水稻秸秆生物质炭输入对桃园土壤氮素淋失的抑制作用

褚长彬,赵 峥,周德平,姜震方,吴淑杭

(上海市农业科学院生态环境保护研究所,上海201403)

中国是世界上最主要的桃果生产国。 据统计,2016 年我国桃栽培面积达82 万hm2,约占世界总栽培面积的48.7%,桃果产量达1 400 万t,约占世界总产量的61.54%[1]。 在上海地区,水蜜桃是主栽水果种类之一,2016 年种植面积6 440 hm2,产量约9.6 万t,总产值8 亿元人民币左右[2]。 然而,长期以来的传统观念和过分依赖化肥提高产量的做法,不仅造成养分利用率低、肥料浪费,更导致严重的环境问题。 相关研究发现,果园土壤氮素盈余及负荷与氮素投入量之间呈极显著正相关关系,而肥料的过量施用是氮素盈余量及负荷增加的主要原因[3],果园过量施肥势必增加各种途径向地表水体排放的潜在风险,其中氮素淋溶损失是氮素损失的重要途径。 在此过程中,氮素尤其是NO3--N 易溶于土壤空隙水,并随之下渗到作物根系活动层之下或被携带至环境水体之中,从而引发环境水体富营养化问题和大气N2O、NO、NH3的污染[4、5],因此寻求减少土壤氮素淋失的科学方法,对提高氮素土壤积累和保持具有重要的现实意义。

生物质炭(Biochar)是指生物质原料在无氧或低氧条件下,经高温裂解而形成的炭,生物质炭呈多孔结构,具有较高的比表面积阳离子交换量和吸附能力,能够有效降低土壤中矿质元素的损失[6]。 已有研究表明,生物质炭影响土壤NO3--N、NH4+-N 和总氮的淋失[7];在淋溶土及变性土中添加畜禽粪便和桉木生物质炭,能显著减少土壤中气态氮排放以及无机氮的淋溶损失[8];周志红等[9]研究表明,较低的生物质炭施用量会促进氮淋失,过高的生物质炭施用量反而会抑制果树的生长;李玮晶等[10]研究表明,生物质炭添加能够增强土壤对铵态氮的吸附能力和对土壤硝态氮的有效固定;但不同生物质炭由于生物质来源、工艺和热解温度等差异,使其具有不同的理化特性,对不同土壤中氮素的行为影响不一[11-13]。 基于此原因,本试验结合上海市浦东新区气候因素和当地桃农习惯的施肥方式,设置模拟土柱淋溶装置和不同的水稻秸秆生物质炭添加水平,测定模拟降雨条件下桃园土壤NH4+-N 和NO3--N 的淋失量,研究生物质炭的输入对上海地区水蜜桃园土壤氮素流失的影响,为秸秆的资源化利用及抑制桃园养分淋失提供新的途径和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试生物质炭

试验所用生物质炭的原料为水稻秸秆,利用专利无动力炭化炉(ECO-5000 型,湖州宜可欧环保科技有限公司)进行秸秆炭化,制炭温度为550 ℃左右,pH 为10.43,NO3--N 含量为3.6 mg∕kg,NH4+-N 含量为7.5 mg∕kg,磨细过筛(2 mm)备用。

1.1.2 供试土壤

试验所用土壤采自上海市浦东新区新场镇某水蜜桃园,该区域年均降水量为1 420—1 790 mm,土壤类型为黄泥土,pH 8.07,容重为1.26 g∕cm3,有机质含量为19.5 g∕kg,NO3--N 含量为68.5 mg∕kg,NH4+-N含量为15.7 mg∕kg。 采土深度为表层(0—20 cm),土样自然风干,挑拣粗石块和杂质后,过筛(5 mm)保存备用。

1.1.3 淋溶试验装置

以自制的玻璃圆柱管为土壤淋溶装置,装置土柱的底面积为50 cm2,高度为45 cm,下端有出水阀门。 在底部管口处铺上3 cm 厚的棉花,上铺4 cm 厚的细沙,用于滤水。将风干土壤按照1.2 g∕cm3的桃园土壤容重装入管中,形成淋溶试验模拟土柱(1 000 g 干土量)。 安装模拟土柱时需将玻璃壁边缘的土壤压实,并在管壁涂抹凡士林,尽量减少土柱产生边缘效应。 淋溶装置如图1 所示。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

