生物炭施用对稻田氮磷肥流失的影响*

肖建南，张爱平，刘汝亮，杨正礼**



生物炭施用对稻田氮磷肥流失的影响*

肖建南1，张爱平1，刘汝亮2，杨正礼1**

（1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境重点实验室，北京100081；2.宁夏农林科学院，银川750000）

针对宁夏引黄灌区稻田过量施肥导致土壤养分利用效率低的问题，通过田间小区试验，在优化施氮条件下（240kg·hm-2），设4个生物炭水平（0、4500、9000、13500kg·hm-2），研究施用外源生物炭对稻田氮磷流失和土壤养分含量的影响。结果表明：生物炭对稻田田面水氮素动态产生影响，表现为田面水中全氮、硝态氮含量随生物炭用量的增加而降低，铵态氮表现则相反；全氮和铵态氮的最大峰值出现在第1次追施氮肥后的第2天，最大值为34.86、8.28mg·L-1；硝态氮最大峰值3.31mg·L-1出现在第2次追施氮肥后的第2天。随后均迅速下降，全氮含量在施氮肥后10d回到第1次追氮前的含量水平，并趋于稳定，铵态氮和硝态氮则在7d后。生物炭对田面水全磷未产生显著影响，全磷含量在第1次施氮肥后3d达到峰值，为3.69mg·L-1，之后迅速下降，6～7d后降至追氮前的含量水平，并趋于稳定。生物炭处理显著降低了稻田全氮流失量8.03%～13.36%，高量炭处理（13500kg·hm-2）显著提高了土壤全氮和有机质含量，提高幅度分别为41.2%和27.5%（P＜0.05）。说明生物炭对稻田磷流失、土壤全磷和速效磷含量无显著影响，对降低稻田氮素淋失表现出积极效果。

生物炭；稻田田面水；氮素；磷素；土壤养分

氮肥的过量施用和不合理利用方式导致的氮素污染已成为世界性的环境问题[1]。宁夏引黄灌区位于中国西北内陆，是宁夏主要的农业生产区，灌溉面积9697km2，是中国大型自流灌溉区和全国12个商品粮基地之一。然而，该地区通过高水肥集约化管理维持粮食产量的同时，化肥尤以氮肥的过量施用导致了一系列环境问题，如对黄河上游水质安全造成潜在威胁[2-3]，农业面源污染加剧。调查结果显示，宁夏引黄灌区单季水稻生产中氮肥投入高达300kg·hm-2，但利用率仅30%左右，50%以上的氮肥通过各种途径损失[4]，其中主要是随着退水淋洗损失，由稻田氮素淋洗损失引起的农业环境问题已成为引黄灌区面源污染防控的重要研究课题[5-6]。

生物炭是作物秸秆等有机物及其衍生物在完全或部分缺氧的条件下，经高温慢热解产生的一类难熔、稳定、高度芳香化且富含碳素的固态物质[7]。目前已广泛应用于固碳减排、土壤改良、水源净化和重金属吸附等，为解决农田氮素流失和土壤功能退化提供了新的思路[8]。国内外学者围绕生物炭对氮磷流失的影响已开展了大量研究，但是，已有研究多集中于室内的土柱淋洗模拟和盆栽试验，关于施用外源生物炭对稻田氮磷流失的影响鲜有报道，同时大多数研究表明生物炭对氮磷流失的影响与土壤类型有关[9-10]。

