凍融作用對(duì)含有黑炭土壤中硝態(tài)氮淋失的影響?

封保根 李美璇 李悅銘 王觀竹 郭 平

農(nóng)林土壤肥力是影響作物和林木產(chǎn)量和質(zhì)量的重要因素。土壤施肥是一項(xiàng)重要的農(nóng)林生產(chǎn)措施[1]，可以改善作物和林木的營(yíng)養(yǎng)狀況和促進(jìn)植物生長(zhǎng)，達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)目的[2]。氮是植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，在農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤中氮被認(rèn)為是最易耗竭因而限制植物生長(zhǎng)的因素之一，是許多地區(qū)植物生長(zhǎng)的重要限制因子[3-4]。因此氮肥是世界各國(guó)在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中添加的主要肥料。據(jù)資料顯示，添加到農(nóng)田和林地土壤中氮肥的利用率相對(duì)都比較低，通過(guò)揮發(fā)、淋溶和徑流等途徑損失數(shù)量巨大[5]。以我國(guó)每年施用純氮2 100萬(wàn)t，平均損失45%計(jì)算，每年損失的氮素高達(dá)945萬(wàn)t，相當(dāng)于2 050多萬(wàn)t尿素，其中氮素淋溶損失是影響氮素利用率的重要因素之一[6]，而且氮素的淋溶損失程度與氮肥種類有關(guān)[7]。另外，氮素淋溶損失還會(huì)導(dǎo)致地下水硝態(tài)氮污染[8-9]。因此，如何提高農(nóng)田和林地土壤氮素利用率，減少土壤硝態(tài)氮的淋溶損失,降低地下水污染風(fēng)險(xiǎn)，是農(nóng)林生產(chǎn)生態(tài)管理和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域亟需解決的重大問(wèn)題。

目前，黑炭技術(shù)是改良土壤固氮能力、降低氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn)的有效手段。一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)添加黑炭降低土壤氮素淋溶損失進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)黑炭可以有效降低土壤中氮素的淋溶損失[10]。東北地區(qū)是我國(guó)農(nóng)林業(yè)及其副產(chǎn)品的重要生產(chǎn)基地，對(duì)維護(hù)國(guó)土生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義。東北地區(qū)位于中緯度地區(qū)，初春季節(jié)普遍存在時(shí)間較長(zhǎng)的凍融交替過(guò)程。凍融交替過(guò)程改變了土壤理化性質(zhì)和微生物生存活動(dòng)，進(jìn)而影響了土壤對(duì)氮素的固持能力[11-12]，增加了氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn)。凍融對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響程度與凍融條件（凍融頻次、凍融溫度、凍融持續(xù)時(shí)間等）和土壤性質(zhì)和物質(zhì)組成有關(guān)[13-14]。目前，我國(guó)東北部地區(qū)已經(jīng)開始使用生物質(zhì)炭技術(shù)解決土壤氮素淋失問(wèn)題，并且一些學(xué)者也開始進(jìn)行此方面的研究。然而，迄今為止，在凍融交替條件下添加不同氮肥種類以及不同凍融條件對(duì)添加黑炭的土壤中硝態(tài)氮淋失的影響還不是很清楚。因此，筆者以東北土壤為研究對(duì)象，采用淋溶試驗(yàn)的方法研究在凍融循環(huán)作用下添加不同氮肥種類，以及不同凍融條件（凍結(jié)溫度、凍融間隔時(shí)間）對(duì)添加黑炭土壤中硝態(tài)氮淋失的影響，旨在揭示凍融條件作用下黑炭對(duì)土壤中氮素的固氮效果，為提高土壤氮素利用效率和促進(jìn)農(nóng)業(yè)和林業(yè)可持續(xù)性發(fā)展，解決環(huán)境污染提供理論和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤

