稻殼炭施用對太湖濱岸灰潮土氮磷淋失及土壤性質(zhì)的影響

卜曉莉 ，汪浪浪 ，馬青林 ，薛建輝

1. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；2. 南京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院，江蘇 南京 210037

化肥的過量施用導(dǎo)致氮磷養(yǎng)分的淋失，引起地下水污染和河流湖泊的富營養(yǎng)化。生物炭具有高孔隙度和比表面積大的特點，其對親水和疏水分子的吸附作用取決于生物炭的表面官能團(tuán)（Major et al.，2009）。生物炭表面帶有大量負(fù)電荷，并包含一系列含氧、含氮、含硫官能團(tuán)，具有很大的陽離子交換量（CEC），理論上能夠吸附大量可交換態(tài)陽離子（Liang et al.，2006）。由于其固有的這些理化特性，生物炭的添加可以作為減少土壤養(yǎng)分淋失的一種有效方法。

Laird et al.（2010）報道，生物炭和有機(jī)肥混施的土柱滲濾液中，總氮和總磷含量隨生物炭添加量的增加而顯著降低。李江舟等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能夠有效減少植煙土壤硝態(tài)氮和磷素的淋溶損失，降低地下水污染風(fēng)險。陳燦在酸雨淋溶條件下，在紅壤性稻田土壤中施用鳳眼蓮生物炭，施用1 年后土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總磷的淋失量分別減少8.2%—49.8%，14.3%—76.2%和16.6%—43.3%，表明在短期內(nèi)鳳眼蓮生物炭的施用有助于主要礦質(zhì)元素的保蓄持留，對減控稻田面源氮磷流失具有重要作用。

相反，還有一些研究報道生物炭的添加，并沒有減少土壤養(yǎng)分淋失，甚至還增加了土壤磷素的淋失。Ventura et al.（2012）報道，蘋果園亞堿性土壤中添加生物炭，并沒有對土壤銨態(tài)氮的淋失產(chǎn)生顯著影響。Hardie et al.（2015）報道，土壤中添加木炭對硝酸鹽的濃度或通量沒有顯著影響，而且還會導(dǎo)致滲濾液中磷濃度顯著增加。李江舟等（2015）和徐藝倩等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后，黃棕壤磷素淋失總量變化不明顯。以上研究結(jié)果的差異可能是由于土壤性質(zhì)、生物炭特性和施用量，以及施肥狀況不同等因素引起的。

目前關(guān)于生物炭的研究主要集中在生物炭施用對農(nóng)田土壤養(yǎng)分淋失以及提高氮肥利用率等方面。然而，生物炭在濱岸緩沖帶和濕地等系統(tǒng)中可能具有更大的應(yīng)用潛力。Ballantine et al.（2015）發(fā)現(xiàn)，添加生物炭使恢復(fù)濕地土壤的陽離子交換量增加10%。同時，土壤微生物生物量和微生物活性在生物炭施用后的幾年時間都持續(xù)增加。生物炭作為土壤改良劑，可以加速植物和土壤之間的相互作用，這將有助于恢復(fù)濕地的水質(zhì)改善，以及生物多樣性功能的提高（Ballantine et al.，2015）。

稻殼是我國豐富的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，稻殼表面堅硬，硅含量高，容重小，不易被細(xì)菌分解（Zhu et al.，2012）。將稻殼廢棄物轉(zhuǎn)化為稻殼炭，并將其應(yīng)用于田間系統(tǒng)是一種安全有益的處理方法。本研究通過土柱淋溶試驗，研究了不同施用率（0%，1%，2%和5%）稻殼炭與肥料（NH4NO3和KH2PO4）混施后對太湖濱岸灰潮土氮磷淋失的影響，以及對灰潮土性質(zhì)的改良作用，為太湖濱岸植被帶恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 稻殼炭與土壤性質(zhì)

