生物炭对设施菜地土壤硝态氮淋失阻控的机制与效应

【摘要】：本文针对生物炭的吸附特性、制约农业发展的土壤N素淋失以及生物炭对土壤微生物群落多样性的影响等问题进行了初步探讨。主要研究结果如下：(1)以花生壳为原料,300℃低温热解条件下制备生物炭。通过批量平衡吸附试验,结合吸附前后FTIR、XPS图谱表征分析探索硝态氮(NO3--N)在生物炭表面的吸附机制。结果表明,生物炭对N03--N的吸附受溶液pH值的影响显著,随溶液初始NO3--N浓度增加,生物炭对其吸附量逐渐增加,在初始浓度800 mg.L-1的吸附体系中,最大吸附量达40 mg·g-1, Freundlich方程可较好地拟合(R2=0.975)生物炭对NO3--N等温吸附过程,吸附为非均一的多分子层吸附;吸附可在30 min达到平衡,伪二级动力学方程能够较好地描述吸附动力学过程,表明吸附以化学吸附为主。FTIR、XPS图谱分析表明生物炭表面分布的羟基(-OH)、芳香环羰基(-C=O)及脂肪族醚类(-O-)等官能团参与了吸附过程。综合分析认为,通过氢键形成和金属桥键作用是生物炭对NO3--N吸附的主要机制。(2)试验采用模拟土柱淋溶法,研究了生物炭对土壤淋滤液体积、土壤pH值、及氨态氮和硝态氮的淋溶量、小白菜生长量的影响。结果发现,生物炭的添加提高了土柱土壤含水量和pH值。与对照组相比,生物炭的添加降低了NO3--N的累积淋滤量35.9%-65.3%,添加量越大,减少硝态氮损失的比例越高；对土柱NH4+-N的累积淋失量无显著性差异。生物炭的添加没有提高作物的生长量,这可能是因为试验选取的小白菜生长周期过短。研究结果表明,土柱中添加载氮花生壳生物炭可以减少氮素的流失,增加土壤中氮的固持,但对于作物生长量的影响有待于进一步研究。(3)采用DGGE-cloning测序技术对施加生物炭后的土壤细菌多样性的变化进行了研究,发现施加高生物炭量(1%)可以促进酸杆菌门和薄壁菌门等细菌的增加,土壤细菌的香农-维纳指数升高26%、均匀度指数升高3.1%；随着生物炭施加量的减少,土壤细菌的香农-维纳指数和均匀度指数反而降低,土壤细菌的多样性受生物炭施加量的影响。