兩種生物質炭對果園土壤氮素淋失、滯留的影響

張瑞清，孫曉，楊劍超，趙玲玲，孫燕霞，徐維華，姜中武

(山東省煙臺市農業科學研究院，山東煙臺265500)

我國自20世紀60年代“綠色革命”以來開始大量施用化學肥料，在保證農業增產、增收的同時也帶來諸多負面影響，尤其是施肥不當或過量施肥帶來的環境污染問題日益突出。如何采取措施來減少土壤養分淋失、提高肥料利用率、減少環境污染是人們長期關注的問題。近年國內研究主要采用生態攔截、平衡施肥、地膜/秸稈覆蓋、種植生草、輪作、微滴灌等方法減少土壤養分尤其氮素的流失［1－6］。近年，生物質炭作為一種功能材料在農業上的應用日益受到關注。它在土壤耕性改良、肥力提升及污染修復等方面的潛力可觀［7－11］，尤其利用生物質炭減少土壤養分淋失的研究日益增多［12－16］。生物質炭能夠影響氮素在土壤的轉化和遷移行為，但其效果因生物質炭性質、施用量、土壤類型和氣候條件等不同而有所差異［12］，抑制或增加土壤氮素淋失均有報道［7，13－17］。

蘋果是煙臺農業的傳統優勢產業，也是農民增收的支柱產業。2013年煙臺市蘋果種植面積接近20萬hm2，產量達460萬t，蘋果產業產值達110多億元。但是，蘋果樹對養分的需求量較高，而果農又習慣于大水漫灌，造成果園土壤礦質養分大量流失。據報道，煙臺果園速效氮的吸收利用率只有18% ～21%［18］。與此同時，在蘋果產區，蘋果樹每年修剪和老齡果園重茬改造等會產生大量廢棄果樹枝條。若將這些廢棄有機物制備成生物質炭后還園再利用，則一方面可為果園大量堆積的廢棄枝條提供一條環保利用出路，另一方面可能減少果園土壤養分流失。

《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006－2020年)》在農業領域發展思路中指出:“發展農林剩余物資源化利用技術以及農業環境綜合整治技術，促進農業新興產業發展，提高農林生態環境質量”，鼓勵和支持將農林秸稈等有機廢棄物轉化利用。通過室內模擬土柱試驗，筆者探討不同種類生物質炭(蘋果枝條炭和稻殼炭)配施化肥對蘋果園土壤氮素淋失的影響，旨在為緩解果園高肥料輸入、合理施用生物質炭、提高氮肥利用率、倡導新型果園管理模式提供科學依據。

1 材料與方法

1．1 供試土壤和生物質炭性質 供試土壤取自國家蘋果優質高產栽培示范園(山東省文登市澤頭鎮峰山村)。采樣時間為2014年10月15日，采樣深度0～40 cm。土壤類型為改良砂質壤土，土壤風干后過2 mm篩，備用。土壤化學性質為有機質 5．42 g/kg，全氮 0．34 g/kg，全磷0．18 g/kg，全鉀26．2 g/kg，銨態氮 0．12 mg/kg，硝態氮 92．8 mg/kg，有效磷 16．0 mg/kg，速效鉀47．0 mg/kg，pH 6．80。

蘋果枝條炭和稻殼炭利用作物秸稈專用炭化爐(山東龍口凱祥有限公司自主研發)在缺氧條件下350℃炭化2 h制備。生物質炭化學性質見表1，其SEM圖像見圖1。

1．2 試驗方法

1．2．1 處理設置。試驗共設6個處理(表2)。生物質炭添加量為11．0 g/kg風干土，氮磷鉀肥用量為6．6 g/kg風干土(銨態氮復合肥，其中N、P2O5、K2O含量均為15%)。生物質炭和氮磷鉀肥用量水平根據研究以往的施用經驗設計［19－20］，相當于果園推薦生物質炭施用量 2．5 kg/棵果樹和氮磷鉀復合肥1．5 kg/棵果樹(溝狀條施)。每個處理設3次重復。

