蘆荻生物質(zhì)炭基肥研制及其對(duì)水稻土氮損失的影響

趙 杭， 周 旋， 王藝哲， 張含豐， 顏波靜， 許 緣， 曾 雯， 張玉平

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省土壤肥料研究所， 長(zhǎng)沙 410125)

生物質(zhì)炭是由生物質(zhì)材料在低氧或缺氧條件下經(jīng)熱裂解后制備而成，因其比表面積大，孔隙結(jié)構(gòu)豐富，能吸附固持土壤中氮、磷養(yǎng)分，減少土壤中養(yǎng)分流失。同時(shí)其表面具有大量負(fù)電荷及高電荷密度特性，能吸附固定水、土壤或沉積物中極性或非極性有機(jī)化合物以及無(wú)機(jī)離子如銨根離子和硝酸根離子等。因此，農(nóng)田施用生物質(zhì)炭對(duì)改良土壤、固碳、減排氮磷、提高作物產(chǎn)量具有積極意義。

生物質(zhì)炭基肥是以生物質(zhì)炭為養(yǎng)分緩釋載體，將化肥與養(yǎng)分載體有機(jī)結(jié)合而制成肥料，不僅能發(fā)揮生物炭改良土壤的優(yōu)點(diǎn)，又可結(jié)合農(nóng)作物需肥規(guī)律持續(xù)供應(yīng)養(yǎng)分，減少養(yǎng)分損失，賦予其緩釋和固碳的雙重功能。已有研究認(rèn)為，生物質(zhì)炭基肥具有含碳量高、減肥增效和養(yǎng)分可持續(xù)供應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在改善土壤理化性狀、減少化肥投入、促進(jìn)作物生長(zhǎng)等方面具有良好的應(yīng)用前景。近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，以秸稈資源化利用為目標(biāo)，高效生物質(zhì)炭基肥研發(fā)與應(yīng)用已成為植物營(yíng)養(yǎng)與肥料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

生物質(zhì)炭的制備原料、炭基肥配比及其制備方法等因素直接影響生物質(zhì)炭基肥的機(jī)械性能、養(yǎng)分釋放和肥效。目前，生物質(zhì)炭基肥生產(chǎn)工藝主要包括摻混法、吸附法、包膜法和混合造粒法等，其中包膜法主要是以生物炭細(xì)粉狀顆粒包裹速效性化肥顆粒，逐漸釋放養(yǎng)分供農(nóng)作物利用，可有效減少因肥料的分解、揮發(fā)、沖蝕等造成的養(yǎng)分損失，提高肥料利用率?；旌显炝７ㄊ菍⑸镔|(zhì)炭與一種或者多種肥料粉碎后，形成粒度接近的粉狀顆粒進(jìn)行混合造粒，該方法生產(chǎn)效率高、操作簡(jiǎn)便，是目前肥料生產(chǎn)的主要方式。

當(dāng)前，洞庭湖區(qū)蘆荻產(chǎn)量大，原有用于造紙?jiān)系睦梅绞綄?duì)環(huán)境污染過(guò)大，隨意處置不僅造成資源浪費(fèi)，而且會(huì)造成更大的污染?；诖?，本文以洞庭湖蘆荻秸稈炭基化利用為目標(biāo)，將洞庭湖綠色安全、可再生、資源量巨大的蘆荻生物秸稈熱解炭化，作為肥料載體，采用包膜造粒和混合造粒工藝研制生物質(zhì)炭基肥，結(jié)合盆栽試驗(yàn)方法，對(duì)比研究不同生產(chǎn)工藝、不同碳基添加比例條件下蘆荻生物質(zhì)炭基肥的基本性狀，以及施用后氮素?fù)p失上的差異，以期為優(yōu)化生物炭基肥配方及其生產(chǎn)工藝、促進(jìn)蘆荻秸稈炭基化肥料利用與推廣提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻品種為“湘早秈45號(hào)”。供試土壤為花崗巖發(fā)育的麻沙泥，取自瀏陽(yáng)市永和鎮(zhèn)，其基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。蘆荻生物質(zhì)炭原材料為洞庭湖蘆荻秸稈，在500 ℃高溫密閉條件下的炭化制成，其基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。生物質(zhì)炭包膜炭基肥制備肥料為NPK復(fù)合肥芯(N∶PO∶KO為26∶10∶15)，粒徑2～4 mm。混合造粒炭基肥制備肥料為尿素(含N 46%)、磷酸一銨(含PO45%)、氯化鉀(含KO 62%)。其他輔助材料包括膨潤(rùn)土、腐殖酸、玉米淀粉黏結(jié)劑。造粒設(shè)備為開(kāi)放式圓盤造粒機(jī)。

