全 文 ：施用生物质炭对红壤中硝态氮垂直运移
的影响及其模拟*
靖摇 彦1,2 摇 陈效民1**摇 李秋霞1 摇 靳泽文1 摇 黄欠如2 摇 张佳宝2 摇 陈摇 晨1 摇 卢绍山1
( 1南京农业大学资源与环境科学学院, 南京 210095; 2中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室,
南京 210095; 3江西红壤研究所, 江西进贤 331717)
摘摇 要摇 为研究在红壤中施用生物质炭后硝态氮的垂直运移规律,采用室内土柱模拟的方
法,分别按照炭土比为 0、2. 22% (5 t·hm-2 )、4. 45% (10 t·hm-2 )、8. 95% (20 t·hm-2 )、
13. 37% (30 t·hm-2)和 17. 80% (40 t·hm-2)设置混合土壤,并采用 CXTFIT 2. 0 模型对试验
结果进行拟合.结果表明: 在饱和条件下,不同生物质炭添加比例下,硝态氮运移的穿透曲线
发生明显变化.不同处理的硝态氮相对浓度(C / Co)峰值、淋溶速率和累积淋失量随生物质炭
添加量的增加而显著降低.各穿透曲线尾部均存在一定的拖尾现象,且随生物质炭添加量的
增加拖尾现象越显著.对硝态氮穿透曲线的影响因素分析可知,生物质炭影响了土壤的容重、
有机碳、孔隙度、阳离子交换量(CEC)等物理性质,进而导致各处理硝态氮穿透曲线发生了变
化.采用 CXTFIT 2. 0 数学模型模拟硝态氮在土壤中的运移,硝态氮的穿透曲线拟合值与实测
值呈显著正相关,相关系数均>0. 850,能够很好地对土壤硝态氮运移和运移参数进行预测,试
验结果可为预测生物质炭施用对地下水体环境硝态氮的影响提供科学依据.
关键词摇 生物质炭摇 红壤摇 硝态氮摇 垂直运移摇 CXTFIT 2. 0
*国家重点基础研究发展计划项目(2011CB100506)和土壤与农业可持续发展国家重点实验室项目(0812201208)资助.
**通讯作者. E鄄mail: xmchen@ njau. edu. cn
2014鄄01鄄21 收稿,2014鄄08鄄22 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)11-3161-07摇 中图分类号摇 S153. 3; X592摇 文献标识码摇 A
Effects of biochar application on the vertical transport of NO3 -鄄N in the red soil and its
simulation. JING Yan1,2, CHEN Xiao鄄min1, LI Qiu鄄xia1, JIN Ze鄄wen1, HUANG Qian鄄ru2,
ZHANG Jia鄄bao2, CHEN Chen1, LU Shao鄄shan1 ( 1 College of Resources and Environmental Sci鄄
ences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2State Key Laboratory of Soil and
Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210095,
China; 3Red Soil Institute, Jinxian 331717, Jiangxi, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25
(11): 3161-3167.
Abstract: Soil column experiments in laboratory were conducted to determine the effect of biochar
application on the vertical transport of NO3 - 鄄N in red soil. Biochar was mixed thoroughly with soil
at rates of 0, 5, 10, 20, 30 and 40 t·hm-2, i. e. , biochar / soil ratios of 0, 2. 22% , 4. 45% ,
8. 95% , 13. 37% and 17. 80% . The CXTFIT 2. 0 model was used to simulate the breakthrough
curve of NO3 - 鄄N. The results were as follows: the breakthrough curve of NO3 - 鄄N varied remarkably
with the increase of biochar application rate under saturated condition. The peak values of relative
concentration (C / Co), leaching rate and cumulative loss of NO3 - 鄄N all significantly decreased with
the increasing biochar application rate. There existed a certain prolongation of the breakthrough
curves among all treatments. The more the biochar was applied, the more obviously the break鄄
through curve was prolonged. According to the correlation analysis between the NO3 - 鄄N break鄄
through curves and soil properties, biochar affected the bulk density, organic carbon, total porosi鄄
ty, CEC of red soil, which would exert an effect on the breakthrough curves. The simulation value
and the actual obtained value of the breakthrough curves were positively correlated with the correla鄄
tion coefficients being over 0. 850 in all breakthrough curves, which indicated the CXTFIT 2. 0
model could best fit the prediction of nitrate鄄N transport and relative infiltration. These results could
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 11 月摇 第 25 卷摇 第 11 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2014, 25(11): 3161-3167
provide a scientific basis for predicting the effect of biochar on nitrate鄄N in underground water after
biochar incorporation into field.
