农田土壤养分淋失可导致土壤肥力下降、资源浪 费，进而给经济效益造成损失，其中氮（N）、磷（P）的 淋失还给水体环境带来潜在威胁。所以，如何采取措 施减少土壤养分淋失、提高养分利用率，是人们长期 以来关注的问题。生物炭（biochar）是生物质在低氧环 境下，经过高温（300~700 ℃）热解而得到的一类具有 比表面积大、孔隙多、吸附和稳定性强等特点的高度 芳香化富碳物质。近年来，生物炭作为一种功能材料 在农业上的应用引起广泛关注，其在土壤耕性改良、 肥力提升及污染修复等方面呈现可观潜力^{[1, 2, 3, 4, 5, 6]}。另外， 有研究表明，在沙土中添加山核桃壳制成的生物炭不 仅能提高土壤pH 值，增加土壤有机碳、P、K、Ca 等含 量，还能减少土壤P、Ca 等养分的淋失^[7]；在施用有机 肥的土壤中，添加橡木和山核桃木制成的生物炭能减 少N、P 的淋失^[8]；在淋溶土及变性土中添加畜禽粪及桉木制成的生物炭后，土壤N 的气态损失和淋溶损 失均显著减少^[9]；李际会等^[10]对我国北方潮褐土的研 究发现，改性生物炭能够有效降低土壤N、P 的淋失 风险。可见，生物炭在控制土壤养分淋失方面有着很 好的应用前景。

在我国云南烟区，由于水热充沛、土壤矿物风化 程度高、土壤偏酸和有机质含量低以及不合理过量施 肥等原因，土壤养分淋失问题尤为突出，这严重制约 了当地烟叶的可持续生产。本研究以云南烟区的紫色 土、赤红壤和黄棕壤3 种典型土壤为研究对象，通过 土柱淋洗模拟试验，研究了添加玉米秸秆生物炭对土 壤硝态氮、磷、钾养分淋失的影响，以期为生物炭的合 理广泛应用提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 供试材料

供试土壤采自云南省玉溪市烟田耕层土壤，分别 为紫色土、赤红壤和黄棕壤，土壤经风干等处理后过 2 mm筛备用，其基本性质见表 1。供试生物炭为玉米 秸秆在360 ℃条件下不完全燃烧24 h制成的黑色粉 末，其基本性质为：密度0.28 g·cm_-3，pH 值为8.40，碳 含量649 g·kg^-1，全氮10.1 g·kg^-1，硝态氮6.16 mg·kg^-1， 全磷10.8 g·kg^-1，全钾9.64 g·kg^-1，将生物炭粉碎后过 2 mm筛，烘干备用。试验所用的氮、磷、钾肥料分别为 尿素、过磷酸钙和硫酸钾，其氮（N）、磷（P₂O₅）、钾 （K₂O）含量分别为46%、18%和50%。

表 1 供试土壤基本性质 Table 1 Basic properties of the investigated soil

表选项

采用土柱模拟的方法进行研究，试验于2014 年 6—8 月在中国农科院温室内进行。试验设不加生物 炭对照CK（5 kg 土+氮磷钾肥）和添加生物炭（5 kg 土+氮磷钾肥+0.5 kg 生物炭）2个处理，生物炭添加水 平根据以往研究经验设计^{[1, 2, 3, 4]}。肥料添加量均为30 g N、25 g P₂O₅、75 g K₂O，按当地植烟农民习惯设计，每 个处理重复3次。

将土、生物炭和肥料按所需比例混匀后，填装到 高40 cm、内径16 cm的底部封闭只留一出水孔的PVC 管中。土壤容重控制在1.1 g·cm_-3左右，以防止土壤 过紧实对淋溶产生影响；在上部铺一层滤纸以防止水 分淋溶对表层土壤的扰动；土柱底层铺一层10 cm 厚 浓酸洗过的玻璃珠与石英砂，以防止底层土壤流失。 土柱填装完后，加水至田间持水量的70%预培养2 d， 之后每隔4 d用蒸馏水定量定时淋洗1 次，共淋洗14 次。收集每一次的淋溶液并测定其体积和硝态氮、磷、 钾含量。 1.3 测定指标、方法及数据分析

