肖建南，張愛平，劉汝亮，楊正禮**

?

生物炭施用對稻田氮磷肥流失的影響*

肖建南1，張愛平1，劉汝亮2，楊正禮1**

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院，銀川750000）

針對寧夏引黃灌區(qū)稻田過量施肥導(dǎo)致土壤養(yǎng)分利用效率低的問題，通過田間小區(qū)試驗(yàn)，在優(yōu)化施氮條件下（240kg·hm-2），設(shè)4個(gè)生物炭水平（0、4500、9000、13500kg·hm-2），研究施用外源生物炭對稻田氮磷流失和土壤養(yǎng)分含量的影響。結(jié)果表明：生物炭對稻田田面水氮素動(dòng)態(tài)產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為田面水中全氮、硝態(tài)氮含量隨生物炭用量的增加而降低，銨態(tài)氮表現(xiàn)則相反；全氮和銨態(tài)氮的最大峰值出現(xiàn)在第1次追施氮肥后的第2天，最大值為34.86、8.28mg·L-1；硝態(tài)氮最大峰值3.31mg·L-1出現(xiàn)在第2次追施氮肥后的第2天。隨后均迅速下降，全氮含量在施氮肥后10d回到第1次追氮前的含量水平，并趨于穩(wěn)定，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮?jiǎng)t在7d后。生物炭對田面水全磷未產(chǎn)生顯著影響，全磷含量在第1次施氮肥后3d達(dá)到峰值，為3.69mg·L-1，之后迅速下降，6～7d后降至追氮前的含量水平，并趨于穩(wěn)定。生物炭處理顯著降低了稻田全氮流失量8.03%～13.36%，高量炭處理（13500kg·hm-2）顯著提高了土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量，提高幅度分別為41.2%和27.5%（P＜0.05）。說明生物炭對稻田磷流失、土壤全磷和速效磷含量無顯著影響，對降低稻田氮素淋失表現(xiàn)出積極效果。

生物炭；稻田田面水；氮素；磷素；土壤養(yǎng)分

氮肥的過量施用和不合理利用方式導(dǎo)致的氮素污染已成為世界性的環(huán)境問題[1]。寧夏引黃灌區(qū)位于中國西北內(nèi)陸，是寧夏主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，灌溉面積9697km2，是中國大型自流灌溉區(qū)和全國12個(gè)商品糧基地之一。然而，該地區(qū)通過高水肥集約化管理維持糧食產(chǎn)量的同時(shí)，化肥尤以氮肥的過量施用導(dǎo)致了一系列環(huán)境問題，如對黃河上游水質(zhì)安全造成潛在威脅[2-3]，農(nóng)業(yè)面源污染加劇。調(diào)查結(jié)果顯示，寧夏引黃灌區(qū)單季水稻生產(chǎn)中氮肥投入高達(dá)300kg·hm-2，但利用率僅30%左右，50%以上的氮肥通過各種途徑損失[4]，其中主要是隨著退水淋洗損失，由稻田氮素淋洗損失引起的農(nóng)業(yè)環(huán)境問題已成為引黃灌區(qū)面源污染防控的重要研究課題[5-6]。

生物炭是作物秸稈等有機(jī)物及其衍生物在完全或部分缺氧的條件下，經(jīng)高溫慢熱解產(chǎn)生的一類難熔、穩(wěn)定、高度芳香化且富含碳素的固態(tài)物質(zhì)[7]。目前已廣泛應(yīng)用于固碳減排、土壤改良、水源凈化和重金屬吸附等，為解決農(nóng)田氮素流失和土壤功能退化提供了新的思路[8]。國內(nèi)外學(xué)者圍繞生物炭對氮磷流失的影響已開展了大量研究，但是，已有研究多集中于室內(nèi)的土柱淋洗模擬和盆栽試驗(yàn)，關(guān)于施用外源生物炭對稻田氮磷流失的影響鮮有報(bào)道，同時(shí)大多數(shù)研究表明生物炭對氮磷流失的影響與土壤類型有關(guān)[9-10]。

