張水清，張博，，岳克，孫贇，張秀玲，林杉，黃紹敏

（1.河南省農業(yè)科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，鄭州 450002；2.華中農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，武漢 430070）

生物質炭主要指生物質材料在缺氧或絕氧條件下，經高溫熱解炭化后生成的含碳豐富的固體有機物質[1]，因其在土壤固碳減排方面具有出色表現(xiàn)而受到廣泛關注[2]。大量研究結果表明，生物質炭獨特的理化性質在土壤改良中發(fā)揮著關鍵作用，如生物質炭具有較大的比表面積和大量孔隙，能增加土壤通氣性[3]，生物質炭pH 值和陽離子交換量較高，能顯著改良酸化土壤[4]，同時其較強的吸附礦質氮能力在提升土壤肥效方面也具有突出效果，這對控制土壤氨揮發(fā)也具有潛在作用[5-6]。

氨揮發(fā)是氮肥氣態(tài)損失的主要途徑之一，可占當季農田施氮量的1%～47%[7]。由于受土壤類型、氣候及農業(yè)管理措施等因素的影響，不同農田氨揮發(fā)的差異較大[8]。有研究表明，在華北平原小麥-玉米輪作體系中，小麥季氨揮發(fā)損失量約占小麥季施氮總量的17.8%[9]。農田過高的氨揮發(fā)損失不僅會降低作物氮肥利用率，還會導致大氣污染和農業(yè)面源污染[10]。有研究表明，生物質炭由于其特有的官能團結構，對土壤中的礦質氮有較強的吸附能力，從而有效減少土壤中氮肥的揮發(fā)損失[11]。董玉兵等[12]研究也認為，施用一定量的生物質炭顯著降低了水稻土氨揮發(fā)總量，與對照相比，氨揮發(fā)累積量減少了36.6%。Mandal 等[13]在林地土壤中的研究也得到了相似的結果。但也有研究者發(fā)現(xiàn)施用生物質炭會顯著提高土壤pH，進而促進土壤氨揮發(fā)[14-15]。例如，趙進等[16]通過長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，在石灰性潮土中施用生物質炭顯著促進了潮土氨揮發(fā)損失，增幅達到102%。聶新星等[17]研究表明施用生物質炭會降低土壤容重，增強土壤通氣性，也會促進氨揮發(fā)。這些研究表明，土壤類型不同是造成生物質炭對土壤氨揮發(fā)影響存在差異的主要原因。華北平原是我國第二大平原，土壤類型多樣，其中水稻土、砂姜黑土、褐土和潮土為4種典型的土壤類型，占整個華北平原耕地面積50%以上。有關華北平原氨揮發(fā)研究主要集中于水肥管理模式的優(yōu)化改良方面[18-19]，而生物質炭對土壤氨揮發(fā)影響的研究較少，該地區(qū)土壤條件是否適合添加生物質炭以減少氨揮發(fā)尚不清楚。為此，本研究開展野外微區(qū)試驗，探究生物質炭對華北平原4種典型土壤氨揮發(fā)的影響，明確生物質炭對這4種土壤氨揮發(fā)的影響規(guī)律，以期為減少該地區(qū)農業(yè)源氨排放提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況及試驗材料

試驗點位于國家土壤質量新鄉(xiāng)觀測實驗站（35°00′28.43″N，113°41′47.66″E），位于黃河北岸新鄉(xiāng)市平原新區(qū)河南現(xiàn)代農業(yè)研究開發(fā)基地內，該地區(qū)屬于北溫帶大陸性季風氣候，全年平均氣溫15.6 ℃，平均降雨量542.15 mm，無霜期209 d，全年日照時間約1 869.7 h。

本試驗選取華北平原4 種典型土壤，分別為水稻土、砂姜黑土、褐土、潮土。土壤基本理化性質見表1。供試生物質炭由河南三利新能源公司生產，生物質炭由花生殼在500 ℃高溫厭氧條件下熱解4 h 制得，有機碳含量647.16 g·kg-1，碳氮比為42.52，pH 為9.16。

