室内模拟:生物炭对白浆土和黑土中氮素淋溶的影响

张千丰，元 野，刘居东，王光华

(1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所中国科学院黑土区农业生态重点实验室，黑龙江哈尔滨150081;2. 中国科学院大学，北京100049; 3. 牡丹江烟草研究所，黑龙江牡丹江157011)

0 引 言

白浆土和黑土是黑龙江省的主要耕作土壤，这两种土壤的生产力对保障国家粮食安全具有重要作用。白浆土由于具有质地黏重、土壤pH 低、透水性劣、保水保肥能力差等特点，被认为是一种低产的土壤［1］。黑土肥力较高，理化性质较好，但由于长期的过度垦殖和大量的化学肥料投入，致使黑土农田土壤有机质含量下降和土壤酸化等现象发生严重。如何改良这两种土壤，提高土壤保水保肥能力，对于维持或提高这两种土壤的生产力具有重要的意义。

生物炭是指生物质原料在无氧或低氧条件下，经高温裂解而形成的炭。由于生物炭具有固碳于土壤的作用，近年来引起环境科学研究者广泛关注。生物炭呈多孔结构，具有较高的比表面积、阳离子交换量和吸附能力，能够有效降低土壤中矿质元素的损失［2－4］;生物炭施入土壤能改变土壤孔隙的大小分配，进而影响土壤溶液的停留时间及流程，改变土壤的渗透模型［5］。生物炭在制备过程中，由于碳结构的改变，使得生物炭较其制备原料pH 值有不同程度的提高，多呈碱性［6－7］。生物炭施入土壤有利于改善酸性土壤pH 值［7］。通过室内模拟试验，研究了添加玉米棒芯生物炭对白浆土和黑土土壤N 素淋溶及土壤pH 值的影响，目的为采用生物炭改良黑土和白浆土提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 生物炭。生物炭是将干燥的玉米棒芯切成1 cm 左右长度，装入坩埚中，加盖密封，然后放入马弗炉在450 ℃条件下热解6 h 制备而成。生物炭基本性状见表1。

1.1.2 土壤。研究所用白浆土和黑土分别取自黑龙江农垦建三江农业科学研究所和中国科学院东北地理与农业生态研究所哈尔滨园区试验田的耕层(0～20 cm)土壤。土壤挑出石子和植物残体，过2 mm 筛备用。土壤基本化学性状见表1。

表1 供试材料的基本化学性质Tab.1 Basic chemical properties of the tested materials

1.1.3 淋溶试验装置。以玻璃圆管自制成土壤淋溶装置。玻璃圆管内径为3 cm、高度为30 cm，圆管下端装有白色玻璃砂芯(只允许水通过)，最下端接一漏斗状小管，连接橡胶软管，便于收集淋溶液。

1.2 试验方法

试验1:不同剂量生物炭试验

将玉米棒芯生物炭与土壤分别按0% (CK)、2% (C2)和4% (C4)质量比混合，称取120 g，然后再加入含N 量12 mg 的尿素，相当于75 kg N·hm－2，做成土柱，每个处理3 个重复。加水至土壤含水量30%，平衡一周后，每隔4 天添加0.001 mol·L－1CaCl2溶液25 ml，测定每次淋溶液量，并计算累计淋溶量(即五次淋溶量之和)，N 淋失量，最后测定土壤pH。

试验2:生物炭与尿素混肥方式试验

试验按两种方式混拌生物炭、尿素和土壤。一是尿素先吸附在生物炭上，再与土壤按2%质量比混合，标注为C+处理;二是生物炭与土壤按2%质量比混合，再添加尿素，标注为C 处理。尿素含N 量均为12 mg，以未加生物炭，只添加尿素的土壤为对照CK 处理。土柱制备、淋溶处理及测定指标同试验1。

