稻壳炭施用对太湖滨岸灰潮土氮磷淋失及土壤性质的影响

卜晓莉 ，汪浪浪 ，马青林 ，薛建辉

1. 南京林业大学南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037；2. 南京林业大学理学院，江苏 南京 210037

化肥的过量施用导致氮磷养分的淋失，引起地下水污染和河流湖泊的富营养化。生物炭具有高孔隙度和比表面积大的特点，其对亲水和疏水分子的吸附作用取决于生物炭的表面官能团（Major et al.，2009）。生物炭表面带有大量负电荷，并包含一系列含氧、含氮、含硫官能团，具有很大的阳离子交换量（CEC），理论上能够吸附大量可交换态阳离子（Liang et al.，2006）。由于其固有的这些理化特性，生物炭的添加可以作为减少土壤养分淋失的一种有效方法。

Laird et al.（2010）报道，生物炭和有机肥混施的土柱渗滤液中，总氮和总磷含量随生物炭添加量的增加而显著降低。李江舟等（2015）研究发现，施用生物炭能够有效减少植烟土壤硝态氮和磷素的淋溶损失，降低地下水污染风险。陈灿在酸雨淋溶条件下，在红壤性稻田土壤中施用凤眼莲生物炭，施用1 年后土壤铵态氮、硝态氮和总磷的淋失量分别减少8.2%—49.8%，14.3%—76.2%和16.6%—43.3%，表明在短期内凤眼莲生物炭的施用有助于主要矿质元素的保蓄持留，对减控稻田面源氮磷流失具有重要作用。

相反，还有一些研究报道生物炭的添加，并没有减少土壤养分淋失，甚至还增加了土壤磷素的淋失。Ventura et al.（2012）报道，苹果园亚碱性土壤中添加生物炭，并没有对土壤铵态氮的淋失产生显著影响。Hardie et al.（2015）报道，土壤中添加木炭对硝酸盐的浓度或通量没有显著影响，而且还会导致渗滤液中磷浓度显著增加。李江舟等（2015）和徐艺倩等（2017）研究发现，施用生物炭后，黄棕壤磷素淋失总量变化不明显。以上研究结果的差异可能是由于土壤性质、生物炭特性和施用量，以及施肥状况不同等因素引起的。

目前关于生物炭的研究主要集中在生物炭施用对农田土壤养分淋失以及提高氮肥利用率等方面。然而，生物炭在滨岸缓冲带和湿地等系统中可能具有更大的应用潜力。Ballantine et al.（2015）发现，添加生物炭使恢复湿地土壤的阳离子交换量增加10%。同时，土壤微生物生物量和微生物活性在生物炭施用后的几年时间都持续增加。生物炭作为土壤改良剂，可以加速植物和土壤之间的相互作用，这将有助于恢复湿地的水质改善，以及生物多样性功能的提高（Ballantine et al.，2015）。

稻壳是我国丰富的农业副产品，稻壳表面坚硬，硅含量高，容重小，不易被细菌分解（Zhu et al.，2012）。将稻壳废弃物转化为稻壳炭，并将其应用于田间系统是一种安全有益的处理方法。本研究通过土柱淋溶试验，研究了不同施用率（0%，1%，2%和5%）稻壳炭与肥料（NH4NO3和KH2PO4）混施后对太湖滨岸灰潮土氮磷淋失的影响，以及对灰潮土性质的改良作用，为太湖滨岸植被带恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 稻壳炭与土壤性质

试验用稻壳炭由河南三利新能源有限公司购得，最高热解温度为500 ℃。稻壳炭C、N 含量采用元素分析仪测定（Vario El III，Elementar，德国）。稻壳炭容重通过100 cm3不锈钢柱测定未压实的稻壳炭重量来确定。稻壳炭pH 和电导率（EC）以炭水比1:10 的比例浸提后，分别采用酸度计和电导率仪测定。稻壳炭中可溶性氮（NH4+和NO3-）用2 mol·L-1KCl 提取，可溶性磷（PO43-）用0.01 mol·L-1CaCl2提取，提取液中NH4+、NO3-和PO43-的含量采用流动分析仪测定（SKALAR SAN++8505，Skalar，荷兰）。稻壳炭理化性质见表1。本研究以宜兴市东南部太湖滨岸表层0—10 cm 土壤为供试土壤。该土壤属于灰潮土，土壤质地为粉质壤土，土壤体积质量（容重）1.36 g·cm-3，pH (1:10 水提) 5.9，有机质质量分数15.1 g·kg-1，总氮质量分数0.83 g·kg-1，有效磷质量分数8.34 mg·kg-1。

