不同粒徑生物質炭對石林石漠化農地土壤氮磷流失的影響

張斌艷，李小英,2，秦文靜，魯興美

（1西南林業大學生態與環境學院，昆明650224；2云南省高校土壤侵蝕與控制重點實驗室，昆明650224）

0 引言

土壤石漠化是中國西南喀斯特地區誘發地質災害的主要生態環境問題，是制約區域生活和經濟發展的關鍵因素。石漠化區域的植被恢復一直是科研工作者研究的熱點和重點，改良土壤結構、提高土壤肥力是石漠化區綜合治理的關鍵所在[1-3]。云南省昆明市石林縣西街口鎮是西南典型的石漠化區域，土壤類型為堿性黃褐色石灰土，具有石多土少、土層薄、肥效差、蓄水能力低、抗外界干擾能力較弱等特性，加上人為耕作因素干擾，土壤侵蝕加劇，嚴重制約作物生長，作物產量下降，對當地經濟可持續發展產生了嚴重影響。近年來，科研工作者一直在探索用生物質炭來改良土壤。生物質炭具有豐富的孔隙結構和較大的比表面積、較高的化學穩定性和較強的陽離子交換能力，還含有植物生長所需營養元素，它在土壤改良、固碳、氮磷減排、緩釋肥料載體、污水治理、土壤修復、功能材料等領域具有巨大的應用前景。不同的原材料、不同的制備方法和條件獲得的生物質炭性質不同，其施用于土壤中的保水保肥效果具有顯著差異[4]。添加適量的生物質炭能夠改善土壤持水能力和水分入滲特性[5]，同時對農地的降水徑流及水土流失有很好的控制作用[6]。水分是土壤養分遷移吸收利用的載體，也是導致土壤氮磷流失的重要因素[7]。增強土壤的蓄水能力，減少水土流失對控制土壤氮磷流失起到重要作用。在農地中施入生物質炭能增加土壤的持水量，增強土壤團聚體的穩定性，改變土壤結構，提高作物對土壤中有效水的利用率，能夠有效減少土壤中的氮磷流失[8-10]。已有研究表明，生物質炭的添加對農田中氮磷具有固持作用，能在一定程度上減少土壤中的氮磷流失[11-12]，但目前的氮磷流失研究多集中在不同原料來源生物質炭[13]對氮磷流失的影響，試驗土壤也多集中在水稻田之類的淹水土壤[14]，對于不同粒徑生物質炭施入旱地對種植土壤氮磷流失影響，尤其是西南典型石漠化旱地還未見報道。本研究擬應用生物質炭通過盆栽和淋溶試驗，探究生物質炭粒徑變化及施用比例對石林石漠化農地土壤氮磷流失量的影響，以期為篩選制備適宜石林石漠化農地的土壤調理劑和緩釋肥料載體提供理論依據。

1 材料及方法

1.1 試驗裝置及材料

試驗采用常規圓底、配有墊盤的塑料花盆(Φ=11cm)，在墊盤墊上0.5 mm無紡布，保證下滲水能正常下漏，土基質不會隨水流出。花盆放置于溫室培養架上，間距為30 cm，隨機排列，盆下用干凈墊盤承接下滲水。

供試土壤為石林典型石漠化農地土壤，土壤取自云南省昆明市石林縣西街口鎮撂荒地，土壤為堿性黃褐色石灰土，土壤基本性質見表1。

表1 供試土壤基本性質

試驗采用的生物質炭為竹炭、橡膠木炭以及稻殼炭，生物質炭基本性質見表2。

表2 供試生物質炭基本性質

試驗肥料為稻殼有機肥和湖北諾維爾化肥有限公司生產的商品復合肥，有機肥氮含量4.8 mg/g，磷含量0.36 mg/g，鉀含量0.63 mg/g。商品復合肥成分為N:P2O5:K2O=17:17:17，TN≥51%。供試作物為人參果植株，幼苗為石林縣西街口鎮人參果植株標準化育苗中心培育的商品苗。

