氮肥是农业生产活动中普遍施用的重要肥料之一。然而，目前氮肥利用效率比较低，我国作物对氮肥的平均利用率约为35%，淋溶损失是影响氮素利用效率的重要原因之一，其造成的氮肥损失量约占总损失量的2%^[1]。因为淋溶作用能够导致土壤中硝态氮和铵态氮下渗到作物根系活动层之下^[2]，所以会影响植物对氮素的吸收利用。淋溶作用还会引起地下水环境的氮素污染，危害人体健康。因此，如何科学合理地施用氮肥，减少氮素淋溶损失，降低环境污染风险，是我国农田生态系统管理和环境保护领域中亟需解决的重大问题^[3]。

生物质炭技术是一种新兴而又有效的持氮技术。 生物质炭是各种有机废弃物，如玉米秸秆、灌木树枝、柳树叶等，在无氧或部分缺氧条件下高温热解后炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态富碳物质^[4-5]。一些学者研究了生物质炭对土壤中铵态氮和硝态氮淋失的影响，结果发现施加生物质炭确实能够降低土壤中铵态氮和硝态氮的淋失量，提高土壤对氮素的固持能力^[2-6]，而且生物质炭对土壤持氮能力的影响效果与生物质炭的施加量、炭化温度以及制备材料有关。周志红等^[1]的研究结果表明生物质炭施用量分别为50、100 t·hm^-2时，会使黑土总氮淋失量降低29%和74%，说明不同生物质炭施用量对土壤氮素淋失的抑制效果不同。惠锦卓等^[7]也得到相似的研究结果。刘玮晶等^[5] 发现不同炭化温度或原材料制备的生物质炭对土壤持氮能力的影响不同，500 益制备的秸秆炭明显好于300益制备的秸秆炭，而且施加秸秆炭土壤的持氮能力高于施加稻壳炭的土壤。另外，生物质炭对土壤持氮能力的影响还与土壤性质有关，施加等量生物质炭对紫色土中氮素淋失的抑制效果好于黑土。这种差异与土壤的pH，孔隙大小等因素有关^[1]。

我国东北黑土区是重要的粮食产区，主要分布在高纬度地区的松嫩平原东部和北部的山前台地。在长达半年的冬春季节里，土壤始终处于冻结和解冻的循环状态。冻融过程影响了土壤的理化性质^[8]和微生物的生存和繁殖，改变了土壤氮素的矿化和固定过程， 进而直接或间接影响土壤的持氮能力^[9]。全球变暖可能影响土壤冻融循环格局^[10]，从而改变土壤氮素淋溶特征，使东北地区黑土氮素淋失过程因冻融循环次数、冻融速率和冻融强度等因素的改变而存在很大的不确定性^[11]。已有研究表明随着冻融次数增多、冻结强度增加、持续时间延长，土壤氮素淋失加剧^[12-13]。目前，我国东北粮食产区也开始采用生物质炭技术来解决土壤氮素淋失问题，并且有些学者也开始了此方面的研究。然而，到目前为止，生物质炭对冻融条件下土壤持氮能力的影响效果还不清楚。

本研究选择东北黑土为对象，采用室内培养方法研究了不同冻融次数下生物质炭对土柱淋出液中铵态氮和硝态氮浓度的影响随时间的变化规律，同时考查了冻融频次与施加生物质炭土壤中氮素累积淋失量和累积淋溶液体积之间的关系。为研究用生物质炭解决中高纬度地区土壤氮素淋失问题、提高土壤氮素固持能力和氮素利用率奠定理论基础。

1 材料与方法 1.1 供试材料 1.1.1 供试土壤

供试土壤采用棋盘式法，采于吉林省长春市农业生态园（43°88'N，125°32'E）黑壤的表层土（0~20 cm）。 采样区已有至少10 年的耕作史，属温带大陆性季风气候，春夏多雨，冬季干燥寒冷。年均降雨量400~700 mm，近年来年均气温3.2~6.6 益。土壤经风干、粉碎、 过2 mm筛后储藏备用。采用pH复合电极（Accumet， AccupHast，Fisher Scientific）测定土壤pH；采用电导率仪测定电导率（EC）；采用乙酸铵交换法测定阳离子交换量（CEC）^[5]；采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定土壤有机碳（SOC）^[14]；采用激光粒度分析仪测定土壤颗粒分布^[15]；采用凯氏定氮法测定土壤中全氮的含量^[16]，结果见表 1。