供試土壤采于吉林省長(zhǎng)春市郊區(qū)土壤的表層土（0～20 cm）。土壤經(jīng)風(fēng)干、粉碎、過(guò)2 mm篩后儲(chǔ)藏備用。采用pH復(fù)合電極測(cè)定土壤pH；采用電導(dǎo)率儀測(cè)定電導(dǎo)率(EC)；采用乙酸銨交換法測(cè)定陽(yáng)離子交換量（CEC）[15]；采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）[16]；采用激光粒度分析儀測(cè)定土壤顆粒分布[17]；采用凱氏定氮法測(cè)定土壤中全氮的含量[12]，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Physiochemical properties of soil

1.1.2 供試黑炭

供試黑炭是由生物質(zhì)材料在500 ℃條件下使用馬弗爐在低氧環(huán)境下進(jìn)行熱解炭化制得的黑炭。之后，過(guò)60目篩，置于干燥器中備用。

1.2 土柱設(shè)計(jì)和裝填

土柱采用PVC材料制成，內(nèi)徑6.2 cm，高25 cm，下端用200目細(xì)網(wǎng)篩封口。同時(shí)在底部網(wǎng)篩上加1 cm厚的石英砂，再在上面鋪一層尼龍布。將稱取的764.4 g土壤與15.6 g黑炭混合，制備成含有黑炭的土壤樣品（記為J），其中以未混合黑炭土柱為空白對(duì)照（記為CK）。用含有氮素的蒸餾水調(diào)節(jié)土樣含水率為最大持水量的90%之后，將土樣裝填入土柱中，適當(dāng)按壓，使其容重在1.25 g/cm3左右。填充后土柱上方鋪一層1 cm厚石英砂，以免淋溶時(shí)擾動(dòng)土層。為保證土柱自上而下進(jìn)行凍融，將做好的土柱裝入泡沫隔熱板制成的外套內(nèi)。根據(jù)氮元素施加量相同的原則，配制含有氮素的蒸餾水溶液，即分別將0.327 g 氯化銨（NH4Cl）、0.403 g硫酸銨[(NH4)2SO4]、0.617 g硝酸鉀（KNO3）溶于237 mL蒸餾水中。

1.3 凍融條件設(shè)置和凍融處理

將整個(gè)凍融試驗(yàn)裝置（土柱和泡沫隔熱板）放在冰柜中進(jìn)行凍融試驗(yàn)。凍融試驗(yàn)包括凍融組(F)和未凍融組(NF)。凍融組放在冰柜中在一定凍結(jié)溫度下凍結(jié)一定時(shí)間，然后取出放置在5 ℃冰柜融化一定時(shí)間，此過(guò)程為一個(gè)凍融循環(huán)；未凍融組在一個(gè)凍融循環(huán)周期內(nèi)，均放在5 ℃冰柜培養(yǎng)。

該研究所有影響因素試驗(yàn)均經(jīng)過(guò)3個(gè)凍融循環(huán)處理。在研究氮肥類型影響試驗(yàn)中的凍融處理?xiàng)l件是在-25℃冰柜中凍結(jié)2 d，然后在5℃冰柜中融化2 d，凍融組和未凍融組分別記作F-NH4Cl和 NF-NH4Cl、F-(NH4)2SO4和NF-(NH4)2SO4、F-KNO3和NFKNO3。在研究?jī)鼋Y(jié)溫度影響試驗(yàn)中的凍融條件是分別在-5、-15、-25℃冰柜中凍結(jié)2 d，然后在5℃冰柜中融化2 d，分別記作5-F-(-25)-NF、5-F-(-15)-NF、5-F-(-5)-NF。在研究融化時(shí)間影響試驗(yàn)中的凍融條件是在-25℃冰柜中凍結(jié)2 d，然后在5℃分別融化1、2、4 d和10 d，分別記作2-F-1-NF、2-F-2-NF、2-F-4-NF、2-F-10-NF。在研究?jī)鼋Y(jié)時(shí)間影響因素試驗(yàn)中的凍融條件是在-25℃冰柜中分別凍結(jié)1、2、4 d和10 d，然后在5 ℃冰柜融化2 d，分別記作1-F-2-NF、2-F-2-NF、4-F-2-NF、10-F-2-NF。

