水热炭减少稻田氨挥发损失的效果与机制

作为生物质水热碳化的产物,水热炭因其丰富的孔隙结构和官能团等良好的表面特性,在稻田氨(NH_3)挥发减排方面有着良好的应用前景.本研究将水热炭作为一种土壤调理剂施加到稻田土壤中,通过水稻全生育期土柱试验,考察其对稻田氨挥发的影响.试验通过设置3个处理:CKU(不施加水热炭对照)、SHC(锯末水热炭)和W-SHC(水洗锯末水热炭),研究了不同水热炭对田面水pH、田面水NH_4~+-N浓度、氨挥发排放通量和累积量及单位产量氨挥发排放累积量的影响.其中水热炭和水洗水热炭施加量为0. 5%(质量分数).结果表明,SHC处理显著降低了NH_3挥发累积排放量和单位产量NH_3挥发累积排放量(P 0. 05),相比CKU分别减少了32. 42%和47. 61%. W-SHC处理氨挥发减排效果稍弱,NH_3挥发累积排放量和单位产量NH_3挥发累积排放量相比CKU分别减少了10. 14%和27. 71%.氨挥发减排可能与水热炭的施用导致的田面水pH变化和NH_4~+-N浓度的降低有关.与CKU相比,SHC和W-SHC处理均降低了田面水pH和NH_4~+-N浓度,且在水稻基肥期(BF)和蘖肥期(SF1)影响较明显.土壤脲酶活性受到水热炭施加的显著抑制(P 0. 05),同时土壤氨氧化基因(AOA和AOB)丰度也显著增加(P 0. 05),导致土壤氨氧化作用增强,这对于田面水NH_4~+-N浓度有削减作用.本研究将为实现稻田氨挥发减排背景下的水热炭农业环境应用提供理论和数据支持.     

两种土壤增效剂对稻田氨挥发排放的影响

硝化抑制剂和生物炭是农田土壤管理常用的土壤增效剂.其中,硝化抑制剂可以增加作物产量提高氮素利用率,而生物炭是生物质资源利用的一种新方式,且具有一定的吸附特性.以减少稻田氨挥发带来的氮素损失及环境污染问题为目的,在原状土柱模拟试验条件下,以单施化肥处理(CN)为对照,研究了生物炭(B)添加、硝化抑制剂(CP)添加及复合添加处理(BCP)对田面水p H、田面水铵态氮浓度、水稻产量及氨挥发损失的影响.结果表明,两种增效剂施用对水稻产量无显著影响,硝化抑制剂添加有增加水稻产量的趋势.两种土壤增效剂添加均显著增加了稻田氨挥发损失,损失量占施氮量的25%～35%.其中,肥期(施肥后7 d内)氨挥发损失占总损失的86%～91%,是氨挥发损失的主要时期.与CN处理相比,CP处理明显提高了田面水NH_4~+-N浓度和氨挥发损失,基肥期、穗肥期和非肥期增加效应明显,氨挥发增幅分别为138%、48%和78%,全生育期氨挥发总损失量增加59%.生物炭添加对稻田氨挥发损失也有明显的促进效应,且具有阶段性特征,前期(基肥期和蘖肥期)的增加效应高于后期(穗肥期和穗肥后),田面水NH_4~+-N浓度和p H也表现出相同的趋势.两者配施添加处理显现出了正交互作用,氨挥发损失量大于单施处理,与化肥处理差异显著.结果说明,生物炭添加不能解决硝化抑制剂添加引起的铵态氮浓度升高和氨挥发损失增加的问题,对于硝化抑制剂添加引起的氨挥发损失增加的问题需要继续研究.     

