蔬菜生产作为我国农业的重要组成部分，种植面积在不断增加，到 2021 年种植面积约占我国农田耕作面积的 12.83%^[1]。为获取更多的产量和经济效益，菜农往往会投入大量氮肥，施入的氮肥除了被植株吸收利用和土壤固定以外，还有相当一部分以氨挥发、反硝化以及径流和渗漏等方式流失到环境中，造成氮素利用率低和环境污染。由于过量施用化肥会导致农田土壤养分盈余^[2]，进而势必增加土壤养分通过地表径流向水体表面排放的潜在危险。因此在农业生产过程中如何减少氮素的径流损失已成为目前关注的问题。气候条件和土壤性质是影响氮素流失的主要因素^[3]，但通过合理的土壤培肥材料可以减少氮素的损失^[4]。研究表明，在施加生物炭和有机肥后能够减少氮素的径流损失。生物炭因具有较大的比表面积^[5]，在施入土壤后可以提高土壤孔隙度，易与土壤颗粒形成团聚体，有利于土壤水分和养分的保持^[6]，促进土壤有机质的形成^[7]，生物炭还具有提高土壤阳离子交换量的能力^[8]，还有学者认为施用生物炭可以减少温室气体的排放和养分的淋失^[9]；有机肥已被广泛用于改善土壤质量^[10]，它可以为植物生长提供丰富的养分，而且在管理土壤物理条件和微生物方面具有重要作用^[11-12]。有机肥施用也能提高土壤有机质含量和阳离子交换量^[13-14]，在改善土壤团聚结构方面发挥着重要作用，而大于 0.25 mm 的水稳性团聚体占比、平均质量直径、几何平均直径等团聚体指标反映了团聚体大小的分布情况，对土壤保水保肥性能具有重要作用^[15]。

近年来，国内外已开展关于单施生物炭或有机肥对土壤氮素径流损失的土柱模拟淋洗或盆栽试验，但是建立田间原位径流小区收集土壤氮素径流损失的报道相对较少，且多数研究表明氮素的径流损失与土壤类型有关。由于南方红壤的特殊性和高强度降雨，使得红壤地区水土流失和氮养分流失日益加剧。因此，本试验选取施氮量较高的白菜作为研究对象，通过田间试验，探究在保持氮素输入一致的条件下，施加生物炭和有机肥对土壤理化性质和氮素径流损失的影响，旨在丰富人们对生物炭、有机肥对土壤理化性质及氮素径流损失的认识，为生物炭和有机肥在农业的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本研究基于田间试验来完成。试验地位于云南省澄江市（22°41′42″N，102°56′45″E），海拔 1900 m，属亚热带季风气候区。年平均气温 11.9～17.5℃，平均降水量 900～1200 mm。降水主要集中在夏季，春秋降水较少。供试土壤为红壤，其基本理化性状如下（表1）。

供试生物炭：在 550℃缺氧条件下由烟杆烧制而成，其全氮含量 10.61 g/kg，有机碳含量 167.28 g/kg；有机肥为以烟末为主要原料的商品有机肥，其全氮含量 6.8 g/kg，有机碳含量 176.76 g/kg。

供试材料：小白菜[Brassica campestris L．ssp． chinensis Makino（var．communis Tsen et Lee）]

供试肥料：复合肥 1（17-17-17）、复合肥 2（15-5-27）、硝酸铵钙（NO₃^--N≥14%、NH₄ ⁺-N≥1%）

1.2 试验设计

田间试验采用随机区组设计，共设置 4 个处理：CK（常规施用化肥）；B（7500 kg/hm² 生物炭配施化肥）；F（7100 kg/hm² 有机肥配施化肥）；BF （3750 kg/hm² 生物炭 +3550 kg/hm² 有机肥配施化肥），每个处理 3 次重复，共 12 个试验小区。