土柱淋溶试验共设5 个处理:T0,不添加水稻秸秆生物质炭(CK);T1,添加水稻秸秆生物质炭量为土壤干重的1%(质量比,下同);T2,添加水稻秸秆生物质炭量为土壤干重的2%;T3,添加水稻秸秆生物质炭量为土壤干重的4%;T4,添加水稻秸秆生物质炭量为土壤干重的8%。 每处理设3 个重复。 玻璃土柱分2 层装入(从下到上填装),下层为土壤与生物质炭充分混匀后慢慢压实装入,上层(0—5 cm)为土壤与生物质炭混匀并添加0.289 g 的化学纯尿素,其施用量相当于300 kg∕hm2,与上海浦东新区水蜜桃园的田间氮肥施用水平大致相当。

1.2.2 淋溶试验

准备好淋溶装置后,前6 d 每日喷淋去离子水,容积相当于10 mm 降水量,让尿素在土壤中进行硝化作用和氨化作用。 有淋溶液滤出后,加大降水量(50 mm),收集淋溶液。 之后每隔3 d 降水一次,降水量为20 mm,24 d 后每周降水20 mm,历时38 d,保存每轮收集到的淋溶液至4 ℃冰箱待测,对每一轮的淋洗溶液进行淋溶液体积、pH、EC 等指标的测定和NH4+-N、NO3--N 浓度及累积量测定。 淋溶液中NH4+-N(或NO3--N)淋失量的计算方法为:淋溶液中NH4+-N(或NO3--N)浓度×淋溶液体积,NH4+-N(或NO3--N)累计淋失量为单次NH4+-N(或NO3--N)淋失量的总和。

1.2.3 测定方法

土壤淋溶液NH4+-N 含量采用“GB∕T 7479—1987 纳氏试剂比色法”进行测定[14]。 NO3--N 含量按照“GB∕T 8538—1995 紫外分光光度法”进行测定[14]。 pH 及电导率采用土壤电位法进行测定[15]。

1.2.4 数据处理

采用Excel 2003 进行试验数据分析和图表制作,不同处理间差异采取SPSS 17.0 软件进行单因素方差分析,采用Duncan 法进行数据多重比较,在P＜0.05 水平下的差异具有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 水稻秸秆生物质炭对桃园土壤淋溶液体积的影响

从图2 可以看出,随着淋溶试验的进行,各处理淋溶液体积均呈现先升高再降低,再升高再降低的趋势。 在每次淋溶时间内,各处理的淋溶液体积也呈现规律性的变化,表现为T4(8%) ＜T3(4%) ＜T2(2%) ＜T1(1%) ＜T0(CK)。 5 个处理的淋溶液体积均在21 d 时达到峰值,T0—T4 处理的淋溶液体积分别为263.8 mL、248.4 mL、217.2 mL、193.2 mL 和184.5 mL。

对各处理土柱的淋溶液累计总体积进行统计,T0—T4 处理淋溶液的总体积分别为1 064 mL、1 030 mL、976 mL、903 mL 和761 mL。 其中T1 处理与对照无显著差异,其他3 个处理的淋溶液总体积均显著低于对照; T4 处理的淋溶液总体积与其他处理相比显著减少,与对照相比减少了23.7%。 分析结果表明,生物质炭的添加量增加,淋溶液总体积逐渐减少,生物质炭添加比例与淋溶液总体积满足线性方程y= -38.08x+1 062,R2=0.989(图3)。 可见,添加水稻秸秆生物质炭能降低桃园土壤水分的淋失,提高土壤的保水能力,并且生物质炭添加量越高的处理保水效果越好。