宁夏引黄灌区的灌淤土是在黄河沉积母质上引用含有大量泥沙的黄河水进行灌溉，经长期灌水落淤与人为耕作施肥交替作用，逐渐形成的一种特殊的土壤类型[11]。在宁夏干旱少雨的气候条件和大水漫灌的灌溉模式下，其土壤有机质及养分不易积累， 维持土壤养分能力较差[12]。目前，关于施用外源生物炭能否降低稻田氮磷流失的研究还鲜有报道。因此，本研究将外源生物炭添加至稻田，旨在解决水稻生产中存在的过量施用化肥导致的氮磷损失严重对黄河水体造成的潜在威胁问题，以期为宁夏引黄灌区提高土壤氮磷利用率，降低氮磷淋失提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在宁夏回族自治区青铜峡市农业公司试验田进行，该区域是宁夏引黄灌区典型水稻种植区（106°11'35"E，38°07'26"N），属典型大陆性干旱气候，平均海拔为1100m，多年平均降水量180mm，蒸发量1400mm，平均温度8.9℃，全年无霜期165d，平均积温3900℃·d。该地区主要种植方式为稻麦隔年轮作，一年一季。供试土壤类型为灌淤土，耕层（0-20cm）土壤有机质含量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，速效钾112mg·kg-1，pH值8.49。

试验用生物炭材料由稻壳加工而成，山东某集团生产，经240～360℃高温厌氧裂解制成，含碳量65.7%。

1.2 试验设计

试验于2014年4-10月进行，供试水稻品种为宁粳43号，水稻于４月18日播种育秧，5月14日施入基肥，５月26日插秧，施基肥-插秧期间田间一直处于泡田状态，8月初开始晒田，8月底田间无明水，9月24日水稻收获。水稻插秧株距10cm，行距30cm，插秧时每穴3～5株。试验共设4个处理（表1），本实验根据前期研究成果，选用水稻优化施氮量240kg·hm-2，分3次施入土壤，50%作为基肥在整地时施入（5月14日），秧苗期（6月6日）和拔节期（6月25日）各追肥一次，分别占30%和20%。全部磷肥和钾肥均作基肥在整地时一次施入，P2O5施用量为90kg·hm-2，K2O为90kg·hm-2。水稻生长季（泡田-收获）共灌水18次，总灌溉量900～1200mm。生物炭全部在整地时随基肥一次施入土壤后旋耕，旋耕深度15～20cm。水稻生育期内其它农作管理措施与当地常规管理一致。

表 1 试验各处理养分和生物炭用量（kg·hm-2）

1.3 测定指标与方法

水稻生育期内土壤淋溶液的采集时间为水稻插秧后第2、5、9天和每次追施N肥后的第2、4、6、8、11天，其余时段每隔10d取样液一次，故本试验分别于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日取水样，至8月底因晒田田间已无田面水，整个生育期共计取水样17次。用注射器（避免扰动土层）随机抽取小区内5处中上层田面水，注入500mL容量的塑料瓶，带回实验室置于-４℃冰箱内保存。水样全氮含量采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定，硝态氮和铵态氮用法国产FUTURA流动分析仪测定，全磷用钼锑抗分光光度法。

在水稻收获后采集0-20cm土壤样品。土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定。土壤全氮采用硫酸-催化剂消解，水杨酸钠比色法。土壤全磷采用硝酸、高氯酸、氢氟酸消解，钼锑抗比色法。土壤速效磷采用0.5mol·L-1碳酸氢钠提取，钼锑抗比色 法。测定方法及详细步骤参照《土壤农化分析》[13]。

1.4 数据分析

数据计算及图表制作由Microsoft excel2007完成，统计分析使用SAS9.2软件，不同处理之间进行方差分析（ANOVA），多重比较采用最小显著差异法（least significant difference，LSD）。

2 结果与分析

2.1 生物炭施用对稻田田面水中氮素含量的影响

2.1.1 NH4+-N含量

由图1可见，在整个生育期内，各处理田面水中NH4+-N含量随生育进程以及氮肥追施均表现为相同的变化特点，即水稻插秧至第一次追肥（5月26日-6月6日）期间测得田面水中NH4+-N含量均较低，在0.06～1.19mg·L-1；6月6日（秧苗期肥）和6月25日（拔节期肥）两次追施氮肥后的第2天，各处理田面水中NH4+-N含量均急剧升高，达到两个峰值；随后NH4+-N含量均在短期内呈快速下降，再逐渐降低，至生育期结束，最后回到第一次追肥前的水平，并趋于稳定。

