阅读说明：本技术 一种污泥生物质炭调节土壤碳氮矿化的方法 (Method for adjusting soil carbon nitrogen mineralization through sludge biomass charcoal ) 是由 孙蕾 刘霞 尤俊坚 胡续礼 唐俊 李想 吴镇宇 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种污泥生物质炭调节土壤碳氮矿化的方法,涉及土壤碳氮矿化技术。施用污泥生物质炭降低土壤呼吸强度、有机碳矿化速率和累积矿化量,且不同施量污泥生物质炭土壤有机碳累积矿化量差异显著。土壤有机碳矿化速率与培养时间呈显著的对数函数关系,研究区风沙土 整体土壤有机碳矿化率高,B20处理土壤固碳能力优于 B40、B60 及对照处理,BRT 分析结果表明全氮和水溶性有机碳为影响土壤有机碳累积矿化量、矿化潜力、Cp/SOC 的最大因子。添加不同施量污泥生物质炭增加土壤硝态氮含量,对土壤无机氮、有机氮矿化及硝化速率均无显著影响,因此污泥生物质炭添加到土壤中具有一定供氮效果,带来更好的使用前景。(The invention discloses a method for adjusting soil carbon nitrogen mineralization by sludge biomass charcoal, and relates to a soil carbon nitrogen mineralization technology. The sludge biomass charcoal is applied to reduce the soil respiration intensity, the organic carbon mineralization rate and the accumulated mineralization quantity, and the difference of the organic carbon accumulated mineralization quantity of the sludge biomass charcoal soil with different application quantities is obvious. The mineralization rate of organic carbon of soil and the culture time are in a significant logarithmic function relationship, the mineralization rate of the organic carbon of the whole soil of the aeolian sandy soil in a research area is high, the carbon fixation capacity of the soil treated by B20 is superior to that of the soil treated by B40 and B60 and the comparison treatment, and the BRT analysis result shows that the total nitrogen and the water-soluble organic carbon are the maximum factors influencing the accumulative mineralization quantity, mineralization potential and Cp/SOC of the organic carbon of the soil. The sludge biomass carbon with different application amounts is added to increase the content of nitrate nitrogen in the soil, and has no obvious influence on the mineralization and nitration rates of inorganic nitrogen and organic nitrogen in the soil, so that the sludge biomass carbon has a certain nitrogen supply effect when being added into the soil, and brings better use prospect.)

一种污泥生物质炭调节土壤碳氮矿化的方法

技术领域

本发明涉及涉及土壤碳氮矿化技术领域，特别涉及一种污泥生物质炭调节土壤碳氮矿化的方法。

背景技术

近年来，将城市污泥热解转化为污泥生物质炭后用于农田土壤改良被认为是一种可以把碳长期固定在土壤中的方法。生物质炭作为一种土壤改良剂，其稳定的芳香碳结构保证其可以在土壤中保存成百上千年[32]，施入农田土壤后显著改变土壤原有碳、氮库，导致土壤中发生复杂生化反应，从而极大改变土壤碳、氮循环[233]。已有研究表明，生物质炭添加至土壤中能够减少温室气体排放，如CO2、NO2、 CH4[234-236]，并增强生物固氮能力[237]，因此在缓解全球温室效应、农业生产方面有着巨大应用前景。

目前，城市污泥生物质炭对农田土壤碳氮矿化影响的研究还较少，鉴于此，本论文以豫东平原黄泛区风沙土为研究对象，采用室内模拟培养试验，探究不同施量污泥生物质炭对耕地土壤有机碳氮矿化动态变化规律，对科学管理风沙土农业生产、降低温室气体排放具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种污泥生物质炭调节土壤碳氮矿化的方法，该方法添加污泥生物质炭增加土壤硝态氮含量，且未提高土壤有机氮矿化速率，有利于长期持久地为植物生长提供生长所需氮素。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种污泥生物质炭调节土壤碳氮矿化的方法，包括土壤有机碳矿化速率与累积矿化量、土壤有机碳矿化拟合、有机碳矿化动态的影响因子、土壤铵态氮与硝态氮动态变化、土壤有机氮矿化速率动态变化、土壤硝化速率动态变化。

