2020, Vol. 39
2. 兰州理工大学西部能源与环境研究中心, 兰州 730050;
3. 甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室, 兰州 730050;
4. 西北低碳城镇支撑技术协同创新中心, 兰州 730050;
5. 甘肃省农业科学院旱地农业研究所, 兰州 730070
2. Western China Energy & Environment Research Center, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China;
3. Key Laboratory of Complementary Energy System of Biomass and Solar Energy, Gansu Province, Lanzhou 730050, China;
4. China Northwestern Collaborative Innovation Center of Low-carbon Urbanization Technologies, Lanzhou 730050, China;
5. Dryland Agriculture Institute, Gansu Academy of Agriculteral Sciences, Lanzhou 730070, China
施肥是农业增产的重要措施。沼液中含有丰富的营养物质和维生素、生长素等生物活性物质，其结构简单，易于被作物吸收，能向作物提供氮、磷、钾等主要营养元素，有助于植物体内的氮代谢，可以促进植物根系发育，具有较好增产效果[1]。沼液已经被证明是一种很好的有机肥，可以改善田间土壤结构，增加土壤中有机质的含量。同时也有研究表明，随着沼液施用量的提高，植物叶片SPAD值、叶面积指数、干物质积累量也相应提高[2]。但沼液与传统施用肥料不同，它是一种液态肥，具有高水低肥的特点，如施用不合理会导致较固态肥料更容易下渗到深层土壤，使沼液中的养分得不到充分利用，降低沼液的养分利用效率。这不仅造成资源浪费，还可能会对地下水造成一定的污染[3-5]。同时，根据实际调查，64%（467户）的农户认为沼液浓度低、肥效不如化肥[6]。因此，如何增加沼液养分在土壤中的滞留量，提高沼液中养分的利用效率，就成为沼液推广应用的关键。
生物炭是作物秸秆在限氧条件下经高温热解炭化产生的一类高度芳香化难溶性固态物质[7]。具有含碳量高、不易被微生物降解的特点，是一种增加土壤碳库、缓解全球气候变暖的理想材料[8-9]，广泛应用于农业土壤和环境生态等领域[10-12]。研究表明，生物炭施入土壤中可以增加土壤的饱和导水率、降低土壤容重、增加土壤孔隙度[13]、改善土壤质量、保持土壤肥力、增加土壤有机物质含量、提高碳在土壤中的封存时间、增加电导率[14]等诸多作用。同时，生物炭还能够强烈吸附环境介质中的有机污染物，消减其环境风险[15]，增加对土壤养分的吸附交换，降低土壤养分淋失损失[16]。
基于此，本研究将沼液高水低肥、易于植物吸收利用的特点与生物炭能够改善土壤物理性质且具有较强吸附能力的优势相结合，通过设置不同的生物炭混掺量、混掺厚度及不同土壤容重，探求生物炭配施沼液对土壤有机质和全氮含量的影响，为沼液在实际应用过程中存在的问题提供解决方案，为提高沼液施用过程中养分利用效率提供新的解决思路，同时也为生物炭的农田利用拓宽了新模式。
