生物质炭是农作物废弃物在高温厌氧条件下炭化制成的富碳物质，具有稳定的结构、发达的孔隙、丰富的表面官能团等特性^[1]。生物质炭施用土壤后不仅可以改良土壤的理化特性^[2]，提高土壤质量，增强土壤对养分的吸持和保留能力，提高土壤肥力^[3]，促进作物增产增质，还可以“固碳减排”，缓解大气污染^[4]。程效义等^[5]通过田间试验，采用封闭式酸吸收法和静态箱法，发现秸秆生物质炭可显著降低棕壤玉米旱田NH₃挥发和N₂O排放量。盖霞普等^[6]通过室内土柱模拟试验发现淋溶初期生物质炭对铵态氮的固持作用最明显，且固持作用主要发生在0~10 cm土层。王明峰等^[7]以花生壳和玉米秸秆为原料，施用不同温度处理的生物质炭，发现随着热解温度的升高，生物质炭的亚甲基蓝吸附值、碘吸附值逐渐降低；当热解温度上升到500 ℃及以上时，微孔结构发生塑性形变的程度大幅度提高，吸附值大幅度下降。张聪智等^[8]发现在300 ℃下制备的花生壳炭随着溶液原始NH₄⁺-N浓度、生物质炭添加量和溶液pH值的增加，其对铵态氮的吸附率增加。

壤土和砂土都是我国常见烟田中的2种土壤质地。壤土通气透水、保水保温性能较好，是农田中较理想的土壤质地。砂土保水保肥能力较差，养分含量少，土温变化较快，但通气透水性较好，并易于耕种。徐茂等^[9]通过大田研究发现，壤土基础供氮能力和基础产量优于砂土。钱华等^[10]对豫中烟区4种质地土壤烤后烟常规化学成分及石油醚提取物总量分析后，发现砂壤土、壤土烟叶化学成分协调性好，砂土、黏土次之。田丹等^[11]研究表明生物质炭的应用可以改善砂土的持水性能，提高砂土的水分有效性。氮是烟草生长发育过程中必需的营养元素，是优质烟叶内在品质的保证，主要以硝态氮和氨态氮两种形式被烟草吸收利用。虽然良好的土壤质地能够作为提供烟草生长发育所需氮元素的有利条件，但随着农田大量化肥的施用，土壤出现了土壤板结、土壤提供养分的能力下降、氮肥利用率下降、土壤酸化等问题。因此，在不同土壤质地中合理施用生物质炭尤为重要。

目前，生物质炭施用于土壤的研究并不少见，研究生物炭与土壤中铵态氮含量变化相关的文章也比较多，在方法上主要为室内模拟土柱淋溶试验或大田同一土层试验，但缺乏作物与不同土层淋溶试验统一起来的研究。本试验将烟草种植与3个土层铵态氮淋溶试验统一起来，研究烟草种植条件下在壤土和砂土中添加不同温度炭化的生物质炭时铵态氮在各土层的垂直分布及动态变化，并比较烟株长势，计算氮素利用率及氮素表观损失量，旨在为减少植烟土壤氮素损失与合理施用生物质炭提供理论依据。

供试土壤采自河南省许昌县(34°8′24″N，113°48′16″E)和河南省登封市(34°22′27″N，112°57′0″E)烟田0~20 cm土层，分别为长期种植烟草的代表性壤土(R)、砂土(S)。供试壤土的基本理化性质：pH7.78，土壤有机碳含量2.73 g · kg^-1，全氮含量1.1 g · kg^-1，碱解氮含量78.15 mg · kg^-1，速效磷含量13.56 mg · kg^-1，速效钾含量220.51 mg · kg^-1。供试砂土的基本理化性质：pH6.52，土壤有机碳含量2.03 g · kg^-1，全氮含量0.9 g · kg^-1，碱解氮含量56.72 mg · kg^-1，速效磷含量6.38 mg · kg^-1，速效钾含量181.34 mg · kg^-1。

