玉米秸秆炭对土壤中氮、磷淋溶的影响

谢沂希，杨婉俪，刘 慧，陈艳秋，谢尚春

(1.成都农业科技职业学院，四川 成都 610041；2.四川农业大学环境学院，成都 温江 611130)

农业面源污染是由农业生产活动引起的氮、磷、农药等污染物以广域的、低浓度、分散的形式，从农田生态系统向水体迁移扩散的过程[1]。近年来，随着农业生产的发展和人们生活需求的不断提高，促使农业产出增加，由农业生产发展扩大而导致农业面源污染现象逐年加重。据估算，目前我国水体氮磷污染物主来自工业、生活污水和农业面源污染的大约各占1/3。而我国湖泊的氮、磷50%以上来自于农业面源污染[2]。我国化肥使用量大、利用效率低，导致剩余部分的氮、磷营养元素通过地表径流、土壤渗滤进入河流、湖泊等水域，造成水体富营养化和地下水受到污染。大量的氮肥使用还会加快土壤中有机碳的消耗，降低有机质活性和土壤的供氮能力[1]。此外，农业面源污染也直接导致了土壤环境的破坏，造成土壤结构板结、酸化，降低了土壤质量，损害土壤的生产功能、自净功能、调节功能等[3]，间接影响农作物产量和质量。因此，保护生态环境，减少农业面源污染已刻不容缓。

目前，控制农业面源污染的技术主要包括水肥控制法、种植制度优化法、人工湿地及生态带拦截技术、秸秆还田和土壤改良技术等[4-6]。国内外研究发现一种新兴的功能材料—生物质炭(Biocahr)，这种材料可被用作土壤改良剂来改善土壤的通透性和持留氮磷养分，以保持土壤氮磷含量、提高养分利用率和减少土壤中氮磷养分的淋溶损失。生物质炭具有非常丰富的孔隙结构、巨大的比表面积和大量的表面含氧基团，使得其具有强大的吸附能力和离子交换能力，在增加土壤碳库储量、改善土壤质量、提高作物产量等方面发挥重要作用[7-8]。

截止目前，生物炭的生态环境效应正受到越来越多的关注。有研究表明随生物炭添加量的增加，TN的淋失总量逐渐下降[9]。也有研究发现生物炭与暗棕壤混合，随着生物炭添加量的增加，暗棕壤对氮、磷的吸附速率常数增大，对氮、磷的饱和吸附量增加，从而增强了暗棕壤对氮、磷的固定能力[10]。另一方面，生物质炭可与土壤中微生物相互作用从而影响土壤中养分的迁移转化，还可直接吸附土壤中养分和水分，延缓养分的淋出[9,12]。但由于受生物质炭的制备原料、实验土壤、施用量和实验方法等因素差异的影响，研究结果不尽相同。有研究者发现生物质炭的不合理利用还可能带来环境风险，加上生物炭施用的不可逆性，所以，在土壤中大量、长期的施用生物炭前还需进行进一步的探究，确保生物炭的环境效应[13]。

另外，生物质炭制备成本低，制备材料来源广泛，植物秸秆、废弃木材及生活垃圾中的有机废物都可以用来生产生物炭。我国农作物质秸秆资源丰富，秸秆年产量高达8亿多t[9]，农作物秸秆不仅具备热值高的特性，还含有多种可被利用的有用成分，是一种宝贵的可再生资源。因此，对秸秆进行有效的处理及利用，对解决人类资源、环境和发展之间的关系问题具有重大的意义。综合农业污染面源的现状以及生物质炭的环境效应，因此，本研究以玉米秸秆为原料，在450℃下制备生物质炭，并将其添加到土壤中，在实验室开展生物质炭对土壤氮、磷淋溶的影响研究，为玉米秸秆炭在农业面源污染控制中的应用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 试验土壤 采自四川省成都市桤泉镇，自然风干，研磨过2mm(10目)筛备用，土壤基本性质见表1。

表1 土壤基本理化性质

1.1.2 试验生物质炭 采自四川省成都市桤泉镇的玉米秸秆，洗净，自然风干，用粉碎机将秸秆粉碎，在105 ℃条件下，将玉米秸秆粉末烘干至恒重，称取一定重量的秸秆粉末装入坩埚中，加盖密封，置于马弗炉中于 450 ℃下碳化2h，使秸秆受热均匀、碳化充分。碳化结束，冷却至室温后取出，碾碎，过筛，储存于塑料密封袋中备用。

1.2 实验方法

1.2.1 土柱淋溶实验 土柱分为5个处理：650g风干土未添加生物炭，标记为CK；4个各650g风干土中生物炭添加量分别为1%、2%、3%和5%(质量分数)的处理，分别记为C1、C2、C3和C5；每个处理设2个重复。