1 材料与方法 1.1 试验时间及供试材料试验于2018年7—12月在兰州理工大学水利水电工程实验室进行。试验所用土壤（粉质壤土）取自甘肃省兰州市周边正常使用的农田，原土壤容重为1.32 g·cm-3。土样采集深度为地表耕层0~40 cm，采集后自然风干、碾碎后剔除肉眼可见根系残叶等有机物质，并过2 mm筛备用，试验前测得土壤养分状况如下：土壤有机质含量为9.1 g·kg-1，全氮含量为0.475 g·kg-1，pH值为8.03。试验用生物炭为玉米秸秆生物炭，将风干的玉米秸秆粉碎过筛，并装满整个坩埚，加盖密封，置于箱式电阻炉中，先调节温度至100 ℃，碳化1 h后升温至500 ℃碳化2 h，使秸秆均匀受热、充分碳化。关闭电源，生物炭自然冷却至室温后取出，碾碎，过筛，储存于干燥器中备用，其固定碳为650 g·kg-1，速效磷为10.20 g·kg-1，速效钾为55.65 g·kg-1，容重为0.19 g·cm-3，比表面积为9 m2·g-1，pH为10.24，阳离子交换量为60.8 cmol·kg-1。所用沼液取自甘肃省兰州市狗牙山正常产气的户用沼气池，发酵原料为牛粪，沼液的密度为1.006 g·mL-1，总氮含量为2.43 g·L-1，有机质含量为10.75 g·L-1，试验前用32目纱布过滤掉沼液中较大的悬浮颗粒后备用，并测定沼液基本物理性质及全氮含量。
1.2 试验设计在室温[（20±2）℃]条件下，通过室内土柱模拟试验[17]，探讨沼液施用条件下不同生物炭混掺量、生物炭混掺厚度和土壤容重对土壤中有机质和全氮的影响规律。根据当地农田土壤的容重情况，本试验设置土壤容重为1.30 g·cm-3（S1）和1.35 g·cm-3（S2），依据前期预试验结果设置生物炭混掺量为0.5%、1.0%和2.0%，相当于田间耕作施用量5、10 t·hm-2和20 t·hm-2，生物炭混掺厚度为5、10、15 cm和20 cm。入渗液采用1:8（沼液:水，体积比）的水、沼液混合液。同时，设置生物炭添加量0的对照处理CK1（1.30 g·cm-3）和CK2（1.35 g·cm-3）。为减小试验误差，每组试验做3次，共计78组试验，取平均值作为试验结果。
1.3 试验装置及方法试验所用土柱为内径10 cm、高30 cm的圆柱形透明有机玻璃管，管上端开口，下端封闭，只留一个出水口收集渗出液。先在管底部装入约1 cm厚的用去离子水洗干净后自然风干的石英砂作为反滤层，按照所确定的2个容重分别将供试土壤分层填入土柱，因实际生产过程中农田土壤耕作层一般为20 cm深，故设置试验装土20 cm高，分别将按照0、0.5%、1.0%、2.0%的质量比计算的生物炭与土样充分混合，将备用土壤按设置土柱高度分层填充（每2 cm为1层），根据预设生物炭混掺厚度为5、10、15 cm和20 cm，先将未混掺生物炭的土壤填充至土柱高度15、10、5 cm和0 cm，再将混掺生物炭的混合土壤分别填入试验土柱至5、10、15 cm和20 cm，压实边缘，避免贴壁缝隙形成边际效应。表层再铺设一层约1 cm厚的石英砂，减少入渗液对土壤的冲击和干扰。试验开始时先用马氏瓶控制入渗水头，从土柱下端出水口处往上充水，直至液面到达土层以上，使土样充分饱和。然后从上往下施加1:8（沼液:水，体积比）的混合液进行入渗，并收集渗出液。为保证指标测定需要，每次渗出液收集量为30 mL，同时用电导率仪测定不同时刻渗出液电导率，待渗出液电导率基本不变或稳定增长时试验结束，试验结束后以土柱表面为起点，沿垂直方向每5 cm为一个剖面取样点进行样品采集，试验装置如图 1所示。
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图 1 试验装置 Figure 1 Test device |
渗出液电导率采用上海雷磁牌DDS-11A型电导率仪（测量范围：0~20 mS·cm-1，基本误差：±1.0%FS）测定，土壤中有机质含量采用高锰酸钾法测定[18]，渗出液及土壤中全氮含量采用凯氏定氮法测定[19]。数据处理与分析软件为Excel 2010和Origin 9.1。
2 结果与分析 2.1 生物炭配施沼液对入渗液渗出速率的影响不同配比生物炭条件下土壤入渗液渗出速率情况如图 2所示。由图可以看出，相同土壤容重和生物炭混掺量条件下，当生物炭混掺量为0.5%，土壤容重为1.30 g·cm-3时，生物炭混掺土层厚度为5、10、15 cm和20 cm时其入渗液渗出速率分别较对照组CK1增加16.04%、25.87%、31.94%和37.74%，而土壤容重为1.35 g·cm-3时相应的入渗液渗出速率分别较对照组CK2增加11.89%、19.57%、22.28%和26.16%；相同生物炭混掺量和混掺土层厚度条件下，容重1.30 g·cm-3的渗出速率明显大于容重1.35 g·cm-3的渗出速率。表明当沼液配比相同时，入渗液渗出速率会受到土壤容重、生物炭混掺量和混掺厚度的影响。