Key words: biochar; red soil; nitrate nitrogen; vertical transport; CXTFIT 2. 0.
摇 摇 化肥、农药等污染物,可通过农田地表径流、渗
漏对环境造成污染,这是导致目前河流、水库、湖泊
等水体水质恶化的重要原因之一[1] . 硝态氮的淋溶
被公认为是旱地农田氮素损失的主要途径之一[2],
也是引起地下水中硝态氮含量升高的重要原
因[3-4] .因此,研究硝态氮在农田土壤中的垂直运移
规律具有重要意义.
生物质炭是废木屑、秸秆等农业废料及生活垃
圾等在缺氧条件下经高温分解生成的一类富碳贫氮
的生物质燃烧的固体产物,具有高度的芳香环分子
结构和多孔特性[5] . 研究表明,生物质炭具有孔隙
发达、容重小和比表面积大的物理特征,吸水、吸气
能力都很强;芳香化程度高,具有物理的热稳定性和
生物化学抗分解性. 另外,它具有改善土壤质量、保
持土壤肥力等诸多作用[6] .
硝态氮在土壤中的运移属于溶质运移研究范
畴,运用模型研究土壤中溶质运移已成为土壤物理、
环境保护等学科研究的热点[7-9],而 CXTFIT 2. 0 模
型能够很好地进行土壤硝态氮运移预测和土壤硝态
氮运移参数的测定. 随着生物质炭在改良土壤上的
应用逐渐兴起,研究结果发现,生物质炭能够提高土
壤对氮素养分的吸附,降低土壤养分的淋失[10] . 但
是利用室内土柱模拟试验来研究施用生物质炭后红
壤地区硝态氮的垂直运移规律及运用 CXTFIT 2. 0
数学模型进行模拟还尚未见报道.因此,为了研究生
物质炭对红壤中硝态氮运移的影响,本文将生物质
炭与土壤按照大田试验生物质炭不同施用量比例混
合,以研究红壤中施用生物质炭后硝态氮的运移过
程.与此同时,运用 CXTFIT 2. 0 数学模型对室内土
柱试验中硝态氮运移过程及土壤水分扩散率和平均
水孔隙速率等参数进行了拟合,采用数学模型求解,
以揭示添加生物质炭后土壤中硝态氮的垂直运移规
律,并阐明其影响因素,为合理利用生物质炭后的农
田水肥管理、防治氮素流失提供科学依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 供试土壤及生物质炭
供试土壤采样时间为 2011 年 9 月,采样地点为
江西进贤红壤研究所,采样的土层深度为 0 ~ 15
cm.土壤的基本性质如下:土壤 pH 为 4. 54,全氮为
0. 98 g·kg-1,阳离子交换量为 15. 2 cmol·kg-1,有
效磷为 13. 26 mg·kg-1,有机碳为 7. 98 g·kg-1,全
磷为 0. 45 g·kg-1,总孔隙度为 53. 6% ,容重为 1. 23
g·cm-3,黏粒含量为 316. 0 g·kg-1,粉砂粒含量为
391. 2 g·kg-1,砂粒含量为 292. 8 g·kg-1 .
本研究采用的生物质炭来自于河南商丘三利新
能源有限公司,原料为小麦秸秆,炭化温度为 350 ~
500 益,生物质材料 35%转化为生物质炭,生物质炭
的 pH 10. 35,阳离子交换量 217. 0 cmol·kg-1,有效
磷 4. 7 g·kg-1,有机碳 132. 8 g·kg-1,全氮 5郾 9
g·kg-1,容重 0. 45 g·cm-3,比表面积 8. 9 m2·g-1 .
