2020, Vol. 52
2. 河南省烟草公司郑州市公司, 郑州 450001;
3. 黄鹤楼科技园(集团)有限公司, 武汉 430040
氮素是满足作物生长、提高作物产量的重要营养元素, 化学氮肥为全球的粮食生产做出了重要贡献[1]。改革开放以来, 由于作物增产的需要, 造成我国大量的化肥施入, 从而导致了土壤环境恶化, 生产力下降, 并已影响到我国粮食食品安全[2]。生物质炭施入土壤后能改善土壤环境, 增加作物产质量[3-4], 然而因为自身养分含量较低且碳氮比较高, 施入土壤后可能出现与作物争夺养分, 从而造成作物减产的现象。因此Spokas等[5]指出, 仅有50%的研究证明生物质炭对于作物有增产效应。于是, 将生物质炭与有机无机肥料结合, 制成炭基肥已成为生物质炭发展的新方向[6]。目前已有大量研究证明炭基肥在改良土壤、提高肥料利用率、提高作物产质量等方面发挥作用[7-11]。有机肥中氮素主要以有机态形式存在, 施入土壤后在微生物的作用下变成能被作物吸收的无机态氮, 在土壤体系中由于含水率和土壤质地等一系列条件的影响, 会导致肥料的氮素矿化特征发生变化, 从而影响肥料氮素有效性和矿化规律。
土壤含水率通过影响土壤的通气状况, 使得有机肥矿化反应底物向微生物的移动, 硝化、反硝化、氨化等作用发生变化, 进而影响有机氮矿化反应强度[12]。研究表明[13], 当田间最大持水量在18% ~ 45%时, 有机氮的矿化随着土壤含水率的增加而增加; 而当田间最大持水量大于60%时, 由于厌氧微生物的活性会增加, 其反硝化作用大于硝化作用, 导致有机氮的矿化会随着土壤含水率的增加而减少[14-15], 当土壤含水率过低时, 反应底物和微生物的接触频率过低, 同样会造成有机氮矿化的降低[16]。
土壤质地是土壤重要的物理指标之一, 土壤质地的改变往往会造成土壤系统通气状况的改变, 从而影响微生物对有机氮底料的活性作用。关于土壤质地与有机肥氮素矿化的研究多集中在土壤黏粒含量方面, Sørensen等[17]通过15N标记的羊粪试验说明了黏粒含量越高, 被微生物固定的氨态氮含量越高, 从而造成了无机氮净矿化量的降低。Hubbard等[18]的研究提出了土壤中黏粒对微生物矿化作用底物的保护是造成黏粒含量越高有机氮净矿化量越低的原因, Thomsen和Olesen[19]以及Chae和Tabatabai[20]的研究也得出了类似的结论。
目前关于不同含水率处理和土壤质地条件下炭基肥的氮素矿化的研究较少, 因此本试验以不同含水量的砂土、壤土、黏土为处理进行室内培养试验, 并增设大田小区矿化试验, 利用曲线拟合与函数求导研究含水率和土壤质地对炭基肥氮素矿化势、矿化速率和氮素有效性的影响, 为炭基肥的推广利用提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验设计选取登封当地未施肥的3种质地土壤(粉砂质壤土、砂质壤土、黏土), 供试炭基肥为生物质炭与有机肥复混后所得, 干燥过筛后称取300 g土壤与3 g粉碎过筛后的炭基肥充分混匀后按田间最大持水量(SMC)的80%、60%、40%加入蒸馏水, 并设对照(不加炭基肥)共18个处理3次重复。用黑色塑料膜封闭后放入培养箱内35 ℃条件下培养[21], 并用恒重法保持含水率不变。各处理情况如表 1, 供试土壤和肥料基本理化性质见表 2。
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表 1 培养试验各处理情况 Table 1 Condition of each treatment of indoor incubation |
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表 2 土壤和炭基肥料基本理化性质 Table 2 Physiochemical properties of soil and biochar-based fertilizer |
采用埋设玻璃纤维滤纸包法进行大田条件下氮素矿化试验, 具体操作为：取表 2中3种土壤质地样品各15 g(烘干后过60目筛)与1 g炭基肥(干样, 过60目筛)充分混合后用玻璃纤维滤纸包好装入尼龙网袋, 于移栽时埋入两棵烟中间(埋入相对应土壤质地的土壤中), 埋设深度为20 cm[22], 每块试验地埋设30个肥料袋。
