改性棉稈炭對新疆灰漠土氮肥氨揮發特征的影響

朱玉潔,林 玲,唐光木,張云舒,徐萬里

(1.新疆農業大學資源與環境學院,烏魯木齊 830052;2.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所/農業農村部鹽堿地改良與利用(干旱半干旱區鹽堿地)重點實驗室,烏魯木齊 830091 )

0 引 言

【研究意義】2021年新疆棉花播種面積247.87×104hm2(3 718萬畝),占全國種植面積的89.5%[1]。粉碎還田是當前棉花秸稈利用的主要方式,但長期連作粉碎還田會使土傳病害加重、還田后影響出苗率低等問題[2-4]。秸稈中含有豐富的有機碳和大量的營養元素。將棉桿生產成棉稈炭再還田,可以改良低產土壤[5],進而促進作物增產[6]。生物炭是一種來源于植物等生物質(秸稈、垃圾、糞肥等)的富碳固體材料,一般通過熱解、氣、水熱碳化等過程轉化為生物質原料[7],因其是一種pH較高、比表面積大、吸附性強、含氧官能團豐富的多功能材料[8]。將棉花秸稈生產成生物炭就是棉花秸稈生物炭,簡稱棉稈炭。將其施入土壤影響土壤氮循環以及農田氮肥利用率。施入土壤的氮肥經氨揮發、反硝化作用,以氨、氮氧化物的形式進入大氣,其中氨揮發損失是氮肥氣態損失的重要途徑[9]。減少土壤氮肥氨揮發對減少農田土壤氮素流失、提高氮素利用效率有重要意義。【前人研究進展】施用棉稈炭還田可以顯著減少滴灌棉田氨揮發[10],棉稈炭施入石灰性土壤會使土壤氨揮發增加[11]。施用生物炭是一種較好的改良低產土壤方法,但生物炭因本身pH較高的特性[12-13],在石灰性土壤上大量使用提高土壤pH值,增加氨揮發損失。灰漠土是新疆北部主要的耕作土壤,碳酸鈣含量在12%左右,施入棉稈炭可顯著改良灰漠土不良特性,但對灰漠土上氮肥氨揮發有增加的可能。為提高棉稈炭改良效果,減少土壤氮肥氨揮發損失,提出了各種改性或活化方法以優化其特性[14]。改良玉米秸稈生物炭可以通過增加氨氧化細菌的數量和降低脲酶活性來減少堆肥中的氨排放[15]。鐵改性稻殼炭炭增加了的孔徑,降低了pH并增強對銨態氮的吸附能力[16]。木醋液改性炭可降低土壤pH,提高有機氮含量,減少土壤氨揮發[17]。此外,還通過制備以生物炭為基礎的緩釋氮肥料來減緩氮向環境中的釋放[18-20]。【本研究切入點】針對改性生物炭施入土壤對氮肥氨揮發影響的報道較少,缺乏針對新疆灰漠土施入改性生物炭后氮肥氨揮發特征及灰漠土理化性質改變的研究。不同改性棉稈炭施用對新疆灰漠土氮肥氨揮發損失有待進一步研究?！緮M解決的關鍵問題】新疆灰漠土為供試土壤,利用密閉法室內培養模擬試驗,研究改性棉稈炭與氮肥配施方式下新疆灰漠土壤的理化性質及氮肥氨揮發損失,為優化棉稈炭特性、提高改良低產土壤提供重要依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

棉稈炭取自新疆兵團第八師炮臺土壤改良試驗站,是棉花秸稈炭化后所得,炭化溫度為450℃。將棉稈炭自然風干24 h后,在105℃的烘箱中烘干 8 h,冷卻,粉碎后備用。供試的改性材料有購自阜康蓮花味精工廠的味精廢液、石家莊宏森活性炭有限公司的木醋液、酒石酸為分析純化學試劑。將棉稈炭和風干后的土樣分別過2 mm篩,備用。尿素選用中國石油天然氣股份有限公司生產的昆侖牌尿素,含氮量46.4%。碾缽粉碎至粉末狀,備用。

味精廢液 pH 3.56,電導率為3.16 mS/cm;木醋液 pH 2.89,電導率為3.13mS/cm;1.2 mol/L 酒石酸溶液 pH 1.22,電導率為8.91 mS/cm。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

