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        生物炭對凍融黑土中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋失的影響

        2016-09-18 02:34:11李美璇王觀竹郭平
        關(guān)鍵詞:淋失淋溶土柱

        李美璇,王觀竹,郭平

        (吉林大學環(huán)境與資源學院,地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室,長春130012)

        生物炭對凍融黑土中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋失的影響

        李美璇,王觀竹,郭平*

        (吉林大學環(huán)境與資源學院,地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室,長春130012)

        為了深入研究凍融條件下生物質(zhì)炭對東北黑土中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋失的影響效果,為解決凍融作用下黑土中無機氮素的淋失問題提供科學依據(jù),采用室內(nèi)模擬土柱淋溶實驗方法研究了生物質(zhì)炭對經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)處理土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋失的影響。研究結(jié)果表明:凍融會增加土壤氮素的淋失,且淋失量與凍融次數(shù)有關(guān),施加生物質(zhì)炭可以有效降低土壤因凍融作用引起的氮素淋失;玉米秸稈炭對無機氮素淋失降低率在76.15%~85.79%之間,樹枝炭在55.26%~68.09%之間,可以看出玉米秸稈炭持氮效果較樹枝炭更好;在凍融次數(shù)分別為3和1時,玉米秸稈炭和樹枝炭持氮能力最強;兩種生物質(zhì)炭對銨態(tài)氮的固持能力均優(yōu)于硝態(tài)氮。

        凍融;生物質(zhì)炭;黑土;銨態(tài)氮;硝態(tài)氮

        李美璇,王觀竹,郭平.生物炭對凍融黑土中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋失的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2016,35(7):1360-1367.

        LI Mei-xuan,WANG Guan-zhu,GUO Ping.Effects of biochar on ammonium nitrogen and nitrate nitrogen leaching from black soil under freeze-thaw cycle[J]. Journal of Agro-Environment Science,2016,35(7):1360-1367.

        氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中普遍施用的重要肥料之一。然而,目前氮肥利用效率比較低,我國作物對氮肥的平均利用率約為35%,淋溶損失是影響氮素利用效率的重要原因之一,其造成的氮肥損失量約占總損失量的2%[1]。因為淋溶作用能夠?qū)е峦寥乐邢鯌B(tài)氮和銨態(tài)氮下滲到作物根系活動層之下[2],所以會影響植物對氮素的吸收利用。淋溶作用還會引起地下水環(huán)境的氮素污染,危害人體健康。因此,如何科學合理地施用氮肥,減少氮素淋溶損失,降低環(huán)境污染風險,是我國農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)管理和環(huán)境保護領(lǐng)域中亟需解決的重大問題[3]。

        生物質(zhì)炭技術(shù)是一種新興而又有效的持氮技術(shù)。生物質(zhì)炭是各種有機廢棄物,如玉米秸稈、灌木樹枝、柳樹葉等,在無氧或部分缺氧條件下高溫熱解后炭化產(chǎn)生的一類高度芳香化難熔性固態(tài)富碳物質(zhì)[4-5]。一些學者研究了生物質(zhì)炭對土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋失的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)施加生物質(zhì)炭確實能夠降低土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的淋失量,提高土壤對氮素的固持能力[2-6],而且生物質(zhì)炭對土壤持氮能力的影響效果與生物質(zhì)炭的施加量、炭化溫度以及制備材料有關(guān)。周志紅等[1]的研究結(jié)果表明生物質(zhì)炭施用量分別為50、100 t·hm-2時,會使黑土總氮淋失量降低29%和74%,說明不同生物質(zhì)炭施用量對土壤氮素淋失的抑制效果不同?;蒎\卓等[7]也得到相似的研究結(jié)果。劉瑋晶等[5]發(fā)現(xiàn)不同炭化溫度或原材料制備的生物質(zhì)炭對土壤持氮能力的影響不同,500℃制備的秸稈炭明顯好于300℃制備的秸稈炭,而且施加秸稈炭土壤的持氮能力高于施加稻殼炭的土壤。另外,生物質(zhì)炭對土壤持氮能力的影響還與土壤性質(zhì)有關(guān),施加等量生物質(zhì)炭對紫色土中氮素淋失的抑制效果好于黑土。這種差異與土壤的pH,孔隙大小等因素有關(guān)[1]。