1.1.2 供试生物质炭

供试生物质炭是由玉米秸秆和五年连翘灌木树枝在500 益条件下使用马弗炉（SX2-4-10，上海意丰电炉有限公司）进行热解炭化制得的玉米秸秆炭（简称秸秆炭，J）和连翘灌木树枝炭（简称树枝炭，Z）。过60目筛，置于干燥器中备用。

1.2 土柱设计和装填

土柱采用PVC 材料制成，内径6.2 cm、高25 cm， 下端用200目细网筛封口，同时在底部网筛上加1 cm 厚的石英砂，再在上面铺一层尼龙布。根据土柱规格， 模拟土层厚度，将处理好的土壤样品，按照粒径质量分布特征称取780 g 土壤制备未施加生物质炭的空白对照组土样（CK 处理组）。参考最佳生物质炭施加量^{[1, 3]}，称取764.4 g 土壤与15.6 g生物质炭混合均匀后制备两种施加生物质炭处理组土样（J 处理组和Z 处理组），生物质炭的添加量为2%。采用含有氮素的蒸馏水（参考东北地区农田常用施肥量108kg·hm^-2，将0.327 g硝酸铵溶于237 mL 蒸馏水中）调节CK 组、J处理组和Z处理组土壤，使其含水率为最大持水量的90%。将土样装填入土柱中，适当按压，使其容重在1.25 g·cm^-3左右；然后在土柱上方铺一层1 cm 厚石英砂，以免淋溶时扰动土层。为保证土柱自上而下进行冻融，将做好的土柱装入泡沫隔热板制成的外套内。

1.3 冻融处理和淋溶实验

将整个冻融实验装置（土柱和泡沫隔热板）放在冰柜中，冻融实验包括冻融组（F）和未冻融组（NF）,未施加生物质炭的空白组和施加生物质炭的处理组均设置冻融组和未冻融组。冻融组放在-25 益冰柜冻结2d，然后取出放置在5 益冰柜融化2 d，此过程为一个冻融循环。实验设置了具有代表性的1、3、6 个冻融循环。未冻融组放置在5 益冰柜中，时间分别与1、3、6 个冻融循环处理的时间相同。各处理重复三次。在此期间，需及时补充水分保持土壤水分含量不变。冻融处理结束后，将土柱取出放置于支架上进行淋溶实验。采用一次连续淋溶，缓慢注入总量为300 mL的去离子水（根据研究地冻融期平均降雨量计算获得）。整个淋溶过程需要保持水面高于土面1 cm，从土柱底部每定量收取15 mL 淋出液作为一个样品，同时记录每个样品达15 mL时的时间，分别测定每个样品中铵态氮和硝态氮浓度，并用每组取得的所有样品的累计体积与浓度计算出铵态氮和硝态氮的累计淋出量。铵态氮含量的测定采用国家标准GB/T 7479—1987 纳氏试剂分光光度法；硝态氮含量的测定采用国家标准GB/T 8538—1995 紫外分光光度法^[1]。

1.4 数据处理

利用SPSS19.0软件进行统计分析。采用Origin8.0 软件作图。

2 结果与分析 2.1 冻融频次为1 时施加生物质炭对土柱铵态氮和

硝态氮淋失的影响由图 1 可知，在1 个冻融循环条件下，施加秸秆炭土柱淋出液中铵态氮的最初与最终淋出浓度均较低，差值较小，铵态氮淋失浓度随时间变化曲线整体走势比较平缓；硝态氮淋溶曲线在前40 min 呈快速下降趋势，之后变缓。在冻融和非冻融条件下，施加秸秆炭土柱淋出液中铵态氮和硝态氮最初和最终淋失浓度差分别为0.16 mg·L^-1（冻融）和0.55 mg·L^-1（未冻融）；0.38 mg·L^-1（冻融）和0.44 mg·L^-1（未冻融）。

施加树枝炭土柱铵态氮淋失浓度随时间变化曲线出现明显高峰，高峰浓度值与淋溶末期浓度值差异较大，曲线较陡。在冻融与未冻融条件下，施加树枝炭土柱淋出液中铵态氮与硝态氮最大浓度与最终浓度的差值分别为1.10 mg·L^-1（冻融）、1.15 mg·L^-1（未冻融）以及0.68 mg·L^-1（冻融，未冻融）。