1郾 2摇 试验土柱填装及试验步骤
试验于 2012 年 9—11 月进行.采用人工模拟土
柱的方法加入不同施用量生物质炭进行硝态氮的穿
透淋溶试验.模拟土柱为内径 9. 2 cm、高 20 cm的圆
柱透明有机玻璃管,管上端开口,下端封闭只留 1 个
出水口.先在管底部装入约 1 cm厚的石英砂作为反
滤层,按实地测得土壤容重换算后,按照生物质炭施
用量为 0、5、10、20、30 和 40 t·hm-2的比例计算,分
别将 0、6. 65、13. 30、22. 60、39. 90 和 53. 20 g的生物
质炭添加到扰动土样中至 810 g,充分混合均匀,根
据大田试验的田间耕作施用量 0、5、10、20、30 和 40
t·hm-2,将混合土壤装入模拟土柱,按土壤容重填
装,各处理符号分别为:CK、C2、C3、C4、C5和 C6(其
中 C1处理为 1. 1%的比例与土壤混合,由于生物质
炭施用量太少,本试验没有进行分析),各处理土壤
性质见表 1.在各土柱的表面覆上 1 层 1 cm 厚的石
英砂以防加样时破坏土层,每处理重复 3 次,特别注
意将土柱边缘土壤压实,防止边缘效应的产生.试验
开始时先用马氏瓶控制水头高度,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
饱和直至土柱出现液面,然后从土柱上端用蠕动泵
加水,控制流速,从上往下泵入去离子水充分淋洗土
柱 2 ~ 3 d,直至检测不出 NO3 - 鄄N为止.加入 100 mL
质量浓度为 200 mg·L-1的 KNO3溶液(以 N计),进
行示踪试验(试验过程中土壤表层保持 1 cm 水层,
即在饱和条件下进行示踪试验),当 KNO3入渗完毕
之后,立即加去离子水淋洗土柱,开始计时后,不同
处理的土柱按照流速以其相同的时间间隔用自动液
体收集器收集土壤淋溶液,直至检测不到NO3 - 鄄N
2613 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 1摇 不同处理土壤基本理化性质
Table 1 摇 Basic soil physical and chemical properties in
different treatments
处理
Treat鄄
ment
容重
Bulk density
(g·cm-3)
孔隙度
Total porosity
(% )
有机碳含量
Organic carbon
(g·kg-1)
阳离子交换量
CEC
(cmol·kg-1)
CK 1. 23 53. 6 7. 98 16. 20
C2 1. 22 54. 1 9. 38 16. 59
C3 1. 22 54. 8 10. 25 17. 58
C4 1. 21 55. 9 11. 79 18. 84
C5 1. 20 56. 7 12. 62 19. 73
C6 1. 19 57. 5 13. 16 21. 32
为止.计算其相对浓度(C / C0),其中,C0为加入硝态
氮的初始浓度;C为出流液中硝态氮浓度.
1郾 3摇 土壤基本性质及硝态氮和铵态氮的测定
土壤容重采用环刀法测定;土壤颗粒分析采用
吸管法测定,质地采用国际制分类;土壤有机质采用
重铬酸钾容量法测定;硝态氮采用 CaSO4 浸提鄄紫外
分光光度计法测定;阳离子交换量采用 1 mol·L-1
乙酸铵交换法测定.
1郾 4摇 硝态氮运移过程的模型拟合
将添加生物质炭的红壤进行模型拟合,将得到
的硝态氮运移穿透曲线上的时间、对应相对浓度值
及其他物理性参数输入到 CXTFIT 2. 0 数学模型,模
型拟合得到对应时间的相对浓度值、平均水孔隙流
速(自)和水分扩散率(D)等,将测定值与拟合的相
对浓度值绘制成穿透曲线,对拟合值与测定值进行
相关分析和模型适应性评价.