1.2 氮素矿化规律的测定室内培养试验, 从培养开始第0、5、11、14、25、43、73、103、130天取土10 g, 5 g用于NO- 3-N、NH4+-N测定, 5 g测含水率以补水保持含水率恒定。NO- 3-N、NH4+-N分别以双波长比色法和靛酚蓝比色法进行测定[23-24]。NO- 3-N、NH4+-N之和即为矿质氮。炭基肥的氮素净矿化量等于加炭基肥的矿质氮含量与不加炭基肥的矿质氮含量之差。
大田小区试验, 从肥料袋埋入后的第0、10、20、30、40、50、60、70、80、90天, 每块试验地取3个肥料袋, 风干过60目筛后用德国Element元素分析仪进行总氮的测定。
1.3 炭基肥料氮净矿化量和净矿化率的计算| $ {N_a} = {\left( {{N_i}} \right)_t} - {\left( {{N_i}} \right)_0} $ |
式中：Na是矿质氮; 对于培养试验, (Ni)t和(Ni)0是第t天和第0天矿质氮含量; 对于田间矿化试验, 是第t 天和第0天总氮含量[25]。
炭基肥氮净矿化率(%)=炭基肥氮净矿化量/每公斤土中炭基肥的全氮含量。根据对炭基肥氮素累计矿化量随时间变化曲线进行观察和分析, 对其采用最小二乘残差法进行拟合, 拟合方程为:
采用Excel 2007和Matlab 2012a对数据进行统计与分析。
2 结果与分析 2.1 培养试验炭基肥料氮素矿化特征各个土壤质地下炭基肥的氮素矿化特征如图 1所示, 炭基肥施入土壤后在粉砂质壤土和黏土条件下前3 d即出现了净矿化的状况, 而砂质壤土条件下在前5 d出现了矿质氮下降的情况, 即负矿化, 说明炭基肥在施入砂质壤土时会出现氮素固定的状况。在粉砂质壤土条件下, 80%SMC下能矿化出更多的矿质氮, 其含量达到了107 mg/kg; 而60%SMC下仅比40%SMC高5 mg/kg。砂质壤土条件下, 60%SMC在培养结束后矿质氮含量最高, 为172 mg/kg; 其次为80%SMC, 最少为40%SMC, 能矿化出10 mg/kg的矿质氮; 且80%SMC与60%SMC间差异不大。黏土条件下和砂质壤土类似。
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图 1 炭基肥氮素矿化特征 Fig. 1 Nitrogen mineralization of biochar-based fertilizer |
对炭基肥氮素累计矿化量选用matlab中cftool工具箱进行拟合, 为了确保拟合的稳定与准确, 运用最小二乘残差法(LAR)进行鲁棒性检测, 并统一选择信赖域算法(Trust-Region)。拟合情况见表 3, 可以看出各拟合方程的R2均在0.90以上, 且标准差在15.00以下, 说明拟合情况较好, 拟合后方程能代表原曲线的大部分信息。
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表 3 炭基肥氮素矿化特征曲线拟合情况 Table 3 The fitting condition of the carbon based mineral nitrogen mineralization |
最大矿化率是指各曲线经拟合后所得的矿化势除以土壤中炭基肥氮素的含量, 从表 3可以看到炭基肥的最大矿化率在18.17% ~ 56.31%之间。其中粉砂质壤土处理矿化氮素的能力最弱, 平均值仅为24.37%, 最高能矿化34.12%的氮素, 最低在40%大田最大持水量情况下只能矿化18.17%的氮素。而矿化能力最强的是砂质壤土, 平均值为44.3%, 最高能矿化炭基肥56.31%的氮素, 最低能矿化35.52%的氮素。而黏土矿化氮素的能力在这3种土壤质地的土壤中处于中间水平, 平均值为34.42%, 最高能矿化41.14%的氮素, 最低仅能矿化23.93%的氮素。
为了确定炭基肥在不同土壤质地及含水率条件下的氮素矿化速率, 选用matlab中的diff函数对所拟合的方程求一阶导数得到矿化速率。如图 2所示为各个土壤质地下炭基肥的氮素矿化速率。炭基肥料的氮素矿化速率从零上升到最大之后又降低到零的趋势发展, 其曲线近似于高斯函数。
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图 2 炭基肥氮素矿化速率 Fig. 2 Nitrogen mineralization rates of biochar-based fertilizer |