生活污水灌溉对麦秸还田稻田氨挥发排放的影响

以养分回用为目的,在原状土柱模拟试验条件下,采用间歇密闭式抽气法研究了生活污水灌溉对麦秸还田稻田田面水铵态氮浓度、田面水pH以及稻田氨挥发损失的影响.结果表明:1麦秸还田显著增加了田面水NH_4~+-N浓度,生活污水灌溉则显著降低了田面水NH_4~+-N浓度.2正常灌溉施肥秸秆不还田稻田处理的总氨挥发量为58.29 kg·hm-2,占总施氮量的24.29%;麦秸还田显著增加了稻田的氨挥发损失,氨挥发损失量增加了近一倍,达总施氮量的45.66%;而生活污水灌溉显著降低了稻田氨挥发损失量,氨挥发损失量降至总施肥量的17.26%(秸秆不还田)和32.72%(秸秆还田).秸秆还田与生活污水处理具有显著的正交互作用.在3个肥期中,分蘖肥期氨挥发损失率最高,占总氮肥用量的7.38%~24.44%.3无论秸秆还田与否,氨挥发通量与田面水NH_4~+-N浓度之间均存在极显著的正相关关系,与田面水pH值则相关性不显著.麦秸还田增加了稻田氨挥发损失,而麦秸还田与生活污水灌溉耦合能降低稻田氨挥发损失,同时污水中的氮可替代44.41%的化肥氮,减少稻季化肥用量,具有显著的生态环境效益.     

缓控释肥侧深施对稻田氨挥发排放的控制效果

以减少氨挥发损失为目的,以无机化肥分次施用为对照,选用树脂包膜尿素(RCU)、硫包衣尿素(SCU)和掺混控释肥(RBB)3种不同类型缓控释肥料,采用一次性施肥(B)和一基一穗(BF)2种施肥方式,研究了插秧施肥一体化条件下不同类型缓控释肥侧深施及施用方式对稻田田面水氮浓度及氨挥发损失的影响.结果表明,除SCU处理基肥期田面水总氮和铵态氮质量浓度均高于常规分次施肥处理CN,RCU和RBB处理均低于CN处理.不同缓控释肥料稻田氨挥发损失差异较大,损失量占施肥量的3.84%~28.17%.与CN处理相比,不同类型缓控释肥料均有减少稻田氨挥发损失的效应,处理间氨挥发损失量表现为:CN、B-SCUBF-SCU、BF-RBB、BF-RCU、B-RBB、B-RCU.一次性基施下,B-SCU处理的氨挥发总量显著高于B-RCU和B-RBB处理,一基一穗下3种处理间氨挥发总量差异不显著.不同肥料在2种施肥方式下氨挥发损失量差异不显著,但表现不一致.BF-SCU处理的氨挥发损失量低于B-SCU处理,BF-RCU和BF-RBB处理的氨挥发损失量分别高于B-RCU和B-RBB处理.阶段氨挥发损失来看,施用SCU处理的基肥-蘖肥(7.54%)和蘖肥-穗肥阶段(16.04%)的损失较高,RBB处理的基肥-蘖肥阶段氨挥发损失(2.91%)明显增加,而RCU处理的穗肥后阶段(2.75%)是氨挥发损失的集中时期.追施穗肥尿素增加了穗肥后阶段的氨挥发排放损失,穗肥后阶段氨挥发量与田面水铵态氮质量浓度在不同类型肥料间无明显相关关系.     

增氧对不同秸秆还田稻田田面水养分动态及温室气体排放的影响

秸秆还田对于改善土壤结构、培肥土壤和提高农作物产量与品质有着重要意义,但秸秆还田会增加甲烷排放和面源污染物排放等环境风险,如何减少秸秆还田带来的负面效应是亟需解决的难题.系统比较了增氧对不同碳氮比秸秆还田稻田水稻生长期内田面水碳氮含量和温室气体排放的影响.结果表明,不同秸秆还田均明显增加了稻田田面水中化学需氧量(COD),虽略微降低了N₂O排放,但显著促进了稻田甲烷的排放和全球增温潜势,大小表现为：麦秸还田>油菜秸秆>蚕豆秸秆还田;秸秆还田处理提高了水稻产量,但统计未达显著水平.增氧处理不显著影响水稻产量,使秸秆还田后田面水COD降低15%～32%,稻田甲烷排放显著降低10.4%～24.8%,稻田GWP显著降低9.7%～24.4%,其中麦秸还田处理下增氧效果最佳.结果发现增氧措施在秸秆还田稻田尤其是麦秸还田稻田温室气体减排与降低COD排放风险中的潜在作用及其应用可能性.     