生物炭和有机肥在理好的墒面与 0～20 cm 土层的土壤充分混合，墒高 0.2 m，墒宽 1.3 m，每墒移栽 8 行，行间距为 0.1 m，株间距为 0.1 m。小区面积为 30 m²，每个小区移栽小白菜 400 颗。试验开展于 2021 年 5—8 月，考虑到施入生物炭和有机肥会带入一定氮素，在保证氮素输入一致的条件下，CK 处理在整个生育期共施入化学肥料 N 266 kg/hm²、P₂O₅ 65 kg/hm² 以及 K₂O 145 kg/hm²；生物炭和有机肥施入土壤时会带入氮、磷、钾养分，因此，B 处理在整个生育期共施入化学肥料 N 185 kg/hm²、P₂O₅ 60 kg/hm² 以及 K₂O 140 kg/hm²；F 处理在整个生育期共施入化学肥料 N 215 kg/hm²、P₂O₅ 65 kg/hm² 以及 K₂O 145 kg/hm²；BF 处理在整个生育期共施入化学肥料 N 200 kg/hm²、P₂O₅ 63 kg/hm² 以及 K₂O 143 kg/hm²；在整个生育期按照基肥∶第 1 次追肥∶第 2 次追肥 =1∶2∶3 的比例投入，在基肥施入土壤时开始记录，每隔 10 d 追肥 1 次，共追肥 2 次。在 8 月份小白菜成熟之后，用五点采样法采集土壤样品，风干后测定土壤指标，在种植过程中，遇降雨时收集有效径流液，冷冻保存，留测径流液全氮、硝铵态氮。

径流小区建设在山间梯地，小区使用石砖和水泥建筑；小区面积 30 m² （长 7.5 m，宽 4 m），设置有径流收集池见图1。

1.3 样品采集与测定

在本次试验中共产生 3 次有效降雨（6 月 7 日、6 月 10 日、7 月 9 日），在每次产生有效降雨之后收集径流池中的径流液，使用聚乙烯瓶装好冷冻保存，待小白菜成熟后，采用五点取样法采集小区土壤，一部分新鲜土样冷冻保存，留测硝、铵态氮，一部分自然风干，磨碎后分别过 1 和 0.149 mm 筛，装袋备用。土壤基本理化性质参照《土壤农化分析》^[16]测定；阳离子交换量采用三氯化六氨合钴-分光光度法测定；土壤铵态氮和硝态氮含量采用流动分析仪测定；淋失液总氮采用碱性过硫酸钾消解、紫外分光光度法测定。土壤水稳性团聚体测定采用湿筛法，分别计算平均质量直径、>0.25 mm 的水稳性团聚体占比和几何平均直径。

1.4 参数计算

平均质量直径（MWD）

$\mathrm{M}\mathrm{W}\mathrm{D}=\sum _{i=1}^{n}X\times W_i$

式中，X 为各粒径水稳性团聚体平均质量；W_i 为第 i 个筛子的破碎团聚体重量百分比。

几何平均直径（GMD）

$GMD=\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}\left[\left(\sum _{i=1}^n{m}_i\mathrm{l}\mathrm{n}{R}_i\right)/\left(\sum _{i=1}^n{m}_i\right)\right]$

式中，R_i 为某级团聚体平均直径；m_i 为某级团聚体组分的干重。

大于 0.25 mm 的水稳性团聚体占比（R_0.25）

$R_{0.25}=\frac{M_{R>0.25}}{T}\times 100\mathrm{\%}$

式中，M_R>0.25 为粒径大于 0.25 mm 的水稳性团聚体质量，g；T 为水稳性团聚体总质量，g。

1.5 数据处理与统计分析

采用 Excel 2010 对数据进行处理，采用 SPSS 20.0 进行方差分析，采用 Excel 2010、Origin 2018、 Canoco 5 作图，采用最小显著差异法（LSD）检验各处理的差异显著性（α=0.05），图和表中数据为平均值 ± 标准误。

