張斌艷，李小英,2，秦文靜，魯興美

（1西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，昆明650224；2云南省高校土壤侵蝕與控制重點實驗室，昆明650224）

0 引言

土壤石漠化是中國西南喀斯特地區(qū)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要生態(tài)環(huán)境問題，是制約區(qū)域生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素。石漠化區(qū)域的植被恢復(fù)一直是科研工作者研究的熱點和重點，改良土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力是石漠化區(qū)綜合治理的關(guān)鍵所在[1-3]。云南省昆明市石林縣西街口鎮(zhèn)是西南典型的石漠化區(qū)域，土壤類型為堿性黃褐色石灰土，具有石多土少、土層薄、肥效差、蓄水能力低、抗外界干擾能力較弱等特性，加上人為耕作因素干擾，土壤侵蝕加劇，嚴(yán)重制約作物生長，作物產(chǎn)量下降，對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。近年來，科研工作者一直在探索用生物質(zhì)炭來改良土壤。生物質(zhì)炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和較大的比表面積、較高的化學(xué)穩(wěn)定性和較強(qiáng)的陽離子交換能力，還含有植物生長所需營養(yǎng)元素，它在土壤改良、固碳、氮磷減排、緩釋肥料載體、污水治理、土壤修復(fù)、功能材料等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。不同的原材料、不同的制備方法和條件獲得的生物質(zhì)炭性質(zhì)不同，其施用于土壤中的保水保肥效果具有顯著差異[4]。添加適量的生物質(zhì)炭能夠改善土壤持水能力和水分入滲特性[5]，同時對農(nóng)地的降水徑流及水土流失有很好的控制作用[6]。水分是土壤養(yǎng)分遷移吸收利用的載體，也是導(dǎo)致土壤氮磷流失的重要因素[7]。增強(qiáng)土壤的蓄水能力，減少水土流失對控制土壤氮磷流失起到重要作用。在農(nóng)地中施入生物質(zhì)炭能增加土壤的持水量，增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，改變土壤結(jié)構(gòu)，提高作物對土壤中有效水的利用率，能夠有效減少土壤中的氮磷流失[8-10]。已有研究表明，生物質(zhì)炭的添加對農(nóng)田中氮磷具有固持作用，能在一定程度上減少土壤中的氮磷流失[11-12]，但目前的氮磷流失研究多集中在不同原料來源生物質(zhì)炭[13]對氮磷流失的影響，試驗土壤也多集中在水稻田之類的淹水土壤[14]，對于不同粒徑生物質(zhì)炭施入旱地對種植土壤氮磷流失影響，尤其是西南典型石漠化旱地還未見報道。本研究擬應(yīng)用生物質(zhì)炭通過盆栽和淋溶試驗，探究生物質(zhì)炭粒徑變化及施用比例對石林石漠化農(nóng)地土壤氮磷流失量的影響，以期為篩選制備適宜石林石漠化農(nóng)地的土壤調(diào)理劑和緩釋肥料載體提供理論依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 試驗裝置及材料

試驗采用常規(guī)圓底、配有墊盤的塑料花盆(Φ=11cm)，在墊盤墊上0.5 mm無紡布，保證下滲水能正常下漏，土基質(zhì)不會隨水流出?；ㄅ璺胖糜跍厥遗囵B(yǎng)架上，間距為30 cm，隨機(jī)排列，盆下用干凈墊盤承接下滲水。

供試土壤為石林典型石漠化農(nóng)地土壤，土壤取自云南省昆明市石林縣西街口鎮(zhèn)撂荒地，土壤為堿性黃褐色石灰土，土壤基本性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本性質(zhì)

試驗采用的生物質(zhì)炭為竹炭、橡膠木炭以及稻殼炭，生物質(zhì)炭基本性質(zhì)見表2。

表2 供試生物質(zhì)炭基本性質(zhì)

