張千豐，元 野，劉居?xùn)|，王光華

(1. 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所中國科學(xué)院黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150081;2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049; 3. 牡丹江煙草研究所，黑龍江牡丹江157011)

0 引 言

白漿土和黑土是黑龍江省的主要耕作土壤，這兩種土壤的生產(chǎn)力對保障國家糧食安全具有重要作用。白漿土由于具有質(zhì)地黏重、土壤pH 低、透水性劣、保水保肥能力差等特點(diǎn)，被認(rèn)為是一種低產(chǎn)的土壤［1］。黑土肥力較高，理化性質(zhì)較好，但由于長期的過度墾殖和大量的化學(xué)肥料投入，致使黑土農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量下降和土壤酸化等現(xiàn)象發(fā)生嚴(yán)重。如何改良這兩種土壤，提高土壤保水保肥能力，對于維持或提高這兩種土壤的生產(chǎn)力具有重要的意義。

生物炭是指生物質(zhì)原料在無氧或低氧條件下，經(jīng)高溫裂解而形成的炭。由于生物炭具有固碳于土壤的作用，近年來引起環(huán)境科學(xué)研究者廣泛關(guān)注。生物炭呈多孔結(jié)構(gòu)，具有較高的比表面積、陽離子交換量和吸附能力，能夠有效降低土壤中礦質(zhì)元素的損失［2－4］;生物炭施入土壤能改變土壤孔隙的大小分配，進(jìn)而影響土壤溶液的停留時(shí)間及流程，改變土壤的滲透模型［5］。生物炭在制備過程中，由于碳結(jié)構(gòu)的改變，使得生物炭較其制備原料pH 值有不同程度的提高，多呈堿性［6－7］。生物炭施入土壤有利于改善酸性土壤pH 值［7］。通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究了添加玉米棒芯生物炭對白漿土和黑土土壤N 素淋溶及土壤pH 值的影響，目的為采用生物炭改良黑土和白漿土提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 生物炭。生物炭是將干燥的玉米棒芯切成1 cm 左右長度，裝入坩堝中，加蓋密封，然后放入馬弗爐在450 ℃條件下熱解6 h 制備而成。生物炭基本性狀見表1。

1.1.2 土壤。研究所用白漿土和黑土分別取自黑龍江農(nóng)墾建三江農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所和中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所哈爾濱園區(qū)試驗(yàn)田的耕層(0～20 cm)土壤。土壤挑出石子和植物殘?bào)w，過2 mm 篩備用。土壤基本化學(xué)性狀見表1。

表1 供試材料的基本化學(xué)性質(zhì)Tab.1 Basic chemical properties of the tested materials

1.1.3 淋溶試驗(yàn)裝置。以玻璃圓管自制成土壤淋溶裝置。玻璃圓管內(nèi)徑為3 cm、高度為30 cm，圓管下端裝有白色玻璃砂芯(只允許水通過)，最下端接一漏斗狀小管，連接橡膠軟管，便于收集淋溶液。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)1:不同劑量生物炭試驗(yàn)

將玉米棒芯生物炭與土壤分別按0% (CK)、2% (C2)和4% (C4)質(zhì)量比混合，稱取120 g，然后再加入含N 量12 mg 的尿素，相當(dāng)于75 kg N·hm－2，做成土柱，每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù)。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，測定每次淋溶液量，并計(jì)算累計(jì)淋溶量(即五次淋溶量之和)，N 淋失量，最后測定土壤pH。

試驗(yàn)2:生物炭與尿素混肥方式試驗(yàn)

試驗(yàn)按兩種方式混拌生物炭、尿素和土壤。一是尿素先吸附在生物炭上，再與土壤按2%質(zhì)量比混合，標(biāo)注為C+處理;二是生物炭與土壤按2%質(zhì)量比混合，再添加尿素，標(biāo)注為C 處理。尿素含N 量均為12 mg，以未加生物炭，只添加尿素的土壤為對照CK 處理。土柱制備、淋溶處理及測定指標(biāo)同試驗(yàn)1。

試驗(yàn)3:不同形態(tài)氮素試驗(yàn)

