生物炭添加對不同水氮條件下蘆葦生長和氮素吸收的影響

李謙維,高俊琴,*,梁金鳳,2,馮久格,張曉雅,蓋凌云

1 北京林業大學生態與自然保護學院,北京 100083

2 北京師范大學環境學院水環境模擬國家重點實驗室, 北京 100875

3 山東黃河三角洲國家級自然保護區黃河口管理站,東營 257500

氮素是植物生長所必需的元素,與植物生命活動有密切關系[1-2]。在絕大多數陸地生態系統中,植物生長會受到氮素的限制[3-4]。因此,通過提高植物的氮素吸收能力來提高陸地系統植物生產力至關重要。近年來,生物炭在農業生產和環境治理等方面的應用逐漸受到關注。生物炭是生物質在高溫缺氧條件下裂解而成的一種“土壤改良劑”[5-6]。已有的研究表明,生物炭具有促進作物增產,減少土壤溫室氣體排放,緩解重金屬污染等作用[7-8]。生物炭本身具有疏松多孔的物理結構,能夠改善土壤機械組成,從而改善土壤的通氣性和保水保肥能力,為土壤微生物提供附著位點等[9-10]。生物炭本身含有的微量元素能直接為植物生長所利用,生物炭自身含有的負電官能團能有效的吸附土壤中的陽離子,從而影響土壤的陽離子交換能力[9]。因此,生物炭通過影響土壤的機械組成,改變土壤理化性質,從而達到改良土壤的目的。

生物炭對土壤理化性質的改變會進一步影響植物的生長和氮素吸收能力[7, 11]。已有的研究表明,生物炭添加能改變土壤氮素轉化和遷移過程來提高土壤氮素可利用性,主要表現在以下幾個方面：1)生物炭自身含有的少量氮素能作為土壤營養元素的補充[9, 12]；2)生物炭能提高土壤通氣性,降低土壤反硝化作用,減少N2O排放[7]；3)生物炭添加能為土壤微生物提供更多的附著位點,從而提高土壤礦化作用[7, 9]；4)生物炭能有效吸附土壤中可利用性氮,減小淋溶損失[7]。除此之外,生物炭還能直接影響植物生長和氮素吸收能力。一方面生物炭添加改變了土壤機械組成,使土壤變得松軟,降低了植物根系生長的機械阻力[13-14]；另一方面,生物炭添加能提高叢枝菌根真菌對植物的侵染,從而提高植物的養分吸收能力[15-16]。

生物炭對植物氮素吸收的作用會受到土壤水分和土壤氮素可利用性的調控[17-18]。以往的研究認為生物炭對富養土壤和貧瘠土壤的改良作用不同[19]。在不同的氮素水平下,生物炭的添加對作物生長和氮素吸收的影響尚不清楚[17],隨著氮沉降量的增加,土壤可利用性氮的含量會逐漸增加[20],因此有必要進一步探討不同氮沉降量條件下生物炭對植物生長和氮素吸收的影響。研究表明,與干旱條件相比,在水分充足條件下生物炭更能促進小麥的生長[18]。但也有研究表明生物炭添加可以緩解水稻受到的干旱脅迫[21],促進干旱條件下玉米的生長和氮素吸收[22]。濕地生態系統長期處于淹水或季節性淹水的狀態,水分已不是限制濕地植物生長的關鍵性因素,生物炭在淹水條件下能否發揮作用尚不清楚。

本研究采用溫室控制實驗,探究生物炭在不同水分和不同氮添加條件下對濕地植物蘆葦(Phragmitesaustralis)生長和氮素吸收的影響,驗證以下兩個假設：1)生物炭添加能促進蘆葦生長和氮素吸收。2)生物炭添加對蘆葦生長和氮素吸收的影響受到土壤氮水平和土壤水分條件的調控。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

于2018年6月從黃河三角洲采集蘆葦幼苗并帶回溫室進行預培養,在蘆葦幼苗長勢穩定后,選擇120株高10 cm,大小一致的蘆葦幼苗分裝到準備好的花盆中(高19 cm,直徑17 cm,底部密封),每個花盆兩株。實驗基質按照黃河三角洲土壤基質(主要為沙土和黏土)進行配制,配制比例為沙子∶黏土=7∶3,配制好的基質按照5 kg干重分裝到花盆中。生物炭是以黃河三角洲蘆葦為原材料,在缺氧環境500 ℃條件下裂解2 h而成的。生物炭和風干土壤基質的碳氮含量見表1。