        我國東北黑土區(qū)是重要的糧食產(chǎn)區(qū),主要分布在高緯度地區(qū)的松嫩平原東部和北部的山前臺地。在長達半年的冬春季節(jié)里,土壤始終處于凍結(jié)和解凍的循環(huán)狀態(tài)。凍融過程影響了土壤的理化性質(zhì)[8]和微生物的生存和繁殖,改變了土壤氮素的礦化和固定過程,進而直接或間接影響土壤的持氮能力[9]。全球變暖可能影響土壤凍融循環(huán)格局[10],從而改變土壤氮素淋溶特征,使東北地區(qū)黑土氮素淋失過程因凍融循環(huán)次數(shù)、凍融速率和凍融強度等因素的改變而存在很大的不確定性[11]。已有研究表明隨著凍融次數(shù)增多、凍結(jié)強度增加、持續(xù)時間延長,土壤氮素淋失加?。?2-13]。目前,我國東北糧食產(chǎn)區(qū)也開始采用生物質(zhì)炭技術(shù)來解決土壤氮素淋失問題,并且有些學者也開始了此方面的研究。然而,到目前為止,生物質(zhì)炭對凍融條件下土壤持氮能力的影響效果還不清楚。

        本研究選擇東北黑土為對象,采用室內(nèi)培養(yǎng)方法研究了不同凍融次數(shù)下生物質(zhì)炭對土柱淋出液中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度的影響隨時間的變化規(guī)律,同時考查了凍融頻次與施加生物質(zhì)炭土壤中氮素累積淋失量和累積淋溶液體積之間的關(guān)系。為研究用生物質(zhì)炭解決中高緯度地區(qū)土壤氮素淋失問題、提高土壤氮素固持能力和氮素利用率奠定理論基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1供試材料

        1.1.1供試土壤

        供試土壤采用棋盤式法,采于吉林省長春市農(nóng)業(yè)生態(tài)園(43°88′N,125°32′E)黑壤的表層土(0~20 cm)。采樣區(qū)已有至少10年的耕作史,屬溫帶大陸性季風氣候,春夏多雨,冬季干燥寒冷。年均降雨量400~700 mm,近年來年均氣溫3.2~6.6℃。土壤經(jīng)風干、粉碎、過2 mm篩后儲藏備用。采用pH復(fù)合電極(Accumet,AccupHast,F(xiàn)isher Scientific)測定土壤pH;采用電導(dǎo)率儀測定電導(dǎo)率(EC);采用乙酸銨交換法測定陽離子交換量(CEC)[5];采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定土壤有機碳(SOC)[14];采用激光粒度分析儀測定土壤顆粒分布[15];采用凱氏定氮法測定土壤中全氮的含量[16],結(jié)果見表1。

        1.1.2供試生物質(zhì)炭

        供試生物質(zhì)炭是由玉米秸稈和五年連翹灌木樹枝在500℃條件下使用馬弗爐(SX2-4-10,上海意豐電爐有限公司)進行熱解炭化制得的玉米秸稈炭(簡稱秸稈炭,J)和連翹灌木樹枝炭(簡稱樹枝炭,Z)。過60目篩,置于干燥器中備用。

        1.2土柱設(shè)計和裝填

        土柱采用PVC材料制成,內(nèi)徑6.2 cm、高25 cm,下端用200目細網(wǎng)篩封口,同時在底部網(wǎng)篩上加1 cm厚的石英砂,再在上面鋪一層尼龍布。根據(jù)土柱規(guī)格,模擬土層厚度,將處理好的土壤樣品,按照粒徑質(zhì)量分布特征稱取780 g土壤制備未施加生物質(zhì)炭的空白對照組土樣(CK處理組)。參考最佳生物質(zhì)炭施加量[1,3],稱取764.4 g土壤與15.6 g生物質(zhì)炭混合均勻后制備兩種施加生物質(zhì)炭處理組土樣(J處理組和Z處理組),生物質(zhì)炭的添加量為2%。采用含有氮素的蒸餾水(參考東北地區(qū)農(nóng)田常用施肥量108 kg·hm-2,將0.327 g硝酸銨溶于237 mL蒸餾水中)調(diào)節(jié)CK組、J處理組和Z處理組土壤,使其含水率為最大持水量的90%。將土樣裝填入土柱中,適當按壓,使其容重在1.25 g·cm-3左右;然后在土柱上方鋪一層1 cm厚石英砂,以免淋溶時擾動土層。為保證土柱自上而下進行凍融,將做好的土柱裝入泡沫隔熱板制成的外套內(nèi)。

