我国是世界上最大的氮肥消费国，氮肥用量占世界氮肥总用量的32%，其中7%的氮肥用于灌溉水稻^[1]，我国生产了世界30%的大米，95%来源于灌溉水稻^{[2, 3]}。化肥是保障粮食产量的重要手段，为了满足人口日益增长对粮食的需求，化肥用量必将不断加大^[4]。但水稻氮肥利用率较低，尤其是灌溉水稻氮肥利用率只有20%~40%^[5]，表明施入的氮肥以各种渠道损失。其中随水流失是灌溉水稻氮素损失的重要途径之一，尤其是在大水漫灌的沙质土壤中，大量氮素随灌溉水排出，进入地表或浅层地下水，导致周边水体质量恶化^[6]。宁夏引黄灌区位于黄河上游，是我国西北地区最大最古老的灌区之一，灌溉面积9697 km²，其以全区34%的耕地生产70%的粮食，养活60%的人口。水稻是该地区主要种植作物之一，也是主要的水肥消耗大户。水稻种植中，氮肥用量高达300 kg·hm^-2。由于宁夏年均降雨量只有180~220 mm，水稻生产主要靠引黄灌溉，在水稻整个生育期灌溉量高达1400~1600 m³·hm^-2，同时习惯于施肥后大水漫灌，导致大量氮素随水流失。围绕如何降低该地区氮素流失，国内相关学者做了大量工作^{[7, 8, 9]}，这些措施都起到了积极作用，但目前宁夏灌区施肥量还以每年6%的速度增长，过量施肥导致的土壤板结等问题也逐渐呈现^[10]。因此，探索在“用地”同时可以“养地”的调控途径以提高氮素利用率是满足日益增长的粮食需求和保护环境的关键所在。

近年来，有关生物炭与土壤质地改善的研究成为热点。生物炭是生物有机材料（生物质）在缺氧或低氧环境中经热裂解后的固体产物，通过将生物炭和氮肥配施可以改变氮元素在土壤中的循环^{[11, 12]}。国内外围绕生物炭对氮素流失的影响已开展不少研究，但这些研究更多是实验室土柱淋洗或是盆栽试验的短期研究结果，关于生物炭应用于集约化农田对氮素迁移转化及流失影响的试验研究很少，同时大多数研究表明生物炭对氮素流失的影响与土壤类型有很大关系^{[13, 14]}。灌淤土是我国一种特殊的土壤类型，它是在人为引用含泥沙的水灌溉落淤与耕种施肥交替作用下形成，有着特殊的成土过程，目前尚未有生物炭对灌淤土氮素迁移特征及流失情况影响的相关报道。宁夏灌区是灌淤土主要分布地区之一，水稻是该地区主要作物，本文选择宁夏引黄灌区具有代表性的集约化水稻田为对象，研究在当地常规施肥条件下添加不同用量生物炭对灌淤土水稻产量、水稻生育季内氮素迁移特征及流失情况的影响，旨在为控制灌区氮素流失提供参考途径。

试验于2013年在宁夏引黄灌区叶升镇正鑫源现代农业公司试验田（106°11′35" E，38°07′26" N）进行，该区属温带大陆性半干旱气候，年均降水量192.9 mm，年蒸发量1 762.9 mm，年无霜期163 d，年均积温3 866.3 ℃。土壤类型为灌淤土，耕层厚度约为20 cm，土壤肥力中等偏上，表层土壤盐分含量和土壤pH值均较高。水稻是该区域主要种植作物之一，化肥投入水平为300 kg·hm^-2。主要的种植模式为稻麦轮作，作物种植为一年一季。0~20 cm土壤有机质含量16.1 g·kg^-1，全量氮0.9 g·kg^-1，全磷0.9 g·kg^-1，速效氮含量62 mg·kg^-1，速效磷含量11.87 mg·kg^-1，速效钾含量112 g·kg^-1，pH值8.49，容重1.41 g·kg^-1。

