張水清,張博,,岳克,孫贇,張秀玲,林杉,黃紹敏
(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所,鄭州 450002;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,武漢 430070)
生物質(zhì)炭主要指生物質(zhì)材料在缺氧或絕氧條件下,經(jīng)高溫?zé)峤馓炕笊傻暮钾S富的固體有機(jī)物質(zhì)[1],因其在土壤固碳減排方面具有出色表現(xiàn)而受到廣泛關(guān)注[2]。大量研究結(jié)果表明,生物質(zhì)炭獨(dú)特的理化性質(zhì)在土壤改良中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,如生物質(zhì)炭具有較大的比表面積和大量孔隙,能增加土壤通氣性[3],生物質(zhì)炭pH 值和陽(yáng)離子交換量較高,能顯著改良酸化土壤[4],同時(shí)其較強(qiáng)的吸附礦質(zhì)氮能力在提升土壤肥效方面也具有突出效果,這對(duì)控制土壤氨揮發(fā)也具有潛在作用[5-6]。
氨揮發(fā)是氮肥氣態(tài)損失的主要途徑之一,可占當(dāng)季農(nóng)田施氮量的1%~47%[7]。由于受土壤類(lèi)型、氣候及農(nóng)業(yè)管理措施等因素的影響,不同農(nóng)田氨揮發(fā)的差異較大[8]。有研究表明,在華北平原小麥-玉米輪作體系中,小麥季氨揮發(fā)損失量約占小麥季施氮總量的17.8%[9]。農(nóng)田過(guò)高的氨揮發(fā)損失不僅會(huì)降低作物氮肥利用率,還會(huì)導(dǎo)致大氣污染和農(nóng)業(yè)面源污染[10]。有研究表明,生物質(zhì)炭由于其特有的官能團(tuán)結(jié)構(gòu),對(duì)土壤中的礦質(zhì)氮有較強(qiáng)的吸附能力,從而有效減少土壤中氮肥的揮發(fā)損失[11]。董玉兵等[12]研究也認(rèn)為,施用一定量的生物質(zhì)炭顯著降低了水稻土氨揮發(fā)總量,與對(duì)照相比,氨揮發(fā)累積量減少了36.6%。Mandal 等[13]在林地土壤中的研究也得到了相似的結(jié)果。但也有研究者發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭會(huì)顯著提高土壤pH,進(jìn)而促進(jìn)土壤氨揮發(fā)[14-15]。例如,趙進(jìn)等[16]通過(guò)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在石灰性潮土中施用生物質(zhì)炭顯著促進(jìn)了潮土氨揮發(fā)損失,增幅達(dá)到102%。聶新星等[17]研究表明施用生物質(zhì)炭會(huì)降低土壤容重,增強(qiáng)土壤通氣性,也會(huì)促進(jìn)氨揮發(fā)。這些研究表明,土壤類(lèi)型不同是造成生物質(zhì)炭對(duì)土壤氨揮發(fā)影響存在差異的主要原因。華北平原是我國(guó)第二大平原,土壤類(lèi)型多樣,其中水稻土、砂姜黑土、褐土和潮土為4種典型的土壤類(lèi)型,占整個(gè)華北平原耕地面積50%以上。有關(guān)華北平原氨揮發(fā)研究主要集中于水肥管理模式的優(yōu)化改良方面[18-19],而生物質(zhì)炭對(duì)土壤氨揮發(fā)影響的研究較少,該地區(qū)土壤條件是否適合添加生物質(zhì)炭以減少氨揮發(fā)尚不清楚。為此,本研究開(kāi)展野外微區(qū)試驗(yàn),探究生物質(zhì)炭對(duì)華北平原4種典型土壤氨揮發(fā)的影響,明確生物質(zhì)炭對(duì)這4種土壤氨揮發(fā)的影響規(guī)律,以期為減少該地區(qū)農(nóng)業(yè)源氨排放提供科學(xué)依據(jù)。
