化肥配施生物炭對稻田田面水氮磷流失風險影響

馮　軻，田曉燕，王莉霞，歐　洋，閻百興，符　雨（.吉林建筑大學市政與環(huán)境工程學院松遼流域水環(huán)境教育部重點實驗室，長春08；.中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所濕地生態(tài)與環(huán)境重點實驗室，長春00；.遼寧省阜新市環(huán)境保護局，遼寧阜新000）

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化肥配施生物炭對稻田田面水氮磷流失風險影響

馮軻1，2，田曉燕1，王莉霞2*，歐洋2，閻百興2，符雨3
（1.吉林建筑大學市政與環(huán)境工程學院松遼流域水環(huán)境教育部重點實驗室，長春130118；2.中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所濕地生態(tài)與環(huán)境重點實驗室，長春130012；3.遼寧省阜新市環(huán)境保護局，遼寧阜新123000）

摘要：在控制外源氮輸入相同的前提下，通過大田試驗研究生物炭部分替代化肥作為底肥，不同生物炭施用量（5、10、20 t·hm-2）對水稻生長期內稻田田面水氮磷遷移轉化特征的影響。研究結果表明：各處理的田面水總氮、硝氮、銨氮濃度在施肥后第3 d達到最高，然后迅速下降，并逐漸穩(wěn)定；田面水總磷濃度在施肥后2～4 d內增幅較小，而后迅速下降至穩(wěn)定，施加生物炭對田面水總磷的影響不大；可溶性磷濃度在施肥后2～4 d內處于平穩(wěn)下降的狀態(tài)，之后迅速下降至穩(wěn)定。稻田施肥后10 d內是控制氮磷流失的最佳時段。采用生物炭代替部分化肥的施肥方式，在一定范圍內能降低稻田田面水的氮磷濃度，稻田退水氮、磷的輸出負荷分別減少了39%～50%和38%～50%，顯著提高了水稻生態(tài)效益。通過綜合效益評估可知，施加5 t生物炭代替化肥是綜合效益最高的施肥方法，該施肥方式下氮、磷的年輸出負荷分別為16.83、1.89 kg·hm-2。

關鍵詞：面源污染；生物炭；稻田水；氮磷流失；生態(tài)效益

馮軻，田曉燕，王莉霞,等.化肥配施生物炭對稻田田面水氮磷流失風險影響[J].農業(yè)環(huán)境科學學報, 2016, 35（2）：329-335.

水稻是東北地區(qū)的主要糧食作物之一，在目前的水稻管理模式下，氮、磷肥利用率較低，水田氮肥當季利用率僅為20%～35%，磷肥利用率只有5%～15%[1]。大量的氮磷隨農田退水流入江河湖泊，引起水體富營養(yǎng)化，農田氮磷流失引起的水體富營養(yǎng)化問題已引起國內外普遍關注[2-4]。目前，許多國家的研究結果已經證實，面源污染已經成為世界范圍內地表水與地下水污染的主要來源[5-6]。同時，國家糧食增產計劃實施以來，化肥和農藥的超量施用，也使農業(yè)面源污染問題日益突出。

生物炭是生物有機材料在缺氧或低氧環(huán)境中經高溫裂解后的固體產物。生物炭富含有機碳，結構穩(wěn)定，施入土壤可提高土壤穩(wěn)定性碳庫，改善土壤質量，減少養(yǎng)分損失，促進植物生長，提高作物產量[7-9]。由于生物炭具有疏松多孔的結構，對污染物的去除也具有較好的效果[10]。國內外在生物炭治理面源污染研究多集中于對土壤有機污染物[11-12]和重金屬的去除[13-15]，而通過施加生物炭來削減大田面源污染中氮磷流失的研究相對較少。施肥方式是影響田間氮磷流失的重要因素[16-19]，田面水體中氮、磷的濃度直接影響面源污染物的輸出負荷。因此，本研究采用生物炭部分代替化肥的施肥方式，研究水稻生長周期內稻田田面水氮、磷賦存形態(tài)，探明生物炭對水田氮磷遷移轉化過程的影響，從而優(yōu)化田間施肥管理，構建水田面源污染源頭削減的田間施肥技術。

