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        不同原料生物炭對(duì)酸性紅壤氮素轉(zhuǎn)化及理化性質(zhì)的影響

        2022-03-31 01:04:16王吉元夏浩李宇軒王響玲姜存?zhèn)}
        關(guān)鍵詞:性質(zhì)生物

        王吉元,夏浩,李宇軒,王響玲,2,姜存?zhèn)},2

        1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/微量元素研究中心,武漢 430070;

        2.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石河子 832000

        氮素是植物生長所必需的營養(yǎng)元素,而土壤中95%以上的氮是有機(jī)態(tài)氮,需要通過礦化過程轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)氮才能被植物吸收利用[1]。硝化作用是土壤氮素轉(zhuǎn)化的另一重要途徑,與土壤中銨態(tài)氮的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化以及氮素的損失息息相關(guān)[2]。我國的酸性土壤廣泛分布于長江以南地區(qū),由于酸性土壤的養(yǎng)分貧瘠,需要大量施用氮肥來滿足作物的生長,這不僅會(huì)導(dǎo)致土壤酸化嚴(yán)重,還會(huì)造成土壤中氮素的損失[3-4]。因此,如何在改善酸性土壤肥力的同時(shí)提高氮肥利用率、減少氮素?fù)p失,是亟需解決的問題。

        生物炭是以農(nóng)業(yè)廢棄物(秸稈、木材、牲畜糞便等)為原料在缺氧條件下高溫?zé)峤獾漠a(chǎn)物[5],不同原料所制備的生物炭在其表面結(jié)構(gòu)、元素組成等性質(zhì)上表現(xiàn)出較大的差異[6]。由于生物炭具有高度穩(wěn)定性、高C/N 比等特點(diǎn),關(guān)于生物炭對(duì)氮素循環(huán)影響的研究越來越多[7-8]。土壤氮素的礦化作用與土壤pH、C/N 比等性質(zhì)有關(guān)[9],因此,生物炭的加入能夠通過改變土壤理化性質(zhì)來影響土壤氮素的轉(zhuǎn)化。在陳玉真等[10]的研究中,短期內(nèi)施加生物炭能夠刺激微生物的活性,增加無機(jī)態(tài)氮的固定,從而抑制土壤氮素的礦化作用和硝化作用。與之相反,在潘鳳娥等[11]的研究中,生物炭的添加促進(jìn)了土壤硝化作用,這可能是所用的生物炭種類和土壤類型不同導(dǎo)致的。此外,土壤中的酶是參與生物化學(xué)反應(yīng)的催化劑,其活性與土壤養(yǎng)分循環(huán)狀況和養(yǎng)分含量息息相關(guān)[12]。乙酰氨基葡萄糖胺酶(NAG)、氨單加氧酶(AMO)、羥胺氧化還原酶(HAO)及亞硝酸氧化還原酶(NXR)是土壤氮素礦化過程和自養(yǎng)硝化過程的關(guān)鍵酶[13],其活性在一定程度上能夠反映土壤氮素轉(zhuǎn)化狀況。

        生物炭在改變土壤理化性質(zhì)的同時(shí)能夠影響氮素的轉(zhuǎn)化。前期研究多集中于單一類型生物炭改良土壤及對(duì)氮素循環(huán)的影響,而同一條件下施用不同原料生物炭對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化及理化性質(zhì)的影響是否存在顯著差異,土壤氮素轉(zhuǎn)化過程與理化性質(zhì)和酶活性的變化是否存在聯(lián)系,相應(yīng)研究報(bào)道較少。因此,本研究通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn),測(cè)定土壤礦態(tài)氮含量、理化性質(zhì)及C、N 循環(huán)相關(guān)酶活性,探究不同原料生物炭對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響及改良酸性紅壤的效應(yīng),以期為生物炭選擇利用及酸性土壤改良提供依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 供試材料

        供試酸性紅壤采自湖北省咸寧市賀勝橋鎮(zhèn)(114°42′E,29°99′N),選取0~20 cm 耕層土壤。土壤經(jīng)自然風(fēng)干,除去石塊及植物殘?bào)w后過孔徑2 cm篩,混勻備用。其基本理化性質(zhì):pH 5.29,有機(jī)質(zhì)5.49 g/kg,銨態(tài)氮3.60 mg/kg,硝態(tài)氮5.93 mg/kg,速效磷4.40 mg/kg,速效鉀116.20 mg/kg。供試生物炭是河南立澤環(huán)??萍加邢薰痉謩e以水稻秸稈、稻殼以及園林雜木為原料在500 ℃下制備的,基本性質(zhì)見表1。