制備改性棉稈炭(1)味精廢液改性棉稈炭的制備:稱取棉稈炭樣品50 g,味精廢液按炭液比[21]1∶0.8的比例(記作味精廢液改性炭)置于燒杯中,浸漬24 h后放在 60℃的恒溫干燥箱中干燥至恒重,收集保存,即得味精廢液改性棉稈炭。每個處理重復3次。(2)木醋液改性棉稈炭的制備。稱取棉稈炭樣品50 g,木醋液按炭液比[22]1∶0.8的比例(記作木醋液改性炭)置于燒杯中,浸漬24 h后放在 60℃的恒溫干燥箱中干燥至恒重,收集保存,即得木醋液改性棉稈炭。每個處理重復3次。(3)酒石酸改性棉稈炭的制備。稱取棉稈炭樣品50 g,與1.2 mol/L 酒石酸按炭液比1∶8的比例[23]置于燒杯中(記作酒石酸改性炭),攪拌0.5 h后浸漬24 h,放在 60℃的恒溫干燥箱中干燥24 h,升溫至120℃ 90 min,冷卻至室溫,用蒸餾水洗滌至pH恒定,干燥至恒重,收集保存,即得酒石酸改性棉稈炭。每個處理重復3次。

氨揮發試驗于2021年11月1日～12月31日,在新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所進行室內模擬試驗。氨揮發土壤培養試驗采用2因素3水平(棉稈炭類型、氮肥施用量)試驗設計,其中棉稈炭類型為主因素,為不添加棉稈炭、添加未改性棉稈炭、添加味精廢液改性棉稈炭、添加木醋液改性棉稈炭、添加酒石酸改性棉稈炭(分別以TBC、未改性炭、味精廢液改性炭、木醋液改性炭、酒石酸改性炭表示);氮肥用量為副因素,包含3個施用量,分別是 0、200、400 mg/kg(以N0、N200、N400表示)。每個處理設3個重復。選用直徑為12.3 cm,高15.5 cm的1 000 mL廣口瓶進行試驗。

稱取過2 mm篩的風干土壤500 g與10 g棉稈炭混勻,先將400 g炭土混合物裝于最下層;再稱取剩余的炭土混合物與尿素混合后置于廣口瓶上層。此后用長玻璃棒引流澆水(蒸餾水),保持土壤含水量在70%;用凡士林密封,置于25℃烘箱中進行恒溫培養。試驗期間,采用密閉靜態吸附法,在每個廣口瓶內土壤表面放置1個25 mL的小燒杯,內裝硼酸指示劑溶液5 mL,于試驗開始第3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、17、21、25、28、34、42、49、61 d換取小燒杯,用標準酸滴定;每次換取小燒杯后做空白滴定。表1

表1 灰漠土、棉稈炭和改性棉稈炭的理化性質

1.2.2 指標測定

用0.1 mol/L鹽酸滴定氨吸收量,然后更換新的硼酸吸收液。滴定結束后,將土樣風干過篩,測定其土壤理化性質[24]:半自動定氮儀測定土壤全氮;土壤有機質含量使用 K2Cr2O7容量法-外加熱法測定;土壤pH采用玻璃電極法(水土質量比1∶5);土壤與去離子水的比例為1:5進行混合,振蕩0.5 h,過濾后采用電導率儀測定。

1.2.3 計 算

氨揮發速率(P,mg/d)=滴定時標準酸的摩爾濃度(mol/L)×[滴定時消耗標準酸體積(mL)-空白滴定時消耗標準酸體積(mL)]×14.0/每次滴定間隔天數。

總氨揮發量(Q,mg)=∑每次滴定氨揮發量。

1.3 數據處理

數據采用SPSS 23.0統計軟件對所測數據進行單因素方差分析(One-way ANOVA),不同處理之間采用Duncan’s法進行多重比較(P<0.05),采用Pearson法分析相關性。利用Origin 2021軟件進行折線圖的繪制。

