王忠江 張 正 劉 卓 王麗麗 司愛(ài)龍 曹 振

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.寒地農(nóng)業(yè)可再生資源利用技術(shù)與裝備黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，廣大農(nóng)戶(hù)為了追求糧食產(chǎn)量在生產(chǎn)過(guò)程中大量甚至過(guò)量施用化肥已成為一個(gè)普遍現(xiàn)象[1]。但是，施用在耕地的肥料僅有一部分被作物吸收，一般作物對(duì)于肥料的利用率不高于30%，其余大部分隨雨水或者灌溉水的下滲而向下遷移，不僅導(dǎo)致資源浪費(fèi)，還造成地下水污染[2-4]。同時(shí)，我國(guó)近年來(lái)大力提倡有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)，沼液作為一種非常好的生物有機(jī)肥得到了一定的應(yīng)用和推廣[5-6]，但沼液是一種液態(tài)肥，施用后更容易下滲到較深層土壤，使沼液中的養(yǎng)分得不到有效利用，并污染地下水[7-9]。

生物炭是生物質(zhì)在高溫低氧或無(wú)氧條件下，高溫裂解而產(chǎn)生的一類(lèi)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的高度芳香化富碳固體物質(zhì)[10]。生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積巨大，有較強(qiáng)的吸附性能，作為一種新型的功能材料添加到土壤中，對(duì)改良土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，提高作物生產(chǎn)效率發(fā)揮重要作用[11-13]。研究表明，生物炭添加土壤后能夠增加土壤對(duì)于其營(yíng)養(yǎng)元素的持留能力，增加養(yǎng)分含量，減少其淋溶損失[14-17]。目前，對(duì)于生物炭對(duì)土壤的研究主要集中在生物炭對(duì)于土壤的理化性質(zhì)影響，以及土壤營(yíng)養(yǎng)的特定礦質(zhì)元素的淋失和轉(zhuǎn)化的影響研究[18-19]，使用的肥料也都為固態(tài)的化肥，而使用液態(tài)生物有機(jī)肥沼液的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，探明在施用液態(tài)生物有機(jī)肥沼液的條件下，影響土壤主要營(yíng)養(yǎng)元素的因素主次順序，掌握各種因素條件下對(duì)主要營(yíng)養(yǎng)元素的淋溶動(dòng)態(tài)的影響規(guī)律，以及淋溶后土壤垂直剖面主要營(yíng)養(yǎng)元素的含量分布，對(duì)于生物炭和肥料的正確、高效利用具有重要參考意義。但目前對(duì)于此方面的系統(tǒng)性研究較少。本文對(duì)添加生物炭土壤的氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、速效鉀營(yíng)養(yǎng)元素在淋溶條件下的淋失動(dòng)態(tài)和伴隨淋溶的養(yǎng)分下滲后土壤養(yǎng)分分布，以及影響?zhàn)B分淋失的生物炭添加量、淋溶強(qiáng)度和沼液添加量3種因素的作用規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)性研究，以期為生物炭和沼液的資源化科學(xué)利用奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間及供試材料

