農田土壤養分淋失可導致土壤肥力下降、資源浪費，進而給經濟效益造成損失，其中氮（N）、磷（P）的淋失還給水體環境帶來潛在威脅。所以，如何采取措施減少土壤養分淋失、提高養分利用率，是人們長期以來關注的問題。生物炭（biochar）是生物質在低氧環境下，經過高溫（300~700 ℃）熱解而得到的一類具有比表面積大、孔隙多、吸附和穩定性強等特點的高度芳香化富碳物質。近年來，生物炭作為一種功能材料在農業上的應用引起廣泛關注，其在土壤耕性改良、肥力提升及污染修復等方面呈現可觀潛力[1-6].另外，有研究表明，在沙土中添加山核桃殼制成的生物炭不僅能提高土壤 pH 值，增加土壤有機碳、P、K、Ca 等含量，還能減少土壤 P、Ca 等養分的淋失[7]；在施用有機肥的土壤中，添加橡木和山核桃木制成的生物炭能減少 N、P 的淋失[8];在淋溶土及變性土中添加畜禽糞及桉木制成的生物炭后，土壤 N 的氣態損失和淋溶損失均顯著減少[9];李際會等[10]對我國北方潮褐土的研究發現，改性生物炭能夠有效降低土壤 N、P 的淋失風險?？梢?，生物炭在控制土壤養分淋失方面有著很好的應用前景。

在我國云南煙區，由于水熱充沛、土壤礦物風化程度高、土壤偏酸和有機質含量低以及不合理過量施肥等原因，土壤養分淋失問題尤為突出，這嚴重制約了當地煙葉的可持續生產。本研究以云南煙區的紫色土、赤紅壤和黃棕壤 3 種典型土壤為研究對象，通過土柱淋洗模擬試驗，研究了添加玉米秸稈生物炭對土壤硝態氮、磷、鉀養分淋失的影響，以期為生物炭的合理廣泛應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自云南省玉溪市煙田耕層土壤，分別為紫色土、赤紅壤和黃棕壤，土壤經風干等處理后過2 mm 篩備用，其基本性質見表 1.供試生物炭為玉米秸稈在 360 ℃條件下不完全燃燒 24 h 制成的黑色粉末，其基本性質為：密度 0.28 g·cm-3,pH 值為 8.40,碳含量 649 g·kg-1,全氮 10.1 g·kg-1,硝態氮 6.16 mg·kg-1,全磷 10.8 g·kg-1,全鉀 9.64 g·kg-1,將生物炭粉碎后過2 mm 篩，烘干備用。試驗所用的氮、磷、鉀肥料分別為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀，其氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）含量分別為 46%、18%和 50%.

1.2 試驗設計

采用土柱模擬的方法進行研究，試驗于 2014 年6-8 月在中國農科院溫室內進行。試驗設不加生物炭對照 CK（5 kg 土+氮磷鉀肥）和添加生物炭（5 kg土+氮磷鉀肥+0.5 kg 生物炭）2 個處理，生物炭添加水平根據以往研究經驗設計[1-4].肥料添加量均為 30 gN、25 g P2O5、75 g K2O,按當地植煙農民習慣設計，每個處理重復 3 次。

將土、生物炭和肥料按所需比例混勻后，填裝到高40 cm、內徑16 cm 的底部封閉只留一出水孔的 PVC管中。土壤容重控制在 1.1 g·cm-3左右，以防止土壤過緊實對淋溶產生影響；在上部鋪一層濾紙以防止水分淋溶對表層土壤的擾動；土柱底層鋪一層 10 cm 厚濃酸洗過的玻璃珠與石英砂，以防止底層土壤流失。

土柱填裝完后，加水至田間持水量的 70%預培養 2 d,之后每隔 4 d 用蒸餾水定量定時淋洗 1 次，共淋洗 14次。收集每一次的淋溶液并測定其體積和硝態氮、磷、鉀含量。

1.3 測定指標、方法及數據分析

淋洗液中硝態氮、磷和鉀的含量分別采用酚二磺酸比色法、鉬銻抗比色法和火焰光度計法測定，計算每一次淋洗的以及累積的養分淋失量，測定結果均換算成單位質量干土的淋失量（以 N、P、K 計，mg·kg-1）。淋洗結束后測定土壤 pH 值。利用 SPSS 13.0 軟件進行數據的方差分析。

2 結果與討論

2.1 生物炭對土壤硝態氮淋失的影響

3 種土壤硝態氮淋洗量在培養試驗前期均迅速增加，在培養的第 9~13 d 達到峰值，之后逐漸下降，53 d 后趨于平穩（圖 1）?？偟膩碚f，3 種土壤在培養的中間階段（17~53 d），添加生物炭處理土壤硝態氮淋洗量在各取樣時期均顯著低于對照處理。從土壤硝態氮累計的總淋洗量來看，3 種土壤均表現為添加生物炭處理土壤硝態氮淋洗總量顯著低于對照處理，抑制率分別為：紫色土 16%、赤紅壤14%、黃棕壤 22%,尤其以黃棕壤上的效果最明顯。

