改性竹炭减少稻田氨挥发损失效果与机制
1.前言
水稻（Oryza sativa L.）是世界主要粮食作物之一。为供给水稻生长必须的营养元素，在稻田里施用氮肥是必要的，随着人口的增多，为解决人多地少的矛盾，增施化肥已经成为粮食增产的重要手段，但氮肥大量施用会造成一系列的环境问题。研究表明，氨挥发损失是稻田氮素损失的主要途径[1]，不仅降低了氮素利用率，还通过促进PM 2.5形成和大气氮沉降造成严重的环境问题[2]近年来,生物炭被广泛应用于农业生产中，而我国竹子种植面积有500万hm2, 约占国家森林面积的4%[3];同时竹子具有生长周期短、成材快、易更新等特点, 因此开发和利用竹炭资源具有重大的经济意义。竹炭由多孔介质材料竹材热解而成，具有较高的孔隙度, 丰富的孔隙分布特征和较高比表面积, 其表面存在羧基、以内酯形态存在的羧基、酚羟基等含氧官能团和少量含硫、氢、氯等其他元素的表面官能团，特殊的表面物理结构和化学结构特性赋予其较大吸附能力，而改性竹炭相对于竹炭，其表面酸性含氧官能团量、比表面积、孔比容积都明显增大，具有更高的吸附能力[4]。研究表明，改性竹炭施入土壤后可以有效吸附多种离子,尤其是对土壤NH4 有较强的吸附作用，通过对土壤NH4 的吸附来加强对土壤氮素的固持,由此起到减少NH3挥发损失的效果[5]。考虑到当今环境问题的严峻性和改性竹炭等生物炭能否降低稻田氨挥发损失的争议性，兼之水稻作为主要粮食作物的社会重要性，探明改性竹炭配施氮肥对稻田氨挥发损失的影响效果极其作用机制，对于水稻可持续生产、环境保护、社会经济及人民福祉都具有重要的意义。
- 研究现状
2.1国外研究现状
Krupa S V[6]在2003年得出这样的结论：氮肥施入到农田后，仅一部分被作物吸收利用，另一部分则通过径流损失，或通过氨挥发以及由硝化、反硝化作用产生N20、NO和N2等气体流入大气，说明农田存在氮素损失，且氨挥发损失是农田氮素损失的主要途径之一。Mandal等[7]将家禽粪便和果壳生物炭施加到麦地中,发现生物炭不但让氨挥发损失减少70%,而且具有明显增产和提高氮肥利用率效果，使小麦干重和氮素吸收分别提高了24.2%和76.1%，证实了生物炭作为一种外源添加物，因其独特的性能，施入土壤后必定会改变土壤的物理化学特性，从而直接或间接地改变土壤氮素循环的观点。Chen CR[8]等同样研究表明，生物炭存在于土壤中不仅可以吸附NH3，还可以增强土壤固氮能力，提高土壤硝化速率，对降低土壤氨排放有显著影响。对于生物炭减少氨挥发的作用机理，Spokas KA[9]等认为生物炭施入土壤后，可以有效吸附多种离子，尤其是对土壤NH4 有较强的吸附作用。通过对土壤 NH4 的吸附，生物炭可以加强对土壤氮素的固持，起到“深施”的效果。Ghaffar 等[10]通过 Boehm 滴定分析法得出，老化生物炭表面酸性官能团(以－COOH和－OH为主) 数目剧增，且对 NH4 的吸附能力约是新鲜生物炭的3～5倍。Huff等[11]发现，松木生物炭老化后可显著增加对土壤 NH4 的吸附固持能力，其原因主要是老化松木炭的CEC和含氧官能团数量有所增加。Nguyen 等[12]对生物炭热解温度的研究发现，高温热解生物炭对NH4 的吸附能力大于低温热解生物炭。这与其表面含有较多的酸性官能团数量有关。Hale等[13]研究发现，500 ℃热解制备的竹炭对 NH3有较好的吸附能力，仅需3 h NH3浓度可较低95%。Asada 等[14]通过电子自旋共振光谱试验证实，降低酸性官能团数量后，生物炭吸附 NH3的能力也随之降低。
2.2国内研究现状