试验3:不同形态氮素试验

将玉米棒芯生物炭和土壤按2%质量比混匀，称取120 g，然后分别添加含纯N 量12 mg 的尿素、硫酸铵和硝酸钾，同时做不添加生物炭但添加等量的尿素、硫酸铵和硝酸钾作为平行对照处理。土柱制备、淋溶处理及测定指标同试验1。

注:试验中尿素、硫酸铵和硝酸钾均先制成溶液，以液态形式与土壤混合，然后装入淋溶管中。

1.3 土壤及生物炭基本理化性质和淋溶指标测定

土壤中基本理化性质测定参照鲁如坤方法测定［8］。

生物炭/土壤碳、氮含量测定:称取3 mg 生物炭或20 mg 土壤，采用VarioEL Ⅲ型元素分析仪(德国，Elementar)测定生物炭全碳和全氮含量。

生物炭/土壤pH 测定:采用DELTA pH 计测定pH 值，土壤测定水土比为5∶1，生物炭测定水和生物炭比为10∶1。

铵态氮和硝态氮含量:称取过2 mm 的风干土样20.0 g，于150 ml 三角瓶中，加入50 ml 2 mol·L－1氯化钾浸提剂，震荡1 h，马上过滤，滤液(最初滤液弃掉)用于SAN + +SYSTEM (荷兰，SKALAR)流动分析仪检测。

1.4 数据分析

利用EXCEL 2007 对试验数据进行统计，并利用SigmaPlot 10.0 软件作图，再用单因素ANOVA 分析和LSD 多重比较在SPSS 17.0 软件下对各组数据进行处理间的显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭施用对土壤淋溶量的影响

该淋溶试验每个处理进行5 次淋溶，累计添加溶液量为125 ml，生物炭对土壤累积淋溶量的影响，如图1 所示。试验1 中，未添加生物炭的白浆土和黑土处理5 次累计淋溶量分别为111.26 ml 和109.37 ml，占添加溶液的89%和87%。白浆土中，C2 和C4 处理的累积淋溶量分别较CK 减少了10%和13%，差异显著。黑土中，C2 和C4 处理的累积淋溶量分别较CK 减少了5%和10%，差异显著。两种土壤C4 处理的累积淋溶量均小于C2 处理，两者间差异显著。该结果表明，添加生物炭能减少白浆土和黑土土壤水分的淋失，增加土壤的持水能力，且持水能力随着生物炭用量的提高而升高的趋势。试验2 与试验1 结果相一致，混肥方式C+和C 处理累积淋溶量均较不添加生物炭CK 处理少，差异显著，但两种混肥方式间累计淋溶量差异不显著。试验3 结果与试验1 和2 相同，添加生物炭降低了土壤溶液淋溶量，但不同形态氮素处理不论添加生物炭或未添加生物炭处理之间土壤淋溶量差异不显著。

2.2 生物炭施用对土壤pH 的影响

3 个试验土壤pH 的结果如图2 所示。由试验1 结果可知，在白浆土中，C2 和C4 分别比CK 处理提高了0.17 和0.26 个pH 单位，但三者间未达到差异显著水平;而在黑土中，C2 和C4 处理均显著高于CK处理，分别较CK 升高了0.48 和0.98 个pH 单位。该结果表明，添加生物炭可以提高两种土壤pH 值，且对土壤pH 值提高作用随生物炭用量而增强。试验2 中土壤pH 也发生显著变化，C 和C+处理在白浆土中较CK 处理分别升高了0.22 和0.81 个pH 单位，在黑土中较CK 处理分别提高了0.98 和0.95 个pH 单位，差异显著。C 和C+处理之间对两种土壤pH 的影响在白浆土中差异显著，而在黑土中差异不显著。试验3 中，添加生物炭处理的硫酸铵、硝酸钾和尿素较对应的未添加生物炭处理在白浆土中分别提高0.33、0.43 和0.45 个pH 单位，在黑土中分别提高0.20、0.49 和0.99 个pH 单位。可见3 个试验均表明，施入生物炭处理均不同程度地提高了白浆土和黑土pH 值，有助于减缓氮肥施用对土壤的酸化作用。

