何帥，王國(guó)棟，張磊

生物炭和氮肥互作對(duì)鹽漬化土壤氨揮發(fā)的影響

何帥1,2，王國(guó)棟1,2，張磊3*

（1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院 農(nóng)田水利與土壤肥料研究所，新疆 石河子 832000；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北綠洲節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000；3.塔里木大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

【目的】探明生物炭和氮肥互作對(duì)鹽漬化土壤氨揮發(fā)的影響?！痉椒ā炕谑覂?nèi)土壤培養(yǎng)試驗(yàn)，研究了僅施用生物炭、僅施用氮肥、同時(shí)施用生物炭和氮肥對(duì)不同鹽漬化程度土壤的氨揮發(fā)速率與礦質(zhì)態(tài)氮量的影響?！窘Y(jié)果】添加生物炭可提升非鹽漬化和中度漬化土壤pH值，但對(duì)重度鹽漬化土壤pH值的影響不顯著。施氮條件下，添加生物炭對(duì)非鹽漬化土壤和中度鹽漬化土壤的氨揮發(fā)速率產(chǎn)生了明顯的抑制作用，氨揮發(fā)總量分別相比僅施氮處理降低了18.06%和50.88%，氨揮發(fā)速率分別降低了14.57%和43.68%?！窘Y(jié)論】添加生物炭可顯著降低非鹽漬化土壤與中度鹽漬化土壤的氨揮發(fā)損失。

生物炭；氮肥；鹽漬化土壤；氨揮發(fā)速率

0 引 言

【研究意義】土壤鹽漬化是土壤質(zhì)量退化的主要表現(xiàn)形式之一。新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)分布于山前平原和沙漠邊緣，鹽漬化耕地面積占總耕地面積的51.52%，土壤當(dāng)中的過量鹽分嚴(yán)重影響土壤物理、化學(xué)性質(zhì)，制約土壤微生物活性，影響土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化[1]。研究表明，新疆干旱區(qū)土壤氨揮發(fā)速率與土壤鹽漬化程度密切相關(guān)[2]。隨著土壤鹽漬化程度的提高，氨揮發(fā)速率與含鹽量呈極顯著正相關(guān)[3]，氨揮發(fā)已成為新疆農(nóng)田土壤氮肥損失的主要途徑。如何降低鹽漬化土壤氮素?fù)p失是亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

【研究進(jìn)展】生物炭是生物質(zhì)原料在無(wú)氧或限氧條件下經(jīng)高溫?zé)峤夂蟮漠a(chǎn)物，被廣泛用于改良農(nóng)田土壤[4]。研究表明，在鹽漬化土壤中添加生物炭可明顯改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)作物生長(zhǎng)[5]。施用生物炭可提高0～20 cm土層的土壤田間持水率，降低土壤體積質(zhì)量[6]。施用生物炭可抑制鹽漬化土壤氮素的硝化和礦化作用，同時(shí)可固定銨態(tài)氮，減少有機(jī)態(tài)氮的損失量[7]。連續(xù)施用生物炭可降低土壤氮素的釋放速率，提高氮肥利用率[8]。綜上所述，施用生物炭對(duì)鹽漬化土壤改良與氮肥高效利用具有顯著的促進(jìn)作用?！厩腥朦c(diǎn)】以生物炭為核心的秸稈炭還田是實(shí)現(xiàn)廢棄生物質(zhì)資源化利用的重要途徑，可改良鹽漬化土壤質(zhì)量，但針對(duì)生物炭和氮肥施用對(duì)不同鹽漬化程度土壤氨揮發(fā)速率與礦質(zhì)態(tài)氮量的影響較少。

【擬解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究基于室內(nèi)土壤培養(yǎng)試驗(yàn)，針對(duì)不同鹽漬化程度的土壤，通過設(shè)置不同的生物炭和氮肥施用處理，探明僅施用生物炭、僅施用氮肥、同時(shí)施用生物炭和氮肥對(duì)不同鹽漬化程度土壤的氨揮發(fā)速率與礦質(zhì)態(tài)氮量的影響，以期為降低鹽漬化土壤養(yǎng)分損失提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