供试生物质炭以花生壳为原材料，分别在360和500 ℃左右限氧烧制而成。360 ℃炭化的花生壳炭基本性质：全碳含量358.2 g · kg^-1，全氮含量12.9 g · kg^-1，全硫含量1.8 g · kg^-1，碳氮比为27.75。500 ℃炭化的花生壳炭基本性质：全碳含量368.5 g · kg^-1，全氮含量12.3 g · kg^-1，全硫含量1.1 g · kg^-1，碳氮比为30.03。

供试氮肥为分析纯NH₄NO₃，磷肥和钾肥为分析纯KH₂PO₃和K₂SO₄。供试烤烟品种为‘K326’。

试验于2016年在河南农业大学许昌校区烟草科教园区玻璃温室蒸渗仪内进行，蒸渗仪内径40 cm，高80 cm，自上而下每隔10 cm沿桶壁四周设4个取样孔。从蒸渗仪桶底向上依次装填20 cm细沙、30 cm供试土壤(晾干，过830 μm筛)和20 cm的化肥-生物质炭-供试土壤混合物，生物质炭添加量为0.5%(质量分数)，化肥施加量为每桶纯氮3 g，m(N) : m(P₂O₅) : m(K₂O)=1 : 1.5 : 3。试验共设8个处理，分别为：RCK1(壤土，不施肥)、RCK2(壤土，施化肥)、RT1(壤土，施化肥，施360 ℃生物质炭)、RT2(壤土，施化肥，施500 ℃生物质炭)、SCK1(砂土，不施肥)、SCK2(砂土，施化肥)、ST1(砂土，施化肥，施360 ℃生物质炭)、ST2(砂土，施化肥，施500 ℃生物质炭)，每个处理种植9株烟草，每3株1个重复。2016年5月8日将烟苗移栽进蒸渗仪桶内，每桶种植1株烟草。每3 d浇1 800 mL水(旺长期浇水量为此3倍)。

分别于烟苗移栽进入桶内后的3、6、9、13、16、19、27、48和90 d取0~10 cm、10~20 cm和20~30 cm层土样，测定土壤铵态氮含量。在移栽后90~120 d，按叶位收获全部烟草叶片及根茎，分析其质量及总氮含量。烟株拔除后，取蒸渗仪各层土壤测总氮含量。

试验开始时每个蒸渗仪为60.0 kg土壤，去除含水量(10.0%)后为每桶54.0 kg干土；试验结束后由于取样损失每桶为53.5 kg土壤。

土壤pH值、有机质、速效钾、速效磷和碱解氮按照文献[12]中的方法测定；土壤铵态氮含量用紫外分光光度法测定^[13]；土壤、生物质炭及烟株总氮用德国产CNS元素分析仪测定。

氮素表观损失量(nitrogen apparent loss)计算方法^[14]：NAL=(N_si+N_f+N_bc)-(N_p+N_sr)。式中：NAL为氮素表观损失量(g)；N_si为初始土壤氮素总量(g)；N_f为施入氮肥中的氮素总量(g)；N_bc为施入生物质炭中的氮素总量(g)；N_p为植物的氮素吸收量(g)；N_sr为土壤氮素残留总量(g)。NAL可理解为淋溶、径流和含氮气体挥发损失的氮素量。

使用Excel 2007软件进行数据变异性和方差分析，采用单因素随机区组方差分析方法比较不同处理间差异。用新复极差法(最短显著极差法，SSR)进行多重比较。

从图 1可知：在烟草整个生育期内，ST1处理提高了砂土0~10 cm土层NH₄⁺-N含量，其平均值为36.88 mg · kg^-1，而ST2处理降低了NH₄⁺-N含量，其平均值为25.67 mg · kg^-1，分别比对照和SCK2处理增加了31.82%和减少了8.25%(P < 0.05)。在壤土中RT1和RT2处理0~10 cm土层NH₄⁺-N含量平均值分别为4.87和4.14 mg · kg^-1，分别比RCK2减少了12.17%和25.34%(P < 0.05)。这说明施加低温炭提高了砂土0~10 cm的保肥能力而高温炭降低了其保肥能力；在壤土中施加生物质炭降低了其保肥能力。