试验所用生物炭以稻壳为原料，经高温（240 ℃~360 ℃）缺氧裂解而成，含碳量 65.7%。

试验采用随机区组设计，在当地常规施氮水平（300 kg·hm^-2）下设置高量炭（C3N300：9000 kg·hm^-2）；中量炭（C2N300：6750 kg·hm^-2）；低量炭（C1N300：4500 kg·hm^-2），不施炭（C0N300：0 kg·hm^-2）4个生物炭用量，每个处理重复3次，共12个试验小区，各小区面积为65 m2。为防止试验小区之间水分侧渗和串流，各试验小区在水稻插秧前用长寿塑料膜隔离，地下埋深120 cm，田埂包高30 cm。小区设立单独的灌水口和排水口，试验灌溉水引自黄河，水稻生长期间，不人为排水，让其自然渗漏和蒸发。

选用水稻品种为宁粳43号，于5月1日育秧，5月29日插秧，9月29日收获。所用氮肥为尿素（N，46%），磷肥为重过磷酸钙（P₂O₅，46%），钾肥为氯化钾（K₂O，60%）。氮肥分为3次施入土壤，50%插秧前同生物炭和磷钾肥作为基肥一同施入、6月8日（秧苗期肥，30%）和6月23日（拔节期肥，20%）各追肥1次，追肥方法为先灌水，等田面水稳定后，撒施在地表面，属根外追肥。水稻生长季（从泡田至收获）共灌水18次，灌溉量为1450 mm。基肥和生物炭粉均匀撒施后旋耕，旋耕深度15~20 cm。试验地的其余农作管理措施与当地常规管理措施同步。

采样频率：在施肥后的1、3、5、7 d后以间隔10 d的频次采集水样，整个生育期取水样共计15次。 田面水采集方法：用注射器（不扰动土层），随机小心抽取小区内5处中上层田面水，注入塑料瓶。 淋溶水采集方法：采用已经获得专利的土壤溶液提取仪（图 1）采集，小区内打入长度为70、110、150 cm的PVC管，其地上部分均为30 cm。以70 cm的管子为例，在40~50 cm处打孔，用尼龙纱网将开孔处包紧，用铁丝扎好，防止土壤将孔堵塞，底部20 cm（底部用塞子密封）用来收集土壤渗漏液，作为20 cm土层处的土壤渗滤液。每次取样时利用脚踏吸引器抽取20、60、100 cm处的渗滤液，具体方法是将PE气动管提前插入PVC管底部，与脚踏吸引器相连接，人为连续脚采踏板产生负压，收集PVC管里储存的淋溶液。水样采集后尽量于24 h之内测定，若不能及时测定，则暂时置于-20 ℃冰箱中保存。

图 1 渗漏水取样装置 Figure 1 Device for sampling soil leachate water

图选项

渗漏量测定：渗漏量的测定采用蒸渗仪（图 2）。蒸渗仪的安装参考我国水利行业标准灌溉试验规范^[15]。蒸渗仪面积1 m²，水稻插秧前埋入试验小区，埋深100 cm，地上部分30 cm，蒸渗仪里按照原状土层回填，土壤高度和大田保持相同，插秧时蒸渗仪里按照大田水稻种植密度种植水稻，所有农事操作同大田。

图 2 渗漏量测定装置 Figure 2 Device for measuring leachate water

图选项

通过监测探头获取渗漏桶内外壁不同的水位，然后经单片机做减法得到水位差，计算渗漏量，相关监测数据会保存到存储器中。初次田间观测时记录渗漏桶内壁水位值为a1，渗漏桶外壁水位为A1，下一次观测时记录渗漏桶内壁水位值为a2，渗漏桶外壁水位为A2，则（A1－A2）－（a1－a2）差值即为稻田单位时间内水分渗漏量。

在水稻成熟时，每小区采用5点取样法按照对角线采集5个1 m2的样方，之后将籽粒和秸秆部位分开，于烘箱内70 ℃杀青20 min，105 ℃烘干至恒重，计算水稻籽粒产量和秸秆生物量，并进一步考种，测定株高、穗长、穗数、穗粒数及千粒重等指标。

