改性棉秆炭对新疆灰漠土氮肥氨挥发特征的影响

朱玉洁,林 玲,唐光木,张云舒,徐万里

(1.新疆农业大学资源与环境学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所/农业农村部盐碱地改良与利用(干旱半干旱区盐碱地)重点实验室,乌鲁木齐 830091 )

0 引 言

【研究意义】2021年新疆棉花播种面积247.87×104hm2(3 718万亩),占全国种植面积的89.5%[1]。粉碎还田是当前棉花秸秆利用的主要方式,但长期连作粉碎还田会使土传病害加重、还田后影响出苗率低等问题[2-4]。秸秆中含有丰富的有机碳和大量的营养元素。将棉杆生产成棉秆炭再还田,可以改良低产土壤[5],进而促进作物增产[6]。生物炭是一种来源于植物等生物质(秸秆、垃圾、粪肥等)的富碳固体材料,一般通过热解、气、水热碳化等过程转化为生物质原料[7],因其是一种pH较高、比表面积大、吸附性强、含氧官能团丰富的多功能材料[8]。将棉花秸秆生产成生物炭就是棉花秸秆生物炭,简称棉秆炭。将其施入土壤影响土壤氮循环以及农田氮肥利用率。施入土壤的氮肥经氨挥发、反硝化作用,以氨、氮氧化物的形式进入大气,其中氨挥发损失是氮肥气态损失的重要途径[9]。减少土壤氮肥氨挥发对减少农田土壤氮素流失、提高氮素利用效率有重要意义。【前人研究进展】施用棉秆炭还田可以显著减少滴灌棉田氨挥发[10],棉秆炭施入石灰性土壤会使土壤氨挥发增加[11]。施用生物炭是一种较好的改良低产土壤方法,但生物炭因本身pH较高的特性[12-13],在石灰性土壤上大量使用提高土壤pH值,增加氨挥发损失。灰漠土是新疆北部主要的耕作土壤,碳酸钙含量在12%左右,施入棉秆炭可显著改良灰漠土不良特性,但对灰漠土上氮肥氨挥发有增加的可能。为提高棉秆炭改良效果,减少土壤氮肥氨挥发损失,提出了各种改性或活化方法以优化其特性[14]。改良玉米秸秆生物炭可以通过增加氨氧化细菌的数量和降低脲酶活性来减少堆肥中的氨排放[15]。铁改性稻壳炭炭增加了的孔径,降低了pH并增强对铵态氮的吸附能力[16]。木醋液改性炭可降低土壤pH,提高有机氮含量,减少土壤氨挥发[17]。此外,还通过制备以生物炭为基础的缓释氮肥料来减缓氮向环境中的释放[18-20]。【本研究切入点】针对改性生物炭施入土壤对氮肥氨挥发影响的报道较少,缺乏针对新疆灰漠土施入改性生物炭后氮肥氨挥发特征及灰漠土理化性质改变的研究。不同改性棉秆炭施用对新疆灰漠土氮肥氨挥发损失有待进一步研究。【拟解决的关键问题】新疆灰漠土为供试土壤,利用密闭法室内培养模拟试验,研究改性棉秆炭与氮肥配施方式下新疆灰漠土壤的理化性质及氮肥氨挥发损失,为优化棉秆炭特性、提高改良低产土壤提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

棉秆炭取自新疆兵团第八师炮台土壤改良试验站,是棉花秸秆炭化后所得,炭化温度为450℃。将棉秆炭自然风干24 h后,在105℃的烘箱中烘干 8 h,冷却,粉碎后备用。供试的改性材料有购自阜康莲花味精工厂的味精废液、石家庄宏森活性炭有限公司的木醋液、酒石酸为分析纯化学试剂。将棉秆炭和风干后的土样分别过2 mm筛,备用。尿素选用中国石油天然气股份有限公司生产的昆仑牌尿素,含氮量46.4%。碾钵粉碎至粉末状,备用。

味精废液 pH 3.56,电导率为3.16 mS/cm;木醋液 pH 2.89,电导率为3.13mS/cm;1.2 mol/L 酒石酸溶液 pH 1.22,电导率为8.91 mS/cm。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