寧夏引黃灌區(qū)的灌淤土是在黃河沉積母質(zhì)上引用含有大量泥沙的黃河水進(jìn)行灌溉，經(jīng)長期灌水落淤與人為耕作施肥交替作用，逐漸形成的一種特殊的土壤類型[11]。在寧夏干旱少雨的氣候條件和大水漫灌的灌溉模式下，其土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分不易積累， 維持土壤養(yǎng)分能力較差[12]。目前，關(guān)于施用外源生物炭能否降低稻田氮磷流失的研究還鮮有報(bào)道。因此，本研究將外源生物炭添加至稻田，旨在解決水稻生產(chǎn)中存在的過量施用化肥導(dǎo)致的氮磷損失嚴(yán)重對黃河水體造成的潛在威脅問題，以期為寧夏引黃灌區(qū)提高土壤氮磷利用率，降低氮磷淋失提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在寧夏回族自治區(qū)青銅峽市農(nóng)業(yè)公司試驗(yàn)田進(jìn)行，該區(qū)域是寧夏引黃灌區(qū)典型水稻種植區(qū)（106°11'35"E，38°07'26"N），屬典型大陸性干旱氣候，平均海拔為1100m，多年平均降水量180mm，蒸發(fā)量1400mm，平均溫度8.9℃，全年無霜期165d，平均積溫3900℃·d。該地區(qū)主要種植方式為稻麥隔年輪作，一年一季。供試土壤類型為灌淤土，耕層（0-20cm）土壤有機(jī)質(zhì)含量16.1g·kg-1，全氮0.9g·kg-1，全磷0.9g·kg-1，速效氮62mg·kg-1，速效磷11.87mg·kg-1，速效鉀112mg·kg-1，pH值8.49。

試驗(yàn)用生物炭材料由稻殼加工而成，山東某集團(tuán)生產(chǎn)，經(jīng)240～360℃高溫厭氧裂解制成，含碳量65.7%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年4-10月進(jìn)行，供試水稻品種為寧粳43號(hào)，水稻于４月18日播種育秧，5月14日施入基肥，５月26日插秧，施基肥-插秧期間田間一直處于泡田狀態(tài)，8月初開始曬田，8月底田間無明水，9月24日水稻收獲。水稻插秧株距10cm，行距30cm，插秧時(shí)每穴3～5株。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理（表1），本實(shí)驗(yàn)根據(jù)前期研究成果，選用水稻優(yōu)化施氮量240kg·hm-2，分3次施入土壤，50%作為基肥在整地時(shí)施入（5月14日），秧苗期（6月6日）和拔節(jié)期（6月25日）各追肥一次，分別占30%和20%。全部磷肥和鉀肥均作基肥在整地時(shí)一次施入，P2O5施用量為90kg·hm-2，K2O為90kg·hm-2。水稻生長季（泡田-收獲）共灌水18次，總灌溉量900～1200mm。生物炭全部在整地時(shí)隨基肥一次施入土壤后旋耕，旋耕深度15～20cm。水稻生育期內(nèi)其它農(nóng)作管理措施與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理一致。

表 1 試驗(yàn)各處理養(yǎng)分和生物炭用量（kg·hm-2）

1.3 測定指標(biāo)與方法

水稻生育期內(nèi)土壤淋溶液的采集時(shí)間為水稻插秧后第2、5、9天和每次追施N肥后的第2、4、6、8、11天，其余時(shí)段每隔10d取樣液一次，故本試驗(yàn)分別于5月27、30日，6月3、7、9、11、13、23、26、28、30日，7月2、12、22日，8月1、11、21日取水樣，至8月底因曬田田間已無田面水，整個(gè)生育期共計(jì)取水樣17次。用注射器（避免擾動(dòng)土層）隨機(jī)抽取小區(qū)內(nèi)5處中上層田面水，注入500mL容量的塑料瓶，帶回實(shí)驗(yàn)室置于-４℃冰箱內(nèi)保存。水樣全氮含量采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮用法國產(chǎn)FUTURA流動(dòng)分析儀測定，全磷用鉬銻抗分光光度法。

在水稻收獲后采集0-20cm土壤樣品。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定。土壤全氮采用硫酸-催化劑消解，水楊酸鈉比色法。土壤全磷采用硝酸、高氯酸、氫氟酸消解，鉬銻抗比色法。土壤速效磷采用0.5mol·L-1碳酸氫鈉提取，鉬銻抗比色 法。測定方法及詳細(xì)步驟參照《土壤農(nóng)化分析》[13]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)計(jì)算及圖表制作由Microsoft excel2007完成，統(tǒng)計(jì)分析使用SAS9.2軟件，不同處理之間進(jìn)行方差分析（ANOVA），多重比較采用最小顯著差異法（least significant difference，LSD）。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭施用對稻田田面水中氮素含量的影響

2.1.1 NH4+-N含量

由圖1可見，在整個(gè)生育期內(nèi)，各處理田面水中NH4+-N含量隨生育進(jìn)程以及氮肥追施均表現(xiàn)為相同的變化特點(diǎn)，即水稻插秧至第一次追肥（5月26日-6月6日）期間測得田面水中NH4+-N含量均較低，在0.06～1.19mg·L-1；6月6日（秧苗期肥）和6月25日（拔節(jié)期肥）兩次追施氮肥后的第2天，各處理田面水中NH4+-N含量均急劇升高，達(dá)到兩個(gè)峰值；隨后NH4+-N含量均在短期內(nèi)呈快速下降，再逐漸降低，至生育期結(jié)束，最后回到第一次追肥前的水平，并趨于穩(wěn)定。