1.4 淋溶試驗(yàn)

凍融處理結(jié)束后，將土柱取出放置于支架上進(jìn)行淋溶試驗(yàn)。采用一次連續(xù)淋溶，緩慢注入總量為300 mL的去離子水（根據(jù)研究地的年均降雨量計(jì)算獲得）。整個(gè)淋溶過(guò)程需要保持水面高于土面1 cm，從土柱底部定量取15 mL淋出液作為一個(gè)樣品，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8538—1995《紫外分光光度法》測(cè)定淋出液中硝態(tài)氮的濃度[18]，同時(shí)記錄取樣時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 凍融對(duì)含有黑炭土柱硝態(tài)氮淋失的影響

圖1所示為凍融對(duì)含有黑炭土柱硝態(tài)氮淋失的影響。由圖1可知，對(duì)未添加黑炭土柱來(lái)說(shuō)，隨淋溶時(shí)間的增加，土柱淋出液中硝態(tài)氮的濃度呈現(xiàn)先升高再降低的變化，CK-F和CK-NF處理分別在24 min和30 min后達(dá)到最大值,最大值分別為2.82 mg/L和2.56 mg/L；然而對(duì)于添加黑炭土柱淋出液中硝態(tài)氮的濃度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，J-F和J-NF處理分別在11 min和14 min達(dá)到最大值,最大值分別為1.28 mg/L和0.98 mg/L。由此可見(jiàn)，添加黑炭改變土柱淋出液中硝態(tài)氮隨時(shí)間的變化規(guī)律。在整個(gè)淋溶過(guò)程中，添加黑炭土柱淋出液中硝態(tài)氮平均濃度明顯低于未添加黑炭土柱淋出液中硝態(tài)氮平均濃度（Punfrozen＜0.01；Pfrozen＜0.05）。凍融處理添加黑炭土柱淋出液中硝態(tài)氮的平均濃度比未凍融處理的大32.95%。這些結(jié)果表明黑炭提高了土壤固持硝態(tài)氮能力，凍融降低土壤固持硝態(tài)氮的能力，促進(jìn)了土柱中硝態(tài)氮的淋失。黑炭提高了土壤固持硝態(tài)氮能力主要包括兩方面的原因，一是黑炭的吸水性和保水性以及硝態(tài)氮易溶水性有關(guān)。黑炭孔隙多，而且孔隙巨大，能夠吸附更多的水分。另外，黑炭多微孔，密度較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于黑土的密度，所以將黑炭施入土壤可以降低土壤密度，使土壤具有更大的孔隙度，保持更多的水分[19]。所以溶解在水中的硝態(tài)氮在黑炭作用下自然被滯留在土壤中;二是黑炭對(duì)硝態(tài)氮具有一定的吸附能力[20]。凍融降低土壤固持硝態(tài)氮的能力，促進(jìn)了土柱中硝態(tài)氮淋失的主要原因包括三方面，一是凍融作用破壞了土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤滲透系數(shù)[21]，增加土壤大孔隙數(shù)量和促進(jìn)優(yōu)勢(shì)流的形成[22]，這些因素降低了土壤持水能力，促進(jìn)了土壤水分的淋失，進(jìn)而引起土壤中的硝態(tài)氮隨水流失;二是凍融循環(huán)促進(jìn)了微生物細(xì)胞溶解釋放硝態(tài)氮[23]；三是在融化階段氮素礦化和硝化導(dǎo)致了多數(shù)溶解性有機(jī)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化[24]。

圖1 凍融對(duì)土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度的影響Fig.1 The inf l uence of freeze-thaw on nitrate nitrogen leaching from black soil

