添加保水劑、生物炭和草木灰對(duì)發(fā)酵床秸稈墊料栽培基質(zhì)養(yǎng)分淋溶的影響

劉麗珠，盧 信，范如芹，羅 佳，張振華

養(yǎng)分淋溶是指介質(zhì)（土壤、營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)等）中的營(yíng)養(yǎng)元素隨下滲水流由介質(zhì)表層向底層移動(dòng)的一個(gè)過程。淋溶是養(yǎng)分循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，養(yǎng)分通過淋溶流失不但會(huì)降低肥料的利用率，還會(huì)消耗掉栽培介質(zhì)的養(yǎng)分庫(kù)，從而造成經(jīng)濟(jì)損失［1］?；|(zhì)中的氮磷鉀等養(yǎng)分轉(zhuǎn)化主要受生物和非生物因素的影響，保水劑、生物炭和草木灰等作為外源輸入的功能性材料，近年被廣泛應(yīng)用于土壤及栽培基質(zhì)。此類功能性材料能直接或間接地參與基質(zhì)養(yǎng)分循環(huán)，并通過自身的物理化學(xué)特性與基質(zhì)相互作用，進(jìn)而對(duì)基質(zhì)養(yǎng)分淋溶產(chǎn)生重要影響［2］。

保水劑（SAP）是一類具有超強(qiáng)吸水和保水能力的新型高分子材料，近年被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及水土保持中［3］。SAP在栽培基質(zhì)性能的改良中可行性強(qiáng)，國(guó)內(nèi)外也已有初步研究結(jié)果［4］，添加SAP可延緩植株的萎蔫發(fā)生時(shí)間，提高植株的水分利用率。范如芹等［5］在青菜栽培基質(zhì)中添加淀粉基SAP，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)的最大持水量隨SAP添加量的增加而顯著升高，水分蒸發(fā)率則降低，在1 g／L的SAP添加量下基質(zhì)最適于小青菜生長(zhǎng)。車明超等［6］在施用同量尿素條件下對(duì)3種保水劑對(duì)尿素淋溶和土壤脲酶活性的影響進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)3種保水劑都明顯降低了土壤尿素淋失，保肥效果明顯，有利于植物更好地吸收氮素。

國(guó)內(nèi)外已有一些關(guān)于將生物質(zhì)炭用作基質(zhì)改良劑的報(bào)道，目前來看，生物質(zhì)炭與其他調(diào)理劑聯(lián)合使用的效果更佳［7］。 Fan 等［8］發(fā)現(xiàn)，同時(shí)添加 0.8 g／L的SAP與10%生物質(zhì)炭，可以增大基質(zhì)的孔隙度、持水量等，還可以降低因生物質(zhì)炭而升高的基質(zhì)pH值和電導(dǎo)率，進(jìn)而促進(jìn)基質(zhì)栽培空心菜的生長(zhǎng)和養(yǎng)分利用。生物質(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分淋溶的機(jī)制主要包括通過表面電荷或微孔結(jié)構(gòu)吸附養(yǎng)分離子、通過改變土壤持水力影響?zhàn)B分淋溶、通過與土壤微生物互作改變養(yǎng)分循環(huán)、表面吸附的養(yǎng)分離子優(yōu)先通過生物炭顆粒移動(dòng)［2］。生物質(zhì)炭直接或間接參與基質(zhì)養(yǎng)分循環(huán)，因此對(duì)基質(zhì)養(yǎng)分淋溶也有一定的影響。

草木灰是農(nóng)作物莖稈及柴草燃燒后所剩余的殘?jiān)?，含有植物所需要的大量元素及微量元素，是一種容易獲取且成本低廉、養(yǎng)分全面、肥效明顯的理想無機(jī)農(nóng)家肥。草木灰的孔隙度大，持水性好，無菌無毒，以草木灰為原料經(jīng)合理加工復(fù)配，可以研制出育苗基質(zhì)及花卉栽培基質(zhì)［9］。

作物栽培基質(zhì)水分和養(yǎng)分損失是目前栽培基質(zhì)日常管理中的難題。本實(shí)驗(yàn)通過室內(nèi)模擬基質(zhì)柱淋溶實(shí)驗(yàn)，在基質(zhì)中單一或復(fù)合添加保水劑、生物炭和草木灰，計(jì)算出損失的水分和養(yǎng)分，以了解保水劑、生物炭和草木灰對(duì)水、肥的保持能力及交互影響，旨在為合理澆水追肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

