土壤有机质调控生物炭–油饼对火山灰土壤中无机氮有效性与矿化动力学的影响

《Applied Biological Chemistry》：Soil organic matter controls biochar–oil cake effects on inorganic nitrogen availability and mineralization kinetics in volcanic ash soils

　　

理解氮(N)矿化对于准确估算各种土壤改良剂释放的氮有效性至关重要，从而可最大限度减少养分损失并降低环境影响。研究人员开展了室内淋洗–培养试验，以评估具有不同土壤有机质(SOM)含量（低：11.7 g kg?1；中：66.1 g kg?1；高：134 g kg?1）的火山灰土壤中氮矿化潜力(N0)与矿化动力学，并评价生物炭与油饼(OC)配施对土壤氮动态的影响。油饼按200 kg N ha?1施用，并配施由济州果园温州蜜柑修剪枝制备的生物炭，生物炭比例为0%、0.2%、1%和2%（质量比）。结果表明，SOM水平显著影响生物炭对N0和氮释放的作用。采用一级动力学模型，N0在高SOM土壤中最高的，其次为中SOM和低SOM土壤，而2%生物炭处理在所有SOM水平下均导致最低的N0。在低SOM土壤中，与0%生物炭处理相比，0.2%、1%和2%生物炭添加使无机氮有效性（NO3?-N + NH4+-N）分别降低4.7%、8.0%和12.9%。相比之下，生物炭在高SOM土壤中对氮有效性无显著影响。总体来看，生物炭通过增强氮固定和降低矿化速率常数，缓和了氮矿化，从而缓解农业生态系统中硝酸盐(NO3?-N)淋溶。该效应在低SOM土壤中更明显，表明生物炭施用应依据土壤特性和环境条件进行调整，以最大限度减少NO3?-N损失并提高氮利用效率。

该研究论文发表于《Applied Biological Chemistry》。研究背景方面，氮(N)通常是多数土壤包括火山灰土壤植物生长最具限制性的养分。韩国济州岛具有湿润亚热带气候和玄武岩喷发形成的火山灰土壤，其中高位区因低温多雨使土壤有机质(SOM)积累，形成具火山灰特性(andic properties)的灰土(Andisols)；而干旱海岸和中山区多为非灰土，以硅酸盐黏土矿物和石英为主。柑橘等多年生作物常施氮过量，蔬菜作物氮投入可超过480 kg N ha^?1，约80%成为盈余，导致硝酸盐(NO₃^?-N)淋溶，威胁供应全岛逾90%饮用水的地下水。有机改良剂如生物炭(biochar)与油饼(OC)可降低化肥依赖，但生物炭与有机物料配施对氮矿化的报道常不一致，可能与SOM、土壤类型、改良剂性质有关。因此，研究人员开展不同SOM火山灰土壤中生物炭配施油饼对无机氮有效性与矿化动力学研究，以明确生物炭作用的土壤属性依赖性，为减少NO₃^?-N污染和提升氮利用效率提供依据。

主要关键技术方法上，研究人员在济州岛选取0–10 cm深度、具低SOM、中SOM、高SOM三类代表性耕地土壤；以温州蜜柑修剪枝500℃厌氧热解30 min制备生物炭；采用完全随机因子设计，设3个SOM水平与0%、0.2%、1%、2%生物炭配施200 kg N ha^?1油饼，每处理3重复；开展90天淋洗–培养，于0、2、4、9、16、23、34、48、62、76、90天用0.01 M CaCl₂及无氮营养液淋洗取样，测定NH₄⁺-N与NO₃^?-N；用一级动力学模型估算潜在可矿化氮(N₀)与矿化速率常数(k)；以净矿化率(NMR)、累积NMR及相对释放百分比进行统计与动力学分析。

研究结果如下。净NH₄⁺-N释放：SOM水平、处理及其交互作用均显著影响NH₄⁺-N。高SOM土壤平均NH₄⁺-N最高，低SOM次之，中SOM最低；油饼配施0.2%生物炭处理NH₄⁺-N释放最高，2%生物炭处理在施生物炭处理中最低。研究表明高黏土与阳离子交换量(CEC)促进铵固定与吸附，生物炭提高养分吸附并延缓有机改良剂矿化，表现为缓释载体。

净NO₃^?-N释放：SOM与处理组合及交互作用均显著。NO₃^?-N浓度随SOM升高而增加，高SOM＞中SOM＞低SOM；不加生物炭处理NO₃^?-N最高，2%生物炭最低。研究显示生物炭降低NO₃^?-N累积，可减缓移动性氮淋溶与水体污染。

净矿质氮释放：SOM与处理对矿质氮（NH₄⁺-N、NO₃^?-N、总矿质氮）影响显著但无显著交互。生物炭比例越高越延迟总有效氮释放，说明其对氮矿化有天然抑制，可通过吸附铵、硝酸盐和有机氮及改善团聚体稳定性增强保肥。

氮释放动力学：一级模型R² adj多超0.95。对照组N₀为高SOM＞中SOM＞低SOM；配施油饼后N₀大幅上升，但同SOM下2%生物炭的N₀最低。对照k值高SOM为0.200 day^?1，低SOM为0.107 day^?1；生物炭处理k降至0.029–0.040 day^?1。研究表明生物炭增强微生物固持、减慢矿化，形成慢效氮库，效果受SOM与andic特性调控。

净NMR与累积NMR：所有SOM水平下净NMR与累积NMR均显著差异。低SOM峰值在9–16天，中SOM在9–16与16–23天，高SOM在16–23天。早期0–2天对照矿化最高，油饼加生物炭处理因固持或激发效应而较低；中期生物炭促矿化；2%生物炭处理净NMR最低，出现负净矿化即固持效应；后期各处理趋稳，矿化与固持平衡。

不同SOM下生物炭对无机氮有效性影响：低SOM中0.2%、1%、2%生物炭使无机氮较无生物炭分别降4.7%、8.0%、12.9%；中SOM效应较弱；高SOM中生物炭无显著降低。研究显示低SOM火山灰土中生物炭作为缓释/保氮改良剂最有效，高SOM灰土因有机–矿物复合体缓冲使无机氮有效性变化小。

讨论与结论部分总结：研究人员指出生物炭效应依赖于SOM与andic属性，低SOM土壤中生物炭通过增强氮固持和保留减缓NO₃^?-N淋溶，高SOM灰土中因有机–矿物基质缓冲而效益有限。一级动力学显示生物炭调节易变矿质氮库(pool I)与后续矿化参数(N₀、k)，反映保留与微生物固持而非单一刺激。未来需用氮标记生物炭区分改良剂氮与土著土壤氮，并开展长期田间降雨排水试验；微生物电化学系统(MESs)可作为末端处理富硝酸盐排水的补充平台。

研究结论翻译：生物炭通过增强氮固持和降低矿化速率常数缓和氮矿化，从而缓解农业生态系统中NO₃^?-N淋溶。该效应在低SOM土壤中更显著，表明生物炭施用应根据土壤特性与环境条件定制，以最大限度减少NO₃^?-N损失并提高氮利用效率。生物炭在低SOM土壤中主要发挥缓释或保持改良剂作用，而在高SOM具andic特性土壤中其对无机氮有效性的增益有限。