生物炭配施沼液對淋溶狀態下土壤養分的影響

王忠江 張 正 劉 卓 王麗麗 司愛龍 曹 振

(1.東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030； 2.寒地農業可再生資源利用技術與裝備黑龍江省重點實驗室， 哈爾濱 150030)

0 引言

我國是一個農業大國，廣大農戶為了追求糧食產量在生產過程中大量甚至過量施用化肥已成為一個普遍現象[1]。但是，施用在耕地的肥料僅有一部分被作物吸收，一般作物對于肥料的利用率不高于30%，其余大部分隨雨水或者灌溉水的下滲而向下遷移，不僅導致資源浪費，還造成地下水污染[2-4]。同時，我國近年來大力提倡有機農產品的生產，沼液作為一種非常好的生物有機肥得到了一定的應用和推廣[5-6]，但沼液是一種液態肥，施用后更容易下滲到較深層土壤，使沼液中的養分得不到有效利用，并污染地下水[7-9]。

生物炭是生物質在高溫低氧或無氧條件下，高溫裂解而產生的一類化學性質穩定的高度芳香化富碳固體物質[10]。生物炭孔隙結構發達、比表面積巨大，有較強的吸附性能，作為一種新型的功能材料添加到土壤中，對改良土壤的物理化學性質，提高作物生產效率發揮重要作用[11-13]。研究表明，生物炭添加土壤后能夠增加土壤對于其營養元素的持留能力，增加養分含量，減少其淋溶損失[14-17]。目前，對于生物炭對土壤的研究主要集中在生物炭對于土壤的理化性質影響，以及土壤營養的特定礦質元素的淋失和轉化的影響研究[18-19]，使用的肥料也都為固態的化肥，而使用液態生物有機肥沼液的相關研究鮮見報道。因此，探明在施用液態生物有機肥沼液的條件下，影響土壤主要營養元素的因素主次順序，掌握各種因素條件下對主要營養元素的淋溶動態的影響規律，以及淋溶后土壤垂直剖面主要營養元素的含量分布，對于生物炭和肥料的正確、高效利用具有重要參考意義。但目前對于此方面的系統性研究較少。本文對添加生物炭土壤的氨態氮、硝態氮、速效磷、速效鉀營養元素在淋溶條件下的淋失動態和伴隨淋溶的養分下滲后土壤養分分布，以及影響養分淋失的生物炭添加量、淋溶強度和沼液添加量3種因素的作用規律進行系統性研究，以期為生物炭和沼液的資源化科學利用奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗時間及供試材料

試驗于2017年10—12月在東北農業大學生物質能源試驗室進行。試驗所用土壤(砂壤土)取自東北農業大學工程學院西側試驗田(45°45′28.66″N，126°43′45.54″E)，土樣采集深度為地表耕層0～20 cm，采樣自然風干后破塊，剔除肉眼可見根系殘葉等有機物質，過2 mm篩備用。試驗用生物炭為楊木炭，生產后研磨粉碎過1 mm篩。所用生物炭的BET比表面積為14.316 m2/g，總氮質量比為5 669.27 mg/kg，硝態氮質量比為4.58 mg/kg，速效鉀質量比為2 970 mg/kg。所用沼液取自哈爾濱呼蘭市孟家鄉養殖場，發酵原料為豬糞，沼液的總固體質量分數為0.36%，pH值為7.72，粘度1.58 mPa·s，總氮質量濃度862.47 mg/L，氨態氮質量濃度為762.21 mg/L，硝態氮質量濃度為27.839 mg/L，速效磷質量濃度為9.324 mg/L，速效鉀質量濃度為490.68 mg/L。所用土壤類型為砂壤土，土壤容重為1.12 g/cm3，總固體質量分數為84.49%，pH值為7.45，有機質質量比為48.0 g/kg，硝態氮質量比為5.59 mg/kg，氨態氮質量比為0.685 mg/kg，速效磷質量比為1.29 mg/kg，速效鉀質量比為8.45 mg/kg，土壤的顆粒含量分別為：砂粒65.04%、粉粒24.37%、黏粒10.59%。