土壤硝態氮淋溶受復雜的生物化學過程所控制，首先土壤有機氮經微生物礦化作用形成氨，氨經質子化作用生成銨態氮，銨態氮在硝化細菌作用下發生氧化反應生成硝態氮，硝態氮隨水垂直遷移后發生淋溶。生物炭的絕大多數表面吸附點位歸屬于羧酸基和酚基功能團[11],這些負電荷表面點位不能吸附硝態氮，然而生物炭具有強大的吸附銨態氮以及可溶性有機氮的能力[8],所以我們認為，生物炭施入土壤后，主要是通過增加銨態氮以及可溶性有機氮的吸附，延長其滯留時間，進而緩解了硝態氮的形成過程以及淋溶損失。此外，生物炭施入土壤后，也可能對土壤氮素轉化的酶以及微生物產生吸附作用，降低有關酶及微生物與尿素等有機氮及銨態氮的親和力和接觸機會，從而延緩了尿素等有機氮的礦化及銨態氮向硝態氮的轉化，減少硝態氮的形成及淋溶損失[12].Laird 等[8]、Singh等[9]、李際會等[10]以及 Knowles 等[13]在其他類型土壤上的研究也得出與本研究一致的結果，不僅如此，Beck等[14]的研究表明施用生物炭能顯著減少農田徑流氮的損失。顯然，施用生物炭對農田土壤氮素流失的抑制作用具有一定的普遍性。

2.2 生物炭對土壤磷素淋失的影響

總的來說，隨培養時間延長，3 種土壤的磷淋洗量均呈現先增加后降低的趨勢，尤以紫色土和赤紅壤上的變化較為明顯（圖 2）。在整個培養期間，紫色土和赤紅壤磷淋洗量均表現為添加生物炭處理顯著低于對照處理，從淋洗總量來看，2 種土壤上的抑制率分別為 41%和 32%,尤以紫色土上的效果更明顯。在黃棕壤上，添加生物炭處理和對照處理之間的磷淋洗量差異不明顯。

盡管人們普遍認為磷素在土壤中的移動性較差[15],但磷素在土壤剖面下層中的高量累積現象確實有很多報道[16-18].本研究發現，在施用磷肥條件下，土壤磷素的淋溶損失十分明顯。添加生物炭對土壤磷素淋溶損失影響的作用途徑可能取決于兩方面：一方面生物炭本身對磷酸鹽及可溶性有機磷可能具有強烈的吸附固定作用[8];另一方面生物炭本身偏堿性，施入后導致本研究 3 種偏酸土壤的 pH 值均顯著升高（圖 3），進而可能增加磷的有效性。這兩種作用途徑，前者有利于控制磷的淋失，而后者則有利于促進磷的淋失，所以最終的結果取決于二者的平衡。在本研究的紫色土和赤紅壤上，前者的作用可能多于后者，所以添加生物炭降低磷的淋失；而對于黃棕壤，二者的作用可能相當，所以正負作用相互抵消后表現為添加生物炭對土壤磷淋失沒有顯著影響。Novak 等[7]、Laird 等[8]以及李際會等[10]在其他類型土壤上的研究均發現，施用生物炭能夠顯著減少土壤磷素的淋失，這與本研究的紫色土和赤紅壤上的結果一致，但與黃棕壤上的結果不同，這說明施用生物炭對土壤磷素淋失的影響作用表現出不確定性，受土壤類型的影響。

2.3 生物炭對土壤鉀素淋失的影響

3 種土壤的鉀素淋洗量隨培養時間延長均呈現先增加后降低的趨勢（圖 4）?？偟膩碚f，在整個培養期間，紫色土和黃棕壤鉀素淋洗量均表現為添加生物炭處理顯著高于對照處理，從淋洗總量來看，兩種土壤上的增加幅度分別為 19%和 23%.在赤紅壤上，添加生物炭處理和對照處理之間的鉀素淋洗量在各取樣時期均差異不明顯，淋洗總量亦無顯著差異。

一方面，生物炭的表面吸附點位以及微孔理論上可以直接對鉀素產生強烈的吸附作用；另一方面，pH值可以通過影響鉀素的固定與釋放、吸附與解吸來影響溶液中的鉀素濃度，進而影響鉀素遷移，鉀的固定量一般隨土壤 pH 值的升高而增加[19],所以添加生物炭后的土壤 pH 值升高可能有利于減少鉀素淋失。然而，本研究結果顯示添加生物炭后，盡管可能直接增加了對鉀素的吸附固定，也顯著提高了土壤 pH 值（圖 3），但赤紅壤鉀素淋失量并沒有減少，對于紫色土和黃棕壤的鉀素淋失量更是發生顯著增加。分析認為，這可能是由于生物炭本身攜帶一定量的鉀素，其有效性亦可能較高，具體原因有待深入研究[8].Laird等[8]在其他類型土壤上的研究發現，施用生物炭能夠顯著增加土壤鉀素的淋失，這與本研究的紫色土和黃棕壤上的結果一致，但與赤紅壤上的結果不同，可見施用生物炭對土壤鉀素淋失的作用效果受到土壤類型的影響。

3 結論

基于土柱淋洗模擬試驗，研究了添加生物炭對云南煙區 3 種土壤硝態氮、磷、鉀養分淋失的影響。結果表明，添加生物炭后，紫色土、赤紅壤和黃棕壤的硝態氮淋洗總量分別減少 16%、14%和 22%;紫色土、赤紅壤的磷素淋洗總量分別減少 41%和 32%,黃棕壤磷素淋洗總量變化不明顯；紫色土和黃棕壤的鉀素淋洗總量分別增加 19%和 23%,赤紅壤的鉀素淋洗總量變化不明顯?？偟膩碚f，施用生物炭是控制云南植煙土壤氮、磷淋失的有效措施。結合以往相關研究結果，生物炭對土壤氮素淋失的抑制作用具有普遍性，然而對土壤磷素和鉀素淋失的影響作用具有不確定性，與土壤類型有關。為了進一步明確施用生物炭對土壤硝態氮、磷、鉀養分淋失影響的機制和不確定性原因，今后應當加強土壤微生物及酶活性分析、土壤 pH 值以及養分量（尤其是鉀素）控制等試驗研究。