土壤改良劑對喀斯特地區(qū)土壤養(yǎng)分水平運移的阻控效應

胡樂寧，肖和友，蘇以榮

（1. 廣西師范大學珍稀瀕危動植物生態(tài)與環(huán)境保護教育部重點實驗室，廣西 桂林 541004；2. 中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，湖南 長沙 410125；3. 中國科學院環(huán)江喀斯特農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站，廣西 環(huán)江 547100）

喀斯特峰叢洼地，是自然生態(tài)系統(tǒng)中的主要脆弱帶之一，尤其是該地區(qū)土層淺薄且成土速率極慢，導致土壤較為貧瘠而又異常珍貴。在喀斯特地區(qū)，降水大部分流經(jīng)地下水通道，此過程伴隨著土壤本身及土壤養(yǎng)分流失，使喀斯特地區(qū)土壤更少、更貧瘠化，植被及作物生長受到影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平下降，嚴重制約了喀斯特地區(qū)的農(nóng)業(yè)和當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展?？λ固氐貐^(qū)水土流失與其自身環(huán)境特點關系密切，如植被覆蓋少、透水性強的碳酸鹽巖、土層少而薄的土壤，這些都加劇了喀斯特地區(qū)水土流失強度與潛在危險［1-3］，另外由于長期的強烈?guī)r溶化作用產(chǎn)生了喀斯特地區(qū)地表地下雙層空間結(jié)構(gòu)，使地表水易流失、地下水埋深；加上土層淺薄，成土速率慢，土壤持水能力差，缺乏植被系統(tǒng)調(diào)節(jié)及不合理的土地利用及人為活動，導致該地區(qū)旱澇災害頻繁，水土流失和石漠化嚴重，以致區(qū)域生態(tài)十分脆弱［4-8］。水土流失問題嚴重制約著喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復和經(jīng)濟發(fā)展，嚴重影響了當?shù)厝嗣竦纳睿?］。因此，探討減緩和阻控水土流失的措施具有十分重要的意義。

關于土壤及養(yǎng)分流失的阻控方法較多，但結(jié)合喀斯特地區(qū)特殊地貌下的養(yǎng)分截留方法研究較少。在喀斯特地區(qū)采用的方法較為傳統(tǒng)，且對土壤及養(yǎng)分的截留效果不明顯。研究表明，用擋墻圍住落水洞可以有效防止土壤大量流入落水洞被地下河帶走［10］，但這種方法不能截留水體中的養(yǎng)分。因此尋找一種高效、同時又環(huán)保的方法，來減少喀斯特地區(qū)土壤及養(yǎng)分的流失具有重要意義。目前，通過向土壤中施加生物環(huán)保型吸附材料來減少淋溶和徑流過程中的土壤養(yǎng)分流失是一種較好的方法，但不同材料效果差異很大。近年來，生物質(zhì)炭引起了廣泛關注，主要是由于其不僅屬于有機質(zhì)，而且具有獨特的理化特性，如吸附性能、比表面積巨大等，是良好的土壤改良劑［11-12］。另外，在喀斯特地區(qū)存在較多的甘蔗及玉米秸稈，若用作制備生物質(zhì)炭，并用來阻控土壤及養(yǎng)分流失，將具有極大意義。沸石和粉煤灰吸附性能好，均是較常見的土壤改良劑［13-16］。本研究以當?shù)貜V泛存在的廢棄物甘蔗渣炭、玉米秸稈炭、天然沸石、粉煤灰為材料，采用室內(nèi)模擬探討一種有效阻控喀斯特地區(qū)峰叢洼地土壤和養(yǎng)分流失的方法和途徑，一方面能夠充分利用當?shù)貜U棄物，減少環(huán)境污染，另一方面為喀斯特地區(qū)峰叢洼地土壤養(yǎng)分流失阻控提供理論和技術依據(jù)，改善峰叢洼地土壤肥力，提高作物生產(chǎn)力，以實現(xiàn)喀斯特地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自廣西環(huán)江中國科學院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站區(qū)。該區(qū)域地處亞熱帶季風氣候，雨熱同季，年均降雨量，年均氣溫19.9℃。于2013年3月采集站區(qū)洼地的農(nóng)田表層（0～15 cm）土壤約200 kg，風干后剔除土壤中可見植物殘體和土壤動物，磨細過1.7 mm篩，充分混勻。