將玉米棒芯生物炭和土壤按2%質(zhì)量比混勻，稱取120 g，然后分別添加含純N 量12 mg 的尿素、硫酸銨和硝酸鉀，同時(shí)做不添加生物炭但添加等量的尿素、硫酸銨和硝酸鉀作為平行對照處理。土柱制備、淋溶處理及測定指標(biāo)同試驗(yàn)1。

注:試驗(yàn)中尿素、硫酸銨和硝酸鉀均先制成溶液，以液態(tài)形式與土壤混合，然后裝入淋溶管中。

1.3 土壤及生物炭基本理化性質(zhì)和淋溶指標(biāo)測定

土壤中基本理化性質(zhì)測定參照魯如坤方法測定［8］。

生物炭/土壤碳、氮含量測定:稱取3 mg 生物炭或20 mg 土壤，采用VarioEL Ⅲ型元素分析儀(德國，Elementar)測定生物炭全碳和全氮含量。

生物炭/土壤pH 測定:采用DELTA pH 計(jì)測定pH 值，土壤測定水土比為5∶1，生物炭測定水和生物炭比為10∶1。

銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量:稱取過2 mm 的風(fēng)干土樣20.0 g，于150 ml 三角瓶中，加入50 ml 2 mol·L－1氯化鉀浸提劑，震蕩1 h，馬上過濾，濾液(最初濾液棄掉)用于SAN + +SYSTEM (荷蘭，SKALAR)流動分析儀檢測。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用EXCEL 2007 對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并利用SigmaPlot 10.0 軟件作圖，再用單因素ANOVA 分析和LSD 多重比較在SPSS 17.0 軟件下對各組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理間的顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭施用對土壤淋溶量的影響

該淋溶試驗(yàn)每個(gè)處理進(jìn)行5 次淋溶，累計(jì)添加溶液量為125 ml，生物炭對土壤累積淋溶量的影響，如圖1 所示。試驗(yàn)1 中，未添加生物炭的白漿土和黑土處理5 次累計(jì)淋溶量分別為111.26 ml 和109.37 ml，占添加溶液的89%和87%。白漿土中，C2 和C4 處理的累積淋溶量分別較CK 減少了10%和13%，差異顯著。黑土中，C2 和C4 處理的累積淋溶量分別較CK 減少了5%和10%，差異顯著。兩種土壤C4 處理的累積淋溶量均小于C2 處理，兩者間差異顯著。該結(jié)果表明，添加生物炭能減少白漿土和黑土土壤水分的淋失，增加土壤的持水能力，且持水能力隨著生物炭用量的提高而升高的趨勢。試驗(yàn)2 與試驗(yàn)1 結(jié)果相一致，混肥方式C+和C 處理累積淋溶量均較不添加生物炭CK 處理少，差異顯著，但兩種混肥方式間累計(jì)淋溶量差異不顯著。試驗(yàn)3 結(jié)果與試驗(yàn)1 和2 相同，添加生物炭降低了土壤溶液淋溶量，但不同形態(tài)氮素處理不論添加生物炭或未添加生物炭處理之間土壤淋溶量差異不顯著。

2.2 生物炭施用對土壤pH 的影響

3 個(gè)試驗(yàn)土壤pH 的結(jié)果如圖2 所示。由試驗(yàn)1 結(jié)果可知，在白漿土中，C2 和C4 分別比CK 處理提高了0.17 和0.26 個(gè)pH 單位，但三者間未達(dá)到差異顯著水平;而在黑土中，C2 和C4 處理均顯著高于CK處理，分別較CK 升高了0.48 和0.98 個(gè)pH 單位。該結(jié)果表明，添加生物炭可以提高兩種土壤pH 值，且對土壤pH 值提高作用隨生物炭用量而增強(qiáng)。試驗(yàn)2 中土壤pH 也發(fā)生顯著變化，C 和C+處理在白漿土中較CK 處理分別升高了0.22 和0.81 個(gè)pH 單位，在黑土中較CK 處理分別提高了0.98 和0.95 個(gè)pH 單位，差異顯著。C 和C+處理之間對兩種土壤pH 的影響在白漿土中差異顯著，而在黑土中差異不顯著。試驗(yàn)3 中，添加生物炭處理的硫酸銨、硝酸鉀和尿素較對應(yīng)的未添加生物炭處理在白漿土中分別提高0.33、0.43 和0.45 個(gè)pH 單位，在黑土中分別提高0.20、0.49 和0.99 個(gè)pH 單位?？梢? 個(gè)試驗(yàn)均表明，施入生物炭處理均不同程度地提高了白漿土和黑土pH 值，有助于減緩氮肥施用對土壤的酸化作用。

