楊樹葉生物質(zhì)炭對風(fēng)沙土中氮形態(tài)分布的影響（一）

發(fā)布時間：2021-09-26 15:31 編輯者：特邀作者周世紅

近年來，生物質(zhì)炭作為一種新型材料在農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。生物質(zhì)炭可改善土壤結(jié)構(gòu)、土壤的保水性、土壤固碳及減少溫室氣體排放，是一種適合土壤修復(fù)的材料。生物質(zhì)炭的性質(zhì)可影響土壤環(huán)境中添加生物質(zhì)炭的效果。樹葉是一種凋落物，含有豐富的營養(yǎng)，散落到土壤中，微生物將其迅速分解并產(chǎn)生CO₂，CH₄和N₂O等氣體，導(dǎo)致營養(yǎng)損失。生物質(zhì)炭可影響在土壤中的各種生物化學(xué)過程，如在碳(C)、磷(P)和氮(N)循環(huán)中加入生物質(zhì)炭可促進(jìn)土壤有機碳(SOC)的穩(wěn)定化及土壤保持氮和磷的能力。添加生物質(zhì)炭改變了土壤中氮的形式、穩(wěn)定和轉(zhuǎn)化。當(dāng)生物質(zhì)炭殘留物中包含一種含氮物質(zhì)時，添加生物質(zhì)炭后另一種含氮物質(zhì)中的氮釋放到土壤中。經(jīng)生物質(zhì)炭改良的土壤可通過將有機氮轉(zhuǎn)化為植物直接吸收的礦質(zhì)氮(銨和硝酸鹽)影響有機氮。應(yīng)用生物質(zhì)炭可減少肥料施用量，提高肥料利用率的同時增加作物產(chǎn)量，改善土壤性質(zhì)，是發(fā)展可持續(xù)生態(tài)農(nóng)業(yè)的新途徑。

內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市奈曼旗科爾沁所處地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，氣候偏干燥導(dǎo)致年降雨量小，屬于干旱區(qū)，主要土壤類型為風(fēng)沙土。這種土壤顆粒大、質(zhì)地松、有機質(zhì)含量低，在一定程度上限制了可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展.因此提高土壤有機質(zhì)含量、改善土壤肥力是對風(fēng)沙土改良的主要措施。氮是植物生長和生產(chǎn)力的關(guān)鍵元素之一，由于植物直接通過根系吸收無機氮，因此土壤無機氮(SIN)是植物重要的氮源。淋溶和揮發(fā)導(dǎo)致的氮損失會使作物生產(chǎn)力下降、富營養(yǎng)化、地下水中硝酸鹽過量以及氧化亞氮(N2O)排放增加。將生物質(zhì)炭作為土壤添加劑，可減少氮流失，提高土壤肥力。但應(yīng)用生物質(zhì)炭時，關(guān)于氮的可用性存在爭議?；诖?，本文對生物質(zhì)炭與SIN間的關(guān)系進(jìn)行分析，選用廉價易得的楊樹葉制備生物質(zhì)炭，用盆栽玉米實驗方法研究其對土壤氮形態(tài)分布的影響，為了解生物質(zhì)炭施入沙土后養(yǎng)分遷移規(guī)律，同時為確定沙地土壤最佳施肥模式提供依據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1 儀器與試劑

儀器與試劑紫外分光光度計(T9型，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)、自動凱氏定氮儀(K9840型，濟南海能儀器股份有限公司)、智能人工氣候箱(PRX-450C型，寧波賽福實驗儀器有限公司)、掃描電子顯微鏡(5-4800型，日本日立公司)。

(NH₄)₂HPO₄，NH₄NO₃，NaH₂PO₄，KCl，NaOH，HNO₃，無水乙醇，H₂SO₄，HCl，(NH₄)₂SO₄，Na₂CO₃，H₃BO₃，K₂SO₄，CuSO₄，硒粉，HClO₄，K₂Cr₂O₇，F(xiàn)eSO₄，鄰菲羅啉，MgO，甲基紅，溴甲酚等化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純試劑，購于天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 供試材料

1.2.1 實驗土壤

在內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市奈曼旗科爾沁采集實驗土壤，土壤肥力偏低。基本理化性質(zhì)為w(有機質(zhì))=2.24g/kg，w(全氮)=1.36g/kg，w(全磷)=72.74mg/kg，陽離子交換量2.32cmol/kg，pH=6.6。