1.2 試驗設計

在室溫((20±2)℃)條件下，通過室內土柱模擬試驗，采用正交試驗設計方法進行三因素三水平試驗，系統研究生物炭添加量、淋溶強度和沼液施加量對氨態氮、硝態氮、速效磷、速效鉀養分淋失動態規律和淋溶結束后土壤垂直剖面上各主要養分含量分布的影響規律，根據小雨、中雨和大雨的降雨強度以及試驗所用土柱的截面積計算出本試驗每次的總淋溶量分別為46、137、250 mL。試驗各因素設置水平見表1。試驗共設9個處理，分別為2%生物炭添加量+46 mL淋溶強度+100 mL沼液施加量(處理1)、2%生物炭添加量+137 mL淋溶強度+200 mL沼液施加量(處理2)、2%生物炭添加量+250 mL淋溶強度+300 mL沼液施加量(處理3)、5%生物炭添加量+46 mL淋溶強度+200 mL沼液施加量(處理4)、5%生物炭添加量+137 mL淋溶強度+300 mL沼液施加量(處理5)、5%生物炭添加量+250 mL淋溶強度+100 mL沼液施加量(處理6)、10%生物炭添加量+46 mL淋溶強度+300 mL沼液施加量(處理7)、10%生物炭添加量+137 mL淋溶強度+100 mL沼液施加量(處理8)、10%生物炭添加量+250 mL淋溶強度+200 mL沼液施加量(處理9)。另外設0%生物炭添加量+46 mL淋溶強度+0 mL沼液施加量(處理10)和0%生物炭添加量+46 mL淋溶強度+200 mL沼液施加量(處理11)兩組試驗為對照組。

表1 正交試驗因素水平Tab.1 Levels and factors of orthogonal test

1.3 試驗方法

試驗所用土柱為聚氯乙烯圓柱管，土柱的內徑10 cm，高50 cm，底座打孔作為漏水孔，收集淋溶液。裝土前土柱底層設置3 cm厚用去離子水洗干凈后自然風干的石英砂，并鋪上兩層紗布，過濾淋溶液，防止土壤顆粒影響淋溶液性質。為減少試驗誤差，并保證各試驗組的可比性，在試驗土柱的裝填過程需要設置統一的裝填標準，在參照文獻[20-21]的基礎上，選擇本試驗土柱的容重為1.12 g/cm3。之后按照所確定容重將供試土壤混勻填入土柱，因實際生產過程中生物炭主要添加在表層，故設置試驗裝土40 cm高，其中上層0～20 cm為土壤和生物炭混合土樣，下層20～40 cm為原土壤。分層將試供土壤裝入土柱，壓實邊緣，避免貼壁縫隙形成邊際效應。表層再鋪設兩層紗布和石英砂，減少淋溶對土壤的沖擊和干擾。試驗過程中，各處理先添加去離子水1 000 mL至土壤飽和，然后施加沼液，之后每日進行淋溶處理并收集淋溶液。所收集淋溶液，過濾后采用連續流動分析儀(SAN++，荷蘭 SKALAR公司)測定氨態氮、硝態氮、速效磷、速效鉀的養分含量。淋溶結束后，測定土壤垂直方向不同深度剖面的土壤中各養分含量的質量比，取樣時垂直方向每5 cm為一個剖面取樣點。

土壤中各種營養元素含量的測定，稱取新鮮土壤樣品10.0 g于三角瓶中加入超純水50 mL后進行浸提處理。在(20±2)℃的恒溫水浴振蕩器中振蕩提取1 h，轉移40 mL混合液于50 mL聚乙烯離心管中，在3 000 r/min條件下離心分離10 min，取上清液用流動分析儀測定。

