黃永東，杜應(yīng)瓊*，陳永堅，管頤雯，鄧騰灝博，李蕾，吳志超，柳勇

1. 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品公共監(jiān)測中心//農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測與評價重點(diǎn)實驗室，廣東 廣州 510640；2. 廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所//廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實驗室，廣東 廣州 510650

氮是植物生長不可或缺的營養(yǎng)元素，直接影響植物的生長發(fā)育和形態(tài)建成。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮作為植物從土壤中吸收的無機(jī)氮的主要形態(tài)，對植物的形態(tài)學(xué)特征以及生理代謝過程具有顯著的影響。不同植物對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮需求有較大差異（邢瑤等，2015）。生物炭是近年來農(nóng)林等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，研究表明生物炭通過影響土壤理化性質(zhì)直接或間接地影響土壤氮的硝化作用（何飛飛等，2014；Cayuela et al.，2013）、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的固持（Mandal et al.，2016；Clough et al.，2013；Haider et al.，2016），從而影響土壤中氮的形態(tài)。然而，目前有關(guān)不同生物炭對土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的綜合影響還末見報道。探明施入不同生物炭對土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化，對指導(dǎo)生產(chǎn)實踐中根據(jù)作物對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮需求有針對性地施肥，對有效提高作物產(chǎn)量和降低作物（特別是葉類蔬菜）體內(nèi)的硝酸鹽含量有重要意義。

另外，鉬作為硝酸還原本酶的重要組成成分，對作物特別是旱地作物的氮代謝具有重要影響。同時考慮廣東作為中國兩大缺鉬區(qū)之一，其大面積的強(qiáng)酸性土壤會使直接施入土壤中的鉬失活而難以被作物吸收（劉錚等，1990；廣東省土壤普查辦公室，1993），而生物炭具有提高土壤鉬的活性（Johansson et al.，2016）和緩釋作用（Yao et al.，2011；Takaya et al.，2016），因此本研究將鉬與生物炭結(jié)合制備成生物炭基鉬肥，一方面研究其對土壤氮形態(tài)的影響，為生物炭基鉬肥與不同氮肥的合理施用提供依據(jù)，另一方面為后期研究生物炭基鉬肥對土壤有效鉬含量、作物鉬吸收及對植物體內(nèi)氮代謝的影響提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

（1）生物炭基鉬肥：根據(jù)廣東省主要作物種類與性質(zhì)篩選出8種代表性的廢棄物，制備成谷殼炭基鉬肥（RHB）、甘蔗渣炭基鉬肥（BB）、花生殼炭基鉬肥（PSB）、水稻秸稈炭基鉬肥（RSB）、玉米秸稈炭基鉬肥（CSB）、花生秸稈炭基鉬肥（PB）、水葫蘆炭基鉬肥（WHB）、絲瓜藤炭基鉬肥（LB）。原料谷殼采自茂名化州市，甘蔗渣和花生殼采自茂名市電白區(qū)，水稻秸稈采自廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大豐試驗基地，玉米秸稈、絲瓜藤和花生秸稈采自廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院鐘落潭試驗基地，水葫蘆采自韶關(guān)市丹霞山錦江水庫。生物質(zhì)破碎后置于真空箱式氣氛爐內(nèi)，抽真空后充入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，以 10 ℃·min-1的升溫速度升至 600 ℃后恒溫炭化2 h，冷卻后取出，粉碎過篩（0.85 mm孔徑）得到生物炭。8種生物炭的基本理化性質(zhì)見表 1。鉬酸銨與生物炭按質(zhì)量比 1∶200000振蕩吸附平衡48 h，自然晾干后得到生物炭基鉬肥（杜應(yīng)瓊等，2015）。

（2）供試土壤：采自廣東省清遠(yuǎn)市佛岡縣石角鎮(zhèn)（23°52'N，113°29'E）的典型赤紅壤，土樣晾干后過10 mm孔篩，充分混勻后備用，其基本理化性質(zhì)見表2。

