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不同施肥处理添加生物炭对设施农业土壤 不同形态氮的影响 李婧睿1 任凤玲2 李亚林3 魏雪勤4 孙楠4 1 中国农业大学工学院 2 生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心 3 中国农业大学土地科学与技术学院土壤与水科学系 4 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 北方干旱半干旱耕地高效利用 全国重点实验室 农业农村部耕地质量监测与评价重点实验室 摘要 生物炭在设施农业土壤中施用 对土壤氮形态具有显著影响 探明不同施肥处理添加生物炭对设施农业土壤不同形态氮 的影响 可为设施农业施用生物炭减排提供科学依据 以设施菜地土壤 褐潮土 为研究对象 设置不施肥 CK 施用有机肥 M 化肥 F 有机无机混施 M F 4种处理下投入2 和4 生物炭与土壤干质量比 生物炭处理 采用室内恒温好氧培养 气相色谱测定方法监测土壤N2O释放量 测定土壤中可溶性有机氮 DON 和无机氮 Nmin 的含量 并分析DON Nmin含量变化 及其与土壤N2O释放量变化之间的关系 研究表明 生物炭的施用在不同条件下对土壤N2O的释放速率和累积释放量产生不 同影响 在CK和M处理下 生物炭在施用初期 第0 1 5天 显著促进了土壤中N2O的释放 但随后 第2 60天 在CK处理 下 生物炭的添加对N2O的释放速率和累积释放量没有产生显著影响 同样地 在M处理下 生物炭的添加也未对N2O的释放 速率产生显著作用 然而 在培养结束时 添加4 的生物炭显著提高了土壤中N2O的累积释放量 值得注意的是 在F和 M F的处理中 生物炭的加入在初期阶段 第0 2天 有效地降低了土壤N2O的释放速率 这种降低效果随着生物炭施用量的增 加而变得更加显著 在F和M F处理下 添加生物炭在不同时间段内 第2 25天和第3 14天 显著增加了土壤N2O释放速 率 但对该速率的影响在后续阶段并不显著 培养结束后 F处理下 添加2 和4 生物炭的土壤N2O累积释放量分别显著提 高78 和90 M F处理下 添加2 和4 生物炭的土壤N2O累积释放量分别显著提高80 和67 相关性分析结果显示 在施用生物炭的土壤中 DON和Nmin的含量与N2O的排放量之间存在明显的正相关关系 表明生物炭的添加通过调整土壤 中DON和Nmin的含量 对N2O的排放产生了直接影响 将生物炭投入到不同的施肥土壤中 土壤N2O的释放速率和累积释放 量出现不同的变化趋势 但是由于生物炭自身特性的多样性 配施化肥和有机肥种类的差异 施肥方式和时间的差异等 因此分 析生物炭添加后对土壤N2O累积释放量影响时 需要根据研究时的具体条件做合理分析 关键词 生物炭 施肥处理 N2O 土壤溶解性有机氮 土壤无机氮 中图分类号 X53 文章编号 1674 991X 2024 05 1550 10 doi 10 12153 j issn 1674 991X 20240341 Effects of biochar addition on different forms of nitrogen in facility agricultural soils under various fertilization regimes LI Jingrui1 REN Fengling2 LI Yalin3 WEI Xueqin4 SUN Nan4 1 College of Engineering China Agricultural University 2 Technical Center for Soil Agriculture and Rural Ecology and Environment Ministry of Ecology and Environment 3 Department of Soil and Water Sciences College of Land Science and Technology China Agricultural University 4 State Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi arid Arable Land in Northern China Key Laboratory of Arable Land Quality Monitoring and Evaluation Ministry of Agriculture and Rural Affairs Institute of Agricultural Resources and Regional Planning Chinese Academy of Agricultural Sciences Abstract Biochar application in facility agriculture soil has a significant