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  农业环境科学学报  2021, Vol. 40 Issue (6): 1326-1336  DOI: 10.11654/jaes.2020-1414
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引用本文  

廖霞, 刘德燕, 陈增明, 等. 田间老化生物质炭对潮土氨挥发的影响[J]. 农业环境科学学报, 2021, 40(6): 1326-1336.
LIAO Xia, LIU De-yan, CHEN Zeng-ming, et al. Effects of field-aged biochar on NH3 emissions under wheat-maize rotation[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2021, 40(6): 1326-1336.

基金项目

国家重点研发计划项目(2016YFD0200309);国家自然科学基金重点项目(41730753)

Project supported

National Key R&D Program of China(2016YFD0200309);The National Natural Science Foundation of China(41730753)

通信作者

丁维新, E-mail: wxding@issas.ac.cn

作者简介

廖霞(1991-), 女, 江西吉安人, 博士研究生, 主要从事土壤碳氮转化及其环境效应研究。E-mail: xliao@issas.ac.cn

文章历史

收稿日期: 2020-12-09
录用日期: 2021-02-08
田间老化生物质炭对潮土氨挥发的影响
廖霞1,2 , 刘德燕1 , 陈增明1 , 何铁虎1 , 牛玉慧1 , 丁维新1     
1. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室, 中国科学院南京土壤研究所, 南京 210008;
2. 中国科学院大学, 北京 100049
摘要:为了揭示不同用量生物质炭田间老化后对土壤氨挥发的影响,采用密闭通气法监测了小麦-玉米轮作下土壤氨挥发损失。试验设5个处理:不施肥(Control)、常规施氮(CN)以及常规施氮加3、6、12 t·hm-2生物质炭(NB3、NB6、NB12)。结果表明:6 t·hm-2和12 t·hm-2生物质炭施用3 a后降低了小麦产量,但对玉米产量无影响;生物质炭显著降低了小麦籽粒氮吸收量,但3 t·hm-2和6 t·hm-2生物质炭增加了玉米籽粒氮吸收量。田间老化生物质炭显著降低了小麦季NH3挥发,相反增加了玉米季NH3挥发,但是6 t·hm-2和12 t·hm-2生物质炭显著降低了年度NH3挥发累积量。6 t·hm-2生物质炭田间老化3 a后显著降低了单位小麦产量NH3排放量,对单位玉米产量NH3排放量无显著影响,总体降低了年度单位产量NH3排放量。研究表明,田间老化3 a后,6 t·hm-2和12 t·hm-2生物质炭处理显著降低了年度NH3挥发量。
关键词生物质炭    NH3排放    潮土    玉米    小麦    轮作    密闭通气法    
Effects of field-aged biochar on NH3 emissions under wheat-maize rotation
LIAO Xia1,2 , LIU De-yan1 , CHEN Zeng-ming1 , HE Tie-hu1 , NIU Yu-hui1 , DING Wei-xin1     
1. State Key Laboratory of Soil Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Using a continuous air-flow enclosure method, soil NH3 volatilization under wheat-maize rotation was monitored to explore the effect of different doses of field-aged biochar on NH3 volatilization. The field experiment included five treatments: no fertilization(Control); conventional N application(CN); conventional N fertilizer and 3 t·hm-2(NB3), 6 t·hm-2(NB6), and 12 t·hm-2(NB12)biochar. Biochar application after three years reduced wheat yield but had no apparent effect on maize yield. Additionally, biochar reduced the grain N uptake by wheat, while the NB3 and NB6 treatments increased the N uptake. In the fourth year after application, biochar reduced the cumulative NH3 emissions and NH3 emission factor of the applied N during the wheat season but increased these values during the maize season. The NB6 and NB12 treatments reduced the annual NH3 emissions. The NB6 treatment did not affect the yield-scaled NH3 emissions in the maize season but reduced the yield-scaled NH3 emissions in the wheat season, thereby reducing annual yield-scaled NH3 emissions.
Keywords: biochar    NH3 volatilization    fluvo-aquic soil    maize    wheat    rotation    air-flow enclosure method    