圖2 生物炭對白漿土和黑土土壤pH 的影響Fig.2 The soil pH of Albic soil and Black soil treated with biochar

2.3 生物炭施用對土壤的N 素淋溶量的影響

2.3.1 生物炭施用量對土壤的N 素淋溶量的影響。在白漿土中CK、C2 和C4 處理5 次淋溶以銨態(tài)氮形態(tài)累積淋失的純氮量分別為3.27 mg、2.94 mg 和2.74 mg;以硝態(tài)氮形態(tài)累積淋失的純氮量分別為11.10 mg、9.73 mg和8.22 mg，見圖3。CK、C2 和C4 處理淋失的N 總量分別為14.37 mg、12.67 mg 和10.96 mg。C2 和C4 較CK 相比分別減少N 素淋溶量12%和24%。同樣在黑土中，CK、C2 和C4 處理5次淋溶銨態(tài)氮淋失量分別為3.04 mg、2.49 mg 和2.26 mg，硝態(tài)氮淋失量分別為9.26 mg、8.01 mg、7.76 mg，即上述三個(gè)處理淋失N 總量分別為12.30 mg、10.50 mg 和10.01 mg。與CK 相比，C2 和C4 分別減少總N 損失量的15%和19%。由此可知，添加生物炭可以顯著減少白漿土和黑土中N 肥的淋溶，且N 淋失量隨著生物炭用量增加而減少。

2.3.2 生物炭不同混肥方式對土壤的N 素淋溶量的影響。白漿土和黑土中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的累積淋失量變化為CK ＞C ＞C+的趨勢，見圖4。白漿土中，CK、C+和C 處理5 次淋溶銨態(tài)氮淋失總N 量分別為3.30 mg、2.49 mg 和2.82 mg，硝態(tài)氮淋失總N 量分別為8.73 mg、6.35 mg 和7.97 mg。在黑土中，CK、C+和C 處理5 次淋溶銨態(tài)氮淋失總N 量分別為3.31 mg、2.73 mg 和2.97 mg，硝態(tài)氮淋失總N 量分別為7.92 mg、6.31 mg 和7.58 mg。該結(jié)果表明，添加生物炭較不添加生物炭處理能夠減少N 素的淋溶，這一結(jié)果與試驗(yàn)1 結(jié)果相一致。比較兩種混肥方式對N 素淋溶的影響發(fā)現(xiàn)，C+較C 處理在白漿土中累計(jì)減少N 淋溶量1.95 mg，減少了18%的N 素淋失;在黑土中累計(jì)減少N 淋溶量0.51 mg，減少了14%的N 素淋失?？梢姡琋 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減少N 素的淋失。

圖3 生物炭施用量對白漿土和黑土N 素淋溶量的影響Fig.3 The accumulated N leached from Albic soil and Black soil which treated with different amount of biochar

圖4 不同的生物炭混肥措施對白漿土和黑土N 素淋溶量的影響Fig.4 The accumulated N leached from Albic soil and Black soil which mixed fertilizer on different measures

2.3.3 生物炭對施入不同形態(tài)N 肥N 素淋溶的影響。在添加生物炭處理的硫酸銨、硝酸鉀和尿素的白漿土中，以銨態(tài)氮形式累積淋溶損失N 量分別為4.47 mg、0.49 mg 和3.10 mg，而未添加生物炭處理的累積淋溶損失N 量分別為5.29 mg、0.67 mg 和3.90 mg，見圖5。添加與未添加生物炭相比，上述3 種N 肥處理以銨態(tài)氮形式分別減少N 損失16%、27%和21%。同樣，在添加生物炭處理的硫酸銨、硝酸鉀和尿素的黑土中，以銨態(tài)氮形式累積淋溶損失N 量分別為3.38 mg、0.55 mg 和2.94 mg，未添加生物炭處理的累積淋溶損失N 量分別為3.63 g、0.60 mg 和3.37 mg。與未添加生物炭相比，添加生物炭處理的上述3 種氮肥以銨態(tài)氮形式氮素?fù)p失分別減少了7%、8%和18%。

