2021, Vol. 42
2. 江苏省农业科学院农业资源与环境研究所, 农业农村部长江下游平原农业环境重点实验室, 南京 210014;
3. 江苏大学环境与安全工程学院, 镇江 212001
2. Key Laboratory of Agricultural Environment in Downstream of Yangtze Plain, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China;
3. School of the Environment and Safety Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212001, China
水稻是一种重要的粮食作物, 据统计, 全球范围内有超过35亿人口以稻米为主食[1].氮肥投入的增加对提高包括水稻在内的粮食作物产量, 保障口粮安全以应对全球人口的持续增长发挥了重要作用.据统计, 与20世纪60年代相比, 全球农田氮肥用量近几十年来增加了近7倍[2].氮肥投入的大幅增加在提高作物产量的同时也增加了农田氮素损失.就水稻而言, 其对氮素的当季利用率仅为31.1%~44.0%[3], 其余主要通过径流、淋洗、氨挥发和反硝化等途径损失[4, 5], 进入周边水体及大气环境.其中, 氨挥发损失是稻田最大的活性氮损失形态, 其损失比例可达施肥量的15%~40%[6, 7].因此, 在保证水稻产量的基础上, 寻求有效措施减少稻田氨挥发损失具有重要意义[8].
生物质炭是一种在无氧或缺氧环境下将生物质高温裂解形成的含碳物质, 其理化性质稳定, 具有较大的比表面积和较强的吸附能力, 对氮化合物具有较好的吸附效果, 是一种潜在的土壤增效剂[9~11].但由于常规热裂解炭常呈碱性[12], 而氨挥发损失是受土壤pH和温度影响的物理过程, 因此其稻田应用后可能会增加氨挥发损失[13].近年来, 水热炭化技术作为一种新兴的废弃生物质炭化方式, 由于其在生产过程中的炭产量、能耗和烟气排放等方面的优势而受到关注[14, 15].与常规热裂解炭的碱性特性不同, 水热炭常呈酸性, 这为其稻田回用和氨挥发损失控制提供了可能.有研究表明, 采用木屑制备的水热炭能够显著降低稻田NH3挥发损失[16].但由于兴起较晚, 水热炭农田应用及其对氨挥发影响的研究明显不足.特别值得注意的是, 受传统热裂解碳研究结果启发, 生物炭对稻田氨挥发损失的影响除受pH影响外, 还可能与材料本身性质及不同材料炭化后的官能团和孔隙结构等的差异有关[17].因此, 水热炭的稻田实际应用效果是否与热裂解碳相同, 受材料影响不得而知.
秸秆是常见的农业副产物, 由于多熟制地区复种指数高和岔口紧, 秸秆产量大, 直接还田易出现秸秆分解过程与作物幼苗争夺养分的现象, 同时秸秆腐解过程中释放的H2S等有毒物质易导致水稻黄苗、死苗等, 带来不良影响[18].秸秆炭化还田是秸秆再利用的一种有效方式, 如前所述, 由于兴起较晚, 水热炭农田应用及其对氨挥发影响的研究明显不足.因此, 秸秆水热炭化还田对稻田氨挥发的影响并不明确.此外, 受制备过程影响, 水热炭常携带大量的可溶性有机物[19, 20], 直接过量施用可能会对作物生长产生影响[21, 22].水洗改良是去除水热炭表面可溶性有机物质, 缓解其胁迫效应的有效手段[14].有研究表明, 与未改良水热炭相比, 水洗改良后的水热炭表面孔隙结构和粗糙度得到明显改善, 养分元素相对含量明显增加[16], 这些改变是否会对稻田氨挥发损失控制产生积极效应不得而知.基于此, 本研究以秸秆炭化还田和稻田氨挥发损失控制为目的, 通过土柱模拟试验, 考察了秸秆水热炭及其改良产物对水稻产量和稻田氨挥发排放的影响, 以期为农业废弃物资源化和基于养分损失控制的稻田回用提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 水热炭化材料的制备以农业副产物小麦秸秆为原材料, 在水热反应温度260℃、压力8 MPa下利用高压水热反应釜进行秸秆水热炭(WHC)的制备; 并通过去离子水浸渍(浸渍时间1 h, 其中炭∶水=1∶10, 体积比, 搅拌30 min)、抽滤后烘干获得水洗秸秆水热炭(W-WHC).不同水热炭的理化性质如表 1所示.
