农业土壤中加入生物质炭对氮的保留和生物利用度的影响外文翻译资料

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农业土壤中加入生物质炭对氮的保留和生物利用度的影响

Hao Zheng ^a,b, Zhenyu Wang^a, Xia Deng ^a,Stephen Herbert ^b,Baoshan Xing ^b

^a中国海洋大学，环境科学与工程学院，中国青岛266100

^b马萨诸塞大学，农学院，美国阿默斯特01003

摘要：利用生物质炭来提高土壤生产率的兴趣迅速增加。用NH₄ -N和NO₃^—_N施肥的生物质炭修正土壤里面的氮损失，保留和利用度是借鉴的淋溶和盆栽试验。通过添加生物质炭，用NH₄ -N和NO₃^—_N施肥的土壤中NO₃^—_N的淋溶显著减少，用NO₃^—_N施肥的土壤中NH₄ -N的淋溶也同样显著减少，然而对用NH₄ -N施肥的土壤却没有明显的影响。用NO₃^—_N施肥的玉米（大号玉米）种植地里也只有少量的NH₄ -N和NO₃^—_N淋溶。通过添加生物质炭来减轻氮的淋溶损失主要归因于土壤水分承受力（WHC）的增加、NH₄ 的吸附和N固定的增强。生物质炭的添加在地面上方和下方同时刺激了玉米的生长。同时生物质炭也提高了氮的利用率却降低了氮的积累效率表明生物质炭的添加可以提高农业土壤中氮的利用度。因此，减少农业土壤中氮的淋溶和提高氮的保留和利用度可以降低作物生长对氮肥的需求。

1.绪论

氮是作物生长的一种必需元素也是土壤中一种主要农业施入物。为了最大化粮食产量，尤其是发展中国家的农民们通常会施加比作物生长需求更多的氮肥(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008)。中国是世界上最大的氮肥生产和消费国。在2010年，氮肥的年生产量和年消费量将分别达到0.4521亿吨和0.4086吨（纯氮），相当于约整个世界生产和消费量的三分之一(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008)。在过去的30年里，虽然氮肥在中国作物产量改善上有显著地贡献，但由于氮肥效率低的过度使用，土壤里氮的损失问题变得更加严峻(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008)。在中国农田里，有效施用于作物的氮占30-35%（发达国家大于50%），45-50%的氮都损失了(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008)。氮肥的过度使用和低效率化已经给中国和其他一些国家地区(例如：墨西哥湾的盲区）带来了严重的环境问题比如地表水的富营养化(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008)，温室气体N₂O的排放(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008),和土壤酸化(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008)。另外，过多氮的利用代表了中国农民一项非必要的经济支出和资源的浪费。预估在2010年，氮肥这一项丢失量达到0.184亿吨，直接造成的经济损失达到43.8亿美元（基于45%氮的损失，(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008)）。因此，提高氮肥的利用效率和减少氮在土壤中的损失是当务之急。

农业土壤中氮的损失归因于气体的排放（(N₂, N₂O, NO, NH₃），氨和硝酸盐的淋溶(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008)）。在中国农业生态系统中，NO₃^—的淋溶已经成为氮损失的主要途径。水中高浓度的NO₃^—会造成水体富营养化(Huang et al., 2003)和健康问题例如白血病和糖尿病(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008)。因此，用技术性解决方案来减少氮（NO₃^—和NH₄ ）的淋溶损失、提高氮肥的利用率来实现农业生产的可持续化发展是必须的。目前，生物质炭应用于土壤引起了科学家和政府官员的关注(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008)，将可能成为一种潜在的解决方案。生物质炭是由生物质在局部或完全绝氧条件下生成，与木炭不同的是生物质炭是一种土壤改良剂来改善土壤质量固定二氧化碳(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008)。生物质炭能提高土壤的物理性能，提高土壤pH和阳离子交换量，提高养分保留度，增加微生物种群和作物产量。这促进了人们对生物质炭对土壤中氮循环影响的学习(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008)。研究数据表明，在土壤中添加生物质炭可以提高净消化率促进N固定(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008)，减少二氧化氮的排放(Spokas et al., 2009)，降低氨气挥发(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008)，提高铵氧化细菌的富集(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008)和氮对作物的利用率(Lehmann et al., 2003; Steiner et al., 2008)。生物质炭的添加提高了氮应用下氮的转型，其中物质包括牛尿、猪粪、绿色垃圾堆肥和生物固体(Clough et al., 2010; Laird et al., 2010b; Knowles et al., 2011)。然而，氮对添加的生物质炭的响应机理并不是很好理解，但是根据这些研究报告，可以合理的推测理论上生物质炭可以保留氮来减缓氮的淋溶损失(Steiner et al., 2008; Ding et al., 2010; Laird et al.,2010b; Knowles et al., 2011). Ding et al. (2010)，这可能表明在地表土层里加入0.5%的生物质炭，通过生物质炭对NH₄ 的吸附可以累积减少15.2%的NH₄ -N的淋溶损失Knowles et al. (2011)，也可能反映了在对生物固体改良的土壤中添加生物质炭进行对照处理后的淋溶逐级降低，但具体都不清楚。

本文，主要研究生物质炭改良的土壤中氮的损失和保留。研究的具体目标是1）调查在使用不同种氮肥后的农业土壤中生物质炭改良剂对氮损失的影响；2）研究在生物质炭改良的土壤的作物中对氮的摄取量；3）评估生物质炭改良土壤中氮的生物利用度。

