施加炭基緩釋肥對土壤氮素流失的影響

陳 蕾, 高山雪, ZHOU George

(1.南京林業(yè)大學 土木工程學院, 南京 210037; 2.美國普渡大學 土木工程學院, 美國 印第安納州 西拉法葉 47906)

近年來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥投入量的增加，而肥料利用率卻未明顯提高，在農(nóng)業(yè)灌溉和自然降水等諸多因素的作用下，土壤中的氮素養(yǎng)分流失量大，農(nóng)業(yè)面源污染嚴重，造成周邊水體的富營養(yǎng)化[1]。而蔬菜地復種指數(shù)高，氮肥用量比一般糧田大，種植過程中灌水量和頻率也高于一般農(nóng)田，因此蔬菜地的氮素流失更加嚴重[2]。生物質(zhì)炭是一類由植物生物質(zhì)在300～700℃下熱解炭化形成的一種高度芳香化、高穩(wěn)定性以及多孔性的固態(tài)物質(zhì)，含有豐富的有機碳和礦物質(zhì)等[3-4]。已有研究表明，生物質(zhì)炭對改良土壤結構、提高蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)以及保水保肥有著重要的作用，可一定程度減緩面源污染[5-8]。荷花種植是南方地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型之一，每年產(chǎn)生大量的荷葉廢棄物，而荷葉內(nèi)部孔隙結構明顯，因此燒制的生物質(zhì)炭孔隙率將更高。但是目前還沒有關于荷葉生物質(zhì)炭施用于農(nóng)田的研究。

隨著農(nóng)田面源污染問題的惡化，環(huán)境友好和資源節(jié)約型的新型肥料越來越受到重視。未來肥料的發(fā)展方向要求在保證作物產(chǎn)量的同時提高養(yǎng)分利用率及減少環(huán)境污染，而緩釋肥是取代傳統(tǒng)肥料的重要方向，不僅能夠提高作物產(chǎn)量，而且有望解決目前高度集約化農(nóng)業(yè)對環(huán)境的危害[9]。緩釋肥料受到越來越多的關注，原因在于其可以在農(nóng)作物的整個生長過程中釋放適量的養(yǎng)分供農(nóng)作物吸收，促進農(nóng)作物的生長，不僅可以增加肥料中養(yǎng)分的利用率，又能夠減輕農(nóng)業(yè)環(huán)境污染[10-11]。周旻旻[12]利用水稻秸稈燒制生物質(zhì)炭，并制成包膜型緩釋肥，施用于水稻田，發(fā)現(xiàn)對水稻田氮素的流失有顯著的控制作用。但是目前還沒有以荷葉生物質(zhì)炭為包膜材料制成緩釋肥施用于蔬菜地的研究。

本文以荷葉為原料燒制生物質(zhì)炭，并以其為包膜材料制備炭基緩釋肥，研究常規(guī)施用復合肥、添加荷葉生物質(zhì)炭以及施用炭基緩釋肥對小白菜種植土壤中氮素的滲漏流失及徑流流失的影響，以期提高荷塘種植的廢物資源化利用，推進生物質(zhì)炭及炭基緩釋肥在農(nóng)業(yè)氮素流失與污染控制中的應用。

1 試驗材料與方法

1.1 荷葉生物質(zhì)炭的制備

將2017年11月初收割的荷葉(包括莖部分)經(jīng)自然干燥后進行切割處理，處理后的原料長度≤3 cm，含水率≤20%。經(jīng)馬弗爐內(nèi)400～500℃炭化，過0.35 mm篩[13]。采用元素分析儀(PerkinElmer 2400)測定制得的生物質(zhì)炭的C，H，N等元素含量，其中H/C=0.03，O/C=0.75(質(zhì)量比)。