2.2 水稻秸秆生物质炭对桃园土壤淋溶液pH 和电导率的影响

如图4 所示,随着淋滤次数的增加,T0、T1 和T2 处理的土壤淋溶液pH 呈现先上升后下降趋势,T3 和T4 处理的淋溶液pH 呈现先上升后持平的趋势。 整体来看,淋溶液pH 随着生物质炭添加比例的增加而增高,较高的生物质炭添加比例更有利于保持土壤的pH 水平,其中T4 处理pH 最高,峰值时达到了8.02。 在电导率方面,各处理淋溶液的电导率均呈先上升后下降趋势,在试验初期,淋溶液电导率随着添加生物质炭添加比例而增高,在试验后期(18 d 以后),T0、T1 和T2 处理的淋溶液电导率降低速度减缓,变化不大,T3 和T4 处理降幅较大,但仍略高于对照,均未达到显著水平。 试验结果表明,水稻秸秆生物质炭可以不同程度地提高桃园淋溶液的pH 和电导率,高生物质炭添加量的处理对pH 的提高和稳定有更好的效果;各处理对电导率的影响主要在试验初期,后期影响不大。

2.3 水稻秸秆生物质炭对桃园土壤淋溶液NH +4 -N 浓度和NH +4 -N 淋失量的影响

如图5 所示,各处理土壤淋溶液中的NH4+-N 浓度呈现先上升后下降的趋势,在第15 天时,各处理NH4+-N 浓度达到峰值,T0—T4 处理的淋溶液NH4+-N 质量浓度分别达到了1.93 mg∕L、2.49 mg∕L、1.52 mg∕L、3.32 mg∕L 和4.61 mg∕L。 随着淋滤时间的进行,各处理淋溶液的NH4+-N 浓度逐渐下降,24 d后高生物质炭添加的处理NH4+-N 浓度也较高,31 d 后,各处理淋溶液中的NH4+-N 浓度趋于一致,质量浓度均低于0.2 mg∕L。 整个模拟降雨过程中,淋溶液中的NH4+-N 浓度都保持在较低水平。 可见,不同的水稻秸秆生物质炭添加比例对桃园淋溶液NH4+-N 浓度的影响是不同的,在试验中前期,添加适宜量水稻秸秆生物质炭可降低淋溶液NH4+-N 的浓度,高比例的添加量会增加淋溶液NH4+-N 的浓度;但在试验后期,各处理对淋溶液NH4+-N 浓度的影响并不明显。

各处理模拟土柱的NH4+-N 单次淋失量如图6 所示,不同处理的NH4+-N 淋失量在第9 天收集的土壤淋溶液中呈现较高水平,T0—T4 处理的土壤淋溶液NH4+-N 淋失量分别为1.05 mg、1.12 mg、0.95 mg、1.7 mg 和1.8 mg,之后逐渐降低,中期(第18 天)高生物质炭添加量(T3 和T4)的处理NH4+-N 淋失量有小幅度升高,31 d 后各处理NH4+-N 淋失量均维持在较低水平。

如图7 所示,各处理的土壤淋溶液NH4+-N 累计淋失量从小到大依次为T2 ＜T0 ＜T1 ＜T4 ＜T3,分别为2.15 mg、2.44 mg、2.75 mg、4.32 mg 和4.79 mg;其中T2 处理淋溶液的NH4+-N 总淋失量最低,比对照降低了11.9%;其他3 个处理的淋溶液累计NH4+-N 淋失量均高于对照,T4、T3 和T2 处理与对照相比有显著差异,其中T3 处理的NH4+-N 总淋失量比对照高96.3%。 结合之前对淋溶液NH4+-N 浓度的分析,T4处理的NH4+-N 浓度最高,但总淋失量却不是最高,因为高比例生物质炭处理的淋溶液体积更少,实际折算出的淋溶量反而不是最高。 T1 处理的NH4+-N 浓度略高于对照,但是因为淋溶体积较少,所以实际的NH4+-N 累计淋失量略低于对照。 T2 处理的NH4+-N 累计淋失量最低,对桃园土壤的NH4+-N 淋失的抑制效果最好。 整体来看,各处理NH4+-N 淋失量是比较低的,其原因可能是试验过程中尿素中的氮素大部分以NO3--N 形式淋失掉了。