1.2 試驗設計

本試驗為田間微區(qū)試驗，水稻土、砂姜黑土、褐土及潮土4 種土壤分別從河南省信陽市潢川縣、河南省駐馬店市西平縣、河南省禹州市及河南省新鄉(xiāng)市平原新區(qū)采集至試驗基地內。試驗小區(qū)面積為1 m2，上層土壤為新采集的不同類型土壤，厚度為35 cm，下層為原有土壤（砂質潮土），各小區(qū)之間用1 m 深水泥板隔開，采用隨機區(qū)組排列。試驗設置4 個處理：不施肥（CK）、單施化肥（NPK）、施用生物質炭（BC）、化肥配施生物質炭（BC+NPK），每個處理3 次重復，共48 個小區(qū)。每個小區(qū)生物質炭施用量為22.5 t·hm-2，施肥前均勻混入土壤?；史謩e為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，施用量分別為純N 82.5 kg·hm-2、P2O582.5 kg·hm-2、K2O 82.5 kg·hm-2。

表1 試驗土壤基本理化性質Table 1 Physicochemical properties of the experimental soil

2017年10月16日播種小麥，播種量約為150 kg·hm-2，行距23 cm，當日對土壤進行翻耕施入化肥，深度為5 cm。

1.3 測定方法

土壤氨揮發(fā)測定采用海綿通氣法[20]。氨揮發(fā)收集裝置為有機玻璃材質，內徑為15 cm，高度為30 cm。試驗前將收集裝置插入土壤中，深度為5 cm。用厚度為2 cm、直徑為15 cm 的海綿均勻地浸以15 mL 磷酸甘油并置于距管底15 cm 處，用來吸收土壤揮發(fā)的氨。另用3 cm 厚海綿均勻浸以30 mL 磷酸甘油，置于與管頂部齊平處，用來隔絕空氣中的氨。為防止降雨等對測定結果的影響，在裝置頂部支起一個半徑大于收集裝置的頂蓋。每個取樣日上午9：00 開始收集海綿，將下層海綿裝入自封袋中密封，同時換上剛浸好磷酸甘油的海綿，上層的海綿視其干濕情況3～7 d 更換一次。樣品取完后，將裝置更換位置重新放置，開始下一次田間吸收。收集的海綿帶回實驗室，用50 mL 1 mol·L-1的KCl 溶液反復按壓，保證海綿充分浸潤，靜置30 min后，收集海綿內溶液并過濾，采用德國Seal Analytical AA3 流動分析儀測定濾液中的銨態(tài)氮含量。

氨揮發(fā)測定于施肥后第1、3、5、9、13、18、25、35、43、56、72、93 d進行，氨揮發(fā)采樣的同時記錄土溫，并采集土壤表層（0～20 cm）樣品，測定礦質氮含量和pH值。

圖1 試驗期間氣溫和降雨量的日變化情況Figure 1 Diurnal variation of temperature and precipitation during the experimental period

土壤礦質氮用1 mol·L-1的KCl溶液浸提過濾（水土質量比5∶1），用德國Seal Analytical AA3 流動分析儀測定。土壤pH值采用2.5∶1水土質量比，電位計法測定。土壤機械組成、容重、全氮、有效磷、速效鉀采用實驗室常規(guī)方法測定。

氣象資料由試驗地氣象設備（Watchdog，美國）收集所得，試驗期間氣象信息如圖1所示。

1.4 數據計算與統(tǒng)計分析

氨揮發(fā)速率按公式（1）計算：

式中：F為土壤氨揮發(fā)速率，kg N·hm-2·d-1；C為海綿中銨態(tài)氮（）含量，mg；S為收集裝置橫截面積，m2；D為裝置收集天數，d。氨揮發(fā)累積量（kg N·hm-2）由每次采樣氨揮發(fā)速率和收集天數乘積之和計算獲得。

氨揮發(fā)損失率為氨揮發(fā)累積量與施氮量的比值乘以100%。

土壤孔隙含水率按公式（2）計算：

式中：WFPS 為土壤孔隙含水率，%；Wg為土壤質量含水率，%；BD 為土壤容重，g·cm-3；2.65 為土壤密度，g·cm-3。

采用Excel 2010 處理數據，SPSS 22 進行單因素方差分析（ANOVA）、多重比較和相關性分析，顯著性水平設置α=0.05，Origin 9.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤氨揮發(fā)

2.1.1 土壤氨揮發(fā)速率變化

圖2 施肥后土壤氨揮發(fā)速率動態(tài)變化Figure 2 Temporal variation of ammonia volatilization flux after fertilization