1　材料與方法

1.1試驗區(qū)介紹

研究區(qū)域設在吉林省長春市中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所長春試驗站（125。23'56.30″E，43。59'51.46″N）。屬北溫帶大陸性季風氣候區(qū)，最高溫度39.5℃，最低溫度-39.8℃，年平均氣溫4.8℃，日照時間2688 h。年平均降水量522～615 mm，夏季降水量占全年降水量的60%以上。稻田土為壤質黏土，有機質含量21.4 g·kg-1，總氮含量1.5 g·kg-1，硝氮含量7.3 mg·kg-1，銨氮含量7.9 mg·kg-1，總磷含量1.1 g·kg-1。

1.2試驗設計

以長期耕作的水田為研究對象，根據施用生物炭和化肥用量的不同，設置4個處理，每個處理3次重復，共有12個小區(qū)（4 m×3 m）。根據當地的施肥種類和用量，底肥采用生物炭部分替代化肥的方式，以施入的氮總量相同為依據，設計不同處理（表1）。各處理除底肥施用不同外，均于2014年7月20日追施鉀肥（氯化鉀，用量為150 kg·hm-2），底肥品種為市售磷酸氫二銨和生物炭。

為防止小區(qū)之間水分側滲和串流，各小區(qū)在水稻插秧前用塑料隔板隔開。小區(qū)設立單獨的灌水口和排水口，灌溉水TN濃度為1.19 mg·L-1，TP濃度為0.11 mg·L-1。2014年5月31日施用底肥后灌水泡田，水位控制在田面以上10 cm左右；6月5日排干，排水深約8 cm。打漿并插秧，灌水控制水位在田面以上8～10 cm，6月15日施用除草劑丁草胺，9月3日進行第二次排干，排水水深約5 cm，9月25日收獲。其他田間管理與當地農戶采用的管理相同。

表1　不同處理肥料施用量Table 1 Application amount of fertilizers

1.3樣品采集及測試方法

1.3.1水樣采集

在施肥后的第2、4、6、10、25、40、55、70、85 d采集水樣，整個生育期取水樣共計9次。采樣時間是施肥后每天下午17：00—18：00取表層水樣。采樣的方法是在水面無擾動的條件下，用100 mL醫(yī)用注射器隨機抽取小區(qū)內3處田面水，注入塑料瓶，帶回實驗室，經定量濾紙過濾后測定各形態(tài)氮磷。

1.3.2植物樣采集

在水稻成熟時，每小區(qū)采用5點取樣法按照對角線共采集5個1 m2的樣方，然后分離稻粒和稻稈，在70℃烘箱里殺青20 min，105℃烘干至恒重。測定各小區(qū)穗數、穗粒數及千粒重等指標，并計算水稻理論產量（有效穗數×平均穗粒數×千粒重）。

1.3.3水樣參數分析方法

水樣總氮采用堿性過硫酸鉀氧化-硫酸肼還原比色法測定；總磷、可溶性磷采用鉬銻抗比色法測定；銨氮采用靛酚藍比色法測定；硝氮采用硫酸肼還原法測定。

試驗結果采用Excel 2003軟件對數據進行統計分析，采用Origin 8.0軟件進行制圖處理。

2　結果與討論

2.1稻田氮磷流失最大風險期分析

稻田施肥后田面水中銨氮濃度、硝氮濃度、總氮濃度隨時間的變化動態(tài)如圖1所示。銨氮、硝氮、總氮濃度的變化趨勢相似，在施肥后第1 d田面水各形態(tài)氮濃度開始上升，第3 d達到頂峰并迅速下降，至55 d左右田面水氮素濃度降到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1　不同處理田面水銨氮、硝氮和總氮濃度隨時間的變化Figure 1 Variation of NH+4-N，NO-3-N and TN concentrations in paddy field surface water of different treatments over time

水稻施肥后田面水中可溶性磷濃度、總磷濃度隨時間變化如圖2所示。施肥后田面水中可溶性磷濃度并未升高，而是呈現快速降低趨勢，總磷濃度在施肥后3～5 d內達到峰值，在55 d左右降到穩(wěn)定值。施肥后10 d內是稻田氮磷流失的最大風險期。