麦秸全量还田下太湖地区两种典型水稻土稻季氨挥发特性比较

利用原状土柱在田间试验条件下,比较了麦秸还田下乌栅土和黄泥土稻季氮素氨挥发损失规律,每种试验土壤均设对照、氮肥、氮肥加麦秆这3个处理,同步测定施肥后氨挥发、田面水铵态氮浓度与pH、以及表层土壤Eh.结果表明,乌栅土氨挥发速率及其累积氨挥发量显著高于黄泥土,两种土壤的稻季平均氨挥发的氮素损失量分别为41.8 kg·hm-2和11.2kg·hm-2,分别占氮肥用量的15.2%和3.8%;在3个施肥时期中,分蘖肥期氨挥发损失率最高,乌栅土和黄泥土分别占氮肥用量的29.4%和8.3%;麦秸还田显著增加了氮肥的氨挥发损失,麦秸还田下乌栅土和黄泥土稻季氨挥发损失比单施氮肥处理分别增加了19.8%和20.6%.两种土壤氨挥发速率均与田面水NH4+-N浓度、pH呈正相关关系,但与表层土壤Eh的关系还需进一步研究.     

废弃物基水热炭改良对水稻产量及氮素吸收的影响

生物炭农田回用是实现农林废弃物资源化利用和碳封存的有效手段.近年来,水热碳化技术由于在炭产率、能耗及生产过程中的烟气排放等方面显著优于常规热解碳化技术而受到关注.为实现农林废弃物的资源化利用,明确水热炭农田应用对作物生产力的影响,本研究通过原状土柱模拟试验和表征分析,研究了4种不同类型改良水热炭对两种典型土壤的水稻产量和氮素吸收的影响及可能的驱动因素.结果表明,锯末水热炭和秸秆水热炭经物理或生物改良后,在两种类型土壤上均能够增加水稻产量和氮素吸收,减少氮素损失,且其效应不受水热炭添加量影响（5‰,15‰;质量分数）.与对照相比,水热炭添加处理的产量和氮素吸收量分别提高9.2%~20.7%和7.7%~17.0%.高C/N比的锯末水热炭更有利于高肥力土壤水稻氮素吸收量的增加;而低肥力土壤由于限制性因子较多,受水热炭类型的影响较小.通过对水热炭的表征分析发现,其表面养分元素丰富;水洗或生物改良后其表面孔隙结构有较大改善,C元素相对含量明显降低,N和O元素相对含量明显增加,这对养分的固持/供应可能产生影响.因此,水热炭改良后孔隙结构的改变和N、O元素含量的增加可能是其施用后水稻产量和氮素吸收增加的关键驱动因素.结果说明,水热碳化材料改良后应用农田可以在实现农林废弃物资源化利用的同时,提高作物生产力,减少农田氮素环境损失.     

生物炭对盐碱土壤氨挥发的影响

为探明生物炭对黄河三角洲盐碱土壤氨(NH_3)挥发的影响,通过室内连续培养的方式,先测定改良的通气法对土壤NH_3挥发的回收率,再对比施加肥料颗粒与肥料水溶液对土壤NH_3挥发的影响,最后探究生物炭的种类、添加量及施肥种类对NH_3挥发速率和总量的影响.结果表明,以硫酸铵为氮源进行的NH_3挥发捕集实验,NH_3回收率平均值高达100. 30%.在相同施氮量下,施加尿素水溶液的处理比施加尿素颗粒的处理NH_3挥发减少了60. 29%,施加硫酸铵水溶液的处理比施加硫酸铵颗粒的处理NH_3挥发减少了61. 40%.相较于不添加生物炭只施用硫酸铵水溶液的空白处理,添加0. 5%生物炭且施加生物炭种类为水稻300℃(RB-300)、水稻600℃(RB-600)、棉花300℃(CB-300)和棉花600℃(CB-600)的处理,NH_3挥发总量分别减少了18. 68%、16. 16%、9. 35%和8. 26%,且施肥后2d内NH_3挥发速率最大,占总挥发量的53. 80%～64. 02%.添加生物炭后,NH_3挥发量随生物炭添加量的增加呈现出先降低后增加的趋势.因此,田间施肥前添加少量生物炭并结合水肥一体化管理技术,可以有效地减少NH_3挥发并提高氮肥利用率.     