1.2 試驗設計

本試驗選取了稻殼炭(DKT1)、橡膠木炭(XJT1)和2種粒徑[0～1 mm(T1)、1～3 mm(T2)]的竹炭(Z)與土壤均勻混合，每個盆栽共稱取1 kg土炭混合物，生物質炭用量按照炭基質量百分比0%、1%、3%、5%設置4個水平，共計13個處理，每個處理重復6盆，另施入有機肥10 g，各處理設置見表3。選取長勢、株高一致(15 cm)的人參果植株幼苗進行栽植，栽植時間為2019年6月23日，7天后（2019年7月1日）煉苗期結束，幼苗成活，開始試驗周期；在人參果植株開花掛果期（9月1日）對人參果植株增施復合肥10 g/盆，2019年10月30日試驗結束。

表3 試驗設計

1.3 試驗管理

試驗在西南林業大學溫室大棚內進行，試驗周期為2019年7月1日—10月30日，共計4個月，期間按照植物需水規律進行澆水，每2天澆一次水，根據天氣情況適當調整澆水頻次，每次100 mL，使土壤剛好飽和，花盆下方有墊盆承接，若有水滲出則再次將墊盆內的水回灌入盆內。第一次取中間株高的盆栽灌水250 mL，0.5 h后對滲濾液進行收集，進行后續水量、全氮、全磷的測定，后續定期（每隔15天）對該盆栽進行水樣取樣，共取8次水樣。

1.4 測定項目及方法

（1）水質分析方法。下滲水水量采用量筒量取，水樣的總氮、總磷分別采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、過硫酸鉀消解法測定。

（2）總氮、總磷流失量。總氮、總磷的總流失量采用式(1)進行計算。

式中，Ci表示第i次水樣總氮或總磷的濃度，mg/L；Vi表示第i次下滲水體積，mL；M表示整個試驗過程中下滲水的總氮、總磷累計含量，mg。

（3）人參果植株干重。收獲每個處理的人參果植株（因后期蟲害嚴重，最終未成功掛果，故只能對試驗結束后的人參果植株進行干重測量），包括地上部分和地下部分，將地下部分泥土洗凈，編號后放于托盤中，放于105℃烘箱中烘至恒重。

試驗數據采用WPS 2019軟件進行整理并用SPSS 22(IBM SPSS Statistic)統計軟件進行方差分析和多重比較（LSD法），顯著性水平設定為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 不同處理下滲水量變化

石漠化土壤保水性能差，這是嚴重制約作物生長，導致作物產量下降的重要因素。下滲水量的多少可以在一定程度上表征土壤的持水性能。不同處理土壤下滲水量均值如圖1所示，3%和5%的粉末竹炭(Z3T1、Z5T1)、3%的顆粒炭竹炭(Z3T2)、3%和5%的粉末橡膠木炭(XJ3T1、XJ5T1)和3%的粉末稻殼炭(DK3T1)與空白處理(CK)之間差異顯著(P＜0.05)；同施入不同粒徑竹炭的處理下（圖1A），高炭量(5%)的粉末炭(T1)與顆粒炭(T2)之間的下滲水量差異顯著(P＜0.05)；同一粒徑的各生物質炭之間差異不顯著(P＞0.05)，同種生物質炭不同炭量之間，粉末橡膠炭的1%與5%之間和顆粒竹炭3%與1%、5%之間差異顯著(P＜0.05)(圖1B)。

圖1 不同處理下的滲水量比較

從不同生物質炭處理結果（圖1）可知，添加生物質炭都使得下滲水量減少，粉末竹炭(ZT1)、顆粒竹炭(ZT2)、粉末橡膠木炭(XJT1)和粉末稻殼炭(DKT1)分別較空白(CK)下降了8.1%、3.6%、10.8%、5.9%，橡膠木炭的保水性最佳。對于同添加竹炭的處理（圖1A），3個粉末炭處理的保水效果均優于顆粒炭。同添加粉末炭的3種生物質炭之間的保水性存在差異。

從生物質炭的施用比例分析，所有施用比例處理的下滲水量均低于空白處理，且下滲水量隨著炭量的增加而減小，其中5%的粉末橡膠木炭(XJ5T1)的保水性最好，較空白(CK)減少了12.5%，3%的粉末橡膠木炭(XJ3T1)和5%的粉末竹炭(Z5T1)次之，分別減少11.8%和9.9%。