圖5 生物炭對施入不同氮肥的白漿土和黑土中銨態(tài)氮N 素淋溶量的影響Fig.5 The accumulated ammonium N leached from Albic soil and Black soil which mixed with biochar and different nitrogen fertilizers

在添加生物炭處理的硫酸銨、硝酸鉀和尿素的白漿土中，以硝態(tài)氮形式累積淋溶損失N 量分別為6.80 mg、10.50 mg 和7.95 mg，而未添加生物炭處理的累積淋溶量分別為6.95 mg、12.21 mg 和8.70 mg，見圖6。添加與未添加生物炭相比，以硝態(tài)氮形式分別減少N 素?fù)p失2%、14%和8%。在添加生物炭處理的硫酸銨、硝酸鉀和尿素的黑土中，以硝態(tài)氮形式累積淋溶損失N 量分別為7.60 mg、10.00 mg 和7.92 mg，而未添加生物炭處理的累積淋溶損失N 量分別為7.96 mg、12.25 mg 和9.00 mg。與未添加生物炭相比，添加生物炭的處理上述3 種N 肥在黑土中以硝態(tài)氮形式分別減少N 素?fù)p失5%、18%和12%。

綜合圖5 和圖6 的數(shù)據(jù)可知，在白漿土中，添加與未添加生物炭相比較，分別減少施入硫酸銨、硝酸鉀和尿素后N 素淋失總量8%、15%和12%。在黑土中，分布減少3 種N 肥N 素淋失總量5%、18%和12%。

圖6 生物炭對施入不同氮肥的硝態(tài)氮N 素淋溶量的影響Fig.6 The accumulated nitrate N leached fromAlbic soil and Black soil which mixed with biochar and different nitrogen fertilizers

3 討 論

試驗(yàn)從3 個(gè)試驗(yàn)角度報(bào)道了施用玉米棒芯生物炭對白漿土和黑土兩種土壤淋溶量、N 素淋失量和土壤pH 值的影響。3 個(gè)試驗(yàn)結(jié)果均表明，向土壤中施入生物炭能夠減少淋溶量，提高土壤的持水能力，且減少淋溶量的效果隨生物炭用量的增加而提高(試驗(yàn)1)。不同N 肥及混肥方式對生物炭持水能力沒有影響(試驗(yàn)2 和3)。生物炭能夠減少土壤淋溶量的原因與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，生物炭空隙多，比表面積大，能夠吸附更多的水分［9－10］。生物炭改善土壤持水能力是通過土壤密度和孔隙度來實(shí)現(xiàn)的。生物炭的密度與土壤相比相差不多，但由于生物炭多微孔，使得生物炭密度較小，一般在0.08 g·cm－3～0.5 g·cm－3［11－12］，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土壤的密度，故將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］，進(jìn)而影響土壤的水含量。

3 個(gè)試驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)施用生物炭能夠提高土壤pH。土壤的酸堿度是由鹽基離子濃度和種類支配的，生物炭具有更多的鹽基離子［15］及較高的pH 值，因此生物炭能夠提高施入土壤的pH 值［7，16－17］，且這種作用效果隨生物炭的用量增加提高土壤pH 效果明顯(試驗(yàn)1)。試驗(yàn)2 發(fā)現(xiàn)，生物炭不同混肥方式對土壤pH 值影響差異不顯著。雖然生物炭混肥能通過陽離子交換吸附土壤中的NH4+離子［17］，但置換出來的鹽基離子絕大部分又隨水下滲，而土壤中的鹽基離子變化不大，故此，針對土壤pH 而言，生物炭與肥料的不同混肥措施對影響不顯著。向土壤中施入3 種不同形態(tài)N 肥可導(dǎo)致土壤酸化，且硫酸銨的酸化效果強(qiáng)于硝酸鉀和尿素。氮肥施入導(dǎo)致土壤酸化是目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上面臨的一個(gè)繼續(xù)解決的問題，土壤酸化導(dǎo)致土壤鹽基離子易于流失，土壤肥力降低。生物炭具有較高的鹽基離子含量和pH 值，向土壤中施入生物炭能夠有效地補(bǔ)充鹽基離子含量，提高土壤pH，從而達(dá)到改良酸性土壤的效果。

