【摘要】：磷是植物生長不可缺少的營養(yǎng)元素之一,然而,土壤中的磷大多以難溶態(tài)存在,導致土壤中磷素生物有效性較低。在農(nóng)業(yè)土壤葉,盡管磷肥的施入可緩解土壤的缺磷狀況,但同時可造成肥料利用率下降和地下水污染等生態(tài)環(huán)境問題。生物炭是生物質(zhì)在缺氧條件下熱解而成的穩(wěn)定富碳產(chǎn)物,由于其良好的理化性質(zhì),施入土壤后可改善土壤微環(huán)境,進而影響土壤磷素有效性。本文首先以不同熱解溫度和原料生物炭為研究對象,通過對其產(chǎn)率和其他化學指標的測定分析,研究了熱解溫度和原料對生物炭基本性質(zhì)的影響。同時,以添加不同熱解溫度和制備原料生物炭的黑土為研究對象,采用等溫吸附平衡法和修正后的Hedley磷素分級法分別對土壤磷的吸附與解吸特征和各形態(tài)磷素含量進行了測定分析,量化不同原料和熱解溫度生物炭添加對黑土磷素有效性的影響,獲得可提高黑土磷素有效性的生物炭最佳制備溫度和制備原料。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合室內(nèi)模擬凍融循環(huán)試驗,測定土壤對磷的吸附量和解吸量以及各形態(tài)磷素含量,分析其變化規(guī)律和特征,旨在探明凍融作用和生物炭添加對黑土磷素有效性的作用及其主要影響因子。生物炭的不同制備原料和熱解溫度均影響生物炭的產(chǎn)率和自身化學性質(zhì)。熱解溫度在200℃～700℃范圍內(nèi),6種原料生物炭的產(chǎn)率為17.35%～86.97%,隨熱解溫度的增加均隨之降低,當熱解溫度為600℃時,6種原料生物炭的產(chǎn)率趨于穩(wěn)定,表現(xiàn)為水稻穎殼生物炭的產(chǎn)率最高,大豆秸稈和大豆豆莢的產(chǎn)率最低。6種原料生物炭的pH值的范圍為6.85～8.77,且隨熱解溫度的增加而隨之增加,在6個熱解溫度條件下,大豆豆莢的pH值一直顯著高于其他5種生物炭(P0.05)。除水稻秸稈生物炭外,以水稻穎殼、玉米秸稈、玉米棒芯和大豆豆莢和大豆秸稈為原料的生物炭全磷含量均隨熱解溫度的升高而增加,在6種熱解溫度條件下,水稻穎殼的全磷含量最高,為1.38g·k-1～2.18 g·kg-1,大豆秸稈和大豆豆莢其次。6種原料生物炭的有效磷含量隨溫度的變化規(guī)律不一致,但在200℃～700℃范圍內(nèi)水稻穎殼生物炭的有效磷含量為111.31 mg kg-1～360.39 mg kg-1,顯著高于其他5種原料生物炭(P0.05),大豆秸稈和大豆豆莢其次。添加不同原料類型和熱解溫度生物炭對土壤磷的吸附潛力,吸附強度和吸附能力均有影響。當熱解溫度升到400℃時,添加大豆豆莢和大豆秸稈生物炭的土壤最大吸附量(Qm)分別從 855.65 mg·kg-1 和 428.84 mg·kg-1 顯著提高至 1666.67 mg·kg-1 和 1547.62 mg·kg-1,而后,其最大吸附量隨熱解溫度的進一步升高而降低;隨著熱解溫度的升高,添加玉米棒芯生物炭的土壤最大吸附量從1428.57 mg·kg-1下降到556.70 mg·kg-1。吸附常數(shù)(KL)和最大緩沖容量(MBC)的變化規(guī)律與最大吸附量相反,添加大豆豆莢和大豆秸稈生物炭的土壤吸附常數(shù)為0.0244 L.mg-1～0.0529 L·mg-1和0.0293 L·mg-1～0.3958 L·mg-1,隨熱解溫度的增加出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象;添加玉米棒芯生物炭的土壤磷吸附常數(shù)為0.0386 L·mg-1～0.2150 L mg-1,隨熱解溫度的增大而增大。施入3種原料生物炭的土壤磷解吸量均隨加入磷濃度的增加而增加。然而,隨著熱解溫度的升高,施入大豆豆莢和大豆秸稈生物炭的土壤磷解吸量逐漸增加。添加不同熱解溫度生物炭的土壤有效磷和磷素活化系數(shù)的變化幅度分別為41.42 mgkg-1～79.08 mg kg-1和4.49%～7.93%,表現(xiàn)出隨熱解溫度的升高先增加后降低的規(guī)律。除熱解溫度200℃外,添加其他熱解溫度生物炭的黑土有效磷和磷素活化系數(shù)均有了一定的提高。