2.2 不同處理的氮磷流失量變化

各處理在試驗周期內總氮流失量見圖2，各處理與空白處理(CK)之間存在不同程度的差異顯著性，其中粉末竹炭，粉末橡膠木炭各炭量處理與空白處理均差異顯著(P＜0.05)，3%顆粒竹炭(Z3T2)與空白處理之間差異顯著(P＜0.05)，粉末稻殼炭各炭量處理與空白處理相較差異均不顯著(P＞0.05)。對于同施入竹炭的處理，粉末炭和顆粒炭各施用比例之間均差異顯著(P＜0.05)。同一粒徑的生物質炭之間，5%的竹炭和5%的橡膠炭與5%稻殼炭之間差異顯著(P＜0.05)；同種生物質炭不同炭量之間，粉末竹炭和粉末橡膠炭均是1%、3%與5%之間差異顯著(P＜0.05)。

圖2 各處理土壤下滲水總氮含量

總體來說，添加生物質炭減少了土壤中總氮的流失，如圖3所示。施入竹炭的處理粉末炭控制總氮流失的效果要好于顆粒炭，粉末炭的減排率在15.9%～26.1%之間，顆粒炭的減排率在5.1%～21.3%之間。對于同施入粉末狀的不同生物質炭，橡膠木炭整體的總氮減排率最高，在15.9%～26.3%之間，其中5%的橡膠木炭(XJ5T1)減排率最高，為26.3%；稻殼炭的總氮減排率在7.3%～10.2%之間，5%的稻殼炭(DK5T1)減排率最高，為10.2%。橡膠木炭對土壤的中總氮流失控制最好，平均減少20.8%，粉末竹炭次之，平均減少20.4%，稻殼炭總氮流失控制最差，平均減少8.3%。在所有處理中，5%的粉末橡膠木炭(XJ5T1)控制總氮流失的效果最好，總減排32.909 mg，較空白減少了26.3%。

圖3 各處理土壤下滲水總氮總磷減排率

各處理在試驗周期內總磷流失量見圖4，各處理與空白處理(CK)之間存在不同程度的顯著性，且炭量越高差異越顯著，除1%的粉末竹炭(Z1T1)、1%的粉末稻殼炭(DK1T1)和1%、3%顆粒竹炭(ZT2)處理外，其余處理較空白處理均存在顯著差異(P＜0.05)。對于同施入竹炭的處理(圖4A)，粉末竹炭和顆粒竹炭中炭量(3%)和高炭量(5%)之間差異顯著(P＜0.05)。對于同一粒徑的不同生物質炭處理之間差異均不顯著(P＞0.05)，同種生物質炭不同炭量處理之間差異均不顯著(P＞0.05)。

總體來說，添加生物質炭減少了土壤中總磷的流失，如圖4所示。對于同施入竹炭的處理，粉末炭控制總磷流失的效果要好于顆粒炭，粉末竹炭的減排率在8.9%～19.9%之間，顆粒竹炭的減排率在5.3%～14.3%之間。對于同施入粉末狀的不同生物質炭，橡膠木炭整體的總磷減排率最高，在17.7%～23.0%之間，其中5%的橡膠木炭(XJ5T1)減排率最高，為23.0%；稻殼炭的減排率在8.9%～14.4%之間，5%的稻殼炭(DK5T1)減排率最高，為14.4%；橡膠木炭對土壤的中總氮流失控制最好，平均減少20.4%，粉末竹炭次之，平均減少14.1%，顆粒竹炭總氮流失控制最差，平均減少8.4%。在所有處理中，5%的粉末橡膠木炭(XJ5T1)控制總磷流失的效果最好，總減排15.495 mg，較空白(CK)減少了23.0%。

