碳化物施用深度優(yōu)化有助于抑制氮溶出

通過表層施用抑制氮溶解，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的路徑

相關(guān)程序環(huán)境

相關(guān)項目熱帶島嶼環(huán)境保護(hù)

2024年12月10日

國際農(nóng)研

碳化物施用深度優(yōu)化有助于抑制氮溶出

通過表層施用抑制氮溶解，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的路徑

重點(diǎn)

碳化物1 ) (甘蔗渣炭)的施用深度影響土壤氮素吸收能力和作物干旱脅迫，影響氮素的溶解量。

根據(jù)土壤特性和氣象條件選擇最佳的碳化物施用深度，可以最大化氮溶出的抑制效果。

成為削減氮肥使用量及減輕環(huán)境負(fù)荷的可持續(xù)農(nóng)業(yè)的重要知識。

概要

國際農(nóng)研通過利用獨(dú)自開發(fā)的精密觀測土壤中氮動態(tài)的管道裝置，明確了熱帶島嶼研究據(jù)點(diǎn)(石垣市)的碳化物施用深度對氮溶解量的影響。 本研究將是應(yīng)對氮肥過度施肥導(dǎo)致的環(huán)境負(fù)荷問題，向?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)邁出的重要一步。

本研究使用沖繩具有代表性的酸性土壤“國頭合并”進(jìn)行了實(shí)驗。 在直徑20cm、深95cm的管道中填充土壤，不施用碳化物的施用條件為表層(0-5cm )、土層(0-30cm )、下層( 25-30cm )。 在各條件下進(jìn)行氮肥施肥和表面澆水，測量了管道下端的氮溶解量等。

結(jié)果表明，不同的碳化物施用深度，氮溶出量有很大差異。 表層施用(0-5cm )與無施用相比，硝態(tài)氮的溶解減少12.3%等，表現(xiàn)出對氮溶解量減少的顯著效果，另一方面，在土層施用(0-30cm )中，硝酸態(tài)氮增加了6.4%，氨態(tài)氮增加了164.1%等，結(jié)果顯示出了根據(jù)深度的不同而明顯的差異。

該研究成果表明，碳化物的施用深度影響土壤對氮的吸附能力和作物的干旱脅迫，從而左右氮的溶解量。 特別是表層施用與未施用相比，確認(rèn)了根域土壤對氮的吸附量增加和干燥應(yīng)力的減輕效果。 本研究表明，即使施用等量碳化物，適當(dāng)選擇其深度也有可能最大化氮溶出抑制效果。

以該研究成果為基礎(chǔ)，推進(jìn)減輕環(huán)境負(fù)荷和減少氮肥使用量并存的技術(shù)開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)韌且可持續(xù)的農(nóng)業(yè)，進(jìn)而為地球規(guī)模的氮素循環(huán)2 )的平衡恢復(fù)做出貢獻(xiàn)為目標(biāo)。

本研究成果刊登在“Scientific Reports”電子版(日本時間2024年10月1日)上。

相關(guān)信息

預(yù)算

運(yùn)營費(fèi)補(bǔ)助金項目“熱帶島嶼山里海洋環(huán)境保護(hù)技術(shù)的開發(fā)”

發(fā)表論文

論文作者

K Hamada，S Nakamura，D Kuniyoshi

論文標(biāo)題

pipe experiment elucidate s bio char application depth affects nitrogen leaching under crop present condition

雜志

scientific報告

doi:https:///10.1038/s 41598-024-73621-3

咨詢處等

國際農(nóng)研(茨城縣筑波市)理事長小山修

研究推進(jìn)負(fù)責(zé)人:

國際農(nóng)研計劃總監(jiān)林慶一

研究負(fù)責(zé)人:

國際農(nóng)研熱帶島嶼研究基地濵田耕佑

國際農(nóng)研生產(chǎn)環(huán)境畜牧領(lǐng)域中村智史

國際農(nóng)研熱帶島嶼研究基地國吉大地

宣傳負(fù)責(zé)人:

國際農(nóng)研信息宣傳室長大森圭祐

沖壓用e-mail:koho-jircas @ ml.affrc.go.jp

開發(fā)的社會背景

大約一個世紀(jì)前，哈伯博世法的開發(fā)，使利用大氣中的氮分子大量生產(chǎn)氮肥成為可能。 這帶來了支持人口增長的食物增產(chǎn)，同時也引起了河流和地下水的氮污染、溫室效應(yīng)氣體(一氧化二氮N2O )的排放等嚴(yán)重的環(huán)境問題。 據(jù)說氮肥的大量生產(chǎn)和過剩投入破壞了地球氮循環(huán)的平衡，已經(jīng)到達(dá)了無法后退的領(lǐng)域(行星邊界3 )。 在向可持續(xù)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)換成為當(dāng)務(wù)之急的情況下，需要開發(fā)抑制氮溶解的技術(shù)。

