褚長(zhǎng)彬,趙 崢,周德平,姜震方,吳淑杭
(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究所,上海201403)
中國(guó)是世界上最主要的桃果生產(chǎn)國(guó)。 據(jù)統(tǒng)計(jì),2016 年我國(guó)桃栽培面積達(dá)82 萬(wàn)hm2,約占世界總栽培面積的48.7%,桃果產(chǎn)量達(dá)1 400 萬(wàn)t,約占世界總產(chǎn)量的61.54%[1]。 在上海地區(qū),水蜜桃是主栽水果種類之一,2016 年種植面積6 440 hm2,產(chǎn)量約9.6 萬(wàn)t,總產(chǎn)值8 億元人民幣左右[2]。 然而,長(zhǎng)期以來(lái)的傳統(tǒng)觀念和過(guò)分依賴化肥提高產(chǎn)量的做法,不僅造成養(yǎng)分利用率低、肥料浪費(fèi),更導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。 相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),果園土壤氮素盈余及負(fù)荷與氮素投入量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,而肥料的過(guò)量施用是氮素盈余量及負(fù)荷增加的主要原因[3],果園過(guò)量施肥勢(shì)必增加各種途徑向地表水體排放的潛在風(fēng)險(xiǎn),其中氮素淋溶損失是氮素?fù)p失的重要途徑。 在此過(guò)程中,氮素尤其是NO3--N 易溶于土壤空隙水,并隨之下滲到作物根系活動(dòng)層之下或被攜帶至環(huán)境水體之中,從而引發(fā)環(huán)境水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題和大氣N2O、NO、NH3的污染[4、5],因此尋求減少土壤氮素淋失的科學(xué)方法,對(duì)提高氮素土壤積累和保持具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
生物質(zhì)炭(Biochar)是指生物質(zhì)原料在無(wú)氧或低氧條件下,經(jīng)高溫裂解而形成的炭,生物質(zhì)炭呈多孔結(jié)構(gòu),具有較高的比表面積陽(yáng)離子交換量和吸附能力,能夠有效降低土壤中礦質(zhì)元素的損失[6]。 已有研究表明,生物質(zhì)炭影響土壤NO3--N、NH4+-N 和總氮的淋失[7];在淋溶土及變性土中添加畜禽糞便和桉木生物質(zhì)炭,能顯著減少土壤中氣態(tài)氮排放以及無(wú)機(jī)氮的淋溶損失[8];周志紅等[9]研究表明,較低的生物質(zhì)炭施用量會(huì)促進(jìn)氮淋失,過(guò)高的生物質(zhì)炭施用量反而會(huì)抑制果樹(shù)的生長(zhǎng);李瑋晶等[10]研究表明,生物質(zhì)炭添加能夠增強(qiáng)土壤對(duì)銨態(tài)氮的吸附能力和對(duì)土壤硝態(tài)氮的有效固定;但不同生物質(zhì)炭由于生物質(zhì)來(lái)源、工藝和熱解溫度等差異,使其具有不同的理化特性,對(duì)不同土壤中氮素的行為影響不一[11-13]。 基于此原因,本試驗(yàn)結(jié)合上海市浦東新區(qū)氣候因素和當(dāng)?shù)靥肄r(nóng)習(xí)慣的施肥方式,設(shè)置模擬土柱淋溶裝置和不同的水稻秸稈生物質(zhì)炭添加水平,測(cè)定模擬降雨條件下桃園土壤NH4+-N 和NO3--N 的淋失量,研究生物質(zhì)炭的輸入對(duì)上海地區(qū)水蜜桃園土壤氮素流失的影響,為秸稈的資源化利用及抑制桃園養(yǎng)分淋失提供新的途徑和科學(xué)依據(jù)。