比较各处理田面水中NH4+-N含量的变化过程可见，在两个峰值点上，各生物炭处理中NH4+-N含量均高于未施生物炭处理（C0处理），且生物炭施入量越大，水中NH4+-N含量越高。第一峰值时C3、C2、C1和C0处理中田面水NH4+-N含量分别为6.75、6.27、5.7和5.03mg·L-1；第二次追肥后表现出与第一次追肥相同的趋势，C3处理NH4+-N含量最高，为8.27mg·L-1，比不施炭处理C0高出34.4%，二者差异达显著水平；7d后NH4+-N含量回到第一次追肥前的水平，并趋于稳定，其含量仅为峰值的0.69%～5.5%，且各处理间无显著差异。说明稻田土壤中施入生物炭后在追施N肥的一周内可增加水中NH4+-N的淋溶量，一周后田面水中NH4+-N的淋失风险相对较小。

2.1.2 NO3--N含量

由图2可见，在整个生育期内，各处理田面水中NO3--N含量随水稻生育进程以及氮肥追施均表现为相同的变化特点，即从基肥施入后第13天取样（5月27日）-第1次追肥（6月6日）后测得田面水中NO3--N含量均较低，在0.87～1.78mg·L-1；在6月6日（秧苗期肥）和6月25日（拔节期肥）两次追施氮肥后的第3天，各处理田面水中NO3--N含量均急剧升高，达到两个峰值，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含量又有一个缓慢升高的趋势，最后1次（8月21日）取样C3、C2、C1和C0处理NO3--N含量分别为1.73、1.8、1.42、1.64mg·L-1。

比较各处理田面水中NO3--N含量的变化过程可见，在两个峰值点上，各生物炭处理中NO3--N含量均低于未施生物炭处理C0，且生物炭施入量越大水中NO3--N含量越低，C3与C0处理在第二个峰值处的NO3--N含量分别为2.77和3.31mg·L-1，二者差异达到显著水平；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，各处理间均无显著差异，说明稻田土壤中施入生物炭后在追施N肥1～7d内可增加水中NO3--N的淋溶量，一周后田面水中NO3--N的淋失风险相对较小。

2.1.3 TN含量

由图3可见，整个生育期内，田面水全氮（TN）含量动态变化趋势与NH4+-N相似，各处理TN含量随生育进程以及氮肥追施均表现为相同的变化特点，即基肥施入后20d（5月14日-6月3日）内测得田面水中TN含量均较低，在1.71～4.25mg·L-1；6月6日（秧苗期肥）和6月25日（拔节期肥）两次追施氮肥后的第2天，各处理田面水中TN含量均急剧升高，达到两个峰值，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；在随后的生育期内（7月22日之后），田面水中TN含量一致保持在较低水平，各处理TN含量在1.21～3.33mg·L-1。

比较各处理田面水中TN含量的变化过程可见，在第一个峰值点上，C3处理中的TN含量（24.02mg·L-1）显著低于未施生物炭的C0处理（34.86mg·L-1），在第2个峰值点上各处理间则无显著差异。每次施肥后的10d内是最容易导致氮素流失的时期，控制好此段时间内的氮素流失是防控面源污染的关键时期。

图1-图3表明，随着时间变化，TN与NH4+-N淋失动态规律相似，但NO3--N则有所不同。分析比较各氮素形态不同处理的差异得出，添加生物炭能够使稻田田面水中TN、NO3--N含量呈现降低趋势，分别在第一和第二峰值点差异达显著水平；而添加生物炭能使稻田田面水中NH4+-N含量呈现升高趋势，且在第二峰值点差异显著。