张福锁等[15]2001~2005年全国开展田间试验，结果表明, 水稻氮肥利用率为28.3%。与张福锁等的结果相近，闫湘等[16]2002~2005年的调查结果显示，我国水稻的氮肥利用率仅有27.3%，同时存在过量施用的问题。吴建富等[17]在2003年指出,早在1985~1996年期间, 氮素损失达1980亿元。同时大量使用氮肥所带来的环境污染问题也不容忽视，例如水体富营养化, 农田氮素逸出对大气层特别是臭氧层的影响等。杨青林等[18]也指出我国氮肥利用率低，通过挥发、淋溶和径流等途径损失数量大，会带来土壤肥力下降、农作物品质降低、环境污染严重等后果。Chen等[19]通过研究不同类型生物炭对层状堆肥中氨的减缓作用发现,5种生物炭处理下层状堆肥中氨排放量均显著降低。刘玮晶等[20]研究生物炭对黄棕壤氮素滞留效应的影响,发现向土壤中添加1%、3%和5%生物炭后,土壤铵态氮淋溶量分别减少了21.8%、36.4%和46.7%,氮素滞留量分别增加了15.2%、5.2%和14.1%。这表明生物炭能够提高黄棕壤对氮素的固持能力,从而减少土壤氨排放,提高氮肥利用率。斯林林[21]研究发现生物炭的应用不仅有利于农业废弃物的资源化利用,而且在改善土壤肥力、增加作物产量及修复环境等方面也发挥着重要作用，在多方面肯定了生物炭的价值。但一些研究表明，生物炭对土壤氨挥发起到促进作用。Feng等[22]将小麦秸秆炭添加至水稻土中，发现添加0.5%和3%的生物炭后稻田氨挥发量分别为23.3和31.9kg N·hm－2，与对照( 18.7 kg N·hm－2 )相比，增加幅度分别为24.8%和70.9%。赵进等[23]通过长达5年的小麦/谷子轮作盆栽试验，发现施加生物炭22.5 t·hm－2可显著增加土壤氨累积挥发量，10季作物氨挥发总量增加约102%，认为主要是施加生物炭显著提高了土壤pH值及增加土壤通透性所致。董玉兵等[24]研究了追施新生物炭对麦季氨挥发的影响，发现氨排放量显著增加16.8%～47.7%，其原因是施生物炭增加了土壤呼吸，加速了气体交换。Wang 等[25]发现，在酸性土壤中添加生物炭会抑制土壤硝化作用，降低 NH4 转化率，从而使NH4 在土壤中呈现高浓度，最终促进土壤氨排放。国内对于生物炭作用机制做了一些研究，其中有一些是关于竹炭减少氨挥发机制的，张爱莉等[26]通过静态实验研究了竹炭对氨氮的吸附性能和影响因素，证实竹炭对氨氮有良好吸附效果，吸附性能与温度，投加量，pH等因素有关。周珊等[5]这样解释改性竹炭吸附氨氮的机理：竹炭表面化学性质和表面结构特性决定了竹炭对NH4 的吸附能力,竹炭经硝酸改性而成了改性竹炭,在这一过程中硝酸使得孔隙部分表面被烧掉, 结构变得不完整, 从而使竹炭表面结构产生缺陷导致表面活性增加, 吸附能力增强。同时，硝酸氧化提高了竹炭表面酸性氧化物含量, 炭的酸性表面基团量越大, 其亲水性越强、阳离子交换性能越强, 对氨氮的吸附能力越强。经过改性，竹炭表面酚羟基含量明显提高, 羧羟基含量有所减少, 表面酸性含氧官能团量、比表面积和孔比容积明显增大, 其对于氨氮的最高吸附去除率由20.1%提高至82.2%。同张爱莉等的研究结果一致，周珊等同样指出投加量、吸附时间、吸附温度和pH等因素都会对竹炭吸附能力有明显影响。
- 总结
当今，氮肥使用量大，稻田氮素损失情况仍然很严重，其中氨挥发损失占很大一部分，严重影响经济和生态环境。目前大部分研究主要集中在施用生物炭的效果上,但已有研究表明生物炭具有增加氨挥发损失的风险。于是尽快开发既能获得高产又能最大限度地提高肥料利用率并减轻对环境压力的肥料利用新技术具有极其重要的意义。改性竹炭既保留竹炭对NH4 –N/NH3的吸附功能，且其低pH值的特点会避免增加NH3挥发，从而实现减少高施氮稻田土壤氮素氨挥发损失的效果。当前，国内外对改性竹炭的研究较少，且仅有对改性竹炭吸附机制或是去除水中氮磷的研究，尚未有改性竹炭对农田氨挥发的针对性研究，因此研究本课题有一定意义，为生物炭资源环境友好地应用于稻田土壤提供理论依据。
4.参考文献
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