研究的經(jīng)過

在農(nóng)地上適當(dāng)?shù)厥┯锰蓟锸菧p輕氮溶解的方法之一。 到目前為止，已經(jīng)有很多關(guān)于最佳碳化物施用量的研究，但關(guān)于改變施用深度時的影響幾乎沒有研究。 因此，為了詳細(xì)評價碳化物施用深度的不同對氮溶出量的影響，令和4年1月12日~4月13日的91天內(nèi)，在熱帶島嶼研究據(jù)點(diǎn)(石垣市)的玻璃室內(nèi)進(jìn)行了管道試驗。 該管道裝置作為“低成本土壤中溶質(zhì)動態(tài)觀測系統(tǒng)的設(shè)計”，獲得了令和5年度科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的文部科學(xué)大臣頒發(fā)的“創(chuàng)意功夫功臣獎”。

研究的內(nèi)容和意義

在直徑20cm的氯乙烯管中填充沖繩代表性酸性土壤國頭歸并，將碳化物(市售甘蔗渣炭，制作800℃，粒徑2 mm以下)按①無施用、②表層施用(0-5cm )、③作土層施用(0-30cm )、④下層施用 碳化物的施用量在各條件下均為10t/ha。 作為氮肥，使用粉體進(jìn)行了硫酸銨每月一次的表面施肥和每隔2–3天的表面澆水。 作物按條件種了一株旱稻( NERICA4)。

試驗期間，測定了管道內(nèi)水分氮的運(yùn)動和管道下端的排水量及氮溶解量，結(jié)果氮溶解量因碳化物的施用深度不同而有很大差異(圖2 )。 表層施用與未施用相比，硝態(tài)氮的溶解減少了12.3%，而作土層施用中硝態(tài)氮的溶解增加了6.4%，銨態(tài)氮的溶解增加了164.1%。

這些結(jié)果表明，碳化物的施用深度影響土壤對氮的吸附能力和作物的干旱脅迫，從而影響氮的溶解量。 表層施用有望提高根域土壤的氮吸附率和減輕干燥應(yīng)力，但施用作土層時，可以認(rèn)為硝酸態(tài)氮容易向下層移動，以及土壤表層干燥應(yīng)力增加導(dǎo)致溶解增加(圖3 )。 另外，還表明下層施用不會產(chǎn)生特別的影響。

期待今后的計劃

本研究表明，即使施用等量碳化物，通過適當(dāng)選擇其深度也有可能最大化氮溶解抑制效果。 在這次的條件下，通過向表層施用碳化物，表現(xiàn)出了對氮溶解量減少的明顯效果。 今后將推進(jìn)減輕環(huán)境負(fù)荷和減少氮肥使用量并存的技術(shù)開發(fā)，為實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)韌的可持續(xù)農(nóng)業(yè)做出貢獻(xiàn)。

熱帶島嶼研究基地進(jìn)行的管道試驗(玻璃室內(nèi))的照片和用于管道試驗的管道裝置的圖

圖1管道試驗情況

令和4年1~4月在熱帶島嶼研究據(jù)點(diǎn)的玻璃室內(nèi)分別反復(fù)進(jìn)行了4個條件(無施用、表層施用、作土層施用、下層施用)的試驗。 土壤的干燥密度為1.25 g/cm3。 施用的碳化物量在各條件下等量，但含量因施用條件而異。 圖中的黑色表示碳化物含有率高，灰色表示碳化物含有率低。

左側(cè):表示硝酸態(tài)氮溶出增加減少率的柱狀圖，右側(cè)]表示氨態(tài)氮溶出的增加減少率的柱狀圖

圖2硝態(tài)氮溶解量(左)及銨態(tài)氮溶解量(右)增加減少率

各圖表顯示了與無施用條件的差異，負(fù)值顯示了溶解量的減少。

用pF值表示各施用層干燥應(yīng)力的圖表

圖3深度10cm處干旱脅迫變化(上)和氮素收支摘錄(下)

對設(shè)置在管道內(nèi)的土壤水分傳感器的值應(yīng)用土壤物理性(保水性)，轉(zhuǎn)換為土壤保持水分的力pF。 pF3以上時，作物會受到干燥脅迫，根對水分、養(yǎng)分的吸收會降低。 使用試驗后采集的土壤樣品，將管道土壤的吸附氮量分為深度0–30cm和30–95 cm求出。 溶解量的**和*與無施用相比有顯著性差異( p<0.01和p<0.05 )，ns與無施用相比無顯著性差異。

術(shù)語解說

1 )碳化物

可以通過高溫處理有機(jī)物生成，具有多孔結(jié)構(gòu)的特征。

2 )氮循環(huán)

氮一邊改變氮分子、反應(yīng)性氮等的形狀，一邊在大氣中、土壤中、生物中循環(huán)，這叫做氮循環(huán)。 20世紀(jì)初，從大氣中的氮分子( N2 )中化學(xué)合成氨的技術(shù)(哈伯博世法)被開發(fā)出來以來，投入農(nóng)地的氮量增加，氮循環(huán)的平衡被破壞了。

3 )行星邊界

這是作為評價人類活動對地球系統(tǒng)影響的方法的一例而表示的概念。 也叫地球極限，定義了人類能生存的極限點(diǎn)。 有人指出，關(guān)于氮的環(huán)境釋放，已經(jīng)達(dá)到了超過人類可以安全活動的邊界的水平。