1.2 試驗設(shè)計

采用模擬常溫條件培養(yǎng)土壤。共 10個處理，分別為對照（CK）、鉬基施（MO）、水葫蘆炭基鉬肥（WHB）、水稻秸稈炭基鉬肥（RSB）、谷殼炭基鉬肥（RHB）、玉米秸稈炭基鉬肥（CSB）、甘蔗渣炭基鉬肥（BB）、絲瓜藤炭基鉬肥（LB）、花生殼炭基鉬肥（PSB）、花生秸稈炭基鉬肥（PB），各處理3個重復(fù)。生物炭的施用量為60.0 g?kg-1（即1 kg土壤施加60.0 g生物炭，下同），鉬基施和8種生物炭基鉬肥處理中的鉬施用量（以鉬酸銨計）均為0.3 mg?kg-1。稱取250 g土壤置于1 L塑料桶中，加入一定量NH4Cl溶液或 NaNO3溶液，使外加或N質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到450 mg?kg-1。加蒸餾水使土壤含水量達(dá)到70%最大持水量，混合均勻后于(25±1) ℃下培養(yǎng)，期間每隔2～3 d用稱重法補(bǔ)充水分以維持70%最大持水量。分別在第0、1、2、4、8、18、30、42、54、66、78、93、108 天取新鮮土樣（0天為拌土后立即取樣），測試土壤中N、N的含量和pH。添加銨態(tài)氮實驗用于分析土壤pH、銨態(tài)氮的動態(tài)變化以及硝化作用，添加硝態(tài)氮實驗用于分析土壤pH和硝態(tài)氮的動態(tài)變化。

1.3 測定方法

土壤有機(jī)質(zhì)采用硫酸-重鉻酸鉀氧化-硫酸亞鐵滴定法測定（任意等，2006）；陽離子交換量（CEC）采用乙酸鈣交換-氫氧化鈉滴定法測定（張萬儒等，1999）；全氮含量采用凱氏蒸餾-定氮儀法測定（辛景樹等，2012）；最大持水量采用環(huán)刀法測定（王艷麗，2016）；pH采用水土比2.5∶1浸提-酸度計法測定（王敏等，2007）；有效磷含量采用氟化銨-鹽酸浸提-鉬銻抗比色法測定（辛景樹等，2014）；速效鉀含量采用乙酸銨浸提-電感耦合等離子發(fā)射光譜法測定（蕉如珍等，2015）；土壤NH4+-N和NO3—N含量采用0.01 mol?L-1氯化鈣浸提-流動注射分析儀測定（朱強(qiáng)等，2012）。

生物炭：C和 N采用元素分析儀（德國ELEMENTAR元素分析儀vario micro）測定；灰分于高溫電爐(800±20) ℃條件下灼燒2 h后稱重（鄧先倫等，1999）；鈣、鎂、鈉含量采用全消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定（江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，2016）；pH、速效鉀和有效磷等測定方法參照土壤的測定。

表1 生物炭的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of biochars

表2 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 2 Basic physical and chemical properties of soil

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗數(shù)據(jù)采用 Excel計算和作圖，采用 SPSS統(tǒng)計軟件進(jìn)行多重比較、相關(guān)性分析和非線性回歸。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮固持量的計算：原始土壤和生物炭基鉬肥中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量相對于外源添加的氮含量（450 mg?kg-1）可以忽略，因此，固持量由所測土壤可提取態(tài)氮含量除以外源添加的氮含量計算所得。銨態(tài)氮的硝化率由培養(yǎng)結(jié)束時硝態(tài)氮的含量除以培養(yǎng)一天時的銨態(tài)氮含量得出。多重比較采用Duncan法，顯著性水平為0.05。相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)，雙側(cè)檢驗顯著性，顯著性水平0.05為顯著相關(guān)，0.01為極顯著相關(guān)。硝化作用的非線性回歸參照董江水（2007）的方法，Logistic方程表達(dá)式為N=Np/(1+Ce-rt)，先估算參數(shù)Np（取距離最大觀測值不遠(yuǎn)的漸近值），根據(jù)實測值計算參數(shù)C和r，將Np、C、r和方程表達(dá)式填入SPSS統(tǒng)計軟件 Nonlinear Regression，擬合得出Logistic曲線指數(shù)模型，并計算最大累積速率、達(dá)到最大累積的時間、延滯期和最大硝化潛勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加銨態(tài)氮和生物炭基鉬肥對土壤pH的影響

