卜曉莉 ，汪浪浪 ，馬青林 ，薛建輝

1. 南京林業(yè)大學南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；2. 南京林業(yè)大學理學院，江蘇 南京 210037

化肥的過量施用導致氮磷養(yǎng)分的淋失，引起地下水污染和河流湖泊的富營養(yǎng)化。生物炭具有高孔隙度和比表面積大的特點，其對親水和疏水分子的吸附作用取決于生物炭的表面官能團（Major et al.，2009）。生物炭表面帶有大量負電荷，并包含一系列含氧、含氮、含硫官能團，具有很大的陽離子交換量（CEC），理論上能夠吸附大量可交換態(tài)陽離子（Liang et al.，2006）。由于其固有的這些理化特性，生物炭的添加可以作為減少土壤養(yǎng)分淋失的一種有效方法。

Laird et al.（2010）報道，生物炭和有機肥混施的土柱滲濾液中，總氮和總磷含量隨生物炭添加量的增加而顯著降低。李江舟等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能夠有效減少植煙土壤硝態(tài)氮和磷素的淋溶損失，降低地下水污染風險。陳燦在酸雨淋溶條件下，在紅壤性稻田土壤中施用鳳眼蓮生物炭，施用1 年后土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總磷的淋失量分別減少8.2%—49.8%，14.3%—76.2%和16.6%—43.3%，表明在短期內鳳眼蓮生物炭的施用有助于主要礦質元素的保蓄持留，對減控稻田面源氮磷流失具有重要作用。

相反，還有一些研究報道生物炭的添加，并沒有減少土壤養(yǎng)分淋失，甚至還增加了土壤磷素的淋失。Ventura et al.（2012）報道，蘋果園亞堿性土壤中添加生物炭，并沒有對土壤銨態(tài)氮的淋失產(chǎn)生顯著影響。Hardie et al.（2015）報道，土壤中添加木炭對硝酸鹽的濃度或通量沒有顯著影響，而且還會導致滲濾液中磷濃度顯著增加。李江舟等（2015）和徐藝倩等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后，黃棕壤磷素淋失總量變化不明顯。以上研究結果的差異可能是由于土壤性質、生物炭特性和施用量，以及施肥狀況不同等因素引起的。

目前關于生物炭的研究主要集中在生物炭施用對農(nóng)田土壤養(yǎng)分淋失以及提高氮肥利用率等方面。然而，生物炭在濱岸緩沖帶和濕地等系統(tǒng)中可能具有更大的應用潛力。Ballantine et al.（2015）發(fā)現(xiàn)，添加生物炭使恢復濕地土壤的陽離子交換量增加10%。同時，土壤微生物生物量和微生物活性在生物炭施用后的幾年時間都持續(xù)增加。生物炭作為土壤改良劑，可以加速植物和土壤之間的相互作用，這將有助于恢復濕地的水質改善，以及生物多樣性功能的提高（Ballantine et al.，2015）。

稻殼是我國豐富的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，稻殼表面堅硬，硅含量高，容重小，不易被細菌分解（Zhu et al.，2012）。將稻殼廢棄物轉化為稻殼炭，并將其應用于田間系統(tǒng)是一種安全有益的處理方法。本研究通過土柱淋溶試驗，研究了不同施用率（0%，1%，2%和5%）稻殼炭與肥料（NH4NO3和KH2PO4）混施后對太湖濱岸灰潮土氮磷淋失的影響，以及對灰潮土性質的改良作用，為太湖濱岸植被帶恢復提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 稻殼炭與土壤性質

試驗用稻殼炭由河南三利新能源有限公司購得，最高熱解溫度為500 ℃。稻殼炭C、N 含量采用元素分析儀測定（Vario El III，Elementar，德國）。稻殼炭容重通過100 cm3不銹鋼柱測定未壓實的稻殼炭重量來確定。稻殼炭pH 和電導率（EC）以炭水比1:10 的比例浸提后，分別采用酸度計和電導率儀測定。稻殼炭中可溶性氮（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-的含量采用流動分析儀測定（SKALAR SAN++8505，Skalar，荷蘭）。稻殼炭理化性質見表1。本研究以宜興市東南部太湖濱岸表層0—10 cm 土壤為供試土壤。該土壤屬于灰潮土，土壤質地為粉質壤土，土壤體積質量（容重）1.36 g·cm-3，pH (1:10 水提) 5.9，有機質質量分數(shù)15.1 g·kg-1，總氮質量分數(shù)0.83 g·kg-1，有效磷質量分數(shù)8.34 mg·kg-1。