图2 生物炭对白浆土和黑土土壤pH 的影响Fig.2 The soil pH of Albic soil and Black soil treated with biochar

2.3 生物炭施用对土壤的N 素淋溶量的影响

2.3.1 生物炭施用量对土壤的N 素淋溶量的影响。在白浆土中CK、C2 和C4 处理5 次淋溶以铵态氮形态累积淋失的纯氮量分别为3.27 mg、2.94 mg 和2.74 mg;以硝态氮形态累积淋失的纯氮量分别为11.10 mg、9.73 mg和8.22 mg，见图3。CK、C2 和C4 处理淋失的N 总量分别为14.37 mg、12.67 mg 和10.96 mg。C2 和C4 较CK 相比分别减少N 素淋溶量12%和24%。同样在黑土中，CK、C2 和C4 处理5次淋溶铵态氮淋失量分别为3.04 mg、2.49 mg 和2.26 mg，硝态氮淋失量分别为9.26 mg、8.01 mg、7.76 mg，即上述三个处理淋失N 总量分别为12.30 mg、10.50 mg 和10.01 mg。与CK 相比，C2 和C4 分别减少总N 损失量的15%和19%。由此可知，添加生物炭可以显著减少白浆土和黑土中N 肥的淋溶，且N 淋失量随着生物炭用量增加而减少。

2.3.2 生物炭不同混肥方式对土壤的N 素淋溶量的影响。白浆土和黑土中的铵态氮和硝态氮的累积淋失量变化为CK ＞C ＞C+的趋势，见图4。白浆土中，CK、C+和C 处理5 次淋溶铵态氮淋失总N 量分别为3.30 mg、2.49 mg 和2.82 mg，硝态氮淋失总N 量分别为8.73 mg、6.35 mg 和7.97 mg。在黑土中，CK、C+和C 处理5 次淋溶铵态氮淋失总N 量分别为3.31 mg、2.73 mg 和2.97 mg，硝态氮淋失总N 量分别为7.92 mg、6.31 mg 和7.58 mg。该结果表明，添加生物炭较不添加生物炭处理能够减少N 素的淋溶，这一结果与试验1 结果相一致。比较两种混肥方式对N 素淋溶的影响发现，C+较C 处理在白浆土中累计减少N 淋溶量1.95 mg，减少了18%的N 素淋失;在黑土中累计减少N 淋溶量0.51 mg，减少了14%的N 素淋失。可见，N 肥先吸附于生物炭上再混土比N 肥、生物炭和土壤一起混合更能有效减少N 素的淋失。

图3 生物炭施用量对白浆土和黑土N 素淋溶量的影响Fig.3 The accumulated N leached from Albic soil and Black soil which treated with different amount of biochar

图4 不同的生物炭混肥措施对白浆土和黑土N 素淋溶量的影响Fig.4 The accumulated N leached from Albic soil and Black soil which mixed fertilizer on different measures

2.3.3 生物炭对施入不同形态N 肥N 素淋溶的影响。在添加生物炭处理的硫酸铵、硝酸钾和尿素的白浆土中，以铵态氮形式累积淋溶损失N 量分别为4.47 mg、0.49 mg 和3.10 mg，而未添加生物炭处理的累积淋溶损失N 量分别为5.29 mg、0.67 mg 和3.90 mg，见图5。添加与未添加生物炭相比，上述3 种N 肥处理以铵态氮形式分别减少N 损失16%、27%和21%。同样，在添加生物炭处理的硫酸铵、硝酸钾和尿素的黑土中，以铵态氮形式累积淋溶损失N 量分别为3.38 mg、0.55 mg 和2.94 mg，未添加生物炭处理的累积淋溶损失N 量分别为3.63 g、0.60 mg 和3.37 mg。与未添加生物炭相比，添加生物炭处理的上述3 种氮肥以铵态氮形式氮素损失分别减少了7%、8%和18%。

