生物质炭对高度风化的酸性铁铝土碳氮磷循环及土壤质量的影响研究

【摘要】铁铝土属高度风化的土壤,因地处热带、亚热带,它们具有巨大的生产潜力。然而,由于该类土壤的低pH、高交换性Al3+和缺乏有机质、养分等内在属性及人类对这些土壤的不合理管理,目前全球铁铝土的退化较为严重,肥力质量普遍较低。施用石灰、有机肥和化肥是改良这类土壤和获得作物高产的重要管理措施。中国因耕地资源紧缺,农业生产主要依赖集约经营,通过高量投入化肥及其它农用物资来获得高产,这在一定程度上加剧了这类土壤性质的退化：同时,高投入也造成了农田氮、磷等养分的流失,增加了农田周围地表水和地下水的污染风险。因此,如何发展新技术来保育铁铝土的土壤质量及提高土壤养分的保蓄能力,是预防铁铝土土壤质量退化和促进铁铝土持续利用的重要途径。生物质炭(Biochar)是近年来被农业与环境等领域关注的物质,因其有机碳含量高且稳定性强,比表面积较大,负电荷及电荷密度较高,对土壤养分的吸附能力较强,能够提高土壤有机碳含量,改善土壤理化性状,被众多学者推荐为能同时满足农田固碳和增加土壤养分的改良剂。而铁铝土是中国南方地区肥力较低、酸性较强的土壤类型,比较适合用生物质炭进行改良,以达到提高土壤质量和作物产量的目的。众多研究表明,在土壤中施用生物质炭,可促进土壤有机碳的固定、增加土壤的保肥性和保水性、提高土壤养分的有效性、降低土壤的酸度和重金属的生物有效性,增加作物的产量。但文献报道生物质炭对碳循环的作用有较大的可变性,因生物质炭来源、种类和土壤类型等的不同常有较大的差异。碳、氮、磷的循环是土壤中物质循环的重要组成,它们深受施肥与改良剂应用的影响。为了深入了解施用生物质炭施用对中国南方铁铝土质量的影响,本文选择南方地区广泛分布的第四纪红土母质发育的铁铝土(红壤)和竹炭与木炭等二种生物质炭为试验材料,以土壤碳、氮、磷循环研究为重点,设置了系列模拟试验,开展了施用生物质炭对酸性铁铝土中微生物活性与生物量及群落结构、土壤碳组分和酶活性、土壤氮磷组分和吸附能力及土壤养分有效性与作物(黑麦草)生长等的影响。研究试验中设置了一个对照(不添加生物质炭)和3个生物质炭施用水平(施用量分别为0.5%、1.0%和2.0%)(文中,施竹炭的3个处理分别表示为B05,B10和B20；施木炭的3个处理分别表示为W0.5,W1.0和W2.0)。试验总周期为1年,较全面地分析了土壤物理、化学与生物学性状的变化。通过研究,获得了以下主要结果。1、通过对1、8和16个星期的培养试验土样分析,结果表明土壤pH值、土壤有机碳总量(TOC)和尿酶活性随生物质炭用量的增加呈现显著增加,而酸性磷酸酶活性却随生物质炭用量的增加而下降,后者的下降可能和其活性与土壤pH值呈反相关有关。土壤有机碳含量与尿酶活性呈正相关,这表明有机质在保护尿酶活性方面有重要的作用。土壤中β-糖苷酶活性与可溶性有机碳呈正相关、与C/N比呈负相关,表明有机质的矿化为该酶的作用提供了物质基础。研究发现,生物质炭用量最低土壤中微生物生物量碳、氮和PLFA最高,特别是W0.5处理土壤的细菌、真菌和革兰阳性细菌的相对丰度较高。这些结果表明,施用生物质炭可通过提高土壤pH值、总有机碳、DOC,提高土壤酶活性和微生物生物量及群落多样性,改善酸性铁铝土的土壤肥力水平。2、对培养372天的土壤总有机碳、高锰酸钾可氧化的有机碳(POXC)、轻组分有机碳(LFOC)、水溶性有机碳(WSC)、热水溶性有机碳(HWC)、微生物生物量碳(MBC)、大团聚体(>025mm)、脱氢酶、β-糖苷酶及尿酶活性的分析表明,生物质炭用量最低的土壤(包括W0.5和B05二个处理)具最高的大团聚体及POXC、LFOC、HWC、MBC含量和酶活性。BMC与所有的活性有机碳组分指标、大团聚体含量呈正相关,这表明微生物活性的增加是土壤有机质矿化的结果,后者为大团聚体的形成提供的胶结物质。