數據處理與分析軟件為Microsoft Excel 2013、Origin 9.1和SPSS 22.0。

2 結果與討論

2.1 氨態氮養分淋溶規律

淋溶試驗過程滲濾液中氨態氮含量如圖1所示。

圖1 滲濾液中氨態氮含量變化Fig.1 Variation of ammonia nitrogen content in leaching water

從圖1可看出，各試驗組滲濾液中的氨態氮含量的整體變化規律基本一致，各試驗組養分淋失量主要集中在試驗前8次淋溶，即整個試驗前期，之后滲濾液中的氨態氮含量逐漸減少并趨于穩定，其氨態氮淋失規律與高德才等[22]研究相吻合。但各組在滲濾液中氨態氮含量變化幅度方面仍存在一定的差異，如處理3的生物炭添加比例較小，而淋溶強度和沼液添加量均為最大時，其滲濾液中的氨態氮含量在整個試驗過程中的大部分時間內均處于較高水平。而對照試驗組即處理11施加沼液未添加生物炭的處理組，與處理4沼液施加量和淋溶強度相同的添加生物炭組相比，試驗前8次滲濾液中的氨態氮含量均高于添加生物炭的處理4組，試驗期間養分淋失累積量多出50.47%，這表明在土壤中添加生物炭能顯著增加土壤對氨態氮的滯留效果，可以達到較好的緩釋目的。此外從圖中還可以看出第1次淋溶(即施加沼液)時所得到的滲濾液中氨態氮含量相對較低，第2次淋溶時所得滲濾液中氨態氮含量升高，這表面上與沼液的氨態氮含量高而水及土壤的氨態氮含量低的現實相矛盾，主要是由于在本試驗進行施加沼液及淋溶之前先添加1 000 mL去離子水使土壤處于飽和狀態，當第1次淋溶(即施加沼液)時從土柱底部滲出淋溶液主要是施加沼液前添加的去離子水，而第2次淋溶時從土柱底部滲出淋溶液主要是第1次淋溶(即施加沼液)時添加的沼液，所以才會出現第1次淋溶(即施加沼液)時所得滲濾液中氨態氮含量相對較低，而第2次淋溶時所得滲濾液中氨態氮含量相對較高的現象。

淋溶結束后土壤中垂直剖面氨態氮含量分布如圖2所示。

圖2 土壤中氨態氮質量比變化Fig.2 Variation of ammonia nitrogen mass ratio in soil

從圖2可看出，各添加生物炭處理組的土壤氨態氮養分主要分布在上層土壤。添加生物炭的0～20 cm深度土壤氨態氮的含量顯著高于未添加生物炭的下層20～40 cm深度土壤，未添加生物炭的處理10和處理11土壤氨態氮含量隨著土壤深度的增加，基本無明顯變化且始終處于較低水平，這主要是由于生物炭具有較好的對氨態氮養分的滯留效果，使沼液中的氨態氮養分在較強的水淋溶狀態下仍大量存留在施加生物炭的0～20 cm土壤有效耕層內。但添加生物炭的上層0～20 cm深度土壤中氨態氮含量變化在不同處理之間存在一定差異，處理5和處理9在0～5 cm深度其含量有所上升，其余添加生物炭處理組則在0～10 cm深度土壤中的氨態氮質量比的變化規律基本保持一致，且呈減少趨勢，在15 cm深度又有小幅度增加。添加生物炭層，處理5和處理7的氨態氮質量比顯著(P<0.05)高于其他處理組，其次是處理9，其余處理組的質量比則相對更加集中，差異不大，在0.05的置信區間無顯著差異性，這可能是因為處理5和處理7施加沼液量都為最大，生物炭添加量比較大，并且淋溶強度相對較小都有利于氨態氮養分在土壤中的存留。而在未添加生物炭的20～40 cm深度土壤氨態氮在較低的含量水平，保持穩定在1 mg/kg以下，且下層土壤氨態氮養分含量各處理之間在0.05置信區間也無顯著差異性。