水分条件对生物炭钝化水稻土铅镉复合污染的影响

采用培养试验,探究30% WHC、淹水和干湿交替等3种水分条件下,向Pb和Cd污染水稻土以1%添加量施入水稻秸秆生物炭后重金属的形态变化,为生物炭修复重金属复合污染稻田的水分管理提供科学依据.结果表明,添加生物炭后,淹水和干湿交替可显著提高土壤pH值、可溶性有机碳（DOC）和无定形氧化铁含量（Fe_o）.培养结束后,在添加生物炭的处理中,相较于30% WHC,淹水和干湿交替条件下TCLP提取态Pb含量分别下降31.87%和20.33%,TCLP提取态Cd含量分别下降25.29%和16.07%.淹水条件下弱酸提取态Pb和Cd下降幅度分别为24.78%和20.14%,且弱酸提取态Cd含量随时间逐渐降低.在3种水分条件下,Pb和Cd有效性降低顺序为：淹水 > 干湿交替 > 30% WHC.相关分析结果显示,土壤pH和无定形氧化铁含量均与有效态Pb和Cd呈显著负相关,表明淹水条件下添加生物炭可通过提高土壤pH和无定型氧化铁含量来有效钝化Pb和Cd,具有促进复合重金属污染酸性水稻土中重金属向稳定态转化的协同机制.     

氮肥减投条件下膜材料使用对稻田氨挥发排放的影响

氨挥发排放是稻田系统氮损失的主要途径.现有技术多以调控氮肥施用为削减氨挥发排放的技术手段;但由于氮肥投入基数较大且减投不能改变氨挥发途径氮损失比例,氮肥减投后的氨挥发排放仍是限制氮肥利用效率提升的瓶颈.对此,本研究选用满足环境友好和使用便捷的农业废弃物粉末和两性分子物质作为膜材料,配合氮肥施用在田面水表进行多次铺洒,研究膜材料对氨挥发排放过程及排放总量的影响,结合作物生长和氮去向探索膜材料对氨挥发排放的影响机制.连续2 a小区试验发现,膜材料使用可减少水稻种植期氨挥发排放总量的19%~31%,由此减少的氮损失或以矿质态氮形态贮存于土壤或提高了作物氮吸收量.施氮条件下,田面水铵态氮含量和pH以及膜材料使用是影响氨挥发排放的主控因子;氮肥减投后,膜材料使用可进一步削减氨挥发排放.基于不同膜材料对氨挥发排放影响机制差异,应用时,可根据实际生产需求对膜材料进行按需选择.     

减氮条件下不同施肥模式对稻田氮素淋溶流失的影响

稻田氮素淋溶流失是农田面源污染的主要流失途径之一.为探究洱海流域稻田合理的施肥模式,减少稻田氮素淋溶流失,通过田间小区试验,在减氮条件下设置单施化肥、单施有机肥、有机无机配施和单施缓控释肥处理,研究不同施肥模式对稻田氮素淋溶流失和水稻产量的影响.结果表明,与常规施肥处理（CF）相比,单施化肥处理（T1）和有机无机配施处理（T3）水稻籽粒和秸秆产量无显著差异;单施有机肥处理（T2）水稻籽粒产量降低13.0%,秸秆产量降低17.1%;单施缓控释肥处理（T4）水稻籽粒和秸秆产量分别增加15.7%和21.0%.与常规施肥处理（CF）相比,单施化肥处理（T1）、单施有机肥处理（T2）和有机无机配施处理（T3）土壤30 cm处总氮淋溶流失量分别降低了26.9%、18.0%和33.9%,铵态氮淋溶流失量分别降低了24.4%、36.9%和36.6%,硝态氮淋溶流失量分别降低了40.2%、4.8%和46.4%;土壤60 cm处总氮淋溶流失量分别降低了34.2%、26.3%和42.1%,铵态氮淋溶流失量分别降低了31.4%、35.7%和46.6%,硝态氮淋溶流失量分别降低了8.0%、10.1%和23.9%,单施缓控释肥处理（T4）在30和60 cm深度总氮流失量增加41.6%和14.0%.综合考虑不同施肥模式的农学效益和环境效益等因素,单施化肥处理T1和有机无机配施处理T3是可供选择的环境友好型施肥模式.     