比較各處理田面水中NH4+-N含量的變化過程可見，在兩個(gè)峰值點(diǎn)上，各生物炭處理中NH4+-N含量均高于未施生物炭處理（C0處理），且生物炭施入量越大，水中NH4+-N含量越高。第一峰值時(shí)C3、C2、C1和C0處理中田面水NH4+-N含量分別為6.75、6.27、5.7和5.03mg·L-1；第二次追肥后表現(xiàn)出與第一次追肥相同的趨勢，C3處理NH4+-N含量最高，為8.27mg·L-1，比不施炭處理C0高出34.4%，二者差異達(dá)顯著水平；7d后NH4+-N含量回到第一次追肥前的水平，并趨于穩(wěn)定，其含量僅為峰值的0.69%～5.5%，且各處理間無顯著差異。說明稻田土壤中施入生物炭后在追施N肥的一周內(nèi)可增加水中NH4+-N的淋溶量，一周后田面水中NH4+-N的淋失風(fēng)險(xiǎn)相對較小。

2.1.2 NO3--N含量

由圖2可見，在整個(gè)生育期內(nèi)，各處理田面水中NO3--N含量隨水稻生育進(jìn)程以及氮肥追施均表現(xiàn)為相同的變化特點(diǎn)，即從基肥施入后第13天取樣（5月27日）-第1次追肥（6月6日）后測得田面水中NO3--N含量均較低，在0.87～1.78mg·L-1；在6月6日（秧苗期肥）和6月25日（拔節(jié)期肥）兩次追施氮肥后的第3天，各處理田面水中NO3--N含量均急劇升高，達(dá)到兩個(gè)峰值，施肥后第7天NO3--N含量均快速下降，基本回到第1次追施N肥前的水平；至生育后期，田面水中NO3--N含量又有一個(gè)緩慢升高的趨勢，最后1次（8月21日）取樣C3、C2、C1和C0處理NO3--N含量分別為1.73、1.8、1.42、1.64mg·L-1。

比較各處理田面水中NO3--N含量的變化過程可見，在兩個(gè)峰值點(diǎn)上，各生物炭處理中NO3--N含量均低于未施生物炭處理C0，且生物炭施入量越大水中NO3--N含量越低，C3與C0處理在第二個(gè)峰值處的NO3--N含量分別為2.77和3.31mg·L-1，二者差異達(dá)到顯著水平；追肥后第7天，田面水中NO3--N含量降至第1次追施N肥前的水平，各處理間均無顯著差異，說明稻田土壤中施入生物炭后在追施N肥1～7d內(nèi)可增加水中NO3--N的淋溶量，一周后田面水中NO3--N的淋失風(fēng)險(xiǎn)相對較小。

2.1.3 TN含量

由圖3可見，整個(gè)生育期內(nèi)，田面水全氮（TN）含量動(dòng)態(tài)變化趨勢與NH4+-N相似，各處理TN含量隨生育進(jìn)程以及氮肥追施均表現(xiàn)為相同的變化特點(diǎn)，即基肥施入后20d（5月14日-6月3日）內(nèi)測得田面水中TN含量均較低，在1.71～4.25mg·L-1；6月6日（秧苗期肥）和6月25日（拔節(jié)期肥）兩次追施氮肥后的第2天，各處理田面水中TN含量均急劇升高，達(dá)到兩個(gè)峰值，之后快速下降，施肥后第10天TN含量基本降至第一次追施N肥前的水平；在隨后的生育期內(nèi)（7月22日之后），田面水中TN含量一致保持在較低水平，各處理TN含量在1.21～3.33mg·L-1。

比較各處理田面水中TN含量的變化過程可見，在第一個(gè)峰值點(diǎn)上，C3處理中的TN含量（24.02mg·L-1）顯著低于未施生物炭的C0處理（34.86mg·L-1），在第2個(gè)峰值點(diǎn)上各處理間則無顯著差異。每次施肥后的10d內(nèi)是最容易導(dǎo)致氮素流失的時(shí)期，控制好此段時(shí)間內(nèi)的氮素流失是防控面源污染的關(guān)鍵時(shí)期。

圖1-圖3表明，隨著時(shí)間變化，TN與NH4+-N淋失動(dòng)態(tài)規(guī)律相似，但NO3--N則有所不同。分析比較各氮素形態(tài)不同處理的差異得出，添加生物炭能夠使稻田田面水中TN、NO3--N含量呈現(xiàn)降低趨勢，分別在第一和第二峰值點(diǎn)差異達(dá)顯著水平；而添加生物炭能使稻田田面水中NH4+-N含量呈現(xiàn)升高趨勢，且在第二峰值點(diǎn)差異顯著。