1.2 土柱淋溶試驗

采用土柱淋溶試驗研究了稻殼炭施用對灰潮土氮磷養(yǎng)分淋失的影響。土柱由PVC管制成，長30 cm，直徑10 cm，兩端加開孔蓋子。在柱底部安裝了玻璃纖維濾網(wǎng)，并在濾網(wǎng)上放置了一層3 cm 的石英砂，以防止土壤流失。將1 000 g 烘干重的土壤分別與0、10、20、50 g 烘干重的稻殼炭混合均勻裝柱，以下簡稱為CK、RC1、RC2 和RC3。對照土柱（CK）未添加稻殼炭，每種處理重復4 次。

土柱淋溶試驗在25 ℃，75%相對濕度的恒溫室內進行16 周。土柱第一周用1 500 mL 去離子水沖洗進行預處理，第2 周在土柱頂端加入200 mL營養(yǎng)液，營養(yǎng)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）。隨后，每隔一周用200 mL 去離子水沖洗土柱，并收集滲濾液。滲濾液中NH4+、NO3-和PO43-的濃度采用流動分析儀測定（SKALAR SAN++8505）。滲濾液中NH4+的累積淋失量計算公式為：

其中ρt為淋溶第t 周滲濾液中NH4+的質量濃度（mg·L-1），Vt為淋溶第t 周滲濾液體積（L）。滲濾液中NO3-和PO43-的累積淋失量計算方法與NH4+相同。

1.3 土壤分析

土柱試驗結束后，對各土柱的土壤樣品進行了采集和分析。采用環(huán)刀法測定土壤體積質量（容重）；采用DIK-1130 型土壤三相儀測定土壤總孔隙度；采用凱氏定氮法測定土壤總氮；采用碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量；采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測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（質量比）浸提后，酸度計測定。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測定與上文稻殼炭中的檢測方法一致。土壤持水能力的測定是將15 g 的風干土壤放置在一個PVC 環(huán)內（內徑6 cm，高度5 cm），底部墊一張Whatman No. 42濾紙，然后將PVC環(huán)放置在托盤上，讓底部3 cm 的PVC 環(huán)浸濕在水中，直到土壤飽和。最后，將PVC 環(huán)轉移到濾網(wǎng)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為土壤的持水能力（Yoo et al.，2014）。

1.4 統(tǒng)計分析

采用SPSS 13.0 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異檢驗（LSD），確定測量變量處理之間的差異是否顯著（P＜0.05）。采用Origin 8.5 軟件繪圖。

表1 稻殼炭的理化性質 Table 1 Basic physicochemical properties of rice husk biochar

2 結果與分析

2.1 稻殼炭施用對太湖濱岸灰潮土氮磷淋失的影響

灰潮土土柱滲濾液中銨態(tài)氮濃度和銨態(tài)氮累積淋失量隨時間的變化趨勢如圖1 所示。對照土柱施肥后, 滲濾液中NH4+-N 質量濃度在第10 周達到15 mg·L-1的最大值。在稻殼炭處理的土柱（RC1、RC2 和RC3）滲濾液中，NH4+-N 質量濃度在第4周達到峰值，隨后逐漸下降，到第16 周下降到2—6 mg·L-1（圖1A）。淋溶試驗進行16 周后，與對照相比，稻殼炭處理的RC1、RC2 和RC3 土柱滲濾液中NH4+-N 累積淋失量分別減少11.7%，15.8%和26.6%（圖1B）。

稻殼炭處理的土柱滲濾液中NO3--N 濃度從第10 周以后，均顯著低于對照土柱滲濾液中NO3--N濃度（圖2A）。與對照相比，稻殼炭處理的RC1、RC2 和RC3 土柱滲濾液中NO3--N 累積淋失量分別顯著減少32.4%，56.7%和67.3%（圖2B）。

土柱滲濾液中PO43--P 濃度的波動較大，在第8 周達到峰值（圖3A）。與對照相比，稻殼炭處理的RC2 和RC3 土柱滲濾液中PO43--P 累積淋失量分別顯著增加32.1%和54.2%（圖3B）。

2.2 稻殼炭施用對太湖濱岸灰潮土理化性質及土壤微生物生物量的影響

隨著稻殼炭施用量的增加，稻殼炭添加16 周后，灰潮土的pH 值、總孔隙度和持水能力不斷增加，而土壤容重下降（表2）。不同施用量稻殼炭處理土壤容重減少了1.9%—13.9%，而土壤孔隙度增加了2.9%—12.8%。RC3 稻殼炭處理土壤pH 顯著增加了0.71，持水能力顯著增加了26.4%。