試驗(yàn)于2017年10—12月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)能源試驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)所用土壤(砂壤土)取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院西側(cè)試驗(yàn)田(45°45′28.66″N，126°43′45.54″E)，土樣采集深度為地表耕層0～20 cm，采樣自然風(fēng)干后破塊，剔除肉眼可見(jiàn)根系殘葉等有機(jī)物質(zhì)，過(guò)2 mm篩備用。試驗(yàn)用生物炭為楊木炭，生產(chǎn)后研磨粉碎過(guò)1 mm篩。所用生物炭的BET比表面積為14.316 m2/g，總氮質(zhì)量比為5 669.27 mg/kg，硝態(tài)氮質(zhì)量比為4.58 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比為2 970 mg/kg。所用沼液取自哈爾濱呼蘭市孟家鄉(xiāng)養(yǎng)殖場(chǎng)，發(fā)酵原料為豬糞，沼液的總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.36%，pH值為7.72，粘度1.58 mPa·s，總氮質(zhì)量濃度862.47 mg/L，氨態(tài)氮質(zhì)量濃度為762.21 mg/L，硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為27.839 mg/L，速效磷質(zhì)量濃度為9.324 mg/L，速效鉀質(zhì)量濃度為490.68 mg/L。所用土壤類(lèi)型為砂壤土，土壤容重為1.12 g/cm3，總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為84.49%，pH值為7.45，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為48.0 g/kg，硝態(tài)氮質(zhì)量比為5.59 mg/kg，氨態(tài)氮質(zhì)量比為0.685 mg/kg，速效磷質(zhì)量比為1.29 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比為8.45 mg/kg，土壤的顆粒含量分別為：砂粒65.04%、粉粒24.37%、黏粒10.59%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在室溫((20±2)℃)條件下，通過(guò)室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)，系統(tǒng)研究生物炭添加量、淋溶強(qiáng)度和沼液施加量對(duì)氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、速效鉀養(yǎng)分淋失動(dòng)態(tài)規(guī)律和淋溶結(jié)束后土壤垂直剖面上各主要養(yǎng)分含量分布的影響規(guī)律，根據(jù)小雨、中雨和大雨的降雨強(qiáng)度以及試驗(yàn)所用土柱的截面積計(jì)算出本試驗(yàn)每次的總淋溶量分別為46、137、250 mL。試驗(yàn)各因素設(shè)置水平見(jiàn)表1。試驗(yàn)共設(shè)9個(gè)處理，分別為2%生物炭添加量+46 mL淋溶強(qiáng)度+100 mL沼液施加量(處理1)、2%生物炭添加量+137 mL淋溶強(qiáng)度+200 mL沼液施加量(處理2)、2%生物炭添加量+250 mL淋溶強(qiáng)度+300 mL沼液施加量(處理3)、5%生物炭添加量+46 mL淋溶強(qiáng)度+200 mL沼液施加量(處理4)、5%生物炭添加量+137 mL淋溶強(qiáng)度+300 mL沼液施加量(處理5)、5%生物炭添加量+250 mL淋溶強(qiáng)度+100 mL沼液施加量(處理6)、10%生物炭添加量+46 mL淋溶強(qiáng)度+300 mL沼液施加量(處理7)、10%生物炭添加量+137 mL淋溶強(qiáng)度+100 mL沼液施加量(處理8)、10%生物炭添加量+250 mL淋溶強(qiáng)度+200 mL沼液施加量(處理9)。另外設(shè)0%生物炭添加量+46 mL淋溶強(qiáng)度+0 mL沼液施加量(處理10)和0%生物炭添加量+46 mL淋溶強(qiáng)度+200 mL沼液施加量(處理11)兩組試驗(yàn)為對(duì)照組。