2.2 生物炭施用對稻田田面水中全磷的影響

水稻施肥后田面水全磷(TP)含量隨時(shí)間變化如圖4所示。由圖中可知，在水稻整個(gè)生育期內(nèi)，TP含量出現(xiàn)了3個(gè)峰值，前兩個(gè)峰值較大，出現(xiàn)在兩次追施氮肥后的3～5d，隨后１周內(nèi)TP含量下降，至追肥后第10天TP含量基本回到插秧時(shí)水平；7月23日后田面水TP含量再次出現(xiàn)上升趨勢，這主要是因?yàn)樵谶@期間進(jìn)行了田間除草和噴藥的農(nóng)事操作，各試驗(yàn)小區(qū)表層土壤產(chǎn)生擾動(dòng)，加之8月上旬 的曬田導(dǎo)致田面水TP含量出現(xiàn)反彈。施氮肥對TP含量的影響與對TN含量的影響相似，這是因?yàn)榈实氖┯迷谝欢ǔ潭壬现萍s了磷素的變化，具體原因尚需進(jìn)一步探索。TP含量在不同生物炭水平下的變化趨勢基本一致，可見生物炭對TP的影響不大。試驗(yàn)所用生物炭的含磷量很低，各處理中的磷素大部分仍來自化肥，可見施用生物炭并不會(huì)改變磷素流失風(fēng)險(xiǎn)期的長短。

2.3 生物炭施用對稻田氮磷肥流失量的影響

結(jié)合寧夏引黃灌區(qū)地下水位的情況和滲漏水收集的分層情況，將100cm處的滲漏水視為農(nóng)田退水，以100cm處的淋溶水養(yǎng)分含量與滲漏量相乘作為水稻生育期全氮TN的流失量。從表2可以看出，TN流失量隨著生物炭施用量的增加逐漸減少，各處理均比不施生物炭處理C0顯著降低。水稻全生育期平均TN流失量為27.32kg·hm-2，施生物炭各處理C3、C2、C1比不施生物炭處理C0的全氮流失量分別降低13.36%、9.85%、8.03%。各處理水稻生育期全磷TP流失量隨著生物炭施用量的增加也逐漸減少，但處理間差異并不顯著。水稻全生育期平均TP流失量為9.63kg·hm-2，淋失量最高的為不施加生物炭處理 （C0），比最高量生物炭處理（C3）高14.76%。

由表2還可見，在0-20cm耕層土壤中，土壤全氮含量隨著生物炭施用量的增加而上升，C3處理全氮含量顯著高于其它處理；各處理全磷含量則無明顯變化；C1、C2和C3處理的土壤速效磷含量分別為17.39、18.22、19.13mg·kg-1，與C0相比，速效磷含量分別提高2.6%、7.7%和13.1%，但各處理間差異并不顯著。生物炭對土壤有機(jī)質(zhì)有明顯的改善作用，處理C1、C2和C3中土壤有機(jī)質(zhì)的含量比對照C0分別提高了5.6%、11.8%和37.8%，且差異達(dá)到顯著水平。

表2 水稻收獲后各處理土壤養(yǎng)分含量及全氮、全磷流失量

注：數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值，小寫字母表示處理間在0.05水平上的差異顯著性。

Note: Values are the means of three repeats. Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level.

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

寧夏引黃灌區(qū)土壤類型為黃河沖積形成的灌淤土，保水保肥性能較差，加上獨(dú)特的灌排系統(tǒng)，每年有40%左右的引自黃河的水又通過退水回到黃河，成為淋失的“源”和“庫”，退水中攜帶的大量養(yǎng)分對黃河上游水質(zhì)安全造成了嚴(yán)重的威脅[4]。寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥（以氮肥為主）的投入量約為全國大田平均水平的2.6倍[14]，氮肥施入農(nóng)田后從各種途徑損失于環(huán)境中，地表徑流是灌溉稻田氮素?fù)p失的主要途徑之一，而田面水氮素動(dòng)態(tài)變化與氮素徑流損失有直接關(guān)系。本研究結(jié)果顯示，添加生物炭條件下，田面水中NH4+-N、NO3--N及TN含量在水稻整個(gè)生育期內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢。同時(shí)本研究還顯示，在追施氮肥的前3d生物炭在一定程度上可降低田面水TN峰值，隨著生物炭施用量的增加這種趨勢更為明顯。這種降低趨勢與劉玉學(xué)研究得出的添加竹炭或秸稈炭均能使稻田田面水和側(cè)滲水NO3--N、NH4+-N和TN含量呈降低趨勢，但不存在顯著性差異的結(jié)論一致[15]。

