生物质炭对土壤理化性状及氮素转化的研究进展

生物质炭因其具有的特殊理化性质施入到农田中能够改良土壤、提高土壤肥力及促进作物生长,已经成为农业减排和土壤微生态系统生物氮素地球化学循环领域的研究热点。生物质炭作为土壤的外来物质,直接或间接地参与到土壤氮素的周转过程中,进而对土壤中氮素的存在状态和供应能力等产生长远的影响。本文综述了土壤中施入生物质炭后,氮素循环的变化及响应机制,重点分析了生物质炭施入农田引起土壤理化性质变化后由土壤微生物驱动的固氮反应、氨化反应、硝化反应及反硝化反应等生物化学反应过程的响应及相关机理。在此基础上,对今后生物质炭的研究方向进行展望。     

生物炭添加对酸化土壤中小白菜氮素利用的影响

针对菜地土壤酸化趋势显著、氮肥利用率低下等突出问题,以小白菜为供试作物,设置了前3季连续施用化肥氮及后2季不施化肥氮的5季盆栽试验,研究生物炭添加对酸化土壤上连续多季种植小白菜的产量、氮肥利用率以及土壤供氮能力的影响。结果表明:在连续添加化肥氮的条件下,生物炭添加显著增加了小白菜的产量及氮素累积量,有效降低了土壤速效氮含量,并提高了土壤速效氮中NO3--N含量比例,缓解了土壤酸化趋势,降低了小白菜中硝酸盐含量,增加了氨基酸含量,提高了氮肥利用率;在停止施用化肥后,生物炭添加处理仍能保持较高的土壤速效氮含量,提高土壤固持氮素的有效性,促进植株对氮素的吸收利用,从而使产量维持在施氮条件下的高水平。研究表明生物炭添加对土壤氮素具有"削峰填谷"的调节功能,能够有效促进氮素的吸收转化,从而有利于维持高产。     

冻融交替对土壤氮素转化及相关微生物学特性的影响

土壤冻融是发生在中、高纬度及高海拔地区的一种常见的自然现象。冻融作用通过影响土壤物理性质及生物学性状进而对土壤氮素转化过程产生重要影响,但目前关于冻融作用对土壤氮素转化过程影响的研究结果还不尽一致,对于冻融作用下土壤微生物学特性的研究相对较少。本文着重论述了冻融作用对土壤氮素转化过程(有效氮素含量变化、氮素净矿化速率、氮素损失途径等)的影响,并对冻融作用下土壤微生物生理和代谢特性进行了归纳和总结,简要指出目前研究过程中存在的问题,并对未来研究方向提出展望。     

不同生物炭对风沙土土壤养分及氮素利用率的影响

风沙土是我国重要耕地之一,具有土质瘠薄、漏水漏肥等特点,易造成肥料利用率低、产量低等问题,急需对其改良,以提高其保水保肥能力。以风沙土为研究对象,采用玉米秸秆生物炭(BM)、水稻秸秆生物炭(BR)及花生壳生物炭(BP),设置生物炭两个不同施用量:0.5%土重和1%土重。采用盆栽试验,研究添加不同来源和数量生物炭对土壤养分和氮素利用率的影响。结果表明:不同种类生物炭均可以提高风沙土土壤pH、有机碳、速效钾含量。随着生物炭用量的增加,增加效果越明显;与未施生物炭处理(CK)相比,高量水稻秸秆生物炭处理对土壤有机碳、全氮、有效磷、速效钾含量提升效果最显著,分别提高了101.70%、20.30%、14.92%、88.36%;高量花生壳生物炭处理对土壤pH提升效果最显著,提高了0.46个单位。不同种类的生物炭均提高了土壤氮素残留率和利用率,随着生物炭用量的增加,土壤氮残留率提高,其中以高量水稻秸秆生物炭处理和高量花生壳生物炭处理提升幅度最大,与CK相比,分别提高了45.47%、36.10%。而氮素利用率随着生物炭用量的增加却出现降低趋势,低量玉米秸秆生物炭的处理氮素利用率最高,为51.32%。土壤氮残留率与花生籽粒产量、土壤pH、有机碳、有效磷、速效钾呈显著正相关关系,与氮肥利用率呈显著负相关关系。综上所述,施加生物炭能显著改变风沙土土壤有效养分含量。高量水稻秸秆生物炭和花生壳生物炭短期内可以显著提高氮残留率,而在氮肥利用率提升方面不如玉米秸秆生物炭,高量花生壳生物炭增产效果最好。     

