PDF《生物炭添加比例及冻融对沟渠土壤氮素淋失的影响》

第39 卷第

4 期2019 年4月环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae Vol.

39,No.4 Apr.,

2019 收稿日期:2018?09?19 修回日期:2018?11?02 录用日期:2018?11?02 基金项目: 国家自然科学基金 ( No. 41471396,41771496);

国家自然科学基金青年科学基金 ( No. 41701559);

中国博士后科学基金 ( No. 2016LH0002,2017M620890) 作者简介: 邬真真(1992―),女,E?mail:wzz204461653@ 163.com;

?责任作者,E?mail:chg@ bnu.edu.cn DOI:10.13671 / j.hjkxxb.2018.0417 邬真真,程红光,王建童, 等.2019.生物炭添加比例及冻融对沟渠土壤氮素淋失的影响生物炭添加比例及冻融对沟渠土壤氮素淋失的影响[J]. 环境科学学报,39(4):1295?1302 Wu Z Z,Cheng H G,Wang J T, et al. 2019.Effects of biochar addition rate and freeze?thaw cycles on soil nitrogen leaching in agricultural ditches [J]. Acta Scientiae Circumstantiae,39(4):1295?1302 生物炭添加比例及冻融对沟渠土壤氮素淋失的影响 邬真真1 ,程红光1,? ,王建童2 ,程千钉1 ,路路3 ,孙海旭1 1. 北京师范大学环境学院,北京

100875 2. 太极计算机股份有限公司,北京

100102 3. 中国科学院地理科学与自然资源研究所,北京

100101 摘要:三江平原大规模集约化农业生产活动破坏了土壤养分平衡,加快了营养物质输移过程,而沟渠土壤中高有机物含量有利于营养元素的化 学循环.为了研究冻融过程及添加不同比例生物炭对沟渠土壤氮素淋失的影响效果,本研究采用室内土柱模拟淋溶方法,探究了冻融过程及添 加不同比例生物炭土壤对淋溶液中铵态氮(NH+

4 ?N)和硝态氮(NO-

3 ?N)淋失量的影响规律.实验采用

400 ℃ 烧制的玉米秸秆生物炭,分别按照 炭土质量比

0、0.75%、1.50%、3.00%的比例施用于沟渠土壤中.结果表明:施加生物炭加快了溶液的淋溶速率;

施加生物炭能够增加土壤对氮素 的固持,且不同配比生物炭的土壤对铵态氮的固持能力优于硝态氮,添加 0.75%生物炭的土壤对硝态氮表现出较好的固持能力;

冻融条件下土 壤氮素的淋失有所增加,生物炭对氮素的固持能力随着冻融次数的增加也有所降低,在本实验中,当冻融频次为

1 时,冻融过程对生物炭固持 土壤氮素能力的抵消作用最大. 关键词:冻融;

生物炭;

氮淋失;

铵态氮;

硝态氮 文章编号:0253?2468(2019)04?1295?08 中图分类号:X171 文献标识码:A Effects of biochar addition rate and freeze?thaw cycles on soil nitrogen leaching in agricultural ditches WU Zhenzhen1 ,CHENG Hongguang1,? ,WANG Jiantong2 ,CHENG Qianding1 ,LU Lu3 ,SUN Haixu1 1. School of Environment, Beijing Normal University, Beijing

100875 2. Taiji Computer Corporation Limited,Beijing

100102 3. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing

100101 Abstract: Intensive agricultural activities have altered soil nutrient balance in the Sanjiang plain, leading to subsequent accelerated nutrient transport. However, the high organic matter content in ditch soil is beneficial to chemical cycles of nutrient elements. In order to elucidate effects of freeze?thaw processes and different biochar addition rates on soil nitrogen leaching in agricultural ditches, this study conducted laboratory soil column leaching experiments and characterized leaching of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen. Corn-stalk biochar, obtained at