制备改性棉秆炭(1)味精废液改性棉秆炭的制备:称取棉秆炭样品50 g,味精废液按炭液比[21]1∶0.8的比例(记作味精废液改性炭)置于烧杯中,浸渍24 h后放在 60℃的恒温干燥箱中干燥至恒重,收集保存,即得味精废液改性棉秆炭。每个处理重复3次。(2)木醋液改性棉秆炭的制备。称取棉秆炭样品50 g,木醋液按炭液比[22]1∶0.8的比例(记作木醋液改性炭)置于烧杯中,浸渍24 h后放在 60℃的恒温干燥箱中干燥至恒重,收集保存,即得木醋液改性棉秆炭。每个处理重复3次。(3)酒石酸改性棉秆炭的制备。称取棉秆炭样品50 g,与1.2 mol/L 酒石酸按炭液比1∶8的比例[23]置于烧杯中(记作酒石酸改性炭),搅拌0.5 h后浸渍24 h,放在 60℃的恒温干燥箱中干燥24 h,升温至120℃ 90 min,冷却至室温,用蒸馏水洗涤至pH恒定,干燥至恒重,收集保存,即得酒石酸改性棉秆炭。每个处理重复3次。

氨挥发试验于2021年11月1日～12月31日,在新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所进行室内模拟试验。氨挥发土壤培养试验采用2因素3水平(棉秆炭类型、氮肥施用量)试验设计,其中棉秆炭类型为主因素,为不添加棉秆炭、添加未改性棉秆炭、添加味精废液改性棉秆炭、添加木醋液改性棉秆炭、添加酒石酸改性棉秆炭(分别以TBC、未改性炭、味精废液改性炭、木醋液改性炭、酒石酸改性炭表示);氮肥用量为副因素,包含3个施用量,分别是 0、200、400 mg/kg(以N0、N200、N400表示)。每个处理设3个重复。选用直径为12.3 cm,高15.5 cm的1 000 mL广口瓶进行试验。

称取过2 mm筛的风干土壤500 g与10 g棉秆炭混匀,先将400 g炭土混合物装于最下层;再称取剩余的炭土混合物与尿素混合后置于广口瓶上层。此后用长玻璃棒引流浇水(蒸馏水),保持土壤含水量在70%;用凡士林密封,置于25℃烘箱中进行恒温培养。试验期间,采用密闭静态吸附法,在每个广口瓶内土壤表面放置1个25 mL的小烧杯,内装硼酸指示剂溶液5 mL,于试验开始第3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、17、21、25、28、34、42、49、61 d换取小烧杯,用标准酸滴定;每次换取小烧杯后做空白滴定。表1

表1 灰漠土、棉秆炭和改性棉秆炭的理化性质

1.2.2 指标测定

用0.1 mol/L盐酸滴定氨吸收量,然后更换新的硼酸吸收液。滴定结束后,将土样风干过筛,测定其土壤理化性质[24]:半自动定氮仪测定土壤全氮;土壤有机质含量使用 K2Cr2O7容量法-外加热法测定;土壤pH采用玻璃电极法(水土质量比1∶5);土壤与去离子水的比例为1:5进行混合,振荡0.5 h,过滤后采用电导率仪测定。

1.2.3 计 算

氨挥发速率(P,mg/d)=滴定时标准酸的摩尔浓度(mol/L)×[滴定时消耗标准酸体积(mL)-空白滴定时消耗标准酸体积(mL)]×14.0/每次滴定间隔天数。

总氨挥发量(Q,mg)=∑每次滴定氨挥发量。

1.3 数据处理

数据采用SPSS 23.0统计软件对所测数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA),不同处理之间采用Duncan’s法进行多重比较(P<0.05),采用Pearson法分析相关性。利用Origin 2021软件进行折线图的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同改性棉秆炭对灰漠土氮肥氨挥发速率及总量的影响