表1 兩種生物質炭的化學性質

表2 試驗處理設置

1．2．2 土柱設計。選擇PVC塑料管作為淋失試驗的材料，土柱高70 cm(其中60 cm用于裝填土樣，頂部10 cm留作承裝去離子水)，內徑10．6 cm(底部有直徑約2．5 cm膠塞孔，外連接玻璃彎管和乳膠管，用于疏導淋溶液)。裝柱前，先用0．1 mol/L的HCl和蒸餾水清洗土柱，并且干燥，在淋溶柱底部先鋪一層細篩網(160目)，然后鋪一層脫脂棉(厚約0．3 cm)，最后再鋪一層細篩網(160目)，以防止土壤細顆粒隨水滲漏。按照1．13 g/cm3的實際田間容重將已處理好的混合土壤2．0 kg裝入土柱底層(40～60 cm)，上鋪一層細篩網(隔開土層)，再將各處理(生物質炭、化肥按比例與2．0 kg土壤均勻混合)土樣裝入土柱中層(20～40 cm處理層)，上鋪一層細篩網(隔開土層)，土柱上層(0～20 cm)與底層一樣，裝填20 cm厚土樣。在裝填好的土柱上面放置一層細篩網(160目)，之后再平鋪1 cm厚的石英砂以防止側壁滲漏而影響水分下滲不均。所有土柱裝填的原始土樣均為6．0 kg。該土柱生物質炭和肥料的添加深度20～40 cm，是基于果園實際施用方法而確定，一方面有利于果樹根系充分利用養分，另一方面可防止氮素揮發損失。

1．2．3 淋溶方法。試驗時間為2015年3～5月。試驗在室溫下進行。每個土柱添加1 680 ml去離子水(達到田間最大持水量的70%)，培養7 d，再加入720 ml去離子水(達到田間最大持水量)，維持24 h，之后用1 000 ml去離子水淋溶，淋溶液通過底部出口收集于容器內。每隔10 d淋溶1次，共5次。淋溶總水量5 000 ml(約等于565 mm降水)，相當于當地年平均降雨量(750 mm)的75%。在每次淋溶至不再有滲濾液流出時(大約需要24 h)，測量淋溶液體積，4℃儲存，備用。在試驗結束后，將土柱內濕土全部倒出，根據篩網隔層將土層分開，在每段土層中間取樣(濕土樣1．5 kg左右)，樣品于室內風干14 d后過2 mm篩，備用。

1．2．4 測定方法。土壤、淋溶液中NH4+-N、NO3-N 含量分別采用靛酚藍比色法和雙波長比色法測定。pH利用酸度計測定(土壤pH按土∶水=2．5∶1．0)。每次淋洗的及累積的養分淋失量的結果均換算成單位質量干土的淋失量(以N計，mg/kg)。試驗數據分析和圖表制作采用SPSS19．0和Excel 2010軟件。各處理之間的顯著性差異采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)。

2 結果與分析

2．1 不同種類生物質炭對土壤淋溶液體積和pH的影響 對照(CK)及DC、GC、F、DCF、GCF 5個處理土柱淋溶液總體積分別為5 014、4 877、4 955、5 001、4 859、4 908 ml。為明確生物質炭對土壤水分的保持作用，可將土柱總淋溶體積統一扣除上層、下層產生的淋溶量(對照5 014 ml，為原土三層淋溶量)，折算后 CK、DC、GC、F、DCF、GCF 土柱中層(處理層)淋溶液體積分別為1 671、1 534、1 612、1 658、1 516、1 565 ml。其中，添加稻殼炭(DC)和蘋果枝條炭(GC)的處理淋溶液體積分別比對照(CK)減少8．2%和3．6%，添加稻殼炭加化肥(DCF)和蘋果枝條炭加化肥(GCF)的處理淋溶液體積分別比對照(CK)減少9．3%和6．7%。可見，稻殼炭相比蘋果枝條炭更能保持土壤水分。添加化肥(F)處理與對照間無差異。不同種類生物質炭對土壤的保水性能存在差異，但或多或少都能減少土壤淋溶液的體積，提高土壤的持水能力。

