冻融与生物炭添加对黑土磷素有效性的影响

发布时间：2020-05-19 06:05

【摘要】：磷是植物生长不可缺少的营养元素之一,然而,土壤中的磷大多以难溶态存在,导致土壤中磷素生物有效性较低。在农业土壤叶,尽管磷肥的施入可缓解土壤的缺磷状况,但同时可造成肥料利用率下降和地下水污染等生态环境问题。生物炭是生物质在缺氧条件下热解而成的稳定富碳产物,由于其良好的理化性质,施入土壤后可改善土壤微环境,进而影响土壤磷素有效性。本文首先以不同热解温度和原料生物炭为研究对象,通过对其产率和其他化学指标的测定分析,研究了热解温度和原料对生物炭基本性质的影响。同时,以添加不同热解温度和制备原料生物炭的黑土为研究对象,采用等温吸附平衡法和修正后的Hedley磷素分级法分别对土壤磷的吸附与解吸特征和各形态磷素含量进行了测定分析,量化不同原料和热解温度生物炭添加对黑土磷素有效性的影响,获得可提高黑土磷素有效性的生物炭最佳制备温度和制备原料。在此基础上,结合室内模拟冻融循环试验,测定土壤对磷的吸附量和解吸量以及各形态磷素含量,分析其变化规律和特征,旨在探明冻融作用和生物炭添加对黑土磷素有效性的作用及其主要影响因子。生物炭的不同制备原料和热解温度均影响生物炭的产率和自身化学性质。热解温度在200℃～700℃范围内,6种原料生物炭的产率为17.35%～86.97%,随热解温度的增加均随之降低,当热解温度为600℃时,6种原料生物炭的产率趋于稳定,表现为水稻颖壳生物炭的产率最高,大豆秸秆和大豆豆荚的产率最低。6种原料生物炭的pH值的范围为6.85～8.77,且随热解温度的增加而随之增加,在6个热解温度条件下,大豆豆荚的pH值一直显著高于其他5种生物炭(P0.05)。除水稻秸秆生物炭外,以水稻颖壳、玉米秸秆、玉米棒芯和大豆豆荚和大豆秸秆为原料的生物炭全磷含量均随热解温度的升高而增加,在6种热解温度条件下,水稻颖壳的全磷含量最高,为1.38g·k-1～2.18 g·kg-1,大豆秸秆和大豆豆荚其次。6种原料生物炭的有效磷含量随温度的变化规律不一致,但在200℃～700℃范围内水稻颖壳生物炭的有效磷含量为111.31 mg kg-1～360.39 mg kg-1,显著高于其他5种原料生物炭(P0.05),大豆秸秆和大豆豆荚其次。添加不同原料类型和热解温度生物炭对土壤磷的吸附潜力,吸附强度和吸附能力均有影响。当热解温度升到400℃时,添加大豆豆荚和大豆秸秆生物炭的土壤最大吸附量(Qm)分别从 855.65 mg·kg-1 和 428.84 mg·kg-1 显著提高至 1666.67 mg·kg-1 和 1547.62 mg·kg-1,而后,其最大吸附量随热解温度的进一步升高而降低;随着热解温度的升高,添加玉米棒芯生物炭的土壤最大吸附量从1428.57 mg·kg-1下降到556.70 mg·kg-1。吸附常数(KL)和最大缓冲容量(MBC)的变化规律与最大吸附量相反,添加大豆豆荚和大豆秸秆生物炭的土壤吸附常数为0.0244 L.mg-1～0.0529 L·mg-1和0.0293 L·mg-1～0.3958 L·mg-1,随热解温度的增加出现先减小后增大的现象;添加玉米棒芯生物炭的土壤磷吸附常数为0.0386 L·mg-1～0.2150 L mg-1,随热解温度的增大而增大。施入3种原料生物炭的土壤磷解吸量均随加入磷浓度的增加而增加。然而,随着热解温度的升高,施入大豆豆荚和大豆秸秆生物炭的土壤磷解吸量逐渐增加。添加不同热解温度生物炭的土壤有效磷和磷素活化系数的变化幅度分别为41.42 mgkg-1～79.08 mg kg-1和4.49%～7.93%,表现出随热解温度的升高先增加后降低的规律。除热解温度200℃外,添加其他热解温度生物炭的黑土有效磷和磷素活化系数均有了一定的提高。