1.2 炭基緩釋肥的制備

NPK復合肥芯(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)購自山東綠灃肥料有限公司。腐殖酸和膨潤土購自濟寧潤德高科新材料有限公司。粘結劑采用玉米淀粉，購自蘇州高峰淀粉科技有限公司。將生物質(zhì)炭粉末、膨潤土和腐殖酸按6∶1∶2的質(zhì)量比混合，放入打磨攪拌機中3 min，噴入玉米淀粉溶液，待物料濕潤均勻后再加入顆粒肥，然后不斷揉搓，直至絕大多數(shù)混合膜材料粘上顆粒肥。將所有物料放入90℃的滾筒，繼續(xù)噴涂少量淀粉溶液，30 min后將成型的緩釋肥取出冷卻，過10目篩保存[12]。制成的緩釋肥中生物質(zhì)炭的含量占24%，氮素的含量為9.2%。采用掃描電鏡(日立SU9000)對制成的緩釋肥剖面進行觀測，結果如圖1所示，可以看出炭基緩釋肥外膜包裹緊密。

圖1 炭基緩釋肥剖面掃描電鏡觀察(放大143倍)

1.3 盆栽設置

供試土壤于2018年2月取自南京市湖熟鎮(zhèn)的蔬菜農(nóng)田。土壤pH值為6.7，有機質(zhì)含量6.2 g/kg，氮含量0.8 g/kg。采集農(nóng)田表層0—20 cm土壤樣品，進行風干預處理，過2 mm篩，充分混合均勻備用。在每個盆缽(0.4 m×0.35 m×0.2 m)中裝入風干的土壤10 kg。盆栽在撒入白菜種子之前設3個施肥處理，并與土壤混合均勻：(1) CK為常規(guī)復合肥；(2) BC為常規(guī)復合肥與200 g(土壤重量的2%)的荷葉生物質(zhì)炭混勻；(3) SRF為炭基緩釋肥。每個處理的氮素施加量相同，均為10 g/m2。試驗于2018年4—5月在大棚里進行，每個盆缽撒入5 g小白菜種子，期間按照作物正常的需水進行澆水，共澆水6次，每次均勻澆水2 L。

1.4 土壤滲漏試驗

在撒入白菜種子之前，各處理盆栽土壤的中心位置將內(nèi)徑5 cm的具有若干直徑1 cm孔的滲漏管插入至底部，滲漏管周圍用紗布包裹以防止土壤團聚體堵塞。每次澆水后待滲濾管內(nèi)液面不再變化時用真空注射器快速吸取滲漏管內(nèi)的水樣，測定滲漏液體積及氮素濃度，計算流失的氮素含量。

1.5 人工降雨試驗

在各處理的盆缽一側(cè)略高于土壤表面處設置出水閥。在作物生長第5天時，實施人工降雨，降雨強度分別為24 h降雨量40 mm(大雨)以及80 mm(暴雨)，降雨歷時20 min。從出水口收集徑流，取樣時間為5，10，15，20，25 min，每次取樣量為50 ml，測定氮素濃度，并計算平均濃度[12]。

1.6 分析方法

水樣氮素測定：參照國家環(huán)境保護總局頒布的《水和廢水監(jiān)測分析方法》，采用紫外分光光度法測定溶液硝態(tài)氮的濃度；采用納氏試劑比色法測定溶液銨態(tài)氮濃度；采用過硫酸鉀法測定溶液總氮濃度[14]。

種植40 d后收取每個盆缽里的整棵蔬菜(包含地下根系部分)，置于105℃烘箱烘干過夜至恒重，冷卻后稱重。

統(tǒng)計分析：采用SPSS 16.0對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析和LSDT檢驗(α=0.05)，p>0.05視為無顯著性影響，p<0.05視為具有顯著性影響。