土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤全磷采用硝酸、高氯酸、氢氟酸消解，钼锑抗比色法；土壤速效磷采用0.5 mol·L^-1碳酸氢钠提取，钼锑抗比色法；土壤速效钾采用火焰光度法；土壤全氮采用硫酸催化消解，然后硼酸吸收滴定测定；水样总氮用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法，硝态氮和铵态氮用法国产FUTURA流动分析仪测定。

氮素渗漏量：Q_n=C_nQ_w 其中：Qn为氮素渗漏量，kg·hm^-2；Cn为氮素平均浓度，kg·m^-3；Qw为淋溶液体积，m³·hm^{-2 [16]}。

所得到的数据用Sigmaplot 12.5作图，并采用SAS软件进行统计分析，多重比较采用最小显著差异法（ LSD），方差分析在α=0.05水平上进行。

图 3-a给出了4种处理下水稻生育期内田面水中NH₄⁺-N浓度的变化情况，结果显示田面水中NH₄⁺-N浓度随生物炭用量增加呈升高趋势。第1次追肥（6月8日，插秧后11 d）2 d后田面水中NH₄⁺-N出现峰值，C3N300处理田面水中NH₄⁺-N浓度最高值为8.81 mg·L^-1，较常规处理C0N300高30.72%；第2次追肥（6月23号，插秧后26 d）后NH₄⁺-N浓度变化情况和第1次追肥相似，亦是追肥后2 d出现最大值，C3N300处理下NH₄⁺-N浓度最大值为8.80 mg·L^-1，其次为C2N300，浓度最低的是C0N300，为5.65 mg·L^-1。4个处理田面水中NH₄⁺-N浓度统一表现为追肥一周内维持较高水平，以后迅速下降，插秧后40 d到收获，4个处理的田面水NH₄⁺-N浓度均保持在1.0 mg·L^-1以下。

图 3 4种处理下稻田田面水NH4+-N、NO3--N及TN浓度在水稻生长季内的变化 Figure 3 Variations of NH4+-N,NO3--N and TN concentrations in surface water during rice growing stage under four treatments

图选项

田面水中NO₃^--N 浓度在水稻整个生育期呈现多峰变化（图 3-b）。不同生物炭用量对田面水中NO₃^--N浓度影响不同，结果显示随生物炭用量增加NO₃^--N浓度降低。每次施肥后3~5 d田面水中NO₃^--N浓度出现峰值。第1次追肥后C3N300、C2N300、C1N300和C0N300处理田面水中NO₃^--N浓度最大值分别为2.77，2.93，3.07和3.49 mg·L^-1；第2次追肥表现出和第1次追肥相同的趋势，浓度最高的为C0N300处理，为1.94 mg·L^-1，比施炭量最高的C3N300处理增加43.7%。之后随水稻生育期的延长田面水中NO₃^--N浓度逐渐下降，在插秧后50 d左右和70 d左右出现小幅回升，前者可能是由于进行田间除草和打药等农事操作，对试验小区表层土壤产生扰动，造成田面水中NO₃^--N浓度反弹，后者可能是由于8月上旬大约一周时间的晒田所致，晒田过程硝化作用加强，NO₃^--N含量增加，之后重新灌水引起NO₃^--N浓度上升。

田面水中TN的动态变化趋势跟NH₄⁺-N相似（图 3-c）。4个生物炭处理下，C3N300处理田面水TN浓度在水稻生育期内最低，其次为C2N300，最高的是C0N300处理。这表明施用生物炭可以降低田面水中TN浓度，并且随生物炭用量的增加降低趋势愈加明显。在水稻整个生育期，TN 浓度共出现2次大的峰值，范围在41.29~103.43 mg·L^-1之间，都是施肥后第1 d达到峰值，之后随着水稻吸收和各种途径的损失逐渐下降，一周之后基本回到施肥前水平。