图 1 不同炭化温度生物质炭对砂土(A)和壤土(B)0~10 cm土层铵态氮含量动态变化的影响 Figure 1 Effect of biochar pyrolysed temperature on NH4+-N content of 0-10 cm sandy(A)and loamy(B)soil layer S：砂土；R：壤土；CK1：不施肥；CK2：单施化肥；T1：化肥+360 ℃生物质炭；T2：化肥+500 ℃生物质炭。下同。 S:Sandy soil; R:Loamy soil; CK1:No fertilization; CK2:Fertilization application; T1:Fertilize application and 360 ℃ biomass carbon application; T2:Fertilize application and 500 ℃ biomass carbon application.The same as follows.

图选项

砂土各处理0~10 cm土层NH₄⁺-N含量呈先增加后降低的趋势，9 d前为肥料溶解、硝化、铵化进程，土壤NH₄⁺-N变化幅度较大，9 d后各处理NH₄⁺-N渐次达到高峰，随后逐渐下降。ST1处理可以推迟NH₄⁺-N含量达到峰值的时间，推迟了3 d，ST2和SCK2处理均在移栽后13 d达到峰值。然而，在壤土中NH₄⁺-N含量未出现明显峰值。这说明在砂土中施加低温炭能使NH₄⁺-N肥达到一定的缓释效果。

从图 2可知：在烟草整个生育期内，ST2处理降低了砂土10~20 cm土层NH₄⁺-N含量，其平均值为7.36 mg · kg^-1，比SCK2减少了30.21%(P < 0.05)；ST1处理与SCK2相比差异不显著。在壤土中RT2处理提高了10~20 cm土层NH₄⁺-N含量，其平均值为3.60 mg · kg^-1，比RCK2增加了13.38%(P < 0.05)；RT1与RT2处理相比差异不显著。这说明施加500 ℃生物质炭可能降低了砂土10~20 cm土层的保肥能力，而壤土中施加高温炭处理使10~20 cm土层NH₄⁺-N含量增加，可能是由于上层土壤(0~10 cm土层)铵态氮淋溶所致。

	图 2 不同炭化温度生物质炭对砂土(A)和壤土(B)10~20 cm土层铵态氮含量动态变化的影响 Figure 2 Effect of biochar pyrolysed temperature on NH4+-N content of 10-20 cm sandy(A)and loamy(B)soil layer
图选项

各处理10~20 cm土层NH₄⁺-N含量呈先增加后降低的趋势，9 d前为肥料溶解、硝化、铵化进程，土壤NH₄⁺-N含量变化幅度较大，9 d后各处理NH₄⁺-N含量逐渐达到高峰，随后逐渐下降。各处理与对照NH₄⁺-N含量的峰值出现时间基本一致。

由图 3可见：各处理20~30 cm土层NH₄⁺-N含量明显比0~10 cm与10~20 cm土层少，且峰值时间比0~10、10~20 cm土层稍晚，在16 d左右。这是由于20~30 cm土层没有施肥，除土壤原有氮素外，NH₄⁺-N积累基本靠上层土壤NH₄⁺-N的淋溶作用，因此含量较少、且NH₄⁺-N峰值推迟。

	图 3 不同炭化温度生物质炭对砂土(A)和壤土(B)20~30 cm土层铵态氮含量动态变化的影响 Figure 3 Effect of biochar pyrolysed temperature on NH4+-N content of 20-30 cm sandy(A)and loamy(B)soil layer
图选项

在烟草整个生育期内，施用2种生物质炭对砂土和壤土20~30 cm土层NH₄⁺-N平均含量的影响规律一致，即NH₄⁺-N含量从小到大的处理依次为常规施肥处理、低温炭处理、高温炭处理。在砂土中，ST1和ST2处理NH₄⁺-N含量平均值分别为4.11和4.91 mg · kg^-1，分别比SCK2增加了2.75%和22.67%，其中ST2处理达显著水平；在壤土中，其值分别为3.17和3.33 mg · kg^-1，分别比SCK2增加了32.14%和38.84%(P < 0.05)。

