改良剂应用对油茶林施氮肥土壤温室气体排放的影响

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油茶(Camellia oleifera Abel.)是世界四大木本食用油料树种之一,广泛地栽培于我国亚热带区域。该区域水热条件优越,但土壤养分贫瘠。尽管集约施肥管理有效地提高了油茶产量,但过量的氮(N)肥输入,加剧了土壤酸化和温室气体排放的风险,制约了油茶产业的可持续发展。因此,选择合适的土壤改良剂用于提高土壤抗酸化能力和油茶产量以及减少温室气体排放,对保障我国食用油供给以及生态环境安全意义重大。近年来,生物质炭技术的兴起以及硝化抑制剂和脲酶抑制剂的使用,为解决上述问题,提供了新的途径。本研究通过原位监测和室内培养相结合的方式,探索了改良剂应用对油茶林施氮肥土壤温室气体排放的影响。两项短期野外试验结果显示:(1)油茶壳生物质炭和双氰胺(DCD,一种硝化抑制剂)添加均减少了硝酸铵(NH4NO3)施肥后的土壤氧化亚氮(N2O)排放速率;NH4NO3施肥增加了油茶籽产量,但同时也增加了3倍的累积土壤N2O排放量;生物质炭添加对NH4NO3施肥后的油茶籽产量无影响,但DCD添加却降低了NH4NO3施肥后的油茶籽产量。(2)油茶壳生物质炭添加降低了有机肥(鹌鹑粪)施肥增加的平均土壤N2O排放速率。室内培养试验的主要结果如下:(1)生物质炭(对照、菌棒废料(MS)生物质炭、油茶壳(FS)生物质炭)、水分含量(60%、120%、240%、360%持水量(WHC))和有机肥(对照、鸡粪)交互影响累积土壤甲烷(CH4)排放、累积土壤N2O排放以及Aamo A、Bamo A、nir K、nir S和nos Z基因拷贝数;有机肥施肥增加了土壤CH4和N2O的排放风险;淹水处理(240%和360%WHC)增加了MS生物质炭添加条件下的累积土壤CH4排放,且有机肥施肥放大了这一效应;MS生物质炭和FS生物质炭添加均增加了60%WHC和有机肥施肥条件下的nir K基因拷贝数,但nir S却表现出相反的结果;MS生物质炭添加增加了120%WHC和鸡粪添加条件下的nos Z基因拷贝数。(2)油茶壳生物质炭与DCD联用能进一步地降低尿素或NH4NO3施肥土壤的平均净硝化速率(对于尿素处理,从1.1 mg kg-1 day-1降至0.3 mg kg-1 day-1);生物质炭添加增加了平均土壤N2O排放速率(对于尿素处理,从0.03 ng N2O g-1 h-1增至0.08 ng N2O g-1h-1)和它们的温度敏感性;施用DCD可以大幅度地降低尿素施肥后的平均土壤N2O排放速率。(3)丁基硫代磷酰三胺(NBPT,一种脲酶抑制剂)添加能够很好地抑制尿素施肥后的累积土壤N2O排放,但油茶壳生物质炭添加却增加了尿素施肥后的累积土壤N2O排放;不同生物质炭添加速率(0、2.5%、5%)下,尿素施肥后的累积土壤N2O排放均随着NBPT的添加速率(0%、0.08%、0.16%、0.24%、0.32%)先减少后增加;土壤N2O排放速率和土壤净硝化速率呈显著正相关关系且两者的时间动态均表现出随时间先增加后减小的变化趋势。(4)原料粒径(0.5-2、2-5、5-10 mm油茶壳)和裂解温度(300、450、600°C)交互影响土壤N2O和二氧化碳(CO2)排放速率;油茶壳生物质炭中的可溶性有机碳在300°C条件下随着壳粒径的增大而增大,而生物质炭中的可溶性有机碳却随着热解温度的升高而减小;相比于300°C裂解温度处理,450和600°C裂解温度处理在NH4NO3施肥条件下具有较低的土壤N2O排放速率;在300°C裂解温度条件下,相比于其它壳粒径衍生的生物质炭,0.5-2 mm壳粒径衍生的生物质炭具有最低的土壤N2O和CO2排放速率;在600°C裂解温度条件下,相比于其它壳粒径衍生的生物质炭,0.5-2 mm壳粒径衍生的生物质炭具有最低的净硝化速率。综上所述,集约经营油茶林土壤具有较高的温室气体减排潜力。在选用土壤改良剂时应考虑N肥类型。此外,制备生物质炭的原材料种类和原材料粒径以及土壤水分状态都是土壤改良过程中需要考虑的重要参数。虽然生物质炭有利于改良酸性土壤p H,但建议考虑联合使用硝化抑制剂用于缓解N施肥土壤温室气体排放,而尿素施肥土壤则建议考虑使用脲酶抑制剂而不是生物质炭用于缓解土壤温室气体排放。
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