2 結果與分析

2.1 不同改性棉稈炭對灰漠土氮肥氨揮發速率及總量的影響

研究表明,所有處理在試驗初期均呈現波動趨勢,后期逐漸趨于穩定。土壤主要氨揮發階段集中出現在施肥之后的1～8 d,土壤氨揮發速率表現為先上升后降低的趨勢。在低量(200 mg/kg)和高量(400 mg/kg)氮肥施用量下,不同改性棉稈炭對灰漠土氮肥氨揮發率存在差異。在N0的條件下,施肥后第 6 d,TBC、未改性炭氨揮發速率已經為0,味精廢液改性炭在施肥后第7 d達到氨揮發速率最大值(0.074 mg/d);木醋液改性炭和酒石酸改性炭在施肥后第5 d達到揮發速率最大值(0.010 mg/d);在N200的條件下,相比于未改性炭,味精廢液改性炭加快了氨揮發速率,木醋液改性炭及酒石酸改性炭降低了氨揮發速率。TBC在施肥后第7 d達到揮發速率最大值(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達到揮發速率最大值(0.045、0.070和0.056 mg/d);味精廢液改性炭在施肥后第4 d達到揮發速率最大值(0.293 mg/d)。在N400的條件下,相比于未改性炭,味精廢液改性炭和木醋液改性炭加快了氨揮發速率,酒石酸改性炭降低了氨揮發速率。TBC在施肥后第8 d達到揮發速率最大值(0.140 mg/d);未改性炭和木醋液改性炭處在施肥后第7 d達到揮發速率最大值(0.302和0.317 mg/d);味精廢液改性炭在施肥后第4 d達到揮發速率最大值(0.588 mg/d);酒石酸改性炭在施肥后第7 d達到揮發速率最大值(0.115 mg/d)。圖1

圖1 不同改性棉稈炭下灰漠土氨揮發速率變化

在N0條件下, A0(0.356 mg)土壤氨揮發總量最多,其余處理均低于0.01 mg;在N200條件下,土壤氨揮發總量表現為A200(1.876 mg)>W200(0.622 mg)>J200(0.528 mg)>T200(0.481 mg)>M200(0.416 mg);在N400條件下,土壤氨揮發總量表現為A400(3.174 mg)>M400(1.757 mg)>W400(1.648 mg)>T400(0.978 mg)>J400(0.791 mg)。

隨著氮肥添加量的增加,氨揮發總量也增加。與不添加棉稈炭相比,施用未改性炭、味精廢液改性炭顯著增加了土壤氨揮發;而施用M200降低了土壤氨揮發,但二者間差異不明顯,M400顯著增加了氨揮發;J200增加了土壤氨揮發,差異不明顯,J400卻減少土壤氨揮發。圖2

注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同

2.2 不同改性棉稈炭對灰漠土pH及電導率的影響

研究表明,相對于不添加棉稈炭處理,隨著氮添加量的增加,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。味精廢液改性炭處理之間差異不顯著,但是均顯著降低了灰漠土的pH(P<0.05)。施入改性棉稈炭后土壤pH值變化為7.92～7.27。TN400、WN400、AN0、AN200、AN400、JN0和JN400處理的土壤pH值顯著低于CK(不添加棉稈炭)(P<0.05),分別比 CK 下降了3.77%、2.95%、7.35%、7.32%、7.89%、4.37%和2.57%。味精廢液改性炭處理之間施用不同濃度的氮肥,土壤pH值差異不顯著。土壤pH值于AN0處理中達到最低,味精廢液改性炭施不同氮施肥量處理的土壤pH值顯著低于其余所有處理。圖3

圖3 各類改性棉稈炭下灰漠土氨揮發pH變化

相對于不添加棉稈炭處理,隨著氮添加量的增加,未改性炭、木醋液改性炭、酒石酸改性炭的電導率均呈現出隨著氮肥添加量的增加而升高的趨勢。其中味精廢液改性炭的電導率隨著氮肥添加量的增加而顯著增加,增加了1.16～1.49倍。在N0條件下,不同改性棉稈炭的施入灰漠土,使土壤電導率分別提高倍數為6.80(AN0)>1.49(WN0)>1.47(MN0)>1.08(JN0);在N200條件下,灰漠土電導率分別提高倍數為3.83(AN200)>1.26(WN200)>1.19(MN400)>0.97(JN200);在N400條件下,灰漠土電導率分別提高倍數2.84(AN400)>1.16(WN400)>1.12(MN400)>0.97(JN400)。圖4

