老化生物质炭对稻田土壤团聚体分布、水稻产量及N2O排放的影响研究

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生物质炭是秸秆、木料、有机废弃物、城市垃圾、畜禽粪便等在厌氧或无氧条件下进行高温热分解而形成的含碳丰富的难降解固体。大量研究证实生物质炭拥有巨大的比表面积和稳定的结构,在土壤固碳、改善土壤质量、提高土壤生产力和温室气体减排方面发挥着重要作用。但是,生物质炭在施入土壤后会逐步老化,除了本身碳成分的改变,其自身官能团结构与土壤颗粒的相互作用也会发生变化,这直接影响着土壤理化性质、养分、氮素微生物和转化过程,进而影响着作物生长和土壤N2O的排放。然而,目前关于生物质炭的研究多集中在短期效应上(<2年),有关长期生物质炭施用对土壤团聚体、肥力分布、养分利用效率和N2O排放影响的研究非常缺乏。因此本研究通过田间定位试验,研究稻田生物质炭的老化过程对土壤团聚体、水稻生长及土壤N2O排放的影响,同时明确生物质炭的老化对土壤肥力、农业生产力和土壤N2O排放的微生物机理。田间定位试验位于江苏南京,供试土壤为水稻土。共设6个处理,分别是CKnoP(不施磷肥施氮肥)、CK(不施氮肥和生物质炭)、N(施氮肥)、NB0y(氮肥和老化0年生物质炭,2017年施入)、NB2y(氮肥和老化2年生物质炭,2015年施入)和NB5y(氮肥和老化5年生物质炭,2012年施入),每个处理设3次重复。生物质炭用量均为40t/hm2。在水稻收获后采集土壤样品,从NB0y、NB2y和NB5y处理土样中分离生物质炭颗粒,然后测定新鲜和老化生物质炭(记为BFresh、B0y、B2y和B5y)自身理化性质;进行团聚体分级,测定大团聚体(250-2000 μm)、微团聚体(53-250 μm)、粉粒(2-53 μm)、粘粒(<2 μm)含量以及土样基本理化性质,同时测定水稻产量和氮磷素利用效率(NUE和PUE)。并且周年监测稻麦季土壤N20排放,采集稻麦季收获后土样分析其产生过程中相关微生物功能基因丰度的变化。主要结果如下:1.利用扫描电子显微镜、傅立叶红外光谱、X射线光电子能谱等分析手段比较新鲜和老化生物质炭理化性质的变化。与BFresh相比,B0y理化性质变化较小,而与B0y相比,B2y和B5y表面结构被严重破坏;B2y和B5y分别显著提高阳离子交换量(CEC)29.3%和52.0%、氧含量(O)39.2%和 44.8%、孔隙体积 53.6%和 75.0%、H/C13.9%和19.4%、O/C57.9%和 68.4%、总比表面积(SSA)156.4%和 208.8%,而碳含量(C)、pH、平均孔径分别显著降低9.1%和10.4%、21.9%和24.3%、30.1%和23.7%。且随着生物质炭的老化脂肪族碳和芳香族碳被氧化而降低,羧基、羰基等含氧官能团增加。2.与N处理相比,NB2y和NB5y处理显著提高250-2000 μm粒级团聚体比例69.2%-107.8%,降低 2-53 μm 粒级比例 13.1%-14.7%和<2 μm 粒级比例 6.9%-41.9%,而NB0y与N处理各粒级比例均无显著差异;NB0y、NB2y和NB5y处理土壤有机碳(SOC)显著提高了 13.3%-46.4%,全氮含量(TN)显著提高8.1%-24.2%,全磷含量(TP)显著提高了 5.7%-17.1%,但2-53μm粒级SOC和TN含量无显著差异。与N处理相比,NB0y处理对水稻产量、氮素利用效率(NUE)和磷素利用效率(PUE)影响不显著,NB2y和NB5y处理提高水稻产量13.7%和16.3%,而显著提高NUE31.3%和44.3%和PUE35.4%和45.5%。由结构方程模型(SEM)可知,老化生物质炭(NB2y和NB5y)通过改善土壤养分状况(SOC、TN和TP等)和土壤结构(250-2000 μm粒级团聚体比例增加)保证水稻产量和氮磷储量。3.在稻麦轮作整个周期内连续观测土壤N2O排放,生物质炭老化能够显著降低土壤N2O累积排放量32.4%-54.0%,但老化2、5年生物质炭减排能力降低。同时与N处理相比,NB0y、NB2y和NB5y处理显著提高土壤pH值9.4%-20.7%、NO3--N含量1.7%-31.3%,降低NH4+-N含量4.2%-25.3%,且随着老化对土壤pH值改善能力降低;NB0y、NB2y和NB5y处理的nosZ基因丰度显著提高54.9%-249.4%,但随着生物质炭老化而降低,土壤(nirS+nirK)/nosZ比值随着生物质炭老化而提高。同时土壤N2O累积排放量与土壤pH值呈显著负相关关系,与NO3--N含量、amoA-AOB基因丰度显著正相关。综上所述,生物质炭在老化过程中自身性质会发生变化,同时会作用于土壤和作物,从而可能提高农业生产力,提高其保持养分的能力,但是对N2O减排潜力随着生物质炭老化会减弱。
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