試驗(yàn)點(diǎn)位于國(guó)家土壤質(zhì)量新鄉(xiāng)觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)站(35°00′28.43″N,113°41′47.66″E),位于黃河北岸新鄉(xiāng)市平原新區(qū)河南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究開(kāi)發(fā)基地內(nèi),該地區(qū)屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候,全年平均氣溫15.6 ℃,平均降雨量542.15 mm,無(wú)霜期209 d,全年日照時(shí)間約1 869.7 h。
本試驗(yàn)選取華北平原4 種典型土壤,分別為水稻土、砂姜黑土、褐土、潮土。土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。供試生物質(zhì)炭由河南三利新能源公司生產(chǎn),生物質(zhì)炭由花生殼在500 ℃高溫厭氧條件下熱解4 h 制得,有機(jī)碳含量647.16 g·kg-1,碳氮比為42.52,pH 為9.16。
本試驗(yàn)為田間微區(qū)試驗(yàn),水稻土、砂姜黑土、褐土及潮土4 種土壤分別從河南省信陽(yáng)市潢川縣、河南省駐馬店市西平縣、河南省禹州市及河南省新鄉(xiāng)市平原新區(qū)采集至試驗(yàn)基地內(nèi)。試驗(yàn)小區(qū)面積為1 m2,上層土壤為新采集的不同類(lèi)型土壤,厚度為35 cm,下層為原有土壤(砂質(zhì)潮土),各小區(qū)之間用1 m 深水泥板隔開(kāi),采用隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)處理:不施肥(CK)、單施化肥(NPK)、施用生物質(zhì)炭(BC)、化肥配施生物質(zhì)炭(BC+NPK),每個(gè)處理3 次重復(fù),共48 個(gè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)生物質(zhì)炭施用量為22.5 t·hm-2,施肥前均勻混入土壤?;史謩e為尿素、過(guò)磷酸鈣和氯化鉀,施用量分別為純N 82.5 kg·hm-2、P2O582.5 kg·hm-2、K2O 82.5 kg·hm-2。
表1 試驗(yàn)土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of the experimental soil
2017年10月16日播種小麥,播種量約為150 kg·hm-2,行距23 cm,當(dāng)日對(duì)土壤進(jìn)行翻耕施入化肥,深度為5 cm。
土壤氨揮發(fā)測(cè)定采用海綿通氣法[20]。氨揮發(fā)收集裝置為有機(jī)玻璃材質(zhì),內(nèi)徑為15 cm,高度為30 cm。試驗(yàn)前將收集裝置插入土壤中,深度為5 cm。用厚度為2 cm、直徑為15 cm 的海綿均勻地浸以15 mL 磷酸甘油并置于距管底15 cm 處,用來(lái)吸收土壤揮發(fā)的氨。另用3 cm 厚海綿均勻浸以30 mL 磷酸甘油,置于與管頂部齊平處,用來(lái)隔絕空氣中的氨。為防止降雨等對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響,在裝置頂部支起一個(gè)半徑大于收集裝置的頂蓋。每個(gè)取樣日上午9:00 開(kāi)始收集海綿,將下層海綿裝入自封袋中密封,同時(shí)換上剛浸好磷酸甘油的海綿,上層的海綿視其干濕情況3~7 d 更換一次。樣品取完后,將裝置更換位置重新放置,開(kāi)始下一次田間吸收。收集的海綿帶回實(shí)驗(yàn)室,用50 mL 1 mol·L-1的KCl 溶液反復(fù)按壓,保證海綿充分浸潤(rùn),靜置30 min后,收集海綿內(nèi)溶液并過(guò)濾,采用德國(guó)Seal Analytical AA3 流動(dòng)分析儀測(cè)定濾液中的銨態(tài)氮含量。