2.2 生物炭施用对稻田田面水中全磷的影响

水稻施肥后田面水全磷(TP)含量随时间变化如图4所示。由图中可知，在水稻整个生育期内，TP含量出现了3个峰值，前两个峰值较大，出现在两次追施氮肥后的3～5d，随后１周内TP含量下降，至追肥后第10天TP含量基本回到插秧时水平；7月23日后田面水TP含量再次出现上升趋势，这主要是因为在这期间进行了田间除草和喷药的农事操作，各试验小区表层土壤产生扰动，加之8月上旬 的晒田导致田面水TP含量出现反弹。施氮肥对TP含量的影响与对TN含量的影响相似，这是因为氮肥的施用在一定程度上制约了磷素的变化，具体原因尚需进一步探索。TP含量在不同生物炭水平下的变化趋势基本一致，可见生物炭对TP的影响不大。试验所用生物炭的含磷量很低，各处理中的磷素大部分仍来自化肥，可见施用生物炭并不会改变磷素流失风险期的长短。

2.3 生物炭施用对稻田氮磷肥流失量的影响

结合宁夏引黄灌区地下水位的情况和渗漏水收集的分层情况，将100cm处的渗漏水视为农田退水，以100cm处的淋溶水养分含量与渗漏量相乘作为水稻生育期全氮TN的流失量。从表2可以看出，TN流失量随着生物炭施用量的增加逐渐减少，各处理均比不施生物炭处理C0显著降低。水稻全生育期平均TN流失量为27.32kg·hm-2，施生物炭各处理C3、C2、C1比不施生物炭处理C0的全氮流失量分别降低13.36%、9.85%、8.03%。各处理水稻生育期全磷TP流失量随着生物炭施用量的增加也逐渐减少，但处理间差异并不显著。水稻全生育期平均TP流失量为9.63kg·hm-2，淋失量最高的为不施加生物炭处理 （C0），比最高量生物炭处理（C3）高14.76%。

由表2还可见，在0-20cm耕层土壤中，土壤全氮含量随着生物炭施用量的增加而上升，C3处理全氮含量显著高于其它处理；各处理全磷含量则无明显变化；C1、C2和C3处理的土壤速效磷含量分别为17.39、18.22、19.13mg·kg-1，与C0相比，速效磷含量分别提高2.6%、7.7%和13.1%，但各处理间差异并不显著。生物炭对土壤有机质有明显的改善作用，处理C1、C2和C3中土壤有机质的含量比对照C0分别提高了5.6%、11.8%和37.8%，且差异达到显著水平。

表2 水稻收获后各处理土壤养分含量及全氮、全磷流失量

注：数据为3次重复的平均值，小写字母表示处理间在0.05水平上的差异显著性。

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

3 结论与讨论

3.1 讨论

宁夏引黄灌区土壤类型为黄河冲积形成的灌淤土，保水保肥性能较差，加上独特的灌排系统，每年有40%左右的引自黄河的水又通过退水回到黄河，成为淋失的“源”和“库”，退水中携带的大量养分对黄河上游水质安全造成了严重的威胁[4]。宁夏引黄灌区农业生产中化肥（以氮肥为主）的投入量约为全国大田平均水平的2.6倍[14]，氮肥施入农田后从各种途径损失于环境中，地表径流是灌溉稻田氮素损失的主要途径之一，而田面水氮素动态变化与氮素径流损失有直接关系。本研究结果显示，添加生物炭条件下，田面水中NH4+-N、NO3--N及TN含量在水稻整个生育期内呈现下降趋势。同时本研究还显示，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，随着生物炭施用量的增加这种趋势更为明显。这种降低趋势与刘玉学研究得出的添加竹炭或秸秆炭均能使稻田田面水和侧渗水NO3--N、NH4+-N和TN含量呈降低趋势，但不存在显著性差异的结论一致[15]。