插秧后40d內(nèi)，由于兩次追肥，田面水氮素含量保持在較高水平，且每次追肥均伴有峰值的出現(xiàn)，其中NO3--N含量較NH4+-N出現(xiàn)峰值的時(shí)間晚，這主要是因?yàn)镹O3--N大部分來自于NH4+-N的硝化作用，尿素施入稻田要經(jīng)過脲酶的水解作用轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)的NH4+-N，然后通過微生物的硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)镹O3--N[16]，再經(jīng)氨揮發(fā)、淋溶、作物吸收利用等過程轉(zhuǎn)移。因此，田面水中NH4+-N含量呈現(xiàn)先上升后下降的過程。田面水中TN含量隨著氮肥的施入迅速達(dá)到最大值，之后隨著氮素的一系列轉(zhuǎn)化遷移作用和作物的吸收利用，TN含量逐漸下降，10d后基本回到施肥前的水平，因此，施肥后10d內(nèi)是控制氮素流失的關(guān)鍵時(shí)期，這與張志劍等[17]提出的施肥后一周是控釋氮素流失的關(guān)鍵時(shí)刻不盡相同。

試驗(yàn)后期田面水NO3--N含量下降，一方面是水稻返青期進(jìn)行的持續(xù)性灌水，隨著水稻的吸收利用和水分的下滲，田面水中NO3--N和TN含量下降，致使硝化作用形成NO3--N的速度小于其損失的速度。另一方面，田面水中的NO3--N 自身會(huì)發(fā)生反硝化作用，以NO、N2或N2O的形式進(jìn)入大氣[18-19]。第二次追肥后田面水中NO3--N含量于6月下旬（水稻分蘗期）-8月底泡田結(jié)束，整體呈下降趨勢，這與水稻不同生長階段吸氮情況不同有關(guān)。前期水稻處于幼苗階段，對氮素的吸收能力較低，利用率不高，而且在此期間稻田一直處于淹水狀態(tài)，在農(nóng)田退水作用的驅(qū)動(dòng)下氮素很容易隨退水直滲至地下或側(cè)滲到排水溝內(nèi)。本研究結(jié)果說明水稻生育前期是防控氮素徑流損失的重要時(shí)期，與張愛平得出的結(jié)論一致[20]，此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)田間管理，防止灌溉和降雨造成田面水外泄，導(dǎo)致N、P損失引發(fā)面源污染。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上磷肥施用是提高作物產(chǎn)量的有效措施之一，然而當(dāng)季施用磷肥的利用率一般僅15%～25%，大量磷肥在土壤中積累[21]，當(dāng)?shù)乇韽搅骱屯寥狼治g發(fā)生時(shí)，土壤磷由陸地向水體遷移，這不僅造成磷礦資源的損失與浪費(fèi)，而且會(huì)加速附近水體富營養(yǎng)化的產(chǎn)生[22]。磷素不易被固定到土壤中，更容易溶解到水體內(nèi)，相比氮素，磷素更容易隨徑流與滲漏對周邊水體造成污染。在中國的水體富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)中，磷素含量為主要的參考標(biāo)準(zhǔn)之一，規(guī)定磷素含量超過0.02mg·L-1即可視為水體富營養(yǎng)化。本研究結(jié)果中，田面水TP含量變化范圍為0.23～3.92mg·L-1，遠(yuǎn)高于水體富營養(yǎng)化發(fā)生的臨界含量0.02mg·L-1[23]。施肥后第2天TP含量最高達(dá)2.83mg·L-1，為嚴(yán)重水體富營養(yǎng)化污染，施肥后5d內(nèi)是控制水體養(yǎng)分流失的最佳時(shí)期，應(yīng)嚴(yán)格控制田面水排放。而后期由于曬田導(dǎo)致TP含量上漲，此時(shí)重新灌水一定要注意田面水的排放，不要形成徑流導(dǎo)致水體污染。

