不同生物炭添加量下植煙土壤養(yǎng)分的淋失

李江舟， 婁翼來， 張立猛， 王一丁， 張麗敏， 張慶忠*

(1 云南省煙草公司玉溪市公司，云南玉溪 653100；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所農(nóng)業(yè)清潔流域團(tuán)隊，北京 100081；3 貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州貴陽 550025)

不同生物炭添加量下植煙土壤養(yǎng)分的淋失

李江舟1， 婁翼來2， 張立猛2， 王一丁2， 張麗敏3， 張慶忠2*

(1 云南省煙草公司玉溪市公司，云南玉溪 653100；2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所農(nóng)業(yè)清潔流域團(tuán)隊，北京 100081；3 貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州貴陽 550025)

【目的】我國南方植煙土壤養(yǎng)分淋失嚴(yán)重尤其是氮、鉀，不僅造成資源浪費(fèi)和潛在環(huán)境威脅，還嚴(yán)重制約了煙葉的可持續(xù)生產(chǎn)。生物炭比表面積大、孔隙多、穩(wěn)定性強(qiáng)，施入土壤后可增加對養(yǎng)分的吸附，延長肥效和減少養(yǎng)分損失。本文研究了添加不同水平生物炭對植煙土壤硝態(tài)氮、磷、鉀養(yǎng)分淋失的影響，為充分發(fā)揮生物炭提高養(yǎng)分利用率的作用提供依據(jù)?！痉椒ā坎捎猛林芟茨M方法，試驗共設(shè)5個處理，包括不施肥對照(CK)、氮磷鉀肥(NPK)、氮磷鉀肥+10%生物炭(10%B)、氮磷鉀肥+20%生物炭(20%B)、氮磷鉀肥+40%生物炭(40%B)，每個處理重復(fù)4次，隨機(jī)排列?！窘Y(jié)果】不同生物炭添加量下，土壤硝態(tài)氮、磷、鉀的淋失量在培養(yǎng)期間呈先增加后減少的趨勢。與NPK處理相比，添加生物炭處理在培養(yǎng)21天之后減少了硝態(tài)氮淋失量，在整個培養(yǎng)期間延緩和減少了磷的淋失量；與NPK處理相比，10%B、20%B和40%B處理硝態(tài)氮淋失總量分別顯著降低13%、18%和25%，磷素淋失總量分別顯著降低46%、61%和73%，10%B和20%B處理的鉀素淋洗量略高，但差異未達(dá)顯著水平，而40%B處理的鉀素淋洗量則顯著高于前3個處理，比NPK處理高47%。培養(yǎng)結(jié)束后，由于生物炭本身偏堿性，隨著生物炭添加量的增加，土壤pH顯著升高。表明添加生物炭條件下，土壤硝態(tài)氮淋失量的減少主要是生物炭的吸附作用所致；磷素淋失量的減少除了與生物炭的吸附作用有關(guān)外，也可能與土壤pH的升高有關(guān)；鉀素淋失量的增加可能與生物炭本身攜帶的鉀素有關(guān)。施用生物炭對土壤硝態(tài)氮、磷、鉀養(yǎng)分淋失影響的機(jī)制還需進(jìn)一步驗證?！窘Y(jié)論】施用生物炭能夠有效減少植煙土壤硝態(tài)氮和磷素的淋溶損失，進(jìn)而節(jié)約氮、磷肥料和提高養(yǎng)分利用效率，降低地下水污染風(fēng)險，促進(jìn)煙葉可持續(xù)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)，在一定范圍內(nèi)其施用量越高效果越好。生物炭的適宜添加量還需綜合考慮氮磷鉀3個元素的淋失而繼續(xù)試驗。

