兩種生物質(zhì)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(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)增產(chǎn)、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(huán)境污染問題日益突出。如何采取措施來減少土壤養(yǎng)分淋失、提高肥料利用率、減少環(huán)境污染是人們長期關注的問題。近年國內(nèi)研究主要采用生態(tài)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(yǎng)分尤其氮素的流失［1－6］。近年，生物質(zhì)炭作為一種功能材料在農(nóng)業(yè)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(zhì)炭減少土壤養(yǎng)分淋失的研究日益增多［12－16］。生物質(zhì)炭能夠影響氮素在土壤的轉(zhuǎn)化和遷移行為，但其效果因生物質(zhì)炭性質(zhì)、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(nóng)業(yè)的傳統(tǒng)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，也是農(nóng)民增收的支柱產(chǎn)業(yè)。2013年煙臺市蘋果種植面積接近20萬hm2，產(chǎn)量達460萬t，蘋果產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達110多億元。但是，蘋果樹對養(yǎng)分的需求量較高，而果農(nóng)又習慣于大水漫灌，造成果園土壤礦質(zhì)養(yǎng)分大量流失。據(jù)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(chǎn)區(qū)，蘋果樹每年修剪和老齡果園重茬改造等會產(chǎn)生大量廢棄果樹枝條。若將這些廢棄有機物制備成生物質(zhì)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(huán)保利用出路，另一方面可能減少果園土壤養(yǎng)分流失。

《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006－2020年)》在農(nóng)業(yè)領域發(fā)展思路中指出:“發(fā)展農(nóng)林剩余物資源化利用技術以及農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合整治技術，促進農(nóng)業(yè)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高農(nóng)林生態(tài)環(huán)境質(zhì)量”，鼓勵和支持將農(nóng)林秸稈等有機廢棄物轉(zhuǎn)化利用。通過室內(nèi)模擬土柱試驗，筆者探討不同種類生物質(zhì)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(zhì)炭、提高氮肥利用率、倡導新型果園管理模式提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 供試土壤和生物質(zhì)炭性質(zhì) 供試土壤取自國家蘋果優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培示范園(山東省文登市澤頭鎮(zhèn)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(zhì)壤土，土壤風干后過2 mm篩，備用。土壤化學性質(zhì)為有機質(zhì) 5．42 g/kg，全氮 0．34 g/kg，全磷0．18 g/kg，全鉀26．2 g/kg，銨態(tài)氮 0．12 mg/kg，硝態(tài)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(fā))在缺氧條件下350℃炭化2 h制備。生物質(zhì)炭化學性質(zhì)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(zhì)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(tài)氮復合肥，其中N、P2O5、K2O含量均為15%)。生物質(zhì)炭和氮磷鉀肥用量水平根據(jù)研究以往的施用經(jīng)驗設計［19－20］，相當于果園推薦生物質(zhì)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(zhì)炭的化學性質(zhì)

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(nèi)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(wǎng)(160目)，然后鋪一層脫脂棉(厚約0．3 cm)，最后再鋪一層細篩網(wǎng)(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(wǎng)(隔開土層)，再將各處理(生物質(zhì)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(wǎng)(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(wǎng)(160目)，之后再平鋪1 cm厚的石英砂以防止側(cè)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(zhì)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(yǎng)分，另一方面可防止氮素揮發(fā)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(yǎng)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(nèi)。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?shù)啬昶骄涤炅?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(jié)束后，將土柱內(nèi)濕土全部倒出，根據(jù)篩網(wǎng)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(nèi)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(yǎng)分淋失量的結(jié)果均換算成單位質(zhì)量干土的淋失量(以N計，mg/kg)。試驗數(shù)據(jù)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(jié)果與分析

2．1 不同種類生物質(zhì)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(zhì)炭對土壤水分的保持作用，可將土柱總淋溶體積統(tǒng)一扣除上層、下層產(chǎn)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%?？梢?，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(zhì)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(shù)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(zhì)炭與對照以及生物質(zhì)炭、化肥混施與單獨施用化肥相比，生物質(zhì)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(zhì)炭未改變土壤淋溶液pH的變化動態(tài)。

2．2 不同種類生物質(zhì)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(zhì)炭處理(DC、GC)幾乎未發(fā)生NH4+-N的淋失;NH4+-N的淋失主要發(fā)生在有化肥施入的處理(F、DCF、GCF)，且化肥與生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)炭處理之間差異也不顯著;之后土壤NH4+-N淋失量趨于穩(wěn)定，維持在3．4 ～5．0 mg/kg之間，生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)炭的影響，但化肥(銨態(tài)氮復合肥)中NH4+-N隨水淋失的比例非常高，化肥混施生物質(zhì)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(jīng)過2個月的淋溶后，不同種類生物質(zhì)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(nèi)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(jīng)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(wěn)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(zhì)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(zhì)炭和化肥(銨態(tài)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(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)化，同時可能激發(fā)土壤有機氮的礦化轉(zhuǎn)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(tài)氮、有機氮的轉(zhuǎn)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(zhì)炭對土壤NO3－-N的影響不盡相同。兩種生物質(zhì)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(zhì)炭對土壤淋溶液體積和p H的影響 研究表明，施用生物質(zhì)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(zhì)炭增加土壤的持水能力。這與王峰等［12－13，15－16，21］研究結(jié)果基本一致。分析原因，一是生物質(zhì)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(zhì)炭可以通過其發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)吸附和保持水分，在土壤中添加生物質(zhì)炭可起到一定的保水效果［23］;第三，生物質(zhì)炭可以吸附土壤有機分子，提高土壤養(yǎng)分吸持容量及持水容量［24］。此外，生物質(zhì)炭施入土壤后的持水性能與土壤質(zhì)地有關。有研究表明，砂性土壤施用生物質(zhì)炭可提高土壤持水量［25］。

由于生物質(zhì)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(zhì)炭施用量對土壤淋溶液pH不會產(chǎn)生太多的影響。

3．2 生物質(zhì)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(zhì)炭處理(DC、GC)土壤NH4+-N淋失和滯留均不受是否施入生物質(zhì)炭的影響(試驗用土壤和生物質(zhì)炭NH4+-N含量極低)。但是，生物質(zhì)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(jié)果不盡相同，即當生物黑炭和肥料配施后，生物質(zhì)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(tài)氮吸附能力得到明顯的促進，土壤對銨態(tài)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(tài)氮和銨態(tài)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(zhì)炭施用量會促進氮素的淋失。生物質(zhì)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(jīng)驗值［19－20］，過高的生物質(zhì)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(zhì)炭添加能夠增強土壤對銨態(tài)氮的吸附能力和對土壤硝態(tài)氮的有效固定，但不同性質(zhì)和添加量的生物質(zhì)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(zhì)炭和化肥(銨態(tài)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(zhì)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(zhì)炭的種類有關。經(jīng)蘋果枝條炭和稻殼炭電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)二者孔隙結(jié)構(gòu)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(guī)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(zhì)炭施入土壤，會導致土壤水分通過基質(zhì)的移動性降低。生物質(zhì)炭可能通過微孔將毛細管力固持住的包含養(yǎng)分的水分滯留在土壤中而促進養(yǎng)分吸附［26］。有關生物質(zhì)炭對土壤氮素的吸持作用仍需進一步研究。

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