表1 供試土壤及生物質(zhì)炭基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 蘆荻生物質(zhì)炭基肥制備 以蘆荻生物炭制備包膜炭基肥(CT)與混合炭基肥(MT)2種工藝肥料。改性玉米淀粉黏結(jié)劑制備：將50 g玉米淀粉加入100 mL水中，不斷攪拌下添加適量濃硫酸進(jìn)行催化，5 min左右后加入5 g高錳酸鉀溶液氧化1 h并不斷攪拌，然后加入4 g氫氧化鈉糊化20 min，加入1 g硼砂交聯(lián)15 min，最后加入適量水充分?jǐn)嚢韬?，冷卻得淀粉黏結(jié)劑。加水稀釋至0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以供緩釋肥制備使用。

按重量計(jì)，氮磷鉀肥料占60%，生物質(zhì)炭及其他輔助材料占40%。2種劑型的生物質(zhì)炭基肥中的生物質(zhì)炭添加比例均設(shè)5個(gè)梯度，具體材料配方見(jiàn)表2。設(shè)備轉(zhuǎn)速設(shè)為40 r/min，預(yù)熱30 min。

包膜炭基肥研制過(guò)程：在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的造粒機(jī)中加入顆粒復(fù)合肥后撒施部分包膜材料粉末，轉(zhuǎn)動(dòng)片刻，噴淋一部分黏結(jié)劑，使顆粒尿素表面形成一層黏結(jié)液，從而形成一層緊密的包裹層。繼續(xù)撒施部分包膜材料粉末，重復(fù)上述過(guò)程直到粉末全部包裹上顆粒肥，外表油亮光澤為止。

混合炭基肥研制過(guò)程：將制備炭基混合肥所需尿素、粉狀磷酸一銨、氯化鉀3種肥料粉末混合均勻后與表2所示生物質(zhì)炭混合材料再次混勻。將一部分混合好的粉末倒入預(yù)熱好的圓盤造粒機(jī)造粒，轉(zhuǎn)動(dòng)片刻，噴淋黏結(jié)劑。再逐漸加入剩余粉末，如此噴淋黏結(jié)劑多次，粉末會(huì)變成米粒大小的引子，并且逐漸變大成球形。重復(fù)上述過(guò)程直至所有粉末全部添加，外表油亮光澤為止。上述2種生物炭基肥均于45 ℃烘箱中烘干后取出過(guò)篩，封裝于聚乙烯袋中，置于陰涼干燥處儲(chǔ)存，于2周后進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。

表2 炭基肥制作所用生物質(zhì)炭及其他輔助材料的含量配比 單位：%

1.2.2 水稻盆栽試驗(yàn) 試驗(yàn)于2021年4—8月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)基地進(jìn)行。水稻盆栽模擬土柱試驗(yàn)裝置為內(nèi)徑25 cm、高50 cm的PVC圓柱管，管底裝配可自由旋開(kāi)或關(guān)閉的螺口蓋。蓋底中央開(kāi)有1個(gè)直徑約0.5 cm的圓孔，采用密封膠固定安裝連接圓孔且尾部帶有閥門的塑料管，以控制土柱內(nèi)滲漏水的流出。為方便收集滲漏水，在圓柱管底部鋪2 cm厚的沙礫，圓孔周圍用紗布包裹以防止土粒堵塞塑料管。