影响砂姜黑土麦田土壤氮素转化的生物学因素 及其对供氮量的响应

砂姜黑土是我国典型的中低产田土壤类型,研究其在土壤微生物驱动下的氮素转化过程及其机制,可为定向调控土壤氮素转化过程,提高氮素利用效率并减少其负面效应提供科学依据。试验设置0 kg·hm~(-2)、120 kg·hm~(-2)、225 kg·hm~(-2)和330 kg·hm~(-2) 4个供氮量,分别于冬小麦越冬期、拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期和成熟期测定小麦根际土壤氮转化相关微生物作用(氨化作用、硝化作用和反硝化作用)强度和土壤氮素转化相关酶(脲酶、蛋白酶)活性,土壤净氮素矿化速率、土壤硝态氮和铵态氮含量的变化,研究影响砂姜黑土麦田土壤氮素转化的生物学因素及其对不同供氮量的响应。结果表明,土壤氮素转化微生物及酶活跃时期为拔节到灌浆期,灌浆期之后土壤氨化作用强度、硝化作用强度、脲酶及蛋白酶活性降低;土壤净氮素矿化速率与土壤氮素转化微生物作用强度及酶活性的活跃期较为一致,在开花前后达到最高。除脲酶活性随供氮量增加持续上升外,土壤氮素转化微生物作用强度及蛋白酶活性均随供氮量的增加,在225 kg·hm~(-2)处理下达到最高,进一步增加供氮量至330 kg·hm~(-2),微生物作用强度及酶活性均表现出不同程度的下降。可见,砂姜黑土土壤氮素转化的活跃期与小麦需氮高峰期基本一致,有利于冬小麦的生长。但由于砂姜黑土中土壤硝化作用强度较低,土壤硝化能力有限,从而降低了氮素可利用性,且增加了土壤氨挥发损失的潜在风险。在一定范围内增加供氮量,有利于土壤氮素的转化,但供氮过多(330 kg·hm~(-2))则不利于砂姜黑土供氮能力的提高。     

生物质炭与氮肥配施对土壤氮素变化和烤烟氮素利用的影响

为探明生物炭与氮肥配施对土壤中氮素循环和烤烟氮素利用的影响,采用盆栽试验,设置四个处理：5 g/盆纯氮（CK）,5 g/盆纯氮+100 g/盆生物炭（T1）,3.5 g/盆纯氮+100 g/盆生物炭（T2）,2 g/盆纯氮+100 g/盆生物炭（T3）,利用15N标记的氮肥,测定生物炭与氮肥配施条件下烤烟生长不同时期土壤中15N的残留量、不同形态氮素的含量、土壤微生物量氮和移栽后90 d烟叶对不同氮源氮素的累积量。试验结果表明：相同施氮量时,生物炭的施用可以提高土壤中15N残留量、土壤无机氮、碱解氮、微生物量氮的含量和叶片对氮素的累积量。生物炭与氮肥配施时提高了肥料氮在烟叶中的占比,使15N利用率也提高了25.4%-63.3%。与对照相比,T2处理植烟土壤中铵态氮、硝态氮、碱解氮在移栽后75 d比对照分别提高了17.3%、8.0%、7.2%,碱解氮和微生物量氮的含量在移栽后90 d时也高于对照。在本试验条件下,生物炭与氮肥配施对土壤氮素的影响是显著的,施用生物炭时减少30%氮肥用量是可行的。     

