生物炭配施不同肥类与土壤氮磷流失的研究

岳志强，史应仙，黄四华，李会华，万惠芬，陶 润

（1.玉溪市农业环境保护和农村能源工作站，云南 玉溪 653100；2.玉溪市江川区农业机械和农田建设管理站，云南 江川 652600；3.玉溪市农村社会事业发展中心，云南 玉溪 653100；4.新平县农村环保能源工作站，云南 新平 653400；5.澄江市农村社会事务发展中心，云南 澄江 652500）

粮食作物增产最迅速有效的途径和措施是施用化肥[1]，但不合理或过量施肥必然导致土壤硝态氮大量累积和磷素增高，土壤表层氮、磷在灌溉水和降雨地表径流水作用下进入周围渠、沟、河、湖。目前虽然对农田径流氮磷流失影响因素已有研究报道，但田间施肥对农田径流氮、磷污染负荷的控制研究还处于探索阶段[2]。特别是不同施肥方法、不同肥料配方对农田地表径流氮磷流失的定量研究鲜见报道[3]。在此研究生物炭配比不同肥料的施肥模式对蔬菜产量及与土壤氮磷流失的相互关系，为蔬菜种植提供一种环境友好肥料配施模式，减少土壤中氮磷流失量，从源头上控制农业面源污染。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

项目研究地点位于玉溪市东风水库九溪河径流区九溪镇小营村，海拔1 800 m，年降雨量689 mm，年平均气温15.3 ℃。土壤为红壤、酸性土，有机质极缺，pH值6.86、含有机质1.46%、全氮1.03 g/kg、全磷 620 g/kg、有效磷37 mg/kg。

1.2 试验材料

试验品种为流域内农户主栽的“京丰一号”甘蓝，2019年10月1日开始育苗，10月28日移栽大田。生物炭为烤烟秸秆烧制而成，有机肥含量81.5 %，有机肥氮含量3.54%、磷含量0.82%、钾含量13.45%、有机质含量27.1%。沼渣和沼液为正常沼气池发酵后产出的肥料。化肥选用普通过磷酸钙（P2O516%）、尿素（N 46%）、硫酸钾（K2O 50%）调配。所用肥料或添加物经检测均无超标元素。

1.3 试验设计

试验共设6个处理（分设3个添加生物炭及对照处理）每个处理3次重复，共18个监测小区。每个小区长10 m、宽4 m，面积40 m2。每小区下设1个长1.5 m、宽0.8 m、高1 m的径流水收集池。试验期间对不同处理的土壤、作物、水样按照相关技术要求采样和监测（见表1）。

表1 试验处理方案和肥料施用量表（kg）

1.4 数据处理及计算

采用Excel、Spss等软件对监测记录、检测等数据进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对甘蓝生长的影响

化肥处理添加生物炭后，甘蓝幼苗期和莲座期株高与对照处理（CK1）无显著差异，结球后株高有显著差异；沼肥添加生物炭后，整个生长周期内株高与对照处理（CK2）无显著差异，生长趋势及状态相似；有机肥添加生物炭后，全程株高差异不大，但结球期球径大于对照处理（CK3）。添加生物炭后不同处理甘蓝整体株高近3个月内表现出较为一致的生长趋势，虽然有机肥处理的株高和其他2个处理之间存在显著差异（P＜0.05），但不同处理均经历了急速增长、缓速增长、趋于平稳3个阶段，不同阶段持续时间、起止时间同步，符合结球甘蓝正常的发育特征，说明3种施肥处理均未对甘蓝生长周期有明显的影响。球径增长与株高类似，3个施肥方案的球径均呈现平稳增长态势。3种施肥模式均对甘蓝正常生长有促进作用，没有影响甘蓝生长的自然节律。不同施肥方案配施生物炭可能出现不同的结果，说明施加生物炭促进单季作物增收还需进一步试验。

2.2 不同处理对甘蓝产量的影响（表2）

表2 不同施肥方式作物产量比较表

将甘蓝地上部分整株收获为生物学产量，再将非食用部分（烂叶、坏叶，严重蛀蚀）剥去得到经济学产量，共采收甘蓝球4 302颗，生物学产量合计6 048.51 kg，经济学产量合计4 733.21 kg，产生蔬菜废叶1 315.3 kg。各处理甘蓝生物学产量与经济学产量占比趋势基本相同，最高为化肥配施生物炭处理达81.94%，最低为精制有机肥处理73.55%。化肥和沼肥添加生物炭后生物产量和经济产量均比对照下降，精制有机肥添加生物炭后生物产量和经济产量略有提升。初步认为添加生物炭对化肥和沼肥产生吸附作用，削弱了肥效，而添加生物炭加强作物对有机肥的吸收利用，提高了产量。