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图 2 不同配比生物炭处理下土柱渗出液渗出速率变化 Figure 2 Change of seepage rate of soil column treated with different proportions of biochar |
由图 3可以看出，当生物炭混掺厚度一定，无论混掺量如何变化，土壤有机质含量均呈土壤容重1.35 g·cm-3小于1.30 g·cm-3的。当生物炭混掺厚度为5 cm时，土壤容重1.30 g·cm-3相对1.35 g·cm-3土壤有机质的含量平均值仅高出0.41 g·kg-1，而当生物炭混掺厚度分别为10、15、20 cm时，容重1.30 g·cm-3较1.35 g·cm-3的土壤有机质的含量平均值分别高出0.70、1.18、4.51 g·kg-1。从土壤中有机质含量增加幅度来看，当生物炭混掺量均为0.5%，生物炭混掺厚度分别为5、10、15 cm和20 cm时，土壤容重1.30 g·cm-3较1.35 g·cm-3的有机质含量分别增加- 0.28%、2.38%、3.42%和4.60%；当生物炭混掺量均为1.0%时，分别增加1.55%、1.13%、1.95%和11.93%；当生物炭混掺量均为2.0%时，分别增加-3.64%、2.82%、1.10%和7.24%。表明生物炭混掺厚度一定时，随混掺量逐渐增加，土壤容重1.35 g·cm-3较1.30 g·cm-3对有机质的影响增加，但当混掺量达到2.0%时，虽然土壤容重对有机质含量的影响依然呈增大趋势，但较混掺量为1.0%时增大趋势有所减小，表明生物炭混掺量超过某一定值后，土壤容重对土壤有机质可能会起到一定的抑制作用。
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图 3 不同配比生物炭处理下土壤容重对土壤有机质的影响 Figure 3 Effects of soil bulk density on soil organic matter under different ratios of biochar |
图 4可以看出，当土壤容重一定时，无论生物炭混掺厚度如何变化，土壤有机质含量均呈现出生物炭混掺量CK < 0.5% < 1.0% < 2.0%的趋势。土壤容重为1.30 g·cm-3，生物炭混掺厚度为5 cm时，混掺量0.5%、1.0%、2.0%有机质含量分别比CK1高3.24%、9.26%、13.08%，而当生物炭混掺厚度为10、15、20 cm时，混掺量0.5%、1.0%、2.0%有机质含量分别比CK1高7.15%、10.76%、23.97%，9.78%、20.82%、29.94%，13.99%、26.64%、31.44%，较混掺厚度5 cm对土壤有机质含量的影响明显增大；土壤容重为1.35 g·cm-3，生物炭混掺厚度为5 cm时，混掺量0.5%、1.0%、2.0%有机质含量分别比CK2高4.82%、9.07%、17.38%，而当生物炭混掺厚度为10、15、20 cm时，混掺量0.5%、1.0%、2.0%有机质含量分别比CK2高6.17%、12.96%、22.82%，7.86%、16.38%、25.40%，11.06%、17.83%、30.12%。说明当土壤容重一定时，土壤有机质含量呈现出随生物炭混掺量增加而逐渐增大的趋势，可能是因为生物炭添加到土壤中提高了土壤对有机质的吸持能力，进一步增加了土壤中有机质的含量。
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图 4 不同配比生物炭处理下生物炭混掺量对土壤有机质的影响 Figure 4 Effects of biochar mixture on soil organic matter under different ratios of biochar |