圖4 各處理土壤下滲水總磷含量

從整體試驗數據來看，生物質炭的添加對石林石漠化土壤的氮磷都有明顯的減排作用，粉末炭(T1)的氮磷固持效果要優于顆粒炭(T2)，粉末炭的總氮總磷減排率分別為15.9%～26.1%和8.2%～19.9%，顆粒炭則分別為5.1%～21.3%和5.3%～14.3%。生物質炭對土壤總氮的減排效果要優于總磷，總氮減排率5.1%～26.3%，總磷減排率5.3%～23.0%；同種粒徑不同生物質炭在氮磷減排效果存在一定的差異，生物質炭的氮磷減排率都隨生物質炭量的增加而增加。綜合來看5%的粉末橡膠木炭(XJ5T1)的氮磷固持效果最佳，對總氮總磷的減排率分別為26.3%和23%。

2.3 不同處理的人參果植株干重變化

從圖5中人參果植株干重來看，施加生物質炭對人參果植株干重都有一定影響，1%、5%的粉末竹炭，5%的粉末橡膠炭(XJ5T1)和3%的粉末稻殼炭(DK3T1)與空白處理(CK)差異顯著(P＜0.05)。對于同施入竹炭的處理（如圖5A），粉末竹炭和顆粒竹炭的3個炭量均使得作物的干重有所減小。對于施入粉末狀不同生物質炭處理（如圖5B），按照均值分析，橡膠木炭(XJT1)和稻殼炭(DKT1)較空白處理均提高了人參果植株的干重，分別提高了6.4%和5.1%，而粉末竹炭則降低了人參果植株干重，較空白(CK)降低5.7%。從施用比例分析（如圖5B），橡膠木炭3個炭量處理均增加了人參果植株干重，增加幅度為0.2%～15.3%，其中5%的橡膠木炭(XJ5T1)增量最大，為15.1%；3%、5%的稻殼炭(DK3T1、DK5T1)增加了人參果植株干重，增幅分別為9.7%、3.1%，而1%稻殼炭(DK1T1)則降低了人參果植株的干重，降低了0.6%；竹炭的3個炭量均使人參果植株干重下降，降幅0.6%～8.7%。

圖5 試驗周期結束時各處理收獲人參果植株干重

由于人參果植株苗自身蟲害，多次噴灑農藥，蟲害未根治，最終人參果植株苗未成功掛果，且對人參果植株生長也造成了一定影響，故采用試驗周期結束時的人參果植株苗干重來評判生物質炭對人參果植株生長的作用。

3 結論

本研究表明，不同原材料的生物質炭都能減少土壤下滲水量和氮磷流失，總氮的減排效果優于總磷；粉末炭的保水效果和氮磷減排效果均優于顆粒炭，粉末竹炭的總氮總磷減排率分別為15.9%～26.1%和8.9%～19.9%，顆粒竹炭的分別為5.1%～21.3%和5.3%～14.3%。所有施用比例處理的下滲水量均低于空白處理，除顆粒竹炭以3%施用比例最優，其余生物質炭對總氮、總磷的減排率均以5%施用比例為最優，且氮磷固持效果隨施用比例的增加而增強；5%的橡膠木炭無論是在提高人參果植株干重方面，還是保水和氮磷減排方面效果都最佳，本研究認為橡膠木炭是最適宜石林石漠化農地的土壤調理劑和緩釋肥料載體。

