生物炭对土壤硝态氮和磷酸盐淋溶/固持的影响及其机制研究

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滨海河口区域是陆源氮磷等营养物质的重要“汇”,其“汇”功能的好坏对海洋水体富营养化污染风险具有重要的影响。近年来,随着人类社会活动强度的不断增强,滨海河口区氮磷“汇”功能面临巨大的挑战。前期大量的内陆农田实验研究表明,生物炭(Biochar)在增强土壤对硝态氮和磷酸盐的固持能力、减少它们的淋失等方面具有积极的应用潜力。然而,受生物炭特性、土壤条件等因素的影响,相关报道结果之间存在很大的差异,导致生物炭提高土壤固持硝态氮和磷酸盐的作用机制还不明确。此外,关于生物炭在滨海河口区土壤中应用对硝态氮和磷酸盐固持和淋溶行为影响的研究还十分匮乏,对该区域氮磷“汇”功能的改善潜力和内在机制需要进一步揭示。本研究基于文献调查,通过运用整合分析(Meta-analysis,MA)及支持向量机(Support Vector Machine,SVM)分类模型识别并明确影响土壤硝态氮淋失及磷酸盐固持的关键生物炭、土壤性质及其相关机制。同时,通过设计室内土壤培养/淋溶实验,深入探究钙或镁负载生物炭添加对土壤中硝态氮及磷酸盐淋溶行为的影响及其机制。研究成果以期为生物炭在改善土壤氮磷等营养物质固持能力方面的高效应用提供科学理论依据。基于文献数据调研,利用MA和SVM等统计分析研究取得如下成果:(1)总体来说,生物炭添加对减少硝态氮淋失具有显著效果,与对照处理相比,实验处理平均显著减少37.1%。众多影响因素中,当生物炭灰分含量≥10%时,其值越高,土壤硝态氮的淋溶损失量越小。热解温度在400~600℃范围内的生物炭具有更大的减少硝态氮淋失的潜力。土壤粘粒含量越高、阳离子交换量(Cation exchange capacity,CEC)越大,越不利于减少土壤硝态氮的淋失。此外,生物炭的施用量在1%至3%之间时,可获得较好的减少硝态氮淋失的效果。(2)总体来说,生物炭添加到土壤中后普遍显著提高了土壤对磷酸盐的固持能力(20.8%)。众多影响因素中,热解温度>600℃、比表面积≥100 m~2 g-1的生物炭对土壤磷酸盐固持能力的增强效果更好。土壤pH、粘粒及有机质含量越高,土壤磷酸盐固持能力越强。不同的生物炭添加量对土壤磷酸盐固持能力的影响无显著差异。(3)SVM分类模型预测结果表明,生物炭原料、热解温度、灰分含量,土壤的粘粒含量、pH、有机质含量是影响硝态氮淋失、磷酸盐固持的关键因素。室内土壤培养/淋溶实验研究取得如下成果:(4)与无矿物负载的生物炭相比,矿物负载生物炭的比表面积减小,而平均孔径增大;钙负载均显著增加了生物炭的pH及电导率,而镁负载未显著增加生物炭的pH,但显著降低了电导率;XRD与FT-IR表征结果显示生物炭表面形成不同的钙/镁晶体及金属-氧结合键;上述结果表明,矿物负载显著改变了生物炭的理化特性以及表面矿物组分含量等特征。(5)在两种受试土壤中,矿物负载生物炭添加均表现出对硝态氮的淋溶行为不显著的影响(钙负载生物炭+农田土壤处理组除外)。但从实验前后土壤硝态氮含量的结果来看,矿物负载生物炭显著提高了土壤的氮保持能力,主要机制为生物炭发达的孔径结构和高的表面吸附能力以及生物炭添加后对氮转化相关酶(如脲酶)活性的抑制。此外,实验表明,土壤初始特征对硝态氮的淋溶行为具有较大的影响。(6)在两种受试土壤中,矿物负载生物炭均显著降低了磷酸盐的淋溶风险。其添加降低磷酸盐淋溶损失的潜力在农田土中效果更为显著,因为湿地土壤的高粘土含量可削弱随生物炭添加新引入矿物对减少磷酸盐淋溶的作用。另外,矿物负载生物炭的添加可增加土壤磷含量并抑制碱性磷酸酶等相关酶的活性。(7)基于上述(5)和(6)的实验结果,推荐将镁负载生物炭和钙负载生物炭分别应用到湿地与农田土壤中,以期获得更佳的提高土壤养分保持能力的应用潜力。
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