2 結果與分析

2.1 不同處理對小白菜產(chǎn)量的影響

不同處理條件下小白菜的產(chǎn)量如圖2所示。常規(guī)施用復合肥時，小白菜的平均產(chǎn)量為17.5 g/盆，添加荷葉生物質(zhì)炭時小白菜的平均產(chǎn)量為23.2 g/盆，施用炭基緩釋肥時小白菜的平均產(chǎn)量達到了25.0 g/盆。和常規(guī)施肥相比，添加荷葉生物質(zhì)炭和施用炭基緩釋肥均對小白菜的產(chǎn)量產(chǎn)生了顯著的促進作用，分別使產(chǎn)量增加了32.6%，42.8%；而添加荷葉生物質(zhì)炭和施用炭基緩釋肥之間對小白菜產(chǎn)量的影響并無顯著差異。

注：不同小寫字母表示在p≤0.05水平下的差異顯著性，下圖同。
圖2 不同處理條件下小白菜的產(chǎn)量

2.2 不同處理對土壤氮素滲漏流失的影響

不同處理條件下土壤滲漏液中總氮、氨氮和硝態(tài)氮的流失量如圖3所示。當常規(guī)施用復合肥時，土壤總氮的流失量占施氮總量的33.1%，其中硝態(tài)氮流失量占施氮總量的21.2%，銨態(tài)氮流失量占施氮總量的4.6%。當添加荷葉生物質(zhì)炭時，總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的流失量平均值下降，分別占施氮總量的24.2%，16.8%，4.1%。當施用炭基緩釋肥時，總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的流失量平均值進一步減少，分別占施氮總量的21.0%，14.7%，3.8%。從以上數(shù)據(jù)可以看出，小白菜種植土壤氮素滲漏流失的主要形態(tài)是硝態(tài)氮。

注：不同大寫字母表示5%的顯著差異，下圖同。
圖3 不同處理條件下土壤氮素的滲漏流失量

經(jīng)統(tǒng)計分析得出，與常規(guī)施用復合肥相比，添加荷葉生物質(zhì)炭顯著降低了土壤中總氮和硝態(tài)氮的滲漏流失量，對銨態(tài)氮的滲漏流失量無顯著影響；而施用炭基緩釋肥顯著降低了土壤中總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的滲漏流失量；添加荷葉生物質(zhì)炭和施用炭基緩釋肥兩者之間對總氮和硝態(tài)氮的滲漏流失量的影響無顯著性差異。

相對于常規(guī)施用復合肥，添加荷葉生物質(zhì)炭對土壤總氮的滲漏流失削減了26.9%，對硝態(tài)氮的滲漏流失削減了20.8%。施用炭基緩釋肥對土壤總氮的滲漏流失削減了36.6%，對硝態(tài)氮的滲漏流失削減了30.7%，對銨態(tài)氮的滲漏流失削減了16.5%。可見，添加荷葉生物質(zhì)炭和施用炭基緩釋肥均對土壤總氮的滲漏流失有明顯的削減作用，且削減氮素形態(tài)以硝態(tài)氮為主。

2.3 不同處理對土壤氮素徑流流失的影響

在模擬大雨條件下，小白菜種植土壤的徑流中氮素的平均濃度如圖4所示。常規(guī)施用復合肥時，徑流中總氮的平均濃度為22.3 mg/L，其中硝態(tài)氮為14.1 mg/L，銨態(tài)氮為1.4 mg/L。當添加荷葉生物質(zhì)炭時，徑流中總氮的平均濃度下降，為17.1 mg/L，其中硝態(tài)氮為11.1 mg/L，銨態(tài)氮為1.2 mg/L。當施用炭基緩釋肥時，徑流中總氮的平均濃度進一步減少，為13.8 mg/L，其中硝態(tài)氮為9.4 mg/L，銨態(tài)氮為1.1 mg/L。由以上數(shù)據(jù)可以看出，小白菜種植土壤大雨徑流流失的氮素形態(tài)以硝態(tài)氮為主。

進一步統(tǒng)計分析得出，與常規(guī)施用復合肥相比，添加荷葉生物質(zhì)炭和施用炭基緩釋肥均顯著降低了土壤中總氮和硝態(tài)氮的大雨徑流流失量，而對銨態(tài)氮的流失量均無顯著影響，并且施用炭基緩釋肥時總氮和硝態(tài)氮的大雨徑流流失量比添加荷葉生物質(zhì)炭時顯著降低。