4 討論

4.1 不同原材料的生物質炭對土壤持水性、氮磷流失和作物干重的影響

石林縣西街口鎮是西南典型的石漠化區域，土壤肥效差、蓄水能力低是制約石林石漠化地區農業發展的關鍵因素。有研究表明，在土壤中加入一定量的生物質炭能起到保水作用和減少土壤營養元素的淋失[15]。本試驗研究也得到相似結論，添加不同種類的生物質炭均使得土壤下滲水量有所減少，按均值來分析，炭粉末竹炭、顆粒竹炭、粉末橡膠木炭和粉末稻殼炭分別較空白下降了8.1%、3.6%、10.8%、5.9%。本試驗研究表明，添加生物質炭的處理均降低了氮磷流失量，說明生物質炭對氮磷有很好的固持作用，與前人研究結果一致[12]，其中粉末橡膠木炭的氮磷減排率最高，橡膠木炭的自身特性決定了氮磷固持的效果，巨大的比表面積為氮磷提供了良好的固持場所，其次橡膠木炭的H/C較小，芳香化程度高，橡膠木炭的機械組成強度高，不易進一步破碎遷移，能更穩定地固持土壤中氮磷元素，減少土壤養分丟失。有研究表明，生物質炭和肥料混施能顯著提高生物質炭對土壤營養元素的吸附，減少土壤養分淋失[16]。生物質炭的保肥機理是通過生物質炭表面發生離子交換作用來固定氮素，減少氮素淋失[17]，并能實現固定氮素的再釋放，形成緩釋效果[18]。生物質炭可以產生正負電荷，因而能夠吸持有機質所不吸持的磷素養分[19]。加入生物質炭后對作物產量有顯著的促進作用[20]，也有研究表明，生物質炭的加入對作物的生長有抑制作用或沒有影響[21]。本研究表明，不同種類的生物質炭對人參果植株干重的影響存在差異，按照均值分析，粉末橡膠木炭和粉末稻殼炭較空白處理均提高了人參果植株的干重，分別提高了6.4%和5.1%，而粉末和顆粒竹炭則降低人參果植株干重，較空白分別降低5.7%和13.0%。推測原因是由于生物質炭原材料和制備條件的差異引起的生物質炭性質差異，從而影響生物質炭對土壤養分的吸收、固持、釋放[22]。

4.2 不同粒徑的生物質炭對土壤持水性、氮磷流失和作物干重的影響

對于同添加竹炭的處理，3個炭量的粉末炭的保水效果均優于顆粒炭，推測是因為大顆粒炭加入到土壤中增大了土壤顆粒之間空隙，使得水更容易從空隙中流出。同施入竹炭的處理，粉末炭的氮磷減排效果也強于顆粒炭，粉末竹炭的總氮總磷減排率分別為15.9%～26.1%和8.9%～19.9%，顆粒竹炭則分別為5.1%～21.3%和5.3%～14.3%，說明竹炭的物理結構對總氮、總磷的固持影響較為明顯，推測與生物質炭的孔隙度、孔徑大小和土壤顆粒與生物質炭之間的緊密程度有關。2種粒徑的竹炭處理的人參果植株干重均小于空白處理，但顆粒竹炭處理的作物干重相對更低，推測是竹炭的特性和不同粒徑竹炭性質差異造成的，還可能是作物生長與施炭土壤養分響應差異造成的，但目前就不同粒徑的生物質炭研究還鮮有耳聞，粒徑不同的生物質炭內部氮磷固持、轉移和與作物生長響應機理差異尚不明確，還需深入研究。

4.3 不同施用比例的生物質炭對土壤持水性、氮磷流失和作物干重的影響

本研究發現，不同施用比例的生物質炭都有一定的保水作用，所有施用比例處理的下滲水量均低于空白處理，且下滲水量隨著炭量的增加而減小。與前人研究結果一致，即隨著生物質炭施用比例的增加，土壤的密度、容重降低，孔隙度增大，毛管導水作用增強。比表面積大這一特性為土壤水提供了附著面，使得毛管持水量隨著生物質炭施用比例增加而不斷升高[23]。多數研究表明，隨著施入土壤的生物質炭量增加，土壤中氮磷的減排率也增加，劉瑋晶[24]研究發現，當生物質炭施用比例為1%、3%、5%時，1%、5%施用比例的生物質炭對氮素的減排效果較好。本研究結果也有相似之處，除顆粒竹炭以3%施用比例最優，其余生物質炭對總氮的減排率均以5%施用比例為最優，其原因可能是由于竹炭顆粒較大，過高的施加量反而增加了土壤顆粒之間的空隙，使得氮素更容易隨水流出土壤，或者同時還發生了其他途徑的損失。從增加人參果植株干重的橡膠木炭和粉末稻殼炭來看，中(3%)、高(5%)炭量更有利于提高作物人參果植株干重，可能是由于添加的生物質炭自身含有一些能被人參果植株吸收、利用的微量元素，較高的施用比例，使得大量的微量元素被帶入土壤，且顯著地改變了土壤特性，增強了養分有效性，從而促進作物的生長[25]。