生物炭和粪便当肥料有区别吗？对比两者对土壤固碳和土质的影响

文|婉如

编辑|婉如

前言

家禽排泄物（PL）已被证明可以为土壤提供宏量和微量营养素，可以减少对合成肥料的需求并提高土壤肥力和作物生产力。

PL具有提高土壤有机质含量的潜力，同时改善土壤健康，然而，炎热潮湿的有机资源的快速分解导致碳损失，导致环境污染需要解决，污染使PL对改善土壤健康的效果降低。

由于土壤有机质被认为是土壤结构的关键指标，因此需要创新的技术和实践来保存和保护有机质免受分解。

生物炭的应用领域及效果

生物炭在农业中的应用变得普遍，首先生物炭是一种有机富C副产物，其特点是稳定的芳香族有机物，高表面积和可变官能团，生物炭的这些特性，使其具有高度抗微生物降解的能力，并且不容易被土壤微生物矿化。

除了是高度稳定的C池外，生物炭还可以通过吸附和物理保护机制，在稳定新添加的粪便的C方面发挥作用。由于其孔隙结构，土壤C可以在生物炭的表面或孔隙中吸附或吸收，从而防止C分解。

施用生物炭后，许多土壤特性包括土壤容重，持水能力，土壤有机C和N的储存，导水性和土壤聚集性增加。然而，生物炭与PL和无机肥对土壤固碳和健康的综合作用，仍然不足以解决实际的问题。

褐煤的特质以及使用效果

褐煤是一种富含碳的产品，对微生物降解具有很强的抵抗力，并在土壤中保留数年。

褐煤在C，H，N和O比例方面具有与生物炭相似的化学成分，由于其高CEC或NH的直接作用，在牛饲养场中添加褐煤会降低NH3挥发。

然而，褐煤在农业领域的应用有限，褐煤与有机和无机肥，对固碳和土壤健康的综合作用并不理想，由于生物炭和褐煤的高稳定性和阳离子交换能力，它们有助于C封存和土壤质量改善。

生物炭和褐煤与粪肥和无机肥对土壤健康的联合施用，没有得到足够的研究关注，特别是在东南部农业生态系统中，不同的有机改良剂之间可能存在协同增效作用。

因此，共同应用可能是最大限度地提供一系列生态系统服务的最佳选择，迄今为止，生物炭和褐煤与PL和无机肥料的结合是否会影响土壤特性，这在很大程度上是未知的。

双端的试验效果以及数据对比

在农林实验站植物科学中心，对粉质粘壤土土壤进行了为期四年的田间试验，以评估家禽垫料与生物炭和褐煤共同施用对土壤物理、化学和生物特性的影响。

实验场属亚热带湿润气候，年平均气温为18°C，11月平均气温为25°C，1425月平均气温为900°C。年平均降水量约为2019毫米，2017月至20月期间降雨量超过0毫米。

Leeper 系列由深的、排水不良的土壤组成，这些土壤在阿拉巴马州、密西西比州和阿肯色州黑地草原的洪泛平原上形成粘土冲积层。

实验使用直径为5.2厘米的土壤探针在0 - 1 cm深度随机采集1个土壤岩心，充分混合并从实验区采集一个复合样品，将样品风干，研磨以通过小规模的毫米的网格并进行分析。

用Mehlich 3提取后，评估土壤P，K，Ca，Mg，Cu，Zn和Mn。然后使用电感耦合等离子体-光学发射光谱，改性醋酸铵强制置换法用于CEC分析。

实验设计是具有三个重复的随机完全块，处理包括以完全随机设计组织的3×3全因子排列的改良剂和施肥类型。

平均化学性质值

家禽凋落物施用量为6.7 Mg·ha−1每年，即在施用的第一年，总氮的55%可用于植物吸收。生物炭和褐煤仅在2017年实验开始时以13.4 Mg·h的速率施用，施用无机氮肥134 kg·ha−1每年在研究开始时，根据密西西比州土壤测试实验室应用。

在收获棉花后，在不破坏现有土地的情况下对土地进行改造，春季，手工施用有机改良剂（生物炭，褐煤和家禽垃圾），使用工具将材料混合到土壤表面，同时确保种植床光滑以进行种植。

