添加保水剂、生物炭和草木灰对发酵床秸秆垫料栽培基质养分淋溶的影响

刘丽珠，卢 信，范如芹，罗 佳，张振华

养分淋溶是指介质（土壤、营养基质等）中的营养元素随下渗水流由介质表层向底层移动的一个过程。淋溶是养分循环的一个重要环节，养分通过淋溶流失不但会降低肥料的利用率，还会消耗掉栽培介质的养分库，从而造成经济损失［1］。基质中的氮磷钾等养分转化主要受生物和非生物因素的影响，保水剂、生物炭和草木灰等作为外源输入的功能性材料，近年被广泛应用于土壤及栽培基质。此类功能性材料能直接或间接地参与基质养分循环，并通过自身的物理化学特性与基质相互作用，进而对基质养分淋溶产生重要影响［2］。

保水剂（SAP）是一类具有超强吸水和保水能力的新型高分子材料，近年被广泛应用于农业生产及水土保持中［3］。SAP在栽培基质性能的改良中可行性强，国内外也已有初步研究结果［4］，添加SAP可延缓植株的萎蔫发生时间，提高植株的水分利用率。范如芹等［5］在青菜栽培基质中添加淀粉基SAP，发现基质的最大持水量随SAP添加量的增加而显著升高，水分蒸发率则降低，在1 g／L的SAP添加量下基质最适于小青菜生长。车明超等［6］在施用同量尿素条件下对3种保水剂对尿素淋溶和土壤脲酶活性的影响进行了比较，发现3种保水剂都明显降低了土壤尿素淋失，保肥效果明显，有利于植物更好地吸收氮素。

国内外已有一些关于将生物质炭用作基质改良剂的报道，目前来看，生物质炭与其他调理剂联合使用的效果更佳［7］。 Fan 等［8］发现，同时添加 0.8 g／L的SAP与10%生物质炭，可以增大基质的孔隙度、持水量等，还可以降低因生物质炭而升高的基质pH值和电导率，进而促进基质栽培空心菜的生长和养分利用。生物质炭对土壤养分淋溶的机制主要包括通过表面电荷或微孔结构吸附养分离子、通过改变土壤持水力影响养分淋溶、通过与土壤微生物互作改变养分循环、表面吸附的养分离子优先通过生物炭颗粒移动［2］。生物质炭直接或间接参与基质养分循环，因此对基质养分淋溶也有一定的影响。

草木灰是农作物茎秆及柴草燃烧后所剩余的残渣，含有植物所需要的大量元素及微量元素，是一种容易获取且成本低廉、养分全面、肥效明显的理想无机农家肥。草木灰的孔隙度大，持水性好，无菌无毒，以草木灰为原料经合理加工复配，可以研制出育苗基质及花卉栽培基质［9］。

作物栽培基质水分和养分损失是目前栽培基质日常管理中的难题。本实验通过室内模拟基质柱淋溶实验，在基质中单一或复合添加保水剂、生物炭和草木灰，计算出损失的水分和养分，以了解保水剂、生物炭和草木灰对水、肥的保持能力及交互影响，旨在为合理浇水追肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

发酵床垫料产自江苏省农科院六合基地有机肥厂，由基于水稻秸秆的猪圈发酵床垫料圈内腐解（2年）及出圈后再次堆沤（1个月）制成。实验基质配方为：发酵床垫料 ∶木薯渣 ∶蛭石 ∶泥炭＝ 3 ∶2 ∶3 ∶2（体积比）。将基质原料按比例混合拌匀后，按不同的处理要求添加SAP、生物炭和草木灰，再次拌匀，装袋放置平衡1周。

保水剂（SAP）来自江苏省农科院农业设施与装备研究所，以改性后可溶性玉米淀粉为主要原料，采用水溶液聚合法制备的耐盐性钾型丙烯酸类高吸水树脂，粒度为 60～100 目，容重为 0.6～0.8 g／cm3，吸去离子水量为 800～1000 g／g，吸水速率小于 30 s，pH 值为6.9～7.3，电导率为 4.0～5.0 dS／m。生物炭为小麦秸秆在600℃高温下厌氧裂解得到，容重0.31 g／cm3，持水量 139%，pH 9.98，电导率 1.03 dS／m，颗粒大小均在2 mm以下，碳和氮含量分别为79.30%和0.97%。草木灰经过改良以后颗粒呈松散团粒或片状结构，直径为 0.5～2.0 mm，容重为 0.23 g／cm3，pH值11.5，持水量65%，总孔隙度85%。

1.2 实验设计和方法

本实验采用室内基质柱淋溶方法。各处理设置如下：（1）单一基质（CK）；（2）保水剂 0.8 g／L（S）；（3）生物炭 10%（B）；（4）保水剂 0.8 g／L＋生物炭10%（S＋B）；（5）草木灰 10%（PA）；（6）保水剂 0.8 g／L＋草木灰 10%（S＋PA）。 各处理 3次重复。