图5 生物炭对施入不同氮肥的白浆土和黑土中铵态氮N 素淋溶量的影响Fig.5 The accumulated ammonium N leached from Albic soil and Black soil which mixed with biochar and different nitrogen fertilizers

在添加生物炭处理的硫酸铵、硝酸钾和尿素的白浆土中，以硝态氮形式累积淋溶损失N 量分别为6.80 mg、10.50 mg 和7.95 mg，而未添加生物炭处理的累积淋溶量分别为6.95 mg、12.21 mg 和8.70 mg，见图6。添加与未添加生物炭相比，以硝态氮形式分别减少N 素损失2%、14%和8%。在添加生物炭处理的硫酸铵、硝酸钾和尿素的黑土中，以硝态氮形式累积淋溶损失N 量分别为7.60 mg、10.00 mg 和7.92 mg，而未添加生物炭处理的累积淋溶损失N 量分别为7.96 mg、12.25 mg 和9.00 mg。与未添加生物炭相比，添加生物炭的处理上述3 种N 肥在黑土中以硝态氮形式分别减少N 素损失5%、18%和12%。

综合图5 和图6 的数据可知，在白浆土中，添加与未添加生物炭相比较，分别减少施入硫酸铵、硝酸钾和尿素后N 素淋失总量8%、15%和12%。在黑土中，分布减少3 种N 肥N 素淋失总量5%、18%和12%。

图6 生物炭对施入不同氮肥的硝态氮N 素淋溶量的影响Fig.6 The accumulated nitrate N leached fromAlbic soil and Black soil which mixed with biochar and different nitrogen fertilizers

3 讨 论

试验从3 个试验角度报道了施用玉米棒芯生物炭对白浆土和黑土两种土壤淋溶量、N 素淋失量和土壤pH 值的影响。3 个试验结果均表明，向土壤中施入生物炭能够减少淋溶量，提高土壤的持水能力，且减少淋溶量的效果随生物炭用量的增加而提高(试验1)。不同N 肥及混肥方式对生物炭持水能力没有影响(试验2 和3)。生物炭能够减少土壤淋溶量的原因与其结构有关，生物炭空隙多，比表面积大，能够吸附更多的水分［9－10］。生物炭改善土壤持水能力是通过土壤密度和孔隙度来实现的。生物炭的密度与土壤相比相差不多，但由于生物炭多微孔，使得生物炭密度较小，一般在0.08 g·cm－3～0.5 g·cm－3［11－12］，远远小于土壤的密度，故将生物炭施入土壤可以降低土壤密度［13］，致使土壤具有更大的孔隙度，保持更多的水分［14］，进而影响土壤的水含量。

3 个试验均发现施用生物炭能够提高土壤pH。土壤的酸碱度是由盐基离子浓度和种类支配的，生物炭具有更多的盐基离子［15］及较高的pH 值，因此生物炭能够提高施入土壤的pH 值［7，16－17］，且这种作用效果随生物炭的用量增加提高土壤pH 效果明显(试验1)。试验2 发现，生物炭不同混肥方式对土壤pH 值影响差异不显著。虽然生物炭混肥能通过阳离子交换吸附土壤中的NH4+离子［17］，但置换出来的盐基离子绝大部分又随水下渗，而土壤中的盐基离子变化不大，故此，针对土壤pH 而言，生物炭与肥料的不同混肥措施对影响不显著。向土壤中施入3 种不同形态N 肥可导致土壤酸化，且硫酸铵的酸化效果强于硝酸钾和尿素。氮肥施入导致土壤酸化是目前我国农业生产上面临的一个继续解决的问题，土壤酸化导致土壤盐基离子易于流失，土壤肥力降低。生物炭具有较高的盐基离子含量和pH 值，向土壤中施入生物炭能够有效地补充盐基离子含量，提高土壤pH，从而达到改良酸性土壤的效果。