生物炭； 植煙土壤； 養(yǎng)分淋失

在我國南方煙區(qū)，由于水熱充沛、土壤礦物風(fēng)化程度高、土壤偏酸和有機(jī)質(zhì)含量低、以及不合理過量施肥等原因，土壤養(yǎng)分淋失問題尤為突出，嚴(yán)重制約了煙葉的可持續(xù)生產(chǎn)。故而，本研究以云南玉溪植煙土壤為研究對象，通過土柱淋洗模擬試驗，研究了添加不同水平玉米秸稈生物炭對植煙土壤硝態(tài)氮、磷、鉀養(yǎng)分淋失的影響，以期為生物炭在改良植煙土壤方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自云南玉溪市代表性煙田的表層(0—20 cm)土壤，土壤類型為紅壤，其基本性質(zhì)為：有機(jī)碳含量17.8 g/kg、 全氮1.64 g/kg、 全磷0.87 g/kg、 全鉀8.74 g/kg、 速效氮127 mg/kg、 速效磷18.7 mg/kg、 速效鉀212 mg/kg、 pH 6.08(H2O)，土壤經(jīng)風(fēng)干等處理后過2 mm篩備用。供試生物炭為玉米秸稈在360℃條件下不完全燃燒24 h制成的黑色粉末，其密度為0.28 g/cm3，pH為8.40，碳含量649 g/kg，全氮10.1 g/kg，硝態(tài)氮6.16 mg/kg，全磷10.8 g/kg，全鉀9.64 g/kg，將生物炭粉碎后過2 mm篩，烘干備用。試驗所用的氮、磷、鉀肥料分別為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀，其氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)含量分別為46%、18%和50%。

1.2 試驗設(shè)計

將土、生物炭和肥料按所需比例混勻后，填裝到高40 cm、內(nèi)徑16 cm的底部封閉只留一出水孔的PVC管中。土壤容重控制在1.1 g/cm3左右，以防止土壤過緊實對淋溶產(chǎn)生影響；在上部鋪一層濾紙以防止水分淋溶對表層土壤的擾動；土柱底層鋪一層10 cm厚濃酸洗過的玻璃珠與石英砂，以防止底層土壤流失。土柱填裝完后，加水至田間持水量的70%預(yù)培養(yǎng)2天，之后每隔4天用蒸餾水定量定時淋洗一次，共淋洗14次。收集每一次的淋溶液并測定其體積和硝態(tài)氮、磷、鉀含量。

1.3 測定指標(biāo)、方法及數(shù)據(jù)分析

淋洗液中硝態(tài)氮、磷和鉀的含量分別采用酚二磺酸比色法、鉬銻抗比色法和火焰光度計法測定，計算每一次淋洗的以及累積的養(yǎng)分淋失量，測定結(jié)果均換算成單位質(zhì)量干土的淋失量(以N、P、K計，mg/kg)。淋洗結(jié)束后測定土壤pH值。利用SPSS13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物炭對土壤硝態(tài)氮淋失的影響

土壤硝態(tài)氮淋溶受復(fù)雜的生物化學(xué)過程所控制，首先土壤有機(jī)氮經(jīng)微生物礦化作用形成氨，氨經(jīng)質(zhì)子化作用生成銨態(tài)氮，銨態(tài)氮在硝化細(xì)菌作用下發(fā)生氧化反應(yīng)生成硝態(tài)氮，硝態(tài)氮隨水垂直遷移后發(fā)生淋溶。生物炭的絕大多數(shù)表面吸附點位屬于羧酸基和酚基功能團(tuán)[9]，這些負(fù)電荷表面點位不能吸附硝態(tài)氮，然而生物炭具有強(qiáng)大的吸附銨態(tài)氮以及可溶性有機(jī)氮的能力[7]，所以我們認(rèn)為，生物炭施入土壤后，主要是通過增加銨態(tài)氮以及可溶性有機(jī)氮的吸附，延長其滯留時間，進(jìn)而緩解了硝態(tài)氮的形成過程以及淋溶損失。此外，生物炭施入土壤后，也可能對土壤氮素轉(zhuǎn)化有關(guān)的酶以及微生物體產(chǎn)生吸附作用，降低相關(guān)酶及微生物與尿素等有機(jī)氮及銨態(tài)氮的親和力和接觸機(jī)會，從而延緩了有機(jī)氮的礦化及銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而減少硝態(tài)氮的形成過程及淋溶損失。