2 结果与分析

2.1 生物炭与有机肥施用对土壤理化性质的影响

2.1.1 生物炭与有机肥施用对土壤有机质的影响

由图2 可知，与常规施用化肥（CK）处理相比，生物炭配施化肥（B）、有机肥配施化肥（F）和生物炭 + 有机肥配施化肥（BF）处理均显著提高采收之后土壤有机质含量，分别提高 103.27%、37.42%、 54.40%。B 处理的土壤有机质含量显著高于 F 和 BF 处理，BF 处理的有机质含量在 B 和 F 处理之间。总体上施加生物炭有效提高了土壤有机质含量，施加有机肥对有机质含量提高效果不如施加生物炭。

2.1.2 生物炭与有机肥施用对土壤阳离子交换量的影响

如图3 所示，B、F 和 BF 处理较 CK 处理显著提高土壤阳离子交换量，增幅分别为 106.88%、 55.71%、67.06%。B 处理的土壤阳离子交换量显著高于 F 和 BF 处理，F 与 BF 处理间土壤阳离子交换量差异不显著，说明生物炭的施入是土壤阳离子交换量增加的主要原因。

注：柱上不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.1.3 生物炭与有机肥施用对团聚体的影响

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，提高土壤水稳性团聚体的数量和质量对提高土壤肥力具有重要作用。土壤 >0.25 mm 水稳性团聚体质量分数、团聚体平均质量直径和几何平均直径反映了土壤的团聚情况。平均质量直径和几何平均直径越大，土壤团聚体越稳定。由图4 可知，>2 mm 团粒结构表现为 F 处理 >BF 处理 >B 处理 >CK 处理。

从表2 可得，与 CK 处理相比，B、F 和 BF 处理显著提高 >0.25 mm 水稳性团聚体占比、几何平均直径、平均质量直径，F 处理 >0.25 mm 水稳性团聚体占比、几何平均直径、平均质量直径显著高于 B 和 BF 处理，B 和 BF 处理间 >0.25 mm 水稳性团聚体占比、几何平均直径、平均质量直径差异不显著。综上所述，说明有机肥施用对土壤团聚体稳定性的影响大于施加生物炭。

注：R_0.25 为 >0.25 mm 的水稳性团聚体占比，不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.2 生物炭与有机肥施用对径流液中总氮和硝、铵态氮的影响

本研究共采集 3 次有效径流，由图5 所示，在收集的径流液中，总氮的损失量为 15.8～41.9 kg/hm²，各处理氮素的径流损失量与 CK 处理相比均显著降低，BF 处理总氮的径流损失量与 CK 处理相比显著降低了 62.29%，B 处理对减少氮素的径流损失影响最小，较 CK 处理降低 31.26%，F 处理的氮素径流损失位于 BF 与 B 处理之间，较 CK 处理降低了 51.79%。BF 处理白菜全生育期总氮的径流损失量为 15.8 kg/hm²，占氮肥施用量的 5.94%，B、 F、CK 处理总氮的径流损失量分别为 28.8、20.2、 41.9 kg/hm²，分别占氮肥施用量的 7.59%、4.59%、 10.83%。在各土壤培肥材料处理间，BF 处理氮素径流损失量最小，B 处理氮肥损失量最大。

由图6 所示，径流液中硝态氮的损失量为 1.96～2.55 kg/hm²，与 CK 处理相比，B、F、BF 处理分别降低 23.14%、20.00%、20.00%；铵态氮的损失量为 0.98～1.13 kg/hm²，B、F、BF 处理与 CK 处理相比，铵态氮损失分别降低了 8.85%、5.31%、 13.28%。CK、B、F、BF 处理径流损失的硝、铵态氮分别占总氮的 8.78%、10.38%、15.40%、19.11%。