生物炭对植烟土壤氮素形态迁移及微生物量氮的影响

为了在植烟土壤中施加生物炭,以及在不同氮素水平下验证生物炭对土壤氮素的淋洗及迁移的影响.采用大田试验,设计5个处理,在磷肥和钾肥施用量相同的基础上,除对照(CK)处理不施生物炭与氮肥外,其余4个处理都添加1 600 kg/hm2的生物炭,施氮量分别为(N0)0、(N1)37.5、(N2)52.5和(N3) 67.5 kg/hm2,对植烟土壤氮素在0～20、20 ～ 40和40 ～ 60 cm土层施加生物炭,研究全氮、碱解氮、硝态氮和铵态氮质量分数的影响及其迁移规律,以及0～20cm土层微生物量氮的变化特征.结果表明:植烟土壤施用生物炭降低了0～ 20 cm以下土壤氮素质量分数,提高了植烟土壤对氮素的固定能力.与CK相比,增施生物炭的N0在0～20 cm以下土层,土壤全氮、碱解氮、硝态氮和铵态氮质量分数降低率最高达到11.21％、49.07％、42.29％和31.35％.而施氮量对植烟土壤全氮、碱解氮和铵态氮的影响,主要集中在0 ～ 20 em土层,且土壤氮素质量分数随施氮量的增加而增加,以N3处理各氮素指标质量分数相对最高,其全氮、碱解氮和铵态氮质量分数最高分别为2.10 g/kg、261.86 mg/kg和49.80 mg/kg.土壤硝态氮质量分数随土层加深而下降,在0 ～ 20 cm土层,以N3处理最高,达264.90 mg/kg;但不同氮水平下,硝态氮质量分数在20 ～ 40 cm土层差异较其他土层更显著.施用氮肥对植烟土壤氮素的影响主要表现在烟草移栽后前30 d.增施生物炭可以提高烟草移栽后60 d时土壤微生物量氮;而施氮量对微生物量氮熵的影响主要表现在烟草移栽30 d之后.施氮量对植烟土壤氮素的影响主要表现在0～20 cm土层,且在烟草生育前期效果显著.生物炭可以明显抑制植烟土壤本身及低量氮肥施用下氮素淋失迁移,但在高量氮肥施用下的抑制作用不明显.在豫中烟区,以生物炭配施氮肥67.5 kg/hm2施肥措施,最利于植烟土壤氮素提高.     

15N示踪法研究生物炭施用对油菜氮素吸收和转运的影响

以棕壤为供试土壤,采用15 N示踪法研究水稻稻壳制成的生物炭在不同用量(0,0.5%,1%,2%)下对连续种植两季油菜的土壤中氮含量、油菜产量、油菜地上及地下部分的吸氮量以及N2O气体损失的影响,并计算肥料氮的氮素利用率及其不同去向所占比例,探明生物炭施用对油菜肥料氮吸收及转运的影响。结果表明:(1)施加生物炭显著提高了第1季、第2季油菜的产量。(2)0.5%生物炭用量与对照相比,第1季油菜吸收土壤氮素的比例提高了2.0%;0.5%,1%,2%生物炭用量使第2季油菜吸收土壤氮素的比例分别提高了0.8%,2.4%,3.2%。第1季、第2季油菜叶和根对氮素的吸收随生物炭施用量的增加而增加。(3)与对照相比,施加生物炭处理显著降低了两季油菜N2O气体排放,2%生物炭用量使第1季、第2季N2O气体排放分别减少了0.30,0.10mg/kg。(4)2%生物炭用量处理与对照相比,第1季氮素利用率提高了16.3%;两季氮素利用率的结果显示,0.5%,1%,2%处理分别比对照提高了0.4%,0.7%,5.3%,其中以2%生物炭施用量效果最佳。     

生物质炭对茶园土壤改良及茶叶品质的影响

近年来,茶树种植过程中化肥的超量施用造成茶园土壤酸化加剧和有机质含量降低等一系列问题,进而影响到茶叶的产量和品质。生物质炭一般呈碱性,具有含碳量高、比表面积大、高度生物化学稳定性和较强的吸附性能等特性,能够增加土壤碳储量,提高土壤pH值和养分有效性,对于茶园土壤固碳、土壤改良和抑制土壤氮磷流失、改善农产品品质等方面有较大作用。针对我国茶园土壤存在的主要问题,以生物质炭的特性及生物质炭改良土壤的作用机理为研究对象,重点阐述了生物质炭在茶园酸化土壤改良、土壤氮素淋失阻控、土壤固碳增汇等方面的效应,以及生物质炭提高茶叶产量和提升茶叶品质方面的作用机理。基于以上研究,展望了生物质炭在茶园管理方面的理论研究方向,为生物质炭在农业生产中的应用和推广提供科学依据。     