表1 正交試驗(yàn)因素水平Tab.1 Levels and factors of orthogonal test

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用土柱為聚氯乙烯圓柱管，土柱的內(nèi)徑10 cm，高50 cm，底座打孔作為漏水孔，收集淋溶液。裝土前土柱底層設(shè)置3 cm厚用去離子水洗干凈后自然風(fēng)干的石英砂，并鋪上兩層紗布，過(guò)濾淋溶液，防止土壤顆粒影響淋溶液性質(zhì)。為減少試驗(yàn)誤差，并保證各試驗(yàn)組的可比性，在試驗(yàn)土柱的裝填過(guò)程需要設(shè)置統(tǒng)一的裝填標(biāo)準(zhǔn)，在參照文獻(xiàn)[20-21]的基礎(chǔ)上，選擇本試驗(yàn)土柱的容重為1.12 g/cm3。之后按照所確定容重將供試土壤混勻填入土柱，因?qū)嶋H生產(chǎn)過(guò)程中生物炭主要添加在表層，故設(shè)置試驗(yàn)裝土40 cm高，其中上層0～20 cm為土壤和生物炭混合土樣，下層20～40 cm為原土壤。分層將試供土壤裝入土柱，壓實(shí)邊緣，避免貼壁縫隙形成邊際效應(yīng)。表層再鋪設(shè)兩層紗布和石英砂，減少淋溶對(duì)土壤的沖擊和干擾。試驗(yàn)過(guò)程中，各處理先添加去離子水1 000 mL至土壤飽和，然后施加沼液，之后每日進(jìn)行淋溶處理并收集淋溶液。所收集淋溶液，過(guò)濾后采用連續(xù)流動(dòng)分析儀(SAN++，荷蘭 SKALAR公司)測(cè)定氨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、速效鉀的養(yǎng)分含量。淋溶結(jié)束后，測(cè)定土壤垂直方向不同深度剖面的土壤中各養(yǎng)分含量的質(zhì)量比，取樣時(shí)垂直方向每5 cm為一個(gè)剖面取樣點(diǎn)。

土壤中各種營(yíng)養(yǎng)元素含量的測(cè)定，稱(chēng)取新鮮土壤樣品10.0 g于三角瓶中加入超純水50 mL后進(jìn)行浸提處理。在(20±2)℃的恒溫水浴振蕩器中振蕩提取1 h，轉(zhuǎn)移40 mL混合液于50 mL聚乙烯離心管中，在3 000 r/min條件下離心分離10 min，取上清液用流動(dòng)分析儀測(cè)定。

數(shù)據(jù)處理與分析軟件為Microsoft Excel 2013、Origin 9.1和SPSS 22.0。

2 結(jié)果與討論

2.1 氨態(tài)氮養(yǎng)分淋溶規(guī)律

淋溶試驗(yàn)過(guò)程滲濾液中氨態(tài)氮含量如圖1所示。

圖1 滲濾液中氨態(tài)氮含量變化Fig.1 Variation of ammonia nitrogen content in leaching water

從圖1可看出，各試驗(yàn)組滲濾液中的氨態(tài)氮含量的整體變化規(guī)律基本一致，各試驗(yàn)組養(yǎng)分淋失量主要集中在試驗(yàn)前8次淋溶，即整個(gè)試驗(yàn)前期，之后滲濾液中的氨態(tài)氮含量逐漸減少并趨于穩(wěn)定，其氨態(tài)氮淋失規(guī)律與高德才等[22]研究相吻合。但各組在滲濾液中氨態(tài)氮含量變化幅度方面仍存在一定的差異，如處理3的生物炭添加比例較小，而淋溶強(qiáng)度和沼液添加量均為最大時(shí)，其滲濾液中的氨態(tài)氮含量在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的大部分時(shí)間內(nèi)均處于較高水平。而對(duì)照試驗(yàn)組即處理11施加沼液未添加生物炭的處理組，與處理4沼液施加量和淋溶強(qiáng)度相同的添加生物炭組相比，試驗(yàn)前8次滲濾液中的氨態(tài)氮含量均高于添加生物炭的處理4組，試驗(yàn)期間養(yǎng)分淋失累積量多出50.47%，這表明在土壤中添加生物炭能顯著增加土壤對(duì)氨態(tài)氮的滯留效果，可以達(dá)到較好的緩釋目的。此外從圖中還可以看出第1次淋溶(即施加沼液)時(shí)所得到的滲濾液中氨態(tài)氮含量相對(duì)較低，第2次淋溶時(shí)所得滲濾液中氨態(tài)氮含量升高，這表面上與沼液的氨態(tài)氮含量高而水及土壤的氨態(tài)氮含量低的現(xiàn)實(shí)相矛盾，主要是由于在本試驗(yàn)進(jìn)行施加沼液及淋溶之前先添加1 000 mL去離子水使土壤處于飽和狀態(tài)，當(dāng)?shù)?次淋溶(即施加沼液)時(shí)從土柱底部滲出淋溶液主要是施加沼液前添加的去離子水，而第2次淋溶時(shí)從土柱底部滲出淋溶液主要是第1次淋溶(即施加沼液)時(shí)添加的沼液，所以才會(huì)出現(xiàn)第1次淋溶(即施加沼液)時(shí)所得滲濾液中氨態(tài)氮含量相對(duì)較低，而第2次淋溶時(shí)所得滲濾液中氨態(tài)氮含量相對(duì)較高的現(xiàn)象。

