进入土壤后，在脲酶的作用下会迅速水解，使土壤矿质氮含量升高，加速土壤氨挥发损失[21]。研究表明，土壤大量氨挥发损失发生在施肥后1 周内，之后迅速下降，一般在施肥后20 d 左右降至自然水平[22]。本研究中，土壤矿质氮含量和氨挥发速率分别在施肥后5～9 d 和3～5 d 内达到峰值，氨挥发速率在9～18 d 后趋于平稳。潮土是4 种土壤中氨挥发损失率最高的土壤，损失率达4.9%，而水稻土最低，损失率为3.3%，这与4 种土壤自身理化性质差异密切相关。已有研究表明，土壤pH、有机质含量以及土壤机械组成等因素都会影响土壤氨挥发速率，其中土壤pH是调控与NH3转化反应体系的主导因子，是影响农田土壤氨挥发的重要因素[23]，pH 过高会促进土壤中向NH3的转化；而有机质和黏粒含量高的土壤则可以有效吸附土壤溶液中的，降低土壤铵态氮含量，从而减少土壤氨挥发排放[24-25]。本试验中，与其他3 种土壤相比，潮土有机质与黏粒含量最低，pH 最高（pH=8.14），导致潮土氨挥发损失最为严重；相反，水稻土pH 最低（pH=5.82），有机质与黏粒含量相对较高，土壤氨挥发损失最低。

图4 土壤pH与氨挥发累积量的线性回归分析Figure 4 Linear regression analysis of soil pH and ammonia volatilization

生物质炭可以通过改变土壤理化性质影响土壤氨挥发。本研究中，生物质炭在4 种土壤中的影响各不相同，生物质炭在水稻土、褐土、潮土中都表现出促进土壤氨挥发的作用，而在砂姜黑土中减少了氨挥发。不施肥处理限制了土壤矿质氮含量，所以环境因素是影响氨挥发的关键，添加生物质炭显著促进了水稻土、褐土、潮土的日均土温（表4），同时土壤温度与土壤氨挥发呈显著正相关（表5），导致氨挥发增强。倪康等[26]通过潮土长期定位试验发现，基肥期的氨挥发速率与气温也有显著的正相关关系。Zhang等[27]在华北平原监测研究了5 年生物质炭对小麦玉米轮作土壤温度的影响发现，生物质炭可以减少日均和季节尺度的土壤温度变化，缓和土壤极端温度，调节能力在（±0.4～±0.8）℃之间，都与本研究结果一致。BC+NPK 与NPK 处理相比较，生物质炭显著降低了砂姜黑土和潮土中氨挥发累积量（表2）。施肥处理中，矿质氮含量较高，是影响氨挥发的主要因素。本研究发现，生物质炭均可以降低4 种土壤矿质氮含量，其中砂姜黑土和潮土降幅超过20%，有效抑制了土壤氨挥发。矿质氮含量降低，主要与生物质炭的吸附作用有关，生物质炭具有丰富的孔隙和巨大的比表面积，以及表面多种官能团和阳离子交换位点，在土壤中对NH3和都表现出极强的吸附性能[28-29]，对减少土壤氨挥发损失具有直接影响。Mandal 等[13]研究也证明，生物质炭能提升土壤吸附固持NH3的能力，这是减少土壤氨挥发的主要原因，最高可以减少土壤氨挥发累积量达70.56%。而在水稻土和褐土中，生物质炭对土壤氨挥发损失的促进效果不显著，可能是生物质炭对pH的影响强于其吸附作用所致。生物质炭虽然也降低了这两种土壤中矿质氮含量，但降幅仅为19.4%和14.2%，同时生物质炭使两者pH 提升，且均高于砂姜黑土和潮土（图3 和表3）。Feng 等[30]在水稻土中关于生物质炭对土壤氨挥发的研究同样也认为，pH值的提升是生物质炭增加土壤氨挥发的主导因素，其强于土壤矿质氮吸附作用的影响，与本研究结果一致。