4 種土壤氨揮發(fā)速率變化趨勢如圖2 所示，其中NPK與BC+NPK 處理，氨揮發(fā)速率隨施肥后時間的延長均出現(xiàn)一個峰值，水稻土在第5 d達到峰值，其他土壤均在第3 d 達到峰值，潮土NPK 處理的揮發(fā)峰值最大，為0.27 kg N·hm-2·d-1，水稻土BC+NPK 處理揮發(fā)峰值最小，為0.11 kg N·hm-2·d-1，4 種土壤NPK 處理氨揮發(fā)速率峰值表現(xiàn)為潮土＞砂姜黑土＞褐土＞水稻土，而BC+NPK 處理表現(xiàn)為潮土＞褐土＞砂姜黑土＞水稻土，均為潮土最高，水稻土最低。到達峰值后氨揮發(fā)速率開始逐漸降低，水稻土在第18 d降低至平穩(wěn)狀態(tài)，而其他土壤均在第9 d 趨于平穩(wěn)。4 種土壤的CK和BC 處理氨揮發(fā)速率均無較大變化，基本維持在0.01～0.05 kg N·hm-2·d-1之間。

比較NPK 與BC+NPK 處理可以看出，4 種土壤中除了褐土以外，其他土壤添加生物質炭均降低了氨揮發(fā)速率峰值，但只在潮土中達到顯著水平（P＜0.05），其他土壤均不顯著。

2.1.2 土壤氨揮發(fā)累積量比較

如表2所示，4種土壤CK 和BC 處理中，水稻土氨揮發(fā)累積量均最低，分別為1.66 kg N·hm-2和1.73 kg N·hm-2，均顯著低于其他3 種土壤；潮土氨揮發(fā)累積量最高，分別為2.53 kg N·hm-2和2.83 kg N·hm-2。NPK 和BC+NPK 處理仍表現(xiàn)為潮土氨揮發(fā)累積量最高，分別達到了4.00 kg N·hm-2和3.41 kg N·hm-2；NPK處理在水稻土中最低，為2.70 kg N·hm-2；BC+NPK 處理在砂姜黑土中最低，為2.66 kg N·hm-2。從氨揮發(fā)損失率來看，潮土損失率最高，NPK 和BC+NPK 處理損失率分別為4.9% 和4.1%，其他土壤損失率在3.2%～3.8%之間。

表2 土壤氨揮發(fā)累積量和損失率Table 2 Cumulative ammonia volatilization（CAV）and loss rate from soil

比較4 種土壤CK 與NPK 處理可以發(fā)現(xiàn)，施肥均顯著增加了4 種土壤氨揮發(fā)累積量，增幅為26.6%～62.7%，同樣在BC 與BC+NPK 處理中，BC+NPK 處理也顯著增加了土壤氨揮發(fā)累積量，增幅為20.5%～60.7%，且均表現(xiàn)為水稻土中增幅最高。對比NPK 與BC+NPK 處理發(fā)現(xiàn)，添加生物質炭會顯著降低了砂姜黑土和潮土氨揮發(fā)，降幅分別為15.3%和14.8%。單施生物質炭顯著促進了褐土氨揮發(fā)，而對其他土壤作用不顯著。多因素方差分析結果表明，土壤類型對氨揮發(fā)具有極顯著的影響（P＜0.001），生物質炭和化肥的交互作用對土壤氨揮發(fā)影響顯著（P＜0.05），但生物質炭單獨作用效果不明顯，且其他交互作用均不顯著。

2.2 土壤理化性質

2.2.1 土壤礦質氮含量變化

與氨揮發(fā)速率變化趨勢相似，4 種土壤NPK 和BC+NPK 處理在施肥后礦質氮含量均有明顯升高（圖3），除了水稻土施肥后在第9 d達到峰值外，其他土壤均在第5 d 達到峰值，之后土壤礦質氮含量逐漸下降并趨于穩(wěn)定。4 種土壤的NPK 和BC+NPK 處理在峰值處礦質氮含量都表現(xiàn)為褐土最小，分別為27.01 mg·kg-1和23.17 mg·kg-1，而砂姜黑土最高，分別為38.25 mg·kg-1和31.13 mg·kg-1。