对于粉砂质壤土处理, 其矿化速率最大值为80%SMC处理, 在25 d左右达到最大值, 约为42 mg/(kg·d), 其矿化速率在75 d左右降到1以下; 对于60%SMC处理, 其矿化速率达到最大值的时间明显滞后, 约在60 d达到最大矿化率, 而其速率小于1时其培养时间需要到120 d左右; 对于矿化量最少的40%SMC其速率达到最大值时约为25 d, 在其培养时间为80 d时速率就降至1以下。
对于砂质壤土处理, 氮素矿化速率最大值约为66 mg/(kg·d), 60%SMC处理, 达到最大矿化速率的时间约为25 d, 其速率降到1以下时培养时间为70 d。而在80%SMC和40%SMC下其最大矿化速率分别为43 mg/(kg·d)和38 mg/(kg·d), 达到最大值的时间也约为25 d; 80%SMC条件下大约在80 d矿化速率才会小于1, 而40%SMC下滞后情况稍轻, 大约在培养后65 d后矿化速率小于1。
对于黏土处理, 其氮素矿化速率普遍偏低, 速率最高的为60%SMC, 最高速度仅为33 mg/(kg·d)左右, 在培养后30 d出现峰值, 约在95 d时速率才会降至1以下; 而在80%SMC时, 其滞后情况更为严重, 培养45 d后才会达到最高值, 为25 mg/(kg·d), 而培养后120 d左右矿化速率才会降至1左右; 在40%SMC下最高速率约为12 mg/(kg·d), 由于其速率一直较慢, 导致其达到最高速率的时间和速率降至1以下的时间相对比较提前, 约为25 d和70 d。
2.2 大田条件下氮素矿化特征大田条件下氮素矿化规律由埋设肥料袋的方法所得(图 3)。在炭基肥料埋设进土壤后, 除了在通水通气性很强的粉砂质壤土上马上出现了氮素的损失外, 在砂质壤土和黏土这两种土壤质地上出现了氮素矿化的延后, 在埋入土壤后10 d后才出现氮素的净矿化。从总矿化量上来看, 粉砂质壤土处理能矿化出更多的氮素, 在移栽后90 d矿化出了0.87 mg/kg的氮素; 而砂质壤土处理氮素累计矿化量为0.56 mg/kg, 为3个土壤质地最小量; 黏土处理经90 d后矿化出的氮素为0.63 mg/kg。对于移栽后0 ~ 60 d和移栽后60 ~ 90 d矿化的氮素量, 粉砂质壤土处理分别是0.63 mg/kg和0.25 mg/kg, 这两者的比值为2.52;砂质壤土处理分别是0.47和0.09, 比值为5.2;黏土处理分别是0.50和0.13, 比值为3.8。
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图 3 大田条件下炭基肥氮素矿化特征 Fig. 3 Nitrogen mineralization of biochar-based fertilizer under field condition |
对图 3中曲线进行拟合, 选用Levenberg-Marquardt算法, 其余与培养试验拟合方法选择一致。拟合结果如表 4。可以看出拟合后曲线R2均在0.9以上, 且标准差均在0.1以下, 说明其能够代表原曲线的大部分信息。粉砂质壤土、砂质壤土、黏土最大矿化率分别为50.61%、32.27%、34.29%。在粉砂质土壤条件下存在田间条件最大矿化率大于培养试验最大矿化率的情况, 原因可能是粉砂质壤土在大田条件下出现了较强烈的淋洗作用造成了一部分的氮素损失, 并且大田条件下, 土壤湿度不是处于恒定的状态, 特别是对于保水性不强的粉砂质壤土, 其干湿交替频率更高从而加强了氮素的矿化[26]。
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表 4 大田试验炭基肥氮素矿化特征曲线拟合情况表 Table 4 The fitting condition of the carbon based mineral nitrogen mineralizationin field condition |