試驗用稻殼炭由河南三利新能源有限公司購得，最高熱解溫度為500 ℃。稻殼炭C、N 含量采用元素分析儀測定（Vario El III，Elementar，德國）。稻殼炭容重通過100 cm3不銹鋼柱測定未壓實的稻殼炭重量來確定。稻殼炭pH 和電導(dǎo)率（EC）以炭水比1:10 的比例浸提后，分別采用酸度計和電導(dǎo)率儀測定。稻殼炭中可溶性氮（NH4+和NO3-）用2 mol·L-1KCl 提取，可溶性磷（PO43-）用0.01 mol·L-1CaCl2提取，提取液中NH4+、NO3-和PO43-的含量采用流動分析儀測定（SKALAR SAN++8505，Skalar，荷蘭）。稻殼炭理化性質(zhì)見表1。本研究以宜興市東南部太湖濱岸表層0—10 cm 土壤為供試土壤。該土壤屬于灰潮土，土壤質(zhì)地為粉質(zhì)壤土，土壤體積質(zhì)量（容重）1.36 g·cm-3，pH (1:10 水提) 5.9，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)15.1 g·kg-1，總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.83 g·kg-1，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)8.34 mg·kg-1。

1.2 土柱淋溶試驗

采用土柱淋溶試驗研究了稻殼炭施用對灰潮土氮磷養(yǎng)分淋失的影響。土柱由PVC管制成，長30 cm，直徑10 cm，兩端加開孔蓋子。在柱底部安裝了玻璃纖維濾網(wǎng)，并在濾網(wǎng)上放置了一層3 cm 的石英砂，以防止土壤流失。將1 000 g 烘干重的土壤分別與0、10、20、50 g 烘干重的稻殼炭混合均勻裝柱，以下簡稱為CK、RC1、RC2 和RC3。對照土柱（CK）未添加稻殼炭，每種處理重復(fù)4 次。

土柱淋溶試驗在25 ℃，75%相對濕度的恒溫室內(nèi)進(jìn)行16 周。土柱第一周用1 500 mL 去離子水沖洗進(jìn)行預(yù)處理，第2 周在土柱頂端加入200 mL營養(yǎng)液，營養(yǎng)液中含有50 mg·L-1NH4+，50 mg·L-1NO3-和50 mg·L-1PO43-（以NH4NO3和KH2PO4的形式加入）。隨后，每隔一周用200 mL 去離子水沖洗土柱，并收集滲濾液。滲濾液中NH4+、NO3-和PO43-的濃度采用流動分析儀測定（SKALAR SAN++8505）。滲濾液中NH4+的累積淋失量計算公式為：

其中ρt為淋溶第t 周滲濾液中NH4+的質(zhì)量濃度（mg·L-1），Vt為淋溶第t 周滲濾液體積（L）。滲濾液中NO3-和PO43-的累積淋失量計算方法與NH4+相同。

1.3 土壤分析

土柱試驗結(jié)束后，對各土柱的土壤樣品進(jìn)行了采集和分析。采用環(huán)刀法測定土壤體積質(zhì)量（容重）；采用DIK-1130 型土壤三相儀測定土壤總孔隙度；采用凱氏定氮法測定土壤總氮；采用碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量；采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定土壤微生物生物量碳、氮含量（Vance et al.，1987；Brookes et al.，1985）。土壤pH 以土水比1:10（質(zhì)量比）浸提后，酸度計測定。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測定與上文稻殼炭中的檢測方法一致。土壤持水能力的測定是將15 g 的風(fēng)干土壤放置在一個PVC 環(huán)內(nèi)（內(nèi)徑6 cm，高度5 cm），底部墊一張Whatman No. 42濾紙，然后將PVC環(huán)放置在托盤上，讓底部3 cm 的PVC 環(huán)浸濕在水中，直到土壤飽和。最后，將PVC 環(huán)轉(zhuǎn)移到濾網(wǎng)上，以便在重力作用下自由排水，自由排水后土壤的含水率即為土壤的持水能力（Yoo et al.，2014）。

1.4 統(tǒng)計分析

采用SPSS 13.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差異檢驗（LSD），確定測量變量處理之間的差異是否顯著（P＜0.05）。采用Origin 8.5 軟件繪圖。