优选的，所述土壤有机碳矿化速率与累积矿化量：不同处理土壤有机碳矿化速率呈现相似的变化特征，培养初期土壤有机碳矿化速率迅速上升，之后迅速下降，至28d时矿化率降至较低水平并最终趋于稳定；土壤有机碳矿化速率与培养时间的变化呈对数函数关系 y＝a+bln(x)，且相关性均达到显著水平；B20、B40、B60在第1d时候达到矿化速率高峰，分别为34.33、36.23、43.47mg/kg/d，CK在第3天时候达到矿化速率高峰，为76.27mg/kg/d，CK最大矿化速率分别为B20、B40、B60最大矿化速率的2.22、2.11和1.75倍；不同施量污泥生物质炭处理最大矿化速率相比CK，提高了66.09％、58.04％、 57.30％；在培养的第49天，CK处理日矿化速率是不同施量污泥生物质炭处理的1.55、1.72、1.41倍；不同处理在49天内的土壤有机碳累积矿化量差异显著；4种处理最大土壤累积矿化量为CK处理，为 645.50mg/kg；生物炭处理相CK处理，显著降低了累积矿化量，分别减少了57.90％、37.83％、30.36％；不同施量污泥生物质炭之间，累积矿化量存在显著差异，具体表现为：B60>B40>B20，污泥生物质炭施量越高，累积矿化量越大。

优选的，所述土壤有机碳矿化拟合：运用一级动力学方程对4种处理土壤有机碳累积矿化量与培养天数进行拟合，相关系数均达到了极显著相关水平(R2>0.95)，表明一级动力学方程可以很好的描述不同处理土壤有机碳累积矿化量的动态变化特征根据动力学方程的模拟结果显示，不同处理土壤潜在矿化碳库(Cp)存在一定差异，变化范围0.26～0.66g/kg，污泥生物质炭处理显著低于CK处理，B40和 B60处理Cp值较CK处理降低了37.88％、27.27％；土壤有机碳k值表示有机碳矿化速率常数，其变化范围0.86～1.34×10-2/d，B40与B60 处理相比CK处理，显著降低了k值，分别降低了27.12％、15.25％；方差分析表明，污泥生物质炭处理显著降低了Cp/SOC值，相比CK处理，B20、B40、B60分别降低了1.82、0.85、0.67倍。

优选的，所述有机碳矿化动态的影响因子：运用BRT模型分析不同土壤因子对各土壤矿化参数相对影响，训练数据的相关性均大于 0.91，验证数据相关性均大于0.86，二者ROC值均大于0.8，表明 BRT分析结果可靠；各土壤矿化参数的主控因子存在差异的分析结果，分别选取影响最大的两个因子进行说明；对土壤有机碳累积矿化量、矿化潜力、Cp/SOC影响最大的因子均为全氮和水溶性有机碳，其中对土壤有机碳累积矿化量的相对贡献率分别为为46.7％、17.4％，对矿化潜力的相对贡献率为34.5％、22.8％，对Cp/SOC的相对贡献率为 23.7％、23.3％；对矿化速率常数影响最大的因子为pH和碱解氮，相对贡献率分别为71.2％、8.7％。

优选的，所述土壤铵态氮、硝态氮动态变化：土壤添加不同量污泥生物质炭后各处理土壤铵态氮含量随培养时间变化的趋势与CK处理相一致，且无显著差异；土壤铵态氮在培养前期呈降低趋势，14 天时降至较低水平，各处理减少95.08％～98.01％，培养中后期趋于稳定，并维持较低水平土壤添加不同施量污泥生物质炭后各处理土壤硝态氮含量随培养时间变化的趋势与CK处理相一致，培养初期各处理土壤硝态氮含量迅速降低，第3天各处理分别降低了42.33％、44.02％、 43.22％、43.25％；培养第3天至第14天，各处理硝态氮保持稳定，第14天之后，土壤硝态氮含量呈增长趋势，培养第49天，各处理土壤硝态氮含量分别为24.10、28.18、29.17、29.77mg/kg，污泥生物质炭处理显著高于CK处理，分别提高了16.91％、21.01％；23.51％。