土柱实验装置如图1所示。模拟试验采用PVC 圆柱管作为淋滤土柱，高30cm，内径6cm，先在柱底垫一层滤网(防止土壤冲出堵塞出口)，然后装填用1mol/L的HCl和蒸馏水反复洗净并干燥后的石英砂于淋溶柱底部(厚约2cm)。然后加一层定性滤纸，防止颗粒渗漏，之后均匀的装入上述添加有秸秆炭的混合土样，土壤容重约为1.15g/cm3，加盖滤网，继而装填石英砂(厚约1cm)。

每个土柱中加入216mg的氯化铵和75mg磷酸二氢钾，所施用的氮、磷量分别为200kg/hm2和60kg/hm2，加入去离子水至土柱饱和，下端无液体淋出。平衡3d后，用输液装置模拟室内降水，每隔24h淋溶一次，每次降水150mL，共进行6次淋溶，每次降雨强度为10mm/h且均在温室下进行，所淋洗的水总量约为成都市7月降水量，用广口瓶接收装置下端出口的淋出液，测定淋溶液的体积、pH、TN以及TP值。

1.2.2 样品测定 ①土壤：基本理化性质参照《土壤农化分析》测定[14]。②生物炭：pH值，以炭与去离子水以1∶20的质量比例浸提后采用酸度仪(PHSJ-3F型)测定；红外光谱分析：取适量固体干燥粉末样品以重量比1∶100的比例与无水KBr一起在玛瑙碾钵中混合均匀，压片后在红外光谱仪上测定，以不放样品时的KBr薄片作为背景。③淋溶液：pH值采用酸度计测定；TN的测定是将采集的淋滤液样品经0.45μm微孔滤膜过滤后采用元素分析法(Shimadzu TOC-VCPH元素仪)测定；TP的测定是在120～124℃的条件下用过硫酸钾作氧化剂消解水样将其他形态的磷酸盐转化为正磷酸盐后，用钼锑抗分光光度法(V5000型可见分光光度计)进行测定。TN和TP淋溶量分别为淋溶液中 TN和TP浓度与淋溶体积的乘积(mg)，而TN和TP累积淋溶量则分别为TN和TP淋溶量的累积加和。

图1 土柱模型

1.3 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 20.0分析处理软件进行数据处理。

2 结果

2.1 生物炭基本理化性质

图2为玉米秸秆炭红外光谱图，图中可以看出生物炭的主要官能团，波数3436.09cm-1处出现酚羟基或醇羟基的伸缩振动宽峰，波数1626.21cm-1处出现C=O或者芳香骨架的伸缩振动，波数1384.57cm-1处出现O—H和C—H弯曲振动，波数1049.11cm-1处出现C—O的伸缩振动吸收峰,波数472.69cm-1处出现C—C的伸缩振动吸收峰。红外光谱表明，在炭化后的玉米秸秆炭具芳香结构，在生物或非生物作用下可形成羧基官能团，对生物质炭自身的阳离子交换量影响较大，施入土壤后在形成有机-无机复合体和提高阳离子吸附量等方面有着重要作用，可提高土壤的阴离子交换量[19]。生物炭pH值为10.45，灰分25.77%。

图2 生物炭的红外光谱

2.2 不同生物炭添加量处理的土壤淋溶液指标

从表2可以看出，淋溶结束时，CK、C1、C2、C3和C5处理的土柱累积淋溶量分别为861.5、844.5、851.5、844.5、830.0mL，C2处理组的淋溶液体积与CK相比差异不显著(P>0.05)，其余处理的土柱淋溶液体积则比对照显著减少(P<0.05)；与CK相比，C1、C2、C3、C5处理TN的累积淋失量分别增加了41.79、47.02、51.80、62.77mg(P<0.05)；与CK相比，C1、C2、C3、C5处理TP的累积淋失量分别增加了0.16、0.69、1.27、3.22mg，即淋出液TP的累积淋失量CK0.05)，其余处理的土柱淋溶液TP的累积淋失量则比对照显著增加(P<0.05)。

表2 不同生物炭添加量处理的土壤淋溶液指标

注：不同字母表示在P<0.05水平上存在显著性差异。

2.3 生物炭对土壤淋溶液体积及pH值的影响

如图3所示，结果表明，整个淋溶过程中各处理收集的淋溶液体积略有不同，添加适量生物炭后，土壤水分的淋失有降低的趋势，这可能是由于生物炭疏松多孔，比表面积大，可以吸附较多的水分，提高了土壤的持水性能。随着淋洗时间的增加，各处理pH在前4次淋洗过程中均显著增加，后逐渐趋于稳定。整个观测期内，6次淋洗液pH值的均值大小基本为：CK

图3 不同处理土壤淋溶液的累积体积与pH值

2.4 生物炭对土壤淋溶液中TN浓度和累积淋失量的影响

如图4所示，总体上，随着淋洗次数增加，各处理的TN浓度逐渐下降，并在第1次淋溶时，不同处理的淋溶液中TN浓度达到峰值，在第2次淋溶时各处理的TN浓度下降最明显。在各个淋溶阶段，C1、C2、C3、C5处理的淋出液中TN浓度均高于CK，淋出液的TN的累积淋失量随着玉米秸秆炭用量的增加而增加(P<0.05)。总体上看，随着玉米秸秆炭施用量的增加，土壤淋出液的TN浓度和累积淋失量增加。