由圖2可知，隨著淋溶次數的增加，對照和不同處理淋溶液pH均逐漸增大，第3次淋溶以后淋溶液pH不再變化。單獨添加生物質炭與對照以及生物質炭、化肥混施與單獨施用化肥相比，生物質炭沒有改變土壤淋溶液的pH;加入化肥的處理(F、DCF、GCF)土柱淋溶液pH均低于未添加化肥處理(CK、DC、GC)，說明化學肥料的施入可降低土壤pH。這是導致土壤酸化的重要原因。該試驗中性土壤(pH 6．8)添加不同種類生物質炭未改變土壤淋溶液pH的變化動態。

2．2 不同種類生物質炭對土壤NH 4+-N淋失和滯留的影響

2．2．1 NH4+-N淋失。由圖3可知，試驗用土壤NH4+-N含量極低(0．12 mg/kg)，對照(CK)和添加生物質炭處理(DC、GC)幾乎未發生NH4+-N的淋失;NH4+-N的淋失主要發生在有化肥施入的處理(F、DCF、GCF)，且化肥與生物質炭混施(DCF、GCF)增加了土壤NH4+-N的淋失程度，尤其第1次NH4+-N 淋失量最大(58．1 ～68．0 mg/kg)，占 NH4+-N淋失總量的60%左右，且生物質炭與化肥混施(DCF、GCF)土壤NH4+-N淋失量分別比單獨施用化肥(F)處理增加了14．5%和17．1%，但未達到差異顯著水平，不同生物質炭處理之間差異也不顯著;之后土壤NH4+-N淋失量趨于穩定，維持在3．4 ～5．0 mg/kg之間，生物質炭與化肥混施(DCF、GCF)與單獨施用化肥(F)處理之間差異不顯著。

從NH4+-N淋失總量來看，生物質炭與化肥混施(DCF、GCF)較單獨施用化肥(F)分別增加了39．3%和44．0%，差異顯著(P＜0．05)，不同生物質炭處理之間差異不顯著(P＞0．05)。

由此可知，在試驗條件下，土壤NH4+-N的淋失不受是否施入生物質炭的影響，但化肥(銨態氮復合肥)中NH4+-N隨水淋失的比例非常高，化肥混施生物質炭后明顯增加了NH4+-N的淋失量。

2．2．2 NH4+-N滯留。由圖4可知，經過2個月的淋溶后，不同種類生物質炭的添加(DC和GC處理)對土壤NH4+-N含量沒有顯著性影響，尤其在添加蘋果枝條炭(GC)的處理土柱內未檢測到NH4+-N。施入化肥的處理(F、DCF、GCF)中層土壤和下層土壤均持有大量NH4+-N，且下層土壤NH4+-N含量均高于中層(處理層)，說明大量NH4+經淋溶進入下層土壤。比較不同施肥處理可以看出，DCF和GCF處理不同土層NH4+-N含量較F處理均有所降低，其中DCF和GCF處理中層土壤NH4+-N含量分別比F處理降低了28．7% 和 21．7%，差異達到顯著水平(P ＜0．05)，DCF 和GCF處理下層土壤NH4+-N含量分別比F處理降低了38．7%和28．1%，差異顯著(P＜0．05)。不同種類生物質炭處理(DCF和GCF)之間差異不顯著。