优选的，所述土壤有机氮矿化速率动态变化：各处理土壤有机氮矿化速率动态变化趋势相近，第1天与第3天，污泥生物质炭处理土壤有机氮矿化速率保持稳定，第3天至第7天呈增大趋势，但均为负值，表明土壤中无机氮含量逐渐减少；第7天至第21天，各处理土壤氮矿化速率缓慢增加，在第21天后，各处理土壤氮矿化速率基本为正值，表明土壤无机氮含量逐渐增加；污泥生物质炭处理与CK处理土壤有机氮矿化速率无显著差异所述土壤硝化速率动态变化：各处理土壤硝化速率动态变化趋势相近，培养初期各处理硝化速率变化较大，整体表现为先减小后迅速增大，第3天各处理矿化速率降至最小值，分别为-4.02、-5.82、-5.77、-5.71mg/kg/d；第7天至培养结束，各处理土壤硝化速率基本为正值，土壤硝态氮含量逐渐增加；污泥生物质炭处理与CK处理土壤硝化速率无显著差异。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该一种污泥生物质炭调节土壤碳氮矿化的方法，施用污泥生物质炭降低土壤呼吸强度、有机碳矿化速率和累积矿化量，且不同施量污泥生物质炭土壤有机碳累积矿化量差异显著。土壤有机碳矿化速率与培养时间呈显著的对数函数关系，研究区风沙土整体土壤有机碳矿化率高，B20处理土壤固碳能力优于B40、B60及对照处理，BRT分析结果表明全氮和水溶性有机碳为影响土壤有机碳累积矿化量、矿化潜力、Cp/SOC的最大因子。添加不同施量污泥生物质炭增加土壤硝态氮含量，对土壤无机氮、有机氮矿化及硝化速率均无显著影响，因此污泥生物质炭添加到土壤中具有一定供氮效果。

附图说明

图1为本发明一种污泥生物质炭对土壤碳氮矿化中土壤氮矿化速率动态变化图；

图2为本发明一种污泥生物质炭对土壤碳氮矿化中土壤有机碳矿化速率动态变化图；

图3为本发明一种污泥生物质炭对土壤碳氮矿化中土壤有机碳累积矿化量动态变化图；

图4为本发明一种污泥生物质炭对土壤碳氮矿化中土壤铵态氮含量动态变化图；

图5为本发明一种污泥生物质炭对土壤碳氮矿化中土壤硝态氮含量动态变化图；

图6为本发明一种污泥生物质炭对土壤碳氮矿化中土壤有机氮矿化速率动态变化图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。

下面结合附图描述本发明的具体实施例。

具体实施例一：

一种污泥生物质炭调节土壤碳氮矿化的方法，包括土壤有机碳矿化速率与累积矿化量、土壤有机碳矿化拟合、有机碳矿化动态的影响因子、土壤铵态氮与硝态氮动态变化、土壤有机氮矿化速率动态变化、土壤硝化速率动态变化。

土壤有机碳矿化速率与累积矿化量：不同处理土壤有机碳矿化速率呈现相似的变化特征(附图2)，培养初期土壤有机碳矿化速率迅速上升，之后迅速下降，至28d时矿化率降至较低水平并最终趋于稳定；土壤有机碳矿化速率与培养时间的变化呈对数函数关系 y＝a+bln(x)，且相关性均达到显著水平(表1)；B20、B40、B60在第1d时候达到矿化速率高峰，分别为34.33、36.23、43.47mg/kg/d， CK在第3天时候达到矿化速率高峰，为76.27mg/kg/d，CK最大矿化速率分别为B20、B40、B60最大矿化速率的2.22、2.11和1.75倍；不同施量污泥生物质炭处理最大矿化速率相比CK，提高了66.09％、58.04％、57.30％；在培养的第49天，CK处理日矿化速率是不同施量污泥生物质炭处理的1.55、1.72、1.41倍；

表1

不同处理在49天内的土壤有机碳累积矿化量差异显著(附图3)； 4种处理最大土壤累积矿化量为CK处理，为645.50mg/kg；生物炭处理相CK处理，显著降低了累积矿化量，分别减少了57.90％、37.83％、 30.36％；不同施量污泥生物质炭之间，累积矿化量存在显著差异，具体表现为：B60>B40>B20，污泥生物质炭施量越高，累积矿化量越大。

土壤有机碳矿化拟合：运用一级动力学方程对4种处理土壤有机碳累积矿化量与培养天数进行拟合，相关系数均达到了极显著相关水平(R2>0.95)(表2)，表明一级动力学方程可以很好的描述不同处理土壤有机碳累积矿化量的动态变化特征根据动力学方程的模拟结果显示，不同处理土壤潜在矿化碳库(Cp)存在一定差异，变化范围0.26～0.66g/kg，污泥生物质炭处理显著低于CK处理，B40和B60 处理Cp值较CK处理降低了37.88％、27.27％；土壤有机碳k值表示有机碳矿化速率常数，其变化范围0.86～1.34×10-2/d，B40与B60 处理相比CK处理，显著降低了k值，分别降低了27.12％、15.25％；方差分析表明，污泥生物质炭处理显著降低了Cp/SOC值，相比CK处理，B20、B40、B60分别降低了1.82、0.85、0.67倍。