圖4 各類改性棉稈炭下灰漠土氨揮電導率變化

2.3 不同處理對土壤全氮及有機碳含量的比較

研究表明,施入改性棉稈炭均可提高新疆灰漠土全氮含量。將不同改性棉稈炭與氮肥共同施入后土壤全氮含量為0.41～0.85 g/kg。施氮肥以后較不添加棉稈炭的處理組(CK)全氮含量下降;未改性炭全氮含量隨施氮量的增大而增大,但與CK相比,兩者差別不大;味精廢液改性炭全氮含量最高,均顯著高于CK(P<0.05)。味精廢液改性炭配施氮肥處理之間無顯著差異(0.82、0.84和0.85 g/kg),分別比CK升高了 73.65%、79.25%和81.95%;MN0和MN400差異不顯著(0.69和0.68 g/kg),均顯著高于CK(P<0.05),MN200與CK差異不顯著;酒石酸改性炭隨著氮肥含量的增加,全氮含量也隨之增加,但JN0、JN200與CK全氮含量相差不大無顯著差異,JN400土壤全氮含量顯著高于對照組(P<0.05),JN200、JN400土壤全氮含量分別比對照升高了 27.41%和42.05%。圖5

圖5 各類改性棉稈炭下灰漠土全氮含量變化

改性炭與氮肥施入土壤后,有機炭含量為4.64～13.9 g/kg。與基礎土壤有機碳含量(4.64 g/kg)相比,添加不同處理的棉稈炭均顯著增加了土壤有機碳含量。WN200、WN400、MN200、JN0、JN400處理的土壤有機炭含量顯著高于 TN0(P<0.05),分別比TN0升高了148.16%、197.54%、188.3%、199.43%和180.56%。同一種改性棉稈炭處理,施入不同的氮肥,土壤有機炭含量無顯著差異,(WN200和WN400,AN0和AN200無顯著差異)。不同改性炭之間存在差異性,隨著氮肥濃度的增加,未改性炭和味精廢液改性炭有機碳含量呈現增加的趨勢,而木醋液改性炭與酒石酸改性炭有機碳含量并無規律性的變化。圖6

圖6 各類改性棉稈炭下灰漠土有機碳含量變化

2.4 灰漠土氮肥氨揮發與土壤特性相關性

研究表明,將改性棉稈炭施入土壤后,分析土壤的pH、電導率、全氮含量、有機碳與氨揮發總量的相關關系。改性炭的氨的揮發總量與土壤pH呈負相關,說明將改性炭施入土壤后,降低土壤的pH會促進土壤的氨揮發。其次,氨揮發總量與電導率呈現極顯著正相關,且與全氮含量呈現正相關,加入不同改性棉稈炭提高了土壤的全氮含量、電導率會增加土壤氨的揮發。有機碳含量對氨揮發有著促進的作用,但不顯著。表2

表2 施用改性棉稈炭后土壤pH、電導率、全氮含量、有機碳與氨揮發總量的相關關系

3 討 論

4 結 論

4.1添加尿素各處理氨揮發累積量和氨揮發累積速率均高于 CK 處理。 61 d內,土壤氨揮發速率先逐漸增加,約6～8 d出現峰值,之后迅速下降,最后趨于平穩狀態。在N200條件下,木醋液改性炭有效降低氨揮發累積量,降低了0.065 mg;在N400條件下,酒石酸改性炭有效降低氨揮發累積量,降低了0.187 mg。這兩種改性炭在減少氨揮發總量及氨揮發速率方面效果最佳。

4.2短期添加不同酸改性棉稈炭介入下,對灰漠土的pH、電導率、全氮含量、有機碳含量具有不同影響。改性生物炭均可以降低灰漠土pH高的特性,較CK相比,AN200和AN400降低程度最大,降低幅度分別為7.32%和7.89%。味精廢液改性炭的全氮含量最高,較CK相比,提高了 73.65% ～ 81.95%。有機碳含量均顯著增加,較CK相比,提升了148.16% ～ 180.56%。

4.3氨揮發總量與土壤電導率存在極顯著正相關關系(P< 0.01),相關系數在0.708;與全氮含量存在顯著正相關關系(P< 0.05),相關系數在0.64;與pH呈現呈現顯著負相關關系(P< 0.05),相關系數在0.631;與有機碳含量相關性不明顯。