impact on the forms of soil nitrogen 收稿日期 2024 05 20 基金项目 国家自然科学基金项目 42177341 作者简介 李婧睿 2005 女 主要从事智慧农业和设施农业研究 Ljr15910951582 责任作者 1 任凤玲 1992 女 博士 主要从事土壤培肥与肥力演变及土壤改良等方面的研究 flren0302 2 孙楠 1975 女 研究员 主要从事土壤培肥与肥力演变及土壤改良等方面的研究 sunnan Vol 14 No 5环 境 工 程 技 术 学 报第 14 卷 第 5 期 Sep 2024 Journal of Environmental Engineering Technology 2024 年 9 月 李婧睿 任凤玲 李亚林 等 不同施肥处理添加生物炭对设施农业土壤不同形态氮的影响 J 环境工程技术学报 2024 14 5 1550 1559 LI J R REN F L LI Y L et al Effects of biochar addition on different forms of nitrogen in facility agricultural soils under various fertilization regimes J Journal of Environmental Engineering Technology 2024 14 5 1550 1559 Clarifying the effects of different fertilization treatments with the addition of biochar on various forms of nitrogen in the soil of facility agriculture can provide a scientific basis for emission reduction through the application of biochar in facility agriculture The dissolved organic nitrogen DON and inorganic nitrogen Nmin in soil were measured in greenhouse vegetable soil brown fluvio aquic soil after biochar application under different fertilization regimes no fertilizer CK manure M chemical fertilizer F chemical fertilizer plus manure M F using indoor constant temperature aerobic cultivation and gas chromatography Incubation was carried out to investigate N2O release and the contents of DON Nmin after 2 biochar dry soil and 4 biochar application under the different fertilization regimes The influence of biochar addition on soil N2O releases was studied and the correlation between the changes in DON and Nmin contents and soil N2O releases was analyzed The research indicated that the application of biochar had different effects on the release rate and cumulative release of soil N2O under different conditions Under CK and M patterns biochar application significantly increased the rate and amount of soil N2O release in the early period 0 1 5 d During 2 60 d biochar application had no significant effect on the rate and amount of soil N2O release in CK pattern Biochar application had no significant effect on the soil N2O release rate but 4 biochar at the end of the incubation significantly increased the