添加生物質炭對旱地紅壤中硝態氮水平運移的影響

韓召強, 陳效民, 陶朋闖, 靳澤文, 張曉玲, 黃欠如

(1.南京農業大學 資源與環境科學學院, 江蘇 南京210095; 2.江西紅壤研究所, 江西 進賢 331717)

添加生物質炭對旱地紅壤中硝態氮水平運移的影響

韓召強1, 陳效民1, 陶朋闖1, 靳澤文1, 張曉玲1, 黃欠如2

(1.南京農業大學資源與環境科學學院,江蘇南京210095; 2.江西紅壤研究所,江西進賢331717)

生物質炭; 紅壤; 硝態氮; 水平運移

氮素是作物生長發育的必需營養元素，在作物生長發育過程中，氮素參與作物新陳代謝的所有過程。施肥是農業增產的重要措施，隨著農業的持續發展和集約化程度的不斷提高，氮肥的施用量近年來呈逐年上升的趨勢。氮肥中的氮素主要以銨態氮的形式存在，雖然土壤對銨態氮有很強的吸附作用，但銨態氮可轉化為不易被土壤所吸附的硝態氮[1]，且硝態氮極易從土壤中流失，導致周邊地表水和地下水中的氮化合物含量不斷上升，并逐漸達到危險水平，從而引起水體的富營養化等問題[2]。因此，研究硝態氮在農田土壤中的水平運移規律具有重要的意義。生物質炭是由有機物料在厭氧條件下經低溫熱解產生的含碳豐富的固態物質，是黑碳的一種存在形式。生物質炭孔隙度高、比表面積大、帶負電荷多、芳香化程度也高、且具有較高的穩定性和吸附性[3]。另外，它具有改善土壤質量和保持土壤肥力等諸多作用[4]。隨著生物質炭用于改良土壤研究的深入，人們發現生物質炭能夠提高土壤對氮素養分的吸附，降低土壤養分的流失[5]。生物質炭通過固持土壤氮素養分，從而有效減少由于降雨造成的氮素流失，提高表土層養分固持能力。紅壤是我國熱帶和亞熱帶地區的地帶性土壤，在強烈的風化和淋溶作用下其自然肥力低下[6]，再加上長期不合理的耕作方式造成土壤質地黏重，通氣透水性差。近年來，紅壤地區的農民為了追求作物高產而大量施用化肥，而施用常規的化肥不但無法達到提高土壤肥力的目的，且過高的氮肥施用量造成了氮素的流失，污染了大氣和水體的環境[7]，因此施用穩定性高的生物質炭可能是改善這類土壤肥力的重要方式。大量研究表明[8-9]，生物質炭作為土壤改良劑對緩解農田氮素流失引起的面源污染具有重要的現實意義。但是，目前仍缺乏生物質炭施用對紅壤中硝態氮運移影響的研究。因此，本文以小麥秸稈制備的生物質炭為對象，利用室內水平土柱模擬試驗，探討不同量生物質炭施入紅壤后對硝態氮水平運移的影響，從而揭示添加生物質炭后紅壤中硝態氮的水平運移規律，以期為該地區的農田水分管理和環境保護等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區設在江西省紅壤研究所(116°20′24″E，28°15′30″N)，為典型低山丘陵紅壤區，屬亞熱帶濕潤氣候，年均氣溫17.5℃，年均日照時間1 900～2 000 h，年無霜期282 d。年降雨量1 587 mm，年蒸發量1 100～1 200 mm，干濕季節明顯，降雨主要集中在3—6月，占全年雨量61%～69%；7—9月為旱季，蒸發量占全年蒸發量的40%～50%，供試土壤由第四紀紅色黏土發育而來。

1.2 供試土壤及生物質炭

供試土壤采樣的土層深度為0—15 cm．土壤的基本性質如下：土壤pH值4.54，全氮0.98 g/kg，陽離子交換量15.2 cmol/kg，有效磷13.26 mg/kg，有機碳7.98 g/kg，全磷0.45 g/kg，總孔隙度53.6%，容重1.23 g/cm3，黏粒含量316.0 g/kg，粉砂粒含量391.2 g/kg，砂粒含量292.8 g/kg。本研究采用的生物質炭來自于河南商丘三利新能源有限公司，原料為小麥秸稈，炭化溫度為500 ℃，小麥秸稈的35%被轉化為生物質炭，生物質炭的pH 10.35，陽離子交換量217.0 cmol/kg，有效磷4.7 g/kg，有機碳467.1 g/kg，全氮5.9 g/kg，容重0.45 g/cm3，比表面積8.9 m2/g。