氨(NH3)挥发是农田氮肥损失的重要途径之一,全球氮肥诱导的NH3挥发量(以N计)已经从1961年的1.9 Tg·a-1增加到2010年的16.7 Tg·a-1[1],其中,中国肥料来源的NH3排放量为10.7 Tg·a-1[2]。以冬小麦-夏玉米一年两熟为主的华北平原,小麦季和玉米季平均氮肥投入量分别为325 kg·hm-2和263 kg·hm-2,然而,高氮肥投入没有获得产量的持续增加,反而造成氮肥利用率降低,大量氮肥以NH3挥发、淋溶等方式损失[3]。由于华北平原地区土壤呈碱性,极易引起氮肥的NH3挥发损失,Ju等[3]初步估算该地区小麦季和玉米季肥料氮的NH3挥发损失率分别为19.4% 和24.7%。NH3是大气细颗粒物(PM2.5)的重要组成成分[4],对雾霾的形成起着关键作用,如何科学合理地控制农田NH3挥发,提高氮肥利用率和作物产量,削减其对环境的污染已成为农业生产中亟待解决的问题。

生物质炭因具有多孔性、大比表面积等特点而能有效提高土壤肥力,增加水分和养分固持,提高氮肥利用率[5-7],因此被用于降低农田NH3挥发、提高作物产量和氮肥利用率[8-10]。研究表明,木质生物质炭能促进NH3的吸收和固定,降低NH3排放[8-9]。Song等[11]对滨海盐碱土的研究发现,生物质炭影响NH3的氧化和硝化作用,但是对NH3挥发的影响不明显。Wei等[12]在华北平原的研究表明,生物质炭提高了土壤pH,在小麦季和玉米季分别增加NH3挥发量31% 和26%。Pan等[13]认为,土壤NH4+有效性和pH是影响土壤NH3挥发的主要因素,随着土壤碱度的增加,NH4+将向NH3平衡移动。生物质炭因自身的碱性能增加土壤pH,导致NH3挥发量增加[14];同时,生物质炭表面的含氧官能团能吸附NH4+,降低NH4+有效性,从而也可以减少NH3挥发[8-9]。所以生物质炭对NH3挥发的影响效果取决于其对土壤pH和NH4+的双重影响。

随着生物质炭与土壤相互作用时间的增长,羧基、酚类和羰基等官能团逐渐在其表面形成,增加表面电荷密度和阳离子交换容量,提高土壤阳离子保留和吸附的能力[15-16],从而影响土壤NH3挥发。然而,目前生物质炭影响NH3挥发的研究主要集中在施用当季,较少关注生物质炭施用多年后的影响效应。本研究采用连续密闭室通气法,测定了不同用量生物质炭施用3 a后对小麦-玉米轮作农田NH3挥发的影响,旨在评估生物质炭的后效,为田间生物质炭的施用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验区概况与试验设计

田间原位试验位于河南省封丘县的中国科学院封丘农业生态实验站(35°00′ N,114°24′ E),该地区是华北平原的典型区域,以冬小麦-夏玉米轮作为主要种植制度。该地区为典型的半干旱半湿润季风气候,近30 a平均降雨量为615 mm,集中在6—9月;年平均温度为13.9 ℃,每年1—2月温度最低,7—9月温度最高。土壤为发育于黄河冲积物的典型潮土,属于钙质砂壤土,土壤pH为8.41,容重为1.41 g·cm-3,有机碳和全氮含量分别为7.41 g·kg-1和0.85 g·kg-1

田间试验始于2014年6月9日,包括5个处理:不施肥(Control);常规施氮(CN);常规施氮+3 t·hm-2生物质炭(NB3);常规施氮+6 t·hm-2生物质炭(NB6);常规施氮+12 t·hm-2生物质炭(NB12)。小区面积为3 mx6 m,每个处理设置3个重复,采用完全随机区组排列。在施氮处理中,尿素分为基肥和追肥两次施入,用量为每季200 kg·hm-2,小麦季基肥/追肥比为3∶2,玉米季则为2∶3。磷肥和钾肥作为基肥一次性施入,用量为过磷酸钙120 kg P2O5·hm-2,硫酸钾120 kg K2O·hm-2。生物质炭购自河南商丘三利新能源公司,为玉米秸秆在450 ℃热裂解炭化,pH为10.02,有机碳450 g·kg-1,全氮14.8 g·kg-1,灰分38.3%。在播种前,生物质炭与基肥一并均匀撒施于土壤表面,立刻翻耕将肥料带入0~20 cm的耕层土壤,充分混匀。追肥时,尿素撒施于土壤表面,并立即灌水,将肥料带入耕层土壤。生物质炭只在2014年6月施用一次,生物质炭处理中氮、磷、钾肥施用方法与常规施肥处理相同,所有小区田间管理措施保持一致。

