土壤改良剂对喀斯特地区土壤养分水平运移的阻控效应

胡乐宁，肖和友，苏以荣

（1. 广西师范大学珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室，广西 桂林 541004；2. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙 410125；3. 中国科学院环江喀斯特农业生态试验站，广西 环江 547100）

喀斯特峰丛洼地，是自然生态系统中的主要脆弱带之一，尤其是该地区土层浅薄且成土速率极慢，导致土壤较为贫瘠而又异常珍贵。在喀斯特地区，降水大部分流经地下水通道，此过程伴随着土壤本身及土壤养分流失，使喀斯特地区土壤更少、更贫瘠化，植被及作物生长受到影响，农业生产水平下降，严重制约了喀斯特地区的农业和当地经济发展。喀斯特地区水土流失与其自身环境特点关系密切，如植被覆盖少、透水性强的碳酸盐岩、土层少而薄的土壤，这些都加剧了喀斯特地区水土流失强度与潜在危险［1-3］，另外由于长期的强烈岩溶化作用产生了喀斯特地区地表地下双层空间结构，使地表水易流失、地下水埋深；加上土层浅薄，成土速率慢，土壤持水能力差，缺乏植被系统调节及不合理的土地利用及人为活动，导致该地区旱涝灾害频繁，水土流失和石漠化严重，以致区域生态十分脆弱［4-8］。水土流失问题严重制约着喀斯特地区生态环境的恢复和经济发展，严重影响了当地人民的生活［9］。因此，探讨减缓和阻控水土流失的措施具有十分重要的意义。

关于土壤及养分流失的阻控方法较多，但结合喀斯特地区特殊地貌下的养分截留方法研究较少。在喀斯特地区采用的方法较为传统，且对土壤及养分的截留效果不明显。研究表明，用挡墙围住落水洞可以有效防止土壤大量流入落水洞被地下河带走［10］，但这种方法不能截留水体中的养分。因此寻找一种高效、同时又环保的方法，来减少喀斯特地区土壤及养分的流失具有重要意义。目前，通过向土壤中施加生物环保型吸附材料来减少淋溶和径流过程中的土壤养分流失是一种较好的方法，但不同材料效果差异很大。近年来，生物质炭引起了广泛关注，主要是由于其不仅属于有机质，而且具有独特的理化特性，如吸附性能、比表面积巨大等，是良好的土壤改良剂［11-12］。另外，在喀斯特地区存在较多的甘蔗及玉米秸秆，若用作制备生物质炭，并用来阻控土壤及养分流失，将具有极大意义。沸石和粉煤灰吸附性能好，均是较常见的土壤改良剂［13-16］。本研究以当地广泛存在的废弃物甘蔗渣炭、玉米秸秆炭、天然沸石、粉煤灰为材料，采用室内模拟探讨一种有效阻控喀斯特地区峰丛洼地土壤和养分流失的方法和途径，一方面能够充分利用当地废弃物，减少环境污染，另一方面为喀斯特地区峰丛洼地土壤养分流失阻控提供理论和技术依据，改善峰丛洼地土壤肥力，提高作物生产力，以实现喀斯特地区农业可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤取自广西环江中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站区。该区域地处亚热带季风气候，雨热同季，年均降雨量，年均气温19.9℃。于2013年3月采集站区洼地的农田表层（0～15 cm）土壤约200 kg，风干后剔除土壤中可见植物残体和土壤动物，磨细过1.7 mm筛，充分混匀。

供试土壤改良剂组分包括蔗渣生物质炭（简称蔗渣炭）、玉米秸秆生物质炭（简称玉米秸秆炭）、粉煤灰和沸石。其中，蔗渣炭取自广西环江远丰糖厂（蔗渣在770℃下裂解制成），玉米秸秆碳取自某共工霄商社有限公司（移动式炭化炉生产，热裂解炭化温度为350～500℃），粉煤灰取自广西某电厂，沸石取自辽宁北票市鑫山源沸石厂。蔗渣炭和玉米秸秆炭磨细过1.7 mm筛，沸石和粉煤灰分别过0.15 mm筛。所有改良剂在使用前都充分混匀，其基本理化性质见表1。甘蔗渣炭（0.15 mm）、玉米秸秆炭（0.15 mm）、天然斜发沸石（0.15 mm）、粉煤灰（0.15 mm）、不锈钢板径流槽（长90 cm，宽10 cm，高15 cm）、蠕动泵、橡胶塞及玻璃管等。