2.2生物炭部分替代化肥對氮素遷移轉化的影響

施肥后田面水銨氮濃度開始發(fā)生變化，處理N1+ B0、N2+B5、N3+B10銨氮濃度在施肥后3 d內濃度呈上升趨勢并達到頂峰，而僅施加生物炭的處理N0+B20田面水銨氮濃度呈逐漸遞減趨勢。這是由于化肥在水中能夠迅速釋放銨氮，田面水氨氮濃度迅速升高，而施加生物炭后使田面水銨氮含量減少了35.1%～64.3%。生物炭施入土壤后易形成大團聚體，對銨氮有較好的吸附效果，降低了氮素揮發(fā)[20]。劉瑋晶等[21]研究也發(fā)現，生物炭的不同添加量（1%、3%、5%）對黃棕壤中銨氮滯留效應存在差異，添加1%的生物炭對土壤銨氮的吸附效果最好，能顯著降低銨氮的淋失。另外，水稻生長旺盛期，根系對銨氮的吸收不斷加強，同時水稻發(fā)達的根系的輸氧功能使周圍形成了好氧環(huán)境，為微生物的吸附代謝提供了良好的生物環(huán)境，有利于好氧細菌的氧化反應，從而造成銨氮的降低[22]。

田面水中硝氮主要是由銨氮的硝化作用轉化而來，在施肥后第3 d達到峰值，之后硝氮濃度迅速下降。這是因為隨水分下滲、反硝化作用，田面水中硝氮濃度下降[23]。采用生物炭部分代替化肥后，田面水硝氮含量有所降低，而處理N2+B5效果更為明顯。這是因為生物炭能夠吸附土壤中可溶性自由態(tài)酚類化合物，而該化合物抑制了硝化細菌的生長，所以生物炭可以提高土壤中硝化細菌活性，促進氮素硝化過程[24-25]。生物炭還可以增加土壤中固氮微生物數量，減少氮的反硝化作用[26]，同時生物炭對田面水中NO3-具有較好的吸附作用[27]。在一定控制條件下，施加生物炭越多田面水硝態(tài)氮濃度越低。

在施肥10 d后，總氮濃度迅速下降到峰值期的2.5%～6.7%。處理N2+B5、N3+B10、N0+B20田面水總氮濃度要低于僅施加化肥的處理N1+B0，而且隨著生物炭用量的增多，田面水總氮含量逐步降低。這是因為生物炭具有較強的離子吸附交換能力，能夠吸附土壤中溶解態(tài)NO-3、NH+4。生物炭還能降低水分在土壤中的移動性，從而使水分攜帶的離子移動性減弱，進而降低氮素的淋溶損失[27]；生物炭還具有高碳氮比，能限制硝化和反硝化作用的氮底物，促進氮素的固持，從而降低N2O的排放[28]。另外，施加生物炭加速了土壤氮的礦化作用和固氮作用[29-30]，也有利于降低田面水的總氮濃度。

圖2　不同處理田面水可溶性磷、總磷濃度隨時間的變化Figure 2 Variation of soluble phosphorus and TP concentrations in paddy field surface water of different treatments over time

2.3生物炭部分替代化肥對磷素遷移轉化的影響

稻田施肥后田面水中可溶性磷濃度隨時間變化如圖2所示。處理N1+B0與處理N2+B5在施肥后的3 d內，可溶性磷濃度處于平穩(wěn)狀態(tài)，分別為2.1、1.5 mg·L-1左右，在7 d后濃度降至0.4 mg·L-1以下。處理N3+B10和處理N0+B20，在施肥后可溶性磷濃度呈下降趨勢，第9 d濃度也下降到0.4 mg·L-1以下。施加生物炭的處理，可溶性磷濃度呈波動性變化，可能與生物炭的性質有關，生物炭在土壤中釋放可溶性磷的速度要低于二銨[31]。在水稻成熟期，田面水可溶性磷濃度呈升高趨勢，可能是由于8月中下旬相對雨季少雨，土壤水分狀況相對低濕，增加了土壤微生物的活性，提高了土壤磷有效性。同時，生物炭可通過陰離子交換能力或通過影響與磷相互作用的陽離子活性改變磷的有效性，減少可溶性磷的流失[32]。