2.3 土壤各理化性质与径流液氮的相关性分析

通过对径流液总氮和硝、铵态氮与各指标进行相关性分析得出（表3），径流液总氮与 >2 mm 粒径团聚体呈极显著相关（P<0.01），径流液硝态氮与有机质、阳离子交换量、平均质量直径和几何平均直径呈极显著相关（P<0.01），与 >0.25 mm 水稳性团聚体占比呈显著相关（P<0.05）；径流液铵态氮与有机质、阳离子交换量显著相关（P<0.05）。

以径流液总氮、径流液硝、铵态氮作为响应变量，其他指标作为环境解释变量进行冗余分析，结果可累计解释响应变量变异的 94.36%（图7）。通过蒙特卡罗置换检验评估环境因子对径流液总氮和硝、铵态氮的贡献率（表4），发现 >2 mm 粒径团聚体是造成径流液总氮和硝、铵态氮变化的主要因素（64.4%）。此外，径流液还受几何平均直径的影响，受阳离子交换量及其他指标影响较小。

注：** 表示极显著相关（P<0.01）；* 表示显著相关（P<0.05）。

2.4 生物炭与有机肥施用对不同土层土壤全氮的影响

由图8 知，随着土层的不断加深，土壤全氮的含量也在不断降低。0～20 cm 土层，与 CK 处理相比，B、F、BF 处理显著提高土壤全氮含量，增幅分别为 22.55%、10.78%、19.61%；20～40 cm 土层，土壤全氮含量趋势表现为 BF>B>CK>F；40～60 cm 土层，土壤全氮含量趋势表现为 BF>F>CK>B；60～80 cm 土层，土壤全氮含量趋势则表现为 CK>B>F>BF。综合来看，在种植一茬作物之后，B 处理土壤氮含量较 F 处理显著提高，BF 处理土壤氮含量位于 B、F 处理之间。

注：WTN：径流液总氮；WNO₃^--N：径流液硝态氮；WNH₄ ⁺-N：径流液铵态氮；OM：有机质；CEC：阳离子交换量；MWD：平均质量直径； GMD：几何平均直径；>2 mm：粒径大于 2 mm 的团聚体。

3 讨论

3.1 生物炭与有机肥施用对氮素径流损失的影响

造成常规施用化肥氮素大量流失的原因主要是蔬菜地施肥量大^[17]、灌溉频繁以及红壤自身保水保肥能力较弱，进而造成氮素的大量流失。在本研究中，常规施用化肥氮素的径流损失占施氮量的 15.75%，添加生物炭与有机肥均能降低土壤氮素的径流损失，各处理间的径流损失表现为 BF<F<B<CK，生物炭或有机肥配施化肥均能够减少氮素的径流损失，但生物炭 + 有机肥配施化肥更能减少氮素的径流损失，这与 Zhang 等^[18]的研究结果一致，氮素径流损失减少是由于有机肥替代部分化肥，使得有机肥中的不溶性有机氮取代了化肥中的可溶性氮^[19]，而生物炭表面丰富的官能团和较多的孔隙结构，提高了土壤持水能力，增强土壤养分离子的保持能力。生物炭与有机肥配施对减少氮素径流损失影响最大，这可能是因为二者配施能够相互协调，促进了土壤水稳性团聚体的稳定性，更好地将养分固定在土壤中。