        1.3凍融處理和淋溶實驗

        將整個凍融實驗裝置(土柱和泡沫隔熱板)放在冰柜中,凍融實驗包括凍融組(F)和未凍融組(NF),未施加生物質(zhì)炭的空白組和施加生物質(zhì)炭的處理組均設(shè)置凍融組和未凍融組。凍融組放在-25℃冰柜凍結(jié)2 d,然后取出放置在5℃冰柜融化2 d,此過程為一個凍融循環(huán)。實驗設(shè)置了具有代表性的1、3、6個凍融循環(huán)。未凍融組放置在5℃冰柜中,時間分別與1、3、6個凍融循環(huán)處理的時間相同。各處理重復(fù)三次。在此期間,需及時補充水分保持土壤水分含量不變。凍融處理結(jié)束后,將土柱取出放置于支架上進行淋溶實驗。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)研究地凍融期平均降雨量計算獲得)。整個淋溶過程需要保持水面高于土面1 cm,從土柱底部每定量收取15 mL淋出液作為一個樣品,同時記錄每個樣品達15 mL時的時間,分別測定每個樣品中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度,并用每組取得的所有樣品的累計體積與濃度計算出銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的累計淋出量。銨態(tài)氮含量的測定采用國家標準GB/T 7479—1987納氏試劑分光光度法;硝態(tài)氮含量的測定采用國家標準GB/T 8538—1995紫外分光光度法[1]。

        1.4數(shù)據(jù)處理

        利用SPSS19.0軟件進行統(tǒng)計分析。采用Origin8.0軟件作圖。

        圖1 凍融頻次為1時施加生物質(zhì)炭對土柱銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋出濃度的影響Figure 1 Concentrations of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in leachates after applying biochars to soil column under 1 freeze and thaw cycle

        2 結(jié)果與分析

        2.1凍融頻次為1時施加生物質(zhì)炭對土柱銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋失的影響

        由圖1可知,在1個凍融循環(huán)條件下,施加秸稈炭土柱淋出液中銨態(tài)氮的最初與最終淋出濃度均較低,差值較小,銨態(tài)氮淋失濃度隨時間變化曲線整體走勢比較平緩;硝態(tài)氮淋溶曲線在前40 min呈快速下降趨勢,之后變緩。在凍融和非凍融條件下,施加秸稈炭土柱淋出液中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮最初和最終淋失濃度差分別為0.16 mg·L-1(凍融)和0.55 mg·L-1(未凍融);0.38 mg·L-1(凍融)和0.44 mg·L-1(未凍融)。

        施加樹枝炭土柱銨態(tài)氮淋失濃度隨時間變化曲線出現(xiàn)明顯高峰,高峰濃度值與淋溶末期濃度值差異較大,曲線較陡。在凍融與未凍融條件下,施加樹枝炭土柱淋出液中銨態(tài)氮與硝態(tài)氮最大濃度與最終濃度的差值分別為1.10 mg·L-1(凍融)、1.15 mg·L-1(未凍融)以及0.68 mg·L-1(凍融,未凍融)。

        從圖1可以看出,生物質(zhì)炭能夠增強土壤持氮能力,而且秸桿炭比樹枝炭效果更好,尤其是在淋溶初期(P<0.05)。比較施加生物質(zhì)炭對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的固持能力,我們發(fā)現(xiàn)兩種生物質(zhì)炭對銨態(tài)氮的固持效果都好于硝態(tài)氮。對于未施加生物質(zhì)炭對照組來說,凍融土柱淋出液中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋失濃度較未凍融土柱的增大了;對于施加秸稈炭處理組來說,凍融土柱淋出液中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度明顯小于未凍融土柱的(P<0.001),而施加樹枝炭處理組濃度差不明顯。這表明凍融作用會影響生物質(zhì)炭對土壤氮素的固持能力,這種作用效果與生物質(zhì)炭種類有關(guān)。在一個凍融循環(huán)條件下,秸稈炭能有效減緩?fù)寥酪騼鋈谠斐傻牡亓苁А?/p>