稻殼炭施用16 周后，與對照相比，濱岸灰潮土銨態(tài)氮含量顯著降低了22.0%—59.5%（圖4A），硝態(tài)氮含量顯著增加了34.0%—75.5%（圖4B），土壤總氮含量顯著增加了42.2%—51.1%（圖4C）。土壤有效磷含量在RC2 和RC3 處理下分別顯著增加了50.4%和71.5%（圖4D）。

灰潮土土壤微生物生物量碳在RC2 和RC3 處理下分別顯著增加了22.4%和36.8%，土壤微生物 生物量氮在RC3 處理下顯著增加了48.4%（圖5）。

圖1 添加稻殼炭對灰潮土土柱滲濾液中NH4+-N 質量濃度及累積淋失量的影響 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

圖2 稻殼炭施用對灰潮土土柱滲濾液中NO3—N 質量濃度及累積淋失量的影響 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

圖3 稻殼炭施用對灰潮土土柱滲濾液中PO43--P 的質量濃度及累積淋失量的影響 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

圖4 稻殼炭和肥料混施16 周對灰潮土總氮，銨態(tài)氮，硝態(tài)氮和有效磷質量分數(shù)的影響 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 稻殼炭和肥料混施16 周對灰潮土pH，體積質量(容重)， 總孔隙度，以及持水能力的影響 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 討論

添加稻殼炭減少了太湖濱岸灰潮土11.7%—26.6%的銨態(tài)氮淋失，減少了32.4%—67.3%的硝態(tài)氮淋失，但在RC2 和RC3 處理下，分別顯著增加了32.1%和54.2%的磷酸鹽淋失量。Bradley et al.（2015）報道，在施用有機肥的砂土土柱淋溶試驗中，添加不同施用量的木炭，使?jié)B濾液中總氮淋失量減少了21.2%—59.1%，NO3--N 減少了17.1%—46.3%，NH4+-N 減少了46.0%—90.2%。李江舟等（2015）添加生物炭到不同類型土壤中，紫色土、赤紅壤和黃棕壤的硝態(tài)氮淋洗總量分別減少16.4%、14.2%和22.3%。生物炭表面帶有大量負電荷，具有較大的陽離子交換量。因此，銨態(tài)氮淋失量顯著減少主要歸因于稻殼炭對NH4+的吸附作用。Lawrinenko et al.（2015）研究表明，500 ℃熱解的生物炭通常具有較低的陰離子交換量。因此，稻殼炭對NO3-的吸附作用并不是硝態(tài)氮淋失量顯著減少的主要機理。Yao et al.（2012）在其研究的13 種生物炭中也發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)生物炭對NH4+均有較好的吸附作用，而對NO3-幾乎沒有吸附作用。

圖5 稻殼炭和肥料混施16 周對灰潮土土壤微生物生物量碳、 氮質量分數(shù)的影響 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

稻殼炭添加16 周后，濱岸灰潮土土壤微生物生物量氮在5%施用率下顯著增加。當土壤中施用C/N 比為30 或更高的有機基質時，通常會發(fā)生土壤微生物對氮的固定作用（Pratiwi et al.，2016）。本研究中稻殼炭的C/N 比為73.9，稻殼炭較高的C/N比，將會刺激土壤微生物對N 的固定。尤其當?shù)練ぬ渴┯昧枯^高時，土壤生物炭混合物的C/N 比將明顯增加，從而引起土壤微生物生物量氮含量顯著增加。Burger et al.（2003）認為，生物炭中含有的可利用碳組分，刺激了土壤微生物的活性，使土壤微生物對氮的需求增加，從而促進了土壤NO3-的固定和再循環(huán)。因此，我們認為濱岸灰潮土硝態(tài)氮淋失量顯著減少主要歸因于土壤微生物對NO3-的固定。

稻殼炭本身含有較高的可溶性磷（表1），稻殼炭添加到土壤中以后，這部分可溶性磷酸鹽不斷釋放到土壤中，導致RC2 和RC3 處理的土柱滲濾液中PO43--P 累積淋失量顯著增加。這與Hardie et al.（2015）和Bradley et al.（2015）的研究結果一致。他們也發(fā)現(xiàn)生物炭的施用顯著增加了土壤滲濾液中磷酸鹽的濃度和累積淋失量。Soinne et al.（2014）和Xu et al.（2014）研究發(fā)現(xiàn)，不同種類的生物炭對磷酸鹽均沒有吸附作用。因此，我們認為稻殼炭不能通過吸附作用來截留磷酸鹽的流失。