cumulative soil N2O release in M pattern In F and M F treatments biochar application reduced the soil N2O release rate in the early period 0 2 d with an increasingly apparent effect as the amount of biochar applied increased In F and M F treatments biochar application significantly increased the soil N2O release rate during 2 25 and 3 14 d respectively but the effect on the rate was not significant in the subsequent stages After cultivation the cumulative soil N2O release in F and M F treatments with 2 and 4 biochar application were significantly increased by 78 and 90 80 and 67 respectively The correlation analysis results showed that there was an obvious positive correlation between DON and Nmin contents and N2O emission with biochar application The addition of biochar had a direct impact on N2O release by adjusting the contents of DON and Nmin in the soil The release rate and cumulative release of N2O from different fertilized soils showed different trends when biochar was added However due to the diversity of biochar properties the variation in types of chemical and organic fertilizers and differences in fertilization methods and timing a reasonable analysis was required based on the specific conditions of the study when assessing the impact of biochar addition on soil N2O cumulative release Key words biochar fertilization pattern N2O dissolved organic nitrogen in soil soil inorganic nitrogen 当前 随着全球气温的上升 公众对人类活动所 引发的温室气体排放及其对全球气候变化的影响越 来越关注 氧化亚氮 N2O 作为一种重要的温室气 体 其在百年时间尺度上的全球增温潜势 GWP 是 二氧化碳 CO2 的298倍 1 农业生产活动是重要 的N2O排放源 其产生的N2O量占全球N2O总排放 量的60 75 2 3 因此 当前需要迫切采取优化的 农田管理措施来减少农业生产活动中N2O的排放 生物炭一般是指将农林废物经高温厌氧裂解形成的 特殊类型的复杂有机碳 其结构极为复杂 通常包含 高度芳香化的组分 这使得它在化学和生物学特性 上表现出极高的稳定性 能够较长时间存在于土壤 中 4 在增加土壤碳库 提高土壤质量 5 和控制温室 气体排放 6 等方面发挥重要作用 已有许多研究探讨了生物炭施用对土壤N2O排 放的影响 结果表明 将化肥与生物炭混合施用 有 助于减少N2O的排放量 7 而且农田土壤N2O排放 量的降低幅度会随着生物炭用量的增加而提高 减 排程度可达80 8 此外 Cayuela等 9 在14种农田 土壤上施用生物炭 结果发现添加2 生物炭处理土 壤 N2O的减排量为10 90 但也有学者认为 生物炭施用之后对土壤中的N2O排放无显著降低或 者促进作用 10 11 造成以上结果差异的主要原因是 生物炭的种类 来源以及制备条件不同 同时不同研 究的农田土壤类型存在较大的差异 目前 大多数 生物炭施用对农田土壤N2O排放影响的研究主要是 关注于生物炭的制备技术方面 如制备温度 持续时 间 12 13 原材料 14 等 以及某种土壤类型上施用特定 生物炭的效果 12 虽然 已有一些学者开展了有机 肥配施生物炭的研究 但是大多数研究主要关注生 物炭添加对堆肥过程 