3.2 生物炭与有机肥施用对土壤理化性质的影响及其作用机制

气候条件和土壤性质是导致氮素流失的主要因素，但通过合理的添加外源物质可以有效减少氮素的流失。前人的研究表明，提高土壤有机质含量^[20]、阳离子交换量^[8] 以及改善土壤团粒结构^[21]均能有效降低土壤氮素的径流损失。试验结果表明，在施加生物炭后，土壤有机质含量、阳离子交换量相较其他处理均显著提高，这可能与生物炭自身的性质有关，生物炭是一种富含碳的外源物质，添加到土壤之后可以增加土壤碳，也有研究表明，生物炭自身的碳并不能完全解释土壤有机碳的形成^[22]，生物炭丰富的孔隙结构使其具有较大的比表面积，能够更容易地吸附土壤中的有机小分子，然后通过连续聚合形成有机物^[23]；生物炭还具有特殊的结构和特性，从而缓解土壤中有机物的分解，从而促进土壤有机质的形成^[24]；生物炭的添加可以提高土壤阳离子交换量，这可能是生物炭在经过热解过程后，由于碱盐和官能团的断裂，生物炭 pH 的升高，形成了类似羧基（-COOH）羟基 （-OH）等阴离子官能团^[25-26]，从而增加了阳离子交换量；在本试验中，生物炭在施入土壤之后能够提高团聚体的稳定性，促进大团聚体的形成，这与Du 等^[27]的研究结果一致，有机质被认为是土壤团聚体形成和稳定的重要胶结物质，有机质的提高能够促进微团聚体向大团聚体的胶结团聚，从而增加了土壤大团聚体的含量^[28]。

有机肥施入土壤后对土壤性质的改善虽不如生物炭和生物炭与有机肥配施明显，但与常规施用化肥相比也有所增加，这种现象可能是因有机肥的施入虽然带入了大量的有机物，但不同的有机物料在不同条件下的转化速率不同^[29]，有机肥作为一种活性碳源，在施入土壤后导致微生物活性增强，从而导致有机肥中的碳被微生物分解利用^[30]；有机肥提高土壤阳离子交换量主要是有机肥在施入土壤后形成更多有机胶体及有机无机复合胶体，增加了土壤表面阳离子交换位点，从而提高土壤阳离子交换量^[31]；>0.25 mm 水稳性团聚体占比、平均质量直径、几何平均直径等团聚体稳定性参数作为判定土壤团聚程度的重要指标，在本试验中，有机肥的施入能提高土壤大团聚体的含量，除有机肥施入带入有机质外，还有可能是残体分解可以提高微生物活性，形成真菌和糖，这些物质也可以胶结土壤颗粒形成大团聚体^[32]。虽然生物炭与有机肥均能提高土壤团聚体含量，但在本试验中，生物炭与有机肥配合施用更有利于大团聚体的形成，这可能与生物炭和有机肥相互作用有关，二者施用后改变微生物群落结构及其活性，影响有机物质的分解，进而影响微生物代谢产物及菌体本身胶黏土粒的作用，但是详细过程和机理还需进一步研究。

本研究表明，生物炭和有机肥配施化肥能够降低土壤中氮素的径流损失。部分原因是施入生物炭和有机肥之后能够提高土壤中有机质含量和团聚体粒径，提高阳离子交换量，增加对硝态氮的固持作用^[33]，因此可以将更多的氮素固存在耕层土壤，而小白菜根系主要位于耕层，因此有利于作物对氮素的吸收而减少其损失量。另一方面，生物炭和有机肥的施入能够为微生物的生长发育提供养分和生长环境，在作物前期氮需求量低的情况可以将氮素固定保存，当后期作物需氮量高时，微生物前期固定的氮素被释放，实现氮素供应与作物吸氮需求时间的统一，从而减少氮素的损失^[34]。

由于本试验研究周期相对较短，试验结果具有一定的局限性，因此有必要进一步开展长期试验来优化试验结果。另外，本研究已确定生物炭与有机肥配施对阻控氮素径流损失影响最大，但对于生物炭和有机肥施入比例暂不确定，有必要开展进一步试验以确定生物炭和有机肥的施入比例对氮素径流损失的影响。

4 结论

本研究证实，生物炭和有机肥在改善土壤理化性质方面大不相同，生物炭对提高土壤有机质含量和阳离子交换量效果显著，而有机肥对提高土壤团聚体优势显著，从对氮素径流损失风险来看，BF 处理对减少氮素的径流损失影响最大，其次为 F 处理，由本试验可以看出，减少氮素的径流风险最主要是提高土壤团聚体的稳定性。总的来说，生物炭加有机肥配施对改善土壤性质和降低氮素的面源污染效果最佳。

参考文献