生物炭对茶园酸性红壤氮素养分淋溶的影响

刘岑薇, 叶菁, 李艳春, 林怡, 王义祥

(福建省农业科学院农业生态研究所, 福建省红壤山地农业生态过程重点实验室, 福州 350003)

福建是我国茶叶生产的主要省份，全省共有茶园面积17.22万hm2，茶叶产量24.5万t，占全国茶叶总产量的19.2%[1]。施肥是农业增产的重要措施，近年来由于对茶叶产量效益的盲目追求，氮肥的施用量呈逐年上升的趋势[2]，导致茶园土壤氮素累积，使茶园土壤pH普遍下降，超过一半以上的茶园土壤pH低于4.5[3]。氮素是茶叶生长必须的大量元素之一，过量施用氮肥，不仅导致肥料利用率下降，而且未能被作物吸收，是造成环境污染的重要来源。淋溶作用是土壤氮肥损失的主要途径[4-5]，氮肥中的氮素基本以铵态氮的形式存在，但铵态氮可转化为硝态氮，不易被土壤所吸附，从而引起地下水污染[6-7]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.2 试验设计

设不施氮肥与生物炭为对照CK(C0N0)、单施常规量氮肥(C0N1)与两倍氮肥(C0N2)、施常规量氮肥基础上增施质量比为2%生物炭(C1N1)及常规量氮肥增施5%生物炭(C2N1)5个处理，每个处理设3次重复。常规量氮肥及两倍氮肥施用量为0.15和0.3 gkg-1。

1.3 淋溶试验

模拟试验于2017年4月在室内进行，采用PVC圆柱管作为淋滤土柱，其圆柱内径为7.5 cm，高度为40 cm。下端铺3 cm厚石英砂(粒径3 mm，起过滤作用)，在底部管口处垫上尼龙网(孔径0.5 mm)，将圆柱管底部封紧。每个土柱土壤质量为2 kg。将生物炭与土壤充分混匀，0～5 cm土层添加肥料，充分混合，上层覆盖一层1 cm厚的石英砂，防止加样时破坏土层。根据试验设计将土柱装填后，从土柱下端出水口向上充水，直至液面到达土层以上，使土柱中土壤达到饱和，平衡24 h。结合实际茶园灌溉量和样品测试需要，用蠕动泵控制流速，从上至下往每个土柱中泵入150 mL (相当于20 mm降水量)0.01 molL-1的CaCl2，以便提取土壤矿质氮，待到有淋溶液淋出时，为第一次淋洗。之后每隔4 d添加淋洗液150 mL，共淋洗10次，淋溶强度控制在10 mmh-1。

1.4 测试方法

1.5 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2013和SPSS 17. 0软件进行统计分析，显著性分析采用单因素方差分析法(One-way ANOVA)。

2 结果与分析

2.1 施用生物炭对土壤pH的影响

不同处理的土壤pH结果(表1)可知，与C0N0相比，单施氮肥的2个处理(C0N1、C0N2)对土壤pH无显著影响。与C0N1相比，增施生物炭的2个处理(C1N1、C2N1)pH增加了0.7～1.0个单位。说明生物炭添加可以显著降低茶园红壤的土壤酸度。

表1 不同处理的土壤pHTable 1 Soil pH of different treatments

2.2 施用生物炭对土壤淋溶液体积的影响

不同处理的土壤淋溶液体积结果(图1)可知，整个试验周期中各处理收集的淋溶液体积变化趋势基本一致。在开始阶段，除C2N1外，其余各处理土柱收集的淋溶液体积无显著差异，淋溶液体积由小到大的顺序为C2N10.05)影响。添加生物炭使土壤水分的淋失量降低，增大田间持水量，生物炭添加比例高的土柱持水效果好，这是由于生物炭拥有较大的孔隙度和比表面积，生物炭加入土壤后增加了土壤的大孔隙，因此增加土壤通气性和土壤持水量。

2.3 施用生物炭对土壤淋溶液中TN的影响

不同处理的土壤淋溶液中TN含量结果(图2)可知，增施氮肥有利于提高土壤溶液中总氮含量。与对照C0N0相比，增施氮肥处理土柱C0N1与C0N2显著增加淋溶液中TN的淋失，其中，C0N2处理土柱淋溶液中TN含量增加幅度最大。添加生物炭处理C1N1、C2N1土柱与C0N1相比，土壤淋溶液中TN的含量显著下降，且添加5%生物炭处理后的下降效果优于添加2%生物炭处理。

2.4 施用生物炭对土壤淋溶液中的影响

2.5 施用生物炭对土壤淋溶液中的影响

2.6 施用生物炭对土壤淋溶液中和累积淋失量的影响

表2 不同处理土柱淋溶液中和的累积淋失量Table 2 Accumulated amount of content of different treatments

3 讨论

茶园土壤酸化是极为复杂的过程，受茶树生长和无机氮肥的大量使用影响，茶园土壤pH呈下降趋势，添加生物炭可改善茶园土壤理化性质，提高土壤pH。生物炭在控制农业土壤中氮淋溶损失方面具有良好的应用前景，但有必要根据生物炭的性质、施用量、土壤类型和肥力状况来确定合理的施加方法。随着氮肥用量的增加，土柱淋溶液中硝态氮、铵态氮的淋失量均呈现增加的趋势。在常规施肥条件下，土壤中施入生物炭显著降低土壤中全氮、硝态氮及铵态氮的淋失量，且施用量5%的生物炭处理的降低效果优于2%的生物炭施用量。总体来看，生物炭的增加，不仅能够提高土壤持水性能，增强土壤对养分的吸附能力，也可以提高对氮素的固定作用，减轻过量施肥对环境的不良影响。就不同氮素形态而言，添加生物炭处理土柱中的淋溶液先检测到硝态氮的淋失，说明生物炭对铵态氮的固持能力均优于硝态氮。本研究结果仅仅是室内土柱的模拟试验结果，不能完全代表大田种植的实际情况，加上不同种类生物炭的应用效果可能会对试验结果产生影响，这些都需要进一步研究。