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表 1 试验所用水热炭的基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of hydrothermal carbon used in the experiment |
1.2 试验设计
本试验采用模拟土柱(高度0.50 m; 直径0.30 m), 于2018年6~10月在江苏省农业科学院院内进行.供试水稻品种为南粳46号(太湖地区常规粳稻品种), 2018年6月29日移栽, 11月9日收获.供试土壤为黄泥土, 取自江苏省宜兴市周铁镇, 取耕作层(0~20 cm)和非耕作层(20 cm以下)土壤分别混匀后分层添加到试验土柱(0~20 cm、20~50 cm).每个土柱共装入35 kg的水稻土, 并经过12个月的稳定处理.供试耕层土壤(0~20 cm)的基本性质如下：pH为6.42(土壤∶水=1∶2.5), 有机质含量为2.92%, 全氮为1.72mg·kg-1, 有效磷为23.09 mg·kg-1, 速效钾为159.28mg·kg-1, CEC为22.61 cmol·kg-1.
本试验共设置6个处理：以常规分次施肥(CKU)为对照, 在0.5%和1.5%(质量分数)添加量下设置水热炭(WHC)和水洗水热炭(W-WHC)添加处理(WHC05、WHC15、W-WHC05和W-WHC15); 为进一步明确氨挥发损失的肥料来源占比, 另设置不施氮肥处理对照(CK0).每个处理3次重复.施炭处理于水稻移栽前, 将水热炭按预定添加量与0~20 cm表土混匀.除不施氮肥处理, 其余处理的氮肥分基肥、蘖肥和穗肥, 分别在6月30日、7月15日和8月13日施用.本试验所用氮肥为尿素.3次氮肥施加量分别为96、96和48kg·hm-2.所有处理的磷钾肥用量一致, 均在基肥时一次性施入.磷肥和钾肥用量分别为96 kg·hm-2和192 kg·hm-2, 磷肥采用过磷酸钙, 钾肥为氯化钾.水分管理为全生育期淹水灌溉, 田面保持3~5 cm水层.
1.3 样品的采集与测定 1.3.1 氨挥发排放采用密闭室间歇抽气-硼酸吸收法收集测定氨挥发[23], 密闭室为直径10 cm的有机玻璃圆筒, 顶部留有进气孔和采气孔, 其中进气孔与通气管(高2 m)连通, 采气孔通过吸收装置与真空泵相连.每次施肥后7 d内连续每天滴定, 采集时间为08:00~10:00和13:00~15:00.使用0.01 mol·L-1 H2SO4对硼酸吸收液进行反滴定确定NH3吸收量.NH3的累积挥发量为观测期间日排放量之和[24].氨挥发通量计算公式为：
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式中, F表示氨挥发通量[kg·(hm2·d)-1]; c表示滴定用硫酸的标准浓度(mol·L-1); V表示滴定用硫酸的体积(mL); 24/4表示24 h与日氨挥发收集时间4 h的比值; 0.014表示氮原子的相对原子质量(kg·mol-1); 104表示面积转换系数; r表示气室的半径(m).
1.3.2 田面水pH和NH4+-N含量与氨挥发采集同步, 使用便携式pH仪(德国WTW pH3310SET2)原位测定田面水pH, 并采集田面水, 利用SKALAR SAN++SYSTEM流动分析仪测定NH4+-N含量.
1.3.3 水稻产量水稻成熟期, 将土柱地上部分植株样品收割并分为籽粒和秸秆两部分.籽粒在自然条件下风干后脱粒称重, 并按标准水分含量(13.5%)折算水稻产量.
1.4 数据处理与分析用Microsoft Excel 2013进行数据统计分析, 用SPSS 2019统计软件进行方差分析, 使用Origin 2019进行绘图.