盆栽試驗(yàn)設(shè)8個(gè)處理：CK，不施肥；NPK，施常規(guī)肥；CT2，生物質(zhì)炭占肥料質(zhì)量15%的包膜炭基肥；CT3，生物質(zhì)炭占肥料質(zhì)量20%的包膜炭基肥；CT4，生物質(zhì)炭占肥料質(zhì)量25%的包膜炭基肥；MT1，生物質(zhì)炭占肥料質(zhì)量10%的混合炭基肥；MT2，生物質(zhì)炭占肥料質(zhì)量15%的混合炭基肥；MT3，生物質(zhì)炭占肥料質(zhì)量20%的混合炭基肥。每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)排列。水稻移栽前1天施肥，N用量為200 kg/hm，PO用量為90 kg/hm，KO用量為186 kg/hm。水稻于4月28日移栽，8月15日收獲。肥水管理采用常規(guī)方法，盆栽試驗(yàn)氮素滲漏裝置見(jiàn)圖1。

圖1 盆栽試驗(yàn)裝置示意

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 生物質(zhì)炭基肥基本性能測(cè)定

(1)生物質(zhì)炭基肥氮素釋放性能測(cè)定：稱取12.50 g緩釋肥放入1 mm孔徑的指形網(wǎng)袋中，封口后，將網(wǎng)袋置于玻璃瓶中，加入250 mL蒸餾水，加蓋密封，于25 ℃恒溫箱中靜置。每個(gè)處理3次重復(fù)。取樣時(shí)，搖動(dòng)玻璃瓶使瓶?jī)?nèi)液體濃度一致，取樣后瓶?jī)?nèi)剩余液體倒出并加入250 mL蒸餾水再次放入恒溫箱繼續(xù)培養(yǎng)。浸出液氮濃度采用過(guò)硫酸鉀法測(cè)定。

(2)粒徑：隨機(jī)取出30粒制備好的生物質(zhì)炭基肥顆粒置于培養(yǎng)皿中，利用游標(biāo)卡尺測(cè)量每粒肥料顆粒的粒徑并計(jì)算肥料平均粒徑及標(biāo)準(zhǔn)差。

(3)抗壓強(qiáng)度：隨機(jī)取出制備好的生物質(zhì)炭基肥顆粒，利用質(zhì)構(gòu)儀(MTS insight 30)測(cè)定每個(gè)肥料顆粒的抗壓力值，重復(fù)5次，計(jì)算其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

(4)結(jié)構(gòu)特征：采用掃描電鏡(Apreo，賽默飛)對(duì)制備好的生物質(zhì)炭基肥顆粒橫截面進(jìn)行掃描分析，觀察不同粒徑生物質(zhì)炭基肥顆粒的結(jié)構(gòu)特征。

1.3.2 盆栽試驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)與方法

(1)氨揮發(fā)監(jiān)測(cè)：采用密閉室間歇式通氣法收集氨氣。氨揮發(fā)吸收液為20 g/L硼酸，施肥后連續(xù)監(jiān)測(cè)6天，之后每3天監(jiān)測(cè)1次，直至氨揮發(fā)趨近于0為止。每次抽氣結(jié)束后，用標(biāo)準(zhǔn)稀硫酸(0.02 mol/L)進(jìn)行滴定，并計(jì)算氨揮發(fā)量。測(cè)定分析各處理氨揮發(fā)速率，并計(jì)算其累積揮發(fā)量。計(jì)算公式為：

式中：為氨揮發(fā)速率(以NH-N計(jì)，kg/(hm·d))；為標(biāo)準(zhǔn)稀硫酸的滴定濃度(mol/L)；為滴定消耗稀硫酸的體積(mL)；14為每摩爾氨中N的質(zhì)量數(shù)(g/mol)；為捕獲裝置的截面積(m)；為NH揮發(fā)的收集時(shí)間(h)。

氨揮發(fā)累積量 (kg/hm)=測(cè)定時(shí)期內(nèi)每次收集的氨揮發(fā)通量之和

氨揮發(fā)損失率(%)=(各處理的氨累積揮發(fā)量-不施肥處理的氨累積揮發(fā)量)/施氮量×100%

(2)水樣氮素測(cè)定：水稻施肥后前6天，之后每3天1次，后期每11天1次，連續(xù)采集14次盆栽盆面水；施肥后第1，3，5，7天連續(xù)收集滲漏水，之后每7，11天收集1次滲漏水樣，共9次，測(cè)定盆面水和滲漏水中銨氮、硝氮和全氮濃度。全氮濃度釆用紫外分光光度法測(cè)定；銨氮、硝氮濃度采用SmartChem200全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，顯著性分析采用最小顯著差異法(LSD)。采用Origin 8.5軟件進(jìn)行作圖及方程擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭基肥理化性能評(píng)價(jià)