图 5可以看出，当土壤容重一定时，无论生物炭混掺量如何变化，土壤有机质含量均呈现出生物炭混掺厚度CK < 5 cm < 10 cm < 15 cm < 20 cm的趋势。在图 5（a）中，生物炭混掺量为0.5%、1.0%和2.0%时，生物炭混掺厚度5、10、15、20 cm分别比CK1高3.24%、7.15%、9.78%、13.99%，9.26%、10.76%、26.09%、26.64%和13.08%、23.97%、29.94%、31.44%。在图 5（b）中，生物炭混掺量为0.5%、1.0%和2.0%时，生物炭混掺厚度5、10、15、20 cm分别比CK2高4.82%、6.17%、7.86%、11.06%，9.07%、12.96%、16.38%、17.83%和17.26%、22.82%、30.12%、30.75%。同时，研究还发现当生物炭混掺量为0.5%时，各混掺厚度对土壤有机质平均含量的增加幅度较其他混掺量情况下小，仅有3.24%（土壤容重1.30 g·cm-3）和4.82%（土壤容重1.35 g·cm-3），而当生物炭混掺量为2.0%时，最高增加幅度达到31.44%和30.75%。表明当土壤容重一定时，无论生物炭混掺量如何变化，土壤有机质含量均随生物炭混掺厚度增大而逐渐增加。
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图 5 不同配比生物炭处理下生物炭混掺厚度对土壤有机质的影响 Figure 5 Effects of biochar mixing thickness on soil organic matter under different ratios of biochar |
由图 6可以看出，当生物炭混掺厚度一定，除了生物炭混掺厚度为10 cm外，其余各试验组渗出液全氮含量的整体变化规律一致，即渗出液全氮含量均呈土壤容重1.35 g·cm-3 < 1.30 g·cm-3，不受生物炭混掺量的影响。生物炭混掺厚度为5 cm时，渗出液全氮含量呈CK1>0.5%（S1）>CK2>1.0%（S1）>0.5%（S2）>2.0%（S1）>1.0%（S2）>2.0%（S2），生物炭混掺厚度为10 cm时，渗出液全氮含量呈CK1>CK2>0.5%（S2）>1.0%（S2）>0.5%（S1）>1.0%（S1）>2.0%（S2）>2.0%（S1），当生物炭混掺厚度为15 cm时，渗出液全氮含量呈CK1> CK2>0.5%（S1）>1.0%（S1）>0.5%（S2）>2.0%（S1）> 1.0%（S2）>2.0%（S2），当生物炭混掺厚度为20 cm时，渗出液全氮含量呈CK1>0.5%（S1）>1.0%（S1）>2.0%（S1）>CK2>0.5%（S2）>1.0%（S2）>2.0%（S2）。说明当生物炭混掺厚度一定时，随生物炭混掺量的逐渐增加，土壤容重对渗出液全氮含量的影响逐渐加大，即土壤容重较大时生物炭配施沼液能更有效减少渗出液中全氮含量，对增加土壤中全氮含量有较为积极的作用。
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图 6 不同配比生物炭处理下土壤容重对土壤全氮含量的影响 Figure 6 Effects of soil bulk density on soil total nitrogen content under different ratios of biochar |