实际效果对比

家禽垃圾来自当地的肉鸡养殖场，生物炭由混合硬木原料生产，并从大学化学系获得。

褐煤是从煤炭公司收购的，在应用时，收集家禽垃圾，生物炭和褐煤样品并测量初始水分含量，然后将样品风干，研磨并分析化学特性。

用去离子水测量这些有机改良剂的pH值，使用干燃烧的Vario Max Cube元素CNS分析仪测定家禽垫料，生物炭和褐煤中的总氮和碳，这些土壤改良剂的总P，K，Ca，Mg含量，是通过根据概述的程序对1.0-g样品进行干灰来估计的，并使用ICP测量。PL、生物炭和褐煤的化学特性如表所示。

PL、生物炭和褐煤的化学特性

壤微生物活性

对各样地的复合土壤样品进行重量法含水量、酶活性和定量聚合酶链反应测定。

使用每个土壤样品的10 g等分试样处理土壤样品的水分含量，该样品在104°C烘箱下干燥24小时，并重新称重以评估土壤水分含量。

简而言之，将土壤核心均质化，并将1.0g等分试样（湿重）悬浮在120ml无菌dH中2O.悬浮液通过胃器均质化，并转移到带有搅拌棒的烧杯中。

将土壤悬浮液以30RPM置于水平振动筛上140分钟，分别在5.5和6.0的pH下对β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸单酯酶和芳基硫酸酯酶进行酶法测定。

将所有板在37°C下孵育1小时，所有样品均以四倍进行，从计算中删除在2个标准偏差之外测量的荧光，测量值为甲基伞形酮（MUF）pmol·g−1。

在qPCR之前，DNA被连续稀释以避免PCR抑制化合物，The16S rRNA，ureC和phoA都是根据戴克等人测量的，使用引物和条件评估土壤真菌18S rRNA。

所有定量聚合酶链反应测定均在应用生物系统Step实时PCR系统，ABI混合物（应用生物系统）与包括测定阳性，阴性和抑制性对照在内的对照一起使用。

从环境，对照库存细菌或真菌分离物生成标准曲线，所有样品结果均以每干克土壤的绝对基因组单位，此外，通过将同一图中的16S rRNA值除以来归一化单个图值。

数据分析

模型中的固定效应，为肥料处理（不添加、添加肥料和添加家禽凋落物）、土壤改良处理（三个级别：不添加、添加生物炭和添加褐煤）、测量深度（两个水平）、双向交互作用和三向交互作用。

确保满足残差的正态性和均匀性假设，对每个主效应和交互作用项进行总体F检验，使用Kenward方法估计分母自由度，计算每个处理组合在土壤深度上平均的边际最小二乘平均值，对于每个处理平均值，对于每个土壤深度平均值的每个处理组合，计算平均值。

在每种情况下，使用Sidak平差对处理和/或土壤深度的均值进行比较，以进行多重比较，以调整临界p值和置信区间。

在此调整之后，p < 0.05 的均值对被认为存在明显差异，对于2017-2020年每年测量但不在多个深度测量的两个响应变量，使用与上述相同的程序拟合单独的一般线性混合模型，但年份是分类固定效应而不是土壤深度，包括所有双向相互作用和处理与年份之间的三向相互作用。

土壤化学性质

施用PL28年后，土壤TC比未施肥对照高出8%，结果与Par一致，后者报告PL在棉花中的应用速率为6.7 Mg·ha−1与未施肥对照相比，26至0 cm深度的土壤TC显著提高了15%。

生物炭和褐煤与PL的结合显著提高了16%的土壤TC和 18%， 净增加1.42和1.62克·千克−1，分别与单独使用PL相比。

生物炭和家禽凋落物作为土壤改良剂，对土壤TC的综合影响，在粪肥施用中添加生物炭会刺激碳积累和封存，生物炭和褐煤与PL结合时，土壤TC无差异。

单独或与生物炭和褐煤联合施用PL可使土壤TC提高20%和 43%，生物炭与PL的结合导致土壤C比PL的施用更大。

和PL组合的生物炭中总C的增加是因为生物炭和PL不仅添加了C，而且由于微生物分解了在土壤中储存更多C的作物残茬，因此在表土层中添加了额外的C，这有助于有机质积聚。