从图 4可知：在烟草整个生育期内，ST1处理显著提高了砂土0~30 cm土层NH₄⁺-N含量平均值(17.34 mg · kg^-1)，比对照高22.32%；而ST2处理显著减少了砂土0~30 cm土层NH₄⁺-N含量平均值(12.65 mg · kg^-1)，比对照低10.79%。其中，ST1处理显著提高了0~10 cm土层NH₄⁺-N含量，比对照增加了31.82%，而对10~20、20~30 cm土层没有显著影响，说明可能是低温炭减少了NH₄⁺-N的淋溶，也可能是其减少了NH₃的挥发；ST2处理显著减少了0~10、10~20 cm土层NH₄⁺-N含量，比对照分别减少了8.25%和30.21%，而20~30 cm土层NH₄⁺-N含量增加，说明可能高温炭的施用促进NH₃挥发或硝化，也可能NH₄⁺-N随500 ℃生物质炭的细小颗粒迁移到土壤下层。

	图 4 不同生物质炭对0~30 cm土层砂土(A)和壤土(B)铵态氮含量变化的影响 Figure 4 Effect of biochar pyrolysed temperature on NH4+-N content of 0-30 cm sandy(A)and loamy(B)soil layer 不同小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著。下同。 Different small letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level. The same as follows.
图选项

在烟草整个生育期内，壤土NH₄⁺-N含量明显低于砂土，这可能受土壤质地的影响。2种生物质炭处理壤土0~30 cm土层NH₄⁺-N含量与对照相比均无显著差异，生物质炭处理0~10 cm土层NH₄⁺-N含量明显低于对照，而10~20 cm和20~30 cm土层NH₄⁺-N含量明显高于对照。其中0~10 cm土层土壤中，RT1和RT2处理NH₄⁺-N含量分别为4.87和4.14 mg · kg^-1，比对照分别减少了12.17%和25.34%；10~20 cm土层NH₄⁺-N含量分别为3.25和3.60 mg · kg^-1，比对照分别增加了2.48%和13.38%；20~30 cm土层NH₄⁺-N含量分别为3.17和3.33 mg · kg^-1，比对照分别增加了32.14%和38.84%。这说明可能是添加生物质炭尤其是高温炭促进了壤土NH₄⁺-N的淋溶，也可能是其增加了NH₃的挥发或硝化，还有可能是促进了微生物对NH₄⁺-N的吸附、利用等。

由表 1可知：RT1、RT2、ST1和ST2处理土壤-烟株体系氮素表观损失量分别比常规施肥对照(RCK2、SCK2)减少了40.27%、34.10%、68.73%和54.05%。施加生物质炭能减少土壤-烟株体系的氮素表观损失量，且低温炭效果优于高温炭。ST1处理的土壤氮素残留量比ST2处理降低31.93%(P < 0.05)，可能是生物炭增强了土壤的保肥能力；ST1处理单株植物吸收的氮数总量比ST2处理增加12.64%(P < 0.05)，可能是生物质炭促进了烟株生长。