不同土层渗漏水中NH₄⁺-N浓度变化规律如图 4。结果表明4种处理下土壤各层渗漏水中NH₄⁺-N浓度变化规律相似，都表现为20 cm处NH₄⁺-N浓度受施肥影响较为剧烈，与田面水中NH₄⁺-N浓度变化趋势基本一致，在施肥后第2～4 d时达到峰值，且不同处理出现峰值的时间一致； 60 cm处NH₄⁺-N浓度伴随两次施肥也出现了峰值，但峰值远小于20 cm处，只有20 cm处的10%。这可能是因为NH₄⁺-N本身不易向下迁移，且随水流运动需要一段时间才能达到较深层次土壤，同时土壤对铵根离子还具有吸附作用。100 cm 处NH₄⁺-N浓度已经非常小，大体上呈现逐渐升高的趋势，主要由于上层NH₄⁺-N需要一定时间才能被淋洗到较深土层，且深层土体一般处于饱和厌氧条件，硝化作用较弱，导致NH₄⁺-N持续累积，同时NH₄⁺-N浓度没有随两次追肥出现明显峰值，基本不受施肥影响。

图 4 4种处理下水稻田20 cm、60 cm 和100 cm 深度直渗水NH4+-N浓度变化 Figure 4 Variations of NH4+-N concentrations in leachate water at 20 cm,60 cm and 100 cm depth under four treatments

图选项

不同处理各土层渗漏水中NO₃^--N浓度变化趋势基本一致（图 5），整体表现为随水稻生育期逐渐下降，最大浓度都出现在第1次采样中。20 cm处NO₃^--N浓度受施肥影响明显，在水稻移栽后10 d内急剧下降，之后一直维持在较低水平，伴随两次施肥，都有较小的峰值出现。60 cm处NO₃^--N浓度变化趋势与20 cm处NO₃^--N浓度变化规律基本相似，但是前期的下降速度有所减缓，淋洗到较为稳定的低浓度所用时间长于20 cm处，大约在水稻移栽后第20 d。100 cm处NO₃^--N浓度变化非常平缓，这是由于上层土体NO₃^--N迁移到较深土层需要一定时间，一直到40 d后才达到较低浓度。在水稻整个生育期各处理100 cm处NO₃^--N最大浓度在13.55~15.64 mg·L^-1之间，已高于10 mg·L^-1的安全标准。

图 5 4种处理下水稻田20 cm、60 cm 和100 cm深度直渗水NO3--N浓度变化 Figure 5 Variations of NO3--N concentrations in leachate water at 20 cm,60 cm and 100 cm depth under four treatments

图选项

添加生物炭可以降低渗漏水中TN浓度，并随生物炭用量增加，降低趋势增加（图 6）。4种处理下稻田各土层渗漏水TN浓度变化趋势基本一致，20 cm处TN浓度在追肥后第2～4 d达到峰值，且4个处理出现峰值的时间一致，C0N300浓度最高，为39.86 mg·L^-1，其次是C1N300处理，为33.45 mg·L^-1，最低的是C3N300处理，为18.89 mg·L^-1。60 cm和100 cm处TN浓度大致呈现逐渐降低的趋势：60 cm处TN浓度伴随两次施肥也出现了峰值，但是其峰值远小于20 cm处峰值，100 cm 处TN浓度没有随两次追肥出现明显波峰，其浓度变化基本不受施肥影响。

图 6 4种处理下水稻田20 cm、60 cm 和100 cm深度直渗水TN浓度变化 Figure 6 Variations of TN concentrations in leachate water at 20 cm,60 cm and 100 cm depth under four treatments

图选项

迁移到100 cm以下的氮素基本难以被水稻利用，因此用100 cm处渗漏水中氮素浓度与该处的渗漏水体积相乘计算水稻生育期内氮素淋失量。各处理水稻生育期内TN淋失量如表 1所示，淋失量最大的为C0N300处理，水稻整个生育季内淋失量为29.02 kg·hm^-2，其次为C1N300处理，淋失量最小的是C3N300处理，水稻整个生育期TN淋失量较C0N300处理减少9.4%。

表 1 水稻生育期TN淋失量（kg·hm^-2） Table 1 Total N leaching at different rice growing stages（kg·hm^-2）