1.2 土柱淋溶试验

采用土柱淋溶试验研究了稻壳炭施用对灰潮土氮磷养分淋失的影响。土柱由PVC管制成，长30 cm，直径10 cm，两端加开孔盖子。在柱底部安装了玻璃纤维滤网，并在滤网上放置了一层3 cm 的石英砂，以防止土壤流失。将1 000 g 烘干重的土壤分别与0、10、20、50 g 烘干重的稻壳炭混合均匀装柱，以下简称为CK、RC1、RC2 和RC3。对照土柱（CK）未添加稻壳炭，每种处理重复4 次。

土柱淋溶试验在25 ℃，75%相对湿度的恒温室内进行16 周。土柱第一周用1 500 mL 去离子水冲洗进行预处理，第2 周在土柱顶端加入200 mL营养液，营养液中含有50 mg·L-1NH4+，50 mg·L-1NO3-和50 mg·L-1PO43-（以NH4NO3和KH2PO4的形式加入）。随后，每隔一周用200 mL 去离子水冲洗土柱，并收集渗滤液。渗滤液中NH4+、NO3-和PO43-的浓度采用流动分析仪测定（SKALAR SAN++8505）。渗滤液中NH4+的累积淋失量计算公式为：

其中ρt为淋溶第t 周渗滤液中NH4+的质量浓度（mg·L-1），Vt为淋溶第t 周渗滤液体积（L）。渗滤液中NO3-和PO43-的累积淋失量计算方法与NH4+相同。

1.3 土壤分析

土柱试验结束后，对各土柱的土壤样品进行了采集和分析。采用环刀法测定土壤体积质量（容重）；采用DIK-1130 型土壤三相仪测定土壤总孔隙度；采用凯氏定氮法测定土壤总氮；采用碳酸氢钠浸提，钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量；采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定土壤微生物生物量碳、氮含量（Vance et al.，1987；Brookes et al.，1985）。土壤pH 以土水比1:10（质量比）浸提后，酸度计测定。土壤铵态氮和硝态氮的测定与上文稻壳炭中的检测方法一致。土壤持水能力的测定是将15 g 的风干土壤放置在一个PVC 环内（内径6 cm，高度5 cm），底部垫一张Whatman No. 42滤纸，然后将PVC环放置在托盘上，让底部3 cm 的PVC 环浸湿在水中，直到土壤饱和。最后，将PVC 环转移到滤网上，以便在重力作用下自由排水，自由排水后土壤的含水率即为土壤的持水能力（Yoo et al.，2014）。

1.4 统计分析

采用SPSS 13.0 软件进行数据统计分析，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差异检验（LSD），确定测量变量处理之间的差异是否显著（P＜0.05）。采用Origin 8.5 软件绘图。

表1 稻壳炭的理化性质 Table 1 Basic physicochemical properties of rice husk biochar

2 结果与分析

2.1 稻壳炭施用对太湖滨岸灰潮土氮磷淋失的影响

灰潮土土柱渗滤液中铵态氮浓度和铵态氮累积淋失量随时间的变化趋势如图1 所示。对照土柱施肥后, 渗滤液中NH4+-N 质量浓度在第10 周达到15 mg·L-1的最大值。在稻壳炭处理的土柱（RC1、RC2 和RC3）渗滤液中，NH4+-N 质量浓度在第4周达到峰值，随后逐渐下降，到第16 周下降到2—6 mg·L-1（图1A）。淋溶试验进行16 周后，与对照相比，稻壳炭处理的RC1、RC2 和RC3 土柱渗滤液中NH4+-N 累积淋失量分别减少11.7%，15.8%和26.6%（图1B）。

稻壳炭处理的土柱渗滤液中NO3--N 浓度从第10 周以后，均显著低于对照土柱渗滤液中NO3--N浓度（图2A）。与对照相比，稻壳炭处理的RC1、RC2 和RC3 土柱渗滤液中NO3--N 累积淋失量分别显著减少32.4%，56.7%和67.3%（图2B）。

土柱渗滤液中PO43--P 浓度的波动较大，在第8 周达到峰值（图3A）。与对照相比，稻壳炭处理的RC2 和RC3 土柱渗滤液中PO43--P 累积淋失量分别显著增加32.1%和54.2%（图3B）。

2.2 稻壳炭施用对太湖滨岸灰潮土理化性质及土壤微生物生物量的影响

随着稻壳炭施用量的增加，稻壳炭添加16 周后，灰潮土的pH 值、总孔隙度和持水能力不断增加，而土壤容重下降（表2）。不同施用量稻壳炭处理土壤容重减少了1.9%—13.9%，而土壤孔隙度增加了2.9%—12.8%。RC3 稻壳炭处理土壤pH 显著增加了0.71，持水能力显著增加了26.4%。

