[2020.12.14 Vol. 82]长期蔬菜栽培条件下生物炭促进土壤中NH4+的转化并减少NO3−的产生和N2O的排放

Yu Xie, Cheng Yang, Erdeng Ma, Hao Tan, Tongbin Zhu, Christoph Müller

摘  要

   ¹⁵N示踪剂培养实验被用来研究生物炭对1年和10年蔬菜栽培下土壤总氮转化率和一氧化二氮（N₂O）排放的短期影响。生物炭的施用量包括：0（对照）、10和30 t ha^-1。两种蔬菜土壤中的总氮转化率随生物炭的施用而变化。具体而言，与对照相比，经过生物炭改良的两种土壤中，有机氮氧化成NO₃^-（O_Norg）几乎可以忽略不计；施用10 t ha^-1的生物炭不会改变有机氮矿化成NH₄ ⁺（M_Norg）的速率，也不会改变无机氮的供应能力。然而，30 t ha^-1生物炭通过抑制1年蔬菜土壤中的M_Norg显着降低无机氮补给（INS），但通过促进10年蔬菜土壤中的M_Norg而使无机氮补给增加。在一年的蔬菜土壤中，施用生物炭对NH₄⁺氧化为NO₃^-（O_NH4），NO₃^-固定为有机氮以及异化NO₃^-还原为NH₄ ⁺的速率没有显着影响。相反，生物炭通过抑制O_NH4和增加NH₄ ⁺固定在有机氮（INH4）中， 10年的蔬菜土壤中生物炭显着降低了NO₃^-的生产潜力，且在更高的生物炭施用量下效果更明显。总体而言，结果表明，在长期蔬菜栽培下，生物炭具有促进NH₄ ⁺转化和降低土壤中NO₃^-生成潜力的能力。然而，在短期蔬菜栽培下，其效果有限。此外，在经过生物炭改良的蔬菜土壤中，N₂O排放量显着降低。

材料和方法

研究地点位于安徽省和县郊区吴江村（北纬31°70′和北纬118°37′）。该地区属非典型的亚热带季风气候，年平均降水量为1100 mm，年平均气温为16°C。选择了两个正在种植1年（V1）和10年（V10）的温室蔬菜田。根据美国土壤分类系统（Soil Survey Staff，2010），两个菜地的土壤均归类为黏土，土壤的基本性质列于表1。生物炭是通过玉米秸秆在400°C下热解而产生的。在将其施用到土壤中之前，将其在60°C的烘箱中干燥至恒重，然后过筛。表1列出了土壤中总有机碳（TOC）和总氮（TN）的浓度以及pH值。对于每种蔬菜土壤，均进行了三种生物炭施用量处理（0、10和30 t ha^-1，分别记为C0，C1和C2）。每个处理三个重复，共6个处理，18个小区。

表1  研究土壤和生物炭的基本特性。

主要结果

1. 土壤特性

两种蔬菜种植的土壤性质差异很大（表1）。10年期蔬菜土壤中的TOC，TN和NO₃^-以及EC的浓度均高于1年期蔬菜土壤，而10年期蔬菜土壤的pH则显着降低。然而，在1年和10年的蔬菜土壤上，NH₄ ⁺浓度没有显着差异。生物炭的施用在两种土壤中均使TOC和TN浓度略有增加，尽管差异并不显着（表2）。与C0相比，在两种土壤中施用生物炭均可增加pH值，其中C2最多。施用生物炭不会改变1年期蔬菜土壤中的NO₃^-浓度，但会降低10年期蔬菜土壤中的NO₃^-浓度，在C2中比在C1中观察到更明显的缺陷。

表2不同施用量生物炭改良1年（V1）和10年（V10）蔬菜栽培下孵育120天后的土壤理化特性。

2.  总氮转化率

在10年的蔬菜土壤中，有机氮矿化成NH₄ ⁺（M_Norg），NH₄⁺氧化为NO₃^-（O_NH4）以及异化NO₃^-还原为NH₄⁺（DNRA）的速率明显高于1年的蔬菜土壤（图1和2）。在这两种土壤中，有机氮氧化成NO₃^-（氮肥，异氧硝化）和固定NO₃^-成有机氮（I_NO3）的速率几乎可以忽略不计。在10年和1年蔬菜土壤之间，关于NH₄ ⁺固定到有机氮（I_NH4）的速率，吸附的NH₄⁺（R_NH4ads）释放以及NH₄⁺在阳离子交换位点（A_NH4）的吸附之间的差异不显著。