1.3 測定方法

土壤基本理化性質的測定方法[10]：土壤容重采用環刀法測定；土壤顆粒分析采用吸管法測定，質地采用國際制分類；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；硝態氮采用CaSO4浸提—紫外分光光度計法測定；陽離子交換量采用1 mol/L乙酸銨交換法測定；土壤水分擴散率測定詳見參考文獻[11]。

1.4 土壤中硝態氮水平運移試驗

1.4.1 試驗裝置 室內水平擴散率儀裝置如圖1所示。采用長100 cm、寬20 cm、高10 cm的長方形有機玻璃擴散槽，通過馬氏瓶控制水頭并以入滲土體懸殊的厚長比來消除重力勢和壓力勢對水分入滲的影響，使入滲水分在土樣基質吸力作用下作水平入滲，以模擬田間水平入滲(圖1)。

圖1 土壤水分擴散率裝置示意圖

1.4.2 硝態氮的水平擴散試驗 采集不同生物質炭施用量〔C0(0 t/hm2，不施用生物質炭)，C1(2.5 t/hm2)，C2(5 t/hm2)，C3(10 t/hm2)，C4(20 t/hm2)，C5(30 t/hm2)，C6(40 t/hm2)〕土壤樣品(其中C1處理由于生物質炭施用量太少，對試驗結果影響不顯著，因此本文沒有對該用量進行分析)，除去植物根系及石塊后將所采集的土壤風干、研磨，并全部通過20目篩，按田間實測的容重稱取14.76，14.64，14.64，14.52，14.41，14.28 kg分別填裝入水平擴散率儀中，各處理的土壤性質詳見表1。配制濃度為200 mg/L的硝態氮溶液作為示蹤液，用馬氏瓶控制水頭，進行硝態氮水平擴散試驗。當硝態氮水平運移的濕潤峰到達4，8，12，16，20，24，28，32，36，40，44，48，52，56，60 cm時，分別記錄時間。當濕潤峰到達約60 cm左右時，停止硝態氮水平運移，自濕潤峰處端開始將土柱分成4 cm的小段，立即用取樣器依次分段取樣，測定土壤含水量和土壤樣品的硝態氮濃度，每個處理分別測定3次重復。

1.5 數據處理

采用Excel 2013軟件對數據進行處理和作圖，采用DPS數據處理系統進行方差分析和多重比較(α=0.05)。采用SPSS 20.0統計分析軟件進行相關性分析(α=0.05)。

表1 不同處理土壤基本理化性質

2 結果與分析

2.1 生物質炭對硝態氮水平運移速率的影響

水平擴散率儀中的硝態氮水平運移受溶質的濃度梯度、土壤基質勢以及水勢梯度的多重影響。在硝態氮運移過程中，硝態氮的運移速率隨著運移距離的增加而逐漸減小，因此可以通過運移速率隨著運移距離變化的規律研究施用生物質炭對硝態氮水平運移速率的影響。不同生物質炭處理下變化趨勢基本相同，其運移速率與運移的距離呈冪函數關系(圖2)。

