生物炭對黃土高原不同質地土壤中NO3－N運移特征的影響

李文娟，顏永毫，鄭紀勇，2，張興昌，2，李世清，2

（1.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊凌712100；2.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌712100）

氮素化肥利用率低下問題是一個世界難題。國際上氮肥的作物利用率約在33%左右［1－2］，每年氮肥的流失所造成的經濟損失超過159億美元［3］。我國是一個農業大國，為解決占世界21%人口的糧食問題，氮肥的施用量從1978年的5×106t增長到2007年的2.3×107t［4］，在許多地區尤其是我國東南沿海等農業高產地區其施用已呈過量之勢。過量的氮肥施用和低下的作物利用率造成了氮素向環境中的流失，由此引發環境水體富營養化問題和大氣N2O、NO和NH3的污染［5］。硝態氮是造成地下水污染的主要污染源，其在土壤中的運移行為是當前環境科學和土壤學研究的熱點［6］。與硝態氮相比，銨態氮更易被土壤吸附，它只有在特定條件如土壤水分接近飽和的情況下借助下滲流的驅動才可能在土壤剖面中隨水遷移［7］。盡管如此，銨態氮的運移行為對于一系列物理和化學過程如無機氮有機化、硝化—反硝化作用及離子交換反應等也有著重要影響［8］，對其研究已越來越受到重視。生物炭是作物秸稈等有機物質及其衍生物在無氧條件下碳化的產物，它具有改善土壤質量、保持土壤肥力等諸多作用［9－12］。作為一個農業大國，我國年產秸稈5億t以上。如果生物炭施用于土壤能夠減少氮素的流失、提高氮肥利用率，則不僅有助于解決氮肥的過量利用和由此造成的有關環境問題，而且為我國龐大秸稈資源的有效利用提供了一個新途徑。

目前，國內外學者已經對土壤中硝態氮和銨態氮的水平擴散過程及運移機制進行了許多研究［13－19］，但關于生物炭輸入后土壤硝態氮和銨態氮運移過程的研究還不多見。Lehmann等［20］的研究表明，生物炭具有很強的吸附能力，可以吸附銨根離子、硝酸鹽，具有一定的保肥性能，施加到土壤中能夠有效減少氮素的流失。為了研究生物質炭對氮素在土壤中的運移影響程度，本研究以添加不同量和不同粒徑生物炭的土壤為研究對象，目的在于揭示輸入生物炭后，三種土壤中硝態氮運移規律，并闡明其影響因素，為該區農田非點源污染防治及氮循環研究等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 生物炭 實驗所用生物炭為以蘋果枝為原料生產，工藝流程為干燥除水—擠壓成型—裝釜加熱至550℃（6～8h）—停火冷卻，約30%出炭率。生物炭粉碎后過2mm篩后保存備用，經測試（MS-2000激光粒度分析儀），粉碎后的生物炭顆粒大小分布見圖1，總碳562.49g／kg，總氮2.34g／kg。從粒徑分布看，生物炭顆粒大小接近風沙土，粗于黃綿土和土（表1）。

1.1.2 供試土壤 供試土樣為耕作層（0—20cm）的陜北安塞黃綿土、榆林風沙土和楊凌土。土樣風干后過2mm篩，105℃烘干法測吸濕水含量，粒度分析采用吸管法。測定結果見表1。

圖1 生物炭微觀結構（掃描電子顯微鏡）

表1 供試樣品基本理化性質

1.2 試驗方法

生物炭添加比例為2%，5%和8%（W／W），無生物炭添加作為對照。采用穩態條件下的垂直土柱易混置換試驗，運移溶液為0.03mol／L的硝酸銨溶液。土柱高15cm，內徑5cm。3種土壤的土柱填裝容重均為1.35g／cm3，采取分層填裝，控制容重為采樣時的原狀土壤容重。試驗開始前先把土柱放在水槽中，控制水槽水面略低于土柱，從下至上飽和排氣8h，采用馬氏瓶控制水頭，水頭為3cm。試驗開始后用30 ml塑料瓶接取出流液，稀釋100倍后用連續流動分析儀（SKALAR-SAN＋＋）測定出流液的硝態氮［21－22］。

2 結果與分析

2.1 土壤硝態氮運移規律

2.1.1 土壤硝態氮穿透曲線特性分析 對溶質在土壤中的運移研究，一般是通過測定其在土壤中的相對濃度（即滲出液濃度與初始濃度的比）隨時間而變化的穿透曲線。本文以硝態氮在土壤中相對濃度和穿透時間為坐標軸，得到了一系列溶質穿透曲線圖。圖2是硝態氮在三種土壤類型15cm土柱中的運移過程，反映了穩態條件下生物炭添加對硝態氮在土壤遷移過程的影響。

圖2 不同生物炭添加比例下黃綿土土和風沙土的硝態氮穿透曲線

圖2中，各處理穿透曲線呈現的基本趨勢是滲出液的相對濃度隨時間逐漸增大，隨后趨于平緩。隨著生物炭輸入比例的增大，黃綿土和風沙土的硝態氮穿透能力降低，穿透時間增加；隨著生物質炭輸入比例的增大，黃綿土的硝態氮穿透能力增強，穿透時間減少。由此說明生物質炭輸入對黃土高原典型土壤（風砂土、黃綿土、土）硝態氮的運移有顯著的影響，但隨質地不同，其影響不同。對于質地較粗的風沙土和黃綿土而言，高比例的生物質炭輸入會增加硝態氮的穿透時間，說明生物炭阻滯了硝態氮的運移；然而，對于質地較為粘細的土來說，高比例的生物質炭輸入會顯著減少硝態氮的穿透時間，增加其穿透能力。