室內(nèi)土壤培養(yǎng)試驗(yàn)在新疆阿拉爾市塔里木大學(xué)開展。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用氮肥為尿素（純N≥46%），生物炭為棉花秸稈在裂解爐限氧環(huán)境下（700～800 ℃）加工產(chǎn)出，產(chǎn)出率為35%；非鹽漬化和重度鹽漬化土壤采集于新疆農(nóng)墾科學(xué)院灌溉實(shí)驗(yàn)站，按照1∶4的比例混合制備中度鹽漬化土壤。供試土壤及生物炭性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤及生物炭性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

室內(nèi)土壤培養(yǎng)試驗(yàn)方案詳見表2。本研究考慮土壤鹽漬化程度、生物炭和氮肥3個(gè)因素，共設(shè)計(jì)9個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。土壤培養(yǎng)試驗(yàn)在棕色廣口瓶?jī)?nèi)（直徑9.5 cm，高13 cm）進(jìn)行，在每個(gè)廣口瓶?jī)?nèi)添加烘干土壤0.3 kg，并按照0.23 g/kg和25 g/kg的比例分別添加氮肥和生物炭。于試驗(yàn)前調(diào)節(jié)土壤體積含水率至35%，置于4 ℃冰箱密閉7 d以激活土壤微生物活性；然后按照試驗(yàn)方案在土壤中分別添加氮肥和生物炭，采用去離子水調(diào)節(jié)土壤含水率至40%后開始培養(yǎng)，分別于第1、第3、第9、第17、第27、第40天測(cè)定土壤氨揮發(fā)量，同時(shí)采集土壤樣品，采用鮮土樣測(cè)定土壤含水率、銨態(tài)氮量和硝態(tài)氮量；采用烘干土樣測(cè)定pH值和電導(dǎo)率。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及測(cè)試方法

采用密閉法測(cè)定土壤氨揮發(fā)量；采用上海雷磁PHSJ-4F型pH計(jì)和DDSJ-308H電導(dǎo)儀測(cè)定土壤pH值和；采用CleverChem 380全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀測(cè)定土壤銨態(tài)氮量和硝態(tài)氮量。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

采用WPS 2019和Origin 9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

表2 試驗(yàn)方案

2 結(jié)果與分析

2.1 添加生物炭和氮肥對(duì)不同鹽漬化程度土壤pH值和EC的影響

由表3可知，添加生物炭和氮肥對(duì)不同鹽漬化程度土壤pH值的影響顯著。相比初始土壤pH值，非鹽漬化土壤pH值平均增幅介于18.67%～19.35%之間；中度漬化土壤pH值平均增幅度介于2.85%～3.55%之間；重度鹽漬化土壤pH值呈輕微降低趨勢(shì)，平均降幅介于1.55%～3.45%之間。可見，在非鹽漬化和中度漬化土壤中添加生物炭和氮肥均可提高土壤pH值。

表3 添加生物炭和氮肥對(duì)不同鹽漬化程度土壤pH值的影響

注 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著（<0.05）。

由表4可知，與初始土壤相比，NU、MU和SU處理下的平均土壤分別增加了44.25%、8.96%和-30.56%；NBc、MBc處理和SBc處理下的平均土壤分別增加了21.06%、3.41%和-24.65%；NUBc、MUBc處理和SUBc處理下的平均土壤分別增加了69.15%、-30.15%和-7.833%。

表4 添加生物炭和氮肥對(duì)不同程度鹽漬化土壤EC的影響

注 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著（<0.05）。

2.2 添加生物炭和氮肥對(duì)不同程度鹽漬化土壤氨揮發(fā)量、氨揮發(fā)速率的影響

由表5可知，在非鹽漬化土壤條件下，與NU處理相比，NUBc處理下的土壤氨揮發(fā)量降低了18.07%；在中度鹽漬化土壤條件下，與MU處理相比，MUBc處理下的土壤氨揮發(fā)量降低了50.88%；在重度鹽漬化土壤條件下，與SU處理相比，SUBc處理下的土壤氨揮發(fā)量則提高了156.75%。在非鹽漬化土壤條件下，與NU處理相比，NUBc處理下的土壤平均氨揮發(fā)速率降低了14.57%；在中度鹽漬化土壤條件下，與MU處理相比，MUBc處理下的土壤平均氨揮發(fā)速率降低了43.68%；在重度鹽漬化土壤條件下，與SU處理相比，SUBc處理下的土壤平均氨揮發(fā)速率則提高了96.02%。