小麦季基肥和追肥时间分别为2016年10月10日和2017年3月13日,玉米季则分别为2017年6月12日和7月28日。小麦品种为矮抗58,于2016年10月10日播种,2017年6月8日收获,行距为25 cm;玉米品种为郑单958,于2017年6月12日播种,2017年9月23日收获,行距和株距分别为70 cm和25 cm。成熟小麦和玉米收获后,收集每个小区的籽粒和秸秆称质量,并采集样品于60 ℃烘干至恒质量,计算作物产量和地上部生物量。

1.2 NH3排放通量测定

田间NH3挥发通量采用连续密闭室通气法测定,每日上午8:00—10:00和下午14:00—16:00分别采集两次。所用密闭室装置为直径15 cm、高20 cm,底部开放的PVC材质不透明圆柱体,底部插入土壤12 cm,顶部分别留有两个通气孔,直径25 mm的通气孔与高2 m的波纹管连通以保证交换空气NH3浓度一致,另一个直径12 mm的通气孔与装有硼酸吸收液的洗气瓶连接,洗气瓶的另一端与真空抽气泵相连(图 1)。装置的各衔接处均进行密封处理和检验。在真空抽气泵的动力下,密闭室土壤挥发的气态NH3随空气流动,进入到末端洗气瓶中被60 mL含有混合指示剂的2% 硼酸溶液充分吸收,换气频率为15~20次·min-1,抽气结束后的吸收液用0.01 mol·L-1标准H2SO4进行滴定。每次抽气结束后打开密闭室并移出试验小区,防止因密闭室内外环境差异影响试验结果。NH3挥发测定从施肥后第1 d开始,每日监测,直至施氮处理NH3挥发通量与Control处理相同时停止测定。每次采集气体样品的同时记录田间气温、土壤温度和含水量,并采集土壤样品测定相关指标。

图 1 连续密闭室通气法示意图[17] Figure 1 Schematic view of the continuous air-flow enclosure method
1.3 土壤样品的采集与分析

NH3挥发测定的同时,用直径5 cm的土钻在每个小区内随机选取5个样点采集表层(0~20 cm)土壤样品,充分混匀形成混合样,用于测定土壤NH4+-N和NO3--N含量。称取10 g(烘干质量计)过4 mm筛的鲜土,用2 mol·L-1 KCl提取(土水比为1∶5),恒温振荡1 h(25 ℃),过滤,用流动分析仪(San++ System,Skalar Analytical BV,Breda,Netherlands)通过比色法测定土壤NH4+-N和NO3--N含量。小麦和玉米收获后,采集土壤样品测定土壤容重(环刀法)和pH(水土比为2.5∶1),并用凯氏定氮法测定植物氮含量。籽粒氮吸收量(kg·hm-2)为籽粒干质量与氮含量的乘积,地上部氮素吸收量(kg·hm-2)为籽粒和秸秆氮吸收量之和。气温和降雨量由试验站内气象站自动监测。NH3挥发测定的同时,用水银地温计测定5、10、15 cm深度土壤温度;用时域反射仪(TDR)测定土壤体积含水量(θv,%),并由公式(1)换算成土壤孔隙含水量(WFPS,%):

(1)

式中:BD为土壤容重,g·cm-3;2.65为土壤颗粒密度,g·cm-3

1.4 NH3排放通量计算

NH3排放速率(F,kg·hm-2·d-1,以N计,下同)用公式(2)计算:

(2)

式中:C为标准硫酸浓度,mol·L-1VV0分别为样品和空白滴定消耗的体积,mL;r是密闭室半径,m;t为每日测定NH3挥发的时间,h。NH3累积排放量为连续测定日NH3排放量的总和。

肥料氮诱导的NH3排放系数(EF,%)计算公式为:

(3)

式中:EfEc分别为施肥和不施肥处理NH3累积排放量,kg·hm-2Napplied为施肥处理中氮肥施用量,200 kg·hm-2。单位产量NH3排放量(g·kg-1)为NH3累积排放量与产量的比值。