效果以及养分释放方面的影 响 15 16 生物炭与其他肥料 如化肥或有机肥 配合 施用时 提高了土壤中可利用养分的含量 对作物生 长和发育具有积极作用 同时促进土壤中养分 如碳 和氮等元素 的吸收与固定 17 相比单施化肥或者 生物炭和有机肥配合化肥施用 单施生物炭或者生 第 5 期李婧睿等 不同施肥处理添加生物炭对设施农业土壤不同形态氮的影响 1551 物炭结合有机肥施用对温室气体减排的效果更好 18 有研究发现 当有机肥与生物炭配合施用时 施加有 机肥显著提高了土壤反硝化势 但是施加生物炭显 著降低了土壤反硝化势 最终的结果存在较大不确 定性 19 因此 当前关于生物炭施用对土壤中 N2O排放的影响 尤其是生物炭与有机肥配合施用 的效果 学术界尚未达成一致的结论 NH 4 由于蔬菜生长周期短和经济效益高 在追求蔬 菜产量和经济效益的过程中 农户往往会过量施用 肥料 这在蔬菜种植中尤为常见 其施肥量通常超出 了大田作物的需求 20 加之蔬菜种植具有特有的封 闭生长环境 频繁的灌溉需求以及高复种指数等特 性 21 快速增长的集约化菜地与大量氮肥的投入 不 仅影响了土壤中养分的有效利用 还可能引发土壤 和水体的污染问题 导致N2O大量排放 22 本研究 旨在通过室内培养试验 评估不施肥 CK 施用有 机肥 M 施用化肥 F 以及有机肥与化肥混合施用 M F 4种施肥模式下 不同量生物炭添加对土壤 N2O排放以及土壤中可溶性有机氮 DON 无机氮 N N 含量变化的影响 以期为通过添加 生物炭来减少土壤中N2O的排放提供科学依据 1 材料与方法 1 1 试验地概况 于北京市顺义区北务镇的康鑫源生态农业观光 园 116 49 52 E 40 12 03 N 的温室中 收集了0 20 cm土层的土壤样本 该土壤样本为褐潮土 其基础 理化特性如下 土壤有机碳含量为13 68 g kg 全钾 含量为14 07 g kg 全磷含量为1 90 g kg 全氮含量 为1 44 g kg 土壤pH为7 22 去除土壤中的杂质 并使其自然风干 通过研磨和筛选 得到粒径小于2 mm的土壤样本 以备后续试验使用 试验中施用的肥料包括有机肥 生物炭和化 肥 其中施用的有机肥为商品有机肥 生产厂家为 北京市美施美生物科技有限公司 畜禽粪便 蚯蚓粪 和作物秸秆等经高温发酵加工而成 不含有任何化 肥成分 化肥氮肥为尿素 来自中国国药集团 生物 炭由辽宁省金和福农业开发有限公司提供 原料为 含水量小于20 的作物秸秆在低于700 高温缺 氧条件下裂解的生物炭 这些有机物料在风干后 经过筛选 粒径小于2 mm 其基本性质详见表1 1 2 试验设计 试验设12个处理 1 CK 不施肥 2 3 商品 有机肥 有机肥与土壤干重质量比 M 3 单施化肥 F 4 有机肥配施化肥 M F 5 2 生物炭 生物 炭与土壤干重质量比 B1 6 4 生物炭 B2 7 M混施2 生物炭 M B1 8 M混施4 生物炭 M B2 9 F混施2 生物炭 F B1 10 F混施 4 生物炭 F B2 11 M F混施2 生物炭 M F B1 12 M F混施4 生物炭 M F B2 不同 处理的肥料添加量如表2所示 表 2 不同处理的肥料以及C N添加量 Table 2 Amount of materials added and input of C and N in different treatments 处理鲜土质量 g商品有机肥添加量 g尿素添加量 g生物炭添加量 g CK 71 43 M 71 43 1 8 F 71 43 0 054 5 M F 71 43 1 8 0 054 5 B1 71 43 1 2 B2 71 43 2 4 M B1 71 43 1 8 1 2 M B2 71 43 1 8 2 4 F B1 71 43 0 054 5 1 2 F B2 71 43 0 054 5 2 4 M F B1 71 43 1 8 0 054 5 1 2 M F B2 71 43 1 8 0 054 5 2 4 在中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 农业部植物营养与肥料重点实验室内进行了一系列 的培养试验 试验的首要阶段是预培养阶段 旨在 激活和增强土壤微生物的活性 为后续试验创造更 为适宜的环境条件 试验采用自然干燥的土壤样 本 通过添加蒸馏水来调节土壤湿度 以保持土壤的 疏松性并避免结块 操作步骤为 边向2 mm筛过的 风干土壤中加入蒸馏水 边进行搅拌 直至土壤湿度 达到大约60 的田间持水量 WHC 之后 将均匀 混合的土壤样品放入恒温培养箱 设定温度为25 相对湿度为60 在无光条件下进行为期1周的 预培养 预培养阶段结束后 准确称量71 43 g土壤 放 入300 mL容量的培养容器中 依据试验设计 将所 需的试验材料加入到每个容器中 接着 通过玻璃 表 1 添加物料的基本性质 Table 1 Basic properties of materials used 物料有机碳含量 g kg TN含量 g kg TP含量 