由此可知，在試驗條件下，生物質炭與化肥混施明顯增加了NH4+-N的淋失量，降低了NH4+-N在土壤中的滯留，導致土壤NH4+-N的損失。

2．3 不同種類生物質炭對土壤NO3－-N的影響

2．3．1 NO3－-N淋失。由圖5可知，對照(CK)和其他5個處理土壤NO3－-N淋失量均較高，尤其第1次NO3－-N淋失量均較大(69．2 ～72．1 mg/kg)，占 NO3－-N淋失總量的73．8% ～82．9%，此后 NO3－-N淋失量趨于穩定;與對照(CK)相比，不同處理土壤NO3－-N淋失速率及淋失總量差異不顯著(P ＞0．05)，淋失總量在 73．6 ～98．5 mg/kg之間;相比單獨施用化肥(F)處理，稻殼炭與化肥混施(DCF)土壤NO3－-N淋失總量增加了18．0%，而蘋果枝條炭與化肥混施(GCF)土壤NO3－-N淋失總量減少了13．4%，且不同種類生物質炭處理(DCF、GCF)之間差異達到顯著水平(P＜0．05)，但與單獨施用化肥處理(F)之間差異不顯著(P＞0．05)。在試驗條件下，土壤NO3－-N極易淋失，甚至不受是否施入生物質炭和化肥(銨態氮復合肥)的影響;在與化學肥料混施的情況下，NO3－-N的淋失程度可能與生物質炭的種類有關，稻殼炭混施化肥可能增加NO3－-N的淋失，蘋果枝條炭混施化肥則減少NO3－-N的淋失程度。

2．3．2 NO3－-N滯留。由圖6可知，與對照(CK)相比，單獨施用不同種類的生物質炭(DC和GC處理)對不同土層(中層20～40 cm和下層40～60 cm)土壤NO3－-N含量沒有明顯影響，中層(20～40 cm)土壤NO3－-N 含量達 24．0 ～29．4 mg/kg，下層(40～60 cm)土壤 NO3－-N 含量達 12．7 ～22．7 mg/kg，遠低于試驗前土壤NO3－-N 含量(92．8 mg/kg)。

施入化肥的處理(F、DCF、GCF)中層土壤(20～40 cm)持有大量NO3－-N，分別為 115．4、165．3、101．3 mg/kg，尤其稻殼炭混施化肥(DCF)處理，其中層土壤NO3－-N含量顯著(P＜0．05)高于單獨施用化肥(F處理，提高了43．3%)和蘋果枝條炭混施化肥處理(GCF)。這可能是由于稻殼炭混施化肥后加速肥料NH4+-N向NO3－-N的轉化，同時可能激發土壤有機氮的礦化轉化，由此增加土壤NO3－-N的含量及淋失程度。

施入化肥的處理(F、DCF、GCF)下層土壤(40～60 cm)NO3－-N 含量明顯低于中層土壤，分別為 55．6、26．7、9．5 mg/kg，且DCF、GCF處理與F處理下層土壤NO3－-N含量差異分別達到0．05、0．01顯著水平;F處理下層土壤NO3－-N含量(55．6 mg/kg)高于對照(CK)(15．0 mg/kg)，說明在單獨施用化肥(F)的情況下會有部分NO3－-N被淋溶進入下層土壤;DCF和GCF處理下層土壤NO3－-N含量均低于F處理，其中DCF處理下層土壤NO3－-N 含量(26．7 mg/kg)高于對照(CK)(15．0 mg/kg)，說明稻殼炭混施化肥處理(DCF)有部分NO3－-N被淋溶進入下層土壤，這與前述稻殼炭混施化肥可能會增加NO3－-N的淋失相吻合;而蘋果枝條炭混施化肥(GCF)淋溶以后，下層土壤 NO3－-N 含量只有 9．5 mg/kg，顯著低于對照(CK)和單獨施用化肥處理(F)，說明蘋果枝條炭與化肥混施(GCF)不但降低了NO3－-N的淋失總量(73．6 mg/kg，低于對照 84．6 mg/kg)，而且顯著降低了NO3－-N被淋溶進入下層土壤。分析認為，蘋果枝條炭與化肥混施后可能吸附固定一部分肥料無機氮，或者促進肥料無機氮向緩效態氮、有機氮的轉化，從而減少土壤NO3－-N含量、淋失程度。

在試驗條件下，土壤NO3－-N極易淋失;不同生物質炭對土壤NO3－-N的影響不盡相同。兩種生物質炭相比，稻殼炭混施化肥后土壤NO3－-N的淋失量和滯留量都明顯增大，蘋果枝條炭混施化肥后土壤NO3－-N的淋失量和滯留量都明顯減少。