插秧后40d内，由于两次追肥，田面水氮素含量保持在较高水平，且每次追肥均伴有峰值的出现，其中NO3--N含量较NH4+-N出现峰值的时间晚，这主要是因为NO3--N大部分来自于NH4+-N的硝化作用，尿素施入稻田要经过脲酶的水解作用转化为无机态的NH4+-N，然后通过微生物的硝化作用转变为NO3--N[16]，再经氨挥发、淋溶、作物吸收利用等过程转移。因此，田面水中NH4+-N含量呈现先上升后下降的过程。田面水中TN含量随着氮肥的施入迅速达到最大值，之后随着氮素的一系列转化迁移作用和作物的吸收利用，TN含量逐渐下降，10d后基本回到施肥前的水平，因此，施肥后10d内是控制氮素流失的关键时期，这与张志剑等[17]提出的施肥后一周是控释氮素流失的关键时刻不尽相同。

试验后期田面水NO3--N含量下降，一方面是水稻返青期进行的持续性灌水，随着水稻的吸收利用和水分的下渗，田面水中NO3--N和TN含量下降，致使硝化作用形成NO3--N的速度小于其损失的速度。另一方面，田面水中的NO3--N 自身会发生反硝化作用，以NO、N2或N2O的形式进入大气[18-19]。第二次追肥后田面水中NO3--N含量于6月下旬（水稻分蘖期）-8月底泡田结束，整体呈下降趋势，这与水稻不同生长阶段吸氮情况不同有关。前期水稻处于幼苗阶段，对氮素的吸收能力较低，利用率不高，而且在此期间稻田一直处于淹水状态，在农田退水作用的驱动下氮素很容易随退水直渗至地下或侧渗到排水沟内。本研究结果说明水稻生育前期是防控氮素径流损失的重要时期，与张爱平得出的结论一致[20]，此时应加强田间管理，防止灌溉和降雨造成田面水外泄，导致N、P损失引发面源污染。

在农业生产上磷肥施用是提高作物产量的有效措施之一，然而当季施用磷肥的利用率一般仅15%～25%，大量磷肥在土壤中积累[21]，当地表径流和土壤侵蚀发生时，土壤磷由陆地向水体迁移，这不仅造成磷矿资源的损失与浪费，而且会加速附近水体富营养化的产生[22]。磷素不易被固定到土壤中，更容易溶解到水体内，相比氮素，磷素更容易随径流与渗漏对周边水体造成污染。在中国的水体富营养化标准中，磷素含量为主要的参考标准之一，规定磷素含量超过0.02mg·L-1即可视为水体富营养化。本研究结果中，田面水TP含量变化范围为0.23～3.92mg·L-1，远高于水体富营养化发生的临界含量0.02mg·L-1[23]。施肥后第2天TP含量最高达2.83mg·L-1，为严重水体富营养化污染，施肥后5d内是控制水体养分流失的最佳时期，应严格控制田面水排放。而后期由于晒田导致TP含量上涨，此时重新灌水一定要注意田面水的排放，不要形成径流导致水体污染。

高量生物炭处理提高了灌淤土全氮含量，这与生物炭能减慢土壤中水分的移动有关，使水分携带离子的移动性降低，进而减少了如硝态氮等的淋溶损失[24]，达到缓释土壤氮素的目的；另一方面，添加生物炭改善了土壤的通气状况，降低了其厌氧程度，从而有效减少了农田土壤氨气挥发[25]。生物炭的施用对速效磷含量有一定促进作用，这除了与生物炭本身较高的有效磷含量有关外，生物炭对磷素养分的吸持作用也是很重要的原因。生物炭可以产生正负电荷，因而能够吸持有机质所不吸持的磷素养分[26]。生物炭通过减缓磷元素的溶解迁移减少其流失，并在土壤中缓慢而持续释放，相当于磷元素的缓释载体，从而达到保持肥力的作用。这与Laird等[27]研究得出的2%比例的生物炭能够降低69%的土壤可溶性磷素流失量的结果一致。有机质可以改良土壤结构、土壤通气性和透水性，提高土壤保水保肥能力，促进微生物活动以及为植物提供养分等，是土壤肥力的重要指标之一。本研究中，生物炭的施用使土壤有机质含量显著升高。这可能是因为生物炭本身富含有机碳，因此能提高土壤有机质含量水平，其提高幅度取决于生物炭的添加量及其稳定性[28]。另一方面，生物炭通过促进土壤形成有机-矿质复合体，提高团聚体稳定性进而减少有机质淋失[29]，加之被包裹或吸附在生物炭空隙及有机-矿质复合体中的微生物生长繁殖及活性减弱，也是可能的原因[30]。