圖1 不同處理土壤硝態(tài)氮各時期淋洗量及累計淋洗總量Fig.1 Amounts of leached nitrate in soils at different incubation days and total leaching amount under different treatments[注(Note)： 柱上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05) Different letters above the bars indicate significant differences among treatments(P<0.05).]

圖2 不同處理土壤磷素各時期淋洗量及累計淋洗總量Fig.2 Amounts of leached phosphorus in soils at different incubation days and total leaching amount under different treatments[注(Note)： 柱上不同字母表示差異顯著(P<0.05)Different letters above the bars indicate significant differences among treatments(P<0.05).]

2.2 生物炭對土壤磷素淋失的影響

圖2顯示了不同處理土壤磷素各時期淋洗量及累計淋洗總量。從中可以看出，CK處理的土壤磷素淋洗量在整個培養(yǎng)時期趨于平穩(wěn)，而其他處理均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中NPK處理的變異幅度最大，并在第9天出現(xiàn)高峰值，其余三個添加生物炭處理的變異幅度低于NPK，且高峰時期從10%B處理的25天推遲到40%B處理的41天，53天后各處理土壤磷素淋洗量均趨于平穩(wěn)。不同處理之間相比較，CK處理的土壤磷淋洗量在各個時期均處于最低水平，NPK處理最高，添加生物炭處理顯著低于NPK處理，且降低幅度隨著添加量的增加呈升高趨勢，此外降低幅度隨時間呈先升高后降低的趨勢。就磷的累計淋洗總量而言，CK處理最低，僅為3.67 mg/kg，NPK處理最高，達(dá)39.9 mg/kg；與NPK處理相比，10%B、20%B和40%B處理土壤硝態(tài)氮累計總的淋洗量分別顯著降低46%、61%和73%。

盡管人們普遍認(rèn)為磷素在土壤中的移動性較差[10]，但磷素在土壤剖面下層中的高量累積現(xiàn)象確實有很多報導(dǎo)[7]。劉利花等對土上的長期施肥土壤磷素淋溶趨勢的研究證實，當(dāng)土壤速效磷含量超過23 mg/kg時，就有磷素淋溶的可能[12]。本研究CK處理土壤的有效磷含量僅為18.7 mg/kg，但亦有一定的磷素發(fā)生淋溶。荷蘭的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，磷飽和土壤會引起大量磷淋溶到地下水，其量取決于土壤磷素飽和度、施磷量和地下水深度[13]。本研究發(fā)現(xiàn)，施入磷肥以后，土壤磷素淋溶量迅速增加；而添加生物炭又有效抑制了磷素的淋溶損失，這說明生物炭對磷酸鹽及可溶性有機(jī)磷具有強(qiáng)烈的吸附固定作用[7]。此外，土壤磷素有效性受pH值的影響，通常情況下酸性土壤pH值升高，堿性土壤pH值降低，土壤磷素有效性增加。而本研究土壤雖屬南方酸性土壤，但是煙葉生產(chǎn)中長期施石灰后已控制土壤酸堿度趨于中性，所以添加生物炭后進(jìn)一步顯著提高土壤pH值(圖3)可能會促進(jìn)土壤磷素的固定，進(jìn)而減少磷的淋失。

圖3 淋洗結(jié)束時不同處理土壤pH值Fig.3 Soil pH at the end of incubation[注(Note)： 柱上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)Different letters above the bars indicate significant differences among treatments(P<0.05).]