g kg TK含量 g kg pH 有机肥138 1 14 13 6 33 30 88 8 09 生物炭374 4 2 25 1 9 15 18 9 76 1552 环境工程技术学报第 14 卷 棒进行搅拌 以确保试验材料能够均匀且充分地融 入土壤中 搅拌完成后 密封容器口 并将其置于温 度为25 的恒温培养箱中 启动培养计时器 培养 过程持续60 d 在此期间 为维持土壤湿度 定期对 培养容器进行称重 并补加必要的蒸馏水 1 3 土样的采集及指标测定 NH 4 NO 3 NH 4 每个试验处理都设有16个重复 其中 4个重 复专门用于收集气体样本 余下的12个重复则在培 养周期的第12天 第24天 第36天和第60天通 过破坏性采样方法 对土壤中的DON以及 N N进行分析测定 DON的测定采用硫酸 钾 K2SO4 溶液浸提 multi N C3100 德国耶拿 N N测定采用KCl浸提 FLAstar 5000 德国福斯 1 4 气样的采集及指标测定 试验培养开始后 第1天每12 h进行1次样本 采集 第2 7天每天采样1次 第8 20天每48 h采 样1次 第20 30天每72 h采样1次 第30 60天每 隔120 h采样1次 整个周期内共采集样本25次 气体样本的采集和分析方法参照文献 23 24 所有 采集到的气体样本在24 h内通过气相色谱仪 Agilent 7 890 进行N2O浓度的测定 气相色谱的 运行条件设置如下 分别使用火焰离子化检测器 FID 和电子捕获检测器 ECD 测定N2O浓度 其工 作温度分别为250和350 色谱柱箱保持在60 辅助区域 镍催化剂转化器 的温度设定为375 载气和辅助气体的流量分别设置为氢气 H2 60 mL min 空气500 mL min 氮气 N2 2 mL min 氩甲 烷40 mL min 1 5 数据计算 N2O产生速率计算公式 24 如下 F 273 Qt Q0 V M 1 00022 4 273 T m t 1 F V Qt Q0 式中 为N2O产生速率 g kg h 为培养容器 内的气体体积 L m为土壤样本的干质量 kg 和 分别为常温条件下 试验结束时和初始时通过气 相色谱法测定的N2O浓度 mg kg t为培养时间 h M为N2O摩尔质量 g mol T为培养过程中的温 度 1 6 数据处理与统计分析 数据初步整理工作采用Excel 2010软件完成 利用SPSS对数据进行统计分析 图形的绘制通过 Sigmaplot 12 5软件实现 在统计分析过程中 主要 应用方差分析 ANOVA 来评估不同处理间的差异 并进行了显著性检验以判断结果的统计意义 采用 Duncan进行不同处理间的多重比较分析 2 试验结果 2 1 不同施肥处理下添加生物炭土 壤 N2O排放特征 如图1所示 培养期间 不同施肥处理下的土壤 N2O排放速率存在明显的差异 但变化趋势相同 即 初期排放速率较高 随后随时间推移逐渐降低 在 深入分析4种施肥模式下生物炭添加对土壤N2O释 放速率的具体影响时发现 在CK处理中 N2O的排 放速率为0 01 0 02 g kg h 图1 a 在培养的 前1 5 d内 B1和B2处理的土壤N2O排放速率迅速 上升 分别达到了0 09 0 15和0 06 0 14 g kg h 生物炭添加显著提升了N2O的排放水平 然而 在 接下来的培养时间段内 这2个处理对N2O的释放 速率并未产生显著影响 图1 b 同样地 M处理 下的N2O释放速率为0 03 0 08 g kg h 而添加 2 和4 生物炭后 土壤中N2O的释放速率分别 为0 07 0 12和0 09 0 17 g kg h 显著提升了 N2O的释放速率 F处理在培养初期前1 5天的 N2O释放速率较高 为4 23 9 91 g kg h 然而添 加2 和4 生物炭后 N2O释放速率分别降至 0 54 8 95和0 52 8 54 g kg h 图1 c 总体 上 生物炭添加量增加会抑制N2O的排放 而在培 养的第2 25天内 添加生物炭显著促进了N2O的排 放 在M F施肥处理下 土壤在培养前2 d的 N2O释放速率为5 60 13 94 g kg h 当添加2 和4 的生物炭后 释放速率分别降至0 94 11 04 和0 71 10 21 g kg h 尽管在初始阶段生物炭的 添加似乎导致N2O的释放速率变慢 但在随后的第 3 14天培养期内 添加生物炭的处理却显著提高了 N2O的释放速率 在M F处理中 N2O排放的峰值 通常出现在培养的第0 5 6 0天 尤其在第1 5天时 达到最高 速率为13 94 g kg h 图1 d 相比 之下 添加2 和4 生物炭的处理中 N2O排放的 峰值出现在第1 7天 且在第6天时达到最高 分别 为33 53和33 00 g kg h 其不仅显著高于M F 处理的排放速率 还延长了N2O排放的持续时间 并 推迟了排放峰值的出现 图2呈现了60 d培养期结束后 不同施肥处理 下土壤中N2O的累积释放量 以及添加2 和 4 生物炭对累积释放量的影响 结果表明 生物炭 