秸秆生物黑炭对肥料氮在农田土壤中转化中迁移的影响

摘要

国际上对生物黑炭的关注多聚焦于其固碳减排和改良土壤的功能，而极少关注其施入农田土壤后对氮素转化和迁移的扰动。木文紧紧围绕硝化、淋失、挥发等氮素转化和迁移过程展开，通过相对密闭的室内好气培养和半开放的土柱模拟淋洗培养试验，并结合15N示踪技术研究了秸秆来源生物黑炭不同加入量对四种性质不同的农田土壤中肥料氮的硝化、淋失、固持以及盐基离子淋失、水土酸化的影响。并选择其中两种农田土壤通过连续种植作物的温室盆栽试验初步研究了秸秆来源生物黑炭不同加入量下肥料氮的氨挥发和N2O等气体排放的数量和土壤部分相关理化性质的变化。试图通过黑炭对氮素过程影响的表观数据来初步探讨“生物黑炭是否促进硝化、淋失和氨挥发?”这一科学问题，以期为下一步深入研究生物黑炭对土壤氮素行为的影响及机制提供科学数据和新的认知。
　　 在室内好气培养和土柱模拟淋洗培养试验，均采用一致的土壤类型、生物黑炭和氮肥加入水平。四种农田土壤类型分别为采集于中国南方酸性土壤区的红壤(RS；pH值4.50；江西鹰潭)、黄棕壤(YS；pH值4.62；江苏南京)和北方石灰性土壤区的潮土(FS；pH值8.46；河南封丘)、改良的盐碱土(SS；pH值9.04；河南封丘)。三个生物黑炭(水稻秸秆；500℃，8h)水平为0、1％和5％(质量百分数)。加入氮量均为300mgN/kg。好气培养试验加入氮源为硫酸铵和尿素两种，土柱模拟淋洗培养试验氮源为尿素。在温室盆栽试验中，我们选取酸性红壤(RS)和石灰性潮土(FS)。生物黑炭加入量为O、2250(低量)和22500kg/ha(高量)三个水平。化肥加入量为300kgN/ha，试验加入的氮源为15N标记尿素。
　　 好气培养试验结果表明，与仅加氮处理相比，生物黑炭加入进一步促进了硫酸铵和尿素在两种酸性土壤(RS和YS)的硝化，且促进作用随生物黑炭加入量的增加而提高；尽管加入生物黑炭后土壤原始pH值明显提高，但相对密闭的系统中，外源氮在土壤上的大量硝化过程产生较多的H+会部分抵消这种效应，因此在培养结束时土壤pH值相对于仅加氮处理提高不多，甚至出现相当或者稍低的现象。由于两种石灰性土壤(FS和SS)本身硝化作用很强，硝化速度较快，加入的外源氮在七天之内就迅速被硝化，因此生物黑炭加入后并不表现出对硝化的进一步促进；尽管如此，加氮和氮加生物黑炭处理由于强硝化迅速释放的H+而使得土壤酸度均显著低于不加氮处理。此外，四种土壤在培养结束时均出现一定量的矿质氮缺失，且生物黑炭的加入量的增加会大大促进矿质氮的缺失程度。
　　 土柱模拟淋洗培养试验显示，与仪加氮处理相比，生物黑炭的加入可大大降低氮素的淋失，且降低的程度随生物黑炭加入量增加而提高。由于各土壤性质和氨化、硝化能力的差异，YS和FS氮素淋失量降低主要表现为NO3-的减少，而RS和SS则表现为OMN和NH4+的减少。各土壤上15N淋失量降低结果也支持这一结果：与仅加氮处理(61～90％的加入15N淋失)相比，1％和5％生物黑炭加入量下YS、RS、FS和SS分别减少了6％和43％，12％和52％，23％和70％，18％和57％。与淋洗15N相比，两个生物黑炭加入量下各土壤15N土壤固持量却并未相应增加：YS固持量(20％)甚至略低于加氮处理(23％)，FS仪增加2％，RS和SS也仪分别增加4～17％，2～9％。相反，15N损失率却大大提高，YS、RS、FS和SS分别提高了10％和46％，8％和35％，20％和68％，16％和47％。看来，生物黑炭加入后氮淋失降低的主要原因可能是增加了的氮素的气体损失(挥发和反硝化)而非土壤固持。实验结束时，酸性土壤YS和RS上生物黑炭处理下各层的pH值要明显高于仅加氮处理，淋洗液pH值也往往高于和稳定于仪加氮处理。而石灰性土壤FS和SS由于本身较高的pH值和缓冲性能，各处理间土水pH值维持在8～9之间，且差异并不明显。本研究结果还表明，生物黑炭加入量的提高也会进一步增加盐基离子的淋失，但增加的盐基离子主要来自生物黑炭自身，可占到生物黑炭本身带入盐基离子量的34～70％。
　　 室盆栽试验结果表明，生物黑炭对氨挥发的影响因土壤类型和加入量不同而异。对于酸性土壤RS，低量生物黑炭对氨挥发并无明显影响，但高量生物黑炭可显著促进氨挥发，这主要与其增加了的土壤pH值有关。而对于碱性土壤FS，高量生物黑炭也增加了其第一季冬季作物季氨挥发的数量，但第二夏季作物季各处理的氨挥发数量并无显著差异。两种上壤均为旱作土壤，N2O主要由反硝化产生，因此观测到的硝化作用排放的N2O数量并不大，均在1kgN/ha以下。生物黑炭对N2O的排放数量也并无统计意义上的显著影响。