表1 稻殼炭的理化性質(zhì) Table 1 Basic physicochemical properties of rice husk biochar

2 結(jié)果與分析

2.1 稻殼炭施用對太湖濱岸灰潮土氮磷淋失的影響

灰潮土土柱滲濾液中銨態(tài)氮濃度和銨態(tài)氮累積淋失量隨時間的變化趨勢如圖1 所示。對照土柱施肥后, 滲濾液中NH4+-N 質(zhì)量濃度在第10 周達(dá)到15 mg·L-1的最大值。在稻殼炭處理的土柱（RC1、RC2 和RC3）滲濾液中，NH4+-N 質(zhì)量濃度在第4周達(dá)到峰值，隨后逐漸下降，到第16 周下降到2—6 mg·L-1（圖1A）。淋溶試驗進(jìn)行16 周后，與對照相比，稻殼炭處理的RC1、RC2 和RC3 土柱滲濾液中NH4+-N 累積淋失量分別減少11.7%，15.8%和26.6%（圖1B）。

稻殼炭處理的土柱滲濾液中NO3--N 濃度從第10 周以后，均顯著低于對照土柱滲濾液中NO3--N濃度（圖2A）。與對照相比，稻殼炭處理的RC1、RC2 和RC3 土柱滲濾液中NO3--N 累積淋失量分別顯著減少32.4%，56.7%和67.3%（圖2B）。

土柱滲濾液中PO43--P 濃度的波動較大，在第8 周達(dá)到峰值（圖3A）。與對照相比，稻殼炭處理的RC2 和RC3 土柱滲濾液中PO43--P 累積淋失量分別顯著增加32.1%和54.2%（圖3B）。

2.2 稻殼炭施用對太湖濱岸灰潮土理化性質(zhì)及土壤微生物生物量的影響

隨著稻殼炭施用量的增加，稻殼炭添加16 周后，灰潮土的pH 值、總孔隙度和持水能力不斷增加，而土壤容重下降（表2）。不同施用量稻殼炭處理土壤容重減少了1.9%—13.9%，而土壤孔隙度增加了2.9%—12.8%。RC3 稻殼炭處理土壤pH 顯著增加了0.71，持水能力顯著增加了26.4%。

稻殼炭施用16 周后，與對照相比，濱岸灰潮土銨態(tài)氮含量顯著降低了22.0%—59.5%（圖4A），硝態(tài)氮含量顯著增加了34.0%—75.5%（圖4B），土壤總氮含量顯著增加了42.2%—51.1%（圖4C）。土壤有效磷含量在RC2 和RC3 處理下分別顯著增加了50.4%和71.5%（圖4D）。

灰潮土土壤微生物生物量碳在RC2 和RC3 處理下分別顯著增加了22.4%和36.8%，土壤微生物 生物量氮在RC3 處理下顯著增加了48.4%（圖5）。

圖1 添加稻殼炭對灰潮土土柱滲濾液中NH4+-N 質(zhì)量濃度及累積淋失量的影響 Fig. 1 Temporal changes in the mass concentration and cumulative loss of NH4+-N in the leachate of soil columns with rice husk biochar application

圖2 稻殼炭施用對灰潮土土柱滲濾液中NO3—N 質(zhì)量濃度及累積淋失量的影響 Fig. 2 Temporal changes in the mass concentration and cumulative loss of NO3--N in the leachate of soil columns with rice husk biochar application

圖3 稻殼炭施用對灰潮土土柱滲濾液中PO43--P 的質(zhì)量濃度及累積淋失量的影響 Fig. 3 Temporal changes in the mass concentration and cumulative loss of PO43--P in the leachate of soil columns with rice husk biochar application

圖4 稻殼炭和肥料混施16 周對灰潮土總氮，銨態(tài)氮，硝態(tài)氮和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 Fig. 4 Effect of rice husk biochar and fertilizer addition on soil total N, NH4+-N, NO3--N, and available P content after 16-week biochar-soil contact time

表2 稻殼炭和肥料混施16 周對灰潮土pH，體積質(zhì)量(容重)， 總孔隙度，以及持水能力的影響 Table 2 Effect of rice husk biochar and fertilizer addition on soil pH, bulk density, total porosity, and water holding capacity after 16-week biochar-soil contact time