淋溶結(jié)束后土壤中垂直剖面氨態(tài)氮含量分布如圖2所示。

圖2 土壤中氨態(tài)氮質(zhì)量比變化Fig.2 Variation of ammonia nitrogen mass ratio in soil

從圖2可看出，各添加生物炭處理組的土壤氨態(tài)氮養(yǎng)分主要分布在上層土壤。添加生物炭的0～20 cm深度土壤氨態(tài)氮的含量顯著高于未添加生物炭的下層20～40 cm深度土壤，未添加生物炭的處理10和處理11土壤氨態(tài)氮含量隨著土壤深度的增加，基本無(wú)明顯變化且始終處于較低水平，這主要是由于生物炭具有較好的對(duì)氨態(tài)氮養(yǎng)分的滯留效果，使沼液中的氨態(tài)氮養(yǎng)分在較強(qiáng)的水淋溶狀態(tài)下仍大量存留在施加生物炭的0～20 cm土壤有效耕層內(nèi)。但添加生物炭的上層0～20 cm深度土壤中氨態(tài)氮含量變化在不同處理之間存在一定差異，處理5和處理9在0～5 cm深度其含量有所上升，其余添加生物炭處理組則在0～10 cm深度土壤中的氨態(tài)氮質(zhì)量比的變化規(guī)律基本保持一致，且呈減少趨勢(shì)，在15 cm深度又有小幅度增加。添加生物炭層，處理5和處理7的氨態(tài)氮質(zhì)量比顯著(P<0.05)高于其他處理組，其次是處理9，其余處理組的質(zhì)量比則相對(duì)更加集中，差異不大，在0.05的置信區(qū)間無(wú)顯著差異性，這可能是因?yàn)樘幚?和處理7施加沼液量都為最大，生物炭添加量比較大，并且淋溶強(qiáng)度相對(duì)較小都有利于氨態(tài)氮養(yǎng)分在土壤中的存留。而在未添加生物炭的20～40 cm深度土壤氨態(tài)氮在較低的含量水平，保持穩(wěn)定在1 mg/kg以下，且下層土壤氨態(tài)氮養(yǎng)分含量各處理之間在0.05置信區(qū)間也無(wú)顯著差異性。