表1 實驗所用生物炭和土壤基質的碳氮含量

1.2 實驗設計

實驗采用三因素設計,包括兩種生物炭添加(1.5%添加和無添加),兩種水分處理(淹水和非淹水),3種氮素添加(無添加,30 kg hm-2a-1和60 kg hm-2a-1),共12種處理,每種處理設置5個重復,共60盆。生物炭添加方式為混合添加,即將生物炭與土壤基質充分混合,不添加生物炭的處理作同樣擾動。非淹水處理調控土壤含水率到60%并保持,淹水前,在需淹水處理的花盆中土壤上方5 cm處用記號筆做好標記,淹水時將水位控制在標記處來實現 5 cm深度的水淹處理。從實驗開始后的第15天開始施氮,分4次進行,每隔15天施氮一次,施氮所用藥品為NH4NO3。施氮時,將NH4NO3溶解在10 mL去離子水中,均勻噴灑在土壤表面,然后用10 mL去離子水淋洗。

實驗從2018年7月10日開始,到2018年9月23日結束,持續75 d,實驗在北京林業大學科技股份有限公司溫室中進行。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1樣品采集

收獲時,將植物根,莖,葉三部分分別收獲,洗凈后用烘箱70 ℃烘干72 h至恒重,稱重獲取各部分生物量。采用多點混合收集50 g土壤,用于土壤銨態氮和硝態氮的測量。

1.3.2指標測定

將植物地上部分(莖和葉混勻)和地下部分分別磨成粉末,然后用元素分析儀(Flash 2000 EA-HT, Thermo Fisher Scientific, Inc., USA)測定植物地上和地下部分全氮。稱取5 g鮮土,用0.05 M K2SO4浸提,然后用流動分析儀(AA3; Bran-Luebbe, Hamburg, Germany)測定土壤中銨態氮和硝態氮含量。

1.4 計算與統計分析

用蘆葦各部分氮含量和生物量的乘積計算蘆葦的植物氮庫,并依此計算蘆葦的氮素吸收速率(NUR,mg g-1d-1)[23]：

NUR=(ΔTotal N pool/t)×((ln (Rootfinal)-ln(Rootinitial))/ΔRoot)

式中,Total N pool(mg)為植物的氮含量與生物量的乘積；t(d)為生長時間；Rootfinal(g)為收獲時植物的根系生物量；Rootinitial(g)為初始根系生物量。

用蘆葦初始生物量和最終生物量計算蘆葦的相對生長速率(RGR,g g-1d-1),計算公式為[23]：

RGR=((ln (Biomassfinal)-ln (Biomassinitial))/t

式中,Biomassfinal(g)為最終生物量,Biomassinitial(g)為初始生物量,t(d)為生長時間。

用蘆葦的氮素含量結合蘆葦相對生長速率計算蘆葦的氮素生產力 (NP,g mol-1d-1)[23]：

式中,N concentration 為整個花盆中蘆葦的氮含量 (mol/g)。

用培養前后土壤基質中總無機氮量的變化來表示土壤無機氮損失：

土壤無機氮損失=培養前土壤無機氮含量×土壤干重+施氮量+生物炭無機氮總量-培養后土壤無機氮含量×土壤干重

1.5 數據分析

用三因素方差分析(Three-way ANOVA)檢驗水分,生物炭添加和氮添加對蘆葦生長指標和蘆葦氮素吸收速率,氮素生產力以及土壤氮含量的影響。當P<0.05時,認為處理間存在顯著差異。采用線性相關分析檢驗蘆葦氮素吸收速率與土壤氮素損失之間的相關關系。所有數據分析均采用SPSS 25.0進行,采用Sigmaplot 12.5進行繪圖。

2 結果

2.1 水分,生物炭和氮添加對蘆葦生物量的影響

水分對蘆葦各部分生物量有顯著影響(表2,P<0.05)。淹水顯著提高了蘆葦各部分生物量和總生物量(圖1)。生物炭添加顯著促進了蘆葦根系的生長(表2,P<0.05)。氮添加顯著促進了蘆葦莖的生長(表2,P<0.05)。水分和氮添加對蘆葦葉生物量有顯著交互作用(表2,P<0.05),在非淹水條件下,蘆葦葉生物量隨著施氮量的增加而逐漸增加；在淹水條件下,蘆葦葉生物量隨著施氮量的增加而逐漸減少(圖1)。

表2 水分、生物炭和氮添加對蘆葦生長指標,氮素吸收和土壤氮含量的影響

圖1 水分、生物炭和氮添加對蘆葦生物量的影響

2.2 水分,生物炭和氮添加對蘆葦氮素吸收速率和氮素生產力的影響

水分,生物炭和氮添加對蘆葦的氮素吸收速率有顯著影響(表2,P<0.05)。淹水顯著降低了蘆葦的氮素吸收速率；生物炭添加顯著提高了蘆葦的氮素吸收速率；隨著施氮量的增加,蘆葦的氮素吸收速率逐漸增大(圖2)。水分和生物炭對蘆葦的氮素吸收速率有顯著交互作用(表2,P<0.05)。在非淹水條件下,生物炭添加顯著促進了蘆葦的氮素吸收,在淹水條件下,生物炭對蘆葦氮素吸收無顯著作用(圖2)。