水稻施肥后田面水中總磷濃度與可溶性磷濃度變化趨勢略有不同，呈現先升高后降低的趨勢。這是因為總磷是由有機磷和部分顆粒態(tài)的磷組成。處理N1+B0、N2+B5、N3+B10、N0+B20總磷濃度于施肥后第3 d達到最大值，分別為3.6、2.2、4.2、3.1 mg·L-1，之后迅速下降，在55 d后降到最低值。由于本實驗是在控制外源氮輸入相同的前提下進行的，致使外源磷輸入量不同。從施肥方法對稻田磷素輸出負荷影響來看，通過比較各處理總磷含量發(fā)現，處理N2+B5田面水總磷峰值濃度最小，磷素流失率較小。這是由于生物炭施入土壤后，能夠促使有效磷低的土壤中閉蓄態(tài)磷轉化為有效態(tài)磷[33-34]，同時生物炭的多孔結構也為微生物分解含磷有機物或無機物提供合適的場所，加快了土壤中磷素的周轉速率[35-36]，從而降低了田面水磷的含量。另一方面，生物炭表面已吸附的部分有機磷也能與Al3+、Fe3+和Ca2+等離子形成螯合物[37-38]，間接提高土壤磷素的有效性，降低了田面水磷素流失風險，因此處理N2+B5對于降低田面水中面源污染物總磷的效果最好。施肥后前5 d磷素濃度較高，遠超過地表水Ⅲ類水標準，此時是控制水體養(yǎng)分流失的最佳時期，應嚴格控制田面水排放。

2.4生物炭部分替代化肥對稻田氮磷流失負荷的影響

田面水系統的水平衡可用公式表示[39]：

式中：I代表灌溉水量；R代表降雨量；E代表蒸發(fā)量；T代表植物蒸騰量；S代表側滲量；P代表下滲量；D代表地表徑流及人工排水量；dW代表土壤水量。

由于重點關注的是面源污染物氮、磷由水田隨水分遷移至水環(huán)境中的負荷量，僅需考慮側滲量（S）、下滲量（P）和地表徑流及人工排水量（D）。有研究發(fā)現，稻田積水的垂直遷移下滲量P可忽略不計。本試驗小區(qū)之間用隔板隔開，故側滲排水和地表徑流排水可忽略不記，因此人工排水是該研究區(qū)域中氮、磷流失的主要流失方式。根據當地種植模式，在水稻插秧前和成熟期人工排水2次，第1次在打漿后-插秧前排放，排放8 cm水深，第2次在成熟后排出，排水深度5 cm。人工排水中氮、磷濃度按照排水當時實測的稻田水中氮、磷濃度計算：

輸出負荷總量=第1次排水量×第1次排水濃度+第2次排水量×第2次排水濃度

何仁江[40]研究三峽庫區(qū)典型農業(yè)小流域氮磷排放負荷發(fā)現，氮磷素輸出負荷分別為61、1.7 kg·hm-2。輸出負荷差異較大，這是因為種植方法和施肥量不同造成的。由表2可以看出，僅施用二銨處理的單位面積水田總氮的年輸出負荷為27.72 kg·hm-2，與祝惠等[39]研究的水田單位面積總氮年輸出負荷25.3 kg· hm-2相近，氮流失負荷較高。采用生物炭部分替代化肥的處理的氮磷輸出負荷顯著低于僅施加化肥的處理。根據估算，采用生物炭部分替代化肥的施肥方式，田面水總氮輸出負荷減少39%～50%，總磷輸出負荷減少38%～50%。采用生物炭部分替代無機肥的施肥方式能降低水田氮、磷的輸出負荷，從而達到水田面源污染田間削減的目的。