处理间NH3排放量、NH3排放系数、单位产量NH3排放量以及土壤无机氮含量、水分含量差异等用单因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD(P < 0.05)进行检验,NH3排放速率与环境因子的相关性及显著水平用Pearson相关分析判定。试验数据用SPSS软件包(Version 19.0,SPSS Inc.)进行处理分析,用Origin Pro 8.5(OriginLab,USA)软件作图。

2 结果与分析 2.1 小麦和玉米产量及氮吸收量

小麦籽粒产量由CN处理的8 519 kg·hm-2降至NB处理的7 307~7 792 kg·hm-2,NB6和NB12降幅分别为13.2% 和14.2%;施肥处理中玉米籽粒产量为10 191~11 896 kg·hm-2,处理间无显著差异(图 2a)。小麦籽粒氮吸收量由CN处理的220.67 kg·hm-2下降至NB处理的180.19~187.65 kg·hm-2,降幅为15.0%~ 18.3%,而玉米籽粒氮吸收量则由CN处理的143.68 kg·hm-2增加到NB处理的153.39~163.95 kg·hm-2,NB3和NB6处理分别增加了12.9% 和14.1%(图 2b)。同样,小麦地上部分氮吸收量由CN处理的252.89 kg·hm-2降低到NB处理的208.06~220.93 kg·hm-2,降幅为12.6%~17.7%;施肥处理玉米地上部分氮吸收量为227.43~243.55 kg·hm-2,处理间无显著差异(图 2c)。

图 2 作物产量和氮吸收量 Figure 2 The yield and N uptake of wheat and maize
2.2 NH3挥发量 2.2.1 NH3挥发速率动态变化

小麦和玉米季各处理NH3挥发速率季节性变化规律基本一致,NH3排放峰出现在施肥后,且1~4 d内降至背景值(图 3)。小麦季基肥和追肥NH3排放速率变化范围分别为0.15~6.26 kg·hm-2·d-1和0.23~0.54 kg·hm-2·d-1;在基肥施用后前3 d,NB处理的NH3排放速率显著低于CN处理,而追肥后NH3挥发速率很低,且各施肥处理间无显著差异。玉米季基肥和追肥施用后NH3排放速率分别为0.25~1.72 kg·hm-2·d-1和0.28~22.43 kg·hm-2·d-1;NB处理基肥施用后第1 d的NH3排放速率低于CN处理,而在追肥施用后前2 d,NB处理的NH3排放速率高于CN处理。

图 3 小麦季和玉米季肥料氮NH3挥发速率的动态变化 Figure 3 Seasonal variation in NH3 fluxes during the wheat and maize season
2.2.2 NH3累积排放量

小麦季基肥期CN处理的NH3累积排放量为19.39 kg·hm-2,NB处理显著降低NH3累积排放量17.8%~60.1%;追肥期各处理NH3累积排放量为1.37~ 1.78 kg·hm-2,处理间无显著差异(表 1)。整个小麦季,NH3累积排放量由CN处理的21.05 kg·hm-2降至NB处理的9.52~17.36 kg·hm-2,降幅为17.5%~54.8%;相反,玉米季NH3累积排放量由CN处理的24.71 kg·hm-2增至NB处理的26.24~29.75 kg·hm-2,增幅为6.2%~20.4%。玉米季基肥期CN处理NH3累积排放量为3.51 kg·hm-2,NB6和NB12处理分别降低了25.2% 和31.1%;追肥期CN处理NH3累积排放量为21.20 kg·hm-2,NB处理则显著增加NH3累积排放量11.4%~28.9%。Control、CN、NB3、NB6和NB12处理年度NH3累积排放量分别为4.99、45.76、45.76、39.37、39.28 kg·hm-2,NB6和NB12处理较CN处理分别显著降低14.0%和14.2%。

表 1 小麦季和玉米季肥料氮NH3累积排放量和排放系数 Table 1 Cumulative NH3 emission and the proportion of NH3 emission to N fertilizer during the wheat-maize growing seasons
2.2.3 单位产量NH3排放量

小麦季CN处理单位产量NH3排放量为2.48 g·kg-1,NB6和NB12处理排放量显著降低了27.5% 和47.9%。玉米季CN处理单位产量NH3排放量为2.29 g·kg-1,与其相比,NB3和NB12处理显著增加了22.4%和19.9%。Control处理年度单位产量NH3排放量为0.55 g·kg-1,施肥处理则为2.10~2.55 g·kg-1,NB6处理较CN处理显著降低11.3%。