400 ℃ , was applied to soil collected from the depth of

0 ~

20 cm in drainage ditch using biochar/ soil ratio of 0, 0.75%, 1.50%, and 3.00%. The results showed that, biochar addition accelerated solution leaching and facilitated nitrogen retention in soils. ammonium nitrogen retention in soils with biochar addition at different rates was greater compared with nitrate nitrogen. The greatest nitrate nitrogen retention was observed in soils inclusive of 0.75% biochar. Soil nitrogen leaching increased after enduring freeze?thaw cycles. Nitrogen retention in soils with biochar addition reduced with increasing frequency of freeze?thaw cycles, decrements being negatively correlated with the number of times of freeze?thaw cycles. The magnitude of soil nitrogen retention reduction was greatest after one freeze?thaw cycle. Keywords: freeze?thaw;

biochar;

nitrogen leaching;

ammonium nitrogen;

nitrate nitrogen

1 引言(Introduction) 氮淋溶是农田土壤中氮素损失的重要途径之 一,同时,淋溶损失也是导致地下水硝态氮污染的 重要原因(串丽敏等,2010).沟渠作为农业污染源与 水体之间的缓冲过渡区,能够通过土壤吸附、植物 环境科学学报39 卷 吸收、生物降解等一系列自然净化机制降低非农田 系统中氮、磷污染物的含量,在农业非点源氮素污 染控制及农业景观水质保护中起着重要作用(张燕 等,2012).Luo 等(2009)的研究发现,沟渠底泥中富 含有机质,团粒结构好,吸附能力强,且在底泥中生 长的微生物种类和数量多,有助于其吸附、降解污 染物.有研究表明,提高沟渠湿地特性可以减少农业 景观 对相邻水生生态系统的养分流失(Cooper et al.,2002;

Moore et al.,2010;

Kr?ger et al.,2011;

Baker et al.,2015).因此,如何加强农业区排水沟渠 的调控和管理,结合新技术减少氮素淋溶损失,是 我国治理农业氮素污染的重要方向.近年来,利用生 物炭来改良土壤进而减少养分淋失的研究日益增 多(Ding et al.,2010;

Laird et al.,2010;

Galvez et al., 2012),生物炭能够减少土壤中氮素淋失的结论也 已得 到广泛认可(刘玉学, 2011;

邢英等, 2011;

Dempster et al.,2012). 生物炭是作物秸秆等有机物质及其衍生物在 无氧条件下碳化的产物,它能够改善土壤质量、保 持土 壤肥力(Lehmann et al., 2003;

Hayes, 2006;

Woods et al.,2006;

Lehmann et al.,2007).研究发现, 添加生物炭能够提高土壤对氮素的固持能力(刘玮 晶等, 2012;

Kameyamal et al., 2012;

刘玉学等, 2015).不同生物炭使用量对土壤氮素淋失的抑制效 果不同(周志红等,2011),生物炭的制备材料、炭化 温度等因素也影响着生物炭对土壤氮素的固持能 力.相关研究表明,生物炭在

300 ~

400 ℃ 条件下热 解速率最快、质量损失最大,在400 ℃以上热解比较 完全,且生物炭灰分随热解温度的升高而升高,其 芳香化程度亦随之提高(林肖庆等, 2016).同时,生 物炭对土壤持氮能力的影响还与土壤性质有关,包 括土 壤的pH 值、 孔隙大小等因素(周志红等, 2011).玉米秸秆作为三江平原主要的农业生物质废 弃物,其归宿也一直是该地区的主要问题.将这些生 物质废弃物热解为生物炭并作为土壤吸附剂是一 种值得研究的利用途径(Cheng et al.,2018).目前, 我国东北粮食产区逐渐开始采用生物炭技术来缓 解土壤中氮素的流失问题. 冻融交替是土壤在大气季节或昼夜温差下发 生的反复 冻结?融化 过程,是一种土壤热量动态 表现形式(孙辉等,2008).三江平原位于我国东北地 区,存在着明显的季节性冻融过程,冻结期长达 7~8 个月.由于集约化农业活动,三江平原水系氮污染问 题日益严重,冻融交替对农田氮素输出过程影响的 研究也逐渐增多.研究表明,频繁的冻融交替会使土 壤水分经历多次 液相?固相 转变,打破土壤原有 物理结构和化学性质,促进有机质分解和氮素供应 (Freppaz et al.,2007).冻融过程能够影响土壤的理 化性质( 贾国晶等,2012) 及微生物的生存和繁殖 (谭波等,2011;