3.2 结论

（1）添加生物炭后，不同处理田面水NH4+-N、NO3--N和TN含量均在追施N肥后第2天达到峰值，TP含量在追施N肥后第3天达到峰值，然后迅速下降，NH4+-N和NO3--N在追施N肥7d后趋于稳定，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可作为稻田 N、P流失的主要指标，每次追肥后10d内是N、P径流损失的关键时期。

（2）施用生物炭可以降低田面水中TN和TP含量，减少氮磷肥通过径流途径损失，TN淋失量随着生物炭施用量的提高逐渐降低，其降幅在8.03％～13.36％，与不施生物炭差异显著；磷素淋失量降幅在12.86％～6.8％，差异不显著。

（3）在优化施氮条件下，添加生物炭对灌淤土全磷和速效磷含量无显著影响，但显著提高了灌淤土全氮和有机质含量。

[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,吕谋超,温随群,等.宁夏引黄灌区农田退水回灌对土壤盐分影响的试验研究[J].灌溉排水学报,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]陈伟伟,李强坤,胡亚伟,等.青铜峡灌区水稻田三氮变化特征试验研究[J].农业环境科学学报,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]张爱平,刘汝亮,杨世琦,等.基于缓释肥的侧条施肥技术对水稻产量和氮素流失的影响[J].农业环境科学学报,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]张晴雯,张惠,易军,等.青铜峡灌区水稻田化肥氮去向研究[J].环境科学学报,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]易军,张晴雯,王明,等.宁夏黄灌区灌淤土硝态氮运移规律研究[J].农业环境科学学报,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]周志红,李心清,邢英,等.生物炭对土壤氮素淋失的抑制作用[J].地球与环境,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.宁夏引黄灌区的灌淤土[J].土壤学报, 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]马玉兰.灌淤土研究新进展[J].土壤通报, 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]鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,1999.

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

[14]刘汝亮,李友宏,张爱平,等.育秧箱全量施肥对水稻产量和氮素流失的影响[J].应用生态学报,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]刘玉学.生物质炭输入对土壤氮素流失及温室气体排放特性的影响[D].杭州:浙江大学,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]张志剑,董亮,朱荫湄.水稻田面水氮素的动态特征、模式表征及排水流失研究[J].环境科学学报,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]苏成国,尹斌,朱兆良,等.农田氮素的气态损失与大气氮湿沉降及其环境效应[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,范晓晖,林德薯,等.太湖地区稻田氨挥发及影响因素的研究[J].土壤学报,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]张爱平.宁夏黄灌区稻田退水氮磷污染特征研究[D].北京:中国农业科学院,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]陈欣,宇万太,沈善敏.磷肥低量施用制度下土壤磷库的发展变化Ⅱ:土壤有效磷及土壤无机磷组成[J].土壤学报, 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]郑小龙,吴家森,陈裴裴,等.不同施肥与生物质炭配施对水稻田面水氮磷流失及产量的影响[J].水土保持学报, 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,赵斌,等.生物炭对旱作农田土壤理化性质及作物产量的影响[J].生态环境学报,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

通讯作者：。E-mail：yangzl426@126.com；yangzhengli@caas.cn

国家自然科学基金项目（31601834;31660597）；农业清洁流域创新基金；宁夏农林科学院科技创新先导基金

肖建南（1991-），女，硕士生，主要从事生态农业与清洁生产研究。E-mail：xiaojiannan1999@163.com

肖建南,张爱平,刘汝亮,等.生物炭施用对稻田氮磷肥流失的影响[J].中国农业气象,2017,38(3):163-171