2.2.4 NH3排放系数

小麦季NH3排放系数由CN处理的9.5% 降至NB处理的3.7%~7.6%,玉米季NH3排放系数则由CN处理的10.9% 增至NB处理的11.7%~13.3%。但是年度NH3排放系数由CN和NB3处理的10.2% 降至NB6和NB12处理的8.6%。

2.3 土壤理化性质和气候因素对NH3挥发的影响 2.3.1 土壤温度和水分含量

NH3挥发测定期间,小麦季基肥和追肥期10 cm处土壤平均温度分别为15.9 ℃和9.6 ℃,玉米季土壤温度显著高于小麦季,分别达到32.5 ℃和28.0 ℃(图 4a)。小麦季基肥和追肥期累积降雨量分别为32 mm和6 mm,土壤含水量平均值分别为44.1%~44.9%WFPS和58.5%~59.9%WFPS,处理间无显著差异。玉米季基肥和追肥期累积降雨量分别为13 mm和45 mm,土壤含水量平均值分别为48.0%~50.3%WFPS和58.5%~59.9% WFPS,处理间差异不显著(图 4)。小麦季追肥施用后(2017年3月13日)和玉米季基肥施用后(2017年6月13日)进行灌溉,灌水量大约为40 mm;玉米季追肥后第1 d和第3 d降雨量分别为0.6 mm和28.6 mm,不再进行灌溉。

图 4 降雨量、土壤温度和土壤孔隙含水量(WFPS)的动态变化 Figure 4 Variation of precipitation, soil temperature and soil water-filled pore space(WFPS)during the wheat-maize season
2.3.2 土壤NH4+-N和NO3--N含量

小麦季基肥施用后土壤NH4+-N含量变幅为2.09~156.37 mg·kg-1,峰值出现在施肥后第3 d,CN处理显著高于NB处理;NO3--N含量变化范围为8.69~ 198.20 mg·kg-1,未观察到明显的峰(图 5a图 5b)。受低温影响,追肥后土壤NH4+-N和NO3--N含量都很低,分别为1.16~43.57 mg·kg-1和0.68~9.93 mg·kg-1,且施肥后第1 d CN处理土壤NH4+-N含量显著低于NB处理。玉米季基肥期土壤NH4+-N含量变化范围为2.18~23.93 mg·kg-1,施肥1 d后土壤NH4+-N含量迅速降至背景值,且NB处理含量显著低于CN处理;追肥期土壤NH4+-N含量变幅为4.88~53.88 mg·kg-1,施肥后5 d内土壤NH4+-N含量缓慢降低至背景值(图 5c)。玉米季基肥和追肥期土壤NO3--N含量变化范围分别为4.05~51.28 mg·kg-1和0.48~83.45 mg·kg-1,未观察到明显的峰(图 5d)。

图 5 施肥后土壤NH4+-N和NO3--N含量的动态变化 Figure 5 Seasonal variation in the concentration of NH4+-N(a, c)and NO3--N(b, d)

在小麦季(表 2),CN处理基肥和追肥期土壤NH4+-N平均含量分别为30.96 mg·kg-1和4.62 mg·kg-1,NB处理显著增加追肥期土壤NH4+-N含量30.0%~59.1%;CN处理基肥和追肥期土壤NO3--N平均含量分别为111.28 mg·kg-1和3.94 mg·kg-1,NB3和NB12处理分别降低基肥期土壤NO3--N含量11.5% 和10.9%。在玉米季,CN处理基肥和追肥期土壤NH4+-N平均含量分别为6.03 mg·kg-1和13.45 mg·kg-1,NB处理显著降低了基肥期土壤NH4+-N含量14.8%~24.6%,而NB3和NB6处理则分别增加了追肥期土壤NH4+-N含量18.8% 和19.3%;玉米季CN处理基肥和追肥期土壤NO3--N平均含量分别为24.22 mg·kg-1和32.55 mg·kg-1,NB6处理增加基肥期土壤NO3--N含量20.7%,相反降低追肥期土壤NO3--N含量10.3%,而NB12处理只降低基肥期土壤NO3--N含量7.3%。生物质炭对小麦季和玉米季土壤pH无显著影响。