2.2 硝態氮養分淋溶規律

淋溶試驗過程滲濾液中硝態氮含量如圖3所示。

圖3 滲濾液中硝態氮含量變化Fig.3 Variation of nitrate nitrogen content in leaching water

從圖3可看出，在試驗過程中各處理組的硝態氮養分淋失量的變化規律基本一致，由于硝態氮的養分存在形式是帶負電荷的陰離子，土壤以及生物炭對其吸附力較弱，各試驗組硝態氮養分淋失集中在試驗前期，在第8次淋溶之后各處理組硝態氮養分淋失量接近于零，基本無硝態氮養分的淋失，其養分淋失規律與邢英等[23]研究相吻合。各施加沼液處理組硝態氮養分淋失均在第2次淋溶時達到最大，在第3次迅速下降，之后保持緩慢下降趨勢，直到養分淋失量接近于零。處理3在第8次養分淋失量接近零前，養分淋失量顯著(P<0.05)高于其他處理組，其次是處理2，其余處理組的淋失量則無顯著差異，這主要是因為該兩組處理添加生物炭量最少，而沼液施加量和淋溶強度又相對較大。施加沼液組的硝態氮淋失量顯著(P<0.05)高于未施加沼液的對照處理10，未施加沼液處理僅在前兩次淋溶過程中有少量養分淋出，這說明施用沼液雖然可以顯著增加土壤中的硝態氮等營養成分含量，但在降水量較大的地區，如果不采取添加具有高吸附特性的生物炭等材料，則沼液中的養分不但無法保證被作物充分吸收，也存在較大的淋溶損失并污染地下水源的風險。在淋溶強度和沼液添加量相同的試驗條件下添加生物炭的處理4相對于未添加的對照組處理11，硝態氮養分累積淋失量減少12.13%，表明添加生物炭能夠減少土壤淋溶狀態下的硝態氮淋失，但減少幅度明顯小于氨態氮。

淋溶結束后土壤垂直剖面硝態氮含量如圖4所示。

圖4 土壤中硝態氮質量比變化Fig.4 Variation of nitrate nitrogen mass ratio in soil

從圖4可看出，添加生物炭處理的試驗組在垂直方向的硝態氮含量變化趨勢基本一致，即在0～6 cm的深度范圍內隨著深度的加大土壤中的硝態氮含量逐漸升高，并在6 cm深度處各組的硝態氮含量達到各自的最高值，之后開始逐漸下降，并在原土交界處減少至較低水平，在下層20～40 cm土壤中養分含量隨深度的增加無顯著變化。各添加生物炭的處理組上層取樣點硝態氮含量均高于下部分的原土層，可見生物質炭對于硝態氮隨水向下遷移有較好的滯留作用。添加生物質炭的處理4在0～20 cm硝態氮含量顯著(P<0.05)高于對照處理11，表明生物炭對于硝態氮有吸附作用，添加生物質炭可以增加土壤中硝態氮養分含量。硝態氮為負電荷離子，相較于其他養分離子，不易被生物炭以及土壤團粒結構吸附[24]，所以在土壤表面淋溶處理后，養分向下遷移集中在6 cm深度左右。所有處理組下層原土中硝態氮的含量無明顯差異，硝態氮隨水向下遷移并不會增加下層土壤的養分含量。此外，雖然淋溶后期各處理淋溶液中已基本無硝態氮養分淋出，但淋失結束后添加生物炭處理組0～20 cm深度的混施炭層仍存在大量硝態氮養分，這說明生物炭對硝態氮具有較好的吸附性，但生物炭對硝態氮的吸附也有一個飽和吸附量。

2.3 速效磷養分淋溶規律

淋溶試驗過程滲濾液中速效磷含量如圖5所示。

圖5 滲濾液中速效磷含量變化Fig.5 Variation of available phosphorus content in leaching water

從圖5可看出，在淋溶過程中各試驗組滲濾液中的速效磷含量在各自的養分含量水平沒有出現較大的波動點，各試驗組在前兩次淋溶滲濾液中速效磷含量的變化規律相一致，均呈現減少趨勢。各試驗組滲濾液養分含量達到最低點后，再次上升達到一個較高值后開始小幅度下降，并逐漸趨于穩定，這與生物炭對速效磷養分的吸附，以及養分在淋溶狀態下的向下遷移有關。但各試驗組再次出現的滲濾液養分含量的較大值的時間有所差異，多數處理出現在第4次淋溶，處理9略有提前，出現在第3次淋溶，可能是因其最大的生物炭添加量增加了上層土壤的孔隙度，并有最大的淋溶強度。處理4的滲濾液中速效磷含量的最大值出現在第8次，而沼液添加量和淋溶強度相同但無生物炭添加的對照試驗組處理11，養分淋失集中在前兩次淋溶過程，之后基本無養分隨滲濾液流失。試驗后期滲濾液中速效磷含量的穩定值，具有最少生物炭添加量，較大淋溶強度以及較大沼液施加量的處理3顯著(P<0.01)高于其他處理組，處理1、處理7和處理10接近零，幾乎不再有速效磷養分的淋失。