圖4 不同處理條件下土壤氮素的大雨徑流流失量

在模擬暴雨條件下，小白菜種植土壤徑流中氮素的平均濃度如圖5所示。常規(guī)施用復合肥時，徑流中總氮的平均濃度為58.2 mg/L，其中硝態(tài)氮為43.7 mg/L，銨態(tài)氮為4.1 mg/L。當添加荷葉生物質(zhì)炭時，徑流中總氮的濃度降低，為39.4 mg/L，其中硝態(tài)氮為33.5 mg/L，銨態(tài)氮為3.3 mg/L。當施用炭基緩釋肥時，徑流中總氮的濃度進一步減少，為32.8 mg/L，其中硝態(tài)氮為27.2 mg/L，銨態(tài)氮為3.2 mg/L。與模擬大雨條件下相似，小白菜種植土壤暴雨徑流流失的氮素形態(tài)也以硝態(tài)氮為主。與模擬大雨條件下相比，模擬暴雨條件下的徑流中氮素濃度普遍更高。

統(tǒng)計分析的結果也與模擬大雨條件下的結果相一致，即添加荷葉生物質(zhì)炭和施用炭基緩釋肥均比常規(guī)施用復合肥顯著降低了土壤中總氮和硝態(tài)氮的暴雨徑流流失量，對銨態(tài)氮的流失量無顯著影響；施用炭基緩釋肥時總氮和硝態(tài)氮的暴雨徑流流失量比添加荷葉生物質(zhì)炭時顯著降低。

圖5 不同處理條件下土壤氮素的暴雨徑流流失量

相對于常規(guī)施用復合肥，添加荷葉生物質(zhì)炭對土壤總氮的大雨徑流流失削減了23.3%，其中對硝態(tài)氮的大雨徑流流失削減了20.9%；對土壤總氮的暴雨徑流流失削減了32.3%，其中對硝態(tài)氮的暴雨徑流流失削減了23.3%。施用炭基緩釋肥對土壤總氮的大雨徑流流失削減了38.1%，其中對硝態(tài)氮的大雨徑流流失削減了33.2%；對土壤總氮的暴雨徑流流失削減了43.6%，其中對硝態(tài)氮的暴雨徑流流失削減了37.6%。由此可見，添加荷葉生物質(zhì)炭和施用炭基緩釋肥對土壤總氮的徑流流失有明顯的削減作用，并且主要削減的是硝態(tài)氮的流失。

3 討 論

添加荷葉生物質(zhì)炭以及施用炭基緩釋肥均能顯著提高小白菜的產(chǎn)量。關于生物質(zhì)炭提高旱地作物產(chǎn)量已有很多的報道[15-16]。由于生物質(zhì)炭除了含有豐富的有機碳，還含有大量鈣、鉀等礦物質(zhì)，可以為蔬菜及土壤微生物提供更多的營養(yǎng)物質(zhì)[16]。生物質(zhì)炭因其疏松多孔的結構特性，而具有疏松土壤、改良土壤結構的作用[5]。另外生物質(zhì)炭比表面積大，表面吸附能力也強，具有明顯的保水保肥的效果[17]。而將生物質(zhì)炭和復合肥制成緩釋肥進行施加依然能保留生物質(zhì)炭促進作物生長的功能。