1郾 5摇 数据处理
采用 Excel 2003 软件对数据进行处理和作图,
采用 DPS数据处理系统进行方差分析和多重比较
(琢=0. 05).采用 SPSS 20. 0 统计分析软件进行相关
性分析(琢=0. 05).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 供试土壤中硝态氮的穿透曲线
土壤溶质运移的穿透曲线(BTCs)反映其在不
同介质中的混合置换和溶质运移特征,同时也反映
溶质与介质或土壤达到反应平衡所需时间等特
征[11] .由图 1 及表 2 可知,用初始浓度 200 mg·L-1
的硝态氮溶液处理土壤后,在水分饱和且重力势保
持不变的情况下,穿透曲线随生物质炭添加量的不
同发生明显变化.各土柱的淋溶时间、相对浓度峰值
出现时间以及相对浓度峰值随生物质炭添加比例的
不同呈现出一定的规律性.硝态氮的顶峰浓度、流速
及累积淋失总量随生物质炭的增加均显著降低,而
表 2摇 不同处理硝态氮的淋溶开始时间、淋溶时间、相对浓
度和流速
Table 2 摇 Start time, leaching time, relative concentration
and velocity of NO3 - 鄄N in different treatments
处理
Treat鄄
ment
淋溶开始时间
Leaching
start time
(h)
累积淋失总量
Cumulative
loss
(mg)
淋溶时间
Leaching
time
(h)
C / C0 流速
Velocity
(mL·h-1)
CK 3. 00f 19. 78a 17. 00f 0. 36a 40. 21a
C2 4. 66e 19. 29b 22. 66e 0. 35b 38. 13b
C3 5. 85d 18. 81c 25. 95d 0. 34c 35. 12c
C4 7. 50c 18. 12d 28. 50c 0. 33d 29. 87d
C5 10. 00b 17. 17e 37. 00a 0. 32e 22. 13e
C6 11. 00a 16. 61f 35. 00b 0. 32e 21. 58e
同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0. 05) Different small
letters in the same column meant significant difference among treatments
at 0. 05 level. 下同 The same below.
淋溶开始时间和淋溶时间则显著增加. 在 CK 中硝
态氮运移的穿透曲线相对浓度峰值高、分布窄,而
C6的相对浓度峰值低、分布宽;本研究所得的穿透曲
线呈不对称分布,硝态氮出流时间具有明显的滞后
效应,即在相对浓度峰值之后硝态氮的淋溶浓度下
降趋势较相对浓度峰值之前上升趋势变缓,淋溶时
间变长,从而使尾部均存在一定的拖尾现象[12],在
各处理中拖尾现象随生物质炭添加量的增加而愈加
明显.
2郾 2摇 影响硝态氮垂直穿透的因素
影响硝态氮在土壤中穿透曲线的因素比较复
杂 ,由表3可知,在土壤的理化性质中,除容重与生
图 1摇 不同处理 NO3 - 鄄N的穿透曲线及模拟值
Fig. 1 摇 BTCs and its simulation of NO3 - 鄄N in different treat鄄
ments.
玉: 试验值 Experimental value; 域:模拟值 Simulated value. 下同 The
same below.
361311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 靖彦等: 施用生物质炭对红壤中硝态氮垂直运移的影响及其模拟摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 3摇 硝态氮的穿透曲线与土壤性质和生物质炭添加量的
相关性
Table 3摇 Correlation of the breakthrough curves of NO3 - 鄄N
with the soil physical properties and biochar application
amounts (n=18)
处理
Treatment
淋溶开始
时间
Leaching
start time
淋溶时间
Leaching
time
C / C0 流速
Velocity
生物质炭
Biochar
容重
Bulk density
-0. 943** -0. 890* 0. 871* 0. 964** -0. 978**
有机碳
Organic carbon
0. 985** 0. 964** -0. 994** -0. 968** 0. 953**
孔隙度
Total porosity
0. 992** 0. 947** -0. 971** -0. 989** 0. 988**
CEC 0. 981** 0. 920** -0. 948** -0. 980** 0. 990**
生物质炭
Biochar
0. 987** 0. 945** -0. 941** -0. 989** 1摇 摇
*P<0. 05;**P<0. 01. 下同 The same below.
物质炭呈显著负相关外,有机碳、孔隙度、CEC 均为
显著正相关关系,相对浓度峰值 C / C0也呈显著负相
关.生物质炭不同添加比例造成了不同处理土壤理
化性质的改变,对硝态氮的垂直穿透产生了明显影
响;在流速方面,除容重与流速呈显著正相关外,有
机碳、孔隙度、CEC 和生物质炭与流速均呈显著负
相关;容重与淋溶开始时间和淋溶时间呈显著负相
关,而有机碳、孔隙度、CEC 和生物质炭则与淋溶开
始时间和淋溶时间呈显著正相关.