的添加对土壤中N2O的累积释放量具有显著的施肥 模式依赖性 具体来说 在CK处理以及分别添加 2 和4 生物炭的处理中 N2O的累积释放量均稳 定在同一水平 分别为50 56 47 95和47 29 g kg 图2 a M处理在培养结束时 N2O的累积释放 第 5 期李婧睿等 不同施肥处理添加生物炭对设施农业土壤不同形态氮的影响 1553 量为55 04 g kg 而添加2 和4 生物炭后 N2O 的累积释放量显著增至63 05和76 63 g kg 显示生 物炭的添加量增加导致N2O累积释放量的显著增加 图2 b F处理在培养结束时 N2O的累积释放 量为1181 05 g kg 添加2 和4 生物炭后 N2O 的累积释放量分别显著增至2 094和2 247 g kg 分 别提高了78 和90 图2 c M F处理在培养 结束时 N2O的累积释放量为1 733 g kg 添加 2 和4 生物炭后 N2O的累积释放量分别为3 12 7和2 899 g kg 与M F处理相比 分别提高了80 和67 图2 d 2 2 不同施肥处理下添加生物炭土壤不同形态氮变 化特征 随着培养时间的延长 土壤DON含量呈现逐渐 下降的趋势 图3 除了CK处理在培养第24天时 DON含量略有改变外 M F和M F 3种处理中 添 加2 和4 生物炭的土壤在培养第36天时DON 含量有显著变化 在所有施肥条件下 生物炭的添 加都导致了DON含量的降低 且生物炭施用量的增 加使得DON含量的降低更为显著 图4揭示了不同处理在培养过程中对土壤 Nmin含量变化的显著影响 呈现先下降后上升的趋 势 最低点出现在培养的第36天 相较于未添加生 物炭的CK处理 43 78 50 55 mg kg 添加2 和 4 的生物炭显著降低了Nmin含量 分别为 31 97 50 10和21 69 47 94 mg kg M处理中 生物 炭的添加效果变化比较复杂 在第12天和第60天 生物炭的添加导致土壤Nmin含量呈现降低 在培养 的第24天和第36天 生物炭的添加并未对Nmin含 量产生显著影响 在F的处理中 培养的第12天 土壤中添加2 和4 生物炭后Nmin含量分别为 46 85和45 81 mg kg 培养的第24天 土壤中添加 2 和4 生物炭后Nmin含量分别为44 33和44 44 mg kg 与同期未添加生物炭的F处理 46 51和 45 16 mg kg 相比 均有所降低 但值得注意的是 在培养结束时 在M和F的处理中 土壤中添加2 和 4 生物炭后 Nmin 含量上并没有表现出显著差 异 在M F的处理中 除了第36天之外 添加 图 1 不同施肥处理下土壤中N2O释放速率 Fig 1 Release rates of N2O in soil under different treatments during incubation 1554 环境工程技术学报第 14 卷 2 和4 生物炭的土壤Nmin含量在培养期间的变 化趋势较为稳定 分别为43 07 46 75和44 44 46 69 mg kg 与未添加生物炭的M F处理 44 98 50 17 mg kg 相比 添加生物炭的处理中Nmin含量均显著 降低 2 3 土 壤 DON Nmin含量与土 壤 N2O累积释放量 的相关性分析 图5的相关性分析结果表明 在施用生物炭的 条件下 土壤中DON和Nmin含量与N2O累积释放 量之间具有显著的正相关性 相关系数 R2 分别高 达0 97和0 59 这一发现揭示了生物炭的施用可能 通过改变土壤中的DON和Nmin水平 间接地调节 土壤中N2O的排放 3 讨论 在各种施肥模式中 随着培养时间的延长 生物 炭的添加对N2O释放速率的影响显著 在培养的早 期阶段 前2 d 特别是在F和M F处理的土壤中 生物炭的加入导致了N2O释放速率的降低 也有研 究发现 在水稻生产过程中生物炭添加后 水稻生产 前期N2O排放降低幅度较大 25 这一现象可能与生 物炭独特的物理性质有关 其多孔结构和较大的比 表面积 26 使其能够有效吸附土壤和肥料中的可溶性 氮 从而在初期抑制了N2O的排放 27 28 然而 随着 培养时间的延长 特别是在F和M F处理下 土壤 中的N2O释放速率显著上升 主要是由于化肥中添 加的氮为土壤微生物提供了丰富的氮源 这促进了 微生物的增长和活性 从而增加了N2O的生成 随 着培养过程的进行 不同施肥模式下施用生物炭的 土壤中N2O的释放速率最终逐渐稳定下来 这可能 是由于土壤中的 激发效应 随时间的推移而减弱 土壤系统开始恢复其内在的平衡状态 同时 生物 炭在土壤中可能经历了 老化 过程 29 其官能团 养分状况和孔隙结构发生了变化 30 31 导致其吸附活 性降低 这一现象表明 生物炭对土壤N2O排放的 影响是一个复杂而动态变化的过程 需要考虑多种 因素的综合作用 本研究揭示了生物炭输入对土壤N2O累积释放 图 2 不同施肥处理下土壤中N2O累积释放量 Fig 2 Accumulative release of N2O in soil under different