试验土壤的C/N比与大部分有机碳的活性组分指标和大团聚体呈负相关,这可能是土壤中有效态氮素不足影响了土壤活性有机碳的生成有关,随之影响了大团聚体的形成。与对照土壤比较,W0.5和B05处理土壤有机碳库活度指数(LI,处理土壤的碳库活度与对照土壤的碳库活度的比值,其中碳库活度是指活性有机碳与非活性有机碳的比值)分别增加了4%和6%；而施用生物质炭后土壤碳库管理指数(CMI,反映土壤有机碳含量及活性有机碳比例的综合指标)增加了50%-268%,这表明施用生物质炭大大促进了土壤碳的固定。但施用生物质炭提高CMI主要与碳的固定有关,受活性有机碳的提高影响较小。这些研究结果认为,施用生物质炭可促进铁铝土有机碳含量,提高土壤微生物活性,随而增加了土壤中大团聚体数量、提升土壤质量。3、生物质炭的施用也可影响土壤中氮、磷的化学形态及土壤对氮的吸附行为。对培养4个月的土壤中NO3-N、NH4+-N和有机N等氮素形态分析表明,随着生物质炭用量的增加,土壤中NH4+-N浓度有所下降,NH4+-N浓度以对照土壤为最高(6.31mgkg-1),这表明施用生物质炭可导致土壤NH4+-N的下降。土壤中N03–N含量以生物质炭施用量较低的处理为最高,其中B0.5处理的土壤中为最高(98.61mgkg-1)。土壤全氮与有机态氮的含量呈正相关(r=0.99***),这表明在施用生物质炭的情况下土壤氮素主要以有机态氮形态积累。对土壤磷素化学形态的分级表明,土壤全磷与残余态磷呈正相关(r=0.86,***),表明了施用生物质炭可促进土壤中残余态磷的形成。有效态磷(NaHCO3-P)和潜在有效态磷(NaOH-P)含量与土壤微生物生物量碳呈现显著的正相关(r=0.58**和0.73***,),表明生物质炭可通过改善微生物生存环境,促进磷素循环,提高土壤磷素有效性。吸附试验表明,生物质炭可提高土壤对NH4+-N和N03–N的吸附,其中竹碳比木炭具有对NH4+-N和N03-N更强的吸附作用,土壤对氮素的吸附能力随生物质炭用量的增加而增加。但施用生物质炭对土壤吸附磷的影响不明显。4、生物试验表明,虽然竹炭与木炭制备温度相同,它们的pH值、碳含量和形态特征比较接近,但它们对作物生长的影响却存在着一定的差异。分析表明,木炭具有较高的比表面积、孔度和含氧基团,这些非养分属性的土壤性质也可改善被改良土壤的容重、持水性能和阳离子交换量。而竹炭具有较高的养分含量,其能提供土壤较多的养分。试验结果表明,应用生物质炭可提高酸性铁铝土的有机碳、pH值CEC、盐基饱和度、持水能力,降低土壤酸度和交换性Al3+和容重,从而改善了黑麦草生长环境,提高土壤肥力质量。主成分分析结果表明,在众多的土壤性质中,试验土壤的有效N、有效P与黑麦草地上部分生物量之间的相关性最为显著,认为氮素和磷素是决定试验土壤生产性最重要的因素。结果还表明,施用竹炭比施用木炭更能促进作物生长,施用竹炭土壤上生长的黑麦草地上和地下的生物量、养分的吸收都明显高于木炭,这可能与竹炭比木炭具有更多的内在养分有关。结果认为,生物质炭中养分性状对作物生长的影响比非养分性状的影响更为明显。总之,试验结果表明,施用生物质炭可显著提高酸性铁铝土的土壤质量,促进农作物的生长。本试验的初步结果表明,生物质炭用量以0.5%为宜。然而,本研究获得的生物质炭施用对土壤碳氮磷循环的影响和对作物生长的影响的结果主要基于短期的室内试验,还需要通过进一步的田间长期试验进行验证。
【作者】WalelignDemisieBayou；
【导师】章明奎；
【作者基本信息】浙江大学，土壤学，2014，博士
【关键词】生物质炭；酶活性；微生物生物量；活性有机碳；碳库管理指数；氮形态；磷组分；吸附作用；土壤质量；黑麦草；

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