2.2 硝態(tài)氮養(yǎng)分淋溶規(guī)律

淋溶試驗(yàn)過(guò)程滲濾液中硝態(tài)氮含量如圖3所示。

圖3 滲濾液中硝態(tài)氮含量變化Fig.3 Variation of nitrate nitrogen content in leaching water

從圖3可看出，在試驗(yàn)過(guò)程中各處理組的硝態(tài)氮養(yǎng)分淋失量的變化規(guī)律基本一致，由于硝態(tài)氮的養(yǎng)分存在形式是帶負(fù)電荷的陰離子，土壤以及生物炭對(duì)其吸附力較弱，各試驗(yàn)組硝態(tài)氮養(yǎng)分淋失集中在試驗(yàn)前期，在第8次淋溶之后各處理組硝態(tài)氮養(yǎng)分淋失量接近于零，基本無(wú)硝態(tài)氮養(yǎng)分的淋失，其養(yǎng)分淋失規(guī)律與邢英等[23]研究相吻合。各施加沼液處理組硝態(tài)氮養(yǎng)分淋失均在第2次淋溶時(shí)達(dá)到最大，在第3次迅速下降，之后保持緩慢下降趨勢(shì)，直到養(yǎng)分淋失量接近于零。處理3在第8次養(yǎng)分淋失量接近零前，養(yǎng)分淋失量顯著(P<0.05)高于其他處理組，其次是處理2，其余處理組的淋失量則無(wú)顯著差異，這主要是因?yàn)樵搩山M處理添加生物炭量最少，而沼液施加量和淋溶強(qiáng)度又相對(duì)較大。施加沼液組的硝態(tài)氮淋失量顯著(P<0.05)高于未施加沼液的對(duì)照處理10，未施加沼液處理僅在前兩次淋溶過(guò)程中有少量養(yǎng)分淋出，這說(shuō)明施用沼液雖然可以顯著增加土壤中的硝態(tài)氮等營(yíng)養(yǎng)成分含量，但在降水量較大的地區(qū)，如果不采取添加具有高吸附特性的生物炭等材料，則沼液中的養(yǎng)分不但無(wú)法保證被作物充分吸收，也存在較大的淋溶損失并污染地下水源的風(fēng)險(xiǎn)。在淋溶強(qiáng)度和沼液添加量相同的試驗(yàn)條件下添加生物炭的處理4相對(duì)于未添加的對(duì)照組處理11，硝態(tài)氮養(yǎng)分累積淋失量減少12.13%，表明添加生物炭能夠減少土壤淋溶狀態(tài)下的硝態(tài)氮淋失，但減少幅度明顯小于氨態(tài)氮。

淋溶結(jié)束后土壤垂直剖面硝態(tài)氮含量如圖4所示。

圖4 土壤中硝態(tài)氮質(zhì)量比變化Fig.4 Variation of nitrate nitrogen mass ratio in soil

從圖4可看出，添加生物炭處理的試驗(yàn)組在垂直方向的硝態(tài)氮含量變化趨勢(shì)基本一致，即在0～6 cm的深度范圍內(nèi)隨著深度的加大土壤中的硝態(tài)氮含量逐漸升高，并在6 cm深度處各組的硝態(tài)氮含量達(dá)到各自的最高值，之后開(kāi)始逐漸下降，并在原土交界處減少至較低水平，在下層20～40 cm土壤中養(yǎng)分含量隨深度的增加無(wú)顯著變化。各添加生物炭的處理組上層取樣點(diǎn)硝態(tài)氮含量均高于下部分的原土層，可見(jiàn)生物質(zhì)炭對(duì)于硝態(tài)氮隨水向下遷移有較好的滯留作用。添加生物質(zhì)炭的處理4在0～20 cm硝態(tài)氮含量顯著(P<0.05)高于對(duì)照處理11，表明生物炭對(duì)于硝態(tài)氮有吸附作用，添加生物質(zhì)炭可以增加土壤中硝態(tài)氮養(yǎng)分含量。硝態(tài)氮為負(fù)電荷離子，相較于其他養(yǎng)分離子，不易被生物炭以及土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)吸附[24]，所以在土壤表面淋溶處理后，養(yǎng)分向下遷移集中在6 cm深度左右。所有處理組下層原土中硝態(tài)氮的含量無(wú)明顯差異，硝態(tài)氮隨水向下遷移并不會(huì)增加下層土壤的養(yǎng)分含量。此外，雖然淋溶后期各處理淋溶液中已基本無(wú)硝態(tài)氮養(yǎng)分淋出，但淋失結(jié)束后添加生物炭處理組0～20 cm深度的混施炭層仍存在大量硝態(tài)氮養(yǎng)分，這說(shuō)明生物炭對(duì)硝態(tài)氮具有較好的吸附性，但生物炭對(duì)硝態(tài)氮的吸附也有一個(gè)飽和吸附量。