从图 1 可以看出，生物质炭能够增强土壤持氮能力，而且秸杆炭比树枝炭效果更好，尤其是在淋溶初期（P＜0.05）。比较施加生物质炭对铵态氮和硝态氮的固持能力，我们发现两种生物质炭对铵态氮的固持效果都好于硝态氮。对于未施加生物质炭对照组来说， 冻融土柱淋出液中的铵态氮和硝态氮淋失浓度较未冻融土柱的增大了；对于施加秸秆炭处理组来说，冻融土柱淋出液中铵态氮和硝态氮浓度明显小于未冻融土柱的（P＜0.001），而施加树枝炭处理组浓度差不明显。这表明冻融作用会影响生物质炭对土壤氮素的固持能力，这种作用效果与生物质炭种类有关。在一个冻融循环条件下，秸秆炭能有效减缓土壤因冻融造成的氮素淋失。

2.2 冻融频次为3 时施加生物质炭对铵态氮和硝态

氮淋出的影响从图 2 可以看出，在3 个冻融循环条件下，整个淋溶过程中未施加生物质炭土柱和施加生物质炭土柱淋出液中铵态氮浓度随时间变化曲线均出现了明显峰值，但施加秸秆炭土柱的淋溶曲线峰值最低，仅为0.60 mg·L^-1（冻融）。而未施加生物质炭的土柱和施加树枝炭的土柱淋出液中铵态氮高峰浓度值与最终浓度值相差很大，差值分别是1.69 mg·L^-1（冻融）和2.00 mg·L^-1（冻融），所以整个曲线呈快速下降趋势， 与1个冻融频次下的情况相同。在冻融和未冻融条件下，未施加生物质炭土柱淋出液中硝态氮浓度随时间变化也出现了高峰，数值是0.33 mg·L^-1（冻融）。然而施加两种生物质炭土柱淋出液中硝态氮浓度随时间变化的曲线均呈现平缓下降趋势。

在3个冻融频次下，对于经过冻融处理的土柱来说， 未施加生物质炭土柱、施加秸秆炭土柱和施加树枝炭土柱的淋溶时间分别是89、115、94 min。这表明施加生物质炭延长了冻融土柱的淋溶时间，而且施加秸秆炭土柱的淋溶时间要比施加树枝炭土柱的淋溶时间长， 说明在3 个冻融循环条件下，施加生物质炭尤其是玉米秸秆炭可以有效增加土壤的持水能力。与1个冻融频次一样，在3 个冻融频次下，施加生物质炭也增强了土壤持氮能力（P＜0.001），秸秆炭的持氮效果好于树枝炭，尤其是在淋溶初期（P＜0.05）。这两种生物质炭对铵态氮的固持效果都好于硝态氮。

2.3 冻融频次为6 时施加生物质炭对铵态氮和硝态

氮淋出的影响从图 3 可以看出，在6 个冻融循环条件下，施加秸秆炭土柱淋出液中铵态氮浓度随时间变化曲线仍然很平缓，冻融土柱淋出液的浓度峰值与最终浓度差值仅为0.36 mg·L^-1，而硝态氮浓度随时间变化曲线较1 个和3 个冻融循环时陡峭很多，最大浓度值及最终浓度差值可达1.28 mg·L^-1。施加树枝炭的土柱淋溶曲线也较1 个和3 个冻融循环平缓了很多。这主要是因为淋溶末期氮素淋失浓度升高了，而淋溶初期浓度没有很大变化，尤其是峰值。

与3 个冻融频次相比，在6 个冻融频次下，施加生物质炭也延长了土柱淋溶时间，而且施加秸秆炭的淋溶时间要比施加树枝炭的长。同样，秸秆炭对土壤的持水效果要好于树枝炭。在6 个冻融频次下，对于经过冻融处理的土柱来说，未施加生物质炭土柱、施加秸秆炭土柱和施加树枝炭土柱的淋溶时间分别是80、113、104 min。这表明施加生物质炭延长了冻融土柱的淋溶时间，而且施加秸秆炭土柱的淋溶时间要比施加树枝炭土柱的淋溶时间长。

对于冻融组来说，施加生物质炭土柱淋溶初期淋出液中铵态氮和硝态氮浓度值均较未施加生物质炭土柱的低（P＜0.05），与一个冻融循环条件下的情况一致。但是在淋溶末期，施加生物质炭土柱淋出液中铵态氮和硝态氮浓度并没有像3 个冻融循环下那样明显小于未施加生物质炭的对照组土柱（P>0.05），甚至出现空白组大于处理组的情况。由此可见，虽然在6 个冻融循环处理下，施加生物质炭仍然能够降低土壤氮素淋失浓度，而且秸秆炭效果仍然较树枝炭好（P＜ 0.05）。但是施加生物质炭和未施加生物质炭土壤的持氮能力差别减小了。这表明较高的冻融频次能够降低生物质炭对土壤氮素的固持能力。