3 討論

3．1 生物質炭對土壤淋溶液體積和p H的影響 研究表明，施用生物質炭能夠降低果園土壤淋溶液體積，其中施用稻殼炭可降低8．2% ～9．3%的淋溶液體積，施用蘋果枝條炭可降低3．6% ～6．7%的淋溶液體積，說明施用生物質炭增加土壤的持水能力。這與王峰等［12－13，15－16，21］研究結果基本一致。分析原因，一是生物質炭具有一定的吸水倍率，可增加土壤吸水量［22］，試驗用稻殼炭和蘋果枝條炭的飽和持水量分別高達63．0%和52．4%，均高于試驗用土田間飽和持水量40．1%，因而增加了土壤的持水能力;二是生物質炭可以通過其發達的孔隙結構吸附和保持水分，在土壤中添加生物質炭可起到一定的保水效果［23］;第三，生物質炭可以吸附土壤有機分子，提高土壤養分吸持容量及持水容量［24］。此外，生物質炭施入土壤后的持水性能與土壤質地有關。有研究表明，砂性土壤施用生物質炭可提高土壤持水量［25］。

由于生物質炭pH較高，且含有大量的Ca2+、K+、Mg2+等鹽基離子，施入土壤后會有一定程度的釋放，交換土壤中的H+，從而提高土壤 pH［26］。但是，由于中性、堿性土壤本身有較強的緩沖能力，較低的生物質炭施用量對土壤淋溶液pH不會產生太多的影響。

3．2 生物質炭對土壤氮素淋失和滯留的影響 研究表明，在試驗條件下，原土(CK)和單獨施用生物質炭處理(DC、GC)土壤NH4+-N淋失和滯留均不受是否施入生物質炭的影響(試驗用土壤和生物質炭NH4+-N含量極低)。但是，生物質炭與化肥混施將會增加土壤NH4+-N的淋失速率和淋失總量，進而降低 NH4+-N在土壤中的滯留，導致土壤NH4

+-N的損失。這與Lehmann等［27－28］的研究結果不盡相同，即當生物黑炭和肥料配施后，生物質炭可以通過吸附NO3

－、NH4

+提高氮肥利用率;在生物黑炭和肥料配施后，土壤銨態氮吸附能力得到明顯的促進，土壤對銨態氮的固持作用增強。但是，Bruun等［29］研究小麥和稻草生物炭對酸性砂土氮淋失影響表明，生物炭對土壤硝態氮和銨態氮淋失沒有明顯的影響。周志紅等［30］研究表明，較低的生物質炭施用量會促進氮素的淋失。生物質炭的施用量約折合28．6 t/hm2，施用量相對較低，但是研究多年的施用經驗值［19－20］，過高的生物質炭施用量(57．2 t/hm2)反而會抑制果樹的生長［20］。

李瑋晶等［31］研究表明，生物質炭添加能夠增強土壤對銨態氮的吸附能力和對土壤硝態氮的有效固定，但不同性質和添加量的生物質炭效果不同。在試驗條件下，土壤NO－-

3N極易淋失，不受是否施入生物質炭和化肥(銨態氮復合肥)的影響，主要原因是土壤本身NO3－-N含量較高，而生物質炭施用量相對較低，因此大量NO3－-N隨淋溶水流失。在與化學肥料混施的情況下，稻殼炭混施化肥同時增加了NO－-

3N的淋失和土壤NO3－-N含量，而蘋果枝條炭混施化肥則同時減少NO3－-N的淋失程度和土壤NO3－-N的含量，說明土壤NO3－-N的淋失和滯留可能與生物質炭的種類有關。經蘋果枝條炭和稻殼炭電鏡觀察，發現二者孔隙結構差別很大，蘋果枝條炭孔隙呈密集蜂窩狀排列，而稻殼炭孔隙相對稀少，排列不密實，外表面有規律地排列著瘤狀突起，類似玉米棒的表面形貌［32］。蘋果枝條炭相比稻殼炭含有更高比例的微孔。生物質炭施入土壤，會導致土壤水分通過基質的移動性降低。生物質炭可能通過微孔將毛細管力固持住的包含養分的水分滯留在土壤中而促進養分吸附［26］。有關生物質炭對土壤氮素的吸持作用仍需進一步研究。

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