土壤 H2O-Pi 和 NaHCO3-Pi 含量为 5.94 mg kg-1～18.28 mg kg-1 和 46.31 mg·kg-1～105.91 mg·kg-1,其规律与有效磷和磷素活化系数的规律相似。土壤中的无机磷组分(H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-Pi、Residual-P)与有效磷的相关系数较高,说明无机态磷对添加生物炭的黑土土壤有效磷含量的变化起到了重要作用。添加不同原料生物炭可改变土壤对磷的固定与释放,影响土壤有效性。添加不同原料生物炭后,土壤最大吸附量的变化范围为297.01 mg·kg-1～2067.09 mg·kg-1。添加水稻颖壳、大豆秸秆和大豆豆荚的土壤最大吸附量显著高于添加玉米棒芯,玉米秸秆和水稻秸秆的土壤最大吸附量(P0.05)。添加生物炭的土壤磷的吸附常数为0.0235 L·mg-1～3.2322 L.mg-1,与最大吸附量呈极显著负相关,其相关系数为-0.530;添加生物炭的土壤最大解吸量为309.15 mg·kg-1～606.51mg·kg-1,且与吸附常数显著负相关,说明,生物炭的吸附容量越大,更易向土壤释放磷。不同原料生物炭对土壤磷素有效性的影响程度不同。不同原料生物炭施入土壤后,土壤有效磷的含量和磷活化系数分别为44.95 mg·kg-1～305.14 mg·kg-1和5.28%～16.23%。施入以水稻颖壳和水稻秸秆为原料的生物炭后,土壤有效磷和磷素活化系数显著高于未添加生物炭的土壤;加入生物炭的土壤磷H2O-Pi和NaHCO3-Pi的含量分别为8.56 mg·kg-1～244.44 mg·kg-1 和 44.97 mg·kg-1～202.45 mg·kg-1;除添加 300℃玉米秸秆的土壤的H20-Pi含量无显著提高外,其余生物炭添加土壤的H2O-Pi和NaHCO3-Pi含量均显著高于未添加生物炭的土壤。相关分析和通径分析表明,除HCl-Po外,土壤其他磷素形态均与土壤有效磷显著相关,H2O-Pi和NaHCO3-Pi对有效磷的贡献最大。冻融作用主要通过增加土壤磷的释放,增加生物炭添加土壤的磷素有效性。生物炭添加土壤后,3种前期含水量的最大吸附量从847.74 mg·kg-1～1152.32 mg·kg-1下降到817.82 mg·kg-1～979.21 mg·kg-1,且前期含水量为22%和45%的生物炭添加土壤其变化更为显著。随冻融循环次数的增加,在含水量为22%的生物炭添加土壤中,土壤磷素平均解吸率从0次冻融时的15.98%增加到12次冻融循环后的17.09%;含水量为45%的生物炭添加土壤磷平均解吸率从0次冻融时的15.93%增加到12次冻融循环后的17.44%,在含水量较高的生物炭添加土壤中,冻融循环对磷有效性的影响更为明显。生物炭添加土壤后,随着冻融循环次数的增加,土壤含水量较高的生物炭添加土壤活性磷总量呈现增加趋势,与0次冻融循环相比,进行了 12次冻融循环后土壤活性磷总量增加6.90%。通径分析发现,生物炭通过NaOH-P。的直接作用,提高了冻融后黑土磷素有效性。主成分分析表明,前期含水量是黑土磷组分产生变化的主要驱动因子。
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３不同热解温度生物炭添加后土壤磷素吸附与解吸特征土区。此研究区域代表了该区域典型的土壤类型和耕作方式。０１５年１０月在设置的临时样地内按照“Ｓ”型５点取样法采样品的容重为１．０９邋ｇ．ｃｔｒＴ３，，土壤中的砂、粉、粘的比例分别５．７７，土壤有机碳含量为５１．０３邋ｇ？ｋｇＨ，全a惡�量为０．８６邋ｇ．ｋＨ，有效磷含量为４３．０５邋ｍｇ－ｋｇ－１，水解氮含量为１２０．２５邋ｍｇ邋ｋ�

本文编号：2670460