試驗肥料為稻殼有機(jī)肥和湖北諾維爾化肥有限公司生產(chǎn)的商品復(fù)合肥，有機(jī)肥氮含量4.8 mg/g，磷含量0.36 mg/g，鉀含量0.63 mg/g。商品復(fù)合肥成分為N:P2O5:K2O=17:17:17，TN≥51%。供試作物為人參果植株，幼苗為石林縣西街口鎮(zhèn)人參果植株標(biāo)準(zhǔn)化育苗中心培育的商品苗。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗選取了稻殼炭(DKT1)、橡膠木炭(XJT1)和2種粒徑[0～1 mm(T1)、1～3 mm(T2)]的竹炭(Z)與土壤均勻混合，每個盆栽共稱取1 kg土炭混合物，生物質(zhì)炭用量按照炭基質(zhì)量百分比0%、1%、3%、5%設(shè)置4個水平，共計13個處理，每個處理重復(fù)6盆，另施入有機(jī)肥10 g，各處理設(shè)置見表3。選取長勢、株高一致(15 cm)的人參果植株幼苗進(jìn)行栽植，栽植時間為2019年6月23日，7天后（2019年7月1日）煉苗期結(jié)束，幼苗成活，開始試驗周期；在人參果植株開花掛果期（9月1日）對人參果植株增施復(fù)合肥10 g/盆，2019年10月30日試驗結(jié)束。

表3 試驗設(shè)計

1.3 試驗管理

試驗在西南林業(yè)大學(xué)溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，試驗周期為2019年7月1日—10月30日，共計4個月，期間按照植物需水規(guī)律進(jìn)行澆水，每2天澆一次水，根據(jù)天氣情況適當(dāng)調(diào)整澆水頻次，每次100 mL，使土壤剛好飽和，花盆下方有墊盆承接，若有水滲出則再次將墊盆內(nèi)的水回灌入盆內(nèi)。第一次取中間株高的盆栽灌水250 mL，0.5 h后對滲濾液進(jìn)行收集，進(jìn)行后續(xù)水量、全氮、全磷的測定，后續(xù)定期（每隔15天）對該盆栽進(jìn)行水樣取樣，共取8次水樣。

1.4 測定項目及方法

（1）水質(zhì)分析方法。下滲水水量采用量筒量取，水樣的總氮、總磷分別采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、過硫酸鉀消解法測定。

（2）總氮、總磷流失量?？偟⒖偭椎目偭魇Я坎捎檬?1)進(jìn)行計算。

式中，Ci表示第i次水樣總氮或總磷的濃度，mg/L；Vi表示第i次下滲水體積，mL；M表示整個試驗過程中下滲水的總氮、總磷累計含量，mg。

（3）人參果植株干重。收獲每個處理的人參果植株（因后期蟲害嚴(yán)重，最終未成功掛果，故只能對試驗結(jié)束后的人參果植株進(jìn)行干重測量），包括地上部分和地下部分，將地下部分泥土洗凈，編號后放于托盤中，放于105℃烘箱中烘至恒重。

試驗數(shù)據(jù)采用WPS 2019軟件進(jìn)行整理并用SPSS 22(IBM SPSS Statistic)統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析和多重比較（LSD法），顯著性水平設(shè)定為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下滲水量變化

石漠化土壤保水性能差，這是嚴(yán)重制約作物生長，導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降的重要因素。下滲水量的多少可以在一定程度上表征土壤的持水性能。不同處理土壤下滲水量均值如圖1所示，3%和5%的粉末竹炭(Z3T1、Z5T1)、3%的顆粒炭竹炭(Z3T2)、3%和5%的粉末橡膠木炭(XJ3T1、XJ5T1)和3%的粉末稻殼炭(DK3T1)與空白處理(CK)之間差異顯著(P＜0.05)；同施入不同粒徑竹炭的處理下（圖1A），高炭量(5%)的粉末炭(T1)與顆粒炭(T2)之間的下滲水量差異顯著(P＜0.05)；同一粒徑的各生物質(zhì)炭之間差異不顯著(P＞0.05)，同種生物質(zhì)炭不同炭量之間，粉末橡膠炭的1%與5%之間和顆粒竹炭3%與1%、5%之間差異顯著(P＜0.05)(圖1B)。

圖1 不同處理下的滲水量比較

從不同生物質(zhì)炭處理結(jié)果（圖1）可知，添加生物質(zhì)炭都使得下滲水量減少，粉末竹炭(ZT1)、顆粒竹炭(ZT2)、粉末橡膠木炭(XJT1)和粉末稻殼炭(DKT1)分別較空白(CK)下降了8.1%、3.6%、10.8%、5.9%，橡膠木炭的保水性最佳。對于同添加竹炭的處理（圖1A），3個粉末炭處理的保水效果均優(yōu)于顆粒炭。同添加粉末炭的3種生物質(zhì)炭之間的保水性存在差異。

從生物質(zhì)炭的施用比例分析，所有施用比例處理的下滲水量均低于空白處理，且下滲水量隨著炭量的增加而減小，其中5%的粉末橡膠木炭(XJ5T1)的保水性最好，較空白(CK)減少了12.5%，3%的粉末橡膠木炭(XJ3T1)和5%的粉末竹炭(Z5T1)次之，分別減少11.8%和9.9%。