1.1.1 供試生物質(zhì)炭
試驗(yàn)所用生物質(zhì)炭的原料為水稻秸稈,利用專利無(wú)動(dòng)力炭化爐(ECO-5000 型,湖州宜可歐環(huán)??萍加邢薰?進(jìn)行秸稈炭化,制炭溫度為550 ℃左右,pH 為10.43,NO3--N 含量為3.6 mg∕kg,NH4+-N 含量為7.5 mg∕kg,磨細(xì)過(guò)篩(2 mm)備用。
1.1.2 供試土壤
試驗(yàn)所用土壤采自上海市浦東新區(qū)新場(chǎng)鎮(zhèn)某水蜜桃園,該區(qū)域年均降水量為1 420—1 790 mm,土壤類型為黃泥土,pH 8.07,容重為1.26 g∕cm3,有機(jī)質(zhì)含量為19.5 g∕kg,NO3--N 含量為68.5 mg∕kg,NH4+-N含量為15.7 mg∕kg。 采土深度為表層(0—20 cm),土樣自然風(fēng)干,挑揀粗石塊和雜質(zhì)后,過(guò)篩(5 mm)保存?zhèn)溆谩?/p>
1.1.3 淋溶試驗(yàn)裝置
以自制的玻璃圓柱管為土壤淋溶裝置,裝置土柱的底面積為50 cm2,高度為45 cm,下端有出水閥門。 在底部管口處鋪上3 cm 厚的棉花,上鋪4 cm 厚的細(xì)沙,用于濾水。將風(fēng)干土壤按照1.2 g∕cm3的桃園土壤容重裝入管中,形成淋溶試驗(yàn)?zāi)M土柱(1 000 g 干土量)。 安裝模擬土柱時(shí)需將玻璃壁邊緣的土壤壓實(shí),并在管壁涂抹凡士林,盡量減少土柱產(chǎn)生邊緣效應(yīng)。 淋溶裝置如圖1 所示。
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
土柱淋溶試驗(yàn)共設(shè)5 個(gè)處理:T0,不添加水稻秸稈生物質(zhì)炭(CK);T1,添加水稻秸稈生物質(zhì)炭量為土壤干重的1%(質(zhì)量比,下同);T2,添加水稻秸稈生物質(zhì)炭量為土壤干重的2%;T3,添加水稻秸稈生物質(zhì)炭量為土壤干重的4%;T4,添加水稻秸稈生物質(zhì)炭量為土壤干重的8%。 每處理設(shè)3 個(gè)重復(fù)。 玻璃土柱分2 層裝入(從下到上填裝),下層為土壤與生物質(zhì)炭充分混勻后慢慢壓實(shí)裝入,上層(0—5 cm)為土壤與生物質(zhì)炭混勻并添加0.289 g 的化學(xué)純尿素,其施用量相當(dāng)于300 kg∕hm2,與上海浦東新區(qū)水蜜桃園的田間氮肥施用水平大致相當(dāng)。
1.2.2 淋溶試驗(yàn)
準(zhǔn)備好淋溶裝置后,前6 d 每日噴淋去離子水,容積相當(dāng)于10 mm 降水量,讓尿素在土壤中進(jìn)行硝化作用和氨化作用。 有淋溶液濾出后,加大降水量(50 mm),收集淋溶液。 之后每隔3 d 降水一次,降水量為20 mm,24 d 后每周降水20 mm,歷時(shí)38 d,保存每輪收集到的淋溶液至4 ℃冰箱待測(cè),對(duì)每一輪的淋洗溶液進(jìn)行淋溶液體積、pH、EC 等指標(biāo)的測(cè)定和NH4+-N、NO3--N 濃度及累積量測(cè)定。 淋溶液中NH4+-N(或NO3--N)淋失量的計(jì)算方法為:淋溶液中NH4+-N(或NO3--N)濃度×淋溶液體積,NH4+-N(或NO3--N)累計(jì)淋失量為單次NH4+-N(或NO3--N)淋失量的總和。
1.2.3 測(cè)定方法
土壤淋溶液NH4+-N 含量采用“GB∕T 7479—1987 納氏試劑比色法”進(jìn)行測(cè)定[14]。 NO3--N 含量按照“GB∕T 8538—1995 紫外分光光度法”進(jìn)行測(cè)定[14]。 pH 及電導(dǎo)率采用土壤電位法進(jìn)行測(cè)定[15]。
