生物炭对黄土高原不同质地土壤中NO3－N运移特征的影响

李文娟，颜永毫，郑纪勇，2，张兴昌，2，李世清，2

（1.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌712100；2.中国科学院 水利部 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌712100）

氮素化肥利用率低下问题是一个世界难题。国际上氮肥的作物利用率约在33%左右［1－2］，每年氮肥的流失所造成的经济损失超过159亿美元［3］。我国是一个农业大国，为解决占世界21%人口的粮食问题，氮肥的施用量从1978年的5×106t增长到2007年的2.3×107t［4］，在许多地区尤其是我国东南沿海等农业高产地区其施用已呈过量之势。过量的氮肥施用和低下的作物利用率造成了氮素向环境中的流失，由此引发环境水体富营养化问题和大气N2O、NO和NH3的污染［5］。硝态氮是造成地下水污染的主要污染源，其在土壤中的运移行为是当前环境科学和土壤学研究的热点［6］。与硝态氮相比，铵态氮更易被土壤吸附，它只有在特定条件如土壤水分接近饱和的情况下借助下渗流的驱动才可能在土壤剖面中随水迁移［7］。尽管如此，铵态氮的运移行为对于一系列物理和化学过程如无机氮有机化、硝化—反硝化作用及离子交换反应等也有着重要影响［8］，对其研究已越来越受到重视。生物炭是作物秸秆等有机物质及其衍生物在无氧条件下碳化的产物，它具有改善土壤质量、保持土壤肥力等诸多作用［9－12］。作为一个农业大国，我国年产秸秆5亿t以上。如果生物炭施用于土壤能够减少氮素的流失、提高氮肥利用率，则不仅有助于解决氮肥的过量利用和由此造成的有关环境问题，而且为我国庞大秸秆资源的有效利用提供了一个新途径。

目前，国内外学者已经对土壤中硝态氮和铵态氮的水平扩散过程及运移机制进行了许多研究［13－19］，但关于生物炭输入后土壤硝态氮和铵态氮运移过程的研究还不多见。Lehmann等［20］的研究表明，生物炭具有很强的吸附能力，可以吸附铵根离子、硝酸盐，具有一定的保肥性能，施加到土壤中能够有效减少氮素的流失。为了研究生物质炭对氮素在土壤中的运移影响程度，本研究以添加不同量和不同粒径生物炭的土壤为研究对象，目的在于揭示输入生物炭后，三种土壤中硝态氮运移规律，并阐明其影响因素，为该区农田非点源污染防治及氮循环研究等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 生物炭 实验所用生物炭为以苹果枝为原料生产，工艺流程为干燥除水—挤压成型—装釜加热至550℃（6～8h）—停火冷却，约30%出炭率。生物炭粉碎后过2mm筛后保存备用，经测试（MS-2000激光粒度分析仪），粉碎后的生物炭颗粒大小分布见图1，总碳562.49g／kg，总氮2.34g／kg。从粒径分布看，生物炭颗粒大小接近风沙土，粗于黄绵土和土（表1）。

1.1.2 供试土壤 供试土样为耕作层（0—20cm）的陕北安塞黄绵土、榆林风沙土和杨凌土。土样风干后过2mm筛，105℃烘干法测吸湿水含量，粒度分析采用吸管法。测定结果见表1。

图1 生物炭微观结构（扫描电子显微镜）

表1 供试样品基本理化性质

1.2 试验方法

生物炭添加比例为2%，5%和8%（W／W），无生物炭添加作为对照。采用稳态条件下的垂直土柱易混置换试验，运移溶液为0.03mol／L的硝酸铵溶液。土柱高15cm，内径5cm。3种土壤的土柱填装容重均为1.35g／cm3，采取分层填装，控制容重为采样时的原状土壤容重。试验开始前先把土柱放在水槽中，控制水槽水面略低于土柱，从下至上饱和排气8h，采用马氏瓶控制水头，水头为3cm。试验开始后用30 ml塑料瓶接取出流液，稀释100倍后用连续流动分析仪（SKALAR-SAN＋＋）测定出流液的硝态氮［21－22］。

2 结果与分析

2.1 土壤硝态氮运移规律

2.1.1 土壤硝态氮穿透曲线特性分析 对溶质在土壤中的运移研究，一般是通过测定其在土壤中的相对浓度（即渗出液浓度与初始浓度的比）随时间而变化的穿透曲线。本文以硝态氮在土壤中相对浓度和穿透时间为坐标轴，得到了一系列溶质穿透曲线图。图2是硝态氮在三种土壤类型15cm土柱中的运移过程，反映了稳态条件下生物炭添加对硝态氮在土壤迁移过程的影响。

图2 不同生物炭添加比例下黄绵土土和风沙土的硝态氮穿透曲线

图2中，各处理穿透曲线呈现的基本趋势是渗出液的相对浓度随时间逐渐增大，随后趋于平缓。随着生物炭输入比例的增大，黄绵土和风沙土的硝态氮穿透能力降低，穿透时间增加；随着生物质炭输入比例的增大，黄绵土的硝态氮穿透能力增强，穿透时间减少。由此说明生物质炭输入对黄土高原典型土壤（风砂土、黄绵土、土）硝态氮的运移有显著的影响，但随质地不同，其影响不同。对于质地较粗的风沙土和黄绵土而言，高比例的生物质炭输入会增加硝态氮的穿透时间，说明生物炭阻滞了硝态氮的运移；然而，对于质地较为粘细的土来说，高比例的生物质炭输入会显著减少硝态氮的穿透时间，增加其穿透能力。