对拟合后的曲线用diff函数求一阶导数, 得到图 4所示的氮素矿化速率。可以看出炭基肥在大田条件下的矿化速率先增长到最高速度后逐渐降低。但从图 4可以看出到埋入90 d后各土壤质地处理矿化速率均没有达到0, 在烟株进入成熟期后炭基肥仍会矿化出氮素。对于粉砂质壤土处理其矿化速率最大值为0.117 9 mg/(kg·d)。约在50 d时达到最大值。对于砂质壤土处理氮素矿化速率达到最大值时约为移栽后50 d, 最大速率约为0.088 7 mg/(kg·d), 而在移栽后90 d其氮素矿化速率为0.021 8 mg/(kg·d)。对于黏土处理在移栽后40 d左右, 其氮素矿化速率达到最大值为0.094 5 mg/(kg·d), 移栽后90 d时其氮素矿化速率为0.020 4 mg/(kg·d)。
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图 4 大田条件下炭基肥氮素矿化速率 Fig. 4 Nitrogen mineralization rates of biochar-based fertilizer under field condition |
不同的田间持水量影响微生物的活性和丰度从而影响微生物的氨化、硝化等作用, 影响有机肥的氮矿化[12]。本研究中, 室内培养条件下, 砂质壤土和黏土在60%SMC状态下炭基肥能矿化出最多的氮素, 而当达80%SMC时炭基肥的氮素矿化出现了一定程度的抑制现象。这与Linn和Doran等人[14]的研究结果一致, 可能是当60%SMC时, 参与矿化的微生物活度最强从而导致炭基肥中氮素通过硝化作用矿化出来的最多; 高于60%时, 可能会导致反硝化的微生物活性增强, 硝化量降低从而降低矿化量[15]。而在砂质土壤条件下, 出现了含水率越高, 矿质氮含量越高的情况, 分析原因, 可能是对于通气性较好的砂性土壤, 其参与矿化的微生物活性, 在80%SMC及以上情况时出现阈值。对于40%SMC无论在哪种土壤质地下其氮素矿化量均是最低的, 这与De Neve等人[27]的研究结果一致, 说明在相对干旱的条件下, 土壤与肥料底物的可溶性组分移动性减弱, 降低了对微生物的供给, 造成微生物活性下降从而使硝化作用减弱[16]。
室内培养条件下, 对于3种土壤质地下炭基肥的矿化特征, 经曲线拟合后的结果显示, 氮素矿化势最高的为砂质壤土处理, 其次为黏土处理, 最低为粉砂质壤土处理。这与Hubbard等[18]、Chae和Tabatabai[20]的观点不尽相同, 他们认为有机肥施入土壤后其净矿化量随着土壤中黏粒含量的升高而降低, 而本研究中黏粒含量最低的粉砂质壤土矿化量却是最低的, 可能是由于炭基肥中含有一定量的生物质炭能促进土壤本身的矿化, 而粉砂质壤土作为土壤易矿化态氮含量较低的土壤, 其被生物质炭激发而矿化出的氮含量极低; 而在砂质壤土净矿化量高于黏土则是因为黏土颗粒较碎, 对易矿化形式的氮有较强的保护作用从而抑制了硝化作用, 且黏土通透性较差从而降低了微生物的活性也会导致硝化作用的降低[18, 20]。同时有研究表明, 氮素矿化会随pH的升高而增加[28-29], 本试验中砂质壤土、粉砂质壤土、黏土的pH分别为6.65、7.05、6.33, 因此不同土壤质地下氮素矿化量的不同, 是否仅为黏粒含量所造成的, 需进一步试验证明。
本研究中大田试验炭基肥氮素矿化状况与培养试验有所不同, 如3种土壤质地下粉砂质壤土的矿化势最大, 黏土最小, 原因可能是, 在大田条件下土壤处于不断的干湿交替而不是湿度恒定的状态, 不断地干湿交替可能导致某些团聚体的裂解, 导致微生物与矿化底物的接触变得更加频繁, 从而加强了矿化, 同时干湿交替过程中由于微生物活性下降, 可能会导致被微生物固定部分的氮素得到释放[16]; 加上降雨等作用导致一部分氮素出现淋洗等状态, 造成了氮素的损失。
4 结论1) 室内培养试验中, 炭基肥在砂质壤土条件下矿化势最高, 其次为黏土条件, 最低为粉砂质壤土条件, 不同含水率条件下砂质壤土与黏土中炭基肥氮素有效性情况类似, 即60%SMC > 80%SMC > 40%SMC, 而粉砂质壤土条件下炭基肥氮素有效性则是80% SMC > 60%SMC > 40%SMC, 炭基肥在3种土壤质地下的最大有效性分别为34.12%、56.31%、41.14%。
2) 大田试验中, 炭基肥氮素矿化势表现为, 粉砂质壤土 > 黏土 > 砂质壤土, 当季氮素有效性在3种土壤质地下分别是50.61%、32.27%、34.29%, 且均存在烟叶成熟期后仍有氮素释放的情况。
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