具体实验方法为：采用直径8.5 cm、高50.0 cm的PVC管，用200目滤布封住底口，在滤布上铺少量（25 g）石英砂，装入2.5 L搅拌均匀的基质。在基质柱上面再以少量（25 g）石英砂覆盖以防止加水时扰乱基质；向基质柱中加入500 mL水使基质与水混合均匀，平衡24 h。每次淋溶以500 mL去离子水缓慢均匀加入基质柱，收集淋溶液并记录每次淋溶液体积。以扎小孔的塑料薄膜封住上口，在室温下培养3 d后，第4天加500 mL水进行第2次淋溶，即每4 d淋溶1次。以后每次操作相同，共淋溶6次。

1.3 测定项目与方法

采用酸度计测定淋溶液的pH值；采用电导率仪测定电导率（EC）。使用过硫酸钾氧化－紫外分光光度法测定淋溶液的TN浓度；使用紫外分光光度法测定淋溶液的NO3－－N浓度；使用过硫酸钾消解－钼锑抗光度法［10］测定淋溶液的 TP浓度。采用ICP－MS（Icap－Q系列，美国Thermo公司）测定淋溶液的金属元素铁、铜、锌浓度。

1.4 统计分析

对实验数据采用SPSS 13.0软件进行单因素方差分析；对添加不同材料的基质淋溶液的pH、EC、总氮、硝态氮及总磷和铁等测定结果进行LSD差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理对基质柱淋溶液体积、p H值和电导率的影响

如图 1 所示，在整个淋溶过程中，CK、S、B、S＋B、PA和S＋PA处理的基质柱累积淋溶量分别为917、848、854、892、1054 和 770 mL，添加保水剂的处理的累积淋溶量都小于对照的，只添加草木灰的处理的累积淋溶体积最大。

从6次收集的淋溶液体积的趋势变化（表1）可以看出，只添加保水剂的基质柱在前两次收集的淋溶液体积与对照差异不显著，而后则可以显著降低基质柱基质水分的淋失（P＜0.05），说明在淋溶中后期，保水剂发挥了保水储水作用。添加生物炭的基质柱第1次收集的淋溶液体积显著低于对照的（P＜0.05），此时生物炭发挥了保水储水的作用；随着淋溶次数的增加，生物炭的保水能力逐渐减弱，在保水剂和生物炭共同作用下最后两次的淋溶体积甚至显著高于对照的（P＜0.05），说明保水剂并不能协助生物炭减少基质淋失水分，这可能是因为两者减少了水分的蒸发而导致淋溶体积变大。添加草木灰的基质柱淋溶液体积在第1次及后3次均显著高于对照的（P＜0.05），说明草木灰加速了基质柱水分的淋失，而保水剂与草木灰共同作用可以减缓水分的淋失。

表1 不同处理下基质的淋溶液体积 mL

图1 不同处理下累积淋溶液体积

如图2所示，随着淋滤次数的增加，淋溶液的pH值先上升后趋于平缓，总体上添加保水剂、生物炭及草木灰均使淋溶液的pH值有不同程度的升高。这可能是由于本研究所用生物炭（pH值为9.98）和草木灰（pH值为11.5）呈碱性，本来碱性离子较高，被淋溶出来了。图3显示了淋溶液电导率随时间的变化趋势，前两次各处理淋溶液的电导率均超过10 dS／m（添加生物炭处理淋溶液的电导率超出仪器测量范围）；但是随着淋溶次数的增加，电导率逐渐下降并趋于平缓，最后1次淋溶液的电导率在6.39～7.27 dS／m，各处理间差异不显著。

图2 不同处理下基质淋溶液的p H值

2.2 不同处理对基质淋溶液总氮、硝态氮和总磷淋溶量的影响

在淋洗初期淋溶液中总氮TN（49.1～76.9 mg）和硝态氮NO3－（29.5～53.9 mg）含量较高；此后随着淋溶次数的增加，总氮含量逐渐降低，硝态氮含量呈波动降低；各处理最后1次淋溶液的TN含量降至20.3～25.8 mg，NO3－含量降至 18.4～24.9 mg。

图3 不同处理下基质淋溶液的电导率

由表2可知，单独添加保水剂基质的6次总氮淋溶量均较对照有所下降，其中第1、4和5次显著低于对照。添加生物炭基质的总氮淋溶量最初与对照无显著差异，从第3次开始大幅下降，第3和4次的总氮淋溶量显著低于对照，最后又趋于对照水平。在保水剂和生物炭共同作用下，在减少总氮淋溶量上保水剂有一定贡献。添加草木灰基质的总氮淋溶量前3次均显著高于对照，而后逐渐趋于对照水平；添加保水剂对草木灰基质后期总氮淋溶有一定的减缓作用。