高量生物炭處理提高了灌淤土全氮含量，這與生物炭能減慢土壤中水分的移動(dòng)有關(guān)，使水分?jǐn)y帶離子的移動(dòng)性降低，進(jìn)而減少了如硝態(tài)氮等的淋溶損失[24]，達(dá)到緩釋土壤氮素的目的；另一方面，添加生物炭改善了土壤的通氣狀況，降低了其厭氧程度，從而有效減少了農(nóng)田土壤氨氣揮發(fā)[25]。生物炭的施用對速效磷含量有一定促進(jìn)作用，這除了與生物炭本身較高的有效磷含量有關(guān)外，生物炭對磷素養(yǎng)分的吸持作用也是很重要的原因。生物炭可以產(chǎn)生正負(fù)電荷，因而能夠吸持有機(jī)質(zhì)所不吸持的磷素養(yǎng)分[26]。生物炭通過減緩磷元素的溶解遷移減少其流失，并在土壤中緩慢而持續(xù)釋放，相當(dāng)于磷元素的緩釋載體，從而達(dá)到保持肥力的作用。這與Laird等[27]研究得出的2%比例的生物炭能夠降低69%的土壤可溶性磷素流失量的結(jié)果一致。有機(jī)質(zhì)可以改良土壤結(jié)構(gòu)、土壤通氣性和透水性，提高土壤保水保肥能力，促進(jìn)微生物活動(dòng)以及為植物提供養(yǎng)分等，是土壤肥力的重要指標(biāo)之一。本研究中，生物炭的施用使土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著升高。這可能是因?yàn)樯锾勘旧砀缓袡C(jī)碳，因此能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量水平，其提高幅度取決于生物炭的添加量及其穩(wěn)定性[28]。另一方面，生物炭通過促進(jìn)土壤形成有機(jī)-礦質(zhì)復(fù)合體，提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性進(jìn)而減少有機(jī)質(zhì)淋失[29]，加之被包裹或吸附在生物炭空隙及有機(jī)-礦質(zhì)復(fù)合體中的微生物生長繁殖及活性減弱，也是可能的原因[30]。

3.2 結(jié)論

（1）添加生物炭后，不同處理田面水NH4+-N、NO3--N和TN含量均在追施N肥后第2天達(dá)到峰值，TP含量在追施N肥后第3天達(dá)到峰值，然后迅速下降，NH4+-N和NO3--N在追施N肥7d后趨于穩(wěn)定，TN和TP含量在10d后回到第1次追施N肥前的水平；追施氮肥后TN、TP可作為稻田 N、P流失的主要指標(biāo)，每次追肥后10d內(nèi)是N、P徑流損失的關(guān)鍵時(shí)期。

（2）施用生物炭可以降低田面水中TN和TP含量，減少氮磷肥通過徑流途徑損失，TN淋失量隨著生物炭施用量的提高逐漸降低，其降幅在8.03％～13.36％，與不施生物炭差異顯著；磷素淋失量降幅在12.86％～6.8％，差異不顯著。

（3）在優(yōu)化施氮條件下，添加生物炭對灌淤土全磷和速效磷含量無顯著影響，但顯著提高了灌淤土全氮和有機(jī)質(zhì)含量。

[1]Zhu Z L,Chen D L.Nitrogen fertilizer use in China: contributions to food production, impacts on the environment and best management strategies[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems,2002,63(2):117-127.

[2]穆鑫,呂謀超,溫隨群,等.寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)田退水回灌對土壤鹽分影響的試驗(yàn)研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2011,30(1):76-79.

Mu X,Lv M C,Wen S Q,et al.Effects of salinity changes upon farmland return flow reusing in Ningxia Yellow River water irrigation district[J].Journal of Irrigation and Drainage, 2011, 30(1):76-79.(in Chinese)

[3]陳偉偉,李強(qiáng)坤,胡亞偉,等.青銅峽灌區(qū)水稻田三氮變化特征試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2010,29(4):790-794.

Chen W W,Li Q K,Hu Y W,et al.Experimental research on variation feature of three kinds of nitrogen from paddy field in

Qingtongxia irrigation area[J].Journal of Agro-Environment Science,2010,29(4):790-794.(in Chinese)

[4]張愛平,劉汝亮,楊世琦,等.基于緩釋肥的側(cè)條施肥技術(shù)對水稻產(chǎn)量和氮素流失的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2012, 31(3):555-562.

Zhang A P,Liu R L,Yang S Q,et al.Effect of side bar fertilization technology based on slow-release fertilizer on rice yield and nitrogen losses[J].Journal of Agro-Environment Science,2012,31(3):555-562.(in Chinese)

[5]張晴雯,張惠,易軍,等.青銅峽灌區(qū)水稻田化肥氮去向研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(8):1707-1714.

Zhang Q W,Zhang H,Yi J,et al.The fate of fertilizer-derived nitrogen in a rice field in the Qingtongxia irrigation area[J].Acta Scientiae Circumstantiae, 2010,30(8):1707- 1714. (in Chinese)

[6]易軍,張晴雯,王明,等.寧夏黃灌區(qū)灌淤土硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2011,30(10):2046-2053.

Yi J,Zhang Q W,Wang M,et al.Nitrate-nitrogen transport in an anthropogenic-alluvial soil of Ningxia irrigation area, China[J].Journal of Agro-Environment Science,2011, 30(10): 2046-2053.(in Chinese)

[7]Lehmenn J.Bio-energy in the black[J].Frontiers in Ecology & the Environment,2007,5(7):381-387.