2.3 添加生物炭和氮肥對(duì)不同程度鹽漬化土壤礦質(zhì)態(tài)氮的影響

由表6可知，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，非鹽漬化和中度鹽漬化土壤NH4+-N量的變化規(guī)律基本一致，土壤NH4+-N量峰值均出現(xiàn)在試驗(yàn)后的第3天，NU、NUBc、MU處理和MUBc處理下土壤NH4+-N量的峰值分別為132.01、199.86、137.05 mg/kg和161.28 mg/kg；在試驗(yàn)后3～40 d，與試驗(yàn)初期（第1天）相比，NU、NUBc、MU處理和MUBc處理下的土壤NH4+-N量的平均降幅介于30.74%～47.30%之間，MUBc處理下的土壤NH4+-N量降低幅度最小，為30.74%；在重度鹽漬化土壤條件下，與試驗(yàn)初期相比，SU處理下的土壤NH4+-N量平均增加了122.71%，而SUBc處理下的土壤NH4+-N量則平均降低了50.94%。

表5 添加生物炭和氮肥對(duì)不同程度鹽漬化土壤氨揮發(fā)量和揮發(fā)速率的影響

注 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著（<0.05）。

表6 添加生物炭和氮肥對(duì)不同程度鹽漬化土壤銨態(tài)氮量的影響

注 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著（<0.05）。

由表7可知，添加生物炭和氮肥對(duì)不同鹽漬化程度土壤NO3--N量的影響顯著。在試驗(yàn)開始后第3～40 d，與試驗(yàn)初期（第1天）相比，NU、MU、SU處理下土壤NO3--N量的平均增加幅度介于54.41%～171.46%之間。其中，SU處理土壤NO3--N量的平均增加幅度最小，為54.41%；NUBc、MUBc處理和SUBc處理下土壤NO3--N量的平均增加幅度介于85.77%～161.40%之間，MUBc處理土壤NO3--N量的平均增加幅度最小，為85.77%。

表7 添加生物炭和氮肥對(duì)不同程度鹽漬化土壤硝態(tài)氮量的影響

注 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著（<0.05）。

3 討論

生物炭作為一種土壤改良產(chǎn)品，對(duì)土壤物理、化學(xué)性質(zhì)均具有一定影響[9]。施用生物炭可改善鹽漬化土壤的理化性質(zhì)，并促進(jìn)作物生長(zhǎng)[10]。秦蓓等[6]指出，生物炭在鹽漬化土壤中的施用量不宜過多，過量施用可能會(huì)增加中度鹽漬化土壤的含鹽量。本研究中，施用生物炭導(dǎo)致了非鹽漬化土壤和中度鹽漬化土壤的總鹽量升高，這可能是因?yàn)樯锾康奈阶饔靡鹜寥利}分量增加。另有研究表明，由于生物炭具備高比表面積和多孔結(jié)構(gòu)，因此會(huì)降低土壤體積質(zhì)量，改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促進(jìn)土壤鹽分離子的淋洗[11]。在非鹽漬化和中度漬化土壤中添加生物炭和氮肥可提高土壤pH值，這與以往研究結(jié)果一致[12-13]。由于生物炭本身含有Ca2+、K+、Mg2+等交換性陽(yáng)離子，施入土壤后會(huì)與土壤中的H+、Al3+等離子進(jìn)行交換，從而降低其濃度[14]，提高鹽基飽和度并調(diào)節(jié)土壤pH值[15]。施加生物炭可提高土壤養(yǎng)分量，降低氮素淋失量，這與生物炭強(qiáng)烈的吸附性能有關(guān)。同時(shí)，生物炭可增加耕層土壤持水性能[16]。