水分和氮添加對蘆葦氮素生產力有顯著影響(表2,P<0.05)。淹水條件下蘆葦的氮素生產力顯著提高；蘆葦的氮素生產力隨著施氮量的增加逐漸降低(圖2)。水分和生物炭對蘆葦的氮素生產力有顯著交互作用(表2,P<0.05)。在非淹水條件下,生物炭添加對蘆葦的氮素生產力無顯著影響；在淹水條件下,生物炭添加顯著提高了蘆葦的氮素生產力(圖2)。

圖2 水分、生物炭和氮添加對蘆葦氮素吸收速率和氮素生產力的影響

2.3 水分,生物炭和氮添加對土壤無機氮含量及土壤氮損失的影響。

水分,生物炭和氮添加對土壤銨態氮,硝態氮和土壤總無機氮均有顯著影響(表2,P<0.05)。淹水顯著提高了土壤銨態氮含量,但降低了土壤硝態氮和總無機氮含量；生物炭顯著降低了土壤銨態氮,硝態氮和總無機氮含量；高氮添加顯著提高了土壤銨態氮、硝態氮和總無機氮含量(圖3)。

水分和生物炭對土壤銨態氮和硝態氮含量有顯著的交互作用(表2,P<0.05)。在非淹水條件下,生物炭添加對土壤銨態氮無顯著影響,但降低了土壤硝態氮含量；在淹水條件下,生物炭顯著降低了土壤銨態氮含量,但對土壤硝態氮無顯著影響(圖3)。

水分和氮添加對土壤銨態氮、硝態氮和土壤總無機氮有顯著交互作用(表2,P<0.05)。在非淹水條件下,施氮顯著增加了土壤硝態氮和總無機氮含量,但對土壤銨態氮無顯著影響,在淹水條件下,施氮顯著增加了土壤銨態氮含量,但對土壤硝態氮和總無機氮含量無顯著影響(圖3)。生物炭和氮添加對土壤銨態氮,硝態氮和總無機氮有顯著的交互作用(表2,P<0.05)。生物炭添加顯著降低了低氮和高氮條件下土壤銨態氮和硝態氮含量,但對對照條件下土壤銨態氮和硝態氮含量無顯著影響(圖3)。

圖3 水分、生物炭和氮添加對土壤無機氮含量和土壤氮素損失的影響

水分,生物炭和氮添加對土壤硝態氮和總無機氮含量有顯著地三向交互作用(表2,P<0.05)。在非淹水條件下,生物炭添加顯著降低了高氮條件下的土壤硝態氮和總無機氮含量,對對照和低氮條件下土壤硝態氮和土壤總無機氮含量無顯著影響；而在淹水條件下,生物炭添加降低了對照和低氮條件下土壤硝態氮和總無機氮含量,對高氮條件下土壤硝態氮和總無機氮含量無顯著影響(圖3)。

水分,氮添加和生物炭添加對土壤氮損失有顯著地三向交互作用(表2,P<0.05)。淹水顯著降低了土壤氮損失,隨著施氮量增加,土壤氮損失逐漸增加,生物炭添加顯著增加了土壤的氮損失。在非淹水高氮條件下,生物炭添加對土壤氮損失的促進作用高于其他條件下(圖3)。

相關分析表明,蘆葦氮素吸收總量與土壤氮損失之間存在顯著地正相關關系(圖4)。

圖4 蘆葦氮素吸收總量與土壤無機氮損失之間的關系

3 討論

研究表明,生物炭添加能促進植物的生長[11, 15, 22]。我們研究發現,生物炭添加顯著地提高了蘆葦的根系生物量,這與前人的研究結果一致[15, 24]。這可能是兩方面的原因造成的,一方面生物炭添加改善了土壤機械組成,使土壤變得松軟,減小了蘆葦根系生長的機械阻力[13-14]；另一方面生物炭中包含很多的有機質如有機酸等能直接刺激植物根系的伸長[14, 25]。此外,還發現水分和氮素對蘆葦生長也有影響。氮素是植物生長所必須的元素,施氮會直接影響植物的生長,本研究中,隨著氮添加量的增加,蘆葦的莖生物量逐漸增大,這與以往的研究結果相一致[1]。蘆葦對水分比對養分更加敏感[26],這與我們的研究結果是一致的,即淹水對蘆葦的各部分生長均表現出促進作用,類似的研究結果表明,蘆葦的最適生長水位為0 cm,此時的土壤水分和通氣性以及土壤營養在一定程度上達到均衡,從而有利于蘆葦的生長[27]。在非淹水條件下,蘆葦葉生物量隨著施氮量的增加而逐漸增加；在淹水條件下,蘆葦葉生物量隨著施氮量的增加而逐漸減少,這可能是植物面臨環境變化時作出的適應性反應,當水分或氮素不足時通過加強葉的生長來彌補光合效率的降低。