1.2.2 實驗材料

楊樹落葉取自吉林化工學(xué)院院內(nèi)；花盆型號為25cm×40cm。

1.3 實驗方法

1.3.1 楊樹葉生物質(zhì)炭制備

以楊樹落葉為碳源，利用水熱法制備生物質(zhì)炭，如圖1所示。將楊樹落葉清洗干凈，于105℃烘干，研磨成粉末，過80目篩，密閉保存。取20g粉末置于燒杯中，加入2.5mol/LNaOH，攪拌1h，于100℃恒溫水浴中加熱3h，冷卻，靜止，過濾，棄上清液，加入80℃去離子水，繼續(xù)靜止，沉淀，至pH接近中性。向燒杯中加2.5mol/LHNO₃，水浴4h，振蕩5h，洗滌至近中性，過濾，干燥，研磨；將粉末置于馬弗爐中，于450℃保持2h，用無水乙醇和去離子水分別洗滌3次，于100℃烘干24h，干燥即制得楊樹葉生物質(zhì)炭。用掃描電子顯微鏡(SEM)分析楊樹葉生物質(zhì)炭的形貌和結(jié)構(gòu)特征。

1.3.2 盆栽實驗設(shè)計

盆栽實驗分為傳統(tǒng)施肥方式及測土配方施肥方式。傳統(tǒng)施肥方式添加生物質(zhì)炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0(CCK)，0.5%(CC₁)，1%(CC₂)，2%(CC₃)，并施加(NH₄)₂HPO₄(m(N)∶m(P)∶m(K)=46∶18∶11)；測土配方施肥方式添加生物質(zhì)炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0(PCK)，0.5%(PC₁)，1%(PC₂)，2%(PC₃)，主要施加NH₄NO₃，NaH₂PO₄，KCl，施加量分別為75，25，116mg/kg。根據(jù)玉米生長的4個不同階段，設(shè)4個采樣時間，即30，60，90，120d。用抖土法取樣，測定其氮的質(zhì)量比。盆栽實驗的溫度、濕度和光照完全模擬自然環(huán)境，在花盆中栽種玉米，設(shè)置兩個平行實驗。

1.3.3 樣品采集及制備方法

根據(jù)當(dāng)?shù)赜衩咨L周期，確定4個采樣時間，即苗期(約30d)、拔節(jié)期(約60d)、穗期(約90d)和成熟期(約120d)。實驗用抖土法取根系土樣約200g，土壤樣品采集后剔除雜質(zhì)，自然風(fēng)干，研磨后過篩(2mm)，備用。

1.3.4 不同形態(tài)氮測定方法

分別用KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法、CaSO₄浸提-紫外分光光度計法、擴散吸收法和凱氏蒸餾法測定土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、

效氮和全氮的質(zhì)量比。

2 結(jié)果與討論

2.1 楊樹葉生物質(zhì)炭表征

圖2為水熱法制得楊樹葉生物質(zhì)炭的SEM照片。由圖2可見，生物質(zhì)炭表面呈鱗狀，類似木炭的層狀結(jié)構(gòu)。此時炭內(nèi)部大面積的孔狀和層狀構(gòu)造基本成型，比低溫時的孔狀和層狀結(jié)構(gòu)密集，顆粒產(chǎn)生明顯的收縮聚合現(xiàn)象。

2.2 楊樹葉生物質(zhì)炭對土壤銨態(tài)氮的影響

土壤中的銨態(tài)氮可被土壤膠體吸附，形成交換性銨狀態(tài)氮肥，銨態(tài)氮也可溶解在土壤溶液中，被植物直接吸收利用，屬于速效性氮素。圖3為不同施肥模式下玉米不同生長期土壤銨態(tài)氮質(zhì)量比的變化。由圖3可見：PCK和CCK處理土壤中銨態(tài)氮的質(zhì)量比變化趨勢基本一致，均隨玉米生長時間的變化呈先上升后下降的趨勢；加入楊樹葉生物質(zhì)炭處理土壤中銨態(tài)氮的質(zhì)量比明顯高于PCK和CCK，其中CC3土壤中氮的質(zhì)量比最高，平均值達(dá)到36.43mg/kg，高于CCK處理平均值的154.4%。在玉米生長周期中，傳統(tǒng)施肥及測土配方施肥模式下，土壤銨態(tài)氮的質(zhì)量比均為PC3/CC3＞PC2/CC2＞PC1/CC1＞PCK/CCK。在兩種施肥模式下添加楊樹葉生物質(zhì)炭對土壤銨態(tài)氮質(zhì)量比作用差異較小。添加楊樹葉生物質(zhì)炭后銨態(tài)氮淋失量減少，氮滯留量增加，可見楊樹葉生物質(zhì)炭可通過吸附銨態(tài)氮，增加其在土壤中的滯留，進(jìn)而減少土壤中銨態(tài)氮的淋失，提高土壤的氮儲量。