        表1 生物炭的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of biochar

        1.2 試驗(yàn)處理

        試驗(yàn)在塑料盒中進(jìn)行,每盒裝200 g 風(fēng)干土(過孔徑1 cm 篩)。先將土壤加水至飽和持水量,靜置熟化7 d 后,將土壤、肥料和生物炭按處理混勻開始培養(yǎng)。試驗(yàn)設(shè)5 個(gè)處理:CK(不施生物炭,不施肥)、F(單施化學(xué)肥料)、B1(3%水稻秸稈生物炭+化學(xué)肥料)、B2(3%水稻殼生物炭+化學(xué)肥料)、B3(3%木屑生物炭+化學(xué)肥料),每個(gè)處理重復(fù)3 次?;瘜W(xué)肥料施用量為:每盒尿素0.086 g、磷酸氫二鈉0.233 g、氯化鉀0.076 g,即N、P、K 含量分別為0.200、0.100、0.200 g/kg。試驗(yàn)于2021 年4 月9 日至6 月5 日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)盆栽場(chǎng)進(jìn)行。分別在培養(yǎng)的第1、5、10、20、35、50 天進(jìn)行取樣,取樣時(shí)先取一部分土壤鮮樣,放于-20 ℃冰箱保存,用于土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和酶活性的測(cè)定;剩余土樣進(jìn)行風(fēng)干,將風(fēng)干土樣分別研磨后過0.850 mm 和0.150 mm 孔徑篩,放入自封袋保存,用于土壤pH、有機(jī)質(zhì)等理化性質(zhì)的測(cè)定。

        1.3 測(cè)定方法

        生物炭pH 采用pH 計(jì)法測(cè)量(水土質(zhì)量比5∶1);用元素分析儀測(cè)定生物炭中C、N 含量。生物炭中礦質(zhì)元素測(cè)定參考林慶毅等[14]的方法:取0.2 g 生物炭于坩堝中,先用馬弗爐500 ℃加熱4 h 后再用25 mL 1 mol/L HCl 浸提。用火焰光度法測(cè)定Na+和K+含量,用原子吸收光譜儀測(cè)定Ca2+、Mg2+含量。

        土壤基本理化性質(zhì)參照《土壤農(nóng)化分析》[15]的方法測(cè)定:土壤pH 值采用pH 計(jì)法測(cè)量(水土質(zhì)量比2.5∶1);土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定;土壤全氮使用酸消煮后流動(dòng)分析儀測(cè)定;土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮用1 mol/L KCl 浸提,流動(dòng)分析儀測(cè)定;采用0.5 mol/L NaHCO3浸提,鉬銻抗比色法測(cè)定土壤速效磷;采用NH4OAc 浸提,火焰光度法測(cè)定土壤速效鉀。氮素礦化積累量、氮素凈礦化速率(Rm)和凈硝化速率(Rn)的計(jì)算參考李平等[16]的研究。

        采用熒光微孔板酶檢測(cè)技術(shù)[17]測(cè)定土壤β-D-葡萄糖苷酶(β-G)、β-纖維二糖苷酶(CBH)、N-乙酰氨基葡萄糖胺酶(NAG)活性,均以熒光物質(zhì)4-羥甲基-7-香豆素(MUB)作為標(biāo)準(zhǔn)物。每個(gè)處理在96 孔板上設(shè)置樣品孔、空白對(duì)照、陰性對(duì)照、淬火對(duì)照和參考對(duì)照,25 ℃黑暗條件下培養(yǎng)4 h 后用酶標(biāo)儀測(cè)定熒光值,激發(fā)波長和檢測(cè)波長分別為365和450 nm。采用江蘇酶標(biāo)生物有限公司的Elisa試劑盒測(cè)定土壤氨單加氧酶(AMO)、羥胺氧化還原酶(HAO)、亞硝酸氧化還原酶(NXR)活性。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        所有數(shù)據(jù)采用Excel 軟件進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì),SPSS 20.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,運(yùn)用單因素方差和Duncan’s 檢驗(yàn)進(jìn)行處理間的差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05),并用Origin 2021 和Adobe Illustrator 軟件制圖,數(shù)據(jù)表示為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”(n=3)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同原料生物炭對(duì)土壤基本性質(zhì)的影響