生物炭添加顯著促進了蘆葦的氮素吸收,這與以往的研究結果相一致[13,17]。很多研究表明生物炭能促進植物根系的伸長,進而促進植物的養分吸收[13,17]。我們的研究結果中生物炭添加提高了蘆葦根生物量,在一定程度上也驗證了這一結論。還有研究表明,生物炭能為土壤微生物提供不穩定的碳源,進而提高土壤微生物的活性,促進土壤氮素礦化,提高土壤氮素可利用性,促進植物氮素吸收[7, 9]。此外,生物炭能夠改變植物的根系形態,促進植物產生更多的細根,進而有利于植物的養分吸收[13,17]。然而,我們的研究結果發現,在淹水條件下,生物炭雖然也能促進植物的氮素吸收,但效果不如在非淹水條件下顯著。可能的原因有：(1)淹水降低了土壤微生物的活性與數量[28],在一定程度上淹水條件遮掩了生物炭多孔的特性,從而削弱了生物炭對土壤微生物的積極作用,這也是淹水條件下土壤無機氮含量較低的原因。(2)淹水條件下,蘆葦具有更發達的通氣組織和較少的吸收組織[29-30],這可能是植物在營養吸收和根系呼吸之間的權衡。隨著施氮量的增加,蘆葦的氮素吸收速率越高,這與前人的研究結果一致,高的土壤氮素可利用性使植物捕捉氮素變得更容易[31]。

生物炭添加提高了淹水條件下蘆葦的氮素生產力。這主要與土壤中氮素形態和生物炭強大的陽離子交換能力有關。淹水條件下,土壤由于強烈的反硝化作用,土壤中無機氮主要以銨態氮形式存在。很多研究表明,蘆葦更傾向于吸收銨態氮[15, 32],且銨態氮的供給能提高植物的光合作用[33]。生物炭能將土壤中大量游離的銨根離子轉變成吸附態的銨根離子,有利于植物吸收[13, 34],因此,生物炭添加提高了淹水條件下蘆葦的氮素生產力。

生物炭對蘆葦氮素吸收的促進作用直接反映為土壤中氮素含量的變化。我們發現,生物炭添加改變了土壤中硝態氮和銨態氮的含量,添加生物炭顯著降低了非淹水條件下土壤硝態氮含量和淹水條件下土壤銨態氮含量。這是由于植物會根據土壤氮素可利用性改變氮素吸收策略,優先吸收土壤中占主要形態的氮素[35-36]。而在兩種水分條件下,由于曝氣條件的差異,非淹水條件下土壤中主要發生硝化作用,土壤中氮素主要以硝態氮形式存在,淹水條件下硝化作用降低而反硝化作用增強,土壤中無機氮主要以銨態氮形式存在[37-39],這在我們的研究結果中同樣得到證實。因此,在淹水和非淹水條件下,蘆葦分別主要吸收銨態氮和硝態氮,生物炭對氮素吸收速率的促進作用導致淹水和非淹水條件下土壤銨態氮和硝態氮分別降低。

無論哪種水分條件,生物炭添加都降低了土壤中無機氮的含量,增加了土壤中無機氮的損失量。這主要是由于生物炭添加促進了蘆葦對土壤無機氮的吸收。由于植物氮素吸收總量與土壤無機氮損失之間的相關系數較小(r2=0.32),可能還存在除植物氮素吸收以外的氮損失,例如由于生物炭的弱堿性,可能造成土壤氨揮發的增強[7, 34]；淹水條件下反硝化作用的增強可能造成了更多的氮釋放到大氣中。此外,淹水條件下,部分土壤氮素會流失進入水體,這也是方差分析中水分條件對土壤無機氮含量影響顯著的原因之一。生物炭添加在非淹水條件下造成的氮損失高于淹水條件下,主要原因是非淹水條件下蘆葦的氮素吸收能力更強。土壤無機氮損失量隨著施氮量的增大而增大,主要原因是施氮提高了植物的氮素吸收,增加了氨揮發的底物。

4 結論

生物炭在淹水和非淹水兩種條件下發揮的作用不同。在非淹水條件下生物炭能提升蘆葦的氮素吸收能力,但在淹水條件下,生物炭能提高蘆葦的氮素生產力。此外,生物炭添加加劇了土壤的氮素損失,且在非淹水高氮條件下作用最強。因此,在不同水分條件下進行生物炭的應用需要進一步權衡土壤中氮素的富含程度和植物的氮素吸收偏好。