表2

有机碳矿化动态的影响因子：运用BRT模型分析不同土壤因子对各土壤矿化参数相对影响，训练数据的相关性均大于0.91，验证数据相关性均大于0.86，二者ROC值均大于0.8，表明BRT分析结果可靠；各土壤矿化参数的主控因子存在差异的分析结果如图6-3所示，分别选取影响最大的两个因子进行说明；对土壤有机碳累积矿化量、矿化潜力、Cp/SOC影响最大的因子均为全氮和水溶性有机碳，其中对土壤有机碳累积矿化量的相对贡献率分别为为46.7％、17.4％，对矿化潜力的相对贡献率为34.5％、22.8％，对Cp/SOC的相对贡献率为 23.7％、23.3％；对矿化速率常数影响最大的因子为pH和碱解氮，相对贡献率分别为71.2％、8.7％；土壤铵态氮、硝态氮动态变化：从附图4可知，土壤添加不同量污泥生物质炭后各处理土壤铵态氮含量随培养时间变化的趋势与CK处理相一致，且无显著差异；土壤铵态氮在培养前期呈降低趋势，14天时降至较低水平，各处理减少 95.08％～98.01％，培养中后期趋于稳定，并维持较低水平。

从附图5可知，土壤添加不同施量污泥生物质炭后各处理土壤硝态氮含量随培养时间变化的趋势与CK处理相一致，培养初期各处理土壤硝态氮含量迅速降低，第3天各处理分别降低了42.33％、44.02％、 43.22％、43.25％；培养第3天至第14天，各处理硝态氮保持稳定，第14天之后，土壤硝态氮含量呈增长趋势，培养第49天，各处理土壤硝态氮含量分别为24.10、28.18、29.17、29.77mg/kg，污泥生物质炭处理显著高于CK处理，分别提高了16.91％、21.01％；23.51％。

土壤有机氮矿化速率动态变化：由附图6可知，各处理土壤有机氮矿化速率动态变化趋势相近，第1天与第3天，污泥生物质炭处理土壤有机氮矿化速率保持稳定，第3天至第7天呈增大趋势，但均为负值，表明土壤中无机氮含量逐渐减少；第7天至第21天，各处理土壤氮矿化速率缓慢增加，在第21天后，各处理土壤氮矿化速率基本为正值，表明土壤无机氮含量逐渐增加；污泥生物质炭处理与CK 处理土壤有机氮矿化速率无显著差异。

土壤硝化速率动态变化：由附图1可知，各处理土壤硝化速率动态变化趋势相近，培养初期各处理硝化速率变化较大，整体表现为先减小后迅速增大，第3天各处理矿化速率降至最小值，分别为-4.02、 -5.82、-5.77、-5.71mg/kg/d；第7天至培养结束，各处理土壤硝化速率基本为正值，土壤硝态氮含量逐渐增加；污泥生物质炭处理与 CK处理土壤硝化速率无显著差异。