生物质炭对土壤理化性状及氮素转化影响的研究进展

生物质炭因其具有的特殊理化性质施入到农田中能够改良土壤、提高土壤肥力及促进作物生长,已经成为农业减排和土壤微生态系统生物氮素地球化学循环领域的研究热点。生物质炭作为土壤的外来物质,直接或间接地参与到土壤氮素的周转过程中,进而对土壤中氮素的存在状态和供应能力等产生长远的影响。本文综述了土壤中施入生物质炭后,氮素循环的变化及响应机制,重点分析了生物质炭施入农田引起土壤理化性质变化后由土壤微生物驱动的固氮反应、氨化反应、硝化反应及反硝化反应等生物化学反应过程的响应及相关机理。在此基础上,对今后生物质炭的研究方向进行展望。     

生物黑炭对玉米苗期根际土壤氮素形态及相关微生物的影响

生物黑炭被作为土壤改良剂应用逐渐被认可,但其应用机制特别是生物黑炭对氮素形态和根际微生物的影响机理尚不明确,影响其推广。本文采用盆栽试验,研究了玉米和水稻秸秆烧制的生物黑炭按不同量施入土壤后,对玉米苗期株高、生物量和根际土壤氮素形态及相关微生物的影响。结果表明,施入60 g·kg-1玉米黑炭和40~60 g·kg-1水稻黑炭均对玉米苗期株高有显著(P0.05)降低作用,其中水稻黑炭的降低效果更为明显;分别施入60 g·kg-1玉米黑炭和20~60 g·kg-1水稻黑炭后,玉米植株地上部生物量均显著降低。施入60 g·kg-1玉米黑炭后根际土壤含水量和微生物量氮显著提高。随两种生物黑炭施入量的不断增加,玉米苗期根际土壤全氮、硝态氮含量以及固氮作用强度也显著增加,且均在60 g·kg-1施用量下达最大值。施用40 g·kg-1玉米黑炭可显著提高玉米苗期根际土壤氨态氮含量。同时,施用两种生物黑炭后,均不同程度地抑制了玉米根际土壤中细菌总体数量,促进了固氮菌和纤维素降解菌的生长,其中施入60 g·kg-1玉米黑炭的效果最为明显。综上,玉米和水稻秸秆生物黑炭的适量施用,可以促进玉米根际土壤氮素的循环转化,影响相关微生物的群落结构,且与水稻秸秆相比,玉米秸秆生物黑炭的施用效果更加明显。本文针对作物生长、土壤氮素形态及相关微生物数量3个方面研究生物黑炭施入土壤对氮有效性的影响,能够更全面、更准确地将生物黑炭如何影响土壤氮素转化展现出来,促进生物黑炭的深入开发利用,对黑土肥力保护具有一定意义。     

生物质炭及硝化/脲酶抑制剂对滨海盐渍土土壤盐分及作物氮素吸收利用的影响

为研究生物质炭及硝化/脲酶抑制剂对滨海盐渍土土壤盐碱、氮素有效性、作物氮素吸收利用以及土壤氮平衡的影响,通过盆栽试验,共设9个处理:不施氮肥、常规化肥、生物质炭+常规化肥、常规化肥+硝化抑制剂DCD、常规化肥+脲酶抑制剂NBPT、常规化肥+DCD+NBPT、生物质炭+常规化肥+DCD、生物质炭+常规化肥+NBPT、生物质炭+常规化肥+DCD+NBPT,以典型耐盐作物大麦为研究对象开展研究。结果表明:(1)各施氮肥处理均增加了盐分的淋洗,各生物质炭处理显著增加了10～20 cm土层的土壤电导率。土壤电导率高的土壤p H较低,生物质炭处理对土壤p H略有降低的作用。(2)NBPT和DCD添加增加了大麦籽粒产量,配合生物质炭的施用增产更多,但是却降低了秸秆的产量。NBPT和DCD添加均增加了大麦植株的吸氮量,其中NBPT添加增加了大麦秸秆和籽粒的全氮含量,但是配合生物质炭施用又有降低作用,其余抑制剂处理均降低了大麦籽粒和秸秆的全氮含量。(3)DCD和NBPT添加均提高了氮肥利用效率,配合生物质炭施用对各指标的增加更明显。(4)对作物收获后土壤残留无机氮含量,添加DCD处理相比常规化肥处理有所降低,添加NBPT处理相比常规化肥处理有所增加。添加DCD和NBPT处理均降低了氮的表观损失。因此,在滨海盐渍土中,通过在尿素中添加DCD和NBPT,可以提高作物产量和氮肥利用率,其中同时添加生物质炭、DCD和NBPT处理在产量提升、氮素高效利用及减少氮损失等方面表现更好。     