研究表明,所有处理在试验初期均呈现波动趋势,后期逐渐趋于稳定。土壤主要氨挥发阶段集中出现在施肥之后的1～8 d,土壤氨挥发速率表现为先上升后降低的趋势。在低量(200 mg/kg)和高量(400 mg/kg)氮肥施用量下,不同改性棉秆炭对灰漠土氮肥氨挥发率存在差异。在N0的条件下,施肥后第 6 d,TBC、未改性炭氨挥发速率已经为0,味精废液改性炭在施肥后第7 d达到氨挥发速率最大值(0.074 mg/d);木醋液改性炭和酒石酸改性炭在施肥后第5 d达到挥发速率最大值(0.010 mg/d);在N200的条件下,相比于未改性炭,味精废液改性炭加快了氨挥发速率,木醋液改性炭及酒石酸改性炭降低了氨挥发速率。TBC在施肥后第7 d达到挥发速率最大值(0.064 mg/d);未改性炭、木醋液改性炭和酒石酸改性炭在施肥后第6 d达到挥发速率最大值(0.045、0.070和0.056 mg/d);味精废液改性炭在施肥后第4 d达到挥发速率最大值(0.293 mg/d)。在N400的条件下,相比于未改性炭,味精废液改性炭和木醋液改性炭加快了氨挥发速率,酒石酸改性炭降低了氨挥发速率。TBC在施肥后第8 d达到挥发速率最大值(0.140 mg/d);未改性炭和木醋液改性炭处在施肥后第7 d达到挥发速率最大值(0.302和0.317 mg/d);味精废液改性炭在施肥后第4 d达到挥发速率最大值(0.588 mg/d);酒石酸改性炭在施肥后第7 d达到挥发速率最大值(0.115 mg/d)。图1

图1 不同改性棉秆炭下灰漠土氨挥发速率变化

在N0条件下, A0(0.356 mg)土壤氨挥发总量最多,其余处理均低于0.01 mg;在N200条件下,土壤氨挥发总量表现为A200(1.876 mg)>W200(0.622 mg)>J200(0.528 mg)>T200(0.481 mg)>M200(0.416 mg);在N400条件下,土壤氨挥发总量表现为A400(3.174 mg)>M400(1.757 mg)>W400(1.648 mg)>T400(0.978 mg)>J400(0.791 mg)。

随着氮肥添加量的增加,氨挥发总量也增加。与不添加棉秆炭相比,施用未改性炭、味精废液改性炭显著增加了土壤氨挥发;而施用M200降低了土壤氨挥发,但二者间差异不明显,M400显著增加了氨挥发;J200增加了土壤氨挥发,差异不明显,J400却减少土壤氨挥发。图2

注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05),下同

2.2 不同改性棉秆炭对灰漠土pH及电导率的影响

研究表明,相对于不添加棉秆炭处理,随着氮添加量的增加,未改性炭和木醋液改性炭的pH均而降低。而酒石酸改性炭的pH相反。味精废液改性炭处理之间差异不显著,但是均显著降低了灰漠土的pH(P<0.05)。施入改性棉秆炭后土壤pH值变化为7.92～7.27。TN400、WN400、AN0、AN200、AN400、JN0和JN400处理的土壤pH值显著低于CK(不添加棉秆炭)(P<0.05),分别比 CK 下降了3.77%、2.95%、7.35%、7.32%、7.89%、4.37%和2.57%。味精废液改性炭处理之间施用不同浓度的氮肥,土壤pH值差异不显著。土壤pH值于AN0处理中达到最低,味精废液改性炭施不同氮施肥量处理的土壤pH值显著低于其余所有处理。图3

图3 各类改性棉秆炭下灰漠土氨挥发pH变化

相对于不添加棉秆炭处理,随着氮添加量的增加,未改性炭、木醋液改性炭、酒石酸改性炭的电导率均呈现出随着氮肥添加量的增加而升高的趋势。其中味精废液改性炭的电导率随着氮肥添加量的增加而显著增加,增加了1.16～1.49倍。在N0条件下,不同改性棉秆炭的施入灰漠土,使土壤电导率分别提高倍数为6.80(AN0)>1.49(WN0)>1.47(MN0)>1.08(JN0);在N200条件下,灰漠土电导率分别提高倍数为3.83(AN200)>1.26(WN200)>1.19(MN400)>0.97(JN200);在N400条件下,灰漠土电导率分别提高倍数2.84(AN400)>1.16(WN400)>1.12(MN400)>0.97(JN400)。图4