2.2 不同處理的氮磷流失量變化

各處理在試驗周期內(nèi)總氮流失量見圖2，各處理與空白處理(CK)之間存在不同程度的差異顯著性，其中粉末竹炭，粉末橡膠木炭各炭量處理與空白處理均差異顯著(P＜0.05)，3%顆粒竹炭(Z3T2)與空白處理之間差異顯著(P＜0.05)，粉末稻殼炭各炭量處理與空白處理相較差異均不顯著(P＞0.05)。對于同施入竹炭的處理，粉末炭和顆粒炭各施用比例之間均差異顯著(P＜0.05)。同一粒徑的生物質(zhì)炭之間，5%的竹炭和5%的橡膠炭與5%稻殼炭之間差異顯著(P＜0.05)；同種生物質(zhì)炭不同炭量之間，粉末竹炭和粉末橡膠炭均是1%、3%與5%之間差異顯著(P＜0.05)。

圖2 各處理土壤下滲水總氮含量

總體來說，添加生物質(zhì)炭減少了土壤中總氮的流失，如圖3所示。施入竹炭的處理粉末炭控制總氮流失的效果要好于顆粒炭，粉末炭的減排率在15.9%～26.1%之間，顆粒炭的減排率在5.1%～21.3%之間。對于同施入粉末狀的不同生物質(zhì)炭，橡膠木炭整體的總氮減排率最高，在15.9%～26.3%之間，其中5%的橡膠木炭(XJ5T1)減排率最高，為26.3%；稻殼炭的總氮減排率在7.3%～10.2%之間，5%的稻殼炭(DK5T1)減排率最高，為10.2%。橡膠木炭對土壤的中總氮流失控制最好，平均減少20.8%，粉末竹炭次之，平均減少20.4%，稻殼炭總氮流失控制最差，平均減少8.3%。在所有處理中，5%的粉末橡膠木炭(XJ5T1)控制總氮流失的效果最好，總減排32.909 mg，較空白減少了26.3%。

圖3 各處理土壤下滲水總氮總磷減排率

各處理在試驗周期內(nèi)總磷流失量見圖4，各處理與空白處理(CK)之間存在不同程度的顯著性，且炭量越高差異越顯著，除1%的粉末竹炭(Z1T1)、1%的粉末稻殼炭(DK1T1)和1%、3%顆粒竹炭(ZT2)處理外，其余處理較空白處理均存在顯著差異(P＜0.05)。對于同施入竹炭的處理(圖4A)，粉末竹炭和顆粒竹炭中炭量(3%)和高炭量(5%)之間差異顯著(P＜0.05)。對于同一粒徑的不同生物質(zhì)炭處理之間差異均不顯著(P＞0.05)，同種生物質(zhì)炭不同炭量處理之間差異均不顯著(P＞0.05)。

總體來說，添加生物質(zhì)炭減少了土壤中總磷的流失，如圖4所示。對于同施入竹炭的處理，粉末炭控制總磷流失的效果要好于顆粒炭，粉末竹炭的減排率在8.9%～19.9%之間，顆粒竹炭的減排率在5.3%～14.3%之間。對于同施入粉末狀的不同生物質(zhì)炭，橡膠木炭整體的總磷減排率最高，在17.7%～23.0%之間，其中5%的橡膠木炭(XJ5T1)減排率最高，為23.0%；稻殼炭的減排率在8.9%～14.4%之間，5%的稻殼炭(DK5T1)減排率最高，為14.4%；橡膠木炭對土壤的中總氮流失控制最好，平均減少20.4%，粉末竹炭次之，平均減少14.1%，顆粒竹炭總氮流失控制最差，平均減少8.4%。在所有處理中，5%的粉末橡膠木炭(XJ5T1)控制總磷流失的效果最好，總減排15.495 mg，較空白(CK)減少了23.0%。

圖4 各處理土壤下滲水總磷含量

從整體試驗數(shù)據(jù)來看，生物質(zhì)炭的添加對石林石漠化土壤的氮磷都有明顯的減排作用，粉末炭(T1)的氮磷固持效果要優(yōu)于顆粒炭(T2)，粉末炭的總氮總磷減排率分別為15.9%～26.1%和8.2%～19.9%，顆粒炭則分別為5.1%～21.3%和5.3%～14.3%。生物質(zhì)炭對土壤總氮的減排效果要優(yōu)于總磷，總氮減排率5.1%～26.3%，總磷減排率5.3%～23.0%；同種粒徑不同生物質(zhì)炭在氮磷減排效果存在一定的差異，生物質(zhì)炭的氮磷減排率都隨生物質(zhì)炭量的增加而增加。綜合來看5%的粉末橡膠木炭(XJ5T1)的氮磷固持效果最佳，對總氮總磷的減排率分別為26.3%和23%。