稻壳炭施用16 周后，与对照相比，滨岸灰潮土铵态氮含量显著降低了22.0%—59.5%（图4A），硝态氮含量显著增加了34.0%—75.5%（图4B），土壤总氮含量显著增加了42.2%—51.1%（图4C）。土壤有效磷含量在RC2 和RC3 处理下分别显著增加了50.4%和71.5%（图4D）。

灰潮土土壤微生物生物量碳在RC2 和RC3 处理下分别显著增加了22.4%和36.8%，土壤微生物 生物量氮在RC3 处理下显著增加了48.4%（图5）。

图1 添加稻壳炭对灰潮土土柱渗滤液中NH4+-N 质量浓度及累积淋失量的影响 Fig. 1 Temporal changes in the mass concentration and cumulative loss of NH4+-N in the leachate of soil columns with rice husk biochar application

图2 稻壳炭施用对灰潮土土柱渗滤液中NO3—N 质量浓度及累积淋失量的影响 Fig. 2 Temporal changes in the mass concentration and cumulative loss of NO3--N in the leachate of soil columns with rice husk biochar application

图3 稻壳炭施用对灰潮土土柱渗滤液中PO43--P 的质量浓度及累积淋失量的影响 Fig. 3 Temporal changes in the mass concentration and cumulative loss of PO43--P in the leachate of soil columns with rice husk biochar application

图4 稻壳炭和肥料混施16 周对灰潮土总氮，铵态氮，硝态氮和有效磷质量分数的影响 Fig. 4 Effect of rice husk biochar and fertilizer addition on soil total N, NH4+-N, NO3--N, and available P content after 16-week biochar-soil contact time

表2 稻壳炭和肥料混施16 周对灰潮土pH，体积质量(容重)， 总孔隙度，以及持水能力的影响 Table 2 Effect of rice husk biochar and fertilizer addition on soil pH, bulk density, total porosity, and water holding capacity after 16-week biochar-soil contact time

3 讨论

添加稻壳炭减少了太湖滨岸灰潮土11.7%—26.6%的铵态氮淋失，减少了32.4%—67.3%的硝态氮淋失，但在RC2 和RC3 处理下，分别显著增加了32.1%和54.2%的磷酸盐淋失量。Bradley et al.（2015）报道，在施用有机肥的砂土土柱淋溶试验中，添加不同施用量的木炭，使渗滤液中总氮淋失量减少了21.2%—59.1%，NO3--N 减少了17.1%—46.3%，NH4+-N 减少了46.0%—90.2%。李江舟等（2015）添加生物炭到不同类型土壤中，紫色土、赤红壤和黄棕壤的硝态氮淋洗总量分别减少16.4%、14.2%和22.3%。生物炭表面带有大量负电荷，具有较大的阳离子交换量。因此，铵态氮淋失量显著减少主要归因于稻壳炭对NH4+的吸附作用。Lawrinenko et al.（2015）研究表明，500 ℃热解的生物炭通常具有较低的阴离子交换量。因此，稻壳炭对NO3-的吸附作用并不是硝态氮淋失量显著减少的主要机理。Yao et al.（2012）在其研究的13 种生物炭中也发现，大多数生物炭对NH4+均有较好的吸附作用，而对NO3-几乎没有吸附作用。

图5 稻壳炭和肥料混施16 周对灰潮土土壤微生物生物量碳、 氮质量分数的影响 Fig. 5 Effect of rice husk biochar and fertilizer addition on soil microbial biomass C and N content after 16-week biochar-soil contact time

稻壳炭添加16 周后，滨岸灰潮土土壤微生物生物量氮在5%施用率下显著增加。当土壤中施用C/N 比为30 或更高的有机基质时，通常会发生土壤微生物对氮的固定作用（Pratiwi et al.，2016）。本研究中稻壳炭的C/N 比为73.9，稻壳炭较高的C/N比，将会刺激土壤微生物对N 的固定。尤其当稻壳炭施用量较高时，土壤生物炭混合物的C/N 比将明显增加，从而引起土壤微生物生物量氮含量显著增加。Burger et al.（2003）认为，生物炭中含有的可利用碳组分，刺激了土壤微生物的活性，使土壤微生物对氮的需求增加，从而促进了土壤NO3-的固定和再循环。因此，我们认为滨岸灰潮土硝态氮淋失量显著减少主要归因于土壤微生物对NO3-的固定。