图4 各类改性棉秆炭下灰漠土氨挥电导率变化

2.3 不同处理对土壤全氮及有机碳含量的比较

研究表明,施入改性棉秆炭均可提高新疆灰漠土全氮含量。将不同改性棉秆炭与氮肥共同施入后土壤全氮含量为0.41～0.85 g/kg。施氮肥以后较不添加棉秆炭的处理组(CK)全氮含量下降;未改性炭全氮含量随施氮量的增大而增大,但与CK相比,两者差别不大;味精废液改性炭全氮含量最高,均显著高于CK(P<0.05)。味精废液改性炭配施氮肥处理之间无显著差异(0.82、0.84和0.85 g/kg),分别比CK升高了 73.65%、79.25%和81.95%;MN0和MN400差异不显著(0.69和0.68 g/kg),均显著高于CK(P<0.05),MN200与CK差异不显著;酒石酸改性炭随着氮肥含量的增加,全氮含量也随之增加,但JN0、JN200与CK全氮含量相差不大无显著差异,JN400土壤全氮含量显著高于对照组(P<0.05),JN200、JN400土壤全氮含量分别比对照升高了 27.41%和42.05%。图5

图5 各类改性棉秆炭下灰漠土全氮含量变化

改性炭与氮肥施入土壤后,有机炭含量为4.64～13.9 g/kg。与基础土壤有机碳含量(4.64 g/kg)相比,添加不同处理的棉秆炭均显著增加了土壤有机碳含量。WN200、WN400、MN200、JN0、JN400处理的土壤有机炭含量显著高于 TN0(P<0.05),分别比TN0升高了148.16%、197.54%、188.3%、199.43%和180.56%。同一种改性棉秆炭处理,施入不同的氮肥,土壤有机炭含量无显著差异,(WN200和WN400,AN0和AN200无显著差异)。不同改性炭之间存在差异性,随着氮肥浓度的增加,未改性炭和味精废液改性炭有机碳含量呈现增加的趋势,而木醋液改性炭与酒石酸改性炭有机碳含量并无规律性的变化。图6

图6 各类改性棉秆炭下灰漠土有机碳含量变化

2.4 灰漠土氮肥氨挥发与土壤特性相关性

研究表明,将改性棉秆炭施入土壤后,分析土壤的pH、电导率、全氮含量、有机碳与氨挥发总量的相关关系。改性炭的氨的挥发总量与土壤pH呈负相关,说明将改性炭施入土壤后,降低土壤的pH会促进土壤的氨挥发。其次,氨挥发总量与电导率呈现极显著正相关,且与全氮含量呈现正相关,加入不同改性棉秆炭提高了土壤的全氮含量、电导率会增加土壤氨的挥发。有机碳含量对氨挥发有着促进的作用,但不显著。表2

表2 施用改性棉秆炭后土壤pH、电导率、全氮含量、有机碳与氨挥发总量的相关关系

3 讨 论

4 结 论

4.1添加尿素各处理氨挥发累积量和氨挥发累积速率均高于 CK 处理。 61 d内,土壤氨挥发速率先逐渐增加,约6～8 d出现峰值,之后迅速下降,最后趋于平稳状态。在N200条件下,木醋液改性炭有效降低氨挥发累积量,降低了0.065 mg;在N400条件下,酒石酸改性炭有效降低氨挥发累积量,降低了0.187 mg。这两种改性炭在减少氨挥发总量及氨挥发速率方面效果最佳。

4.2短期添加不同酸改性棉秆炭介入下,对灰漠土的pH、电导率、全氮含量、有机碳含量具有不同影响。改性生物炭均可以降低灰漠土pH高的特性,较CK相比,AN200和AN400降低程度最大,降低幅度分别为7.32%和7.89%。味精废液改性炭的全氮含量最高,较CK相比,提高了 73.65% ～ 81.95%。有机碳含量均显著增加,较CK相比,提升了148.16% ～ 180.56%。

4.3氨挥发总量与土壤电导率存在极显著正相关关系(P< 0.01),相关系数在0.708;与全氮含量存在显著正相关关系(P< 0.05),相关系数在0.64;与pH呈现呈现显著负相关关系(P< 0.05),相关系数在0.631;与有机碳含量相关性不明显。