在一年的蔬菜土壤中，生物炭的施用不会改变R_NH4ads，O_Norg，O_NH4，DNRA和I_NO3的比率，尽管对M_Norg，I_NO3和A_NH4的影响很大（图1）。随着生物炭施用量的增加，M_Norg和I_NO3的比例逐渐受到抑制，但A_NH4的比例却显着提高。与C0（不施用生物炭）相比，C2处理（30 t ha^-1）显着降低了M_Norg和I_NH4（分别降低了30.9％和82％），但增加了A_NH4（提高了149％）。随后，生物炭的施用通过降低M_Norg降低了INS，但并未改变净NO₃^-的生产潜力（图3）。

在10年的蔬菜土壤中，生物炭施用量不会改变R_NH4ads，A_NH4，O_Norg，DNRA和I_NO3的比例，但会显着提高M_Norg和I_NH4的比例，较高的生物炭施用量具有更强的作用（图2）。与C0相比，C2处理显着增加M_Norg和I_NH4（分别增加51.5％和194％），同时显着降低O_NH4率（在C1和C2处理中分别增加21.4％和15.2％）。由于M_Norg的增加和O_NH4的减少，生物炭的施用增加了INS，但降低了NO₃^-的净生产潜力，其中C2处理的变化最大（图3）。

图1 根据15N示踪剂模型（Müller等，2007）估算的一年蔬菜种植（V1）和不同生物炭施用量（C0，C1和C2）改良下土壤中的总氮平均转化率。

图2 根据15N示踪剂模型（Müller等，2007）估算的10年蔬菜种植和不同生物炭施用量（C0，C1和C2）改良下土壤中的总氮平均转化率。

图3 1年（V1）和10年（V10）蔬菜栽培下和不同生物炭施用率（分别为C0，C1和C2）改良下土壤的无机氮生产能力（ISN）（a）和净NO₃^-生产率（b）。

3. N₂O的排放

在没有生物炭改良的情况下，10年蔬菜土壤中的累积N₂O排放量比1年蔬菜土壤中的高2.25倍（图4a），而生物炭施用显着降低了两种土壤中的累积N₂O排放量，尤其是在最高生物炭施用量下。与C0处理相比，在10 t ha^-1和30 t ha^-1施用生物炭可显着降低累积N₂O排放，在1年蔬菜土壤中分别降低35.1％和64.3％，而在1年蔬菜土壤中分别降低33.0％和52.2％。分别为10年的菜地。此外，累积的N₂O排放量与O_NH4率呈正相关（图4b）。

图4 1年（V1）和10年（V10）蔬菜种植条件下和不同生物炭施用率（分别为C0，C1和C2）改良下土壤的N₂O累积排放量（a）和O_NH4速率与累积N₂O排放量之间的关系（b）。

 结 论

生物炭对不同时期蔬菜栽培的两种土壤氮素转化率的影响不同。在10年的蔬菜土壤中，生物炭的施用增加了矿化作用和微生物NH₄ ⁺的固定率，但自养硝化率降低，特别是在最高生物炭施用率下。结果表明，生物炭可以促进长期蔬菜栽培下土壤NH₄⁺的转化并减少土壤NO₃^-的产生。然而，在一年的蔬菜土壤中，生物炭的施用增加了土壤NH₄ ⁺的吸附率，但降低了土壤矿化和微生物对NH₄ ⁺的固化率。在最高的生物炭施用量下，还观察到了更多明显的效果。我们关于土壤氮循环的研究结果表明，在长期蔬菜栽培下，生物炭对土壤NH₄⁺转化和NO₃^-截留具有积极作用，而在短期蔬菜栽培下，这种作用有限。然而，在两种土壤中，生物炭的施用均显着降低了N₂O排放。需要进一步研究长期施用生物炭对无机氮素的影响，以及在蔬菜难以种植的土壤中的环境效应。

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