2.4 淋出液体积与氮素累积淋失量

对不同处理土柱淋出液的体积和氮素累积淋出量进行统计计算，结果列于表 2。比较各处理土柱在1、3、6 个冻融循环条件下，冻融前后的水分淋失量， 我们发现除了未施加生物质炭的土柱在1 个冻融循环条件下冻融后淋失液体积小于未冻融的，其余的均是冻融后的淋失液体积较大，表明冻融会增加土壤水分流失。无论土柱是否经过冻融循环处理，施加生物质炭的土柱淋出液体积均比未施加生物质炭的少，表明分别施加这两种生物质炭均可以有效地增强土壤持水能力（P＜0.05）。对于冻融处理土柱来说，在1 个冻融频次下，施加秸秆炭与树枝炭土柱较未施加生物质炭土柱的淋出液体积降低率分别为8.17%、25.29%；3 个冻融频次下分别为15.87%、9.52%；6 个冻融频次下分别为20.80%、16.79%。可以看出，玉米秸秆炭在3个和6 个冻融频次下对土壤水分的固持效果较树枝炭要好，在1 个冻融频次下则与此相反。而且秸秆炭和树枝炭在冻融频次分别为6、1 时固水能力最佳。

由表 2 可以看出，在不同冻融次数条件下，将未施加生物质炭土柱与施加两种不同生物质炭土柱相比，后者的氮素淋出量均明显小于前者（P＜0.05），而且施加秸秆炭土柱的氮素累积淋出量最小。冻融循环对土壤氮素淋失量也具有一定的影响。对于所有处理来说，基本上都是冻融频次数3 时氮素淋出量最大， 其次是6 个冻融频次。对于冻融处理的土柱来说，1 个冻融频次下，施加秸秆炭与树枝炭土柱较未施加生物质炭土柱的氮素淋失量降低率分别为79.79%和68.09%；3 个冻融频次下分别为85.79%和55.26%；6 个冻融频次下分别为76.15%和67.89%。可以看出， 玉米秸秆炭在不同冻融循环下对土壤氮素的固持效果都比树枝炭好，而且秸秆炭和树枝炭在冻融频次分别为3、1 时持氮能力最佳。

3 讨论 3.1 冻融作用对土壤铵态氮和硝态氮淋失的影响

本研究结果表明，冻融会增加土壤铵态氮和硝态氮的淋失量（P＜0.05），可达4.4%~21.01%。Jackson-Blake 等^[17]认为，这是因为冻融可以通过强烈的物理破坏过程改变土壤团粒结构，增大或缩小土壤团粒间的空间，必然影响氮素附着能力，所以直接降低了土壤对氮素的固持效果^[16]。此外，左海军等^[18]发现，土壤粘粒含量越高，土壤氮素发生流失的可能性就越小，而冻融减小了土壤粘粒含量，故增加了氮素的流失。另外， 多次冻融交替会使土壤发生胀缩，导致土壤颗粒重新排列，原有孔隙比发生变化，增加了土壤的渗透率，渗透率的提高会减小土壤对氮素的淋溶阻力^[10]。

此外，冻融过程会增加土壤中无机氮素的释放。 这是因为冻结会引起土壤孔隙中冰晶膨胀，颗粒之间的联结被打破，导致大团聚体碎裂，变成小团聚体^[12]， 土壤团聚体稳定性遭到破坏，被其包裹着的小分子物质释放出来，从而增加了土壤可溶性氮素含量^[19]。范志平等^[12]证明了较低的土壤温度会直接增加土壤胶体中铵态氮的释放。另外，冻融过程会增加土壤孔隙^[19]， 减小土壤持水能力，导致土壤水分流失量增加^[20]，土壤释放的部分可溶性无机氮素即可从土相中进入水相中，并且随着水分垂直或水平迁移，造成土壤氮素淋失量增加^[16]。

国内外一些研究表明，土壤氮素淋溶过程除了受到上述多种非生物因素外，还受到生物因素的作用。 例如，有研究者^[21-22]提出冻融过程会影响土壤微生物的生长和繁殖，改变微生物的活性，进而作用于土壤氮素的矿化和固定过程^[9]。低温甚至造成部分微生物死亡并引发氮素释放，也是土壤无机氮素淋失量增加的重要因素^[20]。

本研究发现冻融频次也会影响土壤氮素淋失量。 随着冻融次数的增加，因冻融造成的土壤氮素淋失增加量呈先增加后降低趋势。这可能由于影响氮素淋失的上述过程与冻融循环次数有关