發(fā)酵床墊料產(chǎn)自江蘇省農(nóng)科院六合基地有機(jī)肥廠，由基于水稻秸稈的豬圈發(fā)酵床墊料圈內(nèi)腐解（2年）及出圈后再次堆漚（1個(gè)月）制成。實(shí)驗(yàn)基質(zhì)配方為：發(fā)酵床墊料 ∶木薯渣 ∶蛭石 ∶泥炭＝ 3 ∶2 ∶3 ∶2（體積比）。將基質(zhì)原料按比例混合拌勻后，按不同的處理要求添加SAP、生物炭和草木灰，再次拌勻，裝袋放置平衡1周。

保水劑（SAP）來自江蘇省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，以改性后可溶性玉米淀粉為主要原料，采用水溶液聚合法制備的耐鹽性鉀型丙烯酸類高吸水樹脂，粒度為 60～100 目，容重為 0.6～0.8 g／cm3，吸去離子水量為 800～1000 g／g，吸水速率小于 30 s，pH 值為6.9～7.3，電導(dǎo)率為 4.0～5.0 dS／m。生物炭為小麥秸稈在600℃高溫下厭氧裂解得到，容重0.31 g／cm3，持水量 139%，pH 9.98，電導(dǎo)率 1.03 dS／m，顆粒大小均在2 mm以下，碳和氮含量分別為79.30%和0.97%。草木灰經(jīng)過改良以后顆粒呈松散團(tuán)?；蚱瑺罱Y(jié)構(gòu)，直徑為 0.5～2.0 mm，容重為 0.23 g／cm3，pH值11.5，持水量65%，總孔隙度85%。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法

本實(shí)驗(yàn)采用室內(nèi)基質(zhì)柱淋溶方法。各處理設(shè)置如下：（1）單一基質(zhì)（CK）；（2）保水劑 0.8 g／L（S）；（3）生物炭 10%（B）；（4）保水劑 0.8 g／L＋生物炭10%（S＋B）；（5）草木灰 10%（PA）；（6）保水劑 0.8 g／L＋草木灰 10%（S＋PA）。 各處理 3次重復(fù)。

具體實(shí)驗(yàn)方法為：采用直徑8.5 cm、高50.0 cm的PVC管，用200目濾布封住底口，在濾布上鋪少量（25 g）石英砂，裝入2.5 L攪拌均勻的基質(zhì)。在基質(zhì)柱上面再以少量（25 g）石英砂覆蓋以防止加水時(shí)擾亂基質(zhì)；向基質(zhì)柱中加入500 mL水使基質(zhì)與水混合均勻，平衡24 h。每次淋溶以500 mL去離子水緩慢均勻加入基質(zhì)柱，收集淋溶液并記錄每次淋溶液體積。以扎小孔的塑料薄膜封住上口，在室溫下培養(yǎng)3 d后，第4天加500 mL水進(jìn)行第2次淋溶，即每4 d淋溶1次。以后每次操作相同，共淋溶6次。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

采用酸度計(jì)測(cè)定淋溶液的pH值；采用電導(dǎo)率儀測(cè)定電導(dǎo)率（EC）。使用過硫酸鉀氧化－紫外分光光度法測(cè)定淋溶液的TN濃度；使用紫外分光光度法測(cè)定淋溶液的NO3－－N濃度；使用過硫酸鉀消解－鉬銻抗光度法［10］測(cè)定淋溶液的 TP濃度。采用ICP－MS（Icap－Q系列，美國(guó)Thermo公司）測(cè)定淋溶液的金屬元素鐵、銅、鋅濃度。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行單因素方差分析；對(duì)添加不同材料的基質(zhì)淋溶液的pH、EC、總氮、硝態(tài)氮及總磷和鐵等測(cè)定結(jié)果進(jìn)行LSD差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)基質(zhì)柱淋溶液體積、p H值和電導(dǎo)率的影響

如圖 1 所示，在整個(gè)淋溶過程中，CK、S、B、S＋B、PA和S＋PA處理的基質(zhì)柱累積淋溶量分別為917、848、854、892、1054 和 770 mL，添加保水劑的處理的累積淋溶量都小于對(duì)照的，只添加草木灰的處理的累積淋溶體積最大。