2.1.1 生物質(zhì)炭基肥粒徑 肥料顆粒均勻度是評(píng)價(jià)肥料質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。由表3可知，各處理的包膜生物質(zhì)炭基肥粒徑為3.50～6.50 mm，最大粒徑為5.50～6.50 mm，均值為4.20～4.50 mm，CT5的均值顯著大于其他包膜肥處理，但其他4個(gè)包膜肥處理之間差異不明顯。而混合生物質(zhì)炭基肥粒徑為3.00～8.00 mm，最大粒徑為6.00～8.00 mm，各處理均值為4.00～5.60 mm，各處理間差異顯著，其中MT4、MT5處理粒徑過(guò)大，不利于運(yùn)輸保存。粒徑統(tǒng)計(jì)綜合反映出蘆狄包膜生物質(zhì)炭基肥均值差異較小，均勻度較高，造粒難度較混合炭基肥更小。

表3 不同工藝制備下生物質(zhì)炭基肥粒徑 單位：mm

2.1.2 生物質(zhì)炭基肥抗壓強(qiáng)度 肥料抗壓強(qiáng)度越高，其硬度越大，越利于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。一般復(fù)混肥顆粒平均抗壓強(qiáng)度>12.00 N代表具有較高的硬度。由表4可知，包膜炭基肥除CT5抗壓強(qiáng)度較小外，其余處理均達(dá)到12 N以上。而混合炭基肥各處理抗壓強(qiáng)度均顯著低于包膜炭基肥，MT4、MT5處理因抗壓強(qiáng)度過(guò)低被淘汰。說(shuō)明本試驗(yàn)條件下蘆荻包膜炭基肥的抗壓性優(yōu)于混合炭基肥。

表4 不同工藝制備下蘆荻生物質(zhì)炭基肥抗壓強(qiáng)度 單位：N

2.1.3 生物質(zhì)炭基肥微觀結(jié)構(gòu) 由圖2可知，CT2、CT3和CT4處理內(nèi)部膜層較為細(xì)密緊致無(wú)明顯損毀。其中添加量20%～25%包膜炭基肥膜層與肥芯緊密結(jié)合，更加光滑平整。而CT1、CT5處理膜層相對(duì)粗糙多裂痕。反映出生物質(zhì)炭添加量越高，越有助于膜層形成，但是達(dá)到30%后會(huì)加重造粒難度。MT1、MT2和MT3處理混合材料間粘結(jié)較緊密，空隙少且小。而超過(guò)25%比例添加量，混合炭基肥結(jié)構(gòu)松散、碎塊多、分布不均勻，造粒效果不理想。

注：CT放大倍數(shù)為×25，MT放大倍數(shù)為×200。

2.1.4 生物質(zhì)炭基肥養(yǎng)分釋放規(guī)律 由圖3可知，NPK處理于第1天氮素累積釋放率已達(dá)82%，而包膜炭基肥處理平均累積氮素釋放率僅為47.80%，混合炭基肥處理為31.98%。第7天，CT1、CT2、CT3、CT4和CT5處理累積氮素釋放率分別較NPK處理降低30.53%，27.37%，27.37%，41.05%和29.47%，CT4處理較其他4個(gè)處理顯著降低氮素累積釋放率；MT1、MT2、MT3、MT4和MT5分別降低46.32%，62.10%，58.95%，28.42%和38.95%，反映出蘆狄混合炭基肥較包膜炭基肥氮素釋放緩慢，有助于減緩氮素流失，其中MT1、MT2、MT3處理與其他2個(gè)處理相比氮素緩釋效果更顯著，可應(yīng)用于后續(xù)盆栽試驗(yàn)。