2.3 速效磷養(yǎng)分淋溶規(guī)律

淋溶試驗(yàn)過(guò)程滲濾液中速效磷含量如圖5所示。

圖5 滲濾液中速效磷含量變化Fig.5 Variation of available phosphorus content in leaching water

從圖5可看出，在淋溶過(guò)程中各試驗(yàn)組滲濾液中的速效磷含量在各自的養(yǎng)分含量水平?jīng)]有出現(xiàn)較大的波動(dòng)點(diǎn)，各試驗(yàn)組在前兩次淋溶滲濾液中速效磷含量的變化規(guī)律相一致，均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。各試驗(yàn)組滲濾液養(yǎng)分含量達(dá)到最低點(diǎn)后，再次上升達(dá)到一個(gè)較高值后開(kāi)始小幅度下降，并逐漸趨于穩(wěn)定，這與生物炭對(duì)速效磷養(yǎng)分的吸附，以及養(yǎng)分在淋溶狀態(tài)下的向下遷移有關(guān)。但各試驗(yàn)組再次出現(xiàn)的滲濾液養(yǎng)分含量的較大值的時(shí)間有所差異，多數(shù)處理出現(xiàn)在第4次淋溶，處理9略有提前，出現(xiàn)在第3次淋溶，可能是因其最大的生物炭添加量增加了上層土壤的孔隙度，并有最大的淋溶強(qiáng)度。處理4的滲濾液中速效磷含量的最大值出現(xiàn)在第8次，而沼液添加量和淋溶強(qiáng)度相同但無(wú)生物炭添加的對(duì)照試驗(yàn)組處理11，養(yǎng)分淋失集中在前兩次淋溶過(guò)程，之后基本無(wú)養(yǎng)分隨滲濾液流失。試驗(yàn)后期滲濾液中速效磷含量的穩(wěn)定值，具有最少生物炭添加量，較大淋溶強(qiáng)度以及較大沼液施加量的處理3顯著(P<0.01)高于其他處理組，處理1、處理7和處理10接近零，幾乎不再有速效磷養(yǎng)分的淋失。

淋溶結(jié)束后土壤垂直剖面速效磷含量如圖6所示。

圖6 土壤中速效磷質(zhì)量比變化Fig.6 Variation of available phosphorus mass ratio in soil

從圖6可看出，各處理速效磷養(yǎng)分含量變化總趨勢(shì)隨著土壤深度的增加略有下降，其養(yǎng)分主要集中在表層和6 cm左右深度。添加生物炭的0～20 cm深度土層的各剖面土壤中的速效磷含量的平均值略高于未添加生物炭的下層土壤，且上層變化波動(dòng)較大，未添加生物炭的下層20～40 cm深度原土壤中養(yǎng)分含量則相對(duì)穩(wěn)定。說(shuō)明土壤中添加生物炭對(duì)速效磷養(yǎng)分也有一定的滯留效果，與YAO等[25]研究結(jié)果相吻合。各試驗(yàn)組土壤垂直剖面速效磷含量變化趨勢(shì)存在一定差異，處理5、處理4、處理7和處理6主要集中在6 cm深度，其中以處理5的含量最高，達(dá)到1.93 mg/kg，之后隨深度增加整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其他處理則無(wú)明顯規(guī)律特性。對(duì)照試驗(yàn)組處理11施加沼液未添加生物炭的處理組，其養(yǎng)分含量在各深度剖面均低于沼液添加量和淋溶強(qiáng)度相同的添加生物炭試驗(yàn)組處理4，其垂直方向養(yǎng)分含量分布也相對(duì)更加具有一致性，說(shuō)明生物質(zhì)炭對(duì)土壤中的速效磷具有較好的吸附效果。