        由表2 可知,培養(yǎng)50 d 后,與CK 處理相比,F(xiàn) 處理土壤pH 降低了0.54 個(gè)單位。施加生物炭后土壤pH 顯著提高(P<0.05),與F處理相比,B1、B3處理土壤pH 分別提高了0.64和0.20個(gè)單位,而B2處理無顯著差異。結(jié)果表明,施加化學(xué)肥料導(dǎo)致酸性土壤進(jìn)一步酸化,水稻秸稈生物炭和木屑生物炭能夠緩解施肥導(dǎo)致的土壤酸化,而稻殼生物炭改善土壤pH 的效果較弱。

        表2 不同處理的土壤基本性質(zhì)Table 2 Basic soil properties in different treatments

        CK 處理培養(yǎng)50 d 后土壤有機(jī)質(zhì)含量為18.78 g/kg,F(xiàn) 處理使土壤有機(jī)質(zhì)含量提高了32.4%。與F處理相比,B1、B2、B3處理有機(jī)質(zhì)含量分別提高了123.8%、70.0%、86.4%,施加生物炭顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量(P<0.05),且不同生物炭提高土壤有機(jī)質(zhì)的效果具有顯著性差異,水稻秸稈生物炭的效果高于木屑生物炭和稻殼生物炭,這可能與水稻秸稈生物炭的本身含碳量較高有關(guān)。

        施加化學(xué)肥料后土壤總氮含量從0.36 g/kg提升至0.51 g/kg,B2和B3處理的總氮含量與F 處理無顯著差異,B1處理土壤總氮含量顯著提高。與CK 處理相比,F(xiàn)處理使土壤C/N比降低了7.4%,但二者之間無明顯差異。生物炭與肥料配施可以顯著提高土壤C/N 比(P<0.05),與F 處理相比,B1、B2、B3處理使土壤C/N比提高了75.0%、70.1%、88.2%。與CK相比,F(xiàn) 處理使土壤速效磷和速效鉀含量分別提高了25.0%和176.6%,B1、B2、B3處理進(jìn)一步增加了施肥土壤中速效磷和速效鉀含量,且不同生物炭處理之間存在顯著差異(P<0.05),水稻秸稈生物炭(B1)處理效果最佳。

        對(duì)不同處理土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)進(jìn)行主成分分析(圖1),PC1 和PC2 的貢獻(xiàn)率分別為17.9% 和72.4%。CK 處理與F 處理在PC1 上有明顯分離,說明施加化肥對(duì)土壤的理化性質(zhì)有顯著影響。F 處理與B1、B2、B3處理在PC1 上均存在一定距離,同時(shí),B1與B2、B3在PC1上也存在明顯分離,表明生物炭能夠改變施肥土壤的理化性質(zhì),且不同生物炭處理之間的土壤性質(zhì)存在顯著差異。

        圖1 不同處理土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)的主成分分析Fig.1 Principal component analysis of physico-chemical properties of soil in different treatments

        2.2 不同原料生物炭對(duì)土壤氮素礦化作用和硝化作用的影響

        整個(gè)培養(yǎng)期,CK 處理中NH4+-N 與NO3--N 含量無明顯變化,其他處理土壤NH4+-N 均呈現(xiàn)出先上升后降低的趨勢(shì)(圖2A),而NO3--N 含量在培養(yǎng)時(shí)間上的變化與NH4+-N 相反(圖2B)。尿素施入土壤后,前期(0~10 d)以NH4+-N 的形式釋放出來,隨后釋放出的NH4+-N 通過硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)镹O3--N 的形式。培養(yǎng)結(jié)束時(shí),F(xiàn) 處理NH4+-N 含量顯著提高(P<0.05),而施加生物炭后顯著降低。與F 處理相比,B1、B2、B3處理中NH4+-N 含量分別降低了95.6%、74.5%、46.9%。與CK 相比,F(xiàn)、B1、B2、B3處理土壤NO3--N 含量顯著提高(P<0.05),分別達(dá)到106.30、117.96、86.38、122.08 mg/kg。與F 處理相比,B1、B2處理中NO3--N 含量分別提高了11.0%和15.2%,而B3處理降低了18.7%,表明水稻秸稈生物炭和木屑生物炭施用后能固持土壤硝態(tài)氮。