功能菌剂与生物炭配施对沙化土壤的影响

研究生物炭和功能菌剂协同调控沙化土壤养分和微生物多样性与功能，可为沙化土壤肥力培育提供理论依据。选择毛乌素沙地典型生态经济林沙化土壤为研究对象，采用田间定位试验，运用高通量扩增测序技术，解析不同添加量(2%,4%,8%)生物炭处理及其配施定量功能菌剂(枯草芽孢杆菌+巨大芽孢杆菌+胶质芽孢杆菌)处理对土壤化学性质及细菌菌群多样性与功能的影响。结果表明：(1)与单一生物炭处理相比，生物炭+功能菌剂处理组土壤有效氮、磷养分含量分别提升44.71%和187.36%;(2)生物炭单施或者配施功能菌剂均使酸杆菌门相对丰度显著降低，而生物炭+功能菌剂处理中厚壁菌门的相对丰度，分别增加163.80%,155.15%,100.21%,并且不同程度上调土壤细菌物种丰富度和多样性；(3)功能菌剂与生物炭配施改变土壤细菌介导的碳氮循环功能，如显著提高土壤细菌的有机物质分解功能，壳聚糖和木聚糖分解过程较对照组分别上升186.54%,242.46%,增强细菌的氨化和呼吸功能，而单施生物炭处理提升细菌的反硝化与固氮功能。综上，生物炭和功能菌剂的添加提高土壤有效氮磷养分含量，显著改变土壤细菌群落多样性与群落功能，生物...     

The Impact of Woody Biochar on Microbial Processes in Conventionally and Organically Managed Arable soils

ABSTRACT

Although environmental impacts of biochar are well characterized, impacts on soil quality, nutrient availability and crop productivity, still remain a challenge due to the diverse response of different soil types to different types of biochar, namely those obtained at low temperature. The impact of an alkaline woody biochar (two doses 5% and 10%) obtained at 280°C, on soil enzyme activity, soil microbial respiration rate, mineral nitrogen (N) availability and ammonia volatilization was studied in one conventionally and one organically managed soils, with and without the addition of urea or composted farmyard manure. Biochar additions had different effects on soil enzyme activity in both soils, suggesting lower decomposing microbial activity processes promoted by biochar. Both soils showed a similar decreasing trend regarding soil respiration rates for all treatments, and significant relationships were observed between the treatments with different rates of applied biochar, but not constant for the entire incubation period. Urea application increased soil mineral N concentrations, especially nitrate concentrations when biochar was applied as well. Biochar decreased ammonia volatilization from conventionally managed soil fertilized with urea, but did not have a significant effect when compost was added to the organically managed soil. Biochar altered microbial behavior in soil, and was affected by previous soil management. So, the impact of biochar produced at low temperatures on soil biological processes is similar to those obtained at high temperature, thus proving that there is no need to increase the energy expenditure to produce biochar, to obtain a good product.     