单独添加保水剂基质的硝态氮淋溶量6次均小于对照的，其中第1和5次显著低于对照。添加生物炭基质的第1、3、4次硝态氮淋溶量显著低于对照的，而保水剂和生物炭协同降低基质硝态氮淋溶的作用不明显。添加草木灰基质最初的硝态氮淋失量显著高于对照的，而后降低；添加保水剂和草木灰降低基 质硝态氮淋溶的效果优于单独添加草木灰的效果。

表2 不同处理下基质的总氮、硝态氮和总磷淋溶量的变化 mg

在所有处理基质中总磷淋溶量随时间呈波动趋势。对于对照，总磷淋溶量最大值出现在第3次淋溶，为7.26 mg，说明在淋溶过程中TP的淋失较TN滞后，可能是由于基质对磷的吸附能力强于对氮的吸附能力，从而使得TP较难发生淋失。与对照相比，保水剂的添加加速了基质总磷的淋失，最初两次淋溶液的磷淋失量都是最高的。对于添加生物炭的基质，第1次总磷淋溶量（3.29 mg和4.26 mg）显著低于对照的（7.02 mg）；此后有所增大，第3次总磷淋溶量出现最大值9.29 mg；与B处理相比，S＋B处理总磷的6次总淋失量增加了19%。添加草木灰基质的总磷淋失量6次均显著低于对照的，PA和S＋PA处理总磷的6次总淋失量分别只有对照的56%和61%，说明草木灰能显著减缓总磷的流失；只添加草木灰处理的效果优于添加草木灰＋保水剂处理的效果。

2.3 不同处理对基质淋溶液Fe、Cu和Zn浓度的影响

通过测定基质淋溶液中铁、铜和锌的浓度可知，3种金属元素最初在对照基质的淋溶液中浓度最高，此后随着时间的推移呈逐渐降低的趋势。添加保水剂、生物炭和草木灰都能不同程度地降低第1次淋溶液中铁、铜和锌的浓度（图4～图6）。总体而言，添加生物炭的基质淋溶液Fe、Cu和Zn的浓度高于添加草木灰的处理，说明草木灰吸附金属离子的能力高于生物炭的。

3 讨论

在淋洗初期淋溶液中TN和NO3－含量较高，主要是由于加水平衡期间过量的氮素向下移动，这部分氮素主要分布在水相中，因此可以随水分向下运移。添加生物炭基质的第3和4次总氮淋溶量显著低于对照的，这是因为生物炭具有疏松多孔的结构和很强的离子吸附交换能力，对基质中氮素具有很强的吸附能力，从而可以降低氮素随水分向下淋溶的能力。添加草木灰基质的前3次总氮淋溶量均显著高于对照的，说明草木灰容易活化基质中的氮素。

图4 不同处理下基质淋溶液Fe浓度变化

添加草木灰基质的6次总磷淋失量均显著低于对照的，说明草木灰能显著减缓基质总磷的流失。添加生物炭和草木灰对基质磷素淋溶损失影响的途径可能在以下两个方面：一方面是生物炭和草木灰本身有对磷酸盐及可溶性有机磷的吸附固定能力，有利于抑制磷素的淋失［11］；另一方面生物炭和草木灰的施入使基质的pH值显著升高，进而增加磷的有效性，从而会促进磷素的淋失［12］。因此，基质中添加生物炭和草木灰后，TP的淋失主要取决于这两种作用途径的平衡。

图5 不同处理下基质淋溶液Cu浓度变化

图6 不同处理下基质淋溶液Zn浓度变化

Fe、Cu和Zn适量存在于基质中，有利于植物的生长。添加保水剂、生物炭和草木灰都能不同程度地降低第1次淋溶液中铁、铜和锌的浓度，说明生物炭和草木灰的强吸附能力在发挥作用。总体而言，添加生物炭的基质淋溶液中Fe、Cu和Zn的浓度高于添加草木灰的，说明草木灰吸附金属离子的能力高于生物炭的。

4 小结

本实验结果表明；保水剂发挥保水储水作用在淋溶中后期；生物炭在第1次淋溶就发挥了保水储水的作用，此后其能力逐渐减弱，然而保水剂并不能协助生物炭减少基质淋失水分；草木灰加速了基质柱水分的淋失，保水剂与草木灰共同作用可减缓水分淋失；添加保水剂、生物炭及草木灰均使基质淋溶液的pH值有不同程度的升高；添加保水剂和生物炭能降低基质总氮和硝态氮淋失；保水剂会加速基质总磷的淋失；草木灰能显著减缓基质总磷的流失；添加保水剂、生物炭和草木灰都能不同程度地降低第1次淋溶液中铁、铜和锌的浓度；草木灰吸附金属离子的能力高于生物炭的。

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