        由圖2C 可知,除CK 外的其他處理土壤礦質(zhì)氮積累量均隨時(shí)間先升高后降低,培養(yǎng)結(jié)束時(shí),與F 處理相比,B1、B2、B3處理礦化氮積累量顯著降低(P<0.05),分別為30.81、21.15、120.69 mg/kg,表明生物炭的添加能夠抑制土壤礦態(tài)氮的積累。培養(yǎng)期間,土壤NH4+-N/NO3--N在5 d后迅速下降并在35 d后趨于穩(wěn)定(圖2D),說明土壤硝化作用主要發(fā)生在培養(yǎng)前中期(5~35 d),同時(shí)生物炭與肥料配施使土壤NH4+-N/NO3--N 顯著降低(P<0.05),促進(jìn)了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。

        圖2 不同處理土壤銨態(tài)氮含量(A)、硝態(tài)氮含量(B)、礦質(zhì)態(tài)氮累積量(C)和銨硝比(D)的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of soil ammonium nitrogen(A),nitrate nitrogen(B),cumulative amount of mineral nitrogen(C)and the ratio of NH4+-N/NO3--N(D)in different treatments

        由圖3A 可知,CK 處理氮素凈礦化速率在培養(yǎng)期間無明顯變化,其他處理均呈現(xiàn)出先陡增后降低的趨勢(shì)。圖3B 顯示,培養(yǎng)結(jié)束時(shí)F 處理平均凈礦化速率為2.49 mg/(kg·d),與CK 處理相比顯著提高(P<0.05),B1、B2、B3處理平均凈礦化速率為0.46、0.31 和1.79 mg/(kg·d),與F 處理相比分別降低了81.5%、87.6%和28.1%。結(jié)果表明,生物炭與肥料配施抑制了土壤氮素礦化作用,且不同生物炭處理之間存在顯著差異(P<0.05)。

        由圖3C 可知,CK 處理氮素凈礦化速率在培養(yǎng)期間無明顯變化,其他處理均呈現(xiàn)先穩(wěn)步上升后迅速增加的趨勢(shì),且B1和B3處理在35~50 d 階段呈下降趨勢(shì)。圖3D顯示,培養(yǎng)結(jié)束時(shí),CK處理平均凈硝化速率僅為0.10 mg/(kg·d),F(xiàn)處理為2.06 mg/(kg·d),是CK處理的20.6倍,與F處理相比,B1、B3處理的平均硝化速率顯著提高(P<0.05),分別為2.31 和2.39 mg/(kg·d),而B2處理平均硝化速率為1.68 mg/(kg·d),與F 處理相比降低了18.5%。結(jié)果表明,生物炭與肥料配施可以顯著影響土壤硝化作用,水稻秸稈生物炭和木質(zhì)生物炭能夠提高土壤硝化速率,而添加水稻殼生物炭對(duì)硝化作用具有抑制效果。

        圖3 不同處理土壤氮素凈礦化速率和硝化速率Fig.3 Net mineralization rate and nitrification rate of soil nitrogen in different treatments

        2.3 不同原料生物炭對(duì)土壤酶活性的影響

        土壤氮素礦化途徑(圖4)中,施加化學(xué)肥料能夠刺激NAG 活性,F(xiàn) 處理NAG 活性相對(duì)于CK 處理提高了34.3%,施加生物炭后顯著抑制了NAG 活性,與F 處理相比,B1、B2、B3處理分別使NAG 活性降低了19.1%、27.7%和10.6%。土壤氮素硝化途徑中,F(xiàn)處理AMO 和NXR 活性與CK 處理無明顯差異,但顯著降低了HAO 活性,與F 處理相比,B1使AMO 活性降低了11.6%,HAO 活性提高了9.8%,B2使AMO活性降低了18.8%,HAO 活性提高了19.7%,B3對(duì)3種酶均無顯著影響。在土壤碳素循環(huán)途徑中,與CK處理相比,F(xiàn) 處理對(duì)β-G 活性無顯著影響,但CBH 活性相對(duì)于CK 處理降低了55.6%,與F 處理相比,B1處理使β-G 活性和CBH 活性分別提高了33.3%和150.0%,B2處理對(duì)β-G 活性和CBH 活性無顯著影響,B3處理使β-G 活性和CBH 活性分別提高了73.8%和250.0%。

        圖4 不同處理土壤中C、N循環(huán)相關(guān)酶活性Fig.4 Activity of C and N cycle-related enzymes of soil in different treatments