圖3 不同工藝制備下蘆狄生物質(zhì)炭基肥浸出液氮素累積釋放率

2.2 氮素?fù)p失

2.2.1 氨揮發(fā)損失特征 由圖4可知，施肥后各處理氨揮發(fā)速率迅速升高，達(dá)峰值后逐漸下降。NPK處理氨揮發(fā)速率于第4天達(dá)到峰值(1.34 kg/(hm·d))。而包膜炭基肥CT2、CT3和CT4處理氨揮發(fā)速率峰值較NPK處理分別降低32.87%，33.53%和19.04%，混合炭基肥MT1、MT2和MT3處理分別降低17.10%，40.68%和31.60%。故2種工藝制備炭基肥均能有效降低水稻土中氨的揮發(fā)，而在一定用量范圍內(nèi)施加生物質(zhì)炭會(huì)對(duì)水稻土中的氨損失起到抑制作用，均以15%和20%添加量減排效果較好。其中，CT3和MT2處理氨揮發(fā)累積量較NPK處理分別顯著降低28.04%和41.56%。NPK處理氨揮發(fā)損失率達(dá)3.14%，而包膜炭基肥處理為2.27%(2.02%～2.62%)，混合炭基肥處理為1.92%(1.47%～2.50%)。說(shuō)明蘆荻生物炭基肥能有效降低氨揮發(fā)累積量及損失率，且混合炭基肥氨揮發(fā)損失率較包膜炭基肥低，以MT2處理最低。

2.2.2 盆面水氮素流失 由圖5可知，施肥后盆面水銨氮濃度整體呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)。NPK處理在第1天的銨氮濃度高達(dá)40.67 mg/L，而后逐漸下降，在第4天再次出現(xiàn)峰值，前1周內(nèi)銨氮濃度顯著高于其他炭基肥處理。包膜炭基肥處理中，CT4第1天銨氮濃度達(dá)33.72 mg/L，CT2、CT3處理在第2天出現(xiàn)第1個(gè)峰值，而后逐漸下降，并于第6～9天才達(dá)到第2個(gè)峰值，分別為27.32，25.34，23.33 mg/L?；旌咸炕侍幚碇?，均與第1天達(dá)到第1個(gè)峰值，分別為29.81，32.26，26.04 mg/L，而后逐漸下降于第5～9天出現(xiàn)第2個(gè)峰值分別為24.65，20.92，23.93 mg/L。從峰值大小來(lái)看，2種生物質(zhì)炭基肥均降低盆面水銨氮濃度；從峰值出現(xiàn)時(shí)點(diǎn)來(lái)看，炭基肥有一定的緩釋效果，能夠延緩氮素的釋放。此外，NPK處理的盆面水平均銨氮濃度為18.32 mg/L，包膜炭基肥和混合炭基肥處理盆面水平均銨氮濃度較NPK分別顯著降低14.74%～20.74%，35.64%～39.90%。表明施用生物質(zhì)炭基肥能控制氮素流失風(fēng)險(xiǎn)，且混合炭基肥較包膜炭基肥更穩(wěn)定，氮素吸附固定效果更好。

注：(b)圖中柱狀圖為累積氨揮發(fā)損失率；折線圖為累積氨揮發(fā)量。

圖5 不同工藝制備蘆狄生物炭基肥下盆面水及滲漏水氮濃度

盆面水硝態(tài)氮濃度先升高后下降，施肥后前4天內(nèi)，硝氮濃度幾乎為0，施肥后第5天NPK處理達(dá)到最大值(21.82 mg/L)，而后急速下降，徑流滲漏風(fēng)險(xiǎn)較高，包膜炭基肥各處理盆面水平均硝氮濃度較NPK差異性不顯著；混合炭基肥處理MT2盆面水平均硝氮濃度最低，與NPK相比降低5.09%，后期炭基肥處理硝氮濃度均大于NPK，可能是因?yàn)樯镔|(zhì)炭基肥緩釋的銨氮在后期轉(zhuǎn)變?yōu)橄醯?。所有處理盆面水全氮濃度均在?天達(dá)到最大值，包膜炭基肥較NPK處理全氮濃度降低9.10%～9.66%，全氮平均濃度最高降低1.04%，無(wú)顯著性差異。混合炭基肥較NPK處理全氮濃度降低7.40%～8.67%，全氮平均濃度最高降低5.50%，能有效控制氮素流失風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3 滲漏水氮素流失 由圖5可知，滲漏水銨氮濃度整體先上升后下降，并于第21天達(dá)到峰值，與NPK處理相比，包膜炭基肥處理銨氮濃度降低5.87%～25.22%，混合炭基肥處理銨氮濃度降低7.10%～15.85%。此外，與NPK處理平均銨氮濃度(13.35 mg/L)相比，包膜炭基肥滲漏水平均銨氮濃度分別降低13.16%，14.00%和8.93%，混合炭基肥滲漏水平均銨氮濃度分別降低11.52%，12.42%和11.16%。