土壤有机碳矿化是一个复杂过程，由土壤类型、颗粒组成、营养水平、有机碳分子结构稳定性等因子综合作用的结果[238]。土壤呼吸试验中4个处理土壤有机碳矿化速率随着培养时间延长而降低，培养初期土壤中含有较多易被土壤微生物利用的易氧化有机碳，这部分有机碳组分随培养时间延长消耗完后，剩余的有机碳多为难分解的纤维素、木质素等，导致土壤微生物的营养源减少，土壤微生物活性减弱，矿化速率降低并最终趋于稳定[41]。前人研究表明，施用无机肥后土壤中高耗能微生物占据优势，促进土壤碳的矿化强度，这一过程无外源有机质的投入，会消耗分解土壤固有有机碳，减少土壤有机碳含量，不利于土壤有机碳累积[240]。污泥生物质炭处理显著降低了土壤矿化速率，这是由于施用污泥生物质炭促进了土壤团聚体形成，有利于土壤中的矿物颗粒与有机质胶结成更紧实的结构，阻碍了水分、空气及微生物进入团聚体内部，从而降低了团聚体内部有机碳的矿化分解，对团聚体内部物质起到物理保护作用[239]，减少了有机碳矿化消耗。污泥生物质炭具有植物生长所需的各类营养元素，含碳量丰富，施入土壤可作为植物及微生物的营养源，促进作物生长，根系分泌物增加，提高土壤中活性有机碳含量，土壤呼吸强度增强，但并未减少土壤固有有机碳含量，因此，施用污泥生物质炭有利于土壤有机碳的累积。豫东平原黄泛区风沙土整体土壤有机碳矿化率在 2.7～6.76％之间，高于其他研究中的有机矿化率(1.53～1.71％)[241]，试验区特殊的气候导致风水侵蚀危害强烈，区域存在严重的土壤风沙化问题，风沙土有机碳矿化迅速，矿化率高。污泥生物质炭良好的孔隙结构，能将土壤中的活性有机物质吸附到其空隙结构中，有效隔离有机物质与土壤微生物接触，阻断其被微生物分解产生CO2，这种吸附保护、包封作用在一定程度上保护或减弱了土壤有机碳的矿化作用效果，减小土壤有机碳矿化潜力[242]。施用污泥生物质炭提高了土壤有机碳中芳香碳的比例，芳香类有机碳稳定性极强，能够抑制有机碳发生的氧化作用，增强土壤固碳能力。

土壤氮素主要以铵态氮和硝态氮的矿质态氮形式存在于土壤中，是植物生长发育的必须营养元素之一，对于维持调节生态系统群落结构和功能多样性具有重要意义[243]。氮素矿化是指土壤中难以被植物直接利用的有机态氮在微生物作用下转化为可直接利用的无机态氮的过程，主要包括氨化和硝化两部分[244]。本研究培养试验前期，土壤有机氮矿化作用弱，微生物对无机氮的生物固定及部分氮素通过反硝化作用以气体形式挥发等原因，导致土壤铵态氮和硝态氮含量逐渐降低。培养中后期，土壤硝化作用增强，逐渐占主导地位，土壤硝态氮含量增加。生物质炭作为新型土壤改良剂，添加至土壤中直接或间接影响参与土壤氮素周转反应的硝化菌、反硝化菌、固氮菌活性及数量，进而影响土壤氮素循环。Niocl等[245]研究发现生物质炭可提高土壤硝化速率，并吸附土壤中抑制氨氧化作用的化学物质，如苯酚、萜烯等，改善土壤适于氨氧化细菌生长发育，提高种群丰富度，进而促进土壤氨氧化作用。但也有其他研究认为生物质炭添加至土壤中会释放硝化抑制剂α松萜，导致生物质炭处理土壤硝化速率低于未添加生物质炭的处理[246]。

本研究中，添加污泥生物质炭对土壤有机氮矿化和硝化作用均无显著影响，这与前人研究结果不一致[233]。袁瑞娜等[233]选用苹果木生物质炭，其C/N高达159.02，是土壤C/N的17.6倍，添加至土壤中降低了无机氮释放高峰后的有机氮矿化速率。王晓辉等[247]在退化土壤添加生物质炭，发现土壤氨氧化古菌与氨氧化细菌及nirK 基因型反硝化细菌数量、群落结构均发生改变，土壤硝化潜势增加。生物质炭对土壤氮循环影响是一个复杂过程，目前对其作用是促进、抑制还是无影响，尚未取得一致结果[243]。生物质炭对土壤氮循环的作用机制主要为以下3个方面，第一，生物质炭良好的孔隙结构及强吸附性可对土壤氮素产生直接固持作用，减少氮素流失[248]；第二，生物质炭自身携带大量营养元素，影响参与氮素物质循环的功能微生物的群落结构，促进/抑制土壤的生物固氮能力[249]；第三，生物质炭施入土壤后，对土壤物理化学性质产生很多有益作用，为硝化菌、固氮菌等好氧微生物提供良好的生长繁殖环境，从而促进土壤氮素循环反应[250]。土壤氮素矿化速度过快会造成土壤有效氮含量超过植物吸收利用的能力，易引起淋洗损失，本研究中添加污泥生物质炭增加土壤硝态氮含量，且未提高土壤有机氮矿化速率，有利于长期持久地为植物生长提供生长所需氮素。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。