氨揮發(fā)測(cè)定于施肥后第1、3、5、9、13、18、25、35、43、56、72、93 d進(jìn)行,氨揮發(fā)采樣的同時(shí)記錄土溫,并采集土壤表層(0~20 cm)樣品,測(cè)定礦質(zhì)氮含量和pH值。
圖1 試驗(yàn)期間氣溫和降雨量的日變化情況Figure 1 Diurnal variation of temperature and precipitation during the experimental period
土壤礦質(zhì)氮用1 mol·L-1的KCl溶液浸提過(guò)濾(水土質(zhì)量比5∶1),用德國(guó)Seal Analytical AA3 流動(dòng)分析儀測(cè)定。土壤pH值采用2.5∶1水土質(zhì)量比,電位計(jì)法測(cè)定。土壤機(jī)械組成、容重、全氮、有效磷、速效鉀采用實(shí)驗(yàn)室常規(guī)方法測(cè)定。
氣象資料由試驗(yàn)地氣象設(shè)備(Watchdog,美國(guó))收集所得,試驗(yàn)期間氣象信息如圖1所示。
氨揮發(fā)速率按公式(1)計(jì)算:
式中:F為土壤氨揮發(fā)速率,kg N·hm-2·d-1;C為海綿中銨態(tài)氮()含量,mg;S為收集裝置橫截面積,m2;D為裝置收集天數(shù),d。氨揮發(fā)累積量(kg N·hm-2)由每次采樣氨揮發(fā)速率和收集天數(shù)乘積之和計(jì)算獲得。
氨揮發(fā)損失率為氨揮發(fā)累積量與施氮量的比值乘以100%。
土壤孔隙含水率按公式(2)計(jì)算:
式中:WFPS 為土壤孔隙含水率,%;Wg為土壤質(zhì)量含水率,%;BD 為土壤容重,g·cm-3;2.65 為土壤密度,g·cm-3。
采用Excel 2010 處理數(shù)據(jù),SPSS 22 進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)、多重比較和相關(guān)性分析,顯著性水平設(shè)置α=0.05,Origin 9.0進(jìn)行繪圖。
2.1.1 土壤氨揮發(fā)速率變化
圖2 施肥后土壤氨揮發(fā)速率動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Temporal variation of ammonia volatilization flux after fertilization
4 種土壤氨揮發(fā)速率變化趨勢(shì)如圖2 所示,其中NPK與BC+NPK 處理,氨揮發(fā)速率隨施肥后時(shí)間的延長(zhǎng)均出現(xiàn)一個(gè)峰值,水稻土在第5 d達(dá)到峰值,其他土壤均在第3 d 達(dá)到峰值,潮土NPK 處理的揮發(fā)峰值最大,為0.27 kg N·hm-2·d-1,水稻土BC+NPK 處理?yè)]發(fā)峰值最小,為0.11 kg N·hm-2·d-1,4 種土壤NPK 處理氨揮發(fā)速率峰值表現(xiàn)為潮土>砂姜黑土>褐土>水稻土,而B(niǎo)C+NPK 處理表現(xiàn)為潮土>褐土>砂姜黑土>水稻土,均為潮土最高,水稻土最低。到達(dá)峰值后氨揮發(fā)速率開(kāi)始逐漸降低,水稻土在第18 d降低至平穩(wěn)狀態(tài),而其他土壤均在第9 d 趨于平穩(wěn)。4 種土壤的CK和BC 處理氨揮發(fā)速率均無(wú)較大變化,基本維持在0.01~0.05 kg N·hm-2·d-1之間。
比較NPK 與BC+NPK 處理可以看出,4 種土壤中除了褐土以外,其他土壤添加生物質(zhì)炭均降低了氨揮發(fā)速率峰值,但只在潮土中達(dá)到顯著水平(P<0.05),其他土壤均不顯著。
2.1.2 土壤氨揮發(fā)累積量比較
