添加生物炭对农田土壤氮素保留和生物利用度的影响外文翻译资料

 2022-11-20 17:19:32

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添加生物炭对农田土壤氮素保留和生物利用度的影响

摘要:近年来国内学者对利用生物炭提高土壤生产力越来越感兴趣。于是使用浸出和盆栽实验研究了在生物炭影响下NH4 -N和NO3--N施肥的土壤中的氮（N）损失，保留和生物利用度。添加生物炭导致用NH3 -N和NO3–- N施肥的土壤中NO3- -N的浸出量显着降低。用NO3–-N施肥的土壤中NH3 -N的浸出量显著降低，用NH3 -N施肥的土壤中NH3 -N的浸出量无明显变化。随着玉米的生长，从用NO3–N施肥的土壤中浸出的NH4 -N和NO3--N也会降低。生物炭添加后N浸出损失的缓解主要是由于土壤持水量（WHC）的增加，NH4 的吸附和N的固定增强。生物炭的添加会刺激玉米的生长，无论在地上还是地下。生物炭还提高了氮肥中N利用效率（NUE），但是降低了氮积累效率（NAE），表明生物炭添加可能提高农业土壤中的N生物利用度。因此，减少N浸出，提高农田土壤N残留量和生物利用度，有可能降低N肥对作物生长的需求。

关键词：生物炭； 氮（N）； 浸出 ； 生物利用度；

1.介绍

氮（N）是植物生长的必需元素，也是农业对土壤的重要投入。 为了最大限度地提高粮食产量，特别是发展中国家的农民经常比最大作物生长施用更多的氮肥。中国是世界上最大的氮肥生产国和消费国。2010年，年氮肥生产和消费量分别为45.21和40.86万吨（纯N），约占世界总产量和消费量的三分之一。在过去的三十年来，尽管氮肥对中国作物产量的提高有显着的促进作用，但由于氮肥过度利用和效率低下，土壤氮素损失越来越严重。中国农田的氮肥使用效率为30%-35％（发达国家为50％以上），45%-50％的N会流失掉。中国以及其他国家和地区（如墨西哥湾地区的死亡地带），氮肥的过度利用和利用效率低下已经引起严重的环境问题，如地表水富营养化，排放温室气体一氧化二氮（N2O），和土壤酸化。另外，过度的N应用代表了中国农民不必要的经济支出和资源浪费。据估计，2010年中国氮肥损失量为18.40万吨，直接经济损失达43.8亿美元（亏损45％）。因此，提高氮肥利用效率，降低土壤氮素损失是一项紧迫任务。

来自农业土壤的N损失是由气体排放（N2，N2O，NO，NH3）和铵（NH4 ）和硝酸盐（NO3-）浸出引起的。NO3-浸出是中国农业生态系统的主要氮损失途径。供水中的高NO3-浓度可能导致富营养化以及高铁血红蛋白血症和糖尿病等健康问题。因此，技术解决方案已经成为减少农业土壤中氮（NO3-和NH4 ）浸出损失，提高可持续作物生产氮肥利用效率的必要手段。科学家和政策制定者对应用于土壤的生物炭目前引起了相当大的兴趣，认为这可能是一个潜在的解决方案。

生物炭由部分或完全排除氧气的生物质产生, 并且通过用作改善土壤质量和碳固存的土壤修正来区别于木炭。生物炭可改善土壤物理性质，增加土壤pH值和阳离子交换能力（CEC），增强养分保留和改变土壤微生物群落，并增加作物产量。这提供了研究生物炭施用对土壤N循环的影响的动机。许多研究报道，向土壤中添加生物炭可能会增加净硝化速率，刺激N固定化，减少N2O排放，减少 NH3挥发，增强了铵氧化细菌丰度，并改变了作物的氮素利用率生物炭添加剂在应用含氮物质如牛尿，猪粪，绿废堆肥和生物固体后，已经改变了N转化。然而，N反应生物炭添加的机制尚不清楚，但根据这些报告，假设生物炭可能保留N是合理的，理论上延迟N浸出损失是合理的。据Ding等人的报道，0.5％生物炭在表层土壤中的应用通过生物炭上的NH4 吸附降低了15.2％的NH4 -N的累积浸出损失。Knowles等人 （2011）还报道，生物炭加生物固体修正土壤的NO3--N浸出量降低至对照处理或低于对照处理水平，但机制尚不清楚。