研究旨在模擬施N 肥后對土壤N 素淋溶量的影響。為了增加淋溶效果，試驗(yàn)中每個(gè)土柱施入N 量為12 mg，但原土壤中含有部分N 素，所以土柱N 損失量大于12 mg。Laird 等［18］對施入豬糞的美國中西部土壤研究發(fā)現(xiàn)，施入2%的橡木生物炭減少了11%的N 素?fù)p失。Ding 等［19］研究也發(fā)現(xiàn)，0.5%竹質(zhì)生物炭減少了砂土中15.2%的氯化銨損失。周志紅等［20］通過室內(nèi)模擬淋溶試驗(yàn)指出，50 t·hm－2和100 t·hm－2生物炭施用量降低29%和74%黑鈣土N 素淋失，減少41%和78%紫色土N 素淋失。研究中，我們發(fā)現(xiàn)，在施入尿素的土壤中，添加2%生物炭分別減少白漿土和黑土12%、15%的N 素?fù)p失，而添加4%生物炭則減少其24%、19%的N 素?fù)p失，該結(jié)果與上述學(xué)者的結(jié)論相一致，即向土壤中施入生物炭能有效地減少土壤N 素淋溶損失。生物炭的保肥功能主要由以下幾個(gè)原因決定:一是生物炭具有高的表面電荷密度，能通過陽離子交換保留土壤中的NH4+［17］;二是生物炭具有較高的比表面積、孔隙度、極性和非極性表面位點(diǎn)，這些特征使生物炭有效、廣泛的吸收土壤中的NH4+和NO3－［21－23］。高的生物炭添加量會促進(jìn)土壤對礦質(zhì)元素的保持［18］，因此導(dǎo)致土壤對N 肥的保肥效果。

試驗(yàn)2 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與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夠有效減少白漿土和黑土N 損失量。表明生物炭混肥過程中，肥料較容易被生物炭吸附，能更好的減少土壤N 素的損失。Ding 等［19］研究發(fā)現(xiàn)，0.2 g 生物炭可以吸附30 mL 100 mg·L－1的氯化銨溶液中的NH+4。所以在生產(chǎn)實(shí)踐中，建議肥料與生物炭充分混合后或制成炭基肥料，再施入土壤，這樣可有效地減少肥料中N 素淋溶損失。

試驗(yàn)3 研究發(fā)現(xiàn)，在施入硫酸銨、硝酸鉀和尿素的土壤中，生物炭對不同形態(tài)N 肥有不同保肥效果。對于施入N 肥的土壤，NO3－的損失是土壤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，增強(qiáng)土壤的通氧量，進(jìn)而促進(jìn)好氧呼吸［24］，促進(jìn)土壤的硝化速率［25］。另外，生物炭會提高土壤的含水量，促使酸性土壤pH 升高，促進(jìn)酸性土壤的硝化作用，這也是土壤N 素?fù)p失以NO3－為主的原因。Lehmann 等［26］研究中報(bào)道，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)生物炭能顯著降低施入雞糞的土壤中NH4+損失。Liang 等［17］也報(bào)道與NO3－相比，NH4+更易被生物炭吸收。而研究發(fā)現(xiàn)，向白漿土和黑土中施入生物炭對硝酸鉀的保N 效果好于硫酸銨，這與Liang［17］和Lehmann 等［26］的研究結(jié)果不同。我們推測生物炭對3 種N 肥的不同保肥效果一方面與N 素在土壤中的轉(zhuǎn)化有關(guān)，另外一方面也與不同材料生物炭對NO3－和NH4+吸附效果不同有關(guān)，有關(guān)不同生物炭種類對不同形態(tài)N 肥保N 效果是否存在差異有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

玉米棒芯生物炭施入白漿土和黑土能提高2 種土壤的持水能力，減少淋溶量和提高土壤pH 值，且減少淋溶量和提高土壤pH 值的效果隨生物炭用量的增加而提高。向白漿土和黑土中添加生物炭可以顯著減少N 素淋溶損失。N 肥直接吸附于生物炭再與土壤混合較N 肥、生物炭和土壤直接混合相比，能夠顯著降低土壤N 素的淋溶量。生物炭對不同形態(tài)N 肥保肥效果不同，向白漿土和黑土中施入玉米棒芯生物炭對硝酸鉀的保N 效果好于硫酸銨。

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