稻壳炭本身含有较高的可溶性磷（表1），稻壳炭添加到土壤中以后，这部分可溶性磷酸盐不断释放到土壤中，导致RC2 和RC3 处理的土柱渗滤液中PO43--P 累积淋失量显著增加。这与Hardie et al.（2015）和Bradley et al.（2015）的研究结果一致。他们也发现生物炭的施用显著增加了土壤渗滤液中磷酸盐的浓度和累积淋失量。Soinne et al.（2014）和Xu et al.（2014）研究发现，不同种类的生物炭对磷酸盐均没有吸附作用。因此，我们认为稻壳炭不能通过吸附作用来截留磷酸盐的流失。

由于稻壳炭的疏松、多孔结构，其容重远低于矿质土壤，因此，添加稻壳炭使滨岸灰潮土的土壤容重降低，土壤总孔隙度和持水能力随着施用量的增加而不断增加。孙嘉曼等（2016）研究发现，5%稻壳炭与石灰土混合后，土壤毛管持水量显著提高14.4%。严陶韬等（2018）研究发现，添加4%稻壳炭到黄棕壤中，显著降低了土壤容重，提高了土壤总孔隙度和饱和持水量。生物炭的碱性属性使其能够提高酸性土壤的pH 值，添加5%稻壳炭使灰潮土pH 接近中性。Glaser et al.（2002）报道，通过在生物炭的微孔和中孔中保留土壤水，可以实现溶解性养分的保留。然而，Knowles et al.（2011）指出，生物炭自身的高孔隙度将迅速饱和，因此，土壤持水能力的提高不足以充分解释土壤养分淋失量的显著减少。

稻壳炭添加显著增加了滨岸灰潮土的总氮含量，其原因可能是土壤氮素淋失量减少，或者是土壤微生物对氮的固定增加而引起的。同时研究发现，稻壳炭处理16 周后，灰潮土铵态氮含量下降，而硝态氮含量增加，这表明添加稻壳炭促进了土壤硝化作用。Yoo et al.（2014）在稻田土壤施用生物炭后，也发现土壤铵态氮含量下降，硝态氮含量增加。DeLuca et al.（2006）在砂质壤土和粉砂壤土中施用生物炭，土壤的硝化潜力显著增加。

稻壳炭添加显著增加了滨岸灰潮土有效磷含量，这可能是由多种机制引起的。首先，本试验中的稻壳炭具有较高的可溶性磷含量（表1），这部分可溶性磷被释放到土壤中，将会引起土壤有效磷含量增加。Xu et al.（2014）和Kim et al.（2016）研究发现，稻壳炭是磷酸盐的净来源，能够为土壤提供磷素养分。第二种可能的机制是稻壳炭的添加增加了土壤微生物生物量和微生物活力，从而促进了土壤有机磷的矿化。Kimura et al.（1989）研究发现，在土壤中加入木炭会刺激异养溶磷微生物活性，从而促进了土壤有机磷的降解，使土壤有效磷含量增加。

目前，生物炭用于强化湿地系统净化水质的研究已有报道。例如，Kizito et al.（2017）的研究表明以生物炭作为填料的人工湿地对铵态氮、总氮和总磷的去除率明显高于普通砾石填料湿地。段婧婧等（2017）研究发现，生物炭和水芹湿地系统耦合，可以增强对污水中氮磷的净化效果，且对土壤养分有一定的固持作用，其植株地上部分生物量和养分累积量增加。然而，生物炭施用对滨岸土壤养分淋失以及土壤性质的影响的研究尚未见报道。本研究发现施用1%—5%稻壳炭减少了太湖滨岸灰潮土NH4+-N 和NO3--N 的淋失，但当施用量为5%时，显著增加了54.2%的PO43--P 淋失。因此，我们认为1%—2%的稻壳炭添加量较为合适。同时，添加1%—2%的稻壳炭提高了灰潮土氮磷养分以及土壤微生物生物量碳氮含量，这将有利于太湖滨岸缓冲带植被生长。

4 结论

稻壳炭施用可以显著减少太湖滨岸灰潮土氮素的淋失，这主要归因于稻壳炭对铵态氮的吸附，以及土壤微生物对硝态氮的固定。然而，稻壳炭的添加将会增加土壤磷素淋失的风险。同时，施用稻壳炭可以提高土壤总氮、有效磷以及土壤微生物生物量，这将有利于太湖滨岸植被带的恢复。由于稻壳炭施用于土壤后，其表面的理化性质会随时间而发生变化。因此，施用稻壳炭对太湖滨岸灰潮土养分淋失的抑制效应，以及对土壤性质的改良作用需要长期的野外试验来进一步评估。