添加玉米秸秆生物炭对土壤养分淋失的影响

　　农田土壤养分淋失可导致土壤肥力下降、资源浪费，进而给经济效益造成损失，其中氮（N）、磷（P）的淋失还给水体环境带来潜在威胁。所以，如何采取措施减少土壤养分淋失、提高养分利用率，是人们长期以来关注的问题。生物炭（biochar）是生物质在低氧环境下，经过高温（300~700 ℃）热解而得到的一类具有比表面积大、孔隙多、吸附和稳定性强等特点的高度芳香化富碳物质。近年来，生物炭作为一种功能材料在农业上的应用引起广泛关注，其在土壤耕性改良、肥力提升及污染修复等方面呈现可观潜力[1-6].另外，有研究表明，在沙土中添加山核桃壳制成的生物炭不仅能提高土壤 pH 值，增加土壤有机碳、P、K、Ca 等含量，还能减少土壤 P、Ca 等养分的淋失[7]；在施用有机肥的土壤中，添加橡木和山核桃木制成的生物炭能减少 N、P 的淋失[8];在淋溶土及变性土中添加畜禽粪及桉木制成的生物炭后，土壤 N 的气态损失和淋溶损失均显著减少[9];李际会等[10]对我国北方潮褐土的研究发现，改性生物炭能够有效降低土壤 N、P 的淋失风险。可见，生物炭在控制土壤养分淋失方面有着很好的应用前景。

　　在我国云南烟区，由于水热充沛、土壤矿物风化程度高、土壤偏酸和有机质含量低以及不合理过量施肥等原因，土壤养分淋失问题尤为突出，这严重制约了当地烟叶的可持续生产。本研究以云南烟区的紫色土、赤红壤和黄棕壤 3 种典型土壤为研究对象，通过土柱淋洗模拟试验，研究了添加玉米秸秆生物炭对土壤硝态氮、磷、钾养分淋失的影响，以期为生物炭的合理广泛应用提供理论依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 供试材料

　　供试土壤采自云南省玉溪市烟田耕层土壤，分别为紫色土、赤红壤和黄棕壤，土壤经风干等处理后过2 mm 筛备用，其基本性质见表 1.供试生物炭为玉米秸秆在 360 ℃条件下不完全燃烧 24 h 制成的黑色粉末，其基本性质为：密度 0.28 g·cm-3,pH 值为 8.40,碳含量 649 g·kg-1,全氮 10.1 g·kg-1,硝态氮 6.16 mg·kg-1,全磷 10.8 g·kg-1,全钾 9.64 g·kg-1,将生物炭粉碎后过2 mm 筛，烘干备用。试验所用的氮、磷、钾肥料分别为尿素、过磷酸钙和硫酸钾，其氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）含量分别为 46%、18%和 50%.

　　1.2 试验设计

　　采用土柱模拟的方法进行研究，试验于 2014 年6-8 月在中国农科院温室内进行。试验设不加生物炭对照 CK（5 kg 土+氮磷钾肥）和添加生物炭（5 kg土+氮磷钾肥+0.5 kg 生物炭）2 个处理，生物炭添加水平根据以往研究经验设计[1-4].肥料添加量均为 30 gN、25 g P2O5、75 g K2O,按当地植烟农民习惯设计，每个处理重复 3 次。

　　将土、生物炭和肥料按所需比例混匀后，填装到高40 cm、内径16 cm 的底部封闭只留一出水孔的 PVC管中。土壤容重控制在 1.1 g·cm-3左右，以防止土壤过紧实对淋溶产生影响；在上部铺一层滤纸以防止水分淋溶对表层土壤的扰动；土柱底层铺一层 10 cm 厚浓酸洗过的玻璃珠与石英砂，以防止底层土壤流失。

　　土柱填装完后，加水至田间持水量的 70%预培养 2 d,之后每隔 4 d 用蒸馏水定量定时淋洗 1 次，共淋洗 14次。收集每一次的淋溶液并测定其体积和硝态氮、磷、钾含量。

　　1.3 测定指标、方法及数据分析

　　淋洗液中硝态氮、磷和钾的含量分别采用酚二磺酸比色法、钼锑抗比色法和火焰光度计法测定，计算每一次淋洗的以及累积的养分淋失量，测定结果均换算成单位质量干土的淋失量（以 N、P、K 计，mg·kg-1）。淋洗结束后测定土壤 pH 值。利用 SPSS 13.0 软件进行数据的方差分析。

　　2 结果与讨论

　　2.1 生物炭对土壤硝态氮淋失的影响

　　3 种土壤硝态氮淋洗量在培养试验前期均迅速增加，在培养的第 9~13 d 达到峰值，之后逐渐下降，53 d 后趋于平稳（图 1）。总的来说，3 种土壤在培养的中间阶段（17~53 d），添加生物炭处理土壤硝态氮淋洗量在各取样时期均显著低于对照处理。从土壤硝态氮累计的总淋洗量来看，3 种土壤均表现为添加生物炭处理土壤硝态氮淋洗总量显著低于对照处理，抑制率分别为：紫色土 16%、赤红壤14%、黄棕壤 22%,尤其以黄棕壤上的效果最明显。