2 结果与分析 2.1 田面水NH4+-N浓度3次施肥后田面水NH4+-N浓度动态变化如图 1所示.结果表明, 不同处理的田面水NH4+-N浓度均在3次施肥后1~2 d达到峰值浓度, 此后逐渐降低.穗肥期田面水NH4+-N峰值浓度明显低于基肥期和蘖肥期.处理间浓度比较来看, 基肥期和蘖肥期CKU处理的田面水NH4+-N峰值浓度均最高, 穗肥期各处理的田面水NH4+-N浓度均处于较低水平.此外, 与蘖肥期和穗肥期不同, 基肥期水热炭处理的田面水NH4+-N浓度普遍高于CKU处理, 其中, W-WHC05处理田面水NH4+-N浓度明显较高.
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图 1 水热炭添加对水稻肥期田面水NH4+-N质量浓度的影响 Fig. 1 Effect of hydrochar addition on NH4+-N concentration in surface water after fertilization |
由于3次施肥后田面水pH变化幅度较小(数据未列出), 因此本部分仅对处理间田面水pH进行肥期的均值比较.结果表明, 不同处理的田面水pH均为中性偏碱(图 2).与CKU处理相比, 水热炭添加处理有降低田面水pH的趋势, 但不同处理在基肥期和蘖肥期的差异均未达到显著水平(P>0.05); 穗肥期差异显著(P < 0.05).穗肥期处理间比较来看, 水热炭及其改良产物低量添加处理(0.5%, 质量分数)的田面水pH显著低于高量添加处理(1.5%, 质量分数).此外, WHC05处理的穗肥期田面水pH显著低于CKU处理(P < 0.05).
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同一肥期不同小写字母表示处理之间存在显著差异, P < 0.05 图 2 水热炭添加对水稻肥期田面水pH的影响 Fig. 2 Effect of hydrochar addition on surface water pH after fertilization |
不同处理NH3挥发排放通量列于图 3.结果表明, 不同处理的氨挥发排放均在3次施肥后的2~3 d达到峰值浓度, 此后逐渐降低.穗肥期的氨挥发排放通量明显低于基肥期和蘖肥期.处理间比较来看, 基肥期水热炭添加处理(WHC05、WHC15、W-WHC05和W-WHC15)的氨挥发排放通量峰值均高于CKU处理, 且高量添加处理(WHC15和W-WHC15)的氨挥发排放通量峰值明显较高.蘖肥期CKU处理的氨挥发排放通量峰值显著高于其它处理, 此外, W-WHC05处理的蘖肥期排放通量峰值也明显较高.穗肥期除CKU处理的排放通量峰值明显较高, 由于排放通量较小, 不同处理间差异较小, 且未呈现一致性规律变化.
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图 3 水热炭添加对稻田NH3挥发排放通量的影响 Fig. 3 Effect of hydrochar addition on NH3 volatilization flux from paddy fields |
NH3挥发累积排放量结果表明, 不同处理的NH3挥发累积排放量均表现为基肥期最高, 穗肥期最低, 除了W-WHC15处理穗肥期NH3挥发累积排放量仅显著低于基肥期外, 其他各处理穗肥期的NH3挥发累积排放量显著低于基肥期和蘖肥期(表 2).不同肥期处理间比较来看, 基肥期水热炭添加处理的NH3挥发损失量均高于CKU处理, 而蘖肥期和穗肥期水热炭添加处理的NH3挥发损失量则低于CKU处理, 其中蘖肥期水热炭添加处理的氨挥发损失量均显著低于CKU处理, 穗肥期WHC05和W-WHC15处理与CKU处理差异显著.全生育期氨挥发累积排放量结果分析表明, 不同处理的氨挥发损失量占施肥量的11.96%~25.18%.除W-WHC05处理与CKU处理的氨挥发累积排放量相当, 其它水热炭添加处理的氨挥发累积排放量均低于CKU处理.WHC05和W-WHC15处理与CKU处理的差异显著, NH3挥发累积排放量分别减少31.01%和17.40%.