供試土壤改良劑組分包括蔗渣生物質(zhì)炭（簡稱蔗渣炭）、玉米秸稈生物質(zhì)炭（簡稱玉米秸稈炭）、粉煤灰和沸石。其中，蔗渣炭取自廣西環(huán)江遠豐糖廠（蔗渣在770℃下裂解制成），玉米秸稈碳取自某共工霄商社有限公司（移動式炭化爐生產(chǎn)，熱裂解炭化溫度為350～500℃），粉煤灰取自廣西某電廠，沸石取自遼寧北票市鑫山源沸石廠。蔗渣炭和玉米秸稈炭磨細過1.7 mm篩，沸石和粉煤灰分別過0.15 mm篩。所有改良劑在使用前都充分混勻，其基本理化性質(zhì)見表1。甘蔗渣炭（0.15 mm）、玉米秸稈炭（0.15 mm）、天然斜發(fā)沸石（0.15 mm）、粉煤灰（0.15 mm）、不銹鋼板徑流槽（長90 cm，寬10 cm，高15 cm）、蠕動泵、橡膠塞及玻璃管等。

表1 供試樣品基本理化性質(zhì)

1.2 試驗方法

試驗根椐徑流槽土壤及土壤改良劑混合樣的不同設置5個處理，每個處理3次重復。處理 1（CK）：9 900 g土；處理 2（G3）：9 900 g土+3%甘蔗渣炭297 g；處理3（Y3）：9 900 g土+3%玉米秸稈炭297 g；處理4（G3F2M2）：9 900 g土+3%甘蔗渣炭297 g+2%沸石198 g+2%粉煤灰198 g；處理5（Y3F2M2）：9 900 g土+3%玉米秸稈炭297 g+2%沸石198 g+2%粉煤灰198 g。

（1）取土裝槽：喀斯特峰叢洼地取表層土樣200 kg左右，自然風干，剔除殘枝落葉，過1.7 mm篩；參照處理將土壤和改良劑混合均勻后裝入不銹鋼徑流槽，約10 cm高，表層5 cm均勻混入10.3186 g氯化銨和5.922 g磷酸二氫鉀，相當于田間耕作施用N 300 kg /hm2、P 150 kg/hm2，容重約為 1.1 g/cm3。

（2）模擬徑流沖刷：混合樣裝入槽后1 d，每個徑流槽均勻緩慢加入4 160 mL去離子水（相對于降雨量46 mm，沒有水流出，且將近飽和），入槽后 7、10、14、17、21、24、27、30 d通過蠕動泵（每分鐘加入140 mL）分別加入相當于 22、11、11、11、11、11、11、11 mm 降雨量的去離子水模擬徑流沖刷。每次在出水管處用塑料瓶接水樣。

1.3 測定項目

試驗前測定土樣的pH、TN、TP、TK、AN、AP、AK、NH4+-N、NO3--N、CEC。生物質(zhì)炭的理化性質(zhì)：pH 、TC、TN 、TP、 TK、NH4+-N、NO3--N、CEC。土壤及生物質(zhì)炭基本農(nóng)化性狀指標參照鮑士旦主編的《土壤農(nóng)化分析》中的常規(guī)方法測定［17］。

采集好水樣，搖勻，通過0.45μm濾膜，對過濾的水樣進行化學分析，測定項目有水樣體積、pH、電導率、NO3-、NH4+、K+、PO43-濃度，其中每次 NO3-（NH4+、K+、PO43-）流失量 = 每次水樣中中NO3-（NH4+、K+、PO43-）濃度×水樣體積，累積流失量量=每次流失量之和。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel2003和SPSS17.0軟件進行統(tǒng)計分析，各處理之間的比較采用單因素方差分析（one-wayANOVA，P=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理硝態(tài)氮與銨態(tài)氮徑流特征

