生物炭原料异质性调控干湿交替稻田氨挥发与土壤氮动态的三年田间试验研究

《Environmental Technology & Innovation》：Feedstock-derived biochar heterogeneity regulates ammonia volatilization and soil nitrogen dynamics in AWD paddies

　　

由不同农业和林业废弃物制备的生物炭因其理化性质的差异，在调节水稻土氮循环和氨气（NH3）挥发方面表现出显著不同的效果，尤其在干湿交替灌溉（AWD）条件下其作用机制尚不明确。为此，研究人员开展了一项为期三年的田间试验，评估了四种处理：无生物炭对照（B0）、玉米秸秆生物炭（BMS）、稻壳生物炭（BRH）和锯末生物炭（BSD），施用量均为20 t·ha-1，仅在2020年试验开始时一次性施入。结果表明，在AWD条件下，BMS和BSD在施用初期增加了NH3挥发，但在后续年份中起到缓解作用；而BRH在整个三年试验期间持续降低了累积NH3挥发量。在所有测试的生物炭中，BRH对土壤无机氮（NH4+-N和NO3--N）的固持增强效果最为显著。这些发现表明，由原料决定的生物炭性质（如阳离子交换容量（CEC）、比表面积（SSA）、表面官能团和pH值）是调控AWD稻田NH3挥发和氮动态的关键因素。研究强调，选择合适的生物炭原料对于制定有效的氮损失减排策略至关重要，其中稻壳生物炭在AWD条件下表现出最优异的综合性能。

一、研究背景与目的

全球粮食供应压力因人口增长和饮食结构变化而日益增大，提升作物生产力成为关键。在水稻生产中，过量施用氮肥虽能提高产量，但也导致了严重的氮素损失。研究表明，氨气（NH₃）挥发会带走水稻种植系统中13.2%至47.0%的肥料氮，这不仅降低了氮肥利用效率、增加了生产成本，还会加剧环境污染。挥发的NH₃在大气中转化为含铵细颗粒物（如富集NH₄⁺的PM_2.5），并通过沉降返回陆地和水体，导致土壤酸化和水体富营养化等环境问题。因此，阐明调控稻田NH₃挥发的机制对于提高氮肥利用率、减轻环境污染以及制定可持续水稻生产的针对性策略至关重要。

将生物质热解制成的生物炭施入土壤被认为是一种有前景的减少淹水稻田NH₃损失的策略。玉米秸秆、稻壳和锯末是广泛可得的农林废弃物，是生产生物炭的代表性原料。然而，由原料决定的生物炭性质差异，包括比表面积（SSA）、孔隙结构、表面化学性质、阳离子交换容量（CEC）和pH值，在很大程度上决定了其在调控NH₃挥发和改变土壤氮转化方面的有效性。例如，具有发达孔隙结构和丰富含氧表面基团的生物炭可以吸附铵根离子（NH₄⁺），影响与NH₃挥发相关的微生物过程，增强氮固持并减少气态氮损失；高SSA的生物炭能改善土壤通气性以抑制反硝化并减少NH₃挥发；而碱性生物炭可能会提高土壤pH值，从而促进NH₃释放。这些差异凸显了将原料特性与环境变量相结合以准确预测和增强生物炭在农业系统中减少氮损失效能的必要性。

干湿交替灌溉（AWD）已成为亚洲水稻生产中重要的水分管理措施，它能在不牺牲产量的情况下提高灌溉效率。AWD下反复的干湿交替不断改变土壤水环境，进而改变了生物炭表面与土壤无机氮之间的相互作用。由于不同原料制备的生物炭在孔隙结构、SSA、表面官能团、CEC和碱度方面固有差异，AWD下的反复干湿可能进一步放大它们在表面反应性、NH₄⁺固持和局部pH调节方面的功能差异。现有的生物炭研究主要集中在单一原料生物炭在连续淹水灌溉下的效果，而由原料引起的异质性如何影响稻田氮循环和NH₃挥发，尤其是在AWD条件下，仍不清楚。

为此，研究人员开展了一项为期三年的田间试验，评估了四种生物炭施用方案：无生物炭对照（B₀）、玉米秸秆生物炭（B_MS）、稻壳生物炭（B_RH）和锯末生物炭（B_SD），施用量均为20 t·ha^-1。目标是阐明不同农林生物质原料制备的生物炭如何在AWD条件下调控NH₃挥发，并改变土壤氮固持的动态和特性，以减少该水分管理方式下的氮损失。值得注意的是，生物炭仅在2020年试验开始时一次性施入，随后两年不再施用，这使得三年田间试验能够评估不同原料生物炭在AWD条件下对土壤氮动态和NH₃挥发的即时效应和残留效应。