圖2的穿透曲線中，由于溶質鋒到達出溜端需要一定時間，運移初期起始濃度低，隨著時間推移，由于溶質在多孔介質中水動力彌散和擴散作用，滲出液濃度逐漸上升。但三種土壤類型中，硝態氮的初始穿透時間不同，在黃綿土和土的初始穿透時間均大于2 h，而對于風沙土在運移2h內已經穿透，三種土壤類型硝態氮初始穿透時間的不同也說明了土壤類型差異對硝態氮運移的影響，說明質地越粗，越利于硝態氮的遷移。相較而言，生物炭添加對土溶質遷移過程的影響最大，不同添加比例間穿透過程的差異最大，黃綿土最小，而風沙土次之。

生物炭對溶質遷移過程的影響主要是通過兩個方面的因素，一是其顆粒組成，可以改變原土壤的孔隙大小分布特征，二是其多孔高比表面特征，可以一定量的容重。對于黃綿土，隨生物炭添加比例的增大，在控容重條件下，密度較輕的生物炭越多，土壤孔隙比越小，導致土壤中水流速度降低，吸附時間增加。對于土，隨著生物質炭輸入土比例的增大，硝態氮穿透曲線的變化顯著，運移穿透點出現的時間提前，促進了硝態氮在土中的遷移。這是因為土質地較為黏細，結構較好，大孔隙比例較低的緣故。土中添加生物炭后，生物炭顆粒較粗，增加了樣品中大孔隙的比例。土壤中存在明顯的大孔隙時溶質便會優先穿透，此時吸附作用對溶質運移的影響作用將會較小，硝態氮的穿透能力反而提高，穿透時間降低。對于風沙土，隨著生物質炭輸入比例的增大，硝態氮穿透曲線的變化顯著，穿透能力降低，穿透時間增加。其原因除與黃綿土類似外，另一原因可能是生物炭添加改變了原有孔隙結構，有效地降低了大孔隙比例。

2.1.2 土壤硝態氮運移參數分析 為定量確定生物炭對土壤硝態氮運移特征的影響，利用傳統對流彌散方程及CXTFIT程序估計了運移參數。傳統的對流彌散模型常用來描述穩態條件下非反應性溶質的土壤運移過程，在不考慮其它匯源項的條件下，具體對流彌散方程表達為：

式中：C——液相溶質濃度；D——擴散彌散系數；v——平均孔隙水流速；x，t——距離和時間。CXTFIT程序是用給定的初始值代入選定運移模型，通過計算值與實測值進行對比，采用最小二乘法逼近，最后得到各運移參數的最佳擬合值。λ為彌散度，是表征運移離子在運移過程中彌散強度的一個量。SSQ為擬合值與實測值的剩余平方和，其值越小說明擬合程度越高。對于3種土壤類型的土柱進行硝態氮穿透曲線的擬合結果見表2。

表2 硝態氮穿透曲線擬合運移參數

由表2可知，當沒有生物質炭輸入時，3種土壤類型所擬合的參數D從大到小依次是：風砂土、土、黃綿土。擬合參數λ中，黃綿土的值最大，而風砂土的值僅為它的0.45倍。在圖2的土壤硝態氮穿透曲線中，從溶質完成穿透的快慢上也可區分三種土壤彌散強度的大小。其原因可能是由于黃綿土中的黏粒含量明顯高于風沙土，使得黃綿土中的小孔隙多且孔隙的曲折度也大，所以硝態氮在黃綿土中受到的彌散度也相應提高。

當土壤中輸入生物質炭后，三種土壤類型所擬合的參數D也基本符合風砂土＞土＞黃綿土的規律，同時擬合參數λ也基本有風砂土＜土＜黃綿土。隨著生物質炭輸入比例的增加，黃綿土和風砂土的擬合參數D減小，λ增大土的擬合參數D增大，λ減小。以上分析表明，在水分飽和的條件下，隨著生物炭輸入比例的增加，黃綿土和風砂土的彌散度逐漸增大，從而削弱了土壤硝態氮的運移能力；土的彌散強度減小，加強了土壤的硝態氮運移能力，表層土壤硝態氮遷移能力的加強將不利于有效氮的保持。

3 結論

（1）在水分飽和條件下，三種土壤的硝態氮穿透曲線均符合對流彌散方程（R2≥0.87），生物炭對硝態氮運移過程影響顯著；（2）由于所加生物炭對質地較粗和細黏土壤孔隙大小分布改變方向不同，對于質地較粗黃綿土和風沙土，生物炭輸入可以降低硝態氮的淋失，隨生物炭添加量增加，其阻滯作用越強。對于質地較為粘細的土，生物炭添加可以促進硝態氮淋失，加強了土壤的硝態氮運移能力，表層土壤硝態氮遷移能力的加強將不利于有效氮的保持。

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