各處理滲漏水硝氮濃度均在第1天達(dá)到峰值，而后逐漸下降。NPK處理在第1天滲漏水硝氮濃度為14.11 mg/L，平均濃度為3.41 mg/L。包膜炭基肥各處理第1天滲漏水硝氮濃度分別為15.05，11.38，13.69 mg/L，平均濃度分別為3.60，3.16，3.60 mg/L，除CT3降低7.06%，其他處理較NPK處理均無(wú)明顯差異?；旌咸炕矢魈幚淼?天滲漏水硝氮濃度分別為15.64，11.10，11.90 mg/L，平均濃度為3.30，2.88，2.65 mg/L，3個(gè)處理均降低滲漏水硝氮平均濃度，分別降低3.22%，15.54%和22.29%，混合炭基肥吸附固定硝態(tài)氮的效果優(yōu)于包膜炭基肥，其中MT3處理最優(yōu)。滲漏水全氮濃度均在第1天達(dá)到最大值，而后逐漸下降。當(dāng)天NPK處理滲漏水全氮濃度為63.25 mg/L，平均濃度為23.08 mg/L，與之相比，包膜炭基肥3個(gè)處理平均濃度分別降低8.84%，16.38% 和10.00%?；旌咸炕?個(gè)處理平均濃度分別降低14.64%，11.14%和15.86%。

3 討 論

3.1 不同工藝制備生物質(zhì)炭基肥理化性能差異

一般來(lái)說(shuō)，炭肥比越高，生物質(zhì)炭基肥對(duì)養(yǎng)分的吸附作用越大。電鏡掃描圖(圖2)可以觀察到，隨著生物炭添加量的增加，包膜炭基肥中包膜材料與肥芯結(jié)合愈緊致，混合炭基肥中復(fù)合肥料粉末與生物質(zhì)炭粉混合更均勻。與NPK處理相比，2種生物質(zhì)炭基肥施用前期氮素釋放較慢，表明生物炭與肥料養(yǎng)分的結(jié)合增加兩者間的吸附固持作用。在一定用量范圍內(nèi)，隨著炭基肥中炭肥比的增加，2種生物質(zhì)炭基肥各處理的累積氮素釋放率逐漸降低，這是因?yàn)樯锾控S富的介孔和微孔結(jié)構(gòu)限制水分的快速進(jìn)入和養(yǎng)分的快速溶出，其豐富的官能團(tuán)對(duì)肥料中陰陽(yáng)離子和分子有很強(qiáng)的吸附作用，從而達(dá)到一定的緩釋效果。但當(dāng)生物炭添加量過(guò)高時(shí)，2種炭基肥料的N素釋放率反而升高，可能是由于膨潤(rùn)土添加量減少，導(dǎo)致肥料顆粒致密性降低，使得養(yǎng)分更易向表面遷移。炭基肥中生物炭的比例也影響著炭基肥的物理性狀，隨著生物質(zhì)炭粉比例的增加，肥料粒徑增大，顆?？箟簭?qiáng)度逐漸降低，這與生物炭粉的孔隙結(jié)構(gòu)豐富、脆性強(qiáng)等特性有關(guān)。在成粒過(guò)程中，顆粒間縫隙多，造成黏結(jié)不充分，養(yǎng)分吸附效果受到影響。適宜生物炭添加量使得2種生物炭基肥的粒徑均勻度和抗壓強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，更利于肥料的儲(chǔ)存和運(yùn)輸，可顯著減少炭基肥在運(yùn)輸過(guò)程中的養(yǎng)分流失。