二、主要技术方法

1. 1.
   田间试验设计：在中国辽宁省沈阳市（120°30'E，42°08'N）的省级中心灌溉试验站进行，为期三个连续生长季（2020-2022）。采用随机完全区组设计，每种处理设置三次重复。小区面积18 m²，用塑料埂分隔以防侧向水肥流动。供试土壤为粉砂壤土，此前未经耕作。水稻品种为粳稻沈农9765。
2. 2.
   生物炭材料：三种生物炭分别由玉米秸秆、稻壳和锯末在500 °C下热解2小时制成，购自浙江长三角聚农科技有限公司。仅在2020年初一次性混入0-20 cm土层。
3. 3.
   水分与养分管理：所有处理均采用AWD灌溉。移栽后幼苗期保持浅水层（1-3 cm），之后当土壤水势降至预设下限时进行灌溉，使田间水层恢复至30 mm。年度施肥方案为：尿素提供210 kg N ha^-1，过磷酸钙提供60 kg P₂O₅ ha^-1，硫酸钾提供75 kg K₂O ha^-1。基肥施用40% N、60% K和100% P；分蘖期追施40% N；穗肥追施剩余20% N和40% K。
4. 4.
   NH₃挥发测定：采用密闭室间歇抽气法量化NH₃挥发。每次施肥后按固定时间间隔采样直至收获。吸收液中的NH₃浓度使用AA3连续流动分析仪测定。
5. 5.
   土壤与植株分析：使用便携式电极pH计监测5 cm深处土壤pH。新鲜表层土壤样品用2 mol·L^-1 KCl溶液提取后，使用AA3连续流动分析仪测定NH₄⁺-N和NO₃^--N浓度。成熟期采集水稻植株，分为茎、叶和穗三部分，经烘干、粉碎后，采用H₂SO₄-H₂O₂消煮法，并使用全自动凯氏定氮仪测定总氮含量，计算地上部吸氮量。从每个小区随机选取三个1 m²样方收割测产。

三、研究结果

3.1 生物炭基本性质

三种生物炭的pH值、全氮（TN）、碳氮比（C/N）、阳离子交换容量（CEC）和比表面积（SSA）均存在显著差异。pH值顺序为B_MS (9.35) > B_SD (8.59) > B_RH (8.23)。B_MS的全氮含量最高，B_RH和B_SD分别比其低49.1%和74.2%。C/N比顺序为B_SD (122.13) > B_RH (63.74) > B_MS (35.45)。B_MS的CEC最大（44.19 cmol·kg^-1），B_RH和B_SD分别比其低40.3%和73.9%。B_RH的SSA最大（107.56 m²·g^-1），B_MS和B_SD分别比其低15.6%和33.8%。

3.2 表面官能团

傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示，三种生物炭在4000-500 cm^-1范围内存在不同的吸收峰。B_RH在3433 cm^-1处的O-H伸缩振动峰强度最大，表明其表面羟基含量最高。B_SD的脂肪族C-H伸缩振动峰强度较弱，表明其表面脂肪族基团含量较低。

3.3 空间结构缺陷密度

拉曼光谱分析显示，所有生物炭均存在D带（~1360 cm^-1）和G带（~1590 cm^-1）。B_RH的I_D/I_G比值（0.77）高于B_MS（0.70）和B_SD（0.67），表明其芳香碳结构更具缺陷和无序性，表面活性位点更丰富，这有利于增强对含氮化合物的吸附和固持。

3.4 土壤pH

土壤pH值的升高主要在试验第一年（2020年）观察到。2020年水稻生长季，土壤pH值随施肥阶段逐渐升高，顺序为穗肥期 > 分蘖期 > 基肥期，之后接近约7.0。这表明这是先前未耕作土壤对新建立的水稻种植系统的初始调整，而非持续的碱化过程。

四、讨论与结论

讨论部分：

该研究系统地探讨了不同原料生物炭在AWD条件下影响NH₃挥发和土壤氮动态的潜在机制。B_MS和B_SD在第一年增加NH₃挥发，这可能与其较高的pH值和C/N比有关。高pH值会推动NH₄⁺向NH₃的平衡移动，而高C/N比可能导致微生物固氮作用增强，短期内竞争性减少了NH₄⁺的硝化途径，间接促进了NH₃挥发。然而，随着时间推移，生物炭的老化效应，特别是表面氧化形成更多含氧官能团，增强了其对NH₄⁺的吸附能力，因此在后续年份表现出减排效果。相比之下，B_RH虽然也呈碱性，但其独特的性质——最高的SSA、最丰富的表面羟基和羧基等含氧官能团、最大的结构缺陷度（I_D/I_G最高）以及适中的pH值——使其能够高效地吸附和固持NH₄⁺，同时其较低的pH值减缓了NH₃的生成。这种强大的吸附能力抵消了其碱性可能带来的促进挥发效应，从而在整个三年试验期内持续稳定地降低NH₃挥发。同时，B_RH对土壤无机氮（NH₄⁺-N和NO₃^--N）的固持效果最强，这进一步证实了其优越的氮素保留能力。研究还发现，生物炭对土壤无机氮的影响在不同年份间有所波动，这与AWD引起的干湿交替以及生物炭本身的老化过程密切相关。

结论：

这项为期三年的田间试验明确揭示了生物炭原料异质性在AWD稻田中调控NH₃挥发和土壤氮动态的关键作用。主要结论如下：

1. 1.
   玉米秸秆生物炭（B_MS）和锯末生物炭（B_SD）在施用第一年增加了NH₃挥发，但在随后的年份中起到了缓解作用。
2. 2.
   稻壳生物炭（B_RH）在整个三年试验期间持续降低了累积NH₃挥发量。
3. 3.
   在所有测试的生物炭中，稻壳生物炭（B_RH）对土壤无机氮固持的增强效果最为显著。
4. 4.
   由原料决定的生物炭性质（如pH、CEC、SSA和表面官能团）是调控AWD稻田NH₃挥发和氮动态的主要因素。选择具有高SSA、丰富含氧官能团和适当碱度的生物炭原料，对于在AWD条件下实现最佳的氮素损失减排效果至关重要。