生物质炭对土壤物理性质影响的研究进展

生物质炭在农业与环境中的应用已成为近期国内外研究热点,有关生物质炭特性以及生物质炭对土壤化学、生物学性质和作物产量的影响,已经有一些综述,但是生物质炭对土壤物理性质影响的相关综述很少。本文对近10年生物质炭对土壤物理性质影响相关的研究成果进行了整理分析。研究结果发现生物质炭可以降低土壤容重,提高土壤团聚体稳定性,增加田间持水量和土壤有效水含量,降低饱和导水率等。生物质炭影响土壤物理性质的主要原因是生物质炭具有较大的比表面积和孔隙度。此外,生物质炭与土壤矿质颗粒结合,并通过对土壤微生物活性和植物生长的影响间接影响土壤物理性质。生物质炭对土壤物理性质的影响与多种因素有关,如生物质炭原料、裂解温度、施用量和颗粒大小,土壤质地和处理时间等。关于生物质炭对土壤物理性质影响的长期研究很少,且缺乏田间试验。因此,将来的研究应更加倾向于长期田间条件下生物质炭对土壤物理性质的影响,并逐渐发现生物质炭的作用机理,为实际的农业生产和生态治理提供科学依据。     

生物炭对土壤可持续健康的影响：探索和热点综述

Biochar as a soil amendment is confronted with the challenge that it must benefit soil health as it can be by no means separated from soils once it is added. The available literature even though sparse and mostly based on short-term studies has been encouraging and the trend obtained so far has raised many hopes. Biochar has been reported to positively impact an array of soil processes ranging from benefiting soil biology, controlling soil-borne pathogens, enhancing nitrogen fixation, improving soil physical and chemical properties, decreasing nitrate (NO₃^-) leaching and nitrous oxide (N₂O) emission to remediation of contaminated soils. However, very little biochar is still utilized as soil amendment mainly because these benefits are yet to be quantified, and also the mechanisms by which the soil health is improved are poorly understood. Due to the infancy of research regarding this subject, there are still more questions than answers. The future research efforts must focus on carrying out long-term experiments and uncover the mechanisms underlying these processes so that key concerns surrounding the use of biochar are addressed before its large scale application is recommended.     

生物炭对土壤磷素转化的影响及其机理研究进展

【目的】土壤中磷素总量及形态变化是其发挥营养元素作用和造成环境潜在威胁的重要因素。作为一种外源输入的新型功能材料,生物炭对调节土壤磷素转化及其功能发挥具有重要意义。本文重点针对农业生态系统中生物炭影响土壤磷素转化的研究进展进行综述,并对相应的影响机制进行探讨,旨在为生物炭在农田土壤磷素迁移转化方面的应用及调控提供理论依据。主要进展生物炭可有效增加土壤中有效磷的供给,不仅由于生物炭本身含有较高的磷,其施入土壤后,还可以调节土壤pH,吸附土壤磷素与金属的络合物,直接作为土壤微生物的碳素营养,提高土壤磷素的生物转化率等途径。展望生物炭研究应针对低肥力土壤进行生物炭适宜类型和添加量的研究,防止由于可能的磷素过多导致养分供应的不平衡。由于生物炭本身的含磷量较高,还应进行增施生物炭适当减少磷肥用量的试验,以提高生产效益。生物炭对根际土壤磷活性影响与实际生产相关更加密切,也应投入更多的注意力。此外,作为较为新兴的改土材料,生物炭施入土壤后的长期效应还有待观察和评估。     

生物炭和无机肥对盐碱滩涂围垦农田土壤性状的影响

在重度盐碱滩涂围垦的土地上,添加不同量的生物炭(0、3、6、9 hm~(-2)),在玉米不同生育期施加无机肥,对照CK不施肥,研究土壤在不进行作物种植下的性状变化。结果表明:自然条件下重度盐碱土地土壤物理性状变差,施用无机肥加剧了土壤的退化程度;在未种植作物条件下,生物炭添加没有对降低土壤容重起到促进作用,同时也没有提高土壤饱和含水量及田间持水量;团聚体组成分析显示生物炭用量在3 t hm~(-2)时土壤中2 mm团聚体增加最多;雨季时雨水淋洗显著降低土壤0~20 cm土层盐分,生物炭用量越大土壤盐分淋洗效果越明显;八月份和九月份时随着雨季结束,地下水位升高、太阳辐射增强加速了盐分在表层土壤的积聚,生物炭添加能有效抑制盐分在表层的积累,但无机肥添加又阻碍了这种抑制作用。