1.2.4 數(shù)據(jù)處理
采用Excel 2003 進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和圖表制作,不同處理間差異采取SPSS 17.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析,采用Duncan 法進(jìn)行數(shù)據(jù)多重比較,在P<0.05 水平下的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
從圖2 可以看出,隨著淋溶試驗(yàn)的進(jìn)行,各處理淋溶液體積均呈現(xiàn)先升高再降低,再升高再降低的趨勢(shì)。 在每次淋溶時(shí)間內(nèi),各處理的淋溶液體積也呈現(xiàn)規(guī)律性的變化,表現(xiàn)為T4(8%) <T3(4%) <T2(2%) <T1(1%) <T0(CK)。 5 個(gè)處理的淋溶液體積均在21 d 時(shí)達(dá)到峰值,T0—T4 處理的淋溶液體積分別為263.8 mL、248.4 mL、217.2 mL、193.2 mL 和184.5 mL。
對(duì)各處理土柱的淋溶液累計(jì)總體積進(jìn)行統(tǒng)計(jì),T0—T4 處理淋溶液的總體積分別為1 064 mL、1 030 mL、976 mL、903 mL 和761 mL。 其中T1 處理與對(duì)照無(wú)顯著差異,其他3 個(gè)處理的淋溶液總體積均顯著低于對(duì)照; T4 處理的淋溶液總體積與其他處理相比顯著減少,與對(duì)照相比減少了23.7%。 分析結(jié)果表明,生物質(zhì)炭的添加量增加,淋溶液總體積逐漸減少,生物質(zhì)炭添加比例與淋溶液總體積滿足線性方程y= -38.08x+1 062,R2=0.989(圖3)。 可見(jiàn),添加水稻秸稈生物質(zhì)炭能降低桃園土壤水分的淋失,提高土壤的保水能力,并且生物質(zhì)炭添加量越高的處理保水效果越好。
如圖4 所示,隨著淋濾次數(shù)的增加,T0、T1 和T2 處理的土壤淋溶液pH 呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì),T3 和T4 處理的淋溶液pH 呈現(xiàn)先上升后持平的趨勢(shì)。 整體來(lái)看,淋溶液pH 隨著生物質(zhì)炭添加比例的增加而增高,較高的生物質(zhì)炭添加比例更有利于保持土壤的pH 水平,其中T4 處理pH 最高,峰值時(shí)達(dá)到了8.02。 在電導(dǎo)率方面,各處理淋溶液的電導(dǎo)率均呈先上升后下降趨勢(shì),在試驗(yàn)初期,淋溶液電導(dǎo)率隨著添加生物質(zhì)炭添加比例而增高,在試驗(yàn)后期(18 d 以后),T0、T1 和T2 處理的淋溶液電導(dǎo)率降低速度減緩,變化不大,T3 和T4 處理降幅較大,但仍略高于對(duì)照,均未達(dá)到顯著水平。 試驗(yàn)結(jié)果表明,水稻秸稈生物質(zhì)炭可以不同程度地提高桃園淋溶液的pH 和電導(dǎo)率,高生物質(zhì)炭添加量的處理對(duì)pH 的提高和穩(wěn)定有更好的效果;各處理對(duì)電導(dǎo)率的影響主要在試驗(yàn)初期,后期影響不大。