2郾 3摇 CXTFIT 2. 0 数学模型模拟结果分析
土壤中硝态氮垂直运移模拟以 CXTFIT 2. 0 数
学模型在不同初始边界条件下一维对流鄄扩散方程
为基础,该模型可用来预测土壤中 NO3 - 鄄N 的运移
状况.由图 1 和表 4 可知,各土层穿透曲线拟合结果
与实测结果的决定系数均>0. 850,硝态氮淋出液的
实测值与模拟值非常吻合,这说明用 CXTFIT 2. 0 模
型对添加生物质炭后稳态流条件下饱和土壤中硝态
氮淋失规律的模拟具有较高的精度.其中 姿 为弥散
度,是对流弥散系数与平均孔隙水流速之比,反映了
运移离子在运移过程中的弥散强度. R2的大小反映
表 4摇 CXTFIT 2. 0 数学模型拟合硝态氮运移参数结果
Table 4摇 Simulation results of parameters of nitrate nitro鄄
gen transporting fitted by CXTFIT 2. 0 mode
处理
Treatment
Y
(cm·h-1)
D
(cm2·h-1)
A
(cm)
R2
CK 1. 2250a 2. 4980a 2. 0391 0. 850
C2 0. 8668b 0. 6721b 0. 7753 0. 968
C3 0. 7110c 0. 4248c 0. 5974 0. 932
C4 0. 6576c 0. 3579cd 0. 5442 0. 982
C5 0. 4901d 0. 1707d 0. 3482 0. 957
C6 0. 4828d 0. 1584d 0. 3280 0. 990
Y: 平均水孔隙速率 Average water clearance rate; D:弥散系数 Disper鄄
sion coefficient.
了拟合曲线与测定曲线间的接近程度. 统计分析结
果表明,各试验的相关系数均达到显著水平. CXT鄄
FIT 2. 0 数学模型是以局部平衡假设为基础进行的
拟合[13] .对各处理而言,拟合值与实测值较为一致,
满足了模型使用条件,在参数调整的情况下 CXTFIT
2郾 0 模型能很好地模拟 NO3 - 鄄N 在混合土壤中的运
移规律,土壤中硝态氮运移参数是可信的. 因此,土
壤水分扩散率、平均水孔隙速率均能反映添加生物
质炭后土壤的质地和孔隙状况. 可见,用 CXTFIT
2郾 0 数学模型对稳定水流条件下添加生物质炭的饱
和土壤中硝态氮淋失的估算具有较高精度,能间接
反映田间硝态氮的运移规律.
在采用 CXTFIT 2. 0 模型对硝态氮的拟合时发
现,参数 自、D 对结果的影响较大. 平均孔隙水流速
度(自)、水动力弥散系数(D)以及 姿 与生物质炭呈
幂函数关系,R2分别为 0. 966、0. 961 和 0. 956,而有
机质含量与 自、D、姿相关性均较高,R2分别为 0. 966、
0. 946 和 0. 926,而容重与 自、D、姿 相关性相对较差,
R2分别为 0. 709、0. 631 和 0. 584. 自和 D均随着生物
质炭添加量的增加而显著降低,表明不同比例的生
物质炭在硝态氮运移过程中起主导因素,导致运移
参数发生变化.此外,由图 2 可知,自 和 D 之间有极
显著的相关性,r = 0. 946(n = 6),这与 Chen 等[14]的
研究结果一致.这也说明使用 CXTFIT 2. 0 模型拟合
得到的不同处理硝态氮运移参数结果是可靠的.
3摇 讨摇 摇 论
硝态氮是一种非吸附的溶质,不容易被分配到
土壤的吸附位点上,土壤孔隙及质地等物理特性是
影响硝态氮运移的主要因素,在 CK 中硝态氮运移
的穿透曲线相对浓度淋溶峰值高、分布窄,而C6的
图 2摇 土壤平均水孔隙速率(自)和弥散系数(D)的相关关系
Fig. 2摇 Correlations between 自 and D in soils.
Y: 平均水孔隙速率 Average water clearance rate; D:弥散系数 Disper鄄
sion coefficient.