3.2 冻融条件下施加生物质炭对土壤中铵态氮和硝

态氮淋失量的影响实验结果表明，在冻融条件下，施加这两种生物质炭能够有效抑制黑土中铵态氮和硝态氮的淋失，抑制效果可达55.26%~85.79%。这是因为生物质炭具有很多有利于持氮的物理性质，如孔隙发达、比表面积大等^[23]，可以为氮素提供大量的吸附位点。而且生物质炭施入土壤后较易形成大团聚体，可以修复因冻融造成的团聚体的破碎^[24]，增加土壤吸附氮素的能力。 另外，生物质炭表面电荷多、电荷密度高，能够吸附土壤中水相和土相中如NH₄⁺、NO₃^-等的无机离子^[4]。实验结果显示，施加生物质炭对土柱中铵态氮淋失的抑制效果高于硝态氮。之前Kettunen 等研究表明，这是因为生物质炭表面富含更多负电荷，对阳离子有更好的吸附作用^[25]。此外，生物质炭呈弱碱性，能够提高土壤pH^[26]、并增加含氧官能团数量，从而提高土壤阳离子交换量，增加土壤吸附NH₄⁺的能力^[4]。这也是生物质炭对土壤中铵态氮固持效果好于硝态氮的原因。

本实验结果表明施加生物质炭还可以增强冻融后土壤的持水能力，持水效果可达8.17%~25.29%，这主要是因为生物质炭拥有大量微孔，且密度一般在0.1~0.5 g·cm^-3，远小于土壤密度，故施加生物质炭可以降低土壤密度^[27]，增加土壤孔隙度，进而增加了它的持水性^[18]。此外生物质炭有丰富的表面官能团^[28]，可以吸附土壤中的水分，减少土壤冻融后导致的水分的渗漏流失。由于氮素淋溶主要发生在溶液中，生物质炭可以通过减少水分流失来抑制氮素的淋失^[29]。

从本实验结果可以看出，玉米秸秆炭在冻融条件下的持氮效果好于树枝炭，3 个冻融循环下的效果差异最显著，可达30.53%，而且在淋溶初期就能有效降低氮素淋失量。陈心想等^[23]研究证明，制备生物质炭原料不同，对氮素流失的抑制程度有明显差异。这主要是因为生物质炭对土壤持水量、持氮量的影响取决于生物质炭的颗粒度、比表面积、密度、孔隙结构及表面官能团组成等因素^{[10, 23]}。与树枝炭比较，玉米秸秆炭的优势在于其炭质密度较低，本实验在装填土柱时发现，施加相同质量生物质炭时，施入土壤中树枝炭的体积要小于玉米秸秆炭的体积。此外，玉米秸秆炭孔隙结构比树枝炭更发达^[24]。这是因为玉米秸秆热稳定性比树枝的低，在相同热解温度炭化后玉米秸秆的累积质量损失较树枝炭多，即灰分含量较低，有更多可燃性气体挥发，从而使秸秆炭形成更多的孔隙结构和较大的比表面积，较大的施加体积以及较发达的孔隙结构，也使玉米秸秆炭在持水持氮方面效果更加突出^[30]。

此外，我们发现，冻融频次不同会造成生物质炭持氮效果不同。冻融频次越多，生物质炭对土壤持氮能力的改善作用越差。这可能是因为随着冻融频次的增加，生物质炭的比表面积大小和发达的孔隙结构也随之改变，减弱了生物质炭对土壤氮素的固持效果。

4 结论

（1）冻融过程会增加土壤中铵态氮和硝态氮以及水分的淋失量，而且这种作用和冻融频次有关，未施加生物质炭土柱的铵态氮和硝态氮淋失总量和淋溶体积分别在3个和6个冻融频次下达到最大。

（2）在1、3、6 个冻融频次下，施加玉米秸秆炭和树枝炭都可以有效降低土壤氮素和水分的淋出量，且降低效果与冻融频次有关。施加秸秆炭和树枝炭土柱分别在3 个和1 个冻融频次下持氮能力最强；分别在6、1 个冻融频次下固水能力最强。在1、3、6 冻融频次下，两种生物质炭对铵态氮的淋失浓度降低效果均好于硝态氮。

（3）在冻融条件下，不同原材料制备的生物质炭对土壤持氮和固水能力的改善效果不同。施加玉米秸秆炭的土壤在1、3、6 个冻融频次下持氮和持水效果都优于施加树枝炭的，尤其是在淋溶初期。施加玉米秸秆炭的土壤在3 个冻融频次下氮素淋出量最少。