淋洗液中硝态氮、磷和钾的含量分别采用酚二磺 酸比色法、钼锑抗比色法和火焰光度计法测定，计算 每一次淋洗的以及累积的养分淋失量，测定结果均换 算成单位质量干土的淋失量（以N、P、K 计，mg·kg^-1）。 淋洗结束后测定土壤pH值。利用SPSS 13.0软件进行 数据的方差分析。 2 结果与讨论 2.1 生物炭对土壤硝态氮淋失的影响

3 种土壤硝态氮淋洗量在培养试验前期均迅速 增加，在培养的第9耀13 d达到峰值，之后逐渐下降， 53 d后趋于平稳（图 1）。总的来说，3 种土壤在培养的 中间阶段（17~53 d），添加生物炭处理土壤硝态氮淋 洗量在各取样时期均显著低于对照处理。从土壤硝态 氮累计的总淋洗量来看，3 种土壤均表现为添加生物 炭处理土壤硝态氮淋洗总量显著低于对照处理，抑制 率分别为：紫色土16%、赤红壤14%、黄棕壤22%，尤 其以黄棕壤上的效果最明显。

图 1 3种土壤不同处理下硝态氮各时期淋洗量及累计淋洗总量 Figure 1 Nitrate leaching amount at stages and total amount for three soils under treatments of control and biochar addition

图选项

土壤硝态氮淋溶受复杂的生物化学过程所控制， 首先土壤有机氮经微生物矿化作用形成氨，氨经质子 化作用生成铵态氮，铵态氮在硝化细菌作用下发生氧 化反应生成硝态氮，硝态氮随水垂直迁移后发生淋 溶。生物炭的绝大多数表面吸附点位归属于羧酸基和 酚基功能团^[11]，这些负电荷表面点位不能吸附硝态氮， 然而生物炭具有强大的吸附铵态氮以及可溶性有机 氮的能力^[8]，所以我们认为，生物炭施入土壤后，主要 是通过增加铵态氮以及可溶性有机氮的吸附，延长其 滞留时间，进而缓解了硝态氮的形成过程以及淋溶损 失。此外，生物炭施入土壤后，也可能对土壤氮素转化的酶以及微生物产生吸附作用，降低有关酶及微生物 与尿素等有机氮及铵态氮的亲和力和接触机会，从而 延缓了尿素等有机氮的矿化及铵态氮向硝态氮的转 化，减少硝态氮的形成及淋溶损失^[12]。Laird 等^[8]、Singh 等^[9]、李际会等^[10]以及Knowles等^[13]在其他类型土壤上 的研究也得出与本研究一致的结果，不仅如此，Beck 等^[14]的研究表明施用生物炭能显著减少农田径流氮 的损失。显然，施用生物炭对农田土壤氮素流失的抑 制作用具有一定的普遍性。 2.2 生物炭对土壤磷素淋失的影响

总的来说，随培养时间延长，3 种土壤的磷淋洗 量均呈现先增加后降低的趋势，尤以紫色土和赤红壤 上的变化较为明显（图 2）。在整个培养期间，紫色土 和赤红壤磷淋洗量均表现为添加生物炭处理显著低 于对照处理，从淋洗总量来看，2 种土壤上的抑制率 分别为41%和32%，尤以紫色土上的效果更明显。在 黄棕壤上，添加生物炭处理和对照处理之间的磷淋洗 量差异不明显。

图 2 3种土壤不同处理下磷素各时期淋洗量及累计淋洗总量 Figure 2 Phosphorus leaching amount at stages and total amount for three soils under treatments of control and biochar addition