虽然无机氮有望通过增加植物残留物使土壤C受益，但在无机氮肥和未施肥对照处理之间获得的土壤TC中没有看到不同的浓度。施用无机肥料增加了作物生物量，最终增强了土壤TC。

土壤养分含量

施用PL，增加了土壤总氮和Me3可提取的P、K、Cu和Zn，与未施肥对照相比，在棉花中施用PL显著提高了33%的土壤TN。

如果仅应用生物炭中的营养成分，则不足以提供支持植物生长所需的大量营养，生物炭和褐煤与PL在土壤TN上的结合与单独使用PL没有区别。

这可能是由于本研究中使用的生物炭和褐煤的营养成分低，因此没有加性效应。

与单独施用粪肥相比，生物炭与粪便的组合导致更大的土壤TN，与单独使用无机氮肥相比，与单独使用无机氮肥相比，与无机氮肥联合施用生物炭使土壤TN增加了16%。

施肥和改良处理的效果

土壤物理性质

与对照和无机氮肥相比，家禽垫料施用使堆积密度降低了3%。

与对照相比，将鸡粪作为有机肥料施用粘壤土导致堆积密度降低了20%，和化肥相比，用有机肥改良的土壤具有较低的堆积密度，较高的孔隙率和水分含量。

一般来说的话，堆积密度的降低与PL施用土壤中有机物的低颗粒密度有关，有机成分在降低堆积密度方面发挥作用，因为土壤矿物质部分被有机成分稀释，改善聚集，与单独的PL相比，在PL中添加生物炭和褐煤降低了堆积密度。

生物炭应用堆积密度的降低，可能与生物炭的多孔性和低堆积密度有关，无机氮肥与无肥对照处理土壤容重相似，最低堆积密度为1.193 g·cm−3生物炭和褐煤均与PL结合时得到，在对照和无机肥处理中记录的值最大。

土壤酶和基因水平

土壤酶水平不受处理的显著影响，然而，有许多基因受到治疗的较为明显的影响。

在最后一年的季节中期收集生物样品的土壤，以最大限度地提高处理的累积效果，然而，有可能只有在研究早期才能观察到效果。

每个处理的土壤β-葡萄糖苷酶活性变化最小，平均土壤磷酸单酯酶和芳基硫酸酯酶活性也没有显着差异，均值在1.56×10之间变化5和 2.74 × 105普莫尔干每克，基于肥料和C改良剂（褐煤和生物炭）的酶活性分析表明没有效果或有明显的趋势。

尿素在其中的作用

标准化的尿素C在生物炭或褐煤施用样地中存在明显差异，虽数值非常相似，但生物炭或褐煤的添加在统计学上，也与绝对尿素C水平的升高相关。

脲酶基因以及通过生物炭或褐煤添加C，可能是通过利用可用的N化合物来沉淀的。

当所有PL处理分组并与对照处理进行比较时，PL对标准化尿素C水平的影响明显，然而，无机肥处理没有明显改变。

虽然不明显，但在用生物炭或褐煤处理的地块中，cbbLR基因水平有降低的趋势，与其他处理相比，PL处理土壤的归一化土壤cbbLR数据方面更高。

相关数据

结尾

家禽凋落物与生物炭和褐煤相结合，比单独使用家禽粪和单独使用无机肥更能改善土壤物理、化学和生物性质。

无机氮肥对土壤碳无影响，但增加了土壤氮素，生物炭与无机肥的结合导致土壤氮比单独使用无机肥更大。

这是由于生物炭与无机氮的结合，减少了氮浸出损失并保持氮的位置，生物炭和褐煤与家禽垫料和无机肥的配施具有协同作用。

为维持良好的土壤健康、提高土壤肥力、提高作物生产力提供了一种新的途径。

需要更多的实地工作来评估生物炭和褐煤与有机和无机肥料在存在或不存在覆盖作物的情况下使用不同土壤类型对氮的综合影响2O 和 CO2排放。

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