連續(xù)8次模擬地表徑流沖刷過程中，CK徑流液中硝態(tài)氮濃度波動不大，維持在22 mg/L左右；其他處理硝態(tài)氮濃度先降低后趨于穩(wěn)定（圖1）。第1次沖刷（入槽后7 d），施用改良劑處理的徑流液中硝態(tài)氮濃度顯著高于CK。這可能與生物質(zhì)炭本身含有硝態(tài)氮有關，也可能與徑流量多少有關。第2次沖刷（入槽后10 d）后，Y3、G3F2M2、Y3F2M2處理的徑流液中硝態(tài)氮濃度始終低于CK。第3次沖刷（入槽后14 d）后G3F2M2處理的徑流液中硝態(tài)氮濃度與Y3F2M2處理無顯著差異，在整個沖刷過程中，G3處理徑流液中硝態(tài)氮濃度始終高于CK。表明與CK相比，施用玉米秸稈炭（Y3）以及兩種生物質(zhì)炭與沸石、粉煤灰配合施用（Y3F2M2和G3F2M2）均顯著降低土壤徑流液中的濃度，且Y3F2M2處理效果最好。

圖1 不同處理硝態(tài)氮徑流濃度及累積流失量特征

連續(xù)8次模擬地表徑流沖刷結(jié)束時，不同處理土壤徑流液中硝態(tài)氮累積流失量由大到小依次為：G3（168.34 mg）、CK（129.52 mg）、Y3（118.90 mg）、G3F2M2（92.62 mg）、Y3F2M2（79.94 mg），且各處理之間的差異均達到極顯著。施用不同改良劑處理的硝態(tài)氮累積流失量比CK下降的比例分別為G3（-29.97%）、Y3（8.20%）、G3F2M2（28.49%）、Y3F2M2（38.28%）。表明施蔗渣炭增加硝態(tài)氮的流失量，而施玉米秸稈炭（Y3）以及兩種生物質(zhì)炭與沸石、粉煤灰配施（G3F2M2和Y3F2M2）處理均能降低硝態(tài)氮流失量，尤其以Y3F2M2處理的效果最佳。

圖2 不同處理銨態(tài)氮徑流濃度及累積流失量特征

施用不同改良劑后，土壤徑流液中銨態(tài)氮濃度呈先增大后降低的趨勢（圖 2）。在第2次沖刷（入槽10 d）后達到最大值，以CK的徑流液中銨態(tài)氮濃度最大（98.85 mg/L）其顯著高于施用改良劑處理，同時，Y3M2F2處理的濃度最低（39.67 mg/L），顯著低于G3（72.74 mg/L）、Y3（61.33 mg/L）和 G3F2M2（64.09 mg/L）處理。隨后，徑流中銨態(tài)氮濃度逐漸降低，但CK的徑流中銨態(tài)氮的濃度始終顯著高于其他處理。總體上，在整個沖刷過程中，施用玉米秸稈炭（Y3）處理的作用大于蔗渣炭（G3）處理。生物質(zhì)炭與沸石、粉煤灰配合施用比施用純生物質(zhì)炭對降低徑流中銨態(tài)氮濃度的效果更好。玉米秸稈炭與沸石、粉煤灰配施（Y3M2F2）處理的效果要好于蔗渣炭與沸石、粉煤灰配施（G3F2M2）處理，且前者處理的每次徑流液中銨態(tài)氮濃度都不及CK的50%。

連續(xù)8次模擬地表徑流沖刷結(jié)束時，通過徑流流失的銨態(tài)氮累積量由大到小依次為：CK（281.15 mg）、G3（209.08 mg）、Y3（164.51 mg）、G3F2M2（147.53 mg）、Y3F2M2（116.92 mg），且各處理之間的差異均達到極顯著。施用不同改良劑處理的銨態(tài)氮累積流失量比CK下降的比例分別為Y3F2M2（58.42%）、G3F2M2（47.53%）、Y3（41.49%）、 G3（25.63%）。施入生物質(zhì)炭有利于降低地表徑流中銨態(tài)氮流失量，且玉米秸稈炭（Y3）效果要好于（G3）。將生物質(zhì)炭與沸石、粉煤灰組合施入對徑流中銨態(tài)氮流失量降低作用更大，玉米秸稈炭與沸石、粉煤灰（Y3F2M2）配施比蔗渣炭與沸石、粉煤灰（G3F2M2）更顯著。前者銨態(tài)氮累積流失量只有CK的41.59%。