生物炭具有降低土壤呼吸速率的作用，可減少土壤二氧化碳釋放量[17]。土壤碳和氮是衡量土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)[18]，施用生物炭對(duì)土壤硝態(tài)氮量有顯著影響[19]。張軍等[20]指出應(yīng)當(dāng)關(guān)注生物炭的最佳施用量。生物炭可能會(huì)激發(fā)施入氮肥后土壤的硝化作用，從而促進(jìn)土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化[21]，與以往研究結(jié)論一致[22]。以往研究指出，施用生物炭可顯著提高土壤C/N比[23]，主要是因?yàn)樯锾烤哂袕?qiáng)大的表面吸附性能，對(duì)NH4+具有吸附作用[24]，另外生物炭表面存在帶有負(fù)電荷的官能團(tuán)，能吸附土壤中的NH4+，從而減少土壤中NH4+的損失[25]。生物炭本身具有較大的孔隙結(jié)構(gòu)，施入土壤后可降低土壤體積質(zhì)量，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤通氣性和氧氣量，減少厭氧細(xì)菌的數(shù)量，從而抑制反硝化作用[26]。施用生物炭后，土壤pH值的升高也會(huì)削弱礦化作用并增強(qiáng)硝化作用，從而使土壤中銨態(tài)氮量減少[27]。

4 結(jié)論

1）施用生物炭可提高非鹽漬化和中度漬化土壤的pH值。

2）施用生物炭可顯著降低非鹽漬化和中度鹽漬化土壤的氨揮發(fā)損失量。

3）生物炭可降低非鹽漬化和中度鹽漬化土壤NH4+-N量，增加NO3--N量。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在的利益沖突）

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The Effect of Interaction between Biochar and Nitrogen Fertilizer on Ammonia Volatilization in Salinized Soil

HE Shuai1,2, WANG Guodong1,2, ZHANG Lei3*

(1. Research Institute of Farmland Water Conservancy and Soil-fertilizer, Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation Sciences, Shihezi 832000, China; 2. Key Laboratory of Northwest Oasis Water-saving Agricultural of Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shihezi 832000, China; 3. College of Agriculture, Tarim University, Alaer 843300, China)

【Objective】Investigating the Interactive Effects of Biochar and Nitrogen Fertilizer on Ammonia Volatilization in Saline Soils.【Method】We investigated the effects of applying biochar, nitrogen fertilizer, and their combination on ammonia volatilization rates and mineral nitrogen content in soils with varying degrees of salinity through indoor soil incubation experiments.【Result】The addition of biochar led to pH enhancement in non-saline and moderately saline soils, while its effect on heavily saline soil pH was not statistically significant. Moreover, in the presence of nitrogen application, the inclusion of biochar significantly suppressed ammonia volatilization rates in non-saline and moderately saline soils, resulting in reductions of 18.06% and 50.88%, respectively, in total ammonia volatilization compared to the sole nitrogen application. The ammonia volatilization rates were also decreased by 14.57% and 43.68% in non-saline and moderately saline soils, respectively. These findings underscore the potential of biochar to ameliorate ammonia losses in non-saline and moderately saline soils when combined with nitrogen application. 【Conclusion】The addition of biochar has been shown to have a significant impact on reducing ammonia volatilization losses in both non-saline and moderately saline soils.

biochar; nitrogen fertilizer; salinized soil; the rate of ammonia volatilization

1672 - 3317（2023）09 - 0087 - 06

S156.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2023170

何帥, 王國(guó)棟, 張磊. 生物炭和氮肥互作對(duì)鹽漬化土壤氨揮發(fā)的影響[J].灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(9): 87-91, 144.

HE Shuai, WANG Guodong, ZHANG Lei. The Effect of Interaction between Biochar and Nitrogen Fertilizer on Ammonia Volatilization in Salinized Soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(9): 87-91, 144.

2023-04-19

2023-07-11

2023-09-18

兵團(tuán)財(cái)政科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2021AB009）；塔里木大學(xué)校長(zhǎng)基金項(xiàng)目（TDZKYB201901）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41561071）

何帥（1976-），男，山東文登人。副研究員，主要從事節(jié)水農(nóng)業(yè)與土壤改良研究。E-mail: xjshzhs@163.com

張磊（1982-），男，陜西三原人。副研究員，主要從事水肥一體化及鹽漬化土壤改良研究。E-mail: zhanglei3127@163.com

@《灌溉排水學(xué)報(bào)》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND協(xié)議

責(zé)任編輯：韓 洋