如圖5 所示,各處理土壤淋溶液中的NH4+-N 濃度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在第15 天時(shí),各處理NH4+-N 濃度達(dá)到峰值,T0—T4 處理的淋溶液NH4+-N 質(zhì)量濃度分別達(dá)到了1.93 mg∕L、2.49 mg∕L、1.52 mg∕L、3.32 mg∕L 和4.61 mg∕L。 隨著淋濾時(shí)間的進(jìn)行,各處理淋溶液的NH4+-N 濃度逐漸下降,24 d后高生物質(zhì)炭添加的處理NH4+-N 濃度也較高,31 d 后,各處理淋溶液中的NH4+-N 濃度趨于一致,質(zhì)量濃度均低于0.2 mg∕L。 整個(gè)模擬降雨過(guò)程中,淋溶液中的NH4+-N 濃度都保持在較低水平。 可見(jiàn),不同的水稻秸稈生物質(zhì)炭添加比例對(duì)桃園淋溶液NH4+-N 濃度的影響是不同的,在試驗(yàn)中前期,添加適宜量水稻秸稈生物質(zhì)炭可降低淋溶液NH4+-N 的濃度,高比例的添加量會(huì)增加淋溶液NH4+-N 的濃度;但在試驗(yàn)后期,各處理對(duì)淋溶液NH4+-N 濃度的影響并不明顯。
各處理模擬土柱的NH4+-N 單次淋失量如圖6 所示,不同處理的NH4+-N 淋失量在第9 天收集的土壤淋溶液中呈現(xiàn)較高水平,T0—T4 處理的土壤淋溶液NH4+-N 淋失量分別為1.05 mg、1.12 mg、0.95 mg、1.7 mg 和1.8 mg,之后逐漸降低,中期(第18 天)高生物質(zhì)炭添加量(T3 和T4)的處理NH4+-N 淋失量有小幅度升高,31 d 后各處理NH4+-N 淋失量均維持在較低水平。
如圖7 所示,各處理的土壤淋溶液NH4+-N 累計(jì)淋失量從小到大依次為T2 <T0 <T1 <T4 <T3,分別為2.15 mg、2.44 mg、2.75 mg、4.32 mg 和4.79 mg;其中T2 處理淋溶液的NH4+-N 總淋失量最低,比對(duì)照降低了11.9%;其他3 個(gè)處理的淋溶液累計(jì)NH4+-N 淋失量均高于對(duì)照,T4、T3 和T2 處理與對(duì)照相比有顯著差異,其中T3 處理的NH4+-N 總淋失量比對(duì)照高96.3%。 結(jié)合之前對(duì)淋溶液NH4+-N 濃度的分析,T4處理的NH4+-N 濃度最高,但總淋失量卻不是最高,因?yàn)楦弑壤镔|(zhì)炭處理的淋溶液體積更少,實(shí)際折算出的淋溶量反而不是最高。 T1 處理的NH4+-N 濃度略高于對(duì)照,但是因?yàn)榱苋荏w積較少,所以實(shí)際的NH4+-N 累計(jì)淋失量略低于對(duì)照。 T2 處理的NH4+-N 累計(jì)淋失量最低,對(duì)桃園土壤的NH4+-N 淋失的抑制效果最好。 整體來(lái)看,各處理NH4+-N 淋失量是比較低的,其原因可能是試驗(yàn)過(guò)程中尿素中的氮素大部分以NO3--N 形式淋失掉了。
如圖8 所示,各處理土壤淋溶液中的NO3--N 濃度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在第12 天達(dá)到峰值,除T4 處理外,淋溶液中NO3--N 濃度隨生物質(zhì)炭的添加量增加而降低。 T0—T4 處理淋溶液中的NO3--N 峰值質(zhì)量濃度分別為706.2 mg∕L、576.6 mg∕L、394.5 mg∕L、323.9 mg∕L、867.9 mg∕L。 隨著淋濾時(shí)間增加,各處理淋溶液中的NO3--N 濃度迅速下降,其中T4 處理下降最快,最后趨于平穩(wěn)。 整個(gè)淋濾過(guò)程中,T1、T2、T3 處理淋溶液中的NO3--N 濃度在試驗(yàn)前期均低于對(duì)照,24 d 后,除T4 處理外,其他處理淋溶液NO3--N 質(zhì)量濃度基本一致且均低于30 mg∕L;T4 處理最后一次淋溶液的NO3--N 質(zhì)量濃度為92.6 mg∕L,比對(duì)照高268.5%。 可見(jiàn),添加水稻秸稈生物質(zhì)炭對(duì)土壤NO3--N 的固持作用主要在淋溶初期,適宜的生物質(zhì)炭添加量有利于降低淋溶液NO3--N 濃度,高添加量的處理反而會(huì)提高淋溶液NO3--N 濃度,在淋濾后期也維持在相對(duì)較高水平。