此外，從圖3 可以明顯看出4 種土壤中BC+NPK處理礦質氮含量均低于NPK，表明添加生物質炭可以有效降低土壤中礦質氮含量，水稻土、砂姜黑土、褐土、潮土分別降低了19.4%、21.2%、14.2%、23.9%，潮土中降幅最大，降低了8.97 mg·kg-1。而4 種土壤CK和BC 處理土壤礦質氮含量變化較小，在5.00～14.10 mg·kg-1之間，平均含量分別為7.74 mg·kg-1和8.08 mg·kg-1，處于較低水平。

圖3 施肥后土壤礦質氮含量動態(tài)變化Figure 3 Temporal variation of soil mineral nitrogen content after fertilization

2.2.2 土壤pH的變化

本試驗pH 值變化情況如表3 所示。分別對4 種土壤的BC與CK處理進行對比發(fā)現(xiàn)，添加生物質炭均能顯著提升土壤pH，水稻土、砂姜黑土、褐土、潮土分別提升了0.73、0.81、0.44、0.25 個單位，潮土受生物質炭影響最弱，而水稻土和砂姜黑土受其影響較大。在NPK 和BC+NPK 中也表現(xiàn)出同樣的變化規(guī)律，水稻土、砂姜黑土、褐土、潮土分別提升了0.84、0.70、0.46、0.25 個單位，均達到顯著水平。另外值得注意的是，施用化肥降低了4 種土壤pH 值，水稻土、砂姜黑土、褐土、潮土分別降低了0.20、0.03、0.13、0.13 個單位，除砂姜黑土以外的3 種土壤均達到顯著水平，這表明施用化肥是導致土壤酸化的重要因素之一。而比較BC+NPK 和CK 處理可以看出，pH 有顯著提升，生物質炭在改善土壤酸化方面具有良好的應用效果。

表3 土壤pH值變化情況Table 3 The changes in soil pH value

2.2.3 土壤溫度的變化

試驗期間土壤溫度隨氣溫而變化，初期土壤溫度較高，在15 ℃左右，約20 d 之后開始下降，在12 月底最低，約為0 ℃（圖1）。添加生物質炭對土壤溫度的影響較大（表4），4 種土壤添加生物質炭日均土溫分別提升0.29、0.20、0.43、0.30 ℃，對水稻土、褐土和潮土的影響達到顯著水平。

2.3 氨揮發(fā)與土壤理化性質的關系

相關性分析（表5）表明，4 種土壤氨揮發(fā)速率與土壤礦質氮含量、土壤溫度均呈顯著正相關，且礦質氮的相關系數更大，表明土壤礦質氮含量與氨揮發(fā)速率的聯(lián)系更加緊密。同一土壤氨揮發(fā)速率與土壤pH相關性不顯著，主要是因為土壤pH 變化較小。但對于不同土壤而言，pH 是造成氨揮發(fā)總量差異的主要因素。4 種供試土壤相同處理的氨揮發(fā)累積量與土壤pH 回歸分析結果（圖4）表明，4 個處理氨揮發(fā)累積量與pH均呈顯著正相關。

表4 生物質炭處理的土壤日均溫度（℃）Table 4 Daily soil temperature with or without biochar（℃）

表5 土壤氨揮發(fā)速率與土壤理化性質的相關性（r）Table 5 Correlation between soil ammonia volatilization rate and soil properties（r）

3 討論

施肥是影響土壤氨揮發(fā)的重要因素，尿素等化學氮肥在進入土壤后，在脲酶的作用下會迅速水解，使土壤礦質氮含量升高，加速土壤氨揮發(fā)損失[21]。研究表明，土壤大量氨揮發(fā)損失發(fā)生在施肥后1 周內，之后迅速下降，一般在施肥后20 d 左右降至自然水平[22]。本研究中，土壤礦質氮含量和氨揮發(fā)速率分別在施肥后5～9 d 和3～5 d 內達到峰值，氨揮發(fā)速率在9～18 d 后趨于平穩(wěn)。潮土是4 種土壤中氨揮發(fā)損失率最高的土壤，損失率達4.9%，而水稻土最低，損失率為3.3%，這與4 種土壤自身理化性質差異密切相關。已有研究表明，土壤pH、有機質含量以及土壤機械組成等因素都會影響土壤氨揮發(fā)速率，其中土壤pH是調控與NH3轉化反應體系的主導因子，是影響農田土壤氨揮發(fā)的重要因素[23]，pH 過高會促進土壤中向NH3的轉化；而有機質和黏粒含量高的土壤則可以有效吸附土壤溶液中的，降低土壤銨態(tài)氮含量，從而減少土壤氨揮發(fā)排放[24-25]。本試驗中，與其他3 種土壤相比，潮土有機質與黏粒含量最低，pH 最高（pH=8.14），導致潮土氨揮發(fā)損失最為嚴重；相反，水稻土pH 最低（pH=5.82），有機質與黏粒含量相對較高，土壤氨揮發(fā)損失最低。