4613 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
相对浓度峰值低、分布宽;硝态氮开始淋溶的出流时
间、流速及累积淋失总量随着生物质炭的增加均显
著降低,而淋溶时间则显著增加,这是因为红壤具有
膨胀性强的特点,添加的生物质炭表面积大、颗粒较
细,与土壤混合后在淋移过程中形成的土壤孔隙相
对变小,再加上生物质炭具有不同大小孔隙的特点,
毛管孔隙数量越多,孔隙内表面产生的张力越大,对
水分吸持作用越强烈[15];其次,生物质炭表面极性
官能团较多,亲水性较强,有更大截留水的潜力和表
面积,生物质炭的孔隙结构能减小水分的渗滤速
度[16],从而使流速显著降低,延缓硝态氮的出流时
间.由于硝态氮带有负电荷,一般情况下土壤颗粒对
硝态氮不具有吸附性,但添加的生物质炭富含大量
的有机碳,导致土壤中有机碳的含量大幅增加,有机
碳表面的特殊结构和官能团能吸附带负电的离子.
此外,生物质炭孔隙结构发达,存在着各种大小不一
的孔隙,比表面积大,其表面具有大量负电荷及高电
荷密度[17-18],也具有正电荷,能够吸附固定水、土壤
和沉积物中的极性或非极性有机化合物[19]以及
NO3 -等;另外,生物质炭通过孔隙结构为微生物提
供了生活场所,可以通过静电吸附养分离子及活跃
的化学官能团对 NO3 -具有吸附作用,并减缓氮素养
分向外界的释放,增强土壤对溶液中移动性很强和
容易淋失养分元素的吸附能力[20],所以在添加生物
质炭的情况下,硝态氮也会被土体所吸附,从而导致
淋溶峰值和硝态氮的累积淋溶量显著降低,进而延
长了硝态氮的淋溶时间.土壤对水的吸持能力越大,
优势流越弱,再加上生物质炭对硝态氮的吸附,因而
生物质炭添加比例越高,硝态氮穿透时间越长,穿透
曲线淋溶峰值越低.
由于添加了生物质炭,硝态氮出流时间具有滞
后效应,穿透曲线呈不对称分布,且随生物质炭添加
量的增加拖尾现象更明显,这可能是受生物质炭、土
壤有机质和土壤黏粒含量的影响. 在添加生物质炭
的情况下,混合土壤对硝态氮的吸附能力增强,在达
到淋溶峰值后,被吸附的硝态氮才会逐渐被淋洗出
来,从而才可能引起穿透曲线的拖尾现象;其次,生
物质炭具有比表面积大、外表凹凸不平的特点,在运
移过程中生物质炭的微小颗粒会阻塞部分土体小孔
隙,再加上土体孔隙本身的非均一性,致使土体中存
在一些封闭或半封闭孔隙,这就导致土体中水流的
非均一性[21] .由于土柱内存在不流动水体,它们不
参与溶质的对流运移,它们与流动水体的溶质交换
主要是以弥散和扩散作用完成的,其交换速率显著
低于对流运移速率,若不动水的比例较高则溶质运
移速度就会减慢,拖尾现象随着生物质炭添加比例
的增加表现更为明显;另外,硝态氮在运移过程中,
随着氧化还原电位逐渐降低,硝态氮容易发生反硝
化的脱氮作用.硝态氮运移时间越长,反硝化作用越
明显,因此,也会使硝态氮运移的穿透曲线趋于平
缓[22] .
本研究表明,各处理土壤均出现不同程度的氮
损失现象,这可能是由于一方面淋溶试验中仍存在
硝态氮的反硝化作用,另一方面可能是生物质炭对
硝态氮的吸附造成的损失.在本试验中,各土柱上端
均保持约 1 cm高度的水层,这在很大程度上抑制了
氮的反硝化作用;另外,Zhang等[23]基于稻田试验发
现,生物质炭具有一定的抑制土壤反硝化作用的能
力,所以本研究中生物质炭添加比例的不同是造成
各处理穿透曲线不同的主要原因. 土柱中的生物质
炭一方面可以改善土壤结构,使土壤孔隙度增大,有
机碳含量增加,同时增加土壤的 CEC,因而除容重
与生物质炭含量呈显著负相关外,有机碳、孔隙度、
CEC均与生物质炭含量呈显著正相关;另一方面,
生物质炭的添加又可以增加混合土壤的吸附性,提
高土壤的保肥性,延长淋溶时间及降低相对浓度峰
值,因而除相对浓度峰值与生物质炭含量呈显著负
相关外,硝态氮出流开始时间和淋溶时间均为显著
正相关关系.在试验中,各土壤物理性质均在淋溶开
始之前测得,由于容重是在土柱淋溶之前测得,在经
过 3 d充分淋洗之后,由于生物质炭具有比面积大
的特点,其微小颗粒较土壤黏粒更为细小,导致在运
移过程中,土壤的孔隙分布发生了变化,生物质炭微
小颗粒阻塞了土柱中的孔隙,导致流速减缓,生物质
炭具有一定的吸水能力,从而改善了土壤的持水性,
这也进一步影响了硝态氮的运移,使容重的作用减
弱[24-25],流速与生物质炭含量呈显著负相关.可见,
生物质炭的添加是影响硝态氮运移的主要因素.