在这项研究中，我们专注于生物补偿土壤中的N损失和保留。本研究的具体目标是1）调查生物质修复对不同氮肥处理的农业土壤N浸出的影响；2）研究生物修复土壤作物的氮吸收；3）评价生物炭修正土壤中的N生物利用度。

2. 材料和方法

2.1土壤和生物炭

在山东青岛的沉阳地区收获马铃薯后，从农田（120.38S，36.29E）采集表土（0-20厘米）。这个地方在过去五年中施行玉米-蔬菜轮作。尿素和合成肥是这一地区常用的两种化肥。将土壤风干，研磨通过2mm筛并充分均化。在土壤与水1:2.5的悬浮液中测定土壤PH。使用重铬酸钾的氧化法测量总有机碳（TOC）。土壤样品的总N（TN）含量使用自动浓度计测定。使用磷钼酸盐蓝分光光度法测定总磷酸盐（TP）含量。 分别用苯酚二磺酸和靛酚蓝试剂分别用分光光度法分析土壤中NO3--N和NH4 -N含量。堆积密度使用压入土壤的100cm3圆筒测量，通过比重计方法进行粒度分析，土壤被分类为粉砂土，其性质列于表1。

表格1

土壤和生物炭的化学和物理特性。

NA：低于检测限。

b CEC：阳离子交换容量cmol·kg-1。

c WHC：持水量，％。

表2

浸出和罐实验的实验处理说明。

以0％，1％，2％和5％（重量）的比例加入生物炭。

“L”表示没有玉米生长的浸出实验

“L M”表示玉米生长的浸出实验，“P”表示盆栽实验。

“/”表示在生物炭添加率下没有设置治疗。

生物炭是由郑氏等人所述的慢速热解法生产的大型芦苇（Arundo donax L.），一种广泛用于中国污水处理和生态修复的建设湿地的多年生C3草。 选择巨型芦苇是因为它可以产生大量的低营养物质（特别是N）的生物质，并且在较高温度下的热解提供了高稳定性甚至更低的生物炭。在炭化后，记录质量产量，将样品研磨至通过2mm筛，然后进一步分析。 总计C，N，H，O，pH，表面积，灰分含量，zeta;电位，总酸性含氧基团，NH4 -N和NO3--N含量的描述如Zheng et al。（2013年）所述。 生物炭样品的性质列于表1。

图.1.浸出实验中累积渗滤液的体积增加了不同类型的氮肥：（a）NH4 -N肥料; （b）NO3--N肥。 0％炭，1％炭，2％和5％炭分别表示在土壤柱中分别以0％，1％，2％和5％（w / w）的速率加入生物炭。 0％char plant和5％char plant表明，玉米种植在土壤柱中分别以0％和5％的比例添加生物炭的土壤柱上。

2.2 土壤柱的培养和浸出

2.2.1.土壤柱准备

用合成玻璃管（长度为45厘米，管内径为15厘米）构造自由排水土壤柱，并在底部装有合成玻璃端盖（图S1）。 将具有0.5mm孔的合成玻璃板固定在距玻璃管底部5cm处。 通过端盖钻一个孔，并在每个柱的底部附着一个排水管（直径5mm）。 当添加土壤时，通过捣实柱子将柱子装入4kg风干的土壤中。 将石英砂（300g）放置在土柱的顶部和底部，以防止浇水期间土壤表面的破坏。 为了防止土壤流失，在包装之前，将细尼龙网（b0.5mm）附着在土芯的底部，如现场所示，将所有土壤柱填充至1.13g·cm -3的初始堆积密度。

