冻融循环对添加了花生壳水炭的高山表土中氮素保留的影响

《Environmental Research》：Effect of freeze-thaw cycles on nitrogen retention in an alpine topsoil amended with peanut shell hydrochar

土壤氮流失受冻融循环加剧，水热碳化花生壳衍生氢化物（PSHs）在减少硝态氮流失方面效果显著，其中200℃处理PSH-200最优，兼具孔隙结构稳定性和化学吸附能力，有效缓解冻融循环导致的土壤氮流失问题。

　　土壤氮素（N）损失是全球环境面临的一个重要问题，尤其在寒冷地区，由于冻融（freeze-thaw, FT）循环的影响，氮素流失变得更加严重。氮素的流失不仅威胁着全球水资源安全，还对生态系统的稳定性构成挑战。在这样的背景下，寻找有效的土壤改良剂成为关键。近年来，生物炭作为一种富含碳的多孔材料，已被广泛研究用于提高土壤氮素的保留能力。然而，传统生物炭的生产通常需要高温（300–700°C）以及缺氧条件，这使得其在某些环境中的应用受到限制。相比之下，水热炭化（hydrothermal carbonization, HTC）技术提供了一种更为环保和经济的替代方案，能够在较低温度下（<300°C）直接从湿生物质中制备炭质材料，即水炭（hydrochar）。这一过程不仅减少了能耗，还降低了碳足迹，因此在可持续农业和环境治理中展现出巨大潜力。

本研究以花生壳为原料，通过不同温度的HTC处理（130°C、200°C、270°C）制备出三种花生壳水炭（PSHs），分别命名为PSH-130、PSH-200和PSH-270。研究目的是评估这些水炭在冻融循环条件下对高寒土壤中硝态氮（NO??-N）和铵态氮（NH??-N）淋溶的抑制效果。研究中采用4%（干土质量比）的水炭添加量，模拟自然条件下的连续淋溶和冻融循环，以考察水炭对土壤氮素流失的长期影响。

在连续淋溶实验中，PSH-200表现出最佳的氮素保留性能。与未添加水炭的对照土壤（CK）相比，PSH-200的添加显著减少了累积淋溶水量（减少5.9%）和初始淋溶液中硝态氮的浓度（减少97.2%）。然而，其对铵态氮的保留效果则呈现不同的趋势，初始淋溶液中的铵态氮浓度反而增加了216.4%。这一现象可能与PSH-200中较高的有机氮含量有关，这些有机氮在土壤中可能被释放，从而增加铵态氮的淋溶。因此，PSH-200在抑制硝态氮流失方面表现突出，但在控制铵态氮流失方面则存在一定的局限性。

在冻融循环实验中，PSH-200同样展现出优异的氮素保留能力。其对初始淋溶液中硝态氮的浓度抑制效果达到98.4%，显著优于对照土壤。然而，与连续淋溶实验相比，PSH-200在冻融循环条件下对铵态氮的抑制效果更加有限，初始淋溶液中的铵态氮浓度增加了463.1%。这一结果表明，虽然PSH-200在冻融循环中对硝态氮的保留能力显著提升，但其对铵态氮的控制能力相对较弱。这种差异可能与冻融循环过程中土壤结构的变化以及水炭的物理化学性质有关。

PSH-200之所以在抑制氮素流失方面表现优于其他两种水炭，主要归因于其在物理结构和化学特性上的平衡。首先，PSH-200具有较高的孔隙率和较宽的孔径分布，这使得其能够有效吸附和保留土壤中的氮素。其次，PSH-200的表面富含含氧官能团（如–OH和–COOH），这些官能团增强了其对硝态氮的吸附能力。此外，PSH-200的结构稳定性较好，能够抵抗冻融循环引起的孔隙塌陷，从而保持较高的水力传导性，减少水土流失对氮素的冲刷作用。相比之下，PSH-130由于其孔隙结构较为松散，容易在冻融循环中释放可溶性有机物，进而影响氮素的保留效果。而PSH-270由于高温处理导致其孔隙被部分堵塞，降低了其对氮素的吸附能力，因此在冻融循环条件下表现较差。