2.4 速效鉀養(yǎng)分淋溶規(guī)律

淋溶試驗(yàn)過(guò)程滲濾液中速效鉀含量如圖7所示。

圖7 滲濾液中速效鉀含量變化Fig.7 Variation of available potassium content in leaching water

從圖7可看出，各試驗(yàn)處理組滲濾液中的速效鉀養(yǎng)分含量變化相一致，淋溶開(kāi)始至第2次下降，在之后的淋溶滲濾液中速效鉀養(yǎng)分含量呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì)，在淋溶后期下降緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定。但各組在滲濾液中速效鉀養(yǎng)分含量上升過(guò)程的時(shí)間，以及變化幅度存在一定差異，試驗(yàn)處理1、處理2、處理3共3組淋溶液中速效鉀含量率先在第6次及之前淋失時(shí)增加到最大值后開(kāi)始緩慢減少，而其余處理組則均在第7次及之后淋失更遲地達(dá)到養(yǎng)分淋失最大量，這是由于此3組處理生物炭均為最小添加量，使得生物炭對(duì)速效鉀養(yǎng)分的吸附滯留作用相對(duì)較弱。此外，由于處理3生物炭添加量較少，卻有著最大的沼液添加量和最大的淋溶強(qiáng)度，在整個(gè)淋溶過(guò)程中其淋溶液中速效鉀的含量基本處于最高水平，其含量的變化幅度也相對(duì)更大。而試驗(yàn)對(duì)照組未添加生物炭的處理10 和處理11滲濾液中速效鉀養(yǎng)分含量則隨著淋溶的進(jìn)行呈減少趨勢(shì)，并淋失集中在前期，在第7次淋溶之后逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后淋溶液中速效鉀含量水平低于其余試驗(yàn)組。

淋溶結(jié)束后土壤垂直剖面速效鉀含量如圖8所示。

圖8 土壤中速效鉀質(zhì)量比變化Fig.8 Variation of available potassium mass ratio in soil

從圖8可看出，各試驗(yàn)組處理垂直方向剖面，上層0～20 cm層土壤中速效鉀含量有較大差異，其分布特征也存在一定差異，在添加生物炭土壤和原土交界處其速效鉀養(yǎng)分含量迅速降低，之后隨深度增加各處理組中的速效鉀含量逐漸趨于穩(wěn)定，并均維持在一個(gè)較低的水平，說(shuō)明各個(gè)因素均對(duì)下層土壤中速效鉀含量無(wú)明顯影響。各試驗(yàn)組添加生物炭的上層0～20 cm層土壤中速效鉀含量顯著(P<0.05)高于未加生物炭的下層土壤，其中以最大生物炭添加量及最小淋溶強(qiáng)度和最多沼液添加量的處理7的含量最高，平均質(zhì)量比102.28 mg/kg，與其他各組的差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。上層0～20 cm添加生物炭土層中垂直剖面速效鉀含量分布，處理7、處理8和處理9主要分布在5～15 cm深度，其余處理各剖面速效鉀含量小幅度變化，相對(duì)較穩(wěn)定，無(wú)明顯特征。兩個(gè)對(duì)照處理組，土壤中速效鉀養(yǎng)分含量在整個(gè)垂直剖面相對(duì)一致，無(wú)明顯變化，含量也是所有處理中最少，在3 mg/kg左右。說(shuō)明添加生物炭不僅提高了整體速效鉀養(yǎng)分含量，對(duì)垂直剖面養(yǎng)分分布特性也產(chǎn)生影響。這主要是由于生物炭能夠有效吸附鉀離子的特性，同時(shí)其本身也攜有大量速效鉀養(yǎng)分[26]。

2.5 養(yǎng)分淋溶規(guī)律因素分析

各試驗(yàn)組累積養(yǎng)分淋失量結(jié)果與極差和方差分析如表2和表3所示，A、B、C分別為生物炭添加量、淋溶強(qiáng)度和沼液施加量水平值。

表2 累積養(yǎng)分淋失量結(jié)果與極差分析Tab.2 Range analysis of accumulation leaching loss of nutrient

表3 累積養(yǎng)分淋失量方差分析Tab.3 Variance analysis of accumulation leaching loss of nutrient