表1 供试样品基本理化性质

1.2 试验方法

试验根椐径流槽土壤及土壤改良剂混合样的不同设置5个处理，每个处理3次重复。处理 1（CK）：9 900 g土；处理 2（G3）：9 900 g土+3%甘蔗渣炭297 g；处理3（Y3）：9 900 g土+3%玉米秸秆炭297 g；处理4（G3F2M2）：9 900 g土+3%甘蔗渣炭297 g+2%沸石198 g+2%粉煤灰198 g；处理5（Y3F2M2）：9 900 g土+3%玉米秸秆炭297 g+2%沸石198 g+2%粉煤灰198 g。

（1）取土装槽：喀斯特峰丛洼地取表层土样200 kg左右，自然风干，剔除残枝落叶，过1.7 mm筛；参照处理将土壤和改良剂混合均匀后装入不锈钢径流槽，约10 cm高，表层5 cm均匀混入10.3186 g氯化铵和5.922 g磷酸二氢钾，相当于田间耕作施用N 300 kg /hm2、P 150 kg/hm2，容重约为 1.1 g/cm3。

（2）模拟径流冲刷：混合样装入槽后1 d，每个径流槽均匀缓慢加入4 160 mL去离子水（相对于降雨量46 mm，没有水流出，且将近饱和），入槽后 7、10、14、17、21、24、27、30 d通过蠕动泵（每分钟加入140 mL）分别加入相当于 22、11、11、11、11、11、11、11 mm 降雨量的去离子水模拟径流冲刷。每次在出水管处用塑料瓶接水样。

1.3 测定项目

试验前测定土样的pH、TN、TP、TK、AN、AP、AK、NH4+-N、NO3--N、CEC。生物质炭的理化性质：pH 、TC、TN 、TP、 TK、NH4+-N、NO3--N、CEC。土壤及生物质炭基本农化性状指标参照鲍士旦主编的《土壤农化分析》中的常规方法测定［17］。

采集好水样，摇匀，通过0.45μm滤膜，对过滤的水样进行化学分析，测定项目有水样体积、pH、电导率、NO3-、NH4+、K+、PO43-浓度，其中每次 NO3-（NH4+、K+、PO43-）流失量 = 每次水样中中NO3-（NH4+、K+、PO43-）浓度×水样体积，累积流失量量=每次流失量之和。

试验数据采用Excel2003和SPSS17.0软件进行统计分析，各处理之间的比较采用单因素方差分析（one-wayANOVA，P=0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理硝态氮与铵态氮径流特征

连续8次模拟地表径流冲刷过程中，CK径流液中硝态氮浓度波动不大，维持在22 mg/L左右；其他处理硝态氮浓度先降低后趋于稳定（图1）。第1次冲刷（入槽后7 d），施用改良剂处理的径流液中硝态氮浓度显著高于CK。这可能与生物质炭本身含有硝态氮有关，也可能与径流量多少有关。第2次冲刷（入槽后10 d）后，Y3、G3F2M2、Y3F2M2处理的径流液中硝态氮浓度始终低于CK。第3次冲刷（入槽后14 d）后G3F2M2处理的径流液中硝态氮浓度与Y3F2M2处理无显著差异，在整个冲刷过程中，G3处理径流液中硝态氮浓度始终高于CK。表明与CK相比，施用玉米秸秆炭（Y3）以及两种生物质炭与沸石、粉煤灰配合施用（Y3F2M2和G3F2M2）均显著降低土壤径流液中的浓度，且Y3F2M2处理效果最好。

图1 不同处理硝态氮径流浓度及累积流失量特征

连续8次模拟地表径流冲刷结束时，不同处理土壤径流液中硝态氮累积流失量由大到小依次为：G3（168.34 mg）、CK（129.52 mg）、Y3（118.90 mg）、G3F2M2（92.62 mg）、Y3F2M2（79.94 mg），且各处理之间的差异均达到极显著。施用不同改良剂处理的硝态氮累积流失量比CK下降的比例分别为G3（-29.97%）、Y3（8.20%）、G3F2M2（28.49%）、Y3F2M2（38.28%）。表明施蔗渣炭增加硝态氮的流失量，而施玉米秸秆炭（Y3）以及两种生物质炭与沸石、粉煤灰配施（G3F2M2和Y3F2M2）处理均能降低硝态氮流失量，尤其以Y3F2M2处理的效果最佳。