2.4 水稻秸秆生物质炭对桃园土壤淋溶液NO -3 -N 浓度和累计淋失量的影响

如图8 所示,各处理土壤淋溶液中的NO3--N 浓度呈现先上升后下降的趋势,在第12 天达到峰值,除T4 处理外,淋溶液中NO3--N 浓度随生物质炭的添加量增加而降低。 T0—T4 处理淋溶液中的NO3--N 峰值质量浓度分别为706.2 mg∕L、576.6 mg∕L、394.5 mg∕L、323.9 mg∕L、867.9 mg∕L。 随着淋滤时间增加,各处理淋溶液中的NO3--N 浓度迅速下降,其中T4 处理下降最快,最后趋于平稳。 整个淋滤过程中,T1、T2、T3 处理淋溶液中的NO3--N 浓度在试验前期均低于对照,24 d 后,除T4 处理外,其他处理淋溶液NO3--N 质量浓度基本一致且均低于30 mg∕L;T4 处理最后一次淋溶液的NO3--N 质量浓度为92.6 mg∕L,比对照高268.5%。 可见,添加水稻秸秆生物质炭对土壤NO3--N 的固持作用主要在淋溶初期,适宜的生物质炭添加量有利于降低淋溶液NO3--N 浓度,高添加量的处理反而会提高淋溶液NO3--N 浓度,在淋滤后期也维持在相对较高水平。

全过程中模拟土柱的NO3--N 单次淋失量如图9 所示,随着淋溶时间的延长,各处理的NO3--N 淋失量均在第12 天的淋溶液中达到最高水平,T0—T4 处理的NO3--N 淋失量分别为156.8 mg、 132.4 mg、 108.2 mg、121.4 mg 和174.5 mg,其中T2 处理的NO3--N 淋失量最低,T4 处理最高,之后逐渐降低,24 d 后各处理NO3--N淋失量均在较低水平。 各处理NO3--N 的淋失主要出现在前4 次,T0—T4 处理前15 d 的NO3--N 淋失量分别占累计淋失量的82.52%、85.68%、79.50%、81.94%和87.57%;并且第一次淋溶液中各处理NO3--N淋失量均低于对照,说明添加水稻秸秆生物质炭可以增加NO3--N 在桃园土壤中的滞留时间,从而减缓NO3--N的淋失速度。

如图10 所示,不同处理的NO3--N 累计淋失量从小到大依次为T2 ＜T3 ＜T1 ＜T0 ＜T4,分别为161.5 mg、177.2 mg、182.2 mg、213.5 mg 和235.8 mg。 其中T2 处理的NO3--N 累计淋失量最低,比对照降低了24.6%,T3 和T1 处理比对照降低了16.9%和14.7%,且均有显著差异;T4 处理的NO3--N 累计淋失量则高于对照,比对照高出了10.4%。 可见,加入适量比例的水稻秸秆生物质炭,可减少桃园土壤NO3--N 的淋失量,其中T2 处理效果最好,可以显著抑制土壤NO3--N 的淋失。 高添加量的T4 处理的NO3--N 累计淋失量高于对照,会加速桃园土壤NO3--N 的淋失,不利于土壤氮素的保持。

3 结论与讨论

本试验探讨了添加不同比例水稻秸秆生物质炭对桃园土壤淋溶体积、电导率、pH 和土壤氮素(NH4+-N和NO3--N)淋失的影响,结果表明:向土壤中施入生物质炭能够减少淋溶液的体积,淋溶液体积随生物质炭用量的增加而减少,且生物质炭添加量与淋溶液总体积满足线性方程。 其原因是由于生物质炭呈多孔结构,比表面积大,物理结构更适宜吸附水分子[16],且生物质炭相对土壤密度较小,可降低土壤容重和密度,更有利于吸水和保水。 也有研究[17]认为,土壤表面积、密度、孔隙分布以及土壤团聚体等都会受到生物质炭的影响,并且这些因素可能改变土壤溶液的渗滤模式、滞留时间和流动路径。 因此,添加水稻秸秆生物质炭能降低桃园土壤水分的淋失量,提高土壤的保水能力,添加量越高的处理的保水效果越好。