2.5生物炭部分替代化肥綜合效益分析

各處理水稻效益評估如表3所示。施用生物炭部分替代化肥的處理N2+B5、N3+B10水稻稻谷的產量與僅施用二銨的處理N1+B0相差不大，但是由于施加生物炭的處理經濟成本稍高一些，使得處理N2+B5、N3+ B10實際收益有所減少。綜合比較各處理生態(tài)效益和經濟效益發(fā)現，處理N2+B5比較好，該處理經濟效益與僅施加二銨的處理N1+B0基本一致，但是比較各處理氮磷輸出負荷發(fā)現，處理N2+B5的施肥方法明顯降低了田間退水中的氮磷負荷。這是因為生物炭表面具有豐富的官能團和較大的比表面積，可提高土壤的陽離子交換量，吸附更多的養(yǎng)分離子，避免養(yǎng)分流失，從而提高土壤肥力和肥料利用效率。因此，在外源氮輸入相等情況下，處理N2+B5的施肥方法比較好，經濟效益與僅施加二銨的處理相差不大，而生態(tài)效益得到了顯著提高。

表2　單位面積水田氮、磷素年輸出負荷Table 2 Output loads of nitrogen and phosphorus from paddy field

表3　不同處理水稻效益評估Table 3 Evaluation of economical benefits of different treatments

3　結論

（1）在施氮量相同的條件下，通過對施加生物炭部分代替化肥的施肥方式的研究發(fā)現，施肥后10 d是控制田面水面源污染物氮磷輸出的最佳時期。

（2）采用生物炭部分替代化肥的施肥方式，田面水總氮輸出負荷減少39%～50%，總磷輸出負荷減少38%～50%。

（3）采用生物炭部分替代化肥的施肥方式經濟成本有所增加，但是削減了氮磷污染物的輸出，具有較高的生態(tài)效益。

（4）根據綜合效益評估發(fā)現采用5 t生物炭替代部分二銨作為底肥的處理較好，面源污染物總氮、總磷的輸出負荷分別為16.83、1.89 kg·hm-2。

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Influence of combined synthetic fertilizer and biochar applications on nitrogen and phosphorus losses from surface water of paddy field

FENG Ke1,2, TIAN Xiao-yan1, WANG Li-xia2*, OU Yang2, YAN Bai-xing2, FU Yu3
（1.Key Laboratory of Songliao Aquatic Environment, Ministry of Education, School of Municipal and Environmental Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China; 2.Key Laboratory of Wetland Ecology and Environment, Northeast Institute of Geography and Agroecology, CAS,Changchun 130012, China；3.Fuxin Environmental Protection Bureau, Fuxin 123000, China）

Abstract：Fertilization management is an effective measure for controlling non-point source pollution from paddy field. In this paper, nitrogen and phosphorus losses from the surface water of paddy field were investigated during rice growth season under the same inputs of exogenous nitrogen but partial replacement of synthetic fertilizer by different rates of biochar（5 t·hm-2,10 t·hm-2and 20 t·hm-2）. Results showed that TN, NO-3-N, and NH+4-N concentrations in the surface water of paddy field reached a peak on the third day of fertilization, but decreased rapidly thereafter. TP concentrations showed slow increases 2～4 days after fertilization, but rapidly declined to a stable state after that. Applying biochar had little influence on total phosphorus（TP）in paddy field. Water-soluble phosphorus had the same trend as TP concentration. The critical period to reduce nitrogen and phosphorus loads should be within 10 days after fertilization. Application of biochar mitigated the fluxes of nitrogen and phosphorus outputs from paddy field water by 39%～50% and 38%～50%, respectively. Combined applications of synthetic fertilizer and biochar increased rice production slightly. Based on the recommended application rate of biochar（5 t·hm-2）, the annual nitrogen and phosphorus outputs would be 16.83 kg·hm-2and 1.89 kg·hm-2, respectively.

Keywords：non-point pollution; biochar; paddy field surface water; nitrogen and phosphorus loss; ecological benefits

*通信作者：王莉霞E-mail：lxwang@iga.ac.cn

作者簡介：馮軻（1989—），男，碩士研究生，主要研究污（廢）水處理與資源化理論與技術。E-mail：136341663@qq.com

基金項目：國家水體污染控制與治理重大專項（2012ZX07201-004）；吉林省科技發(fā)展計劃項目（20140101157JC）

收稿日期：2015-08-14

中圖分類號：S158

文獻標志碼：A

文章編號：1672-2043（2016）02-0329-07

doi:10.11654/jaes.2016.02.017