修剪废弃物及其生物炭对土壤氮转化的影响

1前言

林业剩余物是指林业生产加工过程中产生的剩余物或废弃物，包括了木材采伐制造剩余物、木材加工剩余物、竹材采伐和加工剩余物、森林抚育与间伐剩余物、城市园林绿化废弃物、经济林修剪废弃物、废弃木质材料七大类（段新芳等，2017）。随着生活水平的提高和人们对城市园林绿化要求的提高，城市绿化废弃物已成为新兴的林业剩余物主要来源。

城市绿化废弃物是指城市园林绿化在经营管理中产生的枝条、落叶以及草屑等植物残体。城市绿化废弃物和其他林业剩余物同样，由于回收体系不健全，林业废弃物综合利用的技术水平和推广力度不够以及相关的产业示范工程较少等原因（段新芳等，2017），目前城市管理中将这些植物残体作为固体垃圾进行焚烧或深埋处理，这是对生物质资源的严重浪费。

每年大量的修剪废弃物是城市绿化废弃物的主要来源。体积较小的灌木修剪废弃物堆积在原地由环卫工人清扫；而体积较大的乔木枝条还需车辆运输走，直接作为固体垃圾的处理方式不仅浪费人力物力，还无法有效利用这些天然的生物质能源，甚至会造成一定程度的环境问题。因此，将修剪废弃物加工成生物炭并用于城市绿地土壤改良是一条可行的途径，也是将废弃资源合理利用的一种有效方式。

本研究以土壤氮素作为指标验证生物炭对土壤的改良作用。土壤氮素作植物生长发育所需的大量营养之一，其供应水平是陆地生态系统植物生长的最主要限制因子。另外，在生物炭制备的过程中，植物材料的理化性质和养分特征等方面均发生了显著的变化，因此，本研究通过不同的修剪废弃物及其制备的生物炭施入土壤后，对土壤氮转化过程进行研究，并探讨不同的修剪废弃物及其制备的生物炭对土壤氮矿化过程、硝化过程及微生物生物量积累的影响，并对土壤氮转化和供应能力的效应作出评价。研究结果可为城市绿化废弃物的综合开发利用提供一种有效途径，以及作为林业剩余物资源综合利用的示范。

2国内外研究进展

2.1生物炭研究进展

生物炭是生物质能原料在缺氧或无氧的条件通过高温热解产生的一类含碳量极其丰富、性质稳定、高度芳香化的难溶性物质，属于黑炭的一种类型（潘逸凡等，2013；张星等，2015）。研究表明，生物炭由于其吸附性、高孔隙度以及有机碳含量高等特性，可将其作为土壤改良剂。生物炭能有效地提高土壤有机物含量，提高土壤C/N比，促进土壤对营养元素的吸持作用；生物炭能优化土壤的物理性质，提高土壤的蓄水保墒能力以及降低容重、硬度改善土壤质地；生物炭能改善土壤的化学性质，高温生物炭可作为土壤的酸碱调和剂，且生物炭对氮素有吸附作用，可促进氮矿化和硝化过程，从而加速氮的转化（武玉等，2014）。

目前，国内外对于生物炭的研究处于初期阶段，由于生物炭的优良性质和可以将废弃物资源化的环保价值，引起了越来越多的关注，但是研究的方向五花八门，没有统一的标准。有控制不同的制作方法研究生物炭，比如采用控制制作温度、控制制作时的通氧量或控制制作原料等；还有针对对土壤的改良作用，研究生物炭对土壤养分的影响以及对土壤理化性质的改良等（谢祖彬等，2011）。在农、林业方面，杨放等（2012）提出，生物炭在改善土壤养分条件并提高作物产量，以及降低农村的重金属和有机污染方面有巨大潜力。并且生物炭相比于与其性质相似的活性炭来说成本更低且增肥效果更好。李冬等（2014）研究表明，生物炭增加了小白菜对N、P的养分利用有效性，并可以作为改良宁夏低质淡灰钙土的改良剂。同样Carter等（2013）研究发现生物炭的添加改善了土壤的物理结构（容重），改变了土壤化学性质（pH值、CEC和营养元素的供应）。

因此，由于生物炭性质稳定、低成本高价值和应用领域广等特性，对于生物炭的研究已成为当今多个领域科学研究的热点之一。

2.2土壤氮转化过程

土壤氮素转化与循环不仅是N生物地球化学循环的重要组成部分，也是森林生态系统氮循环最重要的过程。在一个森林生态系统中，土壤氮素占整个生态系统氮总量的90%以上，但土壤氮素中可以直接被植物直接吸收利用的无机态仅氮占土壤总氮的1%~5%（Kaye et al.，2003；陈伏生等，2004）。因此，对于土壤氮转化过程的研究始终为林木营养领域研究的重点之一。氮素转化和循环过程包括了土壤氮素的输入、土壤氮素内部的转化和土壤氮素的输出三个部分（陈伏生等，2004）。

土壤氮素输入通过凋落物的归还、施肥、大气沉降和生物固氮四种途径，其中土壤氮素的主要来源来自于凋落物的归还，凋落物量决定着土壤氮库的大小。研究表明，土壤氮转化与凋落物C/N比呈负相关，低C/N比的条件下，碳对细菌和微生物生长起决定作用，因为氮源充足而导致氮固化量很小；高C/N比的条件下，氮则起着决定作用，由于氮的缺乏而导致氮素被迅速固定（李贵才等，2001；武玉等，2014）。另外土壤氮转化也和凋落物的木质素/N比及凋落物形态特征相关（李贵才等，2001）。