表选项

生物炭和氮肥配施，对宁夏灌区水稻产量有促进作用。水稻收获后各处理产量及其构成因素如表 2所示。水稻籽粒产量随生物炭用量增加而增高，产量最高的是C3N300处理，为10 524.81 kg·hm^-2，较C0N300处理提高44.89%。其次是C2N300处理，较C0N300处理提高23.28%，C1N300处理和C0N300相比，增产率亦达到15.26%。对水稻产量和生物炭用量进一步分析表明，在施加氮肥条件下水稻产量的高低与生物炭添加量的多少有显著正相关关系（r=0.962，P=0.038，n=12）。同时研究结果表明添加生物炭可以促进水稻生长，本试验条件下，水稻株高随生物炭用量增加而增高，穗数及穗粒数亦表现为随生物炭用量增多而增加的趋势，最高量生物炭处理C3N300与其他处理差异显著，但其余处理之间差异不显著（P＜0.05）。

表 2 生物炭对水稻产量及构成因素的影响 Table 2 Effects of biochar on yield and yield components of rice

表选项

氮肥施入农田后经各种途径损失，地表径流和渗漏是灌溉水稻氮素损失的重要途径，二者都会对周边水体造成不良影响。田面水氮素动态变化与氮素径流损失有直接关系，本研究结果显示，田面水中 NH₄⁺-N、NO₃^--N及TN浓度在水稻整个生育期整体都呈现下降趋势，这与易军等^[17]的研究结果相似。插秧后40 d内，氮素浓度相对较高，每次追肥都伴有峰值出现，其中NO₃^--N浓度较NH₄⁺-N浓度出现峰值的时间晚，主要是因为 NO₃^--N 大部分来自于 NH₄⁺-N 的硝化作用，施氮后尿素迅速水解转化为 NH₄⁺-N，之后紧接着经硝化作用逐步转化成 NO₃^--N^[18]。田面水中NO₃^--N 浓度随水稻生育期逐步下降，一方面是因为前期所施氮肥随水分下渗和被水稻吸收利用，导致田面水中铵态氮和总氮含量下降，硝化作用形成硝态氮的速度小于硝态氮损失的速度；另一方面由于田面水中的NO₃^--N会发生反硝化作用，以 N2、N2O或NO 的形式进入大气^[19]。因此，插秧40 d后田面水中NO₃^--N的浓度降到较低水平。本研究结果说明水稻生育前期（插秧后40 d内）是防控氮素径流损失的关键时期，与张爱平等^[20]得出的结论一致。添加生物炭在一定程度上可以降低田面水TN径流流失风险，并随施炭量的增加这种趋势更加明显，但统计分析各处理间不存在显著差异。这与刘玉学^[21]研究得出的添加秸秆炭或竹炭均能使稻田田面水TN浓度呈降低趋势，但不存在显著性差异的结论一致。宁夏引黄灌区水稻种植中习惯于大水漫灌，大量氮素随灌溉退水进入灌区水体，对水体质量产生不良影响^[22]，但近年来，受灌区用水统一分配影响，稻田实行定额灌溉，很少有明显排水，本试验过程中，没有产生地表径流，因此试验期间没有径流损失。但宁夏灌区7月常发生高强度突发降雨，单次降雨量可达全年降雨总量的一半，因此防止水稻生育期尤其是生育前期因突发降雨造成的氮素径流损失仍不容忽视。