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表 2 水热炭添加对稻田NH3挥发累积排放量的影响1) Table 2 Effect of hydrochar addition on cumulative ammonia emissions |
2.5 水稻产量
不同水热炭处理的水稻产量结果表明(图 4), 与对照CKU处理相比, 麦秸水热炭及其改良产物均增加了水稻的产量, 水热炭低量添加处理(0.5%, 质量分数)的水稻增产效应高于高量添加处理(1.5%, 质量分数).与对照处理相比, 低量添加下, WHC05和W-WHC05处理的水稻产量增幅分别为17.16%和20.20%.结果同时表明, 相同添加量下, 经过水洗处理的水热炭对水稻产量的增加效应有高于未改良水热炭的趋势.
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柱形图上方不同字母表示处理之间存在显著差异, P < 0.05; 图 4 麦秸水热炭对水稻产量的影响 Fig. 4 Effect of wheat straw hydrothermal charcoal on rice yield |
受制备过程影响, 水热炭常携带大量的可溶性有机物, 直接过量施用可能会对作物生长产生不利影响.但有研究指出, 水热炭及其改良产物在适宜用量下能够增加水稻产量.本研究发现, 在0.5%和1.5%添加量下, 未改良小麦秸秆水热炭及其水洗改良产物均不同程度地提高了水稻产量, 表现出良好的增产效果.这可能与适宜用量下水热炭的吸附特性和养分输入有关.
首先, 水热炭本身含有丰富的营养元素, 保留大量含氧官能团[25], 能够为作物生长直接提供营养[26]; 其次, 水热炭良好的吸附性能, 发达的孔隙结构(表 1), 能够有效吸附固持土壤中养分元素, 在实现养分缓效释放的同时减少养分流失, 从而促进水稻生长及增加水稻产量[27].此外, 有研究表明, 土壤中适量的挥发性有机物存在也可以促进植物生长.因此, 适宜用量下水热炭材料表面携带的可溶性有机物可能也对作物生长起积极效应.但可溶性有机物中含有有机酚类和醛类等物质, 过量的外源有机酚类和醛类等物质可能对土壤生物活性产生抑制作用[28], 并损害作物根部和地上部生长, 从而对作物产量产生抑制效应[29].这可能是低量添加的产量高于高量添加的原因.值得一提的是, 与未改良水热炭相比, 水热炭水洗改良后可以在一定程度上溶出并降解水热炭化材料表面的可溶性有机成分[30], 其pH、碳氮含量、比表面积和孔径均得到改善(表 1).与未改良水热炭相比, 水洗水热炭中C和N元素含量明显提高.水热炭中养分元素的增加不仅可以提高其本身养分供应能力, 还可以通过提高土壤微生物的生物利用性增加土壤养分供应能力[31].此外, 本研究材料表征结果表明, 水洗后水热炭的比表面积和孔径较原始水热炭分别增加了4.13倍和2.98倍, 表面孔隙率明显提高.这可以进一步改善其吸附特性及土壤通气性, 并促进微生物活动, 提高土壤的养分供应能力[32].因此, 水热炭添加下水稻产量的增加可能是上述多种因素共同作用的结果.
3.2 麦秸水热炭及其改良产物对稻田氨挥发损失的影响本研究结果表明, 不同处理的NH3挥发累积排放量均表现为前期较高(基肥期最高), 后期较低(穗肥期最低).除与施肥量密切相关外, 还可能与作物生长动态和所处时期的气候条件有关.试验所在地区一般6月下旬移栽, 10月下旬收获, 由于移栽后短时间内(基肥期、分蘖期)植被盖度较低, 且此期温度高、光照强, 有利于氨挥发的产生, 因此水稻生长前期氨挥发损失较高, 而穗肥期稻田郁闭度较高, 温度、光强降低, 不利于稻田氨挥发, 此期最低[4].季节排放量比较结果表明, 除W-WHC05处理与CKU处理的氨挥发累积排放量相当, 小麦秸秆制备的水热炭及其水洗改良产物均降低了稻田氨挥发损失, 其中, WHC05和W-WHC15处理与CKU处理的差异显著, NH3挥发累积排放量分别减少31.01%和17.40%.