2.2 不同處理有效磷徑流特征

圖3 不同處理速效磷徑流濃度及累積流失量特征

從圖3可見，所有處理徑流液中速效磷濃度在第1次沖刷（入槽后7 d）時最大，各處理之間的差異也較大，隨后，維持相對穩(wěn)定直到第5次沖刷（入槽后21 d），在第6次沖刷（入槽后24 d）有所增加。連續(xù)8次模擬地表徑流沖刷結(jié)束后，徑流液中平均速效磷濃度從大到小依次為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）。表明施用生物質(zhì)炭增加了徑流液中速效磷的濃度，且甘蔗渣增加的量要大于玉米秸稈炭；生物質(zhì)炭與沸石、粉煤灰組合與只施生物質(zhì)炭相比降低了徑流液中速效磷的濃度。

連續(xù)8次模擬地表徑流沖刷結(jié)束時，通過徑流流失的速效磷累積量由大到小依次為：G3（2 096.58μg）、G3F2M2（1 862.49μg）、Y3（430.29μg）、Y3F2M2（350. 93μg）、CK（333.68μg），且各處理之間的差異均達到極顯著。表明施用生物質(zhì)炭增加了徑流液中速效磷的流失量，且甘蔗渣炭增加的量要遠大于玉米秸稈炭；Y3處理只比CK增加96.61μg；生物質(zhì)炭與沸石、粉煤灰組合與只施生物質(zhì)炭相比降低了徑流液中速效磷的濃度，Y3F2M2處理比CK只增加17.25μg。

2.3 不同處理速效鉀徑流特征

從圖4可見，第1次沖刷（入槽后7 d）時，各處理徑流液中速效鉀濃度相差較大，表現(xiàn)為Y3最高（83.65 mg/L），CK最?。?1.63 mg/L）。隨后的沖刷過程中，各處理徑流中速效鉀濃度表現(xiàn)為相同的逐漸降低的趨勢，G3F2M2處理從第2次沖刷（入槽后 10 d）開始，徑流液中速效鉀濃度一直低于CK，Y3F2M2處理從第5次沖刷（入槽后21 d）開始，徑流液中速效鉀的濃度接近CK。連續(xù)8次模擬地表徑流沖刷結(jié)束后，徑流液中平均速效鉀濃度從大到小的為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）。表明施用生物質(zhì)炭增加了徑流液中速效鉀的濃度，且玉米秸稈炭增加的量要大于甘蔗渣炭；生物質(zhì)炭與沸石、粉煤灰組合與只施生物質(zhì)炭相比降低了徑流液中速效鉀的濃度，G3F2M2處理徑流液中的平均濃度低于CK。

連續(xù)8次模擬地表徑流沖刷結(jié)束時，通過徑流流失的速效鉀累積量由大到小依次為：Y3（274.63 mg）、G3（234.99 mg）、CK（214.42 mg）、Y3F2M2（194.59 mg）、G3F2M2（169.23 mg），且各處理之間的差異均達到極顯著。說明施入生物質(zhì)炭增加了速效鉀的徑流流失量，且玉米秸稈炭增加的量大于甘蔗渣炭；生物質(zhì)炭與沸石、粉煤灰組合施與只施生物質(zhì)炭相比，降低了徑流中有效鉀的流失量，Y3F2M2、G3F2M2處理的流失量均小于CK。