如表2所示,4種土壤CK 和BC 處理中,水稻土氨揮發(fā)累積量均最低,分別為1.66 kg N·hm-2和1.73 kg N·hm-2,均顯著低于其他3 種土壤;潮土氨揮發(fā)累積量最高,分別為2.53 kg N·hm-2和2.83 kg N·hm-2。NPK 和BC+NPK 處理仍表現(xiàn)為潮土氨揮發(fā)累積量最高,分別達(dá)到了4.00 kg N·hm-2和3.41 kg N·hm-2;NPK處理在水稻土中最低,為2.70 kg N·hm-2;BC+NPK 處理在砂姜黑土中最低,為2.66 kg N·hm-2。從氨揮發(fā)損失率來(lái)看,潮土損失率最高,NPK 和BC+NPK 處理?yè)p失率分別為4.9% 和4.1%,其他土壤損失率在3.2%~3.8%之間。
表2 土壤氨揮發(fā)累積量和損失率Table 2 Cumulative ammonia volatilization(CAV)and loss rate from soil
比較4 種土壤CK 與NPK 處理可以發(fā)現(xiàn),施肥均顯著增加了4 種土壤氨揮發(fā)累積量,增幅為26.6%~62.7%,同樣在BC 與BC+NPK 處理中,BC+NPK 處理也顯著增加了土壤氨揮發(fā)累積量,增幅為20.5%~60.7%,且均表現(xiàn)為水稻土中增幅最高。對(duì)比NPK 與BC+NPK 處理發(fā)現(xiàn),添加生物質(zhì)炭會(huì)顯著降低了砂姜黑土和潮土氨揮發(fā),降幅分別為15.3%和14.8%。單施生物質(zhì)炭顯著促進(jìn)了褐土氨揮發(fā),而對(duì)其他土壤作用不顯著。多因素方差分析結(jié)果表明,土壤類(lèi)型對(duì)氨揮發(fā)具有極顯著的影響(P<0.001),生物質(zhì)炭和化肥的交互作用對(duì)土壤氨揮發(fā)影響顯著(P<0.05),但生物質(zhì)炭單獨(dú)作用效果不明顯,且其他交互作用均不顯著。
2.2.1 土壤礦質(zhì)氮含量變化
與氨揮發(fā)速率變化趨勢(shì)相似,4 種土壤NPK 和BC+NPK 處理在施肥后礦質(zhì)氮含量均有明顯升高(圖3),除了水稻土施肥后在第9 d達(dá)到峰值外,其他土壤均在第5 d 達(dá)到峰值,之后土壤礦質(zhì)氮含量逐漸下降并趨于穩(wěn)定。4 種土壤的NPK 和BC+NPK 處理在峰值處礦質(zhì)氮含量都表現(xiàn)為褐土最小,分別為27.01 mg·kg-1和23.17 mg·kg-1,而砂姜黑土最高,分別為38.25 mg·kg-1和31.13 mg·kg-1。
此外,從圖3 可以明顯看出4 種土壤中BC+NPK處理礦質(zhì)氮含量均低于NPK,表明添加生物質(zhì)炭可以有效降低土壤中礦質(zhì)氮含量,水稻土、砂姜黑土、褐土、潮土分別降低了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 種土壤CK和BC 處理土壤礦質(zhì)氮含量變化較小,在5.00~14.10 mg·kg-1之間,平均含量分別為7.74 mg·kg-1和8.08 mg·kg-1,處于較低水平。
圖3 施肥后土壤礦質(zhì)氮含量動(dòng)態(tài)變化Figure 3 Temporal variation of soil mineral nitrogen content after fertilization
2.2.2 土壤pH的變化
本試驗(yàn)pH 值變化情況如表3 所示。分別對(duì)4 種土壤的BC與CK處理進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),添加生物質(zhì)炭均能顯著提升土壤pH,水稻土、砂姜黑土、褐土、潮土分別提升了0.73、0.81、0.44、0.25 個(gè)單位,潮土受生物質(zhì)炭影響最弱,而水稻土和砂姜黑土受其影響較大。在NPK 和BC+NPK 中也表現(xiàn)出同樣的變化規(guī)律,水稻土、砂姜黑土、褐土、潮土分別提升了0.84、0.70、0.46、0.25 個(gè)單位,均達(dá)到顯著水平。另外值得注意的是,施用化肥降低了4 種土壤pH 值,水稻土、砂姜黑土、褐土、潮土分別降低了0.20、0.03、0.13、0.13 個(gè)單位,除砂姜黑土以外的3 種土壤均達(dá)到顯著水平,這表明施用化肥是導(dǎo)致土壤酸化的重要因素之一。而比較BC+NPK 和CK 處理可以看出,pH 有顯著提升,生物質(zhì)炭在改善土壤酸化方面具有良好的應(yīng)用效果。