表 2 小麦季和玉米季施肥后土壤NH4+-N及NO3--N平均含量和土壤pH Table 2 Average concentration of soil NH4+-N and NO3--N during the wheat and maize seasons, and soil pH
2.3.3 NH3挥发速率的影响因子

小麦季施肥处理NH3挥发速率与10 cm和15 cm处土壤温度及土壤NH4+-N含量显著正相关,与土壤水分含量呈极显著负相关(表 3)。玉米季各处理NH3挥发速率与5、10、15 cm处土壤温度显著负相关,与土壤NH4+-N含量显著正相关。

表 3 NH3挥发速率与土壤温度、孔隙含水量(WFPS)、NH4+-N和NO3--N含量的相关性 Table 3 Correlations between NH3 flux and soil temperature, WFPS, soil NH4+-N and NO3--N concentration
3 讨论 3.1 土壤NH3挥发的影响因素

环境因子,如土壤温度、水分等,是NH3挥发的重要影响因素。温度升高既提高了土壤脲酶活性,加速尿素水解成NH4+,也增加了液相中NH3/NH4+的比率和扩散速率,促进土壤NH3向大气排放[18]。王珏等[19]研究发现,小麦季追肥期土壤持续低温降低了脲酶活性,抑制了尿素水解,从而减少NH3挥发,这可能是本研究中小麦季追肥期NH3挥发速率显著低于基肥期的原因之一。在本研究中,NH3挥发速率与土壤温度呈显著正相关,并且追肥后土壤NH4+-N和NO3--N平均含量显著低于基肥期,这进一步证实低温对脲酶活性的抑制。

Yan等[20]研究表明,NH3挥发对土壤水分的敏感性高于温度,土壤水分对NH3挥发的解释率达87.2%;在相同温度下,增加土壤水分含量降低了NH3挥发。降雨和灌溉将肥料带至底土层,有利于土壤或作物对NH4+的吸附/吸收[21],同时增加了NH3扩散到地表的阻力,这一影响效应在保水保肥能力差的砂壤土中尤为明显[22]。在本研究中,小麦季NH3挥发速率与土壤含水量呈显著负相关,说明灌溉也是追肥后NH3挥发速率低于基肥的重要原因。我们发现土壤温度和水分对NH3挥发速率的解释率分别为3.9% 和82.4%,表明灌溉或降雨对NH3挥发速率的影响更强。

施肥方式通过改变氮素在土壤中的分布影响NH3挥发。与表施相比,氮肥深施降低NH3排放量61.7%[23],主要是由于尿素深施有利于其水解产生的NH4+-N被土壤阳离子交换复合体吸附,增加土壤对NH4+的固定,同时通过吸附降低了脲酶的活性[24-25]。另外,氮肥撒施后灌水、翻耕或条施覆土均能进一步增加土壤对NH4+的固定,降低NH3挥发[26]。本研究中,施肥方式为基肥撒施后翻耕和追肥撒施后灌溉,两种方式均能有效降低氮肥的NH3挥发损失。然而,玉米季追肥时预报有强降雨,实际降水量较少且未立即灌水,导致NH3挥发量显著高于基肥。氮肥施用量也是NH3挥发的重要影响因素,当华北平原潮土施氮量超过150 kg·hm-2时,小麦季NH3挥发量会显著增加[27]。在本研究中小麦季常规施氮肥(以N计,下同)处理(200 kg·hm-2)NH3挥发的损失率为9.45%,高于倪康等[17]在同一地点、氮肥用量为150 kg·hm-2时的测定值(8.09%)。

Wang等[28]研究发现土壤pH越高,NH4+与OH-反应生成NH3的速率越快,因此碱性土壤较中性和酸性土壤更易诱发NH3挥发。也有研究表明,砂质土壤中氮肥的NH3排放系数为19%~36%,而黏性土壤中只有10%[24, 29],黏粒含量较高的土壤对NH4+的吸附能力较强,可更加有效地降低液相中NH4+的浓度,减少NH3挥发[30]。本研究土壤的pH为8.4、砂粒含量68%,属于较易诱发NH3挥发的土壤,急需建立有效阻控NH3挥发损失的技术和方法。