        2.2凍融頻次為3時施加生物質(zhì)炭對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋出的影響

        從圖2可以看出,在3個凍融循環(huán)條件下,整個淋溶過程中未施加生物質(zhì)炭土柱和施加生物質(zhì)炭土柱淋出液中銨態(tài)氮濃度隨時間變化曲線均出現(xiàn)了明顯峰值,但施加秸稈炭土柱的淋溶曲線峰值最低,僅為0.60 mg·L-1(凍融)。而未施加生物質(zhì)炭的土柱和施加樹枝炭的土柱淋出液中銨態(tài)氮高峰濃度值與最終濃度值相差很大,差值分別是1.69 mg·L-1(凍融)和2.00 mg·L-1(凍融),所以整個曲線呈快速下降趨勢,與1個凍融頻次下的情況相同。在凍融和未凍融條件下,未施加生物質(zhì)炭土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度隨時間變化也出現(xiàn)了高峰,數(shù)值是0.33 mg·L-1(凍融)。然而施加兩種生物質(zhì)炭土柱淋出液中硝態(tài)氮濃度隨時間變化的曲線均呈現(xiàn)平緩下降趨勢。

        在3個凍融頻次下,對于經(jīng)過凍融處理的土柱來說,未施加生物質(zhì)炭土柱、施加秸稈炭土柱和施加樹枝炭土柱的淋溶時間分別是89、115、94 min。這表明施加生物質(zhì)炭延長了凍融土柱的淋溶時間,而且施加秸稈炭土柱的淋溶時間要比施加樹枝炭土柱的淋溶時間長,說明在3個凍融循環(huán)條件下,施加生物質(zhì)炭尤其是玉米秸稈炭可以有效增加土壤的持水能力。與1個凍融頻次一樣,在3個凍融頻次下,施加生物質(zhì)炭也增強了土壤持氮能力(P<0.001),秸稈炭的持氮效果好于樹枝炭,尤其是在淋溶初期(P<0.05)。這兩種生物質(zhì)炭對銨態(tài)氮的固持效果都好于硝態(tài)氮。

        2.3凍融頻次為6時施加生物質(zhì)炭對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋出的影響

        圖2 三個凍融循環(huán)下施加生物質(zhì)炭對土柱銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋出濃度的影響Figure 2 Concentrations of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in leachates after applying biochars to soil column under 3 freeze and thaw cycles

        圖3 六個凍融循環(huán)下施加生物質(zhì)炭對土柱銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋出濃度的影響Figure 3 Concentration of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in leachates after applying biochars to soil column under 6 freeze and thaw cycles

        從圖3可以看出,在6個凍融循環(huán)條件下,施加秸稈炭土柱淋出液中銨態(tài)氮濃度隨時間變化曲線仍然很平緩,凍融土柱淋出液的濃度峰值與最終濃度差值僅為0.36 mg·L-1,而硝態(tài)氮濃度隨時間變化曲線較1個和3個凍融循環(huán)時陡峭很多,最大濃度值及最終濃度差值可達1.28 mg·L-1。施加樹枝炭的土柱淋溶曲線也較1個和3個凍融循環(huán)平緩了很多。這主要是因為淋溶末期氮素淋失濃度升高了,而淋溶初期濃度沒有很大變化,尤其是峰值。

        與3個凍融頻次相比,在6個凍融頻次下,施加生物質(zhì)炭也延長了土柱淋溶時間,而且施加秸稈炭的淋溶時間要比施加樹枝炭的長。同樣,秸稈炭對土壤的持水效果要好于樹枝炭。在6個凍融頻次下,對于經(jīng)過凍融處理的土柱來說,未施加生物質(zhì)炭土柱、施加秸稈炭土柱和施加樹枝炭土柱的淋溶時間分別是80、113、104 min。這表明施加生物質(zhì)炭延長了凍融土柱的淋溶時間,而且施加秸稈炭土柱的淋溶時間要比施加樹枝炭土柱的淋溶時間長。