浅层土壤氮素动态受生物炭影响较为明显，不同处理下渗漏液中各土层氮素浓度随时间推移都表现出下降趋势。前期浓度较高主要是由于土壤残留氮素及大量施用基肥使土壤氮素含量较高，同时水稻幼苗期对氮素利用率不高，加之大量灌溉（占灌溉总量的70%）导致土壤氮素随灌溉水大量下渗^{[23, 24]}。但是在水稻生育后期，不再施肥只进行灌溉，这期间渗漏水中的氮素主要来源于土壤前期残留氮素，因此浓度出现下降。苗期和分蘖期是不同处理TN渗漏发生最主要的时期，这段时间各处理氮素渗漏损失量达总渗漏量的65%~70%，与Zhang等^[25]的研究结果相符。绝大多数研究表明施用生物炭可以显著降低氮素淋失^{[26, 27, 28, 29, 30, 31]}。Knowles等^[32]发现，在两种粉砂壤土中施用源自污泥和木质材料的生物炭可以减少NO₃^--N淋失；Novak 等^[33]在实验室条件下研究了沙壤土中氮素淋失对生物炭的响应，结果显示生物炭可以增加氮的固定，减少硝酸盐淋失，但其效果取决于生物炭种类、用量、土壤类型及充气孔隙度等，得出类似结论的还有国内学者李文娟等^[34]和张千丰等^[35]。但也有研究显示施用生物炭对土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N淋失没有影响，如Singh等^[36]基于土柱培养试验就四种生物炭对两种土壤中NH₄⁺-N和NO₃^--N淋失作用进行监测，结果显示短期内没有减少NH₄⁺-N和NO₃^--N淋失，与本研究结果一致。本研究条件下添加生物炭对NH₄⁺-N和NO₃^--N的淋失亦没有影响，因此结果中未详列，可能和施用生物炭时间较短有关，有待于后续进一步研究。在对TN淋失量的影响上，随施炭量增加下降趋势增加，其中C3N300处理显著低于其他处理，表明生物炭对降低灌区灌淤土TN淋失有一定效果。

施用生物炭可以增加灌淤土水稻产量，这与大部分试验结果相似。张伟明等^[37]通过盆栽试验得出，添加生物炭后水稻产量增加，以每千克干土加 20 g 生物炭处理的产量增加最多，比对照提高33.21%。刘玉学^[21]研究表明添加秸秆炭能使水稻产量显著增加，不施加尿素条件下，添加1%秸秆炭能使水稻产量提高19.9%，而施加尿素条件下可提高11.2%。Zhang 等^[38]研究认为小麦秸秆生物炭以10 t·hm^-2和40 t·hm^-2添加至稻田后，在不施加氮肥的情况下，水稻产量分别增加12%和14%，而施加氮肥300 kg·hm^-2的情况下，水稻产量分别增加8.8%和12.1%。在巴西亚马逊地区土壤中施加生物炭11 t·hm^-2，连续2 年4个生长季高粱和水稻产量增加了约75%^[39]。本研究中不同用量生物炭和氮肥配合施入灌淤土后，水稻理论产量的增幅为10.9%～44.89%，显示生物炭添加于灌淤土对水稻产量有积极效果。但生物炭施用对作物产量的影响在不同试验条件下影响不同，张斌等^[40]在四川将生物炭连续两年施用于稻田，20 t·hm^-2和40 t·hm^-2的用量均未对水稻产量产生影响。生物炭影响产量的原因可能是通过影响土壤理化性质来改善作物生长发育情况进而提高作物产量^{[41, 42]}。生物炭施入农田后，土壤的理化性质以及微生物活动发生了变化^[43]，这些变化与农田小气候共同作用影响作物产量^[44]，但这些影响因素与作物产量之间的相互作用机制尚不清楚。可能是由于加入生物炭后，生物炭对氮肥的吸附固持作用较好，二者产生正协同作用，促进作物对氮素的吸收进而影响产量^[42]。另外，作物产量对生物炭施用的不同响应，还取决于生物炭种类、用量、土壤质地和作物类型以及不同施肥管理方式^{[45, 46]}。

（1）施用生物炭影响灌淤土稻田田面水和渗漏水氮素动态。稻田田面水和渗漏水中TN、NO₃^--N浓度随生物炭用量增加呈降低趋势，而NH₄⁺-N浓度呈升高趋势；生物炭对不同土层氮素浓度变化影响不同，不同施炭处理下20 cm处氮素浓度差异较为显著，60 cm和100 cm处差异较小。

（2）施用生物炭可以降低稻田TN淋失量。本试验条件下添加生物炭对NO₃^--N和NH₄⁺-N淋失没有表现出影响，但对TN淋失的影响表现出随生物炭用量增加而降低的趋势，TN淋失量最少的为C3N300处理，整个生育期内TN淋失量为26.28 kg·hm^-2，与常规施肥处理C0N300相比，TN淋失量减少9.45%。

（3）施用生物炭可以提高水稻理论产量。施用生物炭后水稻穗粒数和穗数随生物炭用量增多而增加，水稻理论产量增幅达15.26%～44.89%。