3.2 田间老化生物质炭对土壤NH3挥发的影响

生物质炭对旱地土壤NH3挥发的影响效应尚存在争议。与单施氮肥相比,22.5 t·hm-2新鲜生物质炭与82.5 kg·hm-2氮肥配施显著降低了冬小麦生育前期潮土NH3挥发14.9%,主要原因为生物质炭吸附了土壤中的NH4+和NH3[31];相反,每季添加新鲜生物质炭降低了土壤容重,增加潮土NH3挥发损失102%[32]。田间老化3 a后,20 t·hm-2生物质炭显著降低了小麦季NH3挥发36.6%,而40 t·hm-2生物质炭则增加NH3挥发20.3%,可能是因为高剂量生物质炭显著提高了土壤pH,而低用量生物质炭老化过程中逐渐削减了其对土壤pH的影响效应,相反却逐渐增强其对NH4+-N的吸附能力[33]。本研究中3~12 t·hm-2生物质炭田间老化3 a后分别降低小麦季和玉米季基肥期NH3挥发损失量17.5%~54.8% 和6.0%~31.1%,抑制作用随其用量增加而增强。同时,NH3挥发速率与土壤NH4+-N含量显著正相关,峰值期NB处理土壤NH4+-N含量显著低于CN处理也证实了生物质炭对NH4+-N的吸附,这种吸附作用随生物质炭用量的增加而增强。生物质炭田间老化后,其物理和化学性质均发生改变,一些含氧官能团例如羟基、酚羟基等将在其表面形成,增加表面负电荷和阳离子交换量,促进NH4+的吸附[15-16]。基肥施用后翻耕将肥料与生物质炭充分混匀,生物质炭能有效吸附尿素水解产生的NH4+,降低土壤NH4+-N含量,减缓NH4+向NH3的转化和NH3挥发损失。

然而,生物质炭对小麦季和玉米季追肥期NH3挥发的影响却不一致。生物质炭增加了小麦季追肥期土壤NH4+-N含量,但是不影响NH3挥发,可能是由于灌溉将撒施于土壤表面的尿素带入土壤中,有利于生物质炭吸附尿素水解产生的NH4+-N。另外,小麦季追肥期土壤温度较低,减缓了尿素水解成NH4+-N的进程,降低土壤NH3挥发,屏蔽了田间老化生物质炭对NH3挥发的抑制作用。相反,生物质炭显著增加了玉米季追肥期NH3挥发损失。Wei等[12]研究发现生物质炭通过提高土壤pH促进玉米季NH3挥发,Mandal等[8]也发现当土壤pH > 8时,生物质炭能进一步提高土壤pH,促进NH3挥发。虽然本研究中玉米季土壤pH从CN处理的8.06增至NB处理的8.12~8.15,但是施氮处理间差异不显著。因此,生物质炭导致的土壤pH微小增加可能不是NH3挥发增加的主要原因,更为可能的是:(1)追肥后尿素撒施在土壤表面,更高的土壤温度加速尿素水解,导致土壤NH3分压增加;(2)生物质炭在基肥期已经吸附了大量的NH4+,使其吸附能力降低[15];(3)玉米季追肥期NB处理中土壤NH4+-N含量显著高于CN处理(表 2),说明生物质炭释放的NH4+(包括基肥期吸附的NH4+)多于其吸附的量,可能是由于部分基肥期吸附或固定的氮重新释放到土壤,增加NH4+含量,而追肥期较高的土壤温度和湿度促进了该过程的进行[34]

Sha等[35]通过整合分析发现,生物质炭5~15 t·hm-2与尿素(< 200 kg·hm-2,以N计)联用能有效降低NH3挥发量,可能是由于生物质炭对无机氮的吸附作用[36-37]。本研究中,6 t·hm-2和12 t·hm-2生物质炭施用3 a后显著降低了小麦-玉米轮作系统年度NH3挥发量,而3 t·hm-2无显著效果,进一步证明了生物质炭的吸附作用对减少土壤NH3挥发损失的重要性。

4 结论

(1)施用3 a后,生物质炭降低小麦产量和籽粒氮吸收量;生物质炭对玉米产量无影响,但增加了其籽粒氮吸收量。

(2)田间老化3 a后,生物质炭降低小麦季和玉米季基肥期肥料氮诱导的NH3挥发量,对小麦季追肥期NH3挥发量无显著影响,但增加玉米季追肥期NH3挥发量。

(3)6 t·hm-2和12 t·hm-2生物质炭田间老化3 a后降低全年肥料氮诱导的NH3挥发量和单位产量NH3挥发量。

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