图4 不同处理土壤淋溶液的TN浓度和累积淋失量的变化

2.5 生物炭对土壤淋溶液中TP浓度和累积淋失量的影响

如图5所示，不同处理下淋出液的TP浓度随着淋洗次数的增加而呈上升趋势，在第3次淋洗过程中各处理的TP浓度上升幅度最大。在6次淋溶中，C1、C2、C3、C5处理淋出液的TP浓度均高于CK，淋出液的TP浓度随着玉米秸秆炭用量的增加而增大。与CK相比，C5处理的TP浓度增加最显著，C1、C2、C3处理淋洗液中TP浓度随淋洗次数的变化规律基本一致。总体上看，随着玉米秸秆炭施用量的增加，土壤淋出液的TP浓度和累积淋失量增加。

图5 不同处理土壤淋溶液的TP浓度和累积淋失量的变化

3 讨论

3.1 生物炭对土壤淋溶液体积与pH值的影响

添加适量生物炭后，土壤水分的淋失有降低的趋势，说明生物炭能提高土壤持水能力，减少降雨时由于淋溶作用产生水分的淋失，降低地下水的潜在污染风险。生物炭疏松多孔，比表面积大，吸附较多的水分[15]。同时，生物炭施入土壤后，经过微生物对其表面的促进氧化，含氧官能团增加，阳离子交换量(CEC)增大，疏水性降低，从而增加了土壤的持水能力。另外，随着生物炭添加量的增加，淋溶液pH值逐渐升高，以5%生物炭添加量的土柱最大。这主要是由于生物炭本身含有大量的灰分元素如Na、K、Ca、Mg等，这些元素以氧化物或碳酸盐形式存在，溶水后呈碱性，施入土壤可提高土壤盐基饱和度，从而提高了土壤的pH值[16-17]。因此，在土壤中施入适量生物炭可以改善土壤的保水性能和提高酸性土壤的酸碱度。

3.2 生物炭对土壤中氮淋溶损失的影响

在实验观测期间，添加生物炭增大了淋溶液中TN浓度，与其他研究结果相似[18]。也有研究表明，添加生物炭减少了土壤氮素的淋失，添加量越大氮素累积淋失量越小[12,19]，与本研究结果不一致。受到土壤质地的影响，加入生物炭对不同质地土壤中可溶态养分的影响不同，添加生物炭促进质地较粗土壤的保肥能力，却不利于质地较为粘细土壤硝态氮养分的保持[20]。本次实验采用的土壤样品粘性较强，可能是造成氮素淋失增大的原因之一。另外，生物炭的施用量也会影响生物炭对土壤中氮的固持作用。周志红等研究表明，50t·ha-1和100t·ha-1的生物炭施用量显著降低了黑钙和紫色土中氮的淋失，而当施用量为10t·ha-1时促进了氮的淋失[21]。惠锦卓等按照1%、2%、5%、10%的比例在淤灌土中添加生物炭进行土柱淋溶实验，结果表明10%的处理显著减少铵态氮的淋溶损失量，其它处理则显著增加了铵态氮的淋溶损失量[22]。可见适量的生物炭施用量才能有效减少土壤氮素的淋失。本研究中生物炭施入土壤后使土壤中有机氮含量升高，在未种植植物的条件下，有机氮除少部分可能会被土壤微生物矿化，大部分进入土壤孔隙水中全部淋失，对淋滤液中总氮淋失量贡献较大。

3.3 生物炭对土壤中磷淋溶损失的影响

在本试验中，生物炭促进磷淋失的作用强于对磷的固持作用，导致该现象的原因可能有：一是生物炭改善了土壤的物理结构，淋滤方式由原来的径流变为渗透[26]。二是生物炭自身磷含量较高，施入土壤后直接增加了土壤中的磷含量[27]。对于同类型的生物质材料，制得生物炭的总磷及可提取态磷的含量通常随着炭化温度的升高而降低[28]。三是因为生物炭的施用使土壤的pH值显著升高，进而提高了土壤中磷素的有效性及磷活化系数，促进磷素的淋失[29-30]。

4 结论

(1)添加玉米生物炭后，与对照相比，向土壤添加1%、2%、3%和5%生物炭，TP淋溶量分别增加0.16、0.69、1.27、3.22mg，TN淋溶量分别增加了41.79、47.02、51.80、62.77mg。

(2)在土壤中施用生物炭，可能会增加环境风险。研究结果仅是室内土柱模拟试验得出，不能完全代表大田实际情况，加上生物炭种类、土壤类型或生物炭添加比例等因素可能会对试验结果产生影响，所以生物炭的应用效益还需进一步研究。