本研究还发现，水炭的制备温度对其物理化学性质具有显著影响。低温度（130°C）处理的PSH-130保留了较多的可溶性有机物，这些有机物在土壤中可能被微生物分解，释放出氮素，从而增加淋溶量。而高温（270°C）处理的PSH-270则由于结构更加紧密，导致其对氮素的吸附能力下降，尤其是在冻融循环过程中，其孔隙结构可能被破坏，进一步降低了氮素的保留效果。PSH-200则在保持一定孔隙率的同时，增强了其对氮素的吸附能力，使其在冻融循环条件下表现出更优的氮素保留性能。

此外，研究还指出，水炭的添加能够显著改善土壤的物理结构，提高其孔隙度，降低土壤的容重，增强其持水能力。这些改善有助于减少土壤水分的流失，从而间接提高氮素的保留能力。然而，水炭的添加也带来了一定的挑战，尤其是在氮素的释放和迁移方面。例如，PSH-200在连续淋溶条件下虽然能有效抑制硝态氮的流失，但其对铵态氮的保留能力较弱，这可能与其较高的有机氮含量有关。因此，在实际应用中，需要根据具体的土壤条件和氮素流失类型，选择合适的水炭类型，以达到最佳的氮素保留效果。

在冻融循环条件下，土壤结构的变化对氮素的流失具有重要影响。冻融循环会导致土壤颗粒的重新排列，增加土壤的孔隙率，从而提高水力传导性，促进氮素的迁移。同时，冻融循环还可能破坏土壤中的有机质结构，释放出更多的氮素。因此，在寒冷地区，水炭的添加不仅需要考虑其自身的物理化学性质，还需要评估其在冻融循环条件下的稳定性。PSH-200由于其较高的结构稳定性，能够在冻融循环中保持较好的孔隙结构，从而有效抑制氮素的流失。相比之下，PSH-130和PSH-270则可能在冻融循环中发生结构破坏，影响其氮素保留能力。

本研究的实验结果表明，PSH-200在抑制氮素流失方面具有显著优势，尤其是在冻融循环条件下。其优异的性能可能归因于其在物理结构和化学特性上的平衡，使其既能有效吸附和保留氮素，又能保持较高的水力传导性，减少水土流失对氮素的冲刷作用。此外，PSH-200的添加还能改善土壤的持水能力，提高其对水分的保持能力，从而间接促进氮素的固定。因此，PSH-200在寒冷地区的土壤改良和氮素管理中具有广阔的应用前景。

然而，尽管PSH-200在氮素保留方面表现出色，但其对铵态氮的抑制效果仍需进一步优化。这可能需要通过调整HTC温度或添加其他改良剂，以进一步提高水炭对铵态氮的吸附能力。例如，通过在HTC过程中引入不同的添加剂或调整反应条件，可能能够增强水炭对铵态氮的吸附能力，从而提高其在寒冷地区的氮素保留效果。此外，水炭的长期稳定性也是需要关注的问题，尤其是在频繁的冻融循环条件下，其结构可能会逐渐发生变化，影响其氮素保留能力。

总的来说，本研究为水炭在寒冷地区的土壤改良和氮素管理提供了重要的理论依据和实践指导。通过系统评估不同温度处理的花生壳水炭在冻融循环条件下的氮素保留效果，研究揭示了水炭在寒冷地区农业中的应用潜力。PSH-200的优异表现表明，水炭的制备温度对其性能具有关键影响，因此在实际应用中，需要根据具体的环境条件和氮素流失类型，选择合适的水炭类型。此外，研究还强调了水炭在改善土壤结构、提高持水能力以及增强氮素保留能力方面的综合效益，为寒冷地区农业的可持续发展提供了新的思路和方法。