        對于凍融組來說,施加生物質(zhì)炭土柱淋溶初期淋出液中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度值均較未施加生物質(zhì)炭土柱的低(P<0.05),與一個凍融循環(huán)條件下的情況一致。但是在淋溶末期,施加生物質(zhì)炭土柱淋出液中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度并沒有像3個凍融循環(huán)下那樣明顯小于未施加生物質(zhì)炭的對照組土柱(P>0.05),甚至出現(xiàn)空白組大于處理組的情況。由此可見,雖然在6個凍融循環(huán)處理下,施加生物質(zhì)炭仍然能夠降低土壤氮素淋失濃度,而且秸稈炭效果仍然較樹枝炭好(P<0.05)。但是施加生物質(zhì)炭和未施加生物質(zhì)炭土壤的持氮能力差別減小了。這表明較高的凍融頻次能夠降低生物質(zhì)炭對土壤氮素的固持能力。

        2.4淋出液體積與氮素累積淋失量

        對不同處理土柱淋出液的體積和氮素累積淋出量進行統(tǒng)計計算,結(jié)果列于表2。比較各處理土柱在1、3、6個凍融循環(huán)條件下,凍融前后的水分淋失量,我們發(fā)現(xiàn)除了未施加生物質(zhì)炭的土柱在1個凍融循環(huán)條件下凍融后淋失液體積小于未凍融的,其余的均是凍融后的淋失液體積較大,表明凍融會增加土壤水分流失。無論土柱是否經(jīng)過凍融循環(huán)處理,施加生物質(zhì)炭的土柱淋出液體積均比未施加生物質(zhì)炭的少,表明分別施加這兩種生物質(zhì)炭均可以有效地增強土壤持水能力(P<0.05)。對于凍融處理土柱來說,在1個凍融頻次下,施加秸稈炭與樹枝炭土柱較未施加生物質(zhì)炭土柱的淋出液體積降低率分別為8.17%、25.29%;3個凍融頻次下分別為15.87%、9.52%;6個凍融頻次下分別為20.80%、16.79%??梢钥闯觯衩捉斩捥吭?個和6個凍融頻次下對土壤水分的固持效果較樹枝炭要好,在1個凍融頻次下則與此相反。而且秸稈炭和樹枝炭在凍融頻次分別為6、1時固水能力最佳。

        由表2可以看出,在不同凍融次數(shù)條件下,將未施加生物質(zhì)炭土柱與施加兩種不同生物質(zhì)炭土柱相比,后者的氮素淋出量均明顯小于前者(P<0.05),而且施加秸稈炭土柱的氮素累積淋出量最小。凍融循環(huán)對土壤氮素淋失量也具有一定的影響。對于所有處理來說,基本上都是凍融頻次數(shù)3時氮素淋出量最大,其次是6個凍融頻次。對于凍融處理的土柱來說,1個凍融頻次下,施加秸稈炭與樹枝炭土柱較未施加生物質(zhì)炭土柱的氮素淋失量降低率分別為79.79%和68.09%;3個凍融頻次下分別為85.79%和55.26%;6個凍融頻次下分別為76.15%和67.89%??梢钥闯觯衩捉斩捥吭诓煌瑑鋈谘h(huán)下對土壤氮素的固持效果都比樹枝炭好,而且秸稈炭和樹枝炭在凍融頻次分別為3、1時持氮能力最佳。

        3 討論

        3.1凍融作用對土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋失的影響

        本研究結(jié)果表明,凍融會增加土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的淋失量(P<0.05),可達4.4%~21.01%。Jackson-Blake等[17]認為,這是因為凍融可以通過強烈的物理破壞過程改變土壤團粒結(jié)構(gòu),增大或縮小土壤團粒間的空間,必然影響氮素附著能力,所以直接降低了土壤對氮素的固持效果[16]。此外,左海軍等[18]發(fā)現(xiàn),土壤粘粒含量越高,土壤氮素發(fā)生流失的可能性就越小,而凍融減小了土壤粘粒含量,故增加了氮素的流失。另外,多次凍融交替會使土壤發(fā)生脹縮,導(dǎo)致土壤顆粒重新排列,原有孔隙比發(fā)生變化,增加了土壤的滲透率,滲透率的提高會減小土壤對氮素的淋溶阻力[10]。