2.3 生物炭對土壤鉀素淋失的影響

從圖4可以看出，CK處理的土壤鉀素淋洗量在整個培養(yǎng)時期趨于平穩(wěn)，而其他處理在試驗前期，土壤鉀素淋洗量迅速增加，在第9天達(dá)到高峰值，之后逐漸下降，57天后趨于平穩(wěn)。不同處理之間相比較，CK處理的土壤鉀淋洗量在各個時期均處于最低水平，NPK+40%B處理最高，低量生物炭處理(10%B、20%B)在各時期均略微高于NPK處理，高量生物炭處理(40%B)則顯著高于NPK處理。從鉀的累計淋洗總量來看，CK處理最低，僅為11.2 mg/kg，40%B處理最高，達(dá)94.4 mg/kg，顯著高于NPK處理，增加幅度47%；10%B、20%B處理土壤鉀累計淋洗總量略高于NPK處理，但差異未達(dá)顯著水平。

圖4 不同處理土壤鉀素各時期淋洗量及累計淋洗總量Fig.4 Amounts of leached potassium in soils at different incubation days and total amount under different treatments[注(Note)： 柱上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05) Different letters above the bars indicate significant differences among treatments(P<0.05).]

一方面生物炭的表面吸附點位以及微孔理論上可以對鉀素產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸附作用，另一方面土壤pH值可以通過影響鉀素的固定與釋放、吸附與解吸來影響溶液中的鉀素濃度，進(jìn)而影響鉀素遷移，鉀的固定量一般隨土壤pH值的升高而增加[14]，所以添加生物炭后的土壤pH值升高可能有利于鉀素淋失。然而，本研究結(jié)果顯示，添加生物炭后，盡管可能增加了對鉀素的吸附固定，也顯著提高了土壤pH值(圖3)，但土壤鉀素淋失量反而也顯著增加，Laird等人在其他類型土壤上的研究也得出同樣的結(jié)果[7]。分析認(rèn)為，這可能是由于生物炭本身攜帶一定量的鉀素[7]，其有效性亦可能較高，確切原因有待深入研究。

3 結(jié)論

施用生物炭能夠有效減少植煙土壤硝態(tài)氮和磷的淋溶損失，節(jié)約肥料，提高養(yǎng)分利用效率，降低環(huán)境風(fēng)險，促進(jìn)煙葉可持續(xù)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)。

由于不同原料以及不同炭化條件對于生物炭的性質(zhì)影響很大，進(jìn)而可能影響其施用效果，一種生物炭的結(jié)果很難得出全面的結(jié)論；另外，由于時間短，且在本試驗中放大了生物炭的施用量，所以不能依據(jù)此試驗結(jié)果提出適宜的生物炭用量。為了深入了解生物炭對土壤氮磷鉀淋失的影響機(jī)制和實際應(yīng)用方法，需要進(jìn)一步進(jìn)行不同生物炭土壤微生物、土壤pH控制試驗以及生物炭鉀素有效性定量控制試驗研究。

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Leaching loss of nutrients in tobacco-planting soil under different biochar adding levels

LI Jiang-zhou1, LOU Yi-lai2, ZHANG Li-meng2, WANG Yi-ding2, ZHANG Li-min3, ZHANG Qing-zhong2*

(1YuxiTobaccoCompany,YunnanProvince,Yuxi653100,China; 2AgriculturalClearWatershedGroup,InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China;3CollegeofAgriculture,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China)

biochar; tobacco-planting soil; nutrient leaching

2014-03-21 接受日期： 2014-09-17 網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2015-05-06

中國煙草總公司云南省煙草公司科技計劃項目(2013YN19)資助。

李江舟(1983—)， 男， 新疆克拉瑪依人， 博士， 主要從事烤煙栽培與養(yǎng)分管理方面的研究。E-mail: lijiangzhou1983@163.com * 通信作者 E-mail: ecologyouth@126.com

S147.2

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1008-505X(2015)04-1075-06