2.2.2.从施过NH4 -N和NO3—N肥料的土壤中浸出N

NH4 -N和NO3--N肥料是市场上主要的氮肥，许多作物喜欢从土壤中吸收NH4 -N或NO3--N。因此，生物炭添加对NH4 -N施肥的土壤（（NH4）2SO4，相当于600 mg·kg-1土壤）和NO3--N施肥土壤（KNO3，相当于600 mg·kg- 1土壤）（表2）。在NH4 -N施肥的土壤中以0％，1％，2％和5％（w / w）的速率加入生物炭，在NO3--N施肥的土壤中以0％和5％（w / w） 。在填充土壤柱之前，将生物炭与土壤和氮肥混合充分混合。填充土壤柱后，使用灌注管在3天内加入1.36升双蒸水以达到最大持水量（WHC）。在恒温室（23℃和60-80％相对湿度）保持7天后，使用缓慢滴加技术（〜4小时）将250mL双蒸水引入每列的顶部，在每次浸出事件中，借助于具有安装在每列的中间的流动限制针的输注装置的帮助（图S1）。在前四周，每三天淋洗一次柱，然后分别在随后的三周和两周内每五天和第二天淋洗一次。

此外，为了研究作物在氮素浸出中的作用，中国北方的主要作物玉米被种植在填充有NO3--N受肥土的柱子的一半中，其后被称为0％ char plant和5％char plant。 柱子填充后，每个柱子总共播种五个玉米种子，深度约为2厘米，然后在发芽后变薄至最好，发芽后一周开始浸出，由于这种浸出实验中的玉米生长，在两个月的孵化期间浸出率降低到12倍。

在浸出事件开始后12小时，将250mL聚乙烯瓶中的渗滤液收集在一起，并记录浸出液体积。过滤渗滤液（0.45mu;m玻璃纤维过滤器）并在24小时内分析。分别使用苯酚二磺酸和钠试剂，分光光度法测定渗滤液中的NO3--N和NH4 -N含量。使用玻璃电极pH计测定收集的浸出液的pH。在浸出实验结束时，从顶部每隔5厘米深处收集土壤样品。每个土壤样品的一部分在4℃下储存用于NH4 -N，NO3--N和微生物分析，剩余物质进行空气干燥以进行pH和TN分析。土壤pH，TN，NO3--N和NH4 -N含量按2.1节所述进行测量。使用荧光素二乙酸酯法测定总微生物活性。

图.2.生物炭对NH4 -N和NO3--N施肥的生物修复土壤NH4 -N和NO3--N浸出的影响：（a）NH4 -N施肥的土壤累积NH4 -N浸出; （b）用NH4 -N施肥的土壤累积NO3--N浸出; （c）从NO3--N施肥的土壤中累积NH4 -N浸出; （d）从NO3--N施肥的土壤中浸出的累积NO3--N。 0％炭，1％炭，2％和5％炭分别表示在土壤柱中分别以0％，1％，2％和5％（w / w）的速率加入生物炭。 0％char plant和5％char plant表明，玉米种植在土壤柱中分别以0％和5％的比例添加生物炭的土壤柱上。

2.3 盆栽实验

在0％，1％，2％或5％（w / w）的速率下，使用盆栽实验研究了玉米在相同土壤中生物量添加的N摄取。土壤中不添加额外的氮肥。所有治疗复制5次。每个苗圃（100毫米直径，100毫米深）填充300克风干土。将盆重量分数调节以保持最大WHC的60％，并在种子播种前在温室中定居1周。玉米种类与浸出实验中使用的玉米相同。种子发芽率高于98％。土壤含水量保持在WHC的60％。 5周后，分别收获芽和根。通过手摇方法将土壤分为根际和非土壤土壤，并按照2.1节所述测量了TN，NO3--N和NH4 -N的含量。根参数通过WinRhizo图像分析软件获得。芽和根在65℃下干燥生物量和TN分析。用硫酸和过氧化氢消化后，使用靛酚蓝光度法测定芽和根中的TN含量。

2.4 统计分析

所有结果均表示为平均值。 方差分析（ANOVA）用于测试所有实验数据。 应用统计产品和服务解决方案软件（SPSS 18.0）评估差异的最小显着性差异（LSD at P b 0.05）检验。

图. 3.生物炭添加对用NH4 -N施肥土壤土壤N含量和微生物活性的影响。 （a）NH4 -N含量; （b）NO3-<!--

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