從6次收集的淋溶液體積的趨勢(shì)變化（表1）可以看出，只添加保水劑的基質(zhì)柱在前兩次收集的淋溶液體積與對(duì)照差異不顯著，而后則可以顯著降低基質(zhì)柱基質(zhì)水分的淋失（P＜0.05），說明在淋溶中后期，保水劑發(fā)揮了保水儲(chǔ)水作用。添加生物炭的基質(zhì)柱第1次收集的淋溶液體積顯著低于對(duì)照的（P＜0.05），此時(shí)生物炭發(fā)揮了保水儲(chǔ)水的作用；隨著淋溶次數(shù)的增加，生物炭的保水能力逐漸減弱，在保水劑和生物炭共同作用下最后兩次的淋溶體積甚至顯著高于對(duì)照的（P＜0.05），說明保水劑并不能協(xié)助生物炭減少基質(zhì)淋失水分，這可能是因?yàn)閮烧邷p少了水分的蒸發(fā)而導(dǎo)致淋溶體積變大。添加草木灰的基質(zhì)柱淋溶液體積在第1次及后3次均顯著高于對(duì)照的（P＜0.05），說明草木灰加速了基質(zhì)柱水分的淋失，而保水劑與草木灰共同作用可以減緩水分的淋失。

表1 不同處理下基質(zhì)的淋溶液體積 mL

圖1 不同處理下累積淋溶液體積

如圖2所示，隨著淋濾次數(shù)的增加，淋溶液的pH值先上升后趨于平緩，總體上添加保水劑、生物炭及草木灰均使淋溶液的pH值有不同程度的升高。這可能是由于本研究所用生物炭（pH值為9.98）和草木灰（pH值為11.5）呈堿性，本來堿性離子較高，被淋溶出來了。圖3顯示了淋溶液電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，前兩次各處理淋溶液的電導(dǎo)率均超過10 dS／m（添加生物炭處理淋溶液的電導(dǎo)率超出儀器測(cè)量范圍）；但是隨著淋溶次數(shù)的增加，電導(dǎo)率逐漸下降并趨于平緩，最后1次淋溶液的電導(dǎo)率在6.39～7.27 dS／m，各處理間差異不顯著。

圖2 不同處理下基質(zhì)淋溶液的p H值

2.2 不同處理對(duì)基質(zhì)淋溶液總氮、硝態(tài)氮和總磷淋溶量的影響

在淋洗初期淋溶液中總氮TN（49.1～76.9 mg）和硝態(tài)氮NO3－（29.5～53.9 mg）含量較高；此后隨著淋溶次數(shù)的增加，總氮含量逐漸降低，硝態(tài)氮含量呈波動(dòng)降低；各處理最后1次淋溶液的TN含量降至20.3～25.8 mg，NO3－含量降至 18.4～24.9 mg。

圖3 不同處理下基質(zhì)淋溶液的電導(dǎo)率

由表2可知，單獨(dú)添加保水劑基質(zhì)的6次總氮淋溶量均較對(duì)照有所下降，其中第1、4和5次顯著低于對(duì)照。添加生物炭基質(zhì)的總氮淋溶量最初與對(duì)照無顯著差異，從第3次開始大幅下降，第3和4次的總氮淋溶量顯著低于對(duì)照，最后又趨于對(duì)照水平。在保水劑和生物炭共同作用下，在減少總氮淋溶量上保水劑有一定貢獻(xiàn)。添加草木灰基質(zhì)的總氮淋溶量前3次均顯著高于對(duì)照，而后逐漸趨于對(duì)照水平；添加保水劑對(duì)草木灰基質(zhì)后期總氮淋溶有一定的減緩作用。

單獨(dú)添加保水劑基質(zhì)的硝態(tài)氮淋溶量6次均小于對(duì)照的，其中第1和5次顯著低于對(duì)照。添加生物炭基質(zhì)的第1、3、4次硝態(tài)氮淋溶量顯著低于對(duì)照的，而保水劑和生物炭協(xié)同降低基質(zhì)硝態(tài)氮淋溶的作用不明顯。添加草木灰基質(zhì)最初的硝態(tài)氮淋失量顯著高于對(duì)照的，而后降低；添加保水劑和草木灰降低基 質(zhì)硝態(tài)氮淋溶的效果優(yōu)于單獨(dú)添加草木灰的效果。

表2 不同處理下基質(zhì)的總氮、硝態(tài)氮和總磷淋溶量的變化 mg

在所有處理基質(zhì)中總磷淋溶量隨時(shí)間呈波動(dòng)趨勢(shì)。對(duì)于對(duì)照，總磷淋溶量最大值出現(xiàn)在第3次淋溶，為7.26 mg，說明在淋溶過程中TP的淋失較TN滯后，可能是由于基質(zhì)對(duì)磷的吸附能力強(qiáng)于對(duì)氮的吸附能力，從而使得TP較難發(fā)生淋失。與對(duì)照相比，保水劑的添加加速了基質(zhì)總磷的淋失，最初兩次淋溶液的磷淋失量都是最高的。對(duì)于添加生物炭的基質(zhì)，第1次總磷淋溶量（3.29 mg和4.26 mg）顯著低于對(duì)照的（7.02 mg）；此后有所增大，第3次總磷淋溶量出現(xiàn)最大值9.29 mg；與B處理相比，S＋B處理總磷的6次總淋失量增加了19%。添加草木灰基質(zhì)的總磷淋失量6次均顯著低于對(duì)照的，PA和S＋PA處理總磷的6次總淋失量分別只有對(duì)照的56%和61%，說明草木灰能顯著減緩總磷的流失；只添加草木灰處理的效果優(yōu)于添加草木灰＋保水劑處理的效果。