生物炭基鉬肥顯著提高了土壤 pH。不同生物炭基鉬肥對土壤pH的提高幅度和變化趨勢存在較大差異。如圖1所示，在整個培養(yǎng)期內(nèi)，CK和MO處理之間土壤pH幾乎沒有差異，表明單施鉬肥對土壤pH值沒有影響，由于銨態(tài)氮水解可使pH下降，CK和MO處理pH由原土壤的4.47降到4.10。而施生物炭基鉬肥后，土壤pH值均顯著提高。BB、RHB和PSB處理土壤pH在一天內(nèi)迅速提高，分別比CK提高了0.37、0.57和1.20，之后分別在4.50、4.60、5.45附近輕微波動。相對于CK，RSB、PB、CSB和WHB、LB處理土壤pH均在一天內(nèi)大幅度提高，分別比CK提高了2.77、3.28、3.85、3.54和3.78。30天后RSB、CSB和PB處理土壤pH開始加速下降，至第93天時趨于平穩(wěn)，此時各處理土壤pH和第30天時比較，分別下降了1.41、2.06和1.38。WHB處理土壤pH從第54天才開始下降，至培養(yǎng)結(jié)束時僅下降0.70。LB處理在整個培養(yǎng)周期內(nèi)土壤pH在7.9左右小幅波動。

不同生物炭基鉬肥剛加入土壤時，土壤pH值存在顯著差異，可能是由于各生物炭鹽基離子含量不同造成的，一般而言，鹽基離子含量越高，土壤pH值越大，反之則越低（趙靜等，2009）。RHB、BB和PSB生物炭鹽基離子（K、Na、Ca、Mg）含量低于其他生物炭，所以其加入土壤后土壤pH的提高幅度較低。

2.2 添加銨態(tài)氮和生物炭基鉬肥對土壤銨態(tài)氮的影響

外源添加的銨態(tài)氮，因在土壤中發(fā)生固持、硝化等反應(yīng)而發(fā)生含量變化。如圖2所示，施入土壤中的可提取銨態(tài)氮含量在一天內(nèi)迅速降低，其余部分被土壤吸附固持。以培養(yǎng)一天計算固持量，CK和MO處理固持的銨態(tài)氮分別為31.0%、30.6%，二者間無顯著差異；生物炭基鉬肥處理銨態(tài)氮固持量為34.1%～42.7%，比CK增加了10%～38%，說明生物炭基鉬肥極大地提高了土壤固持銨態(tài)氮量。此后，CK、MO、RHB、BB和PSB處理土壤銨態(tài)氮含量維持在此附近上下波動；RSB處理土壤銨態(tài)氮含量在第2～30天內(nèi)波動微弱，30～108 d緩慢降低至132 mg?kg-1，可能是由于土壤pH降低導(dǎo)致硝化作用減弱（侯雪燕，2014）；CSB、WHB和PB處理土壤銨態(tài)氮含量在18 d后迅速降低，在93 d時已幾乎全部轉(zhuǎn)化；LB處理土壤銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化幾乎一開始就啟動，在54 d時已幾乎全部轉(zhuǎn)化。由此表明，不同生物炭基鉬肥對土壤中銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化的影響差異巨大。

圖1 添加銨態(tài)氮和生物炭基鉬肥土壤pH的動態(tài)變化Fig. 1 Dynamic changes of soil pH after applying -N andbiochar-based molybdenum

圖2 添加銨態(tài)氮和生物炭基鉬肥土壤銨態(tài)氮的動態(tài)變化Fig. 2 Dynamic changes of soil-N after applying -N andbiochar-based molybdenum

2.3 生物炭基鉬肥對土壤硝化作用的影響

施入土壤中的生物炭基鉬肥通過影響土壤的pH值而影響土壤中銨態(tài)氮的硝化速率。如圖 3所示，在整個土壤培養(yǎng)過程中，CK、MO、RHB、BB、PSB處理土壤硝態(tài)氮的含量維持在很低的范圍內(nèi)，硝化作用不顯著。其他處理土壤硝態(tài)氮的含量呈升高趨勢，其中LB處理土壤硝態(tài)氮的含量在第9天開始升高，在30 d達(dá)到200 mg?kg-1后開始出現(xiàn)小幅下降，到58 d后又開始出現(xiàn)上升趨勢，培養(yǎng)結(jié)束時土壤硝態(tài)氮的含量顯著高于其他處理。RSB、WHB、PB、CSB處理土壤硝態(tài)氮的含量均在35 d后出現(xiàn)升高趨勢，硝化速率存在差異，但在培養(yǎng)結(jié)束時硝態(tài)氮含量差異不顯著。結(jié)合土壤銨態(tài)氮含量分析，RSB硝化率近50%，LB、WHB、PB、CSB硝化率近 100%。相關(guān)性分析表明，培養(yǎng)結(jié)束時土壤硝態(tài)氮含量與pH呈極顯著正相關(guān)。

