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生物炭对农田土壤氮素迁移及氨氧化作用的影响

武丽君  
【摘要】:为了取得更高的粮食产量,氮素肥料被广泛用于农业生产中,但是也相应带来了许多负面效应。氮肥利用率低导致的营养物质淋失,进而污染地表地下水资源是最主要的表现形式,对农业环境造成了巨大威胁。因此,寻求一种能吸附固持土壤中氮素的高效、经济的处理方法,最大限度的减少土壤氮素损失、提高氮肥利用率以及治理无机氮污染是目前迫切需要解决的问题之一。近年来,生物炭作为一种土壤改良剂越来越受到人们的关注。生物炭主要是以植物或其他农业废弃物为原材料,在限氧或无氧、高温条件下形成的富含碳的物质,其结构稳定、多孔、比表面积大,对NO3-和NH4+具有较强的吸附能力。因此,本课题考虑采用农业废弃物玉米秸秆、玉米芯以及小麦秸秆作为生物炭制备材料,首先开展了玉米秸秆和玉米芯生物炭对水溶液中无机氮的吸附性能研究,研究了其对NH4+-N、NO3--N 和 NO2--N的吸附动力学过程;并用等温吸附模型对NH4+-N和NO3--N的吸附过程进行拟合,探讨制得生物炭对无机氮的吸附机理。结果表明,400℃和600℃制得玉米秸秆和玉米芯生物炭均呈碱性,表现为400℃600℃;同种原材料,与400℃制得生物炭相比,600℃制得生物炭碱性含氧官能团数量较多,而酸性含氧官能团数量较少。400℃制得生物炭对NH4+-N的吸附能力较强(玉米秸秆和玉米芯生物炭的平衡吸附量分别为4.22和4.09mg/g);而600℃制得生物炭对NO3--N和NO2--N的吸附能力较强(玉米秸秆和玉米芯生物炭对NO3--N的平衡吸附量分别为0.73和0.63mg/g;对NO2--N的平衡吸附量分别为0.55和0.35mg/g)。与NO3--N和NO2--N相比,玉米秸秆和玉米芯生物炭对NH4+-N的吸附能力更强,4种生物炭对NH4+-N的平衡吸附量是NO3--N/NO2--N的4.29~20.2倍。4种生物炭对NH4+-N 和 NO3--N的吸附均符合准二级吸附动力学模型,以化学吸附为主。等温吸附模型拟合研究表明,玉米秸秆和玉米芯生物炭对水溶液中NH4+-N和NO3--N的吸附过程均可用Freundlich模型描述,其在生物炭表面的吸附是多分子层吸附。为了深入研究玉米秸秆生物炭及其老化对农田土壤氮素迁移的影响,开展了柱状淋滤实验。研究表明:生物炭能减少土壤无机氮的淋失;在淋滤过程中,无机氮淋失量和淋滤液p H均呈单峰形式变化,呈现先增大后减小的趋势;与对照相比,添加新鲜和老化生物炭均使土柱铵态氮淋失量达到峰值的时间推迟,起到了缓释作用;而老化生物炭的这一作用表现较新鲜生物炭更显著。对于硝态氮而言,添加老化生物炭土柱淋失量达到峰值的时间,与对照相同;而添加新鲜生物炭土柱淋失量达到峰值的时间,较对照提前。老化生物炭对提高氮肥利用率和减少氮肥淋失具有更加积极的作用;40天的淋滤实验后,在土柱表层土壤中,添加老化生物炭处理的氨氧化速率、氨氧化细菌数量和脲酶活性都较添加新鲜生物炭处理大;而在深层土壤中(5cm以下),则相反;其原因为与新鲜生物炭相比,老化生物炭对铵态氮具有更强的吸附能力,更能抑制其迁移;土柱各分层氨氧化速率、氨氧化细菌数量和脲酶活性的分布特征可能与铵态氮的纵向迁移及其分布有关。为了探索小麦秸秆生物炭对农田土壤氨氧化作用的影响,将小麦秸秆生物炭按0%、2%、5%和10%的比例与土壤室内混合培养,定期采集土样,并测定其氨氧化速率、氨氧化细菌数量、脲酶活性、无机氮含量及p H变化,进一步揭示添加生物炭条件下,土壤氨氧化作用变化的机理。研究表明:小麦秸秆生物炭显著促进了该碱性农田土壤的氨氧化速率,且随培养时间的延长而增大;添加小麦秸秆生物炭后,除铵态氮含量外,氨氧化细菌数量、脲酶活性、p H、硝态氮含量均随培养时间的延长而增大;相关性分析表明,土壤氨氧化速率与氨氧化细菌数量、脲酶活性、p H、NO3--N含量均显著正相关(r0.709,P0.01),与NH4+-N含量显著负相关(r=-0.413,P0.01);小麦秸秆生物炭促进了碱性农田土壤的氨氧化作用,可能加速土壤NO3--N的生成,降低NH4+-N的生物有效性。


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