稻壳生物炭(Rice-Husk Biochar)对日本福岛去污砂质土壤中氮素保持、硝化作用及植物氮吸收的影响

《Nitrogen》：Effects of Rice-Husk Biochar on Nitrogen Retention, Nitrification, and Plant Nitrogen Uptake in Decontaminated Sandy Soils in Fukushima, Japan

　　

摘要：福岛县去污后的砂质土壤具有肥力低、氮(N)损失量大的特征，亟需有效的养分管理策略。本研究以福岛去污土壤为对象，通过柱试验、培养试验及盆栽试验，评价了稻壳生物炭对氮素动力学的影响，重点聚焦于铵态氮(NH4+–N)保持、硝化作用及植物有效性氮。研究结果显示，生物炭施用与时间存在显著交互作用，生物炭处理土壤在试验期间表现出不同的NH4+和硝态氮(NO3?–N)淋失模式。培养试验结果表明，生物炭使净硝化速率(Net Nitrification Rate, NNR)降低(?18.1%)，并有降低氨氧化细菌(Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB) DNA丰度的趋势，该效应可归因于生物炭的多孔结构及吸附性能。盆栽试验中，生物炭与有机改良剂（畜禽粪肥及葛藤Kudzu, Pueraria montana var. lobata）共同施用时，较单独施用有机改良剂分别使植物氮吸收量减少9.6%和9.0%，表明生物炭在施用的初期阶段存在氮素保持与植物有效性之间的权衡(trade-off)。上述发现强调了在低肥力土壤中配施生物炭与有机改良剂时，需谨慎平衡氮素保持与有效性的重要性。

论文解读：稻壳生物炭对福岛去污砂质土壤氮素转化及植物氮吸收的影响

一、研究背景与立项依据

2011年东日本大地震及海啸导致福岛县大面积农耕地被放射性物质污染，为恢复农业生产实施了大规模去污措施，包括移除表土约5 cm并回填清洁山砂，致使修复后的土壤呈砂质、有机质匮乏、养分保持能力极差的特点。此类退化砂质土壤中氮(N)素作为主要限制因子，极易经淋溶损失，其中铵态氮(NH₄⁺–N)快速经微生物氧化转化为硝态氮(NO₃^?–N)的硝化(Nitrification)过程会进一步加剧NO₃^?–N淋失、降低氮肥利用率。生物炭(Biochar)作为生物质热解得到的富碳材料，因其高孔隙度、化学稳定性可改善土壤阳离子交换量(Cation Exchange Capacity, CEC)及pH，并通过吸附与离子交换保留NH₄⁺–N及影响硝化微生物活性，但其效应因生物炭种类及土壤性质而异，在福岛去污砂质土壤中的相关研究尚不充分。此外，有机改良剂如牛粪肥(Manure)及豆科葛藤(Kudzu, Pueraria montana var. lobata)可补给养分并促进矿化，但其与生物炭共施对土壤氮转化及作物氮吸收的交互作用亦不明确。因此，研究人员开展本研究以阐明稻壳生物炭对福岛去污土壤中氮转化的影响及其与有机改良剂配施的效应，本文发表于《Nitrogen》期刊。

二、主要关键技术方法概述

研究人员采集日本福岛县飯舘村長泥地区去污后荒置农田的壤砂质土壤(砂85.1%、粉粒10.4%、黏粒4.5%)，风干过2 mm筛；供试材料包括工业级450 ℃热解稻壳生物炭(pH 9.5、CEC 83.0 cmol_ckg^?1)、当地牛粪肥及千叶大学试验田采集风干粉碎葛藤茎叶(含N 32 g N kg^?1)。开展三项试验：(1)柱试验(Column Experiment)：土混5% w/w生物炭装PVC柱，预培养后脉冲输入含NH₄⁺–N与NO₃^?–N溶液，逐日收集淋洗液测定矿物氮淋失；(2)培养试验(Incubation Experiment)：土添加5% w/w生物炭并施(NH₄)₂SO₄(95 mg N kg^?1干土)，56 d内定期取样测定NH₄⁺–N与NO₃^?–N浓度计算净硝化速率(Net Nitrification Rate, NNR)，并提取土壤DNA用实时荧光定量PCR(qPCR)靶向amoA基因定量氨氧化古菌(Ammonia-Oxidizing Archaea, AOA)与氨氧化细菌(Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB)拷贝数；(3)盆栽试验(Pot Experiment)：Wagner盆装土，设对照、单施粪肥、生物炭+粪肥、单施葛藤、生物炭+葛藤五处理(生物炭当量2 t ha^?1，有机改良剂按等量总N输入)，播种小松菜(Brassica rapa var. perviridis)培养35 d后测地上部生物量及植株氮吸收量。数据统计采用线性混合效应模型、重复测量双因素ANOVA及双因素ANOVA等(p < 0.05为显著)。