由于稻殼炭的疏松、多孔結構，其容重遠低于礦質土壤，因此，添加稻殼炭使濱岸灰潮土的土壤容重降低，土壤總孔隙度和持水能力隨著施用量的增加而不斷增加。孫嘉曼等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，5%稻殼炭與石灰土混合后，土壤毛管持水量顯著提高14.4%。嚴陶韜等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，添加4%稻殼炭到黃棕壤中，顯著降低了土壤容重，提高了土壤總孔隙度和飽和持水量。生物炭的堿性屬性使其能夠提高酸性土壤的pH 值，添加5%稻殼炭使灰潮土pH 接近中性。Glaser et al.（2002）報道，通過在生物炭的微孔和中孔中保留土壤水，可以實現(xiàn)溶解性養(yǎng)分的保留。然而，Knowles et al.（2011）指出，生物炭自身的高孔隙度將迅速飽和，因此，土壤持水能力的提高不足以充分解釋土壤養(yǎng)分淋失量的顯著減少。

稻殼炭添加顯著增加了濱岸灰潮土的總氮含量，其原因可能是土壤氮素淋失量減少，或者是土壤微生物對氮的固定增加而引起的。同時研究發(fā)現(xiàn)，稻殼炭處理16 周后，灰潮土銨態(tài)氮含量下降，而硝態(tài)氮含量增加，這表明添加稻殼炭促進了土壤硝化作用。Yoo et al.（2014）在稻田土壤施用生物炭后，也發(fā)現(xiàn)土壤銨態(tài)氮含量下降，硝態(tài)氮含量增加。DeLuca et al.（2006）在砂質壤土和粉砂壤土中施用生物炭，土壤的硝化潛力顯著增加。

稻殼炭添加顯著增加了濱岸灰潮土有效磷含量，這可能是由多種機制引起的。首先，本試驗中的稻殼炭具有較高的可溶性磷含量（表1），這部分可溶性磷被釋放到土壤中，將會引起土壤有效磷含量增加。Xu et al.（2014）和Kim et al.（2016）研究發(fā)現(xiàn)，稻殼炭是磷酸鹽的凈來源，能夠為土壤提供磷素養(yǎng)分。第二種可能的機制是稻殼炭的添加增加了土壤微生物生物量和微生物活力，從而促進了土壤有機磷的礦化。Kimura et al.（1989）研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中加入木炭會刺激異養(yǎng)溶磷微生物活性，從而促進了土壤有機磷的降解，使土壤有效磷含量增加。

目前，生物炭用于強化濕地系統(tǒng)凈化水質的研究已有報道。例如，Kizito et al.（2017）的研究表明以生物炭作為填料的人工濕地對銨態(tài)氮、總氮和總磷的去除率明顯高于普通礫石填料濕地。段婧婧等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，生物炭和水芹濕地系統(tǒng)耦合，可以增強對污水中氮磷的凈化效果，且對土壤養(yǎng)分有一定的固持作用，其植株地上部分生物量和養(yǎng)分累積量增加。然而，生物炭施用對濱岸土壤養(yǎng)分淋失以及土壤性質的影響的研究尚未見報道。本研究發(fā)現(xiàn)施用1%—5%稻殼炭減少了太湖濱岸灰潮土NH4+-N 和NO3--N 的淋失，但當施用量為5%時，顯著增加了54.2%的PO43--P 淋失。因此，我們認為1%—2%的稻殼炭添加量較為合適。同時，添加1%—2%的稻殼炭提高了灰潮土氮磷養(yǎng)分以及土壤微生物生物量碳氮含量，這將有利于太湖濱岸緩沖帶植被生長。

4 結論

稻殼炭施用可以顯著減少太湖濱岸灰潮土氮素的淋失，這主要歸因于稻殼炭對銨態(tài)氮的吸附，以及土壤微生物對硝態(tài)氮的固定。然而，稻殼炭的添加將會增加土壤磷素淋失的風險。同時，施用稻殼炭可以提高土壤總氮、有效磷以及土壤微生物生物量，這將有利于太湖濱岸植被帶的恢復。由于稻殼炭施用于土壤后，其表面的理化性質會隨時間而發(fā)生變化。因此，施用稻殼炭對太湖濱岸灰潮土養(yǎng)分淋失的抑制效應，以及對土壤性質的改良作用需要長期的野外試驗來進一步評估。