　　土壤硝态氮淋溶受复杂的生物化学过程所控制，首先土壤有机氮经微生物矿化作用形成氨，氨经质子化作用生成铵态氮，铵态氮在硝化细菌作用下发生氧化反应生成硝态氮，硝态氮随水垂直迁移后发生淋溶。生物炭的绝大多数表面吸附点位归属于羧酸基和酚基功能团[11],这些负电荷表面点位不能吸附硝态氮，然而生物炭具有强大的吸附铵态氮以及可溶性有机氮的能力[8],所以我们认为，生物炭施入土壤后，主要是通过增加铵态氮以及可溶性有机氮的吸附，延长其滞留时间，进而缓解了硝态氮的形成过程以及淋溶损失。此外，生物炭施入土壤后，也可能对土壤氮素转化的酶以及微生物产生吸附作用，降低有关酶及微生物与尿素等有机氮及铵态氮的亲和力和接触机会，从而延缓了尿素等有机氮的矿化及铵态氮向硝态氮的转化，减少硝态氮的形成及淋溶损失[12].Laird 等[8]、Singh等[9]、李际会等[10]以及 Knowles 等[13]在其他类型土壤上的研究也得出与本研究一致的结果，不仅如此，Beck等[14]的研究表明施用生物炭能显著减少农田径流氮的损失。显然，施用生物炭对农田土壤氮素流失的抑制作用具有一定的普遍性。

　　2.2 生物炭对土壤磷素淋失的影响

　　总的来说，随培养时间延长，3 种土壤的磷淋洗量均呈现先增加后降低的趋势，尤以紫色土和赤红壤上的变化较为明显（图 2）。在整个培养期间，紫色土和赤红壤磷淋洗量均表现为添加生物炭处理显著低于对照处理，从淋洗总量来看，2 种土壤上的抑制率分别为 41%和 32%,尤以紫色土上的效果更明显。在黄棕壤上，添加生物炭处理和对照处理之间的磷淋洗量差异不明显。

　　尽管人们普遍认为磷素在土壤中的移动性较差[15],但磷素在土壤剖面下层中的高量累积现象确实有很多报道[16-18].本研究发现，在施用磷肥条件下，土壤磷素的淋溶损失十分明显。添加生物炭对土壤磷素淋溶损失影响的作用途径可能取决于两方面：一方面生物炭本身对磷酸盐及可溶性有机磷可能具有强烈的吸附固定作用[8];另一方面生物炭本身偏碱性，施入后导致本研究 3 种偏酸土壤的 pH 值均显著升高（图 3），进而可能增加磷的有效性。这两种作用途径，前者有利于控制磷的淋失，而后者则有利于促进磷的淋失，所以最终的结果取决于二者的平衡。在本研究的紫色土和赤红壤上，前者的作用可能多于后者，所以添加生物炭降低磷的淋失；而对于黄棕壤，二者的作用可能相当，所以正负作用相互抵消后表现为添加生物炭对土壤磷淋失没有显著影响。Novak 等[7]、Laird 等[8]以及李际会等[10]在其他类型土壤上的研究均发现，施用生物炭能够显著减少土壤磷素的淋失，这与本研究的紫色土和赤红壤上的结果一致，但与黄棕壤上的结果不同，这说明施用生物炭对土壤磷素淋失的影响作用表现出不确定性，受土壤类型的影响。

　　2.3 生物炭对土壤钾素淋失的影响

　　3 种土壤的钾素淋洗量随培养时间延长均呈现先增加后降低的趋势（图 4）。总的来说，在整个培养期间，紫色土和黄棕壤钾素淋洗量均表现为添加生物炭处理显著高于对照处理，从淋洗总量来看，两种土壤上的增加幅度分别为 19%和 23%.在赤红壤上，添加生物炭处理和对照处理之间的钾素淋洗量在各取样时期均差异不明显，淋洗总量亦无显著差异。

　　一方面，生物炭的表面吸附点位以及微孔理论上可以直接对钾素产生强烈的吸附作用；另一方面，pH值可以通过影响钾素的固定与释放、吸附与解吸来影响溶液中的钾素浓度，进而影响钾素迁移，钾的固定量一般随土壤 pH 值的升高而增加[19],所以添加生物炭后的土壤 pH 值升高可能有利于减少钾素淋失。然而，本研究结果显示添加生物炭后，尽管可能直接增加了对钾素的吸附固定，也显著提高了土壤 pH 值（图 3），但赤红壤钾素淋失量并没有减少，对于紫色土和黄棕壤的钾素淋失量更是发生显著增加。分析认为，这可能是由于生物炭本身携带一定量的钾素，其有效性亦可能较高，具体原因有待深入研究[8].Laird等[8]在其他类型土壤上的研究发现，施用生物炭能够显著增加土壤钾素的淋失，这与本研究的紫色土和黄棕壤上的结果一致，但与赤红壤上的结果不同，可见施用生物炭对土壤钾素淋失的作用效果受到土壤类型的影响。
　　
　　3 结论

　　基于土柱淋洗模拟试验，研究了添加生物炭对云南烟区 3 种土壤硝态氮、磷、钾养分淋失的影响。结果表明，添加生物炭后，紫色土、赤红壤和黄棕壤的硝态氮淋洗总量分别减少 16%、14%和 22%;紫色土、赤红壤的磷素淋洗总量分别减少 41%和 32%,黄棕壤磷素淋洗总量变化不明显；紫色土和黄棕壤的钾素淋洗总量分别增加 19%和 23%,赤红壤的钾素淋洗总量变化不明显。总的来说，施用生物炭是控制云南植烟土壤氮、磷淋失的有效措施。结合以往相关研究结果，生物炭对土壤氮素淋失的抑制作用具有普遍性，然而对土壤磷素和钾素淋失的影响作用具有不确定性，与土壤类型有关。为了进一步明确施用生物炭对土壤硝态氮、磷、钾养分淋失影响的机制和不确定性原因，今后应当加强土壤微生物及酶活性分析、土壤 pH 值以及养分量（尤其是钾素）控制等试验研究。