全過(guò)程中模擬土柱的NO3--N 單次淋失量如圖9 所示,隨著淋溶時(shí)間的延長(zhǎng),各處理的NO3--N 淋失量均在第12 天的淋溶液中達(dá)到最高水平,T0—T4 處理的NO3--N 淋失量分別為156.8 mg、 132.4 mg、 108.2 mg、121.4 mg 和174.5 mg,其中T2 處理的NO3--N 淋失量最低,T4 處理最高,之后逐漸降低,24 d 后各處理NO3--N淋失量均在較低水平。 各處理NO3--N 的淋失主要出現(xiàn)在前4 次,T0—T4 處理前15 d 的NO3--N 淋失量分別占累計(jì)淋失量的82.52%、85.68%、79.50%、81.94%和87.57%;并且第一次淋溶液中各處理NO3--N淋失量均低于對(duì)照,說(shuō)明添加水稻秸稈生物質(zhì)炭可以增加NO3--N 在桃園土壤中的滯留時(shí)間,從而減緩NO3--N的淋失速度。
如圖10 所示,不同處理的NO3--N 累計(jì)淋失量從小到大依次為T2 <T3 <T1 <T0 <T4,分別為161.5 mg、177.2 mg、182.2 mg、213.5 mg 和235.8 mg。 其中T2 處理的NO3--N 累計(jì)淋失量最低,比對(duì)照降低了24.6%,T3 和T1 處理比對(duì)照降低了16.9%和14.7%,且均有顯著差異;T4 處理的NO3--N 累計(jì)淋失量則高于對(duì)照,比對(duì)照高出了10.4%。 可見(jiàn),加入適量比例的水稻秸稈生物質(zhì)炭,可減少桃園土壤NO3--N 的淋失量,其中T2 處理效果最好,可以顯著抑制土壤NO3--N 的淋失。 高添加量的T4 處理的NO3--N 累計(jì)淋失量高于對(duì)照,會(huì)加速桃園土壤NO3--N 的淋失,不利于土壤氮素的保持。
本試驗(yàn)探討了添加不同比例水稻秸稈生物質(zhì)炭對(duì)桃園土壤淋溶體積、電導(dǎo)率、pH 和土壤氮素(NH4+-N和NO3--N)淋失的影響,結(jié)果表明:向土壤中施入生物質(zhì)炭能夠減少淋溶液的體積,淋溶液體積隨生物質(zhì)炭用量的增加而減少,且生物質(zhì)炭添加量與淋溶液總體積滿足線性方程。 其原因是由于生物質(zhì)炭呈多孔結(jié)構(gòu),比表面積大,物理結(jié)構(gòu)更適宜吸附水分子[16],且生物質(zhì)炭相對(duì)土壤密度較小,可降低土壤容重和密度,更有利于吸水和保水。 也有研究[17]認(rèn)為,土壤表面積、密度、孔隙分布以及土壤團(tuán)聚體等都會(huì)受到生物質(zhì)炭的影響,并且這些因素可能改變土壤溶液的滲濾模式、滯留時(shí)間和流動(dòng)路徑。 因此,添加水稻秸稈生物質(zhì)炭能降低桃園土壤水分的淋失量,提高土壤的保水能力,添加量越高的處理的保水效果越好。
本試驗(yàn)表明,水稻秸稈生物質(zhì)炭可以不同程度地提高桃園土壤淋溶液的pH 和電導(dǎo)率。 由于水稻生物質(zhì)炭本身呈堿性,且含有大量K、Na、Ca、Mg 等鹽基離子[18],輸入土壤后會(huì)有一定程度的釋放,從而提高土壤pH,在淋溶條件下,離子隨水下滲于淋溶液,故生物質(zhì)炭添加的處理淋溶液的電導(dǎo)率也升高。 但由于土壤本身有較強(qiáng)的緩沖能力,特別是中性或者偏堿性的土壤,所以在淋溶的后期,生物質(zhì)炭低添加量的處理淋溶液pH 與對(duì)照逐漸持平,影響較小。 各處理對(duì)淋溶液電導(dǎo)率的影響也主要在試驗(yàn)初期,后期影響不大。 高生物質(zhì)炭添加量的處理對(duì)pH 和電導(dǎo)率的提高和穩(wěn)定有更好的效果。 我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上,氮肥過(guò)量施入導(dǎo)致土壤酸化是目前面臨的重要問(wèn)題[19],在桃園土壤中施入生物質(zhì)炭有助于減緩施肥造成的土壤pH 降低,并減少因頻繁降雨導(dǎo)致土壤養(yǎng)分下滲流失,提高氮肥的利用率。