2.2 氮肥類型對(duì)硝態(tài)氮淋失的影響

圖2所示為3個(gè)凍融頻次下氮肥類型對(duì)含有黑炭土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度的影響。由圖2可知，對(duì)于凍融組和未凍融組來(lái)說(shuō)，在淋溶各時(shí)間點(diǎn)，添加KNO3的土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度均明顯高于添加（NH4)2SO4和NH4Cl土柱（P＜0.05）的；添加（NH4)2SO4和NH4Cl的土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度均很低，在整個(gè)淋溶過(guò)程中均小于2.5 mg/L。與未凍融組相比，在淋溶各時(shí)間點(diǎn)，添加KNO3、（NH4)2SO4和NH4Cl凍融組土柱淋出液中硝態(tài)氮的濃度明顯高于未凍融組。對(duì)于凍融組來(lái)說(shuō)，雖然添加不同氮肥土柱淋出液中硝態(tài)氮的含量隨時(shí)間呈現(xiàn)先增加再降低的變化規(guī)律，但是添加KNO3、（NH4)2SO4和NH4Cl土柱淋出液的硝態(tài)氮達(dá)到最大濃度有所不同，分別是96.80、2.32 mg/L和1.28 mg/L。對(duì)于添加不同種類氮肥土柱來(lái)說(shuō)，300 mL去離子水完全淋溶所消耗的時(shí)間分別是170（KNO3）、123 min[（NH4)2SO4]和112 min（NH4Cl）,而且硝態(tài)氮淋失主要集中在淋溶前期階段；在整個(gè)淋溶期間，硝態(tài)氮累積淋失量大小順序依次為添加KNO3土柱＞添加（NH4)2SO4土柱＞添加NH4Cl土柱。這表明帶負(fù)電荷的硝酸根離子很少被帶負(fù)電荷的土壤吸附，這引起添加硝酸鉀土柱會(huì)有更多硝態(tài)氮的淋失，在很短淋溶時(shí)間內(nèi)，硫酸銨和氯化銨中的銨根離子很少轉(zhuǎn)化成硝酸根離子。

圖2 氮肥種類對(duì)土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度的影響Fig.2 The inf l uence of applying different nitrogen sources on nitrate nitrogen leaching from black soil

2.3 凍結(jié)溫度對(duì)硝態(tài)氮淋出的影響

圖3所示為凍結(jié)溫度對(duì)添加黑炭土柱淋出液中硝態(tài)氮淋出濃度的影響。由圖3可知，當(dāng)凍結(jié)溫度較高時(shí)，淋出液中硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間增加而降低；當(dāng)凍結(jié)溫度較低時(shí)，淋出液中硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間呈先增加再降低的變化規(guī)律。凍結(jié)溫度為-5 ℃和-25 ℃時(shí)的土柱淋出液中硝態(tài)氮的濃度相近，且均高于凍結(jié)溫度為-15 ℃時(shí)淋出液中硝態(tài)氮的濃度。凍融過(guò)程有利于土壤氮素礦化作用和硝化作用的進(jìn)行，而礦化和硝化后的氮素更易淋出。凍融作用對(duì)土壤中生物細(xì)胞的溶解具有重要作用。氮素礦化和硝化以及細(xì)胞溶解過(guò)程均與凍結(jié)溫度有關(guān)。通常，高的凍結(jié)溫度能夠引起更多細(xì)胞溶解破裂，然而，較低凍結(jié)溫度更加有利于土壤氮素礦化作用和硝化作用的進(jìn)行。這也就是過(guò)高和過(guò)低凍結(jié)溫度下淋出液中硝態(tài)氮含量較高的原因。

圖3 凍結(jié)溫度對(duì)土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度的影響Fig.3 The inf l uence of different freeze-thaw temperature on nitrate nitrogen leaching from black soil