淋溶結束后土壤垂直剖面速效磷含量如圖6所示。

圖6 土壤中速效磷質量比變化Fig.6 Variation of available phosphorus mass ratio in soil

從圖6可看出，各處理速效磷養分含量變化總趨勢隨著土壤深度的增加略有下降，其養分主要集中在表層和6 cm左右深度。添加生物炭的0～20 cm深度土層的各剖面土壤中的速效磷含量的平均值略高于未添加生物炭的下層土壤，且上層變化波動較大，未添加生物炭的下層20～40 cm深度原土壤中養分含量則相對穩定。說明土壤中添加生物炭對速效磷養分也有一定的滯留效果，與YAO等[25]研究結果相吻合。各試驗組土壤垂直剖面速效磷含量變化趨勢存在一定差異，處理5、處理4、處理7和處理6主要集中在6 cm深度，其中以處理5的含量最高，達到1.93 mg/kg，之后隨深度增加整體呈現下降趨勢，其他處理則無明顯規律特性。對照試驗組處理11施加沼液未添加生物炭的處理組，其養分含量在各深度剖面均低于沼液添加量和淋溶強度相同的添加生物炭試驗組處理4，其垂直方向養分含量分布也相對更加具有一致性，說明生物質炭對土壤中的速效磷具有較好的吸附效果。

2.4 速效鉀養分淋溶規律

淋溶試驗過程滲濾液中速效鉀含量如圖7所示。

圖7 滲濾液中速效鉀含量變化Fig.7 Variation of available potassium content in leaching water

從圖7可看出，各試驗處理組滲濾液中的速效鉀養分含量變化相一致，淋溶開始至第2次下降，在之后的淋溶滲濾液中速效鉀養分含量呈現先上升再下降的趨勢，在淋溶后期下降緩慢并逐漸趨于穩定。但各組在滲濾液中速效鉀養分含量上升過程的時間，以及變化幅度存在一定差異，試驗處理1、處理2、處理3共3組淋溶液中速效鉀含量率先在第6次及之前淋失時增加到最大值后開始緩慢減少，而其余處理組則均在第7次及之后淋失更遲地達到養分淋失最大量，這是由于此3組處理生物炭均為最小添加量，使得生物炭對速效鉀養分的吸附滯留作用相對較弱。此外，由于處理3生物炭添加量較少，卻有著最大的沼液添加量和最大的淋溶強度，在整個淋溶過程中其淋溶液中速效鉀的含量基本處于最高水平，其含量的變化幅度也相對更大。而試驗對照組未添加生物炭的處理10 和處理11滲濾液中速效鉀養分含量則隨著淋溶的進行呈減少趨勢，并淋失集中在前期，在第7次淋溶之后逐漸達到穩定狀態，穩定后淋溶液中速效鉀含量水平低于其余試驗組。