本試驗(yàn)中,水稻秸稈生物質(zhì)炭添加量2%的處理NH4+-N 累計(jì)淋失量最低,對(duì)桃園土壤NH4+-N 淋失的抑制效果最好,過(guò)高的生物質(zhì)炭添加量反而增加土壤淋溶液NH4+-N 濃度以及淋失量,這與Lehman等[20]、劉世杰等[21]研究結(jié)果有一定差異。 這可能與本試驗(yàn)采用的水稻秸稈生物質(zhì)炭中含有更多的正電荷有關(guān),在低生物質(zhì)炭添加量條件下,體現(xiàn)為對(duì)NH4+有較強(qiáng)的吸附力,而在高生物質(zhì)炭添加量下,過(guò)多的陽(yáng)離子阻礙吸附土壤中NH4+離子,致使淋溶液中NH4+-N 濃度降低。 整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi),各處理NH4+-N 淋失量是比較低的,其原因是施入的尿素在土壤生物酶作用下轉(zhuǎn)化成NH4+-N,NH4+-N 較易被硝化為NO3--N[22],在試驗(yàn)過(guò)程氮素大部分以NO3--N 形式淋失掉。
本試驗(yàn)中,NO3--N 濃度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),適宜的生物質(zhì)炭添加量有利于降低土壤淋溶液NO3--N 濃度,高添加量的處理反而會(huì)提高土壤淋溶液NO3--N 的濃度,并在淋濾后期也維持在較高水平。其原因可能是稻桿生物質(zhì)炭改善了桃園土壤的物理結(jié)構(gòu),提高了土壤的通氧量,增強(qiáng)了硝化作用反應(yīng)速率。 隨著淋濾時(shí)間的增加,土壤濕度增加導(dǎo)致功能微生物活動(dòng)減弱,硝化作用降低,這就有利于土壤進(jìn)入還原態(tài),厭氧型細(xì)菌增加,反而抑制了土壤硝化作用,導(dǎo)致后期各處理NO3--N 濃度出現(xiàn)下降[23]。 NO3--N淋失量方面,添加生物質(zhì)炭的處理首次淋溶液NO3--N 淋失量均低于對(duì)照,說(shuō)明添加生物質(zhì)炭可以增加NO3--N 在桃園土壤中的滯留時(shí)間,從而減緩NO3--N 的淋失速度。 原因可能是生物質(zhì)炭改變了土壤密度和孔隙度,同時(shí)淋溶液體積隨著生物質(zhì)炭施用量增加而降低,相當(dāng)于氮素在土壤中持續(xù)而緩慢地釋放,有利于延長(zhǎng)氮肥肥效。 添加2%的水稻秸稈生物質(zhì)炭處理可顯著減少桃園土壤NO3--N 的淋失量,而高添加量的處理會(huì)加速桃園土壤NO3--N 的淋失,不利于土壤氮素的保持。 其原因可能是高比例生物質(zhì)炭能夠進(jìn)一步增大土壤的孔隙度,導(dǎo)致有機(jī)氮更容易礦化為無(wú)機(jī)氮,進(jìn)而促進(jìn)土壤中無(wú)機(jī)氮淋溶的增加[24],導(dǎo)致土壤NO3--N 淋失量增大。
目前,關(guān)于生物質(zhì)炭對(duì)土壤氮素淋失影響的報(bào)道主要集中在室內(nèi)模擬土柱研究,且受到土壤類型、生物質(zhì)炭制備材料、生物質(zhì)炭添加量等諸多因素的影響。 本試驗(yàn)所得結(jié)論僅是由桃園土壤添加水稻秸稈生物質(zhì)炭,通過(guò)室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)的條件下得來(lái)的,試驗(yàn)周期較短,具有局限性。 桃園土壤中施用水稻秸稈生物質(zhì)炭能否減少土壤氮素淋失,仍需在田間條件下進(jìn)一步研究。