氨氧化細(xì)菌的數(shù)量是硝化作用的限速因素，生物炭基鉬肥可能通過影響土壤pH進(jìn)而影響氨氧化細(xì)菌的生長（Song et al.，2014）。如表3所示，LB、CSB、PB、WHB、RSB 5種處理土壤硝態(tài)氮的含量變化符合 Logistic曲線（P＜0.05），相關(guān)系數(shù) RS2在0.958～0.996之間。根據(jù)Logistic指數(shù)模型，硝化作用最大累積速率從大到小依次為 LB、WHB、CSB、PB、RSB。LB處理在第17天（延滯期）開始出現(xiàn)硝化作用，19 d（達(dá)到最大累積的時間）最大累積量為200.7 mg?kg-1（最大硝化潛勢）；WHB處理在第40天開始出現(xiàn)硝化作用，52 d達(dá)最大累積量166.7 mg?kg-1；CSB處理在第28天開始出現(xiàn)硝化作用，51 d達(dá)最大累積量168.8 mg?kg-1；PB處理在第47天開始出現(xiàn)硝化作用，76 d達(dá)最大累積量193.8 mg?kg-1；RSB處理在第43天開始出現(xiàn)硝化作用，70 d達(dá)最大累積量138.7 mg?kg-1。

圖3 添加銨態(tài)氮和生物炭基鉬肥土壤硝態(tài)氮的動態(tài)變化Fig. 3 Dynamic changes of soi-N after applying-N andbiochar-based molybdenum

圖4 添加硝態(tài)氮和生物炭基鉬肥土壤pH的動態(tài)變化Fig. 4 Dynamic changes of soil pH after applying N and biochar-based molybdenum

2.4 添加硝態(tài)氮和生物炭基鉬肥對土壤pH的影響

在添加硝態(tài)氮的實驗中，CK和MO處理土壤pH在整個培養(yǎng)期內(nèi)基本在接近初始土壤pH（圖4）的 4.40～4.55之間波動。而生物炭基鉬肥處理土壤pH則快速升高，培養(yǎng)1 d后PSB、BB和RHB的硝態(tài)氮處理土壤pH顯著高于銨態(tài)氮處理，而WHB、RSB、CSB、LB和PB處理在兩者間差異不顯著，由此表明，將土壤pH提高到中性或堿性的生物炭基鉬肥處理，銨態(tài)氮短期內(nèi)對pH幾乎沒有影響。在培養(yǎng)的中后期，各處理pH均較為穩(wěn)定，可能是由于硝態(tài)氮等鹽基離子變化微弱所致。

2.5 添加硝態(tài)氮和生物炭基鉬肥對土壤硝態(tài)氮的影響

圖5 添加硝態(tài)氮和生物炭基鉬肥土壤硝態(tài)氮含量的動態(tài)變化Fig. 5 Dynamic changes of soil -N after applying -N and biochar-based molybdenum

如圖5所示，硝態(tài)氮添加到土壤后其可提取態(tài)氮含量在2 d內(nèi)迅速降低，說明土壤對硝態(tài)氮的固持效果明顯。以培養(yǎng)兩天計算固持率，CK處理中土壤對硝態(tài)氮的固持率為36.0%；而生物炭基鉬肥處理中硝態(tài)氮固持率為 40%～47%；所有生物炭基鉬肥處理中，RHB和PSB對硝態(tài)氮的固持效果最強(qiáng)，達(dá)47%。各處理的硝態(tài)氮含量在108 d培養(yǎng)周期內(nèi)緩慢波動。當(dāng)培養(yǎng)結(jié)束后，CK、RHB、RSB、PB和WHB處理硝態(tài)氮含量與培養(yǎng)2 d相比顯著降低，降幅為7%～12%，而MO、BB、CSB、LB、PSB處理硝態(tài)氮含量與培養(yǎng)2 d相比差異不顯著，不同處理產(chǎn)生的差異可能與土壤反硝化作用有關(guān)（Cayuela et al.，2013；Case et al.，2015）。結(jié)果表明，生物炭基鉬肥有促進(jìn)土壤固持硝態(tài)氮的作用。

