生物炭對茶園酸性紅壤氮素養分淋溶的影響

劉岑薇, 葉菁, 李艷春, 林怡, 王義祥

(福建省農業科學院農業生態研究所, 福建省紅壤山地農業生態過程重點實驗室, 福州 350003)

福建是我國茶葉生產的主要省份，全省共有茶園面積17.22萬hm2，茶葉產量24.5萬t，占全國茶葉總產量的19.2%[1]。施肥是農業增產的重要措施，近年來由于對茶葉產量效益的盲目追求，氮肥的施用量呈逐年上升的趨勢[2]，導致茶園土壤氮素累積，使茶園土壤pH普遍下降，超過一半以上的茶園土壤pH低于4.5[3]。氮素是茶葉生長必須的大量元素之一，過量施用氮肥，不僅導致肥料利用率下降，而且未能被作物吸收，是造成環境污染的重要來源。淋溶作用是土壤氮肥損失的主要途徑[4-5]，氮肥中的氮素基本以銨態氮的形式存在，但銨態氮可轉化為硝態氮，不易被土壤所吸附，從而引起地下水污染[6-7]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.2 試驗設計

設不施氮肥與生物炭為對照CK(C0N0)、單施常規量氮肥(C0N1)與兩倍氮肥(C0N2)、施常規量氮肥基礎上增施質量比為2%生物炭(C1N1)及常規量氮肥增施5%生物炭(C2N1)5個處理，每個處理設3次重復。常規量氮肥及兩倍氮肥施用量為0.15和0.3 gkg-1。

1.3 淋溶試驗

模擬試驗于2017年4月在室內進行，采用PVC圓柱管作為淋濾土柱，其圓柱內徑為7.5 cm，高度為40 cm。下端鋪3 cm厚石英砂(粒徑3 mm，起過濾作用)，在底部管口處墊上尼龍網(孔徑0.5 mm)，將圓柱管底部封緊。每個土柱土壤質量為2 kg。將生物炭與土壤充分混勻，0～5 cm土層添加肥料，充分混合，上層覆蓋一層1 cm厚的石英砂，防止加樣時破壞土層。根據試驗設計將土柱裝填后，從土柱下端出水口向上充水，直至液面到達土層以上，使土柱中土壤達到飽和，平衡24 h。結合實際茶園灌溉量和樣品測試需要，用蠕動泵控制流速，從上至下往每個土柱中泵入150 mL (相當于20 mm降水量)0.01 molL-1的CaCl2，以便提取土壤礦質氮，待到有淋溶液淋出時，為第一次淋洗。之后每隔4 d添加淋洗液150 mL，共淋洗10次，淋溶強度控制在10 mmh-1。

1.4 測試方法

1.5 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2013和SPSS 17. 0軟件進行統計分析，顯著性分析采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)。

2 結果與分析

2.1 施用生物炭對土壤pH的影響

不同處理的土壤pH結果(表1)可知，與C0N0相比，單施氮肥的2個處理(C0N1、C0N2)對土壤pH無顯著影響。與C0N1相比，增施生物炭的2個處理(C1N1、C2N1)pH增加了0.7～1.0個單位。說明生物炭添加可以顯著降低茶園紅壤的土壤酸度。

表1 不同處理的土壤pHTable 1 Soil pH of different treatments

2.2 施用生物炭對土壤淋溶液體積的影響

不同處理的土壤淋溶液體積結果(圖1)可知，整個試驗周期中各處理收集的淋溶液體積變化趨勢基本一致。在開始階段，除C2N1外，其余各處理土柱收集的淋溶液體積無顯著差異，淋溶液體積由小到大的順序為C2N10.05)影響。添加生物炭使土壤水分的淋失量降低，增大田間持水量，生物炭添加比例高的土柱持水效果好，這是由于生物炭擁有較大的孔隙度和比表面積，生物炭加入土壤后增加了土壤的大孔隙，因此增加土壤通氣性和土壤持水量。

2.3 施用生物炭對土壤淋溶液中TN的影響

不同處理的土壤淋溶液中TN含量結果(圖2)可知，增施氮肥有利于提高土壤溶液中總氮含量。與對照C0N0相比，增施氮肥處理土柱C0N1與C0N2顯著增加淋溶液中TN的淋失，其中，C0N2處理土柱淋溶液中TN含量增加幅度最大。添加生物炭處理C1N1、C2N1土柱與C0N1相比，土壤淋溶液中TN的含量顯著下降，且添加5%生物炭處理后的下降效果優于添加2%生物炭處理。

2.4 施用生物炭對土壤淋溶液中的影響

2.5 施用生物炭對土壤淋溶液中的影響

2.6 施用生物炭對土壤淋溶液中和累積淋失量的影響

表2 不同處理土柱淋溶液中和的累積淋失量Table 2 Accumulated amount of content of different treatments

3 討論

茶園土壤酸化是極為復雜的過程，受茶樹生長和無機氮肥的大量使用影響，茶園土壤pH呈下降趨勢，添加生物炭可改善茶園土壤理化性質，提高土壤pH。生物炭在控制農業土壤中氮淋溶損失方面具有良好的應用前景，但有必要根據生物炭的性質、施用量、土壤類型和肥力狀況來確定合理的施加方法。隨著氮肥用量的增加，土柱淋溶液中硝態氮、銨態氮的淋失量均呈現增加的趨勢。在常規施肥條件下，土壤中施入生物炭顯著降低土壤中全氮、硝態氮及銨態氮的淋失量，且施用量5%的生物炭處理的降低效果優于2%的生物炭施用量。總體來看，生物炭的增加，不僅能夠提高土壤持水性能，增強土壤對養分的吸附能力，也可以提高對氮素的固定作用，減輕過量施肥對環境的不良影響。就不同氮素形態而言，添加生物炭處理土柱中的淋溶液先檢測到硝態氮的淋失，說明生物炭對銨態氮的固持能力均優于硝態氮。本研究結果僅僅是室內土柱的模擬試驗結果，不能完全代表大田種植的實際情況，加上不同種類生物炭的應用效果可能會對試驗結果產生影響，這些都需要進一步研究。