圖4 土壤pH與氨揮發(fā)累積量的線性回歸分析Figure 4 Linear regression analysis of soil pH and ammonia volatilization

生物質炭可以通過改變土壤理化性質影響土壤氨揮發(fā)。本研究中，生物質炭在4 種土壤中的影響各不相同，生物質炭在水稻土、褐土、潮土中都表現(xiàn)出促進土壤氨揮發(fā)的作用，而在砂姜黑土中減少了氨揮發(fā)。不施肥處理限制了土壤礦質氮含量，所以環(huán)境因素是影響氨揮發(fā)的關鍵，添加生物質炭顯著促進了水稻土、褐土、潮土的日均土溫（表4），同時土壤溫度與土壤氨揮發(fā)呈顯著正相關（表5），導致氨揮發(fā)增強。倪康等[26]通過潮土長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，基肥期的氨揮發(fā)速率與氣溫也有顯著的正相關關系。Zhang等[27]在華北平原監(jiān)測研究了5 年生物質炭對小麥玉米輪作土壤溫度的影響發(fā)現(xiàn)，生物質炭可以減少日均和季節(jié)尺度的土壤溫度變化，緩和土壤極端溫度，調節(jié)能力在（±0.4～±0.8）℃之間，都與本研究結果一致。BC+NPK 與NPK 處理相比較，生物質炭顯著降低了砂姜黑土和潮土中氨揮發(fā)累積量（表2）。施肥處理中，礦質氮含量較高，是影響氨揮發(fā)的主要因素。本研究發(fā)現(xiàn)，生物質炭均可以降低4 種土壤礦質氮含量，其中砂姜黑土和潮土降幅超過20%，有效抑制了土壤氨揮發(fā)。礦質氮含量降低，主要與生物質炭的吸附作用有關，生物質炭具有豐富的孔隙和巨大的比表面積，以及表面多種官能團和陽離子交換位點，在土壤中對NH3和都表現(xiàn)出極強的吸附性能[28-29]，對減少土壤氨揮發(fā)損失具有直接影響。Mandal 等[13]研究也證明，生物質炭能提升土壤吸附固持NH3的能力，這是減少土壤氨揮發(fā)的主要原因，最高可以減少土壤氨揮發(fā)累積量達70.56%。而在水稻土和褐土中，生物質炭對土壤氨揮發(fā)損失的促進效果不顯著，可能是生物質炭對pH的影響強于其吸附作用所致。生物質炭雖然也降低了這兩種土壤中礦質氮含量，但降幅僅為19.4%和14.2%，同時生物質炭使兩者pH 提升，且均高于砂姜黑土和潮土（圖3 和表3）。Feng 等[30]在水稻土中關于生物質炭對土壤氨揮發(fā)的研究同樣也認為，pH值的提升是生物質炭增加土壤氨揮發(fā)的主導因素，其強于土壤礦質氮吸附作用的影響，與本研究結果一致。

4 結論

（1）華北平原不同類型土壤在小麥季生育前期的氨揮發(fā)損失存在差異，pH 越高的土壤施肥后氨揮發(fā)損失越嚴重。

（2）生物質炭對華北平原4 種典型土壤的影響不同，在砂姜黑土和潮土中顯著抑制了施肥后土壤的氨揮發(fā)損失，而對水稻土和褐土氨揮發(fā)損失的影響不顯著，這主要與土壤自身的理化性質以及生物質炭的作用有關。

（3）在華北平原砂姜黑土和潮土中生物質炭與化肥配施是一種有效減緩土壤氨揮發(fā)的施肥方式。