        結(jié)果表明,生物炭與肥料配施顯著影響了土壤氮素轉(zhuǎn)化過程中的酶活性,且不同原料生物炭處理之間存在顯著性差異(P<0.05),同時(shí)施加生物炭還刺激了碳循環(huán)相關(guān)的酶活性,促進(jìn)了土壤碳素循環(huán)。

        對(duì)土壤氮素礦化速率和硝化速率與各指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(圖5),結(jié)果表明,土壤氮素礦化速率(Rm)不僅與土壤pH 和礦態(tài)氮含量密切相關(guān),而且受到土壤NAG 和HAO 活性的影響,土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、速效磷及速效鉀含量均與硝化速率(Rn)呈正相關(guān)關(guān)系,NH4+-N 是硝化作用的底物,與pH 呈顯著負(fù)相關(guān),因此,土壤pH 能夠間接影響硝化作用。此外,AMO、HAO 和NXR 是硝化作用過程中3 種關(guān)鍵酶,其活性與土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、速效鉀含量有關(guān)。因此,施加生物炭能夠通過影響土壤理化性質(zhì)進(jìn)而對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響。

        圖5 土壤氮素礦化速率和硝化速率與各指標(biāo)間的相關(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis between soil nitrogen mineralization rate,nitrification rate and various indexes

        3 討 論

        3.1 不同生物炭影響土壤理化性質(zhì)的差異性分析

        已有研究表明,長期施用大量化學(xué)肥料能導(dǎo)致土壤酸化、pH 值降低[18]。本研究中,施加化學(xué)肥料后使土壤pH 顯著降低,這是由于施肥促進(jìn)了土壤硝化作用的進(jìn)行,從而向土壤釋放更多的H+,加劇了土壤酸化。生物炭表面含有的堿性官能團(tuán)決定了其本身較高的pH 值,因此生物炭具有提高酸性土壤pH 的能力[19],且生物炭改良土壤pH 的能力與本身碳酸鹽和有機(jī)酸含量有關(guān)[20]。水稻秸稈生物炭和木屑生物炭與肥料配施緩解了施用化學(xué)肥料造成的土壤酸化,而施用水稻殼生物炭對(duì)土壤pH 影響較小(表2)。這可能是因?yàn)樗窘斩捝锾亢湍拘忌锾烤哂懈嗟膲A性官能團(tuán)和較大的孔隙度,從而吸附了更多的H+。前人研究表明原材料是影響生物炭性質(zhì)的主要因素之一[21],不同原料制備的生物炭在理化性質(zhì)、表面結(jié)構(gòu)等方面的特性是導(dǎo)致土壤pH具有顯著性差異的主要原因。

        添加生物炭能夠明顯提高土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、速效磷及速效鉀含量(表2),這是由于生物炭含有較高的碳含量、礦質(zhì)元素和有機(jī)官能團(tuán)[22]。3種原料生物炭對(duì)于土壤理化性質(zhì)的影響存在顯著差異,這可能與供試生物炭的自身特性有關(guān),水稻秸稈生物炭的pH和礦質(zhì)元素含量遠(yuǎn)高于水稻殼生物炭和木質(zhì)生物炭(表1),這能夠更大刺激土壤養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)的微生物和酶活性[23]。土壤中的酶具有催化和驅(qū)動(dòng)土壤養(yǎng)分循環(huán)的功能[24],本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),3 種生物炭與肥料配施在一定程度上均刺激了土壤碳循環(huán)相關(guān)的β-G 和CBH 活性,促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的分解,為微生物活動(dòng)提供了底物,有利于提高土壤微生物活性[25]。