表3 土壤pH值變化情況Table 3 The changes in soil pH value
2.2.3 土壤溫度的變化
試驗(yàn)期間土壤溫度隨氣溫而變化,初期土壤溫度較高,在15 ℃左右,約20 d 之后開(kāi)始下降,在12 月底最低,約為0 ℃(圖1)。添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤溫度的影響較大(表4),4 種土壤添加生物質(zhì)炭日均土溫分別提升0.29、0.20、0.43、0.30 ℃,對(duì)水稻土、褐土和潮土的影響達(dá)到顯著水平。
相關(guān)性分析(表5)表明,4 種土壤氨揮發(fā)速率與土壤礦質(zhì)氮含量、土壤溫度均呈顯著正相關(guān),且礦質(zhì)氮的相關(guān)系數(shù)更大,表明土壤礦質(zhì)氮含量與氨揮發(fā)速率的聯(lián)系更加緊密。同一土壤氨揮發(fā)速率與土壤pH相關(guān)性不顯著,主要是因?yàn)橥寥纏H 變化較小。但對(duì)于不同土壤而言,pH 是造成氨揮發(fā)總量差異的主要因素。4 種供試土壤相同處理的氨揮發(fā)累積量與土壤pH 回歸分析結(jié)果(圖4)表明,4 個(gè)處理氨揮發(fā)累積量與pH均呈顯著正相關(guān)。
表4 生物質(zhì)炭處理的土壤日均溫度(℃)Table 4 Daily soil temperature with or without biochar(℃)
表5 土壤氨揮發(fā)速率與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性(r)Table 5 Correlation between soil ammonia volatilization rate and soil properties(r)
施肥是影響土壤氨揮發(fā)的重要因素,尿素等化學(xué)氮肥在進(jìn)入土壤后,在脲酶的作用下會(huì)迅速水解,使土壤礦質(zhì)氮含量升高,加速土壤氨揮發(fā)損失[21]。研究表明,土壤大量氨揮發(fā)損失發(fā)生在施肥后1 周內(nèi),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,土壤礦質(zhì)氮含量和氨揮發(fā)速率分別在施肥后5~9 d 和3~5 d 內(nèi)達(dá)到峰值,氨揮發(fā)速率在9~18 d 后趨于平穩(wěn)。潮土是4 種土壤中氨揮發(fā)損失率最高的土壤,損失率達(dá)4.9%,而水稻土最低,損失率為3.3%,這與4 種土壤自身理化性質(zhì)差異密切相關(guān)。已有研究表明,土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量以及土壤機(jī)械組成等因素都會(huì)影響土壤氨揮發(fā)速率,其中土壤pH是調(diào)控與NH3轉(zhuǎn)化反應(yīng)體系的主導(dǎo)因子,是影響農(nóng)田土壤氨揮發(fā)的重要因素[23],pH 過(guò)高會(huì)促進(jìn)土壤中向NH3的轉(zhuǎn)化;而有機(jī)質(zhì)和黏粒含量高的土壤則可以有效吸附土壤溶液中的,降低土壤銨態(tài)氮含量,從而減少土壤氨揮發(fā)排放[24-25]。本試驗(yàn)中,與其他3 種土壤相比,潮土有機(jī)質(zhì)與黏粒含量最低,pH 最高(pH=8.14),導(dǎo)致潮土氨揮發(fā)損失最為嚴(yán)重;相反,水稻土pH 最低(pH=5.82),有機(jī)質(zhì)與黏粒含量相對(duì)較高,土壤氨揮發(fā)損失最低。