由图 7可知，各试验组渗出液的全氮累计含量值的整体变化规律基本一致，即整个试验期间，渗出液的全氮累计含量值逐渐增大并趋于稳定增长趋势，均呈现CK>0.5%>1.0%>2.0%。在图 7（a）中，土壤容重为1.30 g·cm-3时，当生物炭混掺厚度为5 cm时，混掺量0.5%、1.0%、2.0%渗出液全氮累计含量分别比CK1低18.94%、24.84%、56.83%，当生物炭混掺厚度为10 cm时，渗出液全氮累计含量分别比CK1低62.11%、68.32%、86.02%，当生物炭混掺厚度为15 cm时，渗出液全氮累计含量分别比CK1低25.78%、47.83%、61.49%，当生物炭混掺厚度为20 cm时，渗出液全氮累计含量分别比CK1低3.42%、9.94%、22.05%。在图 7（b）中，土壤容重为1.35 g·cm-3时，当生物炭混掺厚度为5 cm时，混掺量0.5%、1.0%、2.0%渗出液全氮累计含量分别比CK2低41.67%、46.25%、55.83%，当生物炭混掺厚度为10 cm时，渗出液全氮累计含量分别比CK2低7.50%、21.25%、71.67%，当生物炭混掺厚度为15 cm时，渗出液全氮累计含量分别比CK2低31.67%、50.42%、64.17%，当生物炭混掺厚度为20 cm时，渗出液全氮累计含量分别比CK2低27.08%、52.08%、61.67%。说明在试验范围内，土壤容重和生物炭混掺厚度一定，随生物炭混掺量的增加，渗出液中全氮累计含量降低，土壤固持氮能力增强。
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图 7 不同配比生物炭处理下生物炭混掺量对全氮含量的影响 Figure 7 Effects of biochar mixture on total nitrogen content under different ratios of biochar |
由图 8、图 9可知，各试验组渗出液的全氮累计含量值的整体变化规律基本一致，即整个试验期间，渗出液的全氮累计含量值逐渐增大并趋于稳定增长趋势。在图 8中，土壤容重均为1.30 g·cm-3，当生物炭混掺量为0.5%时，渗出液全氮含量呈0 cm（CK1）>20 cm>5 cm>15 cm>10 cm，当生物炭混掺量为1.0%时，渗出液全氮含量呈0 cm（CK1）>20 cm>5 cm>15 cm> 10 cm，当生物炭混掺量为2.0%时，渗出液全氮含量呈0 cm（CK1）>20 cm>5 cm>15 cm>10 cm。在图 9中，土壤容重为1.35 g·cm-3，生物炭混掺量为0.5%时，渗出液全氮含量呈0 cm（CK2）>5 cm>10 cm>20 cm>15 cm，生物炭混掺量为1.0%时，渗出液全氮含量呈0 cm（CK2）>10 cm>5 cm>15 cm>20 cm，生物炭混掺量为2.0%时，渗出液全氮含量呈0 cm（CK2）>5 cm>20 cm> 15 cm>10 cm。土壤容重为1.30 g·cm-3时，混掺厚度为10 cm时影响最显著。土壤容重为1.35 g·cm-3时，混掺厚度为15 cm时效果较为显著，出现差异性可能和土壤容重有关，孔隙度不同，土壤渗出通道差异均会导致结果的差异性。
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图 8 不同配比生物炭处理下生物炭混掺厚度对土壤全氮含量的影响（土壤容重1.30 g·cm-3） Figure 8 Effects of biochar blending thickness on soil total nitrogen content under different biochar ratios(1.30 g·cm-3) |
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图 9 不同配比生物炭处理下生物炭混掺厚度对土壤全氮含量的影响（土壤容重1.35 g·cm-3） Figure 9 Effects of biochar blending thickness on soil total nitrogen content under different biochar ratios(1.35 g·cm-3) |