图2 不同处理铵态氮径流浓度及累积流失量特征

施用不同改良剂后，土壤径流液中铵态氮浓度呈先增大后降低的趋势（图 2）。在第2次冲刷（入槽10 d）后达到最大值，以CK的径流液中铵态氮浓度最大（98.85 mg/L）其显著高于施用改良剂处理，同时，Y3M2F2处理的浓度最低（39.67 mg/L），显著低于G3（72.74 mg/L）、Y3（61.33 mg/L）和 G3F2M2（64.09 mg/L）处理。随后，径流中铵态氮浓度逐渐降低，但CK的径流中铵态氮的浓度始终显著高于其他处理。总体上，在整个冲刷过程中，施用玉米秸秆炭（Y3）处理的作用大于蔗渣炭（G3）处理。生物质炭与沸石、粉煤灰配合施用比施用纯生物质炭对降低径流中铵态氮浓度的效果更好。玉米秸秆炭与沸石、粉煤灰配施（Y3M2F2）处理的效果要好于蔗渣炭与沸石、粉煤灰配施（G3F2M2）处理，且前者处理的每次径流液中铵态氮浓度都不及CK的50%。

连续8次模拟地表径流冲刷结束时，通过径流流失的铵态氮累积量由大到小依次为：CK（281.15 mg）、G3（209.08 mg）、Y3（164.51 mg）、G3F2M2（147.53 mg）、Y3F2M2（116.92 mg），且各处理之间的差异均达到极显著。施用不同改良剂处理的铵态氮累积流失量比CK下降的比例分别为Y3F2M2（58.42%）、G3F2M2（47.53%）、Y3（41.49%）、 G3（25.63%）。施入生物质炭有利于降低地表径流中铵态氮流失量，且玉米秸秆炭（Y3）效果要好于（G3）。将生物质炭与沸石、粉煤灰组合施入对径流中铵态氮流失量降低作用更大，玉米秸秆炭与沸石、粉煤灰（Y3F2M2）配施比蔗渣炭与沸石、粉煤灰（G3F2M2）更显著。前者铵态氮累积流失量只有CK的41.59%。

2.2 不同处理有效磷径流特征

图3 不同处理速效磷径流浓度及累积流失量特征

从图3可见，所有处理径流液中速效磷浓度在第1次冲刷（入槽后7 d）时最大，各处理之间的差异也较大，随后，维持相对稳定直到第5次冲刷（入槽后21 d），在第6次冲刷（入槽后24 d）有所增加。连续8次模拟地表径流冲刷结束后，径流液中平均速效磷浓度从大到小依次为G3（0.38 mg/L）、G3F2M2（0.37 mg/L）、Y3（0.09 mg/L）、Y3F2M2（0.07 mg/L）、CK（0.06 mg/L）。表明施用生物质炭增加了径流液中速效磷的浓度，且甘蔗渣增加的量要大于玉米秸秆炭；生物质炭与沸石、粉煤灰组合与只施生物质炭相比降低了径流液中速效磷的浓度。

连续8次模拟地表径流冲刷结束时，通过径流流失的速效磷累积量由大到小依次为：G3（2 096.58μg）、G3F2M2（1 862.49μg）、Y3（430.29μg）、Y3F2M2（350. 93μg）、CK（333.68μg），且各处理之间的差异均达到极显著。表明施用生物质炭增加了径流液中速效磷的流失量，且甘蔗渣炭增加的量要远大于玉米秸秆炭；Y3处理只比CK增加96.61μg；生物质炭与沸石、粉煤灰组合与只施生物质炭相比降低了径流液中速效磷的浓度，Y3F2M2处理比CK只增加17.25μg。

2.3 不同处理速效钾径流特征

从图4可见，第1次冲刷（入槽后7 d）时，各处理径流液中速效钾浓度相差较大，表现为Y3最高（83.65 mg/L），CK最小（51.63 mg/L）。随后的冲刷过程中，各处理径流中速效钾浓度表现为相同的逐渐降低的趋势，G3F2M2处理从第2次冲刷（入槽后 10 d）开始，径流液中速效钾浓度一直低于CK，Y3F2M2处理从第5次冲刷（入槽后21 d）开始，径流液中速效钾的浓度接近CK。连续8次模拟地表径流冲刷结束后，径流液中平均速效钾浓度从大到小的为Y3（50.84 mg/L）、G3（39.92 mg/L）、Y3F2M2（37.79 mg/L）、CK（33.67 mg/L）、G3F2M2（32.11 mg/L）。表明施用生物质炭增加了径流液中速效钾的浓度，且玉米秸秆炭增加的量要大于甘蔗渣炭；生物质炭与沸石、粉煤灰组合与只施生物质炭相比降低了径流液中速效钾的浓度，G3F2M2处理径流液中的平均浓度低于CK。