本试验表明,水稻秸秆生物质炭可以不同程度地提高桃园土壤淋溶液的pH 和电导率。 由于水稻生物质炭本身呈碱性,且含有大量K、Na、Ca、Mg 等盐基离子[18],输入土壤后会有一定程度的释放,从而提高土壤pH,在淋溶条件下,离子随水下渗于淋溶液,故生物质炭添加的处理淋溶液的电导率也升高。 但由于土壤本身有较强的缓冲能力,特别是中性或者偏碱性的土壤,所以在淋溶的后期,生物质炭低添加量的处理淋溶液pH 与对照逐渐持平,影响较小。 各处理对淋溶液电导率的影响也主要在试验初期,后期影响不大。 高生物质炭添加量的处理对pH 和电导率的提高和稳定有更好的效果。 我国农业生产上,氮肥过量施入导致土壤酸化是目前面临的重要问题[19],在桃园土壤中施入生物质炭有助于减缓施肥造成的土壤pH 降低,并减少因频繁降雨导致土壤养分下渗流失,提高氮肥的利用率。

本试验中,水稻秸秆生物质炭添加量2%的处理NH4+-N 累计淋失量最低,对桃园土壤NH4+-N 淋失的抑制效果最好,过高的生物质炭添加量反而增加土壤淋溶液NH4+-N 浓度以及淋失量,这与Lehman等[20]、刘世杰等[21]研究结果有一定差异。 这可能与本试验采用的水稻秸秆生物质炭中含有更多的正电荷有关,在低生物质炭添加量条件下,体现为对NH4+有较强的吸附力,而在高生物质炭添加量下,过多的阳离子阻碍吸附土壤中NH4+离子,致使淋溶液中NH4+-N 浓度降低。 整个试验周期内,各处理NH4+-N 淋失量是比较低的,其原因是施入的尿素在土壤生物酶作用下转化成NH4+-N,NH4+-N 较易被硝化为NO3--N[22],在试验过程氮素大部分以NO3--N 形式淋失掉。

本试验中,NO3--N 浓度呈现先上升后下降的趋势,适宜的生物质炭添加量有利于降低土壤淋溶液NO3--N 浓度,高添加量的处理反而会提高土壤淋溶液NO3--N 的浓度,并在淋滤后期也维持在较高水平。其原因可能是稻杆生物质炭改善了桃园土壤的物理结构,提高了土壤的通氧量,增强了硝化作用反应速率。 随着淋滤时间的增加,土壤湿度增加导致功能微生物活动减弱,硝化作用降低,这就有利于土壤进入还原态,厌氧型细菌增加,反而抑制了土壤硝化作用,导致后期各处理NO3--N 浓度出现下降[23]。 NO3--N淋失量方面,添加生物质炭的处理首次淋溶液NO3--N 淋失量均低于对照,说明添加生物质炭可以增加NO3--N 在桃园土壤中的滞留时间,从而减缓NO3--N 的淋失速度。 原因可能是生物质炭改变了土壤密度和孔隙度,同时淋溶液体积随着生物质炭施用量增加而降低,相当于氮素在土壤中持续而缓慢地释放,有利于延长氮肥肥效。 添加2%的水稻秸秆生物质炭处理可显著减少桃园土壤NO3--N 的淋失量,而高添加量的处理会加速桃园土壤NO3--N 的淋失,不利于土壤氮素的保持。 其原因可能是高比例生物质炭能够进一步增大土壤的孔隙度,导致有机氮更容易矿化为无机氮,进而促进土壤中无机氮淋溶的增加[24],导致土壤NO3--N 淋失量增大。

目前,关于生物质炭对土壤氮素淋失影响的报道主要集中在室内模拟土柱研究,且受到土壤类型、生物质炭制备材料、生物质炭添加量等诸多因素的影响。 本试验所得结论仅是由桃园土壤添加水稻秸秆生物质炭,通过室内土柱模拟试验的条件下得来的,试验周期较短,具有局限性。 桃园土壤中施用水稻秸秆生物质炭能否减少土壤氮素淋失,仍需在田间条件下进一步研究。