生物炭施入土壤中可以增加土壤的饱和导水率、降低土壤容重、增加土壤孔隙度以及土壤的入渗率[20]。本研究中沼液渗出速率随着生物炭混掺量的升高呈现加快趋势，初步分析是因为生物炭本身具有较大的孔隙度和比表面积，可以改变土壤孔隙度和团聚体，使得土壤内部孔隙度增加，土壤渗水通道增多，促进水分渗透，且生物炭具有高度芳香化的结构，其表面含有羧基、酚羟基、羰基、酸酐基团，这些结构特性使其具备了良好的吸附特性及稳定性[21-22]，当入渗液经过混掺生物炭的土壤时，其中的养分会吸附到土壤中混掺的生物炭上，与土壤中原本含有的小颗粒胶体发生运输作用促进入渗液的渗出速率。相关学者陈温福等[23]、Awad等[24]也通过试验论证了生物炭因为其多孔结构和比表面积，添加到土壤中能够增加土壤孔隙度及团聚体数量进而增加入渗液的渗出速率。
施用生物炭能明显改变土壤的理化性质，显著提高土壤有机质含量，为作物生长提供更优条件[25]。土壤中混掺生物炭后，当生物炭混掺量及混掺厚度一定时，土壤容重对土壤有机质含量产生影响，土壤有机质含量呈现出随土壤容重逐渐增大而减小的趋势，这是因为生物炭具有容重低、黏性差及孔隙结构具有很大比表面积的特性[26]，添加到土壤后会降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤生物活性[25]，而容重小的土壤本身孔隙度比例较容重大的土壤多，添加生物炭后使得土壤孔隙度进一步增加，对有机物质含量增加起到了进一步的促进作用，因此试验结果呈现出土壤容重为1.30 g·cm-3的土壤添加生物炭后土壤有机质含量高于容重为1.35 g·cm-3的土壤。同时，本研究还发现当土壤容重一定时，随着生物炭混掺厚度的变化，土壤有机质含量呈现出随生物炭混掺厚度增大而逐渐增加的趋势，初步分析是一方面由于沼液本身含有有机质[27]，另一方面生物炭添加到土壤中提高了土壤对有机质的吸持能力，进一步增加了土壤中有机质的含量，这一结果与尚杰等[28]的研究结论一致。同时，有研究表明生物炭施入土壤能显著增加各土层不同粒级团聚体中有机碳[29]和有机质含量[30-31]，且增加幅度随施用量的增加而增大。本研究中当土壤容重一定时，土壤有机质含量呈现出随生物炭混掺量增加而逐渐增加的趋势，当混掺量为2.0%时，有机质含量达到最大，进一步验证了生物炭施用能增加土壤有机质含量的作用。说明土壤中有机质含量的提高幅度取决于土壤本身的性质[32]和生物炭的施用量。
施用生物炭能合理调控土壤有机氮库、提高土壤肥力及有机氮库的稳定性[33]。当生物炭混掺量及混掺厚度一定时，土壤全氮含量随土壤容重的增加而增大，这是因为随土壤容重增加，土壤密实度增大，配施相同配比的沼液，全氮滞留量较土壤容重小的土体有所增加。并且生物炭良好的吸附能力也促进了土壤中全氮量的增加。本研究还发现当土壤容重一定时，随生物炭混掺量的增加，渗出液的全氮累计含量逐渐增大并趋于稳定增长趋势，说明生物炭配施沼液对土壤全氮含量的增加起积极作用；随土壤容重的增大，渗出液的全氮累计含量有所降低，而土体内全氮含量有所增加，土壤中全氮含量的提高幅度不仅仅取决于生物炭的施用量，还取决于土壤的基本性质和土壤的质地。
4 结论（1）土壤中添加生物炭能够增加入渗液渗出速率，且随着生物炭混掺厚度和混掺量的增加，入渗液渗出速率也随之加快，土壤容重1.35 g·cm-3时较1.30 g·cm-3入渗液渗出速率减小。
（2）当生物炭混掺量及混掺厚度一定时，土壤容重1.30 g·cm-3较1.35 g·cm-3有机质含量大；当土壤容重一定时，土壤有机质含量随生物炭混掺量增加而增大，其中生物炭混掺量为2.0%时对土壤有机质含量影响最大，与生物炭混掺厚度无关；当土壤容重一定时，土壤有机质含量随生物炭混掺厚度增加而逐渐增大，生物炭混掺厚度为20 cm时对土壤有机质含量影响最大，与生物炭混掺量无关。
（3）当生物炭混掺量及混掺厚度一定时，土壤全氮含量随土壤容重逐渐增大而增大；当土壤容重一定时，土壤全氮含量随生物炭混掺量增加而增大，其中生物炭混掺量为2.0%时对土壤全氮含量影响最大；当土壤容重一定时，土壤全氮含量随生物炭混掺厚度增加而逐渐增大，但无明显规律性影响趋势，可能受土壤质地和生物炭混掺量影响。
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