连续8次模拟地表径流冲刷结束时，通过径流流失的速效钾累积量由大到小依次为：Y3（274.63 mg）、G3（234.99 mg）、CK（214.42 mg）、Y3F2M2（194.59 mg）、G3F2M2（169.23 mg），且各处理之间的差异均达到极显著。说明施入生物质炭增加了速效钾的径流流失量，且玉米秸秆炭增加的量大于甘蔗渣炭；生物质炭与沸石、粉煤灰组合施与只施生物质炭相比，降低了径流中有效钾的流失量，Y3F2M2、G3F2M2处理的流失量均小于CK。

图4 不同处理有效钾径流浓度及累积流失量特征

3 结论与讨论

除了淋溶损失，径流损失也是土壤养分流失的主要途径之一。本研究结果表明，玉米秸秆炭对土壤硝态氮随径流流失有一定的阻控作用，施甘蔗渣炭增加了土壤硝态氮随径流流失量，这可能是甘蔗渣炭含有较多硝态氮所引起的。对于铵态氮，甘蔗渣炭和玉米秸秆炭均对其在土壤中的径流损失有较大阻控作用。此外，玉米秸秆炭和甘蔗渣炭与粉煤灰、沸石组合施用（Y3F2M2、G3F2M2处理）比单施生物质炭在硝态氮和铵态氮的径流流失上具有更好的阻控效果。张爱平等［18］研究表明，施用生物质稻田田面水总氮和硝态氮径流流失风险下降，但铵态氮径流流失风险却有所增加。可见生物质炭在阻控氮素径流损失上效果并不具优越性。郑越等［19］研究指出，粉煤灰对氨态氮的吸附能力均强于活性炭。王功等［20］研究表明，从对氮磷的吸附量、吸附速率看，沸石能够作为人工湿地的填料对污水进行净化处理。可见，沸石和粉煤灰对氮素具有较好的吸附能力。在本试验结果中，所有实验处理均能降低养分流失总量，增加沸石、及粉煤灰施用量有望进一步降低流失量。

施甘蔗渣炭和玉米秸秆炭增加了土壤速效磷和速效钾随径流流失量，甘蔗渣炭、玉米秸秆炭与粉煤灰、沸石组合施（Y3F2M2、G3F2M2处理）与只施甘蔗渣炭、玉米秸秆炭相比，降低了土壤速效磷和速效钾随径流流失量，Y3F2M2、G3F2M2处理速效钾流失量甚至低于CK。这可能与生物质炭本身养分含量有关，根据生物质炭养分含量分析结果，甘蔗渣炭含有较多的硝态氮，甘蔗渣炭和玉米秸秆炭均含有较高的速效磷和速效钾。其次，这可能与生物质炭、沸石、粉煤灰理化性质及结果有关，生物质炭孔隙结构发达，比表面积大，对土壤溶液养分（NH4+-N、NO3--N、K、P）具有较强的吸附能力［21-24］，能有效减少土壤养分流失。沸石的吸附能力也很高，主要是由于沸石空间结构呈网架状，构架中有比较大的空腔和孔道，内表面积可超过1 000 m2，其吸附特征表现为选择性吸附和高效率吸附［25］。高占国等［26］研究指出，粉煤灰含有较多的活性氧化铝和氧化硅等，多孔，比表面积大，吸附性能好。

与淋溶结果不同，不管是只施生物质炭还是生物质炭与沸石、粉煤灰组合施均能降低土壤铵态氮随径流流失；生物炭质炭与沸石、粉煤灰组合施可降低土壤速效钾随径流流失量；生物质炭与沸石、粉煤灰组合施处理土壤有效磷淋失量与CK接近。实际上，磷的径流损失比其淋溶损失要容易得多［27］。郑小龙等［28］研究指出，不同施肥与生物质炭配施可以减少磷的径流损失，降低磷素流失风险，尤其在施肥后1周内是控制磷流失风险的最佳时期，若此时遭遇暴雨，将导致其随径流大量流失。试验添加的材料（甘蔗渣炭0.15 mm、玉米秸秆炭0.15 mm、天然斜发沸石0.15 mm、粉煤灰0.15 mm）对土壤本身可能存在一定风险［29-30］。下一步研究中应充分考虑风险影响。

本试验5个处理硝态氮、铵态氮、速效磷、速效钾地表流失量之和分别为625.42、614.51、558.47、411.24、391.80 mg。在土壤中施入生物质炭能降低土壤的水分流失，且施玉米秸秆炭的作用大于蔗渣炭；生物质炭与沸石、粉煤灰组合施比单施生物质炭更有利于提高土壤的保水能力，且玉米秸秆炭与沸石、粉煤灰的组合要好于蔗渣炭与沸石、粉煤灰的组合。土壤改良剂的添加既降低了土壤养分的流失量，又因为材料施入及归还土壤而改善了土壤。

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