隽英华等,2015),从而改变土壤氮 素的矿化和固定过程(Henry et al.,2007),影响土壤 固持氮素的能力.受全球变暖的影响,土壤冻融循环 格局的改变具有很大的可能性(陈哲等,2016),而 土壤氮素淋溶特征在很大程度上受冻融格局的影 响,因此,冻融循环次数、冻融速率和冻融强度等因 素的改变使东北地区黑土氮素淋失过程存在很大 的不确定性(Gardenas et al.,2011).同时,生物炭对 东北季节性冻融条件下土壤固持氮素能力的影响 亦需继续探索. 本研究选择东北沟渠土壤作为实验对象,开展 室内土柱模拟淋溶实验,研究土壤添加不同比例生 物炭对土壤中不同形态氮素淋失的影响规律,并进 一步探讨在冻融交替条件下添加生物炭对两种形 态氮素淋失的影响效果,总结不同冻融频次对添加 生物炭的土壤固持氮素能力的影响规律.以期拓展 生物炭的应用方向,提升农田沟渠对农业氮污染的 阻控效果,为减少三江平原农田氮素流失提供参考.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 实验材料 2.1.1 供试土壤 供试土壤采自三江平原阿布胶 河流域八五九农场(47°26′~47°41′N,134°11′~134° 12′E).选择具有典型性的水田沟渠,采集沟渠底部 0~20 cm 的土壤约

30 kg.将含水量较高的沟渠土壤 分割成条状,剔除植物残骸和石子,自然风干后,研磨,过2mm 筛,室温下保存.供试土壤的理化性质见 表1. 表1供试土壤理化性质 Table

1 Physical and chemical properties of the soil used in this study pH 总氮/ (g ・ kg-1 ) 铵氮 / (mg ・ kg-1 ) 硝态氮/ (mg ・ kg-1 ) 土壤总炭/ (g ・ kg-1 ) 5.94 1.26 7.23 0.72 12.64 2.1.2 生物炭制备 考虑到生物炭的产量和灰分 成分及实验室实验器材的限制,本研究采用

400 ℃ 作为制作生物炭的最终温度,这样既可以快速制备 生物炭,而且还可使生物炭热解完全,灰分含量低,

6 9

2 1

4 期 邬真真等:生物炭添加比例及冻融对沟渠土壤氮素淋失的影响 性质更加稳定.选择研究区域常见的农田废弃物玉 米秸秆为原材料,在400 ℃厌氧条件下,采用马弗炉 (SX?2?4?10,武汉亚华工业炉有限责任公司)制备生 物炭,其基本属性见表 2. 表2本研究所用生物炭的基本属性 Table

2 Biochar characteristics used in this study pH 值 比表面积 / (m2 ・ g-1 ) 总孔容/ (cm3 ・ g-1 ) 灰分 微孔率 C H N O 9.47 35.7 0.0135 7.32% 39.13% 70.55% 3.92% 0.75% 24.78% 2.2 研究方法 污染物在土壤中淋溶迁移的研究方法主要有 土壤薄层层析法、柱淋洗法和渗漏计法等,本实验 选取柱淋洗法作为实验室内模拟研究的方法,实验 所用土柱由 Hodson 的实验土柱改良而来( Hodson et al., 1999). 2.2.1 实验装置 实验设计的淋溶柱由内径

3 cm、 高40 cm 的密封有机玻璃管制成.底端采用有机玻 璃胶进行密封,顶端采用可拆卸式密封螺旋塞,并 缠绕止水带以防止管口处存在渗漏.为保证淋溶液 正常导入并防止渗滤过程中产生的气压差,在淋溶 柱螺旋塞上留有两个 0.3 cm 内径的导管.填充淋溶 柱时首先在底部依次垫

2 层滤纸、3 层40 目尼龙 纱,再分别装入约

2 cm 的1~3mm 石英砂,形成

2 cm 高的反滤层.其作用是保证土柱充分均匀排水, 防止滞水面的形成及土粒渗流堵塞出水孔.土柱中 主要土壤添加层为

100 g 实验土壤,土柱上下分别 添加

10 g 未添加任何生物炭的原始土壤作为缓冲 层,中间

100 g 土壤作为实验土壤层(将生物质碳与 供试土壤按一定质量比例混合,搅拌均匀后放在可 透气性塑料袋内,在4℃条件下保存至少

7 d,使其 充分混合).填充土壤时将供试土壤分多次均匀严实 地填入柱中,形成高

15 cm 的土壤层.填充过程中严 密且均匀填充使下层土壤接近自然状态下的容重, 并保证各淋溶柱内土壤密度接近.在缓冲层上最后 添加

1 层过

1 mm 筛的石英砂覆盖,再垫

1 层滤纸, 形成初滤层,从而将水量均匀分配到土壤表面.淋溶 液自上而下依次通过初滤层、缓冲层........