2.4 融化時(shí)間對(duì)硝態(tài)氮淋出的影響

圖4所示為融化時(shí)間對(duì)添加黑炭土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度的影響。由圖4可知，融化時(shí)間越長(zhǎng)，淋出液中硝態(tài)氮的濃度越高。而且，融化10 d和融化4 d的土柱淋出液中硝態(tài)氮的濃度明顯高于融化1 d和融化2 d的硝態(tài)氮的濃度；融化10 d的硝態(tài)氮濃度明顯高于融化4 d的（P＜0.05）。然而，融化2 d的硝態(tài)氮濃度與融化1 d的差異不大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是融化時(shí)間越長(zhǎng)，土壤中氮素礦化和硝化作用得越充分，進(jìn)而產(chǎn)生了更多的硝態(tài)氮[25]。

圖4 融化時(shí)間對(duì)土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度的影響Fig.4 The inf l uence of different melting time on nitrate nitrogen leaching from black soil

2.5 凍結(jié)時(shí)間對(duì)硝態(tài)氮淋出的影響

圖5 凍結(jié)時(shí)間對(duì)黑土硝態(tài)氮淋出的影響Fig.5 The inf l uence of different freezing time on nitrate nitrogen leaching from black soil

圖5所示為凍結(jié)時(shí)間對(duì)添加黑炭土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度的影響。由圖5可知。凍結(jié)10 d的土柱淋出液中硝態(tài)氮的濃度最高，而且硝態(tài)氮的濃度隨時(shí)間呈先增加再降低的變化規(guī)律，并且在淋溶時(shí)間為25 min時(shí)濃度達(dá)到1.68 mg/L最高值。然而，其他凍結(jié)時(shí)間處理的土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間呈下降趨勢(shì)。此外，土柱淋出液中硝態(tài)氮含量隨著凍結(jié)時(shí)間的增加而增加，即淋出液中硝態(tài)氮濃度大小順序依次是凍結(jié)10 d＞凍結(jié)4 d＞凍結(jié)2 d＞凍結(jié)1 d。周旺明等[26]認(rèn)為這是因?yàn)閮鼋Y(jié)會(huì)引起土壤孔隙中冰晶膨脹，顆粒之間的聯(lián)結(jié)被打破，導(dǎo)致大團(tuán)聚體碎裂，變成小團(tuán)聚體[13]，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性遭到破壞，導(dǎo)致被其包裹著的小分子物質(zhì)釋放出來(lái)，從而增加了土壤可溶性硝態(tài)氮素含量[27]。凍結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于這個(gè)過(guò)程的進(jìn)行。這就是凍結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，淋出液中硝態(tài)氮含量越高的原因。

3 結(jié)論

采用淋溶試驗(yàn)方法研究了凍融作用對(duì)含有黑炭土壤中硝態(tài)氮淋失的影響，獲得如下結(jié)論：

1）添加黑炭改變土柱淋出液中硝態(tài)氮隨時(shí)間的變化規(guī)律，而且黑炭提高了土壤固持硝態(tài)氮能力。凍融降低了土壤固持硝態(tài)氮的能力，促進(jìn)了土柱中硝態(tài)氮的淋失。在凍融作用下，土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度與氮肥種類有關(guān)，在整個(gè)淋溶期間，添加硝酸鉀土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度最大，然而添加硫酸銨和氯化銨土柱的硝態(tài)氮濃度較小。

2）凍融作用對(duì)土柱淋出液中硝態(tài)氮含量的影響與凍融條件有關(guān)。在試驗(yàn)設(shè)定的凍融條件下，凍結(jié)溫度為-5 ℃和-25 ℃時(shí)土柱淋出液硝態(tài)氮的濃度明顯高于凍結(jié)溫度為-15 ℃時(shí)的土柱。而且凍結(jié)溫度過(guò)高和過(guò)低均有利于硝態(tài)氮的淋失。凍結(jié)時(shí)間和融化時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于硝態(tài)氮的淋失。

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