2.3 添加生物炭对氮流失的影响（图1）

图1 不同肥料处理土壤氮流失

田间土壤的氮磷散失主要以地表径流、淋溶下渗作用和氨挥发为主，本试验通过建设小区阻止淋溶下渗的作用，同时将地表径流和淋溶下渗2种作用通过径流水槽统一收集。种植结束后，试验小区内土壤氮素总变化量为-350～106，变化率为-19.77%～11.6%。其中化肥处理氮损失量最大，沼肥处理次之；氮素固定量最大的是精制有机肥处理，其次是化肥配施生物炭处理，所有样品均没有检测到硝态氮。通过添加生物炭可以明显减少化肥及沼肥施肥方案中的氮素流失，甚至能够在一定程度上提高氮素固定效果，对于沼肥而言生物炭起到了和化肥类似的作用。

2.4 添加生物炭对磷流失的影响（表3）

表3 不同肥料处理土壤磷流失情况表

整个种植过程全磷损失量最大的是化肥处理，其次是有机肥处理，而对于有效磷而言。虽然化肥依然是损失量最大的处理，但是有机肥是整个试验过程中有效磷积累量最高的处理，说明经过一季度的缓慢分解，土壤总磷难以被利用的部分逐步被转变成了可被植物直接利用的有效磷。整体来看，磷元素流失表现出和氮元素流失相似的情况，在化肥和沼肥施肥方案中添加生物炭对土壤有效磷流失起到了很好的遏制作用甚至在一定程度上起到了固定作用，而有机肥处理，同样表现出添加生物炭后有效磷比例稳定，没有进一步增加，但从全磷情况看，有机肥施肥方案在添加生物炭后全磷没有损失且实现了少量的固定。

2.5 添加生物炭对全磷流失的影响（图2）

图2 全磷随径流水流失变化示意图

3种施肥方案在配施生物炭后均有效减少了径流水的全磷流失，径流水全磷流失情况与土壤流失较一致，化肥全磷流失量＞有机肥＞沼肥处理，这与3种肥料性质有关联，有机肥的缓释特性导致肥块分解、肥力发挥速率较慢，同时元素流失量也相应下降。添加生物炭弥补了化肥处理肥力易流失的缺陷，显著降低了全磷流失量，为化肥更好的发挥作用提供了支持。同理沼肥和有机肥处理在添加生物炭后也出现了更少的元素流失，其中沼肥处理的减少量又优于有机肥处理。由此可以初步判断添加生物炭对减少全磷元素以水为载体的流失具有一定的遏制作用。

2.6 氮素随径流水流失变化情况（图3）

图3 氮素随径流水流失变化示意图

3种施肥方案在配施生物炭后均有效地减少了径流水的总氮、氨氮流失（硝态氮未检出）。未添加生物炭的径流水总氮流失情况与土壤流失及总磷流失情况较一致，表现为化肥＞有机肥＞沼肥；铵态氮流失表现为沼肥＞化肥＞有机肥。添加生物炭后总氮、铵态氮流失量均表现为沼肥＞化肥＞有机肥。添加生物炭后，总氮流失量与对照组不一致，初步认为是因为—COOH和—OH等官能团的存在使生物炭表面存在大量负电荷，作为电子供体与土壤、水体等物质中的电子受体发生作用，通过电子供体-受体间的特殊作用力加强对土壤氮磷养分的吸附作用。沼肥是有机质在厌氧条件下分解的肥料，沼肥中—COOH和—OH等官能团主要以小分子存在，此特性导致生物炭对沼肥的吸附力低于其他2种肥料[4]。

3 结 论

（1）3种主要施肥方式在配施生物炭后均能保证作物正常生长，保证甘蓝正常的生长节律，同时有机肥配施生物炭效果最佳，化肥次之，沼肥最差。添加生物炭能促进3种肥料肥力稳健释放并提高作物经济系数，但肥料和生物炭的最佳投放比例仍有待进一步研究。

（2）添加生物炭可以明显减少化肥及沼肥施肥方案中的氮素流失，甚至能够在一定程度上提高氮素固定效果。

（3）添加生物炭后，肥料氮流失趋势基本与磷一致，但不同的肥料性质导致氮磷流失存在个体差异。