生物質(zhì)炭基肥制備方法對(duì)其機(jī)械性能和緩釋性能產(chǎn)生直接影響。肥料結(jié)構(gòu)越緊密、均勻，抗壓強(qiáng)度越高，越不容易破裂，更利于肥料的緩釋作用，增強(qiáng)生物質(zhì)炭基肥的機(jī)械強(qiáng)度，減少生物質(zhì)炭基肥在施用過(guò)程中的損失。包膜生物質(zhì)炭基肥粒徑均值顯著小于混合生物質(zhì)炭基肥，且相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，表明粒徑更均勻。同時(shí)包膜生物質(zhì)炭基肥抗壓強(qiáng)度也優(yōu)于混合生物質(zhì)炭基肥，這都源于NPK復(fù)合肥芯本身的粒徑基礎(chǔ)和抗壓強(qiáng)度。此外，25%添加量包膜和15%添加量混合生物質(zhì)炭基肥處理的累積氮素釋放率分別降低41.05%和62.10%。綜上，本試驗(yàn)條件下，包膜法和混合造粒法研制生物質(zhì)炭基肥的最優(yōu)炭肥比為1∶3～1∶4和1∶5～1∶6，將來(lái)應(yīng)對(duì)炭基肥研制工藝以及生物炭配比進(jìn)行深入的研究，從而優(yōu)化生物質(zhì)炭基肥的制備條件。

3.2 不同類型生物炭基肥對(duì)土壤氨揮發(fā)的影響

一般而言，高濃度銨氮更易導(dǎo)致農(nóng)田土壤氨揮發(fā)。本研究中，生物質(zhì)炭基肥處理氨揮發(fā)速率在施肥后1～6天顯著低于NPK處理，可能是因?yàn)樯镔|(zhì)炭具有高比表面積與孔隙度決定其吸附性強(qiáng)的特質(zhì)，而表面的酸性官能團(tuán)可通過(guò)離子交換作用達(dá)到吸附固定銨離子的效果，緩解氨揮發(fā)速率。施肥6天后NPK處理氨揮發(fā)速率急速下降，而CT、MT處理下降幅度較NPK處理小，可能由于生物質(zhì)炭吸附的銨氮逐漸釋放，表明施肥初期氨揮發(fā)強(qiáng)烈，生物質(zhì)炭能有效減少氨的排放，而隨后又能釋放其固定的銨氮，補(bǔ)充土壤中氮損失，體現(xiàn)出一定的緩釋性能。施肥后1～6天NPK處理表面水銨氮濃度顯著大于生物質(zhì)炭基肥處理，后期差異性不顯著，這與氨揮發(fā)速率變化趨勢(shì)一致。因此，生物質(zhì)炭對(duì)銨離子的強(qiáng)吸附作用可有效抑制土壤中氨揮發(fā)損失。

本研究中，生物質(zhì)炭的添加有效降低氨揮發(fā)速率峰值，且20%生物質(zhì)炭添加量的包膜炭基肥和15%生物質(zhì)炭添加量的混合炭基肥延緩氨揮發(fā)速率峰值出現(xiàn)時(shí)點(diǎn)，表明適宜生物質(zhì)炭添加量的炭基肥對(duì)氮素有一定固持作用而延緩養(yǎng)分釋放。同時(shí)，CT3和MT2處理較NPK處理均顯著降低氨揮發(fā)累積量及損失率?；诖?，2種研制工藝下生物質(zhì)炭基肥的最優(yōu)添加量存在差異。

3.3 不同工藝制備生物質(zhì)炭基肥對(duì)盆面水和滲漏水氮素流失的影響

炭基肥優(yōu)良的控釋吸附能力，能有效增加對(duì)土壤養(yǎng)分的固持，降低土壤中銨氮和硝氮的淋溶率。施肥后前期(1～9天)盆面水主要以銨態(tài)氮的形式存在。與NPK處理相比，施用生物質(zhì)炭基肥顯著降低表面水氨氮濃度，這是因?yàn)樯镔|(zhì)炭存在酚羥基等基團(tuán)，能提高銨根離子在其表面的靜電吸附，將其吸附在土壤中，提高對(duì)銨的固定，從而顯著降低滲漏水銨氮濃度，緩解銨離子流失的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，生物質(zhì)炭表面與土粒對(duì)銨氮的吸咐使土壤中游離態(tài)的銨離子轉(zhuǎn)變?yōu)槲綉B(tài)，進(jìn)而降低土壤中銨氮有效性來(lái)抑制硝化作用，避免硝氮的大量積累造成淋溶及反硝化損失。此外，生物質(zhì)炭表面的陰離子交換位點(diǎn)，能吸附游離在土壤溶液中的硝氮。因此，生物質(zhì)炭基肥的施用有效降低表面水、滲漏水中的銨氮、硝氮濃度，減少氮素?fù)p失，降低面源污染風(fēng)險(xiǎn)。

