生物炭對(duì)農(nóng)田土壤氮素遷移及氨氧化作用的影響.pdf

1、為了取得更高的糧食產(chǎn)量，氮素肥料被廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，但是也相應(yīng)帶來了許多負(fù)面效應(yīng)。氮肥利用率低導(dǎo)致的營養(yǎng)物質(zhì)淋失，進(jìn)而污染地表地下水資源是最主要的表現(xiàn)形式，對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境造成了巨大威脅。因此，尋求一種能吸附固持土壤中氮素的高效、經(jīng)濟(jì)的處理方法，最大限度的減少土壤氮素?fù)p失、提高氮肥利用率以及治理無機(jī)氮污染是目前迫切需要解決的問題之一。
　　近年來，生物炭作為一種土壤改良劑越來越受到人們的關(guān)注。生物炭主要是以植物或其他農(nóng)業(yè)廢棄物為原材料

2、，在限氧或無氧、高溫條件下形成的富含碳的物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、多孔、比表面積大，對(duì)NO3-和NH4+具有較強(qiáng)的吸附能力。因此，本課題考慮采用農(nóng)業(yè)廢棄物玉米秸稈、玉米芯以及小麥秸稈作為生物炭制備材料，首先開展了玉米秸稈和玉米芯生物炭對(duì)水溶液中無機(jī)氮的吸附性能研究，研究了其對(duì)NH4+-N、NO3--N和 NO2--N的吸附動(dòng)力學(xué)過程；并用等溫吸附模型對(duì)NH4+-N和NO3--N的吸附過程進(jìn)行擬合，探討制得生物炭對(duì)無機(jī)氮的吸附機(jī)理。結(jié)果表明，40

3、0℃和600℃制得玉米秸稈和玉米芯生物炭均呈堿性，表現(xiàn)為400℃<600℃；同種原材料，與400℃制得生物炭相比，600℃制得生物炭堿性含氧官能團(tuán)數(shù)量較多，而酸性含氧官能團(tuán)數(shù)量較少。400℃制得生物炭對(duì)NH4+-N的吸附能力較強(qiáng)（玉米秸稈和玉米芯生物炭的平衡吸附量分別為4.22和4.09mg/g）；而600℃制得生物炭對(duì)NO3--N和NO2--N的吸附能力較強(qiáng)（玉米秸稈和玉米芯生物炭對(duì)NO3--N的平衡吸附量分別為0.73和0.63mg

4、/g；對(duì)NO2--N的平衡吸附量分別為0.55和0.35mg/g）。與NO3--N和NO2--N相比，玉米秸稈和玉米芯生物炭對(duì)NH4+-N的吸附能力更強(qiáng)，4種生物炭對(duì)NH4+-N的平衡吸附量是NO3--N/NO2--N的4.29～20.2倍。4種生物炭對(duì)NH4+-N和NO3--N的吸附均符合準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型，以化學(xué)吸附為主。等溫吸附模型擬合研究表明，玉米秸稈和玉米芯生物炭對(duì)水溶液中NH4+-N和NO3--N的吸附過程均可用Freun

5、dlich模型描述，其在生物炭表面的吸附是多分子層吸附。
　　為了深入研究玉米秸稈生物炭及其老化對(duì)農(nóng)田土壤氮素遷移的影響，開展了柱狀淋濾實(shí)驗(yàn)。研究表明：生物炭能減少土壤無機(jī)氮的淋失；在淋濾過程中，無機(jī)氮淋失量和淋濾液pH均呈單峰形式變化，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；與對(duì)照相比，添加新鮮和老化生物炭均使土柱銨態(tài)氮淋失量達(dá)到峰值的時(shí)間推遲，起到了緩釋作用；而老化生物炭的這一作用表現(xiàn)較新鮮生物炭更顯著。對(duì)于硝態(tài)氮而言，添加老化生物炭土柱淋失

6、量達(dá)到峰值的時(shí)間，與對(duì)照相同；而添加新鮮生物炭土柱淋失量達(dá)到峰值的時(shí)間，較對(duì)照提前。老化生物炭對(duì)提高氮肥利用率和減少氮肥淋失具有更加積極的作用；40天的淋濾實(shí)驗(yàn)后，在土柱表層土壤中，添加老化生物炭處理的氨氧化速率、氨氧化細(xì)菌數(shù)量和脲酶活性都較添加新鮮生物炭處理大；而在深層土壤中（5cm以下），則相反；其原因?yàn)榕c新鮮生物炭相比，老化生物炭對(duì)銨態(tài)氮具有更強(qiáng)的吸附能力，更能抑制其遷移；土柱各分層氨氧化速率、氨氧化細(xì)菌數(shù)量和脲酶活性的分布特征可

7、能與銨態(tài)氮的縱向遷移及其分布有關(guān)。
　　為了探索小麥秸稈生物炭對(duì)農(nóng)田土壤氨氧化作用的影響，將小麥秸稈生物炭按0％、2%、5%和10%的比例與土壤室內(nèi)混合培養(yǎng)，定期采集土樣，并測(cè)定其氨氧化速率、氨氧化細(xì)菌數(shù)量、脲酶活性、無機(jī)氮含量及pH變化，進(jìn)一步揭示添加生物炭條件下，土壤氨氧化作用變化的機(jī)理。研究表明：小麥秸稈生物炭顯著促進(jìn)了該堿性農(nóng)田土壤的氨氧化速率，且隨培養(yǎng)時(shí)間的延長而增大；添加小麥秸稈生物炭后，除銨態(tài)氮含量外，氨氧化細(xì)菌數(shù)量