圖4 土壤pH與氨揮發(fā)累積量的線(xiàn)性回歸分析Figure 4 Linear regression analysis of soil pH and ammonia volatilization
生物質(zhì)炭可以通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)影響土壤氨揮發(fā)。本研究中,生物質(zhì)炭在4 種土壤中的影響各不相同,生物質(zhì)炭在水稻土、褐土、潮土中都表現(xiàn)出促進(jìn)土壤氨揮發(fā)的作用,而在砂姜黑土中減少了氨揮發(fā)。不施肥處理限制了土壤礦質(zhì)氮含量,所以環(huán)境因素是影響氨揮發(fā)的關(guān)鍵,添加生物質(zhì)炭顯著促進(jìn)了水稻土、褐土、潮土的日均土溫(表4),同時(shí)土壤溫度與土壤氨揮發(fā)呈顯著正相關(guān)(表5),導(dǎo)致氨揮發(fā)增強(qiáng)。倪康等[26]通過(guò)潮土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),基肥期的氨揮發(fā)速率與氣溫也有顯著的正相關(guān)關(guān)系。Zhang等[27]在華北平原監(jiān)測(cè)研究了5 年生物質(zhì)炭對(duì)小麥玉米輪作土壤溫度的影響發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭可以減少日均和季節(jié)尺度的土壤溫度變化,緩和土壤極端溫度,調(diào)節(jié)能力在(±0.4~±0.8)℃之間,都與本研究結(jié)果一致。BC+NPK 與NPK 處理相比較,生物質(zhì)炭顯著降低了砂姜黑土和潮土中氨揮發(fā)累積量(表2)。施肥處理中,礦質(zhì)氮含量較高,是影響氨揮發(fā)的主要因素。本研究發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭均可以降低4 種土壤礦質(zhì)氮含量,其中砂姜黑土和潮土降幅超過(guò)20%,有效抑制了土壤氨揮發(fā)。礦質(zhì)氮含量降低,主要與生物質(zhì)炭的吸附作用有關(guān),生物質(zhì)炭具有豐富的孔隙和巨大的比表面積,以及表面多種官能團(tuán)和陽(yáng)離子交換位點(diǎn),在土壤中對(duì)NH3和都表現(xiàn)出極強(qiáng)的吸附性能[28-29],對(duì)減少土壤氨揮發(fā)損失具有直接影響。Mandal 等[13]研究也證明,生物質(zhì)炭能提升土壤吸附固持NH3的能力,這是減少土壤氨揮發(fā)的主要原因,最高可以減少土壤氨揮發(fā)累積量達(dá)70.56%。而在水稻土和褐土中,生物質(zhì)炭對(duì)土壤氨揮發(fā)損失的促進(jìn)效果不顯著,可能是生物質(zhì)炭對(duì)pH的影響強(qiáng)于其吸附作用所致。生物質(zhì)炭雖然也降低了這兩種土壤中礦質(zhì)氮含量,但降幅僅為19.4%和14.2%,同時(shí)生物質(zhì)炭使兩者pH 提升,且均高于砂姜黑土和潮土(圖3 和表3)。Feng 等[30]在水稻土中關(guān)于生物質(zhì)炭對(duì)土壤氨揮發(fā)的研究同樣也認(rèn)為,pH值的提升是生物質(zhì)炭增加土壤氨揮發(fā)的主導(dǎo)因素,其強(qiáng)于土壤礦質(zhì)氮吸附作用的影響,與本研究結(jié)果一致。
(1)華北平原不同類(lèi)型土壤在小麥季生育前期的氨揮發(fā)損失存在差異,pH 越高的土壤施肥后氨揮發(fā)損失越嚴(yán)重。
(2)生物質(zhì)炭對(duì)華北平原4 種典型土壤的影響不同,在砂姜黑土和潮土中顯著抑制了施肥后土壤的氨揮發(fā)損失,而對(duì)水稻土和褐土氨揮發(fā)損失的影響不顯著,這主要與土壤自身的理化性質(zhì)以及生物質(zhì)炭的作用有關(guān)。
(3)在華北平原砂姜黑土和潮土中生物質(zhì)炭與化肥配施是一種有效減緩?fù)寥腊睋]發(fā)的施肥方式。