3 討論

添加稻殼炭減少了太湖濱岸灰潮土11.7%—26.6%的銨態(tài)氮淋失，減少了32.4%—67.3%的硝態(tài)氮淋失，但在RC2 和RC3 處理下，分別顯著增加了32.1%和54.2%的磷酸鹽淋失量。Bradley et al.（2015）報道，在施用有機(jī)肥的砂土土柱淋溶試驗中，添加不同施用量的木炭，使?jié)B濾液中總氮淋失量減少了21.2%—59.1%，NO3--N 減少了17.1%—46.3%，NH4+-N 減少了46.0%—90.2%。李江舟等（2015）添加生物炭到不同類型土壤中，紫色土、赤紅壤和黃棕壤的硝態(tài)氮淋洗總量分別減少16.4%、14.2%和22.3%。生物炭表面帶有大量負(fù)電荷，具有較大的陽離子交換量。因此，銨態(tài)氮淋失量顯著減少主要歸因于稻殼炭對NH4+的吸附作用。Lawrinenko et al.（2015）研究表明，500 ℃熱解的生物炭通常具有較低的陰離子交換量。因此，稻殼炭對NO3-的吸附作用并不是硝態(tài)氮淋失量顯著減少的主要機(jī)理。Yao et al.（2012）在其研究的13 種生物炭中也發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)生物炭對NH4+均有較好的吸附作用，而對NO3-幾乎沒有吸附作用。

圖5 稻殼炭和肥料混施16 周對灰潮土土壤微生物生物量碳、 氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 Fig. 5 Effect of rice husk biochar and fertilizer addition on soil microbial biomass C and N content after 16-week biochar-soil contact time

稻殼炭添加16 周后，濱岸灰潮土土壤微生物生物量氮在5%施用率下顯著增加。當(dāng)土壤中施用C/N 比為30 或更高的有機(jī)基質(zhì)時，通常會發(fā)生土壤微生物對氮的固定作用（Pratiwi et al.，2016）。本研究中稻殼炭的C/N 比為73.9，稻殼炭較高的C/N比，將會刺激土壤微生物對N 的固定。尤其當(dāng)?shù)練ぬ渴┯昧枯^高時，土壤生物炭混合物的C/N 比將明顯增加，從而引起土壤微生物生物量氮含量顯著增加。Burger et al.（2003）認(rèn)為，生物炭中含有的可利用碳組分，刺激了土壤微生物的活性，使土壤微生物對氮的需求增加，從而促進(jìn)了土壤NO3-的固定和再循環(huán)。因此，我們認(rèn)為濱岸灰潮土硝態(tài)氮淋失量顯著減少主要歸因于土壤微生物對NO3-的固定。

稻殼炭本身含有較高的可溶性磷（表1），稻殼炭添加到土壤中以后，這部分可溶性磷酸鹽不斷釋放到土壤中，導(dǎo)致RC2 和RC3 處理的土柱滲濾液中PO43--P 累積淋失量顯著增加。這與Hardie et al.（2015）和Bradley et al.（2015）的研究結(jié)果一致。他們也發(fā)現(xiàn)生物炭的施用顯著增加了土壤滲濾液中磷酸鹽的濃度和累積淋失量。Soinne et al.（2014）和Xu et al.（2014）研究發(fā)現(xiàn)，不同種類的生物炭對磷酸鹽均沒有吸附作用。因此，我們認(rèn)為稻殼炭不能通過吸附作用來截留磷酸鹽的流失。

由于稻殼炭的疏松、多孔結(jié)構(gòu)，其容重遠(yuǎn)低于礦質(zhì)土壤，因此，添加稻殼炭使濱岸灰潮土的土壤容重降低，土壤總孔隙度和持水能力隨著施用量的增加而不斷增加。孫嘉曼等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，5%稻殼炭與石灰土混合后，土壤毛管持水量顯著提高14.4%。嚴(yán)陶韜等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，添加4%稻殼炭到黃棕壤中，顯著降低了土壤容重，提高了土壤總孔隙度和飽和持水量。生物炭的堿性屬性使其能夠提高酸性土壤的pH 值，添加5%稻殼炭使灰潮土pH 接近中性。Glaser et al.（2002）報道，通過在生物炭的微孔和中孔中保留土壤水，可以實現(xiàn)溶解性養(yǎng)分的保留。然而，Knowles et al.（2011）指出，生物炭自身的高孔隙度將迅速飽和，因此，土壤持水能力的提高不足以充分解釋土壤養(yǎng)分淋失量的顯著減少。