本试验中，在砂土中ST1处理显著提高了0~30 cm土层NH₄⁺-N含量平均值，其中0~10 cm土层NH₄⁺-N含量较对照提高显著；而ST2处理显著降低了0~30 cm土层NH₄⁺-N含量平均值，其中0~10 cm与10~20 cm土层NH₄⁺-N含量均降低。这说明在砂土中施用低温炭可以提高NH₄⁺-N含量，施用高温炭会减少NH₄⁺-N含量。这与盖霞普等^[6]的研究结果一致。因此，施用低温炭对植烟土壤铵态氮的持留效果优于高温炭，这可能是由于：1)低温炭表面官能团丰富，能通过离子交换等作用吸附铵态氮^[5]，而高温炭表面官能团减少，对铵态氮的吸附作用不强；Ding等^[15]认为，生物质炭对NH₄⁺-N的吸附作用主要由阳离子交换所致，而公认的是生物质炭随着热解温度的升高，阳离子交换量下降。2)低温炭可能吸附了苯酚、烯萜等抑制硝化的物质，也可能产生了硝化抑制剂(如松萜)^[16]。3)pH值越高，NH₃挥发越多，而低温炭比高温炭pH值低，从而NH₃挥发少。4)生物质炭的添加使土壤的孔径和分布发生变化，从而改变了土壤水分的流动路径、停留时间和渗滤模式^[17]；低温炭表面电荷更多，对水分持留效果更明显，更有利于对铵态氮的持留，而高温炭颗粒较小，其吸附的铵态氮随着高温炭迁移至更偏下的土层^[18]。5)生物质炭能与土壤有机质互相促进各自的矿化进程，从而释放土壤养分(如NH₄⁺-N)供作物吸收利用^[19]。

在壤土中，2种生物质炭处理下0~30 cm土层NH₄⁺-N含量与对照相比均无显著差异，但从土层分布上来看，RT1和RT2处理0~10 cm土层NH₄⁺-N含量明显低于对照，而10~20 cm和20~30 cm土层NH₄⁺-N含量高于对照。这说明在壤土中施用生物质炭能减少0~10 cm土层NH₄⁺-N含量，而提高10~20 cm和20~30 cm土层NH₄⁺-N含量，高温炭比低温炭表现更明显。这可能是由于：1)生物质炭能提高土壤孔隙度，增加团聚体数量，降低土壤容重^[2]，但低温炭和高温炭由于其自身理化性质的差异对以上土壤性质的改变程度也不同；且土壤孔隙度和容重又影响水分的迁移，团聚体结构影响养分的滞留，因此造成施加低温炭和高温炭后土壤NH₄⁺-N含量的差异。2)高温炭颗粒较小，其吸附的铵态氮随着高温炭迁移至更偏下的土层。因此，农田施用生物质炭时，建议砂土中施用低温炭以提高土壤NH₄⁺-N含量；壤土中施用生物质炭能使NH₄⁺-N下移，可能会减少NH₃挥发而保肥，也可能是促进淋溶作用。

综合各处理对0~30 cm土层的影响，在砂土中施用360 ℃生物质炭能使0~10 cm土层NH₄⁺-N含量增加；而ST2、RT1和RT2处理都使0~10 cm土层NH₄⁺-N含量减少，而20~30 cm土层NH₄⁺-N含量增加，这可能是施加生物质炭后NH₄⁺-N淋溶到了土壤下层。

施加生物质炭后植株吸氮量增加，说明生物质炭对植物生长有益，其原因可能是：1)由于生物质炭的保肥效果^[5-6]；2)生物质炭发达的孔隙结构为微生物提供了生长空间，使土壤微生物种类和活性增加，从而促进土壤有机质的矿化和植物生长；3)碳的增加调节了土壤碳氮比，更有益于微生物对有机质的矿化和碳封存^[20]。施用生物质炭能减少土壤-烟株体系的氮素表观损失量，低温炭比高温炭效果更好。一方面是生物质炭增强了土壤保肥能力；另一方面是生物质炭促进了烟株生长。低温炭效果优于高温炭，可能是由于低温炭与高温炭自身性质的差别及其与土壤的互作效应。而RT2处理氮素表观损失量较空白对照(不施肥)没有减少，可能是由于施入的化肥流失所致。

根据试验结果和生物质炭对土壤的影响机制，提出以下农田施用生物质炭需考虑的问题：一是需考虑到生物质炭、土壤和作物的相互作用，尤其是对土壤微生物的影响；二是需长期系统评价生物质炭对不同土质结构及性状的影响；三是关注硝态氮、铵态氮等氮素形态之间的转化，还包括施加生物质炭后对土壤其他养分含量的影响。