2.3 不同處理的人參果植株干重變化

從圖5中人參果植株干重來看，施加生物質(zhì)炭對人參果植株干重都有一定影響，1%、5%的粉末竹炭，5%的粉末橡膠炭(XJ5T1)和3%的粉末稻殼炭(DK3T1)與空白處理(CK)差異顯著(P＜0.05)。對于同施入竹炭的處理（如圖5A），粉末竹炭和顆粒竹炭的3個炭量均使得作物的干重有所減小。對于施入粉末狀不同生物質(zhì)炭處理（如圖5B），按照均值分析，橡膠木炭(XJT1)和稻殼炭(DKT1)較空白處理均提高了人參果植株的干重，分別提高了6.4%和5.1%，而粉末竹炭則降低了人參果植株干重，較空白(CK)降低5.7%。從施用比例分析（如圖5B），橡膠木炭3個炭量處理均增加了人參果植株干重，增加幅度為0.2%～15.3%，其中5%的橡膠木炭(XJ5T1)增量最大，為15.1%；3%、5%的稻殼炭(DK3T1、DK5T1)增加了人參果植株干重，增幅分別為9.7%、3.1%，而1%稻殼炭(DK1T1)則降低了人參果植株的干重，降低了0.6%；竹炭的3個炭量均使人參果植株干重下降，降幅0.6%～8.7%。

圖5 試驗周期結(jié)束時各處理收獲人參果植株干重

由于人參果植株苗自身蟲害，多次噴灑農(nóng)藥，蟲害未根治，最終人參果植株苗未成功掛果，且對人參果植株生長也造成了一定影響，故采用試驗周期結(jié)束時的人參果植株苗干重來評判生物質(zhì)炭對人參果植株生長的作用。

3 結(jié)論

本研究表明，不同原材料的生物質(zhì)炭都能減少土壤下滲水量和氮磷流失，總氮的減排效果優(yōu)于總磷；粉末炭的保水效果和氮磷減排效果均優(yōu)于顆粒炭，粉末竹炭的總氮總磷減排率分別為15.9%～26.1%和8.9%～19.9%，顆粒竹炭的分別為5.1%～21.3%和5.3%～14.3%。所有施用比例處理的下滲水量均低于空白處理，除顆粒竹炭以3%施用比例最優(yōu)，其余生物質(zhì)炭對總氮、總磷的減排率均以5%施用比例為最優(yōu)，且氮磷固持效果隨施用比例的增加而增強(qiáng)；5%的橡膠木炭無論是在提高人參果植株干重方面，還是保水和氮磷減排方面效果都最佳，本研究認(rèn)為橡膠木炭是最適宜石林石漠化農(nóng)地的土壤調(diào)理劑和緩釋肥料載體。

