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(guó)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(duì)，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(guó)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(duì)，北京 100081；3 貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州貴陽 550025)

【目的】我國(guó)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(duì)養(yǎng)分的吸附，延長(zhǎng)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(duì)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(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，包括不施肥對(duì)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(gè)處理重復(fù)4次，隨機(jī)排列。【結(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(shì)。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(gè)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(gè)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(duì)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(yàn)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(xiǎn)，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(gè)元素的淋失而繼續(xù)試驗(yàn)。

生物炭； 植煙土壤； 養(yǎng)分淋失

在我國(guó)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(duì)象，通過土柱淋洗模擬試驗(yàn)，研究了添加不同水平玉米秸稈生物炭對(duì)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(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)

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(shí)對(duì)淋溶產(chǎn)生影響；在上部鋪一層濾紙以防止水分淋溶對(duì)表層土壤的擾動(dòng)；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(shí)淋洗一次，共淋洗14次。收集每一次的淋溶液并測(cè)定其體積和硝態(tài)氮、磷、鉀含量。

1.3 測(cè)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(jì)法測(cè)定，計(jì)算每一次淋洗的以及累積的養(yǎng)分淋失量，測(cè)定結(jié)果均換算成單位質(zhì)量干土的淋失量(以N、P、K計(jì)，mg/kg)。淋洗結(jié)束后測(cè)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(duì)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(diǎn)位屬于羧酸基和酚基功能團(tuán)[9]，這些負(fù)電荷表面點(diǎn)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(zhǎng)其滯留時(shí)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(duì)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(huì)，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(shí)期淋洗量及累計(jì)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(shí)期淋洗量及累計(jì)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(duì)土壤磷素淋失的影響

圖2顯示了不同處理土壤磷素各時(shí)期淋洗量及累計(jì)淋洗總量。從中可以看出，CK處理的土壤磷素淋洗量在整個(gè)培養(yǎng)時(shí)期趨于平穩(wěn)，而其他處理均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，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(gè)添加生物炭處理的變異幅度低于NPK，且高峰時(shí)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(gè)時(shí)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(shì)，此外降低幅度隨時(shí)間呈先升高后降低的趨勢(shì)。就磷的累計(jì)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(jì)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(dòng)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(shí)有很多報(bào)導(dǎo)[7]。劉利花等對(duì)土上的長(zhǎng)期施肥土壤磷素淋溶趨勢(shì)的研究證實(shí)，當(dāng)土壤速效磷含量超過23 mg/kg時(shí)，就有磷素淋溶的可能[12]。本研究CK處理土壤的有效磷含量?jī)H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(huì)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(duì)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(zhǎng)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(huì)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(shí)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(duì)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(gè)培養(yǎng)時(shí)期趨于平穩(wěn)，而其他處理在試驗(yàn)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(gè)時(shí)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(shí)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(jì)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(jì)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(shí)期淋洗量及累計(jì)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(diǎn)位以及微孔理論上可以對(duì)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(duì)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(xiǎn)，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(duì)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(shí)間短，且在本試驗(yàn)中放大了生物炭的施用量，所以不能依據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果提出適宜的生物炭用量。為了深入了解生物炭對(duì)土壤氮磷鉀淋失的影響機(jī)制和實(shí)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(yàn)以及生物炭鉀素有效性定量控制試驗(yàn)研究。

[1] 黃劍, 張慶忠, 杜章留, 等. 施用生物炭對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)影響的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象, 2012, 33: 232-239. Huang J, Zhang Q Z, Du Z Letal. Research advances in effects of biochar application on agroecosystem[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2012, 33: 232-239.

[2] 陳紅霞, 杜章留, 郭偉， 等. 施用生物炭對(duì)華北平原農(nóng)田土壤容重、陽離子交換量和顆粒有機(jī)質(zhì)含量的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 22: 2930-2934. Chen H X, Du Z L, Guo Wetal. Effects of biochar amendment on cropland soil bulk density, cation exchange capacity, and particulate organic matter content in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22: 2930-2934.

[3] 郭偉, 陳紅霞, 張慶忠， 等. 華北高產(chǎn)農(nóng)田施用生物質(zhì)炭對(duì)耕層土壤總氮和堿解氮含量的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2011, 20: 425-428. Guo W, Chen H X, Zhang Q Zetal. Effects of biochar application on total nitrogen and alkali-hydrolyzable nitrogen content in the topsoil of the high-yield cropland in north China Plain[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2011, 20: 425-428.

[4] 張萬杰, 張慶忠, 李志芳， 等. 生物質(zhì)炭和氮肥配施對(duì)菠菜產(chǎn)量和硝酸鹽含量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 30: 1946-1952. Zhang W J, Zhang Q Z, Li Z Fetal. Impacts of biochar and nitrogen fertilizer on spinach yield and tissue nitrate content from a pot experiment[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30: 1946-1952.

[5] Zhang Q, Wang Y, Wu Y.etal. Effect of biochar amendment on soil thermal conductivity, reflectance, and temperature[J]. Soil Science Society of America Journal, 2012, 77: 1478-1487.

[6] Novak K M, Busscher W J, Laild D Letal. Impact of biochar amendment on fertility of a southeastern coastal plain soil[J]. Soil Science, 2009, 174: 105-112.

[7] Laird D, Fleming P, Wang Betal. Biochar impact on nutrient leaching from a Midwestern agricultural soil[J]. Geoderma, 2010, 158: 436-442.

[8] Singh B P, Hatton B J, Singh Betal. Influence of biochars on nitrous oxide emission and nitrogen leaching from two contrasting soils[J]. Journal of Environmental Quality, 2010, 39: 1224-1235.

[9] Liang B, Lehmann J, Solomon Detal. Black carbon increases cation exchange capacity in soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 2006, 70: 1719-1730.

[10] 呂家瓏, Fortune S, Brookes P C. 土壤磷淋溶狀況及其Olsen磷“突變點(diǎn)”研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 22: 142-146. Lü J L, Fortune S, Brookes P C. Research on phosphorus leaching from soil and its Olsen-P “Threshold Volume ”[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2003, 22: 142-146.

[11] 于群英, 李孝良, 李粉茹. 安徽省土壤無機(jī)磷組分狀況及施肥對(duì)土壤磷素的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2006, 20: 57-62. Yu Q Y, Li X L, Li F Retal. Contents of soil inorganic phosphorus fractions in Anhui Province and effects of fertilization on soil phosphorus[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2006, 20: 57-62.

[12] 劉利花, 楊淑英, 呂家瓏， 等. 長(zhǎng)期不同施肥土壤中磷淋溶“閾值”研究[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003, 31: 123-126. Liu L H, Yang S Y, Lü J Letal. Studies on “threshold value” of phosphorus leaching in long-term different fertilization soils[J]. Journal of Northwest Science-Technology University of Agriculture and Forestry, 2003, 31: 123-126.

[13] Vander Melen D T, Breeuwsma A, Bcers P C M. Agricultural nutrient losses to surface water in the Netherlands: Impact, Strategies, and perspective[J]. Journal of Environmental Quality, 1998, 27: 4-11.

[14] 占麗平, 李小坤, 魯劍巍, 等. 土壤鉀素運(yùn)移的影響因素研究進(jìn)展[J]. 土壤, 2012, 44: 548-553. Zhan L P, Li X K, Lu J Wetal. Research advances on influence factors of soil potassium movement[J]. Soils, 2012, 44: 548-553.

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(guó)煙草總公司云南省煙草公司科技計(jì)劃項(xiàng)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

A

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