3 討論

3.1 生物炭對土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮固持作用的影響

生物炭基鉬肥可以顯著促進(jìn)土壤對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的固持作用。這主要是由于生物炭具有較大的比表面積和較強(qiáng)的吸附性（Kanthle et al.，2016；Karhu et al.，2011）。生物炭對銨態(tài)氮的吸附可能與酸性官能團(tuán)（酚羥基和羧基）和磷酸銨鎂復(fù)合物的形成有關(guān)（Cui et al.，2016）；而生物炭對硝態(tài)氮的吸附則以物理吸附作用為主（Jassal et al.，2015）。此外，生物炭對土壤pH及CEC的提高也可顯著促進(jìn)氮在土壤中的固持（Hollister et al.，2013）。

3.2 生物炭基鉬肥對土壤中銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化的影響

生物炭基鉬肥對土壤中銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化具有重要影響。生物炭的施加可改變土壤pH及有機(jī)質(zhì)含量等理化性質(zhì)，從而直接或間接地影響土壤微生物的硝化速率（Ball et al.，2010）。其中，土壤pH值是影響硝化作用的主要因素（Nicol et al.，2008）。因此，能夠顯著提高土壤pH的生物炭基鉬肥（絲瓜藤炭基鉬肥、水葫蘆炭基鉬肥、玉米秸稈炭基鉬肥、水稻秸稈炭基鉬肥、花生秸稈炭基鉬肥）處理中銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化速率明顯強(qiáng)于其他處理。

由此可見，生物炭基鉬肥對土壤pH值的調(diào)節(jié)作用是影響土壤無機(jī)氮固持和轉(zhuǎn)化的重要因素。一般而言，生物炭的鹽基離子含量越高，其對土壤pH的調(diào)升作用就越強(qiáng)（趙靜等，2009）。本實驗選取的甘蔗渣炭基鉬肥、花生殼炭基鉬肥和谷殼炭基鉬肥的鹽基離子（鉀、鈉、鈣和鎂）含量遠(yuǎn)低于其他生物炭基鉬肥，故其對土壤pH及硝化作用的提升幅度較低。

4 結(jié)論

（1）生物炭基鉬肥可以顯著促進(jìn)土壤對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的固持作用。8種生物炭基鉬肥可使土壤對銨態(tài)氮的起始固持量增加10%～38%，硝態(tài)氮的起始固持量增加12%～30%。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在土壤中的固持主要于生物炭施入土壤后2 d內(nèi)完成。

（2）本試驗條件下，因甘蔗渣炭基鉬肥、花生殼炭基鉬肥和谷殼炭基鉬肥鹽基離子含量低，施入土壤后土壤pH僅提高了0.5～1個單位，而銨態(tài)氮的添加使土壤pH大幅下降，導(dǎo)致土壤硝化作用不顯著，銨態(tài)氮在整個培養(yǎng)期內(nèi)幾乎不轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮。其他5種生物炭基鉬肥的施用可使土壤pH提高2.8～3.8單位，此時添加的銨態(tài)氮對土壤pH幾乎沒有影響，故硝化作用顯著。其中，水稻秸稈炭基鉬肥處理硝化率近50%，絲瓜藤炭基鉬肥、水葫蘆炭基鉬肥、玉米秸稈炭基鉬肥、花生秸稈炭基鉬肥處理硝化率近 100%；培養(yǎng)結(jié)束時，土壤硝態(tài)氮含量與pH呈極顯著正相關(guān)，說明生物炭基鉬肥提高土壤pH是它影響土壤硝化速率的重要因素。硝化作用最大累積速率從大到小依次為絲瓜藤炭基鉬肥、水葫蘆炭基鉬肥、玉米秸稈炭基鉬肥、花生秸稈炭基鉬肥、水稻秸稈炭基鉬肥。

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