        表2 不同處理的土柱淋濾液體積與氮素累積淋失量Table 2 Statistics of leachate volume and cumulated nitrogen leaching amount from soil column in different treatments

        此外,凍融過程會增加土壤中無機氮素的釋放。這是因為凍結(jié)會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)致大團聚體碎裂,變成小團聚體[12],土壤團聚體穩(wěn)定性遭到破壞,被其包裹著的小分子物質(zhì)釋放出來,從而增加了土壤可溶性氮素含量[19]。范志平等[12]證明了較低的土壤溫度會直接增加土壤膠體中銨態(tài)氮的釋放。另外,凍融過程會增加土壤孔隙[19],減小土壤持水能力,導(dǎo)致土壤水分流失量增加[20],土壤釋放的部分可溶性無機氮素即可從土相中進入水相中,并且隨著水分垂直或水平遷移,造成土壤氮素淋失量增加[16]。

        國內(nèi)外一些研究表明,土壤氮素淋溶過程除了受到上述多種非生物因素外,還受到生物因素的作用。例如,有研究者[21-22]提出凍融過程會影響土壤微生物的生長和繁殖,改變微生物的活性,進而作用于土壤氮素的礦化和固定過程[9]。低溫甚至造成部分微生物死亡并引發(fā)氮素釋放,也是土壤無機氮素淋失量增加的重要因素[20]。

        本研究發(fā)現(xiàn)凍融頻次也會影響土壤氮素淋失量。隨著凍融次數(shù)的增加,因凍融造成的土壤氮素淋失增加量呈先增加后降低趨勢。這可能由于影響氮素淋失的上述過程與凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān)

        3.2凍融條件下施加生物質(zhì)炭對土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋失量的影響

        實驗結(jié)果表明,在凍融條件下,施加這兩種生物質(zhì)炭能夠有效抑制黑土中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的淋失,抑制效果可達55.26%~85.79%。這是因為生物質(zhì)炭具有很多有利于持氮的物理性質(zhì),如孔隙發(fā)達、比表面積大等[23],可以為氮素提供大量的吸附位點。而且生物質(zhì)炭施入土壤后較易形成大團聚體,可以修復(fù)因凍融造成的團聚體的破碎[24],增加土壤吸附氮素的能力。另外,生物質(zhì)炭表面電荷多、電荷密度高,能夠吸附土壤中水相和土相中如NH+4、NO-3等的無機離子[4]。實驗結(jié)果顯示,施加生物質(zhì)炭對土柱中銨態(tài)氮淋失的抑制效果高于硝態(tài)氮。之前Kettunen等研究表明,這是因為生物質(zhì)炭表面富含更多負電荷,對陽離子有更好的吸附作用[25]。此外,生物質(zhì)炭呈弱堿性,能夠提高土壤pH[26]、并增加含氧官能團數(shù)量,從而提高土壤陽離子交換量,增加土壤吸附NH+4的能力[4]。這也是生物質(zhì)炭對土壤中銨態(tài)氮固持效果好于硝態(tài)氮的原因。

        本實驗結(jié)果表明施加生物質(zhì)炭還可以增強凍融后土壤的持水能力,持水效果可達8.17%~25.29%,這主要是因為生物質(zhì)炭擁有大量微孔,且密度一般在0.1~0.5 g·cm-3,遠小于土壤密度,故施加生物質(zhì)炭可以降低土壤密度[27],增加土壤孔隙度,進而增加了它的持水性[18]。此外生物質(zhì)炭有豐富的表面官能團[28],可以吸附土壤中的水分,減少土壤凍融后導(dǎo)致的水分的滲漏流失。由于氮素淋溶主要發(fā)生在溶液中,生物質(zhì)炭可以通過減少水分流失來抑制氮素的淋失[29]。