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尽管人们普遍认为磷素在土壤中的移动性较差^[15]， 但磷素在土壤剖面下层中的高量累积现象确实有很 多报道^{[16, 17, 18]}。本研究发现，在施用磷肥条件下，土壤磷 素的淋溶损失十分明显。添加生物炭对土壤磷素淋溶 损失影响的作用途径可能取决于两方面：一方面生物 炭本身对磷酸盐及可溶性有机磷可能具有强烈的吸 附固定作用^[8]；另一方面生物炭本身偏碱性，施入后导 致本研究3种偏酸土壤的pH值均显著升高（图 3），进 而可能增加磷的有效性。这两种作用途径，前者有利 于控制磷的淋失，而后者则有利于促进磷的淋失，所 以最终的结果取决于二者的平衡。在本研究的紫色土 和赤红壤上，前者的作用可能多于后者，所以添加生 物炭降低磷的淋失；而对于黄棕壤，二者的作用可能 相当，所以正负作用相互抵消后表现为添加生物炭对 土壤磷淋失没有显著影响。Novak等^[7]、Laird 等^[8]以及 李际会等^[10]在其他类型土壤上的研究均发现，施用生 物炭能够显著减少土壤磷素的淋失，这与本研究的紫 色土和赤红壤上的结果一致，但与黄棕壤上的结果不 同，这说明施用生物炭对土壤磷素淋失的影响作用表 现出不确定性，受土壤类型的影响。

图 3 3种土壤淋洗结束后不同处理下土壤pH 值 Figure 3 The pH value at the end of the leaching experiment for three soils under treatments of control and biochar addition

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3 种土壤的钾素淋洗量随培养时间延长均呈现 先增加后降低的趋势（图 4）。总的来说，在整个培养 期间，紫色土和黄棕壤钾素淋洗量均表现为添加生物 炭处理显著高于对照处理，从淋洗总量来看，两种土 壤上的增加幅度分别为19%和23%。在赤红壤上，添加生物炭处理和对照处理之间的钾素淋洗量在各取 样时期均差异不明显，淋洗总量亦无显著差异。

图 4 3种土壤不同处理下钾素各时期淋洗量及累计淋洗总量 Figure 4 Potassium leaching amount at stages and total amount for three soils under treatments of control and biochar addition

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一方面，生物炭的表面吸附点位以及微孔理论上 可以直接对钾素产生强烈的吸附作用；另一方面，pH 值可以通过影响钾素的固定与释放、吸附与解吸来影 响溶液中的钾素浓度，进而影响钾素迁移，钾的固定 量一般随土壤pH 值的升高而增加^[19]，所以添加生物 炭后的土壤pH值升高可能有利于减少钾素淋失。然 而，本研究结果显示添加生物炭后，尽管可能直接增 加了对钾素的吸附固定，也显著提高了土壤pH 值 （图 3），但赤红壤钾素淋失量并没有减少，对于紫色 土和黄棕壤的钾素淋失量更是发生显著增加。分析认 为，这可能是由于生物炭本身携带一定量的钾素，其 有效性亦可能较高，具体原因有待深入研究^[8]。Laird 等^[8]在其他类型土壤上的研究发现，施用生物炭能够 显著增加土壤钾素的淋失，这与本研究的紫色土和黄 棕壤上的结果一致，但与赤红壤上的结果不同，可见 施用生物炭对土壤钾素淋失的作用效果受到土壤类 型的影响。 3 结论

基于土柱淋洗模拟试验，研究了添加生物炭对云 南烟区3种土壤硝态氮、磷、钾养分淋失的影响。结果 表明，添加生物炭后，紫色土、赤红壤和黄棕壤的硝态 氮淋洗总量分别减少16%、14%和22%；紫色土、赤红 壤的磷素淋洗总量分别减少41%和32%，黄棕壤磷 素淋洗总量变化不明显；紫色土和黄棕壤的钾素淋洗 总量分别增加19%和23%，赤红壤的钾素淋洗总量 变化不明显。总的来说，施用生物炭是控制云南植烟 土壤氮、磷淋失的有效措施。结合以往相关研究结果， 生物炭对土壤氮素淋失的抑制作用具有普遍性，然而 对土壤磷素和钾素淋失的影响作用具有不确定性，与 土壤类型有关。为了进一步明确施用生物炭对土壤硝 态氮、磷、钾养分淋失影响的机制和不确定性原因，今 后应当加强土壤微生物及酶活性分析、土壤pH 值以 及养分量（尤其是钾素）控制等试验研究。