在土柱试验中平均孔隙水流速度(自)和水动力
弥散系数(D)均随着生物质炭添加量的增加有显著
降低的趋势,这主要是由于在土壤中添加的生物质
炭影响了土壤的有机碳、容重、孔隙度和 CEC 等土
壤性质,再加上生物质炭具有很强的吸水和持水能
力,而添加生物质炭对土壤孔隙也产生较大的影响,
从而导致土壤对流作用和弥散作用的变化,这对溶
质运移产生较大影响,也对 自 和 D 的模拟值产生很
大的影响.使用 CXTFIT 2. 0 模型拟合得到不同处理
的硝态氮运移参数,自 和 D 模拟值的变化也间接反
561311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 靖彦等: 施用生物质炭对红壤中硝态氮垂直运移的影响及其模拟摇 摇 摇 摇 摇 摇
映了生物质炭对土壤物理性质的影响.
4摇 结摇 摇 论
在土壤中施入生物质炭后,土柱的穿透曲线发
生显著变化,随着生物质炭添加量的增加,硝态氮、
流速、顶峰浓度、累积淋溶量随着生物质炭的增加均
呈显著降低趋势,而淋溶开始时间、淋溶时间则显著
增加.穿透曲线呈不对称分布,拖尾现象明显,并随
生物质炭添加量的增加拖尾现象更加明显. 生物质
炭可以降低硝态氮的淋失,增加硝态氮在土壤中的
淋溶时间.
生物质炭的施入改变了土壤的理化性质,除容
重与生物质炭呈显著负相关外,有机碳、CEC 和孔
隙度均呈显著正相关.
用 CXTFIT 2. 0 数学模型对稳定水流条件下添
加生物质炭后的饱和土壤硝态氮淋失量的估算具有
较高精度,拟合结果与实测结果之间达到显著水平,
使用 CXTFIT 2. 0 模型拟合得到的硝态氮运移参数
是可信的.生物质炭显著降低了平均孔隙水流速度
(自)和水动力弥散系数(D),由于大田孔隙分布极
为复杂,研究结果可为生物质炭施用后合理地指导
施肥提供科学依据.
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作者简介摇 靖摇 彦,男,1987 年生,硕士研究生. 主要从事水
土资源利用与管理研究. E鄄mail: 2011103091@ njau. edu. cn
责任编辑摇 张凤丽
封 面 说 明
图片由西北农林科技大学冯佰利教授 2013 年 9 月 15 日摄于陕西榆林糜子高产示范田.糜子
(Panicum miliaceum L. )属禾本科、黍属,一年生草本植物,具有抗旱、耐瘠等特性,是抗旱性最强的
古老农作物之一.全世界糜子栽培面积约 550 ~ 600 万 hm2,栽培面积最大的是俄罗斯、乌克兰和中
国.中国糜子栽培面积约 100 万 hm2,主要集中在山西、陕西、甘肃、宁夏等长城沿线地区及黑龙江、
吉林等省区.这些地区土壤贫瘠,年降水量为 300 ~ 500 mm,属干旱半干旱地区,糜子是这些地区的
主要粮食作物之一.糜子有粳糯性之分,粳性一般食(饲)用,糯性常用作糕点和酿酒.包头、东胜、
榆林、延安一线(110毅 E)以东地区主要栽培糯性糜子,以西地区主要栽培粳性糜子. 糜子药食兼
用,是 21 世纪重要的健康食品资源.
761311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 靖彦等: 施用生物质炭对红壤中硝态氮垂直运移的影响及其模拟摇 摇 摇 摇 摇 摇