[8]Amminuddin H.Effects of controlled release urea on the yield and nitrogen nutrition of flooded rice[J].Communications in Soil Science and Plant Analysis,2010,41(7):811-819.

[9]周志紅,李心清,邢英,等.生物炭對土壤氮素淋失的抑制作用[J].地球與環(huán)境,2011,39(2):278-284.

Zhou Z H,Li X Q,Xing Y,et al.Effect of biochar amendment on nitrogen leaching in soil[J].Earth and Environment, 2011, 39(2):278-284.(in Chinese)

[10]Singh B P,Hatton B J,Balwant S,et al.Influence of biochars on nitrous oxide emission and nitrogen leaching from two contrasting soils[J].Journal of Environmental Quality, 2010, 39(4):1224-35.

[11]王吉智.寧夏引黃灌區(qū)的灌淤土[J].土壤學(xué)報(bào), 1984, (4):434-437.

Wang J Z.Irrigating warped soil in irrigation area of the Yellow River in Ningxia Autonomous Region[J]. Acta Pedologica Sinica,1984(4):434-437.(in Chinese)

[12]馬玉蘭.灌淤土研究新進(jìn)展[J].土壤通報(bào), 1996,27(4): 155-158.

Ma Y L.Recent advances in research of irrigating warped soil[J].Chinese Journal of Soil Science, 1996, 27(4): 155-158.(in Chinese)

[13]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1999.

Bao S D.Soil agro-chemistrical analysis[M].Beijing:China Agriculture Press,1999.(in Chinese)

[14]劉汝亮,李友宏,張愛平,等.育秧箱全量施肥對水稻產(chǎn)量和氮素流失的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2012,23(7):1853-1860.

Liu R L,Li Y H,Zhang A P,et al.Effects of seeding-box total fertilization on rice yield and nitrogen loss[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2012,23(7):1853-1860.(in Chinese)

[15]劉玉學(xué).生物質(zhì)炭輸入對土壤氮素流失及溫室氣體排放特性的影響[D].杭州:浙江大學(xué),2011.

Liu Y X.Effect of biochar on the characteristic of nitrogen loss and greenhouse gas emission from soil[D]. Hangzhou: Zhejiang University,2011.(in Chinese)

[16]Yu H,Xi B,Jiang J,et al.Environmental heterogeneity analysis,assessment of trophic state and source identification in Chaohu Lake,China[J].Environmental Science & Pollution Research International,2011,18(8):1333-1342.

[17]張志劍,董亮,朱蔭湄.水稻田面水氮素的動(dòng)態(tài)特征、模式表征及排水流失研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2001,21(4):475-480.

Zhang Z J,Dong L,Zhu Y M,et al.The dynamic characteristics and modeling of nitrogen in paddy field sur-

face water and nitrogen loss from field drainage[J]. 2001, 21(4):475-480.(in Chinese)

[18]蘇成國,尹斌,朱兆良,等.農(nóng)田氮素的氣態(tài)損失與大氣氮濕沉降及其環(huán)境效應(yīng)[J].土壤,2005,37(2):113-120.

Su C G,Yin B,Zhu Z L,et al.Gaseous loss of nitrogen from fields and wet deposition of atmospheric nitrogen and their environmental effects[J].Soils,2005,37(2):113-120.(in Chinese)

[19]宋勇生,范曉暉,林德薯,等.太湖地區(qū)稻田氨揮發(fā)及影響因素的研究[J].土壤學(xué)報(bào),2004,41(2):265-269.

Song Y S,Fan X H,Lin D S,et al.Ammonia volatilation from paddy fields in the Taihu Lake region and its influencing factors[J].Acta Pedologica Sinica,2004,41(2):265-269.(in Chinese)

[20]張愛平.寧夏黃灌區(qū)稻田退水氮磷污染特征研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2009.

Zhang A P.Study on the characteristics of nitrogen and phosphorus pollution in the return flow of rice paddy in Nigxia Irrigation Region[D].Beijing:Chinese Academy of Agricultural Sciences,2009.(in Chinese)

[21]陳欣,宇萬太,沈善敏.磷肥低量施用制度下土壤磷庫的發(fā)展變化Ⅱ:土壤有效磷及土壤無機(jī)磷組成[J].土壤學(xué)報(bào), 1997,(1):81-88.

Chen Y,Yu W T,Shen S M.Changes of soil phosphorus pool under low-input phosphorus fertilization systemⅡ:soil available phosphorus and the composition of soil inorganic phosphorus[J].Acta Pedologica Sinica,1997,(1):81-88.(in Chinese)

[22]Sharpley A N,Daniel T C,Sims J T,et al.Determining environmentally sound soil phosphorus levels[J].Journal of Soil & Water Conservation,1996,51(2):160-166.