土壤 H2O-Pi 和 NaHCO3-Pi 含量為 5.94 mg kg-1～18.28 mg kg-1 和 46.31 mg·kg-1～105.91 mg·kg-1,其規(guī)律與有效磷和磷素活化系數(shù)的規(guī)律相似。土壤中的無機磷組分(H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-Pi、Residual-P)與有效磷的相關(guān)系數(shù)較高,說明無機態(tài)磷對添加生物炭的黑土土壤有效磷含量的變化起到了重要作用。添加不同原料生物炭可改變土壤對磷的固定與釋放,影響土壤有效性。添加不同原料生物炭后,土壤最大吸附量的變化范圍為297.01 mg·kg-1～2067.09 mg·kg-1。添加水稻穎殼、大豆秸稈和大豆豆莢的土壤最大吸附量顯著高于添加玉米棒芯,玉米秸稈和水稻秸稈的土壤最大吸附量(P0.05)。添加生物炭的土壤磷的吸附常數(shù)為0.0235 L·mg-1～3.2322 L.mg-1,與最大吸附量呈極顯著負相關(guān),其相關(guān)系數(shù)為-0.530;添加生物炭的土壤最大解吸量為309.15 mg·kg-1～606.51mg·kg-1,且與吸附常數(shù)顯著負相關(guān),說明,生物炭的吸附容量越大,更易向土壤釋放磷。不同原料生物炭對土壤磷素有效性的影響程度不同。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數(shù)分別為44.95 mg·kg-1～305.14 mg·kg-1和5.28%～16.23%。施入以水稻穎殼和水稻秸稈為原料的生物炭后,土壤有效磷和磷素活化系數(shù)顯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的含量分別為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℃玉米秸稈的土壤的H20-Pi含量無顯著提高外,其余生物炭添加土壤的H2O-Pi和NaHCO3-Pi含量均顯著高于未添加生物炭的土壤。相關(guān)分析和通徑分析表明,除HCl-Po外,土壤其他磷素形態(tài)均與土壤有效磷顯著相關(guān),H2O-Pi和NaHCO3-Pi對有效磷的貢獻最大。凍融作用主要通過增加土壤磷的釋放,增加生物炭添加土壤的磷素有效性。生物炭添加土壤后,3種前期含水量的最大吸附量從847.74 mg·kg-1～1152.32 mg·kg-1下降到817.82 mg·kg-1～979.21 mg·kg-1,且前期含水量為22%和45%的生物炭添加土壤其變化更為顯著。隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,在含水量為22%的生物炭添加土壤中,土壤磷素平均解吸率從0次凍融時的15.98%增加到12次凍融循環(huán)后的17.09%;含水量為45%的生物炭添加土壤磷平均解吸率從0次凍融時的15.93%增加到12次凍融循環(huán)后的17.44%,在含水量較高的生物炭添加土壤中,凍融循環(huán)對磷有效性的影響更為明顯。生物炭添加土壤后,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土壤含水量較高的生物炭添加土壤活性磷總量呈現(xiàn)增加趨勢,與0次凍融循環(huán)相比,進行了 12次凍融循環(huán)后土壤活性磷總量增加6.90%。通徑分析發(fā)現(xiàn),生物炭通過NaOH-P。的直接作用,提高了凍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組分產(chǎn)生變化的主要驅(qū)動因子。
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３不同熱解溫度生物炭添加后土壤磷素吸附與解吸特征土區(qū)。此研究區(qū)域代表了該區(qū)域典型的土壤類型和耕作方式。０１５年１０月在設(shè)置的臨時樣地內(nèi)按照“Ｓ”型５點取樣法采樣品的容重為１．０９邋ｇ．ｃｔｒＴ３，，土壤中的砂、粉、粘的比例分別５．７７，土壤有機碳含量為５１．０３邋ｇ？ｋｇＨ，全a惡課埃福跺澹紓耄齲行Я綴課矗常埃靛澹恚紓耄紓保獾課保玻埃玻靛澹恚玨澹耄

本文編號：2670460