研究旨在模拟施N 肥后对土壤N 素淋溶量的影响。为了增加淋溶效果，试验中每个土柱施入N 量为12 mg，但原土壤中含有部分N 素，所以土柱N 损失量大于12 mg。Laird 等［18］对施入猪粪的美国中西部土壤研究发现，施入2%的橡木生物炭减少了11%的N 素损失。Ding 等［19］研究也发现，0.5%竹质生物炭减少了砂土中15.2%的氯化铵损失。周志红等［20］通过室内模拟淋溶试验指出，50 t·hm－2和100 t·hm－2生物炭施用量降低29%和74%黑钙土N 素淋失，减少41%和78%紫色土N 素淋失。研究中，我们发现，在施入尿素的土壤中，添加2%生物炭分别减少白浆土和黑土12%、15%的N 素损失，而添加4%生物炭则减少其24%、19%的N 素损失，该结果与上述学者的结论相一致，即向土壤中施入生物炭能有效地减少土壤N 素淋溶损失。生物炭的保肥功能主要由以下几个原因决定:一是生物炭具有高的表面电荷密度，能通过阳离子交换保留土壤中的NH4+［17］;二是生物炭具有较高的比表面积、孔隙度、极性和非极性表面位点，这些特征使生物炭有效、广泛的吸收土壤中的NH4+和NO3－［21－23］。高的生物炭添加量会促进土壤对矿质元素的保持［18］，因此导致土壤对N 肥的保肥效果。

试验2 结果发现，与N 肥、生物炭和土壤直接混合相比，N 肥先吸附于生物炭上再混土能够有效减少白浆土和黑土N 损失量。表明生物炭混肥过程中，肥料较容易被生物炭吸附，能更好的减少土壤N 素的损失。Ding 等［19］研究发现，0.2 g 生物炭可以吸附30 mL 100 mg·L－1的氯化铵溶液中的NH+4。所以在生产实践中，建议肥料与生物炭充分混合后或制成炭基肥料，再施入土壤，这样可有效地减少肥料中N 素淋溶损失。

试验3 研究发现，在施入硫酸铵、硝酸钾和尿素的土壤中，生物炭对不同形态N 肥有不同保肥效果。对于施入N 肥的土壤，NO3－的损失是土壤N 素淋失的主要形式。生物炭添加到土壤中，增加了土壤的孔隙度，增强土壤的通氧量，进而促进好氧呼吸［24］，促进土壤的硝化速率［25］。另外，生物炭会提高土壤的含水量，促使酸性土壤pH 升高，促进酸性土壤的硝化作用，这也是土壤N 素损失以NO3－为主的原因。Lehmann 等［26］研究中报道，发现木质生物炭能显著降低施入鸡粪的土壤中NH4+损失。Liang 等［17］也报道与NO3－相比，NH4+更易被生物炭吸收。而研究发现，向白浆土和黑土中施入生物炭对硝酸钾的保N 效果好于硫酸铵，这与Liang［17］和Lehmann 等［26］的研究结果不同。我们推测生物炭对3 种N 肥的不同保肥效果一方面与N 素在土壤中的转化有关，另外一方面也与不同材料生物炭对NO3－和NH4+吸附效果不同有关，有关不同生物炭种类对不同形态N 肥保N 效果是否存在差异有待进一步研究。

4 结 论

玉米棒芯生物炭施入白浆土和黑土能提高2 种土壤的持水能力，减少淋溶量和提高土壤pH 值，且减少淋溶量和提高土壤pH 值的效果随生物炭用量的增加而提高。向白浆土和黑土中添加生物炭可以显著减少N 素淋溶损失。N 肥直接吸附于生物炭再与土壤混合较N 肥、生物炭和土壤直接混合相比，能够显著降低土壤N 素的淋溶量。生物炭对不同形态N 肥保肥效果不同，向白浆土和黑土中施入玉米棒芯生物炭对硝酸钾的保N 效果好于硫酸铵。

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