稻殼炭添加顯著增加了濱岸灰潮土的總氮含量，其原因可能是土壤氮素淋失量減少，或者是土壤微生物對氮的固定增加而引起的。同時研究發(fā)現(xiàn)，稻殼炭處理16 周后，灰潮土銨態(tài)氮含量下降，而硝態(tài)氮含量增加，這表明添加稻殼炭促進(jìn)了土壤硝化作用。Yoo et al.（2014）在稻田土壤施用生物炭后，也發(fā)現(xiàn)土壤銨態(tài)氮含量下降，硝態(tài)氮含量增加。DeLuca et al.（2006）在砂質(zhì)壤土和粉砂壤土中施用生物炭，土壤的硝化潛力顯著增加。

稻殼炭添加顯著增加了濱岸灰潮土有效磷含量，這可能是由多種機(jī)制引起的。首先，本試驗中的稻殼炭具有較高的可溶性磷含量（表1），這部分可溶性磷被釋放到土壤中，將會引起土壤有效磷含量增加。Xu et al.（2014）和Kim et al.（2016）研究發(fā)現(xiàn)，稻殼炭是磷酸鹽的凈來源，能夠為土壤提供磷素養(yǎng)分。第二種可能的機(jī)制是稻殼炭的添加增加了土壤微生物生物量和微生物活力，從而促進(jìn)了土壤有機(jī)磷的礦化。Kimura et al.（1989）研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中加入木炭會刺激異養(yǎng)溶磷微生物活性，從而促進(jìn)了土壤有機(jī)磷的降解，使土壤有效磷含量增加。

目前，生物炭用于強化濕地系統(tǒng)凈化水質(zhì)的研究已有報道。例如，Kizito et al.（2017）的研究表明以生物炭作為填料的人工濕地對銨態(tài)氮、總氮和總磷的去除率明顯高于普通礫石填料濕地。段婧婧等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，生物炭和水芹濕地系統(tǒng)耦合，可以增強對污水中氮磷的凈化效果，且對土壤養(yǎng)分有一定的固持作用，其植株地上部分生物量和養(yǎng)分累積量增加。然而，生物炭施用對濱岸土壤養(yǎng)分淋失以及土壤性質(zhì)的影響的研究尚未見報道。本研究發(fā)現(xiàn)施用1%—5%稻殼炭減少了太湖濱岸灰潮土NH4+-N 和NO3--N 的淋失，但當(dāng)施用量為5%時，顯著增加了54.2%的PO43--P 淋失。因此，我們認(rèn)為1%—2%的稻殼炭添加量較為合適。同時，添加1%—2%的稻殼炭提高了灰潮土氮磷養(yǎng)分以及土壤微生物生物量碳氮含量，這將有利于太湖濱岸緩沖帶植被生長。

4 結(jié)論

稻殼炭施用可以顯著減少太湖濱岸灰潮土氮素的淋失，這主要歸因于稻殼炭對銨態(tài)氮的吸附，以及土壤微生物對硝態(tài)氮的固定。然而，稻殼炭的添加將會增加土壤磷素淋失的風(fēng)險。同時，施用稻殼炭可以提高土壤總氮、有效磷以及土壤微生物生物量，這將有利于太湖濱岸植被帶的恢復(fù)。由于稻殼炭施用于土壤后，其表面的理化性質(zhì)會隨時間而發(fā)生變化。因此，施用稻殼炭對太湖濱岸灰潮土養(yǎng)分淋失的抑制效應(yīng)，以及對土壤性質(zhì)的改良作用需要長期的野外試驗來進(jìn)一步評估。