圖4 不同處理有效鉀徑流濃度及累積流失量特征

3 結(jié)論與討論

除了淋溶損失，徑流損失也是土壤養(yǎng)分流失的主要途徑之一。本研究結(jié)果表明，玉米秸稈炭對土壤硝態(tài)氮隨徑流流失有一定的阻控作用，施甘蔗渣炭增加了土壤硝態(tài)氮隨徑流流失量，這可能是甘蔗渣炭含有較多硝態(tài)氮所引起的。對于銨態(tài)氮，甘蔗渣炭和玉米秸稈炭均對其在土壤中的徑流損失有較大阻控作用。此外，玉米秸稈炭和甘蔗渣炭與粉煤灰、沸石組合施用（Y3F2M2、G3F2M2處理）比單施生物質(zhì)炭在硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的徑流流失上具有更好的阻控效果。張愛平等［18］研究表明，施用生物質(zhì)稻田田面水總氮和硝態(tài)氮徑流流失風險下降，但銨態(tài)氮徑流流失風險卻有所增加?？梢娚镔|(zhì)炭在阻控氮素徑流損失上效果并不具優(yōu)越性。鄭越等［19］研究指出，粉煤灰對氨態(tài)氮的吸附能力均強于活性炭。王功等［20］研究表明，從對氮磷的吸附量、吸附速率看，沸石能夠作為人工濕地的填料對污水進行凈化處理?？梢?，沸石和粉煤灰對氮素具有較好的吸附能力。在本試驗結(jié)果中，所有實驗處理均能降低養(yǎng)分流失總量，增加沸石、及粉煤灰施用量有望進一步降低流失量。

施甘蔗渣炭和玉米秸稈炭增加了土壤速效磷和速效鉀隨徑流流失量，甘蔗渣炭、玉米秸稈炭與粉煤灰、沸石組合施（Y3F2M2、G3F2M2處理）與只施甘蔗渣炭、玉米秸稈炭相比，降低了土壤速效磷和速效鉀隨徑流流失量，Y3F2M2、G3F2M2處理速效鉀流失量甚至低于CK。這可能與生物質(zhì)炭本身養(yǎng)分含量有關，根據(jù)生物質(zhì)炭養(yǎng)分含量分析結(jié)果，甘蔗渣炭含有較多的硝態(tài)氮，甘蔗渣炭和玉米秸稈炭均含有較高的速效磷和速效鉀。其次，這可能與生物質(zhì)炭、沸石、粉煤灰理化性質(zhì)及結(jié)果有關，生物質(zhì)炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，比表面積大，對土壤溶液養(yǎng)分（NH4+-N、NO3--N、K、P）具有較強的吸附能力［21-24］，能有效減少土壤養(yǎng)分流失。沸石的吸附能力也很高，主要是由于沸石空間結(jié)構(gòu)呈網(wǎng)架狀，構(gòu)架中有比較大的空腔和孔道，內(nèi)表面積可超過1 000 m2，其吸附特征表現(xiàn)為選擇性吸附和高效率吸附［25］。高占國等［26］研究指出，粉煤灰含有較多的活性氧化鋁和氧化硅等，多孔，比表面積大，吸附性能好。

與淋溶結(jié)果不同，不管是只施生物質(zhì)炭還是生物質(zhì)炭與沸石、粉煤灰組合施均能降低土壤銨態(tài)氮隨徑流流失；生物炭質(zhì)炭與沸石、粉煤灰組合施可降低土壤速效鉀隨徑流流失量；生物質(zhì)炭與沸石、粉煤灰組合施處理土壤有效磷淋失量與CK接近。實際上，磷的徑流損失比其淋溶損失要容易得多［27］。鄭小龍等［28］研究指出，不同施肥與生物質(zhì)炭配施可以減少磷的徑流損失，降低磷素流失風險，尤其在施肥后1周內(nèi)是控制磷流失風險的最佳時期，若此時遭遇暴雨，將導致其隨徑流大量流失。試驗添加的材料（甘蔗渣炭0.15 mm、玉米秸稈炭0.15 mm、天然斜發(fā)沸石0.15 mm、粉煤灰0.15 mm）對土壤本身可能存在一定風險［29-30］。下一步研究中應充分考慮風險影響。

本試驗5個處理硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀地表流失量之和分別為625.42、614.51、558.47、411.24、391.80 mg。在土壤中施入生物質(zhì)炭能降低土壤的水分流失，且施玉米秸稈炭的作用大于蔗渣炭；生物質(zhì)炭與沸石、粉煤灰組合施比單施生物質(zhì)炭更有利于提高土壤的保水能力，且玉米秸稈炭與沸石、粉煤灰的組合要好于蔗渣炭與沸石、粉煤灰的組合。土壤改良劑的添加既降低了土壤養(yǎng)分的流失量，又因為材料施入及歸還土壤而改善了土壤。

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