图2的穿透曲线中，由于溶质锋到达出溜端需要一定时间，运移初期起始浓度低，随着时间推移，由于溶质在多孔介质中水动力弥散和扩散作用，渗出液浓度逐渐上升。但三种土壤类型中，硝态氮的初始穿透时间不同，在黄绵土和土的初始穿透时间均大于2 h，而对于风沙土在运移2h内已经穿透，三种土壤类型硝态氮初始穿透时间的不同也说明了土壤类型差异对硝态氮运移的影响，说明质地越粗，越利于硝态氮的迁移。相较而言，生物炭添加对土溶质迁移过程的影响最大，不同添加比例间穿透过程的差异最大，黄绵土最小，而风沙土次之。

生物炭对溶质迁移过程的影响主要是通过两个方面的因素，一是其颗粒组成，可以改变原土壤的孔隙大小分布特征，二是其多孔高比表面特征，可以一定量的容重。对于黄绵土，随生物炭添加比例的增大，在控容重条件下，密度较轻的生物炭越多，土壤孔隙比越小，导致土壤中水流速度降低，吸附时间增加。对于土，随着生物质炭输入土比例的增大，硝态氮穿透曲线的变化显著，运移穿透点出现的时间提前，促进了硝态氮在土中的迁移。这是因为土质地较为黏细，结构较好，大孔隙比例较低的缘故。土中添加生物炭后，生物炭颗粒较粗，增加了样品中大孔隙的比例。土壤中存在明显的大孔隙时溶质便会优先穿透，此时吸附作用对溶质运移的影响作用将会较小，硝态氮的穿透能力反而提高，穿透时间降低。对于风沙土，随着生物质炭输入比例的增大，硝态氮穿透曲线的变化显著，穿透能力降低，穿透时间增加。其原因除与黄绵土类似外，另一原因可能是生物炭添加改变了原有孔隙结构，有效地降低了大孔隙比例。

2.1.2 土壤硝态氮运移参数分析 为定量确定生物炭对土壤硝态氮运移特征的影响，利用传统对流弥散方程及CXTFIT程序估计了运移参数。传统的对流弥散模型常用来描述稳态条件下非反应性溶质的土壤运移过程，在不考虑其它汇源项的条件下，具体对流弥散方程表达为：

式中：C——液相溶质浓度；D——扩散弥散系数；v——平均孔隙水流速；x，t——距离和时间。CXTFIT程序是用给定的初始值代入选定运移模型，通过计算值与实测值进行对比，采用最小二乘法逼近，最后得到各运移参数的最佳拟合值。λ为弥散度，是表征运移离子在运移过程中弥散强度的一个量。SSQ为拟合值与实测值的剩余平方和，其值越小说明拟合程度越高。对于3种土壤类型的土柱进行硝态氮穿透曲线的拟合结果见表2。

表2 硝态氮穿透曲线拟合运移参数

由表2可知，当没有生物质炭输入时，3种土壤类型所拟合的参数D从大到小依次是：风砂土、土、黄绵土。拟合参数λ中，黄绵土的值最大，而风砂土的值仅为它的0.45倍。在图2的土壤硝态氮穿透曲线中，从溶质完成穿透的快慢上也可区分三种土壤弥散强度的大小。其原因可能是由于黄绵土中的黏粒含量明显高于风沙土，使得黄绵土中的小孔隙多且孔隙的曲折度也大，所以硝态氮在黄绵土中受到的弥散度也相应提高。

当土壤中输入生物质炭后，三种土壤类型所拟合的参数D也基本符合风砂土＞土＞黄绵土的规律，同时拟合参数λ也基本有风砂土＜土＜黄绵土。随着生物质炭输入比例的增加，黄绵土和风砂土的拟合参数D减小，λ增大土的拟合参数D增大，λ减小。以上分析表明，在水分饱和的条件下，随着生物炭输入比例的增加，黄绵土和风砂土的弥散度逐渐增大，从而削弱了土壤硝态氮的运移能力；土的弥散强度减小，加强了土壤的硝态氮运移能力，表层土壤硝态氮迁移能力的加强将不利于有效氮的保持。

3 结论

（1）在水分饱和条件下，三种土壤的硝态氮穿透曲线均符合对流弥散方程（R2≥0.87），生物炭对硝态氮运移过程影响显著；（2）由于所加生物炭对质地较粗和细黏土壤孔隙大小分布改变方向不同，对于质地较粗黄绵土和风沙土，生物炭输入可以降低硝态氮的淋失，随生物炭添加量增加，其阻滞作用越强。对于质地较为粘细的土，生物炭添加可以促进硝态氮淋失，加强了土壤的硝态氮运移能力，表层土壤硝态氮迁移能力的加强将不利于有效氮的保持。

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