        從本實驗結(jié)果可以看出,玉米秸稈炭在凍融條件下的持氮效果好于樹枝炭,3個凍融循環(huán)下的效果差異最顯著,可達30.53%,而且在淋溶初期就能有效降低氮素淋失量。陳心想等[23]研究證明,制備生物質(zhì)炭原料不同,對氮素流失的抑制程度有明顯差異。這主要是因為生物質(zhì)炭對土壤持水量、持氮量的影響取決于生物質(zhì)炭的顆粒度、比表面積、密度、孔隙結(jié)構(gòu)及表面官能團組成等因素[10,23]。與樹枝炭比較,玉米秸稈炭的優(yōu)勢在于其炭質(zhì)密度較低,本實驗在裝填土柱時發(fā)現(xiàn),施加相同質(zhì)量生物質(zhì)炭時,施入土壤中樹枝炭的體積要小于玉米秸稈炭的體積。此外,玉米秸稈炭孔隙結(jié)構(gòu)比樹枝炭更發(fā)達[24]。這是因為玉米秸稈熱穩(wěn)定性比樹枝的低,在相同熱解溫度炭化后玉米秸稈的累積質(zhì)量損失較樹枝炭多,即灰分含量較低,有更多可燃性氣體揮發(fā),從而使秸稈炭形成更多的孔隙結(jié)構(gòu)和較大的比表面積,較大的施加體積以及較發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu),也使玉米秸稈炭在持水持氮方面效果更加突出[30]。

        此外,我們發(fā)現(xiàn),凍融頻次不同會造成生物質(zhì)炭持氮效果不同。凍融頻次越多,生物質(zhì)炭對土壤持氮能力的改善作用越差。這可能是因為隨著凍融頻次的增加,生物質(zhì)炭的比表面積大小和發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)也隨之改變,減弱了生物質(zhì)炭對土壤氮素的固持效果。

        4 結(jié)論

        (1)凍融過程會增加土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮以及水分的淋失量,而且這種作用和凍融頻次有關(guān),未施加生物質(zhì)炭土柱的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋失總量和淋溶體積分別在3個和6個凍融頻次下達到最大。

        (2)在1、3、6個凍融頻次下,施加玉米秸稈炭和樹枝炭都可以有效降低土壤氮素和水分的淋出量,且降低效果與凍融頻次有關(guān)。施加秸稈炭和樹枝炭土柱分別在3個和1個凍融頻次下持氮能力最強;分別在6、1個凍融頻次下固水能力最強。在1、3、6凍融頻次下,兩種生物質(zhì)炭對銨態(tài)氮的淋失濃度降低效果均好于硝態(tài)氮。

        (3)在凍融條件下,不同原材料制備的生物質(zhì)炭對土壤持氮和固水能力的改善效果不同。施加玉米秸稈炭的土壤在1、3、6個凍融頻次下持氮和持水效果都優(yōu)于施加樹枝炭的,尤其是在淋溶初期。施加玉米秸稈炭的土壤在3個凍融頻次下氮素淋出量最少。

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        Effects of biochar on ammonium nitrogen and nitrate nitrogen leaching from black soil under freeze-thaw cycle

        LI Mei-xuan,WANG Guan-zhu,GUO Ping*
        (Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment of the Ministry of Education,College of Environment and Resources,Jilin University,Changchun 130012,China)

        Leaching is one of important nitrogen loss pathways.Biochar may reduce the leaching because of huge surface area.Here a laboratory column study was conducted to examine the effect of biochar applications on leaching of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in black soils from the Northeastern China under different freeze-thaw frequencies.Freezing-thawing increased nitrogen leaching,and the leaching amount was related to freeze-thaw frequency.Applying biochar effectively reduced the nitrogen leaching caused by freeze-thaw. Inorganic N leaching was reduced by 76.15%~85.79%and 55.26%~68.09%,respectively,by corn-stover and twigs biochars.Obviously,corn-stover biochar was more effective than twigs biochar did.At 3 and 1 of the freeze-thaw frequency,nitrogen fixation capacities of cornstover and twigs were respectively the highest.In addition,biochar effect on ammonium nitrogen was greater than on nitrate nitrogen.These findings shed light on measures of reducing inorganic nitrogen leaching in black soil under freeze-thaw cycle.

        freeze and thaw;biochar;black soil;ammonium nitrogen;nitrate nitrogen

        X53

        A

        1672-2043(2016)07-1360-08

        10.11654/jaes.2016.07.019

        2016-01-31

        國家水污染控制與治理重大專項(2014ZX07201010)

        李美璇(1993—),女,碩士研究生,從事土壤污染與生態(tài)修復(fù)方面的研究。E-mail:110920154@qq.com

        郭平E-mail:guoping@jlu.edu.cn

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