treatments duirng incubation 第 5 期李婧睿等 不同施肥处理添加生物炭对设施农业土壤不同形态氮的影响 1555 量的影响 其效应在不同施肥处理下呈现出显著的 差异 在CK处理下 生物炭的添加显著减少了 N2O的累积释放量 然而 在M F和M F处理下 生物炭的添加却促进了N2O的释放 这是由于受到 培养时间 生物炭施用量以及施肥策略等多重因素 的影响 生物炭对土壤中N2O排放的调控作用表现 在多个方面 32 34 其强大的吸附性能使其能够高效地 固定土壤中的气体分子和养分 从而对温室气体的 排放进行调节 其次 生物炭的丰富孔隙结构不仅 改变了土壤的孔隙性和含水量 还影响了土壤的气 体交换过程 间接作用于温室气体的排放 此外 生 物炭的施入提升了土壤的物理化学属性 创造了有 利的微生物生存条件 影响了微生物群落的多样性 与活性 进而间接地影响了温室气体的排放 同时 在N2O的转化过程中 生物炭可能促进其还原为 N2 进一步调节了N2O的排放 这些相互作用机制 综合作用于土壤的N2O排放 研究表明无论采用哪种施肥方式 生物炭的施 入都显著减少了土壤中的DON含量 且随着生物炭 施用量的提高 DON含量的减少幅度也更加显著 但不同施肥模式下 生物炭对降低DON含量的效果 存在差异 具体而言 在CK和M处理下 生物炭的 添加导致土壤DON含量降低了0 8 44 6 这一 降幅明显大于F和M F处理的5 1 20 1 这种 差异可能与氮肥的添加有关 在F和M F处理中 由于施用了氮肥 导致土壤中原有的DON含量较 高 在此情况下 生物炭对低浓度DON的吸附效果 可能更为显著 因为当DON浓度较低时 生物炭的 吸附位点更容易被占据 然而 对于高浓度的 DON 生物炭的吸附能力受到其吸附位点数量的限 制 因此降低效果相对较小 27 28 除此之外 除了少 数特定时间点 生物炭的添加普遍能够使土壤中 DON含量降低 尽管不同施肥模式下生物炭对 DON含量降低的效果存在细微差异 这一结果表 明 生物炭对土壤氮素的管理具有潜在的积极作用 但其效果受到施肥策略的影响 生物炭通过其巨大 的表面积和官能团的化学吸附作用以及多级孔隙结 构的物理吸附作用 能够吸附土壤中的小分子物质 图 3 不同施肥处理下土壤中DON含量动态变化 Fig 3 Dynamics of DON content in soil in different treatments during incubation 1556 环境工程技术学报第 14 卷 如铵态氮等 导致土壤中活性铵态氮减少 这限制 了氨氧化过程中的底物供应 进一步减少了硝态氮 的生成 最终导致土壤中Nmin的总体含量降低 35 此外 有研究指出 生物炭处理能够激发土壤微生物 的活性 使得微生物更加活跃地吸附和固定土壤中 的Nmin 36 相关性分析揭示了土壤DON和Nmin含 量的变化与土壤N2O释放量之间具有极强的相关 性 这一发现凸显了土壤DON和Nmin含量在调控 图 4 不同施肥处理下土壤中Nmin含量动态变化 Fig 4 Dynamics of Nmin content in soil under different treatments during incubation 注 表示在P 0 01水平上显著相关 图 5 生物炭添加处理中DON Nmin含量与N2O累积释放量之间的相关性 Fig 5 Correlation between DON Nmin contents and N2O cumulative release under different treatments with biochar addition 第 5 期李婧睿等 不同施肥处理添加生物炭对设施农业土壤不同形态氮的影响 1557 土壤N2O排放过程中的重要性 进一步确认了它们 是影响土壤N2O排放的关键因素之一 因此 根据 本研究结果 从减少N2O排放来看 在土壤中建议将 生物炭与有机肥和化肥配合施用 然而 生物炭本 身特性的多样性 配施化肥和有机肥种类的差异 施肥方式和时间的差异等因素均可能影响土壤 N2O气体的释放 4 结论 1 不同施肥处理下设施菜地添加生物炭土壤 的N2O释放特征不同 CK和M处理下 前1 5 d 添加生物炭处理显著提高土壤中N2O释放速率 F和M F处理下 添加生物炭在前2 d均降低土壤 中N2O释放速率 并且随着生物炭施入量增加 降低 效果更加明显 F和M F处理下添加生物炭分别在 第2 25天和第3 14天显著提高N2O释放速率 2 在培养结束时 不同施肥处理下设施菜地添 加生物炭对N2O的累积释放量影响不同 CK处理 下 添加生物炭降低N2O的累积释放量 但未达到显 著影响 M处理下 不同生物炭添加量对土壤 N2O的累积释放量影响不同 其中4 生物炭添加量 显著提高N2O的累积释放量 F处理下N2O的累积 释放量为1 181 g kg 添加2 和4 生物炭处理 N2O的累积释放量分别2 094和2 247 g kg M F 处理下N2O的累积释放量为1 733 g kg 添加 2 和4 生物炭处理下