圖2 不同生物炭施用量硝態氮運移速率與運移距離關系

經統計分析，6個處理下硝態氮水平運移速率與運移距離的相關關系均達到了極顯著水平(相關系數分別為：r0=0.992 8**，r2=0.961 2**，r3=0.992 2**，r4=0.976 6**，r5=0.977 9**，r6=0.991 6**，n=15)。由圖2可知，生物質炭施用量不同，各處理的硝態氮運移曲線也發生了分異。在4 cm 處，所有處理的硝態氮水平運移均較快，CK處理中硝態氮的水平運移速率最小為0.44 cm/min，而C5處理中硝態氮的水平運移速率最大為0.62 cm/min。與CK處理相比，施用生物質炭的其他5個處理(C2,C3,C4,C5和C6)運移速率均顯著上升(p<0.05)，其增幅分別為：10.72%，25.94%，42.39%，53.62%和40.65%，其中C5處理達到最大值為0.62 cm/min。在0—20 cm區間內，除了C6處理外，其他處理硝態氮的水平運移速率均隨施炭量的不斷增加而呈增加趨勢，當生物質炭施用量達到40 t/hm2(C6處理)時，與C5處理相比，硝態氮的水平運移速率整體出現降低的趨勢。所有處理硝態氮的水平運移速率隨運移距離的整體變化基本一致，即在0—20 cm 區間內6個處理硝態氮的運移速率迅速下降，在20 cm處，所有處理的硝態氮運移曲線基本接近并開始匯聚。20—60 cm區間內硝態氮的運移速率趨于平緩，在60 cm處各處理的硝態氮水平運移速率最低，接近于零。

2.2 生物質炭對硝態氮水平運移濃度的影響

土壤含水量、非飽和濃度梯度、土壤水擴散率和生物質炭的吸附作用等對硝態氮水平運移濃度影響較大，其中，硝態氮水平運移濃度隨土壤含水量增加而降低。由硝態氮水平運移濃度和土壤含水量之間的關系可以更好的得出施用生物質炭對硝態氮在土體的水平運移產生重要影響。不同生物質炭處理下土壤含水量與硝態氮運移濃度關系的變化趨勢基本上一致，均呈負冪函數變化(圖3)，二者的相關系數均達到極顯著水平(不同生物質炭處理下硝態氮水平運移濃度與土壤含水量的相關系數r分別為r0=0.948 0**，r2=0.911 5**，r3=0.841 8**，r4=0.958 1**，r5=0.894 8**，r6=0.981 9**，n=15)。隨著土壤含水量的增加，硝態氮的水平運移濃度不斷降低。由圖3可知，所有處理的硝態氮濃度最大值均出現在濕潤峰峰面上。C5處理的硝態氮濃度最大值為165.52 mg/kg，也是所有處理中的最高值，并且其整體硝態氮濃度也要比其他處理高；CK處理的硝態氮濃度最大值為145.23 mg/kg，是所有處理中的最低值。與CK處理相比，其它施用生物質炭的5個處理(C2,C3,C4,C5和C6)的濕潤峰峰值均有不同幅度的增加，其增幅分別為：3.74%，10.61%，12.66%，13.97%和10.31%。在硝態氮運移濃度隨土壤含水量變化曲線中，C5處理的整體硝態氮濃度較其它處理表現為最高。

圖3 不同生物炭施用量土壤含水量對

2.3 生物質炭對土壤水擴散率的影響

非飽和土壤水擴散率與土壤水分密切相關，其隨土壤含水量的增加而增加。水平方向上的非飽和土壤擴散率實際上反映了土壤水分在水平方向上運移的軌跡，即水流主要流動方向的擴散狀況。硝態氮在土壤中水平運動時，其濃度受到非飽和土壤擴散率的影響，隨土壤水分擴散率的升高而下降，并呈對數曲線變化(圖4)。土壤水擴散率與對應的硝態氮濃度相關系數在各處理中均達到極顯著水平(不同生物質炭處理土壤水擴散率與硝態氮的水平運移濃度的相關系數r分別為r0=0.854 8**，r2=0.939 8**，r3=0.859 9**，r4=0.850 2**，r5=0.827 9**，r6=0.688 7**，n=15)。由圖4可知：土壤水擴散率隨著生物質炭施用量的增加呈逐漸降低的趨勢。當土壤水擴散率小于2 cm3/min時，硝態氮的水平運移濃度隨土壤水擴散率的增大而急劇減小，當土壤水擴散率大于2 cm3/min時，硝態氮的水平運移濃度隨土壤擴散率的增大變化幅度趨于平穩。