        3.2 不同生物炭影響土壤氮素轉(zhuǎn)化的差異性分析

        施用化學(xué)氮肥通常會(huì)因“激發(fā)效應(yīng)”使土壤氮素礦化量增加[26]。本試驗(yàn)中,單施化學(xué)肥料顯著提高了土壤中的礦質(zhì)態(tài)氮含量和氮素凈礦化速率,這可能會(huì)導(dǎo)致土壤氮素?fù)p失的增加。Li 等[27]的研究表明,向土壤中添加有機(jī)物料能夠?qū)ν寥赖剞D(zhuǎn)化產(chǎn)生影響。本研究中,3 種生物炭處理的礦質(zhì)氮積累量和凈礦化速率相對(duì)于單施肥處理顯著降低(圖2,3)。這可能與生物炭能夠顯著提高土壤C/N 比有關(guān),當(dāng)土壤C/N 比大于25∶1 時(shí),可能會(huì)造成微生物缺乏氮素,土壤礦質(zhì)氮的生物固持作用大于礦化作用[20]。在Luo 等[28]的研究中也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果,添加蘆葦秸稈顯著提高了土壤C/N 比并抑制了土壤氮礦化。生物炭能夠刺激土壤微生物的活性和數(shù)量,這可能會(huì)增加微生物對(duì)無機(jī)氮的生物固持[29],從而減少礦質(zhì)氮的積累。也有研究認(rèn)為生物炭的添加為土壤微生物提供了不穩(wěn)定碳源,進(jìn)而在短期內(nèi)出現(xiàn)土壤氮素固定的現(xiàn)象[30]。此外,多孔性的生物炭能夠吸附大量多酚化合物,土壤微生物可將其作為碳源,并增加對(duì)氮素的需求[31]。相關(guān)性分析表明(圖5),氮素礦化速率與無機(jī)氮含量和NAG 活性呈顯著正相關(guān)。NAG 是與氮素礦化有關(guān)的酶,能夠降解土壤中的幾丁質(zhì)釋放氨基葡萄糖。添加不同生物炭后均顯著降低了NAG 活性,從而抑制了土壤氮素的礦化作用(圖6)。另一方面,生物炭對(duì)NH4+具有吸附能力,不同原料制成的生物炭所表現(xiàn)出的吸附作用存在差異[32],從而導(dǎo)致不同生物炭處理礦質(zhì)氮含量具有顯著差異。

        圖6 不同原料生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)和氮素轉(zhuǎn)化的作用機(jī)制Fig.6 Effects of biochar from different feedstocks on soil physic-chemical properties and nitrogen transformation

        目前關(guān)于生物炭對(duì)土壤硝化作用影響的結(jié)論并不統(tǒng)一。在低pH 的土壤中硝化作用較為敏感,土壤pH 的升高有利于硝化作用的進(jìn)行[33]。本研究結(jié)果顯示,土壤pH 與銨態(tài)氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖5),因此,施用生物炭能夠通過提高酸性土壤pH,促進(jìn)土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。施用生物炭也可以通過提高土壤氨氧化菌(AOA、AOB)的豐度,來促進(jìn)土壤硝化作用[34]。β-G和CBH 是與土壤有機(jī)碳分解相關(guān)的酶,B1、B3處理β-G 和CBH 活性顯著提高,這可能會(huì)為硝化微生物提供更多的不穩(wěn)定碳源,從而促進(jìn)了硝化作用。Dempster 等[35]發(fā)現(xiàn),生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的改變能夠影響硝化微生物的活性。本研究中土壤的硝化速率與有機(jī)質(zhì)、總氮、速效磷以及速效鉀含量有關(guān)(圖5),所以不同生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響導(dǎo)致了硝化速率具有顯著性差異。同時(shí),添加不同原料生物炭對(duì)氨氧化過程關(guān)鍵酶具有顯著影響(圖4),進(jìn)而影響土壤硝化作用,但3 種硝化酶均與平均凈硝化速率無顯著相關(guān)性。因此,本研究中土壤pH 及養(yǎng)分含量是影響硝化作用進(jìn)行的主要因素(圖6)。此外,反硝化作用是氮素?fù)p失的重要途徑,施加生物炭能夠?qū)Ψ聪趸饔卯a(chǎn)生影響[36]。水稻秸稈生物炭和木屑生物炭也可能是通過抑制反硝化作用的進(jìn)行來提高土壤硝態(tài)氮含量,從而提高了硝化速率。

        總之,生物炭與肥料配施改變了酸性紅壤pH、養(yǎng)分含量、酶活性等理化性質(zhì),從而影響了土壤中氮素的礦化作用和硝化作用,并且不同生物炭處理之間存在顯著差異。同一條件下,施用水稻秸稈生物炭對(duì)紅壤的改良效果高于木屑生物炭和稻殼生物炭;3 種生物炭均抑制了氮素的礦化作用,但對(duì)硝化作用的影響不一致,水稻秸稈炭和木屑炭能固持土壤硝態(tài)氮并提高硝化速率,而稻殼生物炭抑制了土壤硝化作用。土壤中氮素的轉(zhuǎn)化與土壤理化性質(zhì)息息相關(guān),適合的生物炭與肥料配施有利于土壤氮素的固持,減少氮素的損失。

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