三、研究结果

3.1. Rice Husk Biochar Traits（稻壳生物炭性状）

扫描电镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)观察显示稻壳生物炭具高度多孔非均质结构及复杂孔网，高倍下可见约10 μm大孔及更小孔隙；X射线荧光(X-ray Fluorescence, XRF)分析表明其富含硅(84.2%)、钾(11.0%)和钙(1.68%)，为富硅高灰分生物炭。

3.2. Nitrogen Leaching and Retention（氮素淋失与保持）

柱试验中生物炭主效应未达显著(p = 0.056 for NH₄⁺–N)，但生物炭×时间交互作用对NH₄⁺–N(p < 0.001)和NO₃^?–N(p = 0.034)淋失显著。第4天脉冲输入氮后，生物炭处理NH₄⁺–N淋失较对照降低75.7%，NO₃^?–N淋失降低24.2%。计算表明对照与生物炭处理矿物氮保持率分别为54.9%和66.7%，证实生物炭提升了去污砂质土壤对矿物氮的保持能力。

3.3. Net Nitrification Rates and Microbial Abundance（净硝化速率与微生物丰度）

56 d培养期内，加生物炭土壤各时期NO₃^?–N浓度均低于对照，平均净硝化速率(NNR)对照组2.75 mg N kg^?1d^?1、生物炭组2.25 mg N kg^?1d^?1，生物炭使其显著降低18.1%(p = 0.002)。qPCR结果显示氨氧化细菌(AOB) amoA基因拷贝数在生物炭处理有降低趋势(第28 d p = 0.062，第56 d p = 0.109)，而氨氧化古菌(AOA)丰度远低于AOB且不受生物炭影响，说明生物炭减缓硝化可能与其抑制或不利于AOB增殖有关。

3.4. Plant Nitrogen Uptake as Affected by Biochar Application（生物炭对植物氮吸收的影响）

盆栽中粪肥与葛藤均提高了小松菜生物量及氮吸收量，但与生物炭共施时较单独施有机肥显著降低了植株生物量(p = 0.025)和氮吸收量(p = 0.046)，其中粪肥+生物炭、葛藤+生物炭处理植物氮吸收分别下降9.6%和9.0%，表明生物炭在施入初期通过吸附保持氮素的同时减少了当季植物对氮的有效性，存在氮保持—植物有效性权衡。

四、讨论与结论总结

研究人员讨论指出，SEM所见的稻壳生物炭多级孔隙结构利于通过表面吸附与离子交换截留NH₄⁺–N，这与培养第0 d即检测到生物炭处理NH₄⁺–N液相浓度降低相符，且该批次400–500 ℃热解稻壳生物炭具较高CEC可强化此吸附。NO₃^?–N淋失减少除与保水改构间接作用相关外，培养试验显示的NNR下降及AOB拷贝数下降趋势支持生物炭抑制硝化系NO₃^?–N淋失减少的机制之一。本研究中高初始NH₄⁺–N投加量(95 mg N kg^?1)及近中性土壤pH使AOB主导氨氧化过程，AOA未被生物炭显著影响。盆栽结果表明生物炭对有机改良剂分解释放/矿化产生之矿质氮的吸附滞留降低了短期内植物可吸收氮量，此负交互效应在施后35 d内明显，长期或待生物炭吸附位点饱和后效应可能转变。综上，研究人员得出结论：稻壳生物炭可显著改善福岛去污砂质土壤的氮素保持并抑制净硝化速率，但与有机改良剂共施会在初期降低植物氮吸收，存在氮保持与植物有效性之权衡(trade-off)；在低肥力去污农田中将生物炭与氮肥源配合施用时，须慎重评估并平衡氮的生物有效性与养分保持效益。