從表2的各養(yǎng)分累積淋失量的極差分析可知，3種因素生物炭添加量、淋溶強(qiáng)度和沼液施加量對(duì)氨態(tài)氮、速效磷、速效鉀的淋失量影響大小順序表現(xiàn)一致，其中淋溶強(qiáng)度對(duì)此3種養(yǎng)分的淋失影響最大，其次是生物炭添加量，沼液施加量影響最小。硝態(tài)氮所受因素影響規(guī)律與其他養(yǎng)分不同，生物炭添加量影響最大，其次是沼液施加量，而淋溶強(qiáng)度對(duì)其影響最小，這可能是因?yàn)橄鯌B(tài)氮不易被土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)所吸和生物炭表面集團(tuán)所吸附的性質(zhì)[16]，易隨水遷移流失，導(dǎo)致硝態(tài)氮在試驗(yàn)過(guò)程前期已大量淋失，而后期淋溶只有極少量淋出，使得淋溶強(qiáng)度對(duì)于硝態(tài)氮的淋失影響小于其他兩個(gè)因素。從表2中的各養(yǎng)分指標(biāo)累積淋失量還可知，當(dāng)生物炭添加量10%時(shí)，對(duì)于減少養(yǎng)分的淋失有較好作用效果。綜合累積養(yǎng)分淋失量分析，各處理約50%～90%的養(yǎng)分在前5次淋溶時(shí)隨滲濾液濾出。試驗(yàn)方差分析結(jié)果見(jiàn)表3，可知生物炭添加量和淋溶強(qiáng)度對(duì)于氨態(tài)氮累積淋失量有顯著影響(P<0.05)，其余因素對(duì)累積養(yǎng)分淋失影響并不顯著，這一方面由于氨態(tài)氮具有揮發(fā)性的特點(diǎn)，而添加生物炭的上層耕層中對(duì)于氨態(tài)氮的吸附作用較強(qiáng)，能夠有效減少氨態(tài)氮的揮發(fā)[7]，另一方面因?yàn)樘砑由锾吭黾恿送寥赖年?yáng)離子交換量，對(duì)于吸附帶正電的氨根離子產(chǎn)生積極作用[24]。因此在施加氨態(tài)氮肥時(shí)要注意參考耕地生物炭添加量以及選擇合適的澆水灌溉量，以減少養(yǎng)分損失，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的利用效率。

3 結(jié)論

(1)生物炭添加量、淋溶強(qiáng)度、沼液施加量會(huì)直接影響淋溶過(guò)程養(yǎng)分淋失，各因素影響大小根據(jù)養(yǎng)分類(lèi)型有所不同。氨態(tài)氮、速效磷、速效鉀相同，影響由大到小依次為淋溶強(qiáng)度、生物炭添加量、沼液施加量，而對(duì)于硝態(tài)氮淋失，則生物炭添加量為主要影響因素。在試驗(yàn)范圍內(nèi)生物炭添加量和淋溶強(qiáng)度對(duì)于氨態(tài)氮累積淋失量有顯著影響。綜合本試驗(yàn)各項(xiàng)主要指標(biāo)的變化規(guī)律，當(dāng)生物炭添加量為10%時(shí)，對(duì)土壤養(yǎng)分的滯留具有較好的效果。

(2)土壤養(yǎng)分淋失主要集中在淋溶前期，各處理前5次累積養(yǎng)分淋失量所占總淋失量的比例在50%～90%之間。

(3)淋溶結(jié)束后土壤垂直剖面養(yǎng)分含量分布規(guī)律根據(jù)養(yǎng)分含量不同而有所差異，整體來(lái)說(shuō)土壤0～20 cm深度含生物炭層土壤中各種養(yǎng)分含量均顯著高于未添加生物炭的20～40 cm深度的下層土壤，添加生物炭可有效增加淋溶狀態(tài)下養(yǎng)分在土壤中的滯留。