圖4 不同生物炭施用量硝態氮水平運移濃度與土壤水分擴散率的關系

3 討論與結論

硝態氮是一種非吸附的溶質，不易被分配到土壤的吸附位點上，因此土壤孔隙、容重及質地等物理特性是影響硝態氮在土壤中水平運移的主導因素。本試驗中，處理CK硝態氮的運移速率和運移濃度最小，這是因為CK處理無生物質炭施入，紅壤自身容重大及孔隙度低的特點阻礙了硝態氮在土壤中的運移。而生物質炭施入土壤后，由于生物質炭顆粒較粗，可以改善紅壤質地較為黏細，結構較差，大孔隙比例較低的特性，增加了樣品中大孔隙的比例[12]。并且其多孔高比表面特征，對土壤容重有降低效果。土壤中存在明顯的大孔隙時溶質便會優先穿越，此時吸附作用對溶質運移的影響作用將會較小[13]，致使硝態氮在土壤中運移速率和運移濃度增大，當生物質炭施入量為30 t/hm2時這種效果促進最為明顯。另外，土壤基質勢也是影響硝態氮在土壤水分擴散裝置中運移的重要因素。土壤基質勢是由土壤基質的吸附力和毛管力造成的勢能，是硝態氮在土壤中水平運移的水平吸力，主要受到土壤容重和孔隙度的影響。生物質炭的施入使土壤通氣狀況得到改善且土壤水分入滲率增大，這使得硝態氮在運移過程中所受到的土壤基質勢和水勢梯度大大增加，導致硝態氮水平運移速率和濃度不斷提高。

非飽和土壤水擴散率,又叫擴散度或擴散系數,它是運用土壤水動力學基本原理建立土壤水運動的數學模型。硝態氮在土壤中作水平運移時，其濃度受到非飽和土壤擴散率的影響，隨土壤水分擴散率的降低而增大。在本研究中，隨著生物質炭施用量的增加，土壤水擴散率較CK呈不斷降低的趨勢，這是因為生物質炭通過直接和間接作用影響了土壤水的擴散過程。一方面，生物質炭可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度和飽和導水率，使土壤的通氣透水性得到改善，在相同類型的土壤中，土壤容重越小，孔隙度越大，土壤中的機械彌散作用就越小，從而導致土壤水擴散率變小。另一方面，生物質炭發達的孔隙結構使其存在著各種大小不一的孔隙，且其比表面積大，表面具有大量負電荷及高電荷密度的特點[18]增加了土壤膠體的含量。有研究[19]表明，土壤水分擴散率受土壤膠體影響較大，土壤膠體的晶格表面容易與水分子結合形成氫鍵而束縛水的運動，其水分子也會被束縛在膠體表面，從而降低膠體表面水的活度。生物質炭施入土壤后使土壤水在運動的過程中被束縛在膠體表面的水分子不斷增多，從而導致了土壤水擴散率不斷降低。

本研究采集不同生物質炭施用量的土壤進行室內水平運移模擬試驗，以研究施用生物質炭對旱地紅壤硝態氮的水平運移過程。研究結果表明，在旱地紅壤中，與CK處理相比，施用生物質炭的5個處理的硝態氮水平運移速率和水平運移濃度均顯著提高(p<0.05)。當生物質炭施用量≤30 t/hm2時，隨著生物質炭施用量的增加，硝態氮水平運移速率和水平運移濃度均表現為上升趨勢，C5處理的變化曲線整體表現為最大，當生物質炭施用量為40 t/hm2時(C6處理)，與C5處理相比，這種促進作用有所減弱。因此，在利用生物質炭改良旱地紅壤理化性狀的同時，也要注意防范氮素流失對環境的影響，降低其對地表水的潛在污染風險。

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HAN Zhaoqiang1, CHEN Xiaomin1, TAO Pengchuang1, JIN Zewen1, ZHANG Xiaoling1, HUANG Qianru2

(1.College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing， Jiangsu 210095, China; 2.Red Soil Institute, Jinxian, Jiangxi 331717, China)

biochar;redsoil;nitratenitrogen;horizontaltransport

A

： 1000-288X(2017)04-0047-05

： S153.3

2016-11-14

：2016-12-30

國家重點研發計劃項目“耕地地力影響化肥養分利用的機制與調控”(2016YFD0200305)； 江西省科技支撐項目(20151BBF60060)。

韓召強(1992—),男(漢族),山東省濟寧市人，碩士研究生,研究方向為水土資源利用及旱地紅壤改良。E-mail:2015103064@njau.edu.cn。

陳效民(1957—),男(漢族),江蘇省張家港市人，博士,教授,博士生導師,主要從事水土資源與環境物理過程研究。E-mail:xmchen@njau.edu.cn。