4 討論

4.1 不同原材料的生物質(zhì)炭對土壤持水性、氮磷流失和作物干重的影響

石林縣西街口鎮(zhèn)是西南典型的石漠化區(qū)域，土壤肥效差、蓄水能力低是制約石林石漠化地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。有研究表明，在土壤中加入一定量的生物質(zhì)炭能起到保水作用和減少土壤營養(yǎng)元素的淋失[15]。本試驗研究也得到相似結(jié)論，添加不同種類的生物質(zhì)炭均使得土壤下滲水量有所減少，按均值來分析，炭粉末竹炭、顆粒竹炭、粉末橡膠木炭和粉末稻殼炭分別較空白下降了8.1%、3.6%、10.8%、5.9%。本試驗研究表明，添加生物質(zhì)炭的處理均降低了氮磷流失量，說明生物質(zhì)炭對氮磷有很好的固持作用，與前人研究結(jié)果一致[12]，其中粉末橡膠木炭的氮磷減排率最高，橡膠木炭的自身特性決定了氮磷固持的效果，巨大的比表面積為氮磷提供了良好的固持場所，其次橡膠木炭的H/C較小，芳香化程度高，橡膠木炭的機(jī)械組成強(qiáng)度高，不易進(jìn)一步破碎遷移，能更穩(wěn)定地固持土壤中氮磷元素，減少土壤養(yǎng)分丟失。有研究表明，生物質(zhì)炭和肥料混施能顯著提高生物質(zhì)炭對土壤營養(yǎng)元素的吸附，減少土壤養(yǎng)分淋失[16]。生物質(zhì)炭的保肥機(jī)理是通過生物質(zhì)炭表面發(fā)生離子交換作用來固定氮素，減少氮素淋失[17]，并能實現(xiàn)固定氮素的再釋放，形成緩釋效果[18]。生物質(zhì)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[19]。加入生物質(zhì)炭后對作物產(chǎn)量有顯著的促進(jìn)作用[20]，也有研究表明，生物質(zhì)炭的加入對作物的生長有抑制作用或沒有影響[21]。本研究表明，不同種類的生物質(zhì)炭對人參果植株干重的影響存在差異，按照均值分析，粉末橡膠木炭和粉末稻殼炭較空白處理均提高了人參果植株的干重，分別提高了6.4%和5.1%，而粉末和顆粒竹炭則降低人參果植株干重，較空白分別降低5.7%和13.0%。推測原因是由于生物質(zhì)炭原材料和制備條件的差異引起的生物質(zhì)炭性質(zhì)差異，從而影響生物質(zhì)炭對土壤養(yǎng)分的吸收、固持、釋放[22]。

4.2 不同粒徑的生物質(zhì)炭對土壤持水性、氮磷流失和作物干重的影響

對于同添加竹炭的處理，3個炭量的粉末炭的保水效果均優(yōu)于顆粒炭，推測是因為大顆粒炭加入到土壤中增大了土壤顆粒之間空隙，使得水更容易從空隙中流出。同施入竹炭的處理，粉末炭的氮磷減排效果也強(qiáng)于顆粒炭，粉末竹炭的總氮總磷減排率分別為15.9%～26.1%和8.9%～19.9%，顆粒竹炭則分別為5.1%～21.3%和5.3%～14.3%，說明竹炭的物理結(jié)構(gòu)對總氮、總磷的固持影響較為明顯，推測與生物質(zhì)炭的孔隙度、孔徑大小和土壤顆粒與生物質(zhì)炭之間的緊密程度有關(guān)。2種粒徑的竹炭處理的人參果植株干重均小于空白處理，但顆粒竹炭處理的作物干重相對更低，推測是竹炭的特性和不同粒徑竹炭性質(zhì)差異造成的，還可能是作物生長與施炭土壤養(yǎng)分響應(yīng)差異造成的，但目前就不同粒徑的生物質(zhì)炭研究還鮮有耳聞，粒徑不同的生物質(zhì)炭內(nèi)部氮磷固持、轉(zhuǎn)移和與作物生長響應(yīng)機(jī)理差異尚不明確，還需深入研究。

4.3 不同施用比例的生物質(zhì)炭對土壤持水性、氮磷流失和作物干重的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，不同施用比例的生物質(zhì)炭都有一定的保水作用，所有施用比例處理的下滲水量均低于空白處理，且下滲水量隨著炭量的增加而減小。與前人研究結(jié)果一致，即隨著生物質(zhì)炭施用比例的增加，土壤的密度、容重降低，孔隙度增大，毛管導(dǎo)水作用增強(qiáng)。比表面積大這一特性為土壤水提供了附著面，使得毛管持水量隨著生物質(zhì)炭施用比例增加而不斷升高[23]。多數(shù)研究表明，隨著施入土壤的生物質(zhì)炭量增加，土壤中氮磷的減排率也增加，劉瑋晶[24]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物質(zhì)炭施用比例為1%、3%、5%時，1%、5%施用比例的生物質(zhì)炭對氮素的減排效果較好。本研究結(jié)果也有相似之處，除顆粒竹炭以3%施用比例最優(yōu)，其余生物質(zhì)炭對總氮的減排率均以5%施用比例為最優(yōu)，其原因可能是由于竹炭顆粒較大，過高的施加量反而增加了土壤顆粒之間的空隙，使得氮素更容易隨水流出土壤，或者同時還發(fā)生了其他途徑的損失。從增加人參果植株干重的橡膠木炭和粉末稻殼炭來看，中(3%)、高(5%)炭量更有利于提高作物人參果植株干重，可能是由于添加的生物質(zhì)炭自身含有一些能被人參果植株吸收、利用的微量元素，較高的施用比例，使得大量的微量元素被帶入土壤，且顯著地改變了土壤特性，增強(qiáng)了養(yǎng)分有效性，從而促進(jìn)作物的生長[25]。