淋溶結束后土壤垂直剖面速效鉀含量如圖8所示。

圖8 土壤中速效鉀質量比變化Fig.8 Variation of available potassium mass ratio in soil

從圖8可看出，各試驗組處理垂直方向剖面，上層0～20 cm層土壤中速效鉀含量有較大差異，其分布特征也存在一定差異，在添加生物炭土壤和原土交界處其速效鉀養分含量迅速降低，之后隨深度增加各處理組中的速效鉀含量逐漸趨于穩定，并均維持在一個較低的水平，說明各個因素均對下層土壤中速效鉀含量無明顯影響。各試驗組添加生物炭的上層0～20 cm層土壤中速效鉀含量顯著(P<0.05)高于未加生物炭的下層土壤，其中以最大生物炭添加量及最小淋溶強度和最多沼液添加量的處理7的含量最高，平均質量比102.28 mg/kg，與其他各組的差異達到極顯著水平(P<0.01)。上層0～20 cm添加生物炭土層中垂直剖面速效鉀含量分布，處理7、處理8和處理9主要分布在5～15 cm深度，其余處理各剖面速效鉀含量小幅度變化，相對較穩定，無明顯特征。兩個對照處理組，土壤中速效鉀養分含量在整個垂直剖面相對一致，無明顯變化，含量也是所有處理中最少，在3 mg/kg左右。說明添加生物炭不僅提高了整體速效鉀養分含量，對垂直剖面養分分布特性也產生影響。這主要是由于生物炭能夠有效吸附鉀離子的特性，同時其本身也攜有大量速效鉀養分[26]。

2.5 養分淋溶規律因素分析

各試驗組累積養分淋失量結果與極差和方差分析如表2和表3所示，A、B、C分別為生物炭添加量、淋溶強度和沼液施加量水平值。

表2 累積養分淋失量結果與極差分析Tab.2 Range analysis of accumulation leaching loss of nutrient

表3 累積養分淋失量方差分析Tab.3 Variance analysis of accumulation leaching loss of nutrient

從表2的各養分累積淋失量的極差分析可知，3種因素生物炭添加量、淋溶強度和沼液施加量對氨態氮、速效磷、速效鉀的淋失量影響大小順序表現一致，其中淋溶強度對此3種養分的淋失影響最大，其次是生物炭添加量，沼液施加量影響最小。硝態氮所受因素影響規律與其他養分不同，生物炭添加量影響最大，其次是沼液施加量，而淋溶強度對其影響最小，這可能是因為硝態氮不易被土壤團粒結構所吸和生物炭表面集團所吸附的性質[16]，易隨水遷移流失，導致硝態氮在試驗過程前期已大量淋失，而后期淋溶只有極少量淋出，使得淋溶強度對于硝態氮的淋失影響小于其他兩個因素。從表2中的各養分指標累積淋失量還可知，當生物炭添加量10%時，對于減少養分的淋失有較好作用效果。綜合累積養分淋失量分析，各處理約50%～90%的養分在前5次淋溶時隨滲濾液濾出。試驗方差分析結果見表3，可知生物炭添加量和淋溶強度對于氨態氮累積淋失量有顯著影響(P<0.05)，其余因素對累積養分淋失影響并不顯著，這一方面由于氨態氮具有揮發性的特點，而添加生物炭的上層耕層中對于氨態氮的吸附作用較強，能夠有效減少氨態氮的揮發[7]，另一方面因為添加生物炭增加了土壤的陽離子交換量，對于吸附帶正電的氨根離子產生積極作用[24]。因此在施加氨態氮肥時要注意參考耕地生物炭添加量以及選擇合適的澆水灌溉量，以減少養分損失，提高農業生產資料的利用效率。

3 結論

(1)生物炭添加量、淋溶強度、沼液施加量會直接影響淋溶過程養分淋失，各因素影響大小根據養分類型有所不同。氨態氮、速效磷、速效鉀相同，影響由大到小依次為淋溶強度、生物炭添加量、沼液施加量，而對于硝態氮淋失，則生物炭添加量為主要影響因素。在試驗范圍內生物炭添加量和淋溶強度對于氨態氮累積淋失量有顯著影響。綜合本試驗各項主要指標的變化規律，當生物炭添加量為10%時，對土壤養分的滯留具有較好的效果。

(2)土壤養分淋失主要集中在淋溶前期，各處理前5次累積養分淋失量所占總淋失量的比例在50%～90%之間。

(3)淋溶結束后土壤垂直剖面養分含量分布規律根據養分含量不同而有所差異，整體來說土壤0～20 cm深度含生物炭層土壤中各種養分含量均顯著高于未添加生物炭的20～40 cm深度的下層土壤，添加生物炭可有效增加淋溶狀態下養分在土壤中的滯留。