[23]鄭小龍,吳家森,陳裴裴,等.不同施肥與生物質(zhì)炭配施對水稻田面水氮磷流失及產(chǎn)量的影響[J].水土保持學(xué)報(bào), 2013, 27(4):39-43.

Zheng X L,Wu J S,Chen P P,et al.Effects of reducing nitrogen and biomass carbon fertilization on loss of nitrogen and phosphorus in surface water of paddy field and grain production[J].Journal of Soil and Water Conservation,2013,27(4):39-43.(in Chinese)

[24]Warnock D D L J,Kuyper T W,Rillig M C.Mycorrhizal responses to biochar in soil-concepts and mechanisms[J]. Plant & Soil,2007,300(1-2):9-20.

[25]Busscher W J,Novak J M,Evans D E,et al.Influence of pecan biochar on physical properties of a Norfolk loamy sand[J].Soil Science,2010,175(1):10-14.

[26]房彬,李心清,趙斌,等.生物炭對旱作農(nóng)田土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2014(8):1292-1297.

Fang B,Li X Q,Zhao B,et al.Influence of biochar on soil physical and chemical properties and crop yields in rainfed field[J].Ecology and Environmental Sciences, 2014(8): 1292-1297.(in Chinese)

[27]Laird D A,Fleming P,Davis D D,et al.Impact of biochar amendments on the quality of a typical Midwestern agricultural soil[J].Geoderma,2010,158(3-4):443-449.

[28]Bruun S,Elzahery T,Jensen L.Carbon sequestration with biochar-stability and effect on decomposition of soil organic matter[A].IOP conference series:earth and environmental science[C].IOP, 2009.

[29]Liang B,Lehmann J,Sohi S P,et al.Black carbon affects the cycling of non-black carbon in soil[J].Organic Geochem- istry,2010,41(2):206-213.

[30]Birk J J,Steiner C,Teixiera W C,et al.Microbial response to charcoal amendments and fertilization of a highly weathered tropical soil[M].Springer Netherlands,2009:309-324.

Effects of Biochar Application on the Losses of Nitrogen and Phosphorus in Surface Water of Paddy Field

XIAO Jian-nan1, ZHANG Ai-ping1, LIU Ru-liang2, YANG Zheng-li1

（1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences /Key Laboratory of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China; 2.Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Yinchuan 750000）

Applied high rates of nitrogen (N) fertilizer in rice production may result in lower N use efficiency in a paddy rice field of the Yellow River irrigation region, Ningxia. To reduce N and phosphorus (P) leaching and improve fertilizer use efficiency are important for sustainable and water quality. Thus, a field plot experiment was conducted to study the effect of exogenous biochar application on the loss risk of N and P and soil quality in a paddy field. Four biochar rates, i.e., 0, 4500, 9000, and 13500kg·ha-1with optimum nitrogen rate (240kg·ha-1) were chosen.From May to October 2014, we determined the contents of NH4+-N, NO3--N, total N (TN) and total P (TP) in the surface water of paddy field during the whole rice growth period. The results showed that biochar amendment decreased the contents of both TN and NO3--N but increased NH4+-N content in the surface water. The contents of TN and NH4+-N reached the peak on the following day of the first top dressing and the maximum values were 34.86 and 8.28mg·L-1respectively. The content of NO3--N reached the peak on the following day of the second top dressing and the maximum value was 3.31mg·L-1. Then TN leveled off after 10 days, but the NH4+-N and NO3--N contents approached a relatively stable level after a week. There was no significant difference in TP content in the surface water between the biochar addition and the control treatments. The content of TP peaked 3 days after fertilization and decreased rapidly afterwards, then leveled off after another 6-7 days. On the other hand, biochar amendment decreased TN leaching by 8.03%-13.36% relative to control, but the high-level biochar amendments (13500kg·ha-1) significantly (P＜0.05) increased the contents of TN and soil organic matter by 41.2% and 27.5% respectively compared with the control. There was no significant difference in TP and available P contents in soil between the biochar addition treatments and the control. Our study has revealed that biochar could positively reduce N leaching in the rice fields, while there has no significant effect on P loss.

Biochar; Surface water of paddy field; Nitrogen; Phosphorus; Soil nutrients

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.03.004

2016-08-08

通訊作者：。E-mail：yangzl426@126.com；yangzhengli@caas.cn

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31601834;31660597）；農(nóng)業(yè)清潔流域創(chuàng)新基金；寧夏農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新先導(dǎo)基金

肖建南（1991-），女，碩士生，主要從事生態(tài)農(nóng)業(yè)與清潔生產(chǎn)研究。E-mail：xiaojiannan1999@163.com

肖建南,張愛平,劉汝亮,等.生物炭施用對稻田氮磷肥流失的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(3):163-171