炭肥比越高，官能團(tuán)、孔隙率、比表面積、陽(yáng)離子交換量等特性越明顯，因此更能有效地固持氮。Puga等研究也認(rèn)為，高生物炭含量的炭基肥對(duì)土壤氮的固持效果更大。本研究中，增加包膜生物質(zhì)炭基肥中生物質(zhì)炭添加比例由15%到25%時(shí)，混合生物質(zhì)炭基肥的生物質(zhì)炭添加比例由5%增加到15%時(shí)，更能有效減緩氮素?fù)p失，這與生物質(zhì)炭疏水性，多孔的結(jié)構(gòu)有關(guān)。2種肥料研制方式下，王思源等制備包膜生物質(zhì)炭基肥顯著降低氮素淋失率，并提高氮素利用率；付嘉英等通過(guò)圓盤造粒制備的炭基肥能有效增加蔬菜產(chǎn)量；張偉研究也表明，生物質(zhì)炭基肥的緩釋性隨生物質(zhì)炭含量的增多而升高。本研究中，混合生物質(zhì)炭基肥各處理盆面水平均銨氮和硝氮濃度較NPK最高降低39.90%(MT2)以及5.09%(MT2)，說(shuō)明15%炭添加量對(duì)于蘆荻混合生物質(zhì)炭基肥是最適宜的。包膜生物質(zhì)炭基肥各處理表面水銨氮的平均濃度較NPK分別降低20%左右(CT3，CT4差異不顯著)，且對(duì)硝氮沒(méi)有明顯的吸附固持作用。這可能是由于游離銨態(tài)氮變?yōu)槲戒@態(tài)氮，從而抑制硝化作用，避免硝氮的大量積累所引起的淋溶及反硝化損失。

對(duì)于滲漏水銨氮和硝氮的濃度分析表明，混合生物質(zhì)炭基肥最高分別降低12.42%(MT2)和22.29%(MT3)，包膜炭基肥最高分別降低14.00%(CT3)和7.06%(CT3)。綜上，生物質(zhì)炭混合炭基肥比生物質(zhì)炭包膜復(fù)合肥制得的生物質(zhì)炭基肥在添加量較少(15%左右)的條件下有更好的氮素固持作用，這取決于研制工藝上的區(qū)別。包膜造粒過(guò)程中，生物質(zhì)炭?jī)H包裹在肥料外圍，一旦包膜層吸水破裂，養(yǎng)分會(huì)快速釋放，而混合造粒過(guò)程中生物質(zhì)炭、膨潤(rùn)土等與肥料混合更為均勻，生物質(zhì)炭單位平均面積對(duì)氮素的吸附固定作用也相應(yīng)增強(qiáng)。因此，炭基肥研制工藝和生物炭占比是確定最優(yōu)炭基肥的重要因素。

4 結(jié) 論

本研究所制備的包膜炭基肥和混合造粒炭基肥均能有效降低氨揮發(fā)累積量及損失率，分別以CT3和MT2處理減排效果最好。生物炭基肥通過(guò)對(duì)氨氮的吸附顯著降低盆面水滲漏水平均銨氮濃度，有效減緩稻田氮素徑流、滲漏風(fēng)險(xiǎn)，其中以CT4和MT2效果最明顯，而對(duì)于硝氮濃度，各處理差異不顯著。炭肥比越高，生物質(zhì)炭的特性越突出，越利于降低農(nóng)業(yè)面源污染，但添加量大于一定比例后緩解效果不明顯。包膜炭基肥和混合炭基肥添加量分別以20%～25%和15%效果最優(yōu)。