由于课题组前期研究发现, 稻田的氨挥发主要集中在肥期[33], 因此本研究重点通过3次施肥后连续监测结果对水热炭的氨挥发控制效应进行解析.肥期结果比较来看, 其降低效应主要集中在蘖肥期和穗肥期, 而基肥期增加了氨挥发排放通量和累积损失量(表 2).这与余姗等[16]指出锯末水热炭施用后基肥期氨挥发损失同样低于CKU处理的研究结果不尽相同.结果说明, 不同炭化材料对稻田氨挥发的影响过程不尽一致.与锯末水热炭相比, 除养分元素丰富和吸附特性良好[14], 秸秆水热炭的碳氮比明显较低, 碳氮比仅为16.而高碳氮比的生物炭添加初期更有利于土壤氮素的固定, 减少土壤速效氮含量[34].因此, 秸秆水热炭施用后养分释放导致的基肥期田面水NH4+-N浓度增加(其最大值达到60.80mg·L-1, 图 1), 以及材料本身较低的碳氮比(表 1)可能是其添加后引起基肥期氨挥发增加的主要原因.
氨挥发损失是受田面水NH4+-N浓度和pH控制的物理过程[35, 36].汪军等[24]的研究指出, 稻田氨挥发速率与田面水NH4+-N浓度呈显著正相关关系.此外, Yu等[6]的研究指出, 淹水中pH值的变化对NH3挥发速率有较大影响.当淹水呈弱碱性, 即使是微小的pH增加也会迅速增加NH3挥发.本研究结果表明, 所有处理的稻田田面水pH在3个肥期均呈弱碱性, 田面水氮素浓度也呈现先高后低的变化趋势(1~2 d达到峰值浓度).与CKU处理相比, 水热炭添加处理的蘖肥期的田面水pH与CKU处理无显著差异, 其田面水pH值约为7.75, 但NH4+-N峰值浓度明显较低, 其中水热炭处理的NH4+-N最大峰值浓度也明显低于CKU处理(WHC15处理); 而穗肥期田面水NH4+-N浓度无明显差异, 但低量添加处理的田面水pH显著降低.因此, 水热炭添加后蘖肥期田面水氮素浓度的变化(图 1)和穗肥期田面水pH的改变(图 2)可能是秸秆水热炭添加对稻田氨挥发控制的主要原因.这说明, 水热炭材料稻田应用对氨挥发损失控制的机制与还田时间密切相关, 在不同时期不尽一致, 其添加后田面水的pH和铵态氮浓度变化均值得关注.本研究还表明, 与未改良水热炭不同, 高量添加下改良水热炭的氨挥发损失低于低量添加.如前所述, 与未改良水热炭相比, 水洗后水热炭的比表面积和孔径分别增加了4.13倍和2.98倍, 表面孔隙率明显提高.这可以进一步改善其吸附特性, 从而增加其对NH4+-N的吸附固定.因此, 水洗改良后水热炭表面吸附特性的改善可能是高量添加下改良水热炭的氨挥发损失低于低量添加的主要原因.此外, 值得注意的是, 低量水热炭添加后其穗肥期田面水pH显著低于高量添加处理.由于水热炭及其改良产物均为酸性, 因此, 这是否暗示低量添加下水热炭对土壤氮素周转可能存在激发效应有待进一步试验证实.
4 结论(1) 麦秸水热炭及其改良产物稻田回用能够增加水稻产量, 低量添加的增产效应高于高量添加.
(2) 除W-WHC05处理, 水热炭及其改良产物添加均能够减少稻田氨挥发损失, 且其控制效应主要集中在蘖肥期和穗肥期.
(3) 水热炭添加后蘖肥期田面水氮素浓度的变化和穗肥期田面水pH的改变可能是麦秸水热炭添加对稻田氨挥发控制的主要原因.
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