本研究發(fā)現(xiàn)小白菜種植土壤氮素的滲漏流失和徑流流失的主要形態(tài)是硝態(tài)氮，這與其他研究者的研究結論相一致。通常旱地種植土壤滲漏流失的氮素形態(tài)主要是硝態(tài)氮，而水稻田土壤滲漏流失的氮素形態(tài)主要是銨態(tài)氮，且雨量越大，氮素的徑流流失量也越大[18]。添加荷葉生物質(zhì)炭與施用炭基緩釋肥均能有效削減土壤氮素的滲漏流失和徑流流失，其他研究者也有類似的發(fā)現(xiàn)。如陳重軍等[19]對蔬菜地的研究發(fā)現(xiàn)添加不同材料來源的生物質(zhì)炭能對蔬菜地土壤總氮的下滲流失有顯著的減排作用。Lee等[20]也發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對如富含鐵氧化物的土壤的氮素徑流流失有很好的抑制作用。這主要是因為生物質(zhì)炭的多孔結構以及表面存在的氧化鈣、氧化鎂、三氧化二鐵等金屬氧化物，具有較強的吸附作用，能吸附肥料中的氮素，起到固持養(yǎng)分的作用[19]。同時，生物質(zhì)炭具有較大的離子交換容量，能通過表面離子交換作用固持氮素離子，減少氮素的流失，并隨著作物的吸收利用而緩慢釋放氮素[21]。此外，生物質(zhì)炭成分中的一些物質(zhì)能抑制土壤微生物的硝化作用，因而減少了氮素的流失[22]。

將荷葉生物質(zhì)炭和復合肥制成炭基緩釋肥后對土壤氮素流失的削減作用明顯強于直接添加等量的荷葉生物質(zhì)炭。周旻旻[12]的研究也發(fā)現(xiàn)水稻秸稈生物質(zhì)炭制成的緩釋肥對水稻田以銨態(tài)氮為主的氮素的滲漏流失和徑流流失均有顯著的削減作用。炭基緩釋肥對氮素流失的抑制作用一方面來自包膜材料中的生物質(zhì)炭的緩釋作用，另一方面炭基緩釋肥的包膜材料中還含有腐殖酸、膨潤土等物質(zhì)，也就有強的吸附作用，對氮素有一定的固持作用。此外，從圖1可以看出，包膜涂層與顆粒肥料芯之間形成了一個具有一定疏水性的致密層，水和養(yǎng)分僅能從少量的孔隙中被釋放，孔隙通道不直，比在新鮮的多孔生物炭中更難擴散。所以這個致密層起到了控制養(yǎng)分流失的有效屏障。因此，炭基緩釋肥中氮素的釋放速率比直接添加生物質(zhì)炭時更加緩慢，故對土壤氮素的流失有更好的控制作用。

4 結 論

小白菜種植土壤滲漏流失及徑流流失的氮素形態(tài)主要是硝態(tài)氮。與常規(guī)施用復合肥相比，添加荷葉生物質(zhì)炭和施用炭基緩釋肥均顯著提高小白菜的產(chǎn)量，分別增產(chǎn)32.6%，42.8%；同時均顯著降低了種植土壤總氮的滲漏流失量，分別削減了26.9%，36.6%，其中主要削減的是硝態(tài)氮的流失。此外，添加荷葉生物質(zhì)炭和施用炭基緩釋肥均顯著降低大雨和暴雨條件下土壤氮素的徑流流失，對總氮流失的削減量達23.3%～43.6%，削減的主要氮素形態(tài)為硝態(tài)氮，且施用炭基緩釋肥比直接添加荷葉生物質(zhì)炭對氮素流失的削減作用更好。因此，利用農(nóng)業(yè)廢物資源荷葉燒制生物質(zhì)炭，并制備炭基緩釋肥，對減緩農(nóng)業(yè)氮素流失、控制面源污染有著重要的應用前景。本研究僅對一種農(nóng)業(yè)廢棄物荷葉燒制生物質(zhì)炭和制備緩釋肥，今后將對比研究多種農(nóng)業(yè)廢棄物如水稻秸稈、小麥秸稈、高粱秸稈、玉米秸稈等制備的生物炭基緩釋肥對農(nóng)業(yè)氮磷流失的減緩能力，并深入開展機理方面的研究，實現(xiàn)回收利用農(nóng)業(yè)廢物資源，有效削減農(nóng)業(yè)氮磷流失，控制水體面源污染。