运用Jayaweera-Mikkelsen模型对太湖地区水稻田稻季氨挥发的模拟

运用密闭气室通气法测定了太湖地区典型水稻田lysimeter实验中肥料施用后的稻季氨挥发动态变化和总损失量,并使用Jayaweera-Mikkelsen氨挥发模型验证了测定结果.田间测定结果表明,施用普通尿素和控释尿素后的氨挥发显著不同,在水稻生育期普通尿素的氨挥发损失达施入N量的29%～35%,不同施N水平间差异显著;而不同用量的控释尿素的氨挥发损失则相对一致,仅为施入N量的5%.模型高估了生育期的氨挥发总量,特别是在普通尿素高挥发时期造成了较大偏差.对尿素处理,模型预测值与实测值的比率为2.95～4.19;对控释尿素处理,预测值对实测值有正负偏差,比率为1.19～1.40.运用预测值与实测值的级数商评价了模型的实用性.通过灵敏度分析,对模型中的参数NH 4-N的浓度进行了修正,引入了限制条件.修正后的模型能够很好地满足对高挥发量的预测,模拟结果比率为1.12～1.28.实测田面水中的NH 4-N浓度不能代表模型中参与计算的实际浓度,可能原因是藻类活动对NH 4-N浓度和氨挥发过程产生的影响.     

Ammonia volatilization losses and balance from urea applied to rice on a paddy soil

Ammonia volatilization loss and 15N balance were studied in a rice field at three different stages after urea application in Taihu Lake area with a micrometeorological technique. Factors such as climate and the NH4+-N concentration in the field floodwater affecting ammonia loss were also investigated. Results show that the ammonia loss by volatilization accounted for 18.6%-38.7% of urea applied at different stages, the greatest loss took place when urea was applied at the tillering stage, the smallest at the ear bearing stage, and the intermediate loss at the basal stage. The greatest loss took place within 7 d following the fertilizer application. Ammonia volatilization losses at three fertilization stages were significantly correlated with the ammonium concentration in the field floodwater after the fertilizer was applied. 15N balance experiment indicated that the use efficiency of urea by rice plants ranged between 24.4% and 28.1%. At the early stage of rice growth, the fertilizer nitrogen use efficiency was rather low, only about 12%. The total amount of nitrogen lost from different fertilization stages in the rice field was 44.1%-54.4%, and the ammonia volatilization loss was 25.4%-33.3%. Reducing ammonia loss is an important treatment for improving N use efficiency.     

秸秆还田对水稻镉积累及其亚细胞分布的影响

镉(Cd)是人类一级致癌物,大米食用是以大米为主食人群摄入Cd的主要途径.秸秆还田是秸秆处理中主要方式,在Cd污染稻田被广泛应用,其对水稻Cd吸收及水稻体内Cd的分布产生的影响不可忽视.本研究选用Cd水稻土,通过盆栽和大田试验分析了不同的秸秆还田用量(0.0%、1.0%、2.5%和5.0%)对Cd的亚细胞分布以及在水稻籽粒中积累的影响.结果表明水稻根细胞中的Cd主要分布在细胞壁中,占总Cd的86%~95%,茎叶细胞的细胞壁与可溶部分中的Cd含量相当,分别占总Cd的30%~51%和35%~61%.秸秆按1%和2.5%比例还田能显著提高根中Cd含量,以及细胞壁中Cd含量及其分配比例,并降低水稻体内Cd由根向茎叶转运;但5%的秸秆还田,分蘖期根中Cd含量和细胞壁中Cd含量显著降低,Cd由根向茎叶转运系数提高,灌浆期的根中Cd含量和细胞壁中Cd含量均显著提高,转运系数没有显著变化.大田试验前茬的水稻秸秆和油菜秸秆中Cd含量均较高,分别是0.49 mg·kg~(-1)和0.67 mg·kg~(-1);油菜秸秆单独还田或与石灰一起还田均没有显著影响水稻糙米或秸秆中Cd的积累;水稻秸秆单独还田也没有显著改变水稻糙米或秸秆中Cd的积累,但与石灰一起还田时能显著降低糙米和秸秆中的Cd积累;生物炭添加能显著降低水稻体内的Cd积累,且与石灰一起添加降Cd效果更显著.因此,当用Cd污染稻田前茬所产水稻秸秆还田时,建议与石灰一起添加可达到显著降Cd的效果.该研究将为Cd污染稻田的水稻安全生产与秸秆循环利用提供理论与实践指导.