2.材料和方法

2.1土壤和生物质炭

在中国山东省青岛城阳区一个刚收完土豆的农田里收集一份地表土（0-20cm）。在过去的五年里，这个地区一直轮流种植玉米和蔬菜。尿素和合成肥料是这里两种常用的肥料。将地面上风干的土壤过2mm的筛并彻底匀浆。土壤的pH由1:2.5的土和水悬浮液可得(Wang et al., 2013)。总有机碳（TOC）由重铬酸钾氧化法计算得到(Sciubba et al., 2012)，样本土壤中的总氮（TC)由自动光度计(KDN-102F, Qianjian Ltd., Shanghai)得到(Bai et al., 2010)。总磷（TP)用分光光度计的磷钼蓝光度法测得(Parvage et al., 2012)。NH₄ -N和NO₃^—_N成分分别用分光光度计的酚二磺酸和靛酚蓝光光度法测得(Bai et al., 2010)。将土壤压紧至100cm³的圆筒中得到容重(Zhang et al., 2010)。用比重法分析粒径大小(Spokasand Reicosky, 2009)。在表1中记录了土壤被归类为粉砂壤土及其性能。

生物质炭由芦竹制备而成(Arundo donax L.),在中国芦竹是一种多年生的C3草，广泛用于人工湿地里的废水处理和生态修复，这是一种慢热解方法（在Zheng et al. (2013)文中提到）。选择芦竹是因为它能够使用很少的养分（尤其是氮）就产生大量的生物质，并且芦竹的热解需要在高温下进行，这使得生成的生物质炭稳定性高含氮量小。 炭化后，记录质量并将样本过筛（之前的2mm筛）做进一步分析。总碳，氮，氢，氧，pH，表面积，灰分含量，电动势，总酸性含氧组，NH₄ -N和NO₃^—_N含量都是在Zheng et al. (2013)文中所描述的特征。生物质炭样本的性能呈现在表1中。

表1 土壤和生物质炭的化学物理性质

a NA: 低于检出限；b CEC: 阳离子交换能力, cmol(minus;) kgminus;1；c WHC: 持水量, %；

表2 描述浸出实验的处理和盆栽实验

a 生物质炭添加量按照0%，1%，2%和5%的速度增加；b “L” 表示没有玉米生长的淋溶实验, “L M” 表示有玉米种植的淋溶实验, “P” 表示盆栽实验；c “/”表示加入生物质炭的速度对此无影响。

图1：浸出实验中添加不同的氮肥累积渗滤液的体积变化：(a)NH₄ -N肥，(b)NO₃^—_N肥。0%炭，1%炭，2%和5%炭分别指的的在土壤中增加的生物质炭的速度。0%炭 种植和5%炭 种植分别指的是在玉米种植的土壤中增加的生物质炭的速度。

2.2土柱培养和浸出

2.2.1土柱的制备

自有排水的土柱由有机玻璃管（长45厘米；管内径15厘米）在底部装入有机玻璃端盖制成（图.S1）。将一个有0.5mm洞的有机玻璃盘子固定在据管底部5cm的地方。在端盖和一排水管（直径5mm）各钻通一个洞并将两者连接到一起。在柱中加入4千克的风干土壤，边加边捣固。在土柱的底部和顶端放300克石英砂来保护土柱在淋水过程中不被破坏。为了防止土流失，再装土之前，先用细尼龙网（lt;0.5 mm）附着在土中心。所有的土柱按照在该地域的密度1.13 g cm^minus;3散装。

2.22用NH₄ -N和NO₃^—_N施肥的土壤中氮的淋溶

NH₄ -N和NO₃^—_N肥料是市场上主要的氮肥，很多作物倾向于记取土壤中的NH₄ -N和/或NO₃^—_N。因此，我们分别研究了加入生物质炭对NH₄ -N肥土壤（(NH4)2SO4，相当于600mg N kgminus;1的土壤）和NO₃^—_N肥土壤（KNO3，相当于600mg N kgminus;1的土壤）氮的淋溶的影响（表2）。生物质炭在用NH₄ -N施肥的土壤中添加速度为0%，1%，2%和5%（质量/质量），在用NO₃^—_N施肥的土壤中添加速度为0%和5%（质量/质量）。在土柱包装前将生物质炭，土壤和氮肥完全混合。在柱包装好后，用输液管将1.36L的双蒸水加进柱中（超过3天）达到最大的持水能力（WHC）。在一个恒温房间（23℃相对湿度60%-80%）里静置7天后，在每一个浸出实验中，在每个柱的顶端安装限流针在输液援助仪器的帮助下采用缓慢滴水技术（约4h）加入250mL的双蒸水（图.S1）。土柱在前四个星期每三天浸出一次，在后三个星期里每5天、后两个星期里每7天分别淋溶一次。

此外，为了研究作物里氮的淋溶规律，作物是中国北方的一种主要作物玉米（大号玉米）一半的柱中种植的玉米是用的NO₃^—_N肥，以下简称为0%炭 植物和5%炭 植物。在土列装好后，在每一列土深大约2cm处种植共5种玉米种子，最后在发芽后选取最好的3侏。发芽一周后开始浸出是因为在这个浸出实验中，玉米在两个月的成长中浸出减少到了12次。

每一个试验过后将记录渗滤液的体积并将其盛放在250mL的聚乙烯瓶子里。将渗滤液过滤（0.45mu;m玻璃纤维过滤器）并在24小时内分析处理。渗滤液中NH₄ -N和NO₃^{—_ 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

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