2.3 不同處理對(duì)基質(zhì)淋溶液Fe、Cu和Zn濃度的影響

通過測(cè)定基質(zhì)淋溶液中鐵、銅和鋅的濃度可知，3種金屬元素最初在對(duì)照基質(zhì)的淋溶液中濃度最高，此后隨著時(shí)間的推移呈逐漸降低的趨勢(shì)。添加保水劑、生物炭和草木灰都能不同程度地降低第1次淋溶液中鐵、銅和鋅的濃度（圖4～圖6）。總體而言，添加生物炭的基質(zhì)淋溶液Fe、Cu和Zn的濃度高于添加草木灰的處理，說明草木灰吸附金屬離子的能力高于生物炭的。

3 討論

在淋洗初期淋溶液中TN和NO3－含量較高，主要是由于加水平衡期間過量的氮素向下移動(dòng)，這部分氮素主要分布在水相中，因此可以隨水分向下運(yùn)移。添加生物炭基質(zhì)的第3和4次總氮淋溶量顯著低于對(duì)照的，這是因?yàn)樯锾烤哂惺杷啥嗫椎慕Y(jié)構(gòu)和很強(qiáng)的離子吸附交換能力，對(duì)基質(zhì)中氮素具有很強(qiáng)的吸附能力，從而可以降低氮素隨水分向下淋溶的能力。添加草木灰基質(zhì)的前3次總氮淋溶量均顯著高于對(duì)照的，說明草木灰容易活化基質(zhì)中的氮素。

圖4 不同處理下基質(zhì)淋溶液Fe濃度變化

添加草木灰基質(zhì)的6次總磷淋失量均顯著低于對(duì)照的，說明草木灰能顯著減緩基質(zhì)總磷的流失。添加生物炭和草木灰對(duì)基質(zhì)磷素淋溶損失影響的途徑可能在以下兩個(gè)方面：一方面是生物炭和草木灰本身有對(duì)磷酸鹽及可溶性有機(jī)磷的吸附固定能力，有利于抑制磷素的淋失［11］；另一方面生物炭和草木灰的施入使基質(zhì)的pH值顯著升高，進(jìn)而增加磷的有效性，從而會(huì)促進(jìn)磷素的淋失［12］。因此，基質(zhì)中添加生物炭和草木灰后，TP的淋失主要取決于這兩種作用途徑的平衡。

圖5 不同處理下基質(zhì)淋溶液Cu濃度變化

圖6 不同處理下基質(zhì)淋溶液Zn濃度變化

Fe、Cu和Zn適量存在于基質(zhì)中，有利于植物的生長(zhǎng)。添加保水劑、生物炭和草木灰都能不同程度地降低第1次淋溶液中鐵、銅和鋅的濃度，說明生物炭和草木灰的強(qiáng)吸附能力在發(fā)揮作用?？傮w而言，添加生物炭的基質(zhì)淋溶液中Fe、Cu和Zn的濃度高于添加草木灰的，說明草木灰吸附金屬離子的能力高于生物炭的。

4 小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明；保水劑發(fā)揮保水儲(chǔ)水作用在淋溶中后期；生物炭在第1次淋溶就發(fā)揮了保水儲(chǔ)水的作用，此后其能力逐漸減弱，然而保水劑并不能協(xié)助生物炭減少基質(zhì)淋失水分；草木灰加速了基質(zhì)柱水分的淋失，保水劑與草木灰共同作用可減緩水分淋失；添加保水劑、生物炭及草木灰均使基質(zhì)淋溶液的pH值有不同程度的升高；添加保水劑和生物炭能降低基質(zhì)總氮和硝態(tài)氮淋失；保水劑會(huì)加速基質(zhì)總磷的淋失；草木灰能顯著減緩基質(zhì)總磷的流失；添加保水劑、生物炭和草木灰都能不同程度地降低第1次淋溶液中鐵、銅和鋅的濃度；草木灰吸附金屬離子的能力高于生物炭的。

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