中国传统氮肥品种面临着氮素利用率低的问题，随着十三五规划“药肥双减”项目预期目标的顺利实现，2020年中国三大粮食作物化肥利用率达到40.2%，但仍低于国际平均水平，这不仅会提高农业生产成本，而且还导致了较为严重的水污染和土壤问题。生物炭是生物质在低氧或无氧条件下高温热解获得的高含碳产物，具有比表面积大、孔隙度丰富、吸附性能好、稳定性强等特征。生物炭施入土壤后能够减少氮素淋失，提高氮肥利用率，改善土壤肥力。以生物炭为载体，与肥料混合或复合作用制备的生物炭基肥料不仅能够消除生物炭养分不足的缺陷，也赋予常规肥料缓释功能。JOBA等研究发现，生物炭添加可以减少土壤养分淋失。JIA等研究表明，生物炭包膜尿素能够减少硝态氮淋失，减少氮素损失，提高氮肥利用率。高梦雨等研究发现，炭基肥和生物炭的施用能够提高土壤有机碳含量。HE等研究发现，生物炭与常规化肥配合施用能够有效提高土壤磷、钾含量和阳离子交换量，调节土壤pH值，提升图4 不同施肥处理下硝态氮、铵态氮累积淋出量土壤肥力水平。向伟等研究表明，生物炭配施无机氮肥提高了水稻产量及氮肥利用率。目前生物炭基肥大多是以尿素作为供氮肥料，针对硫酸铵的生物炭基肥料少有报道。本研究针对工业副产硫酸铵，以生物炭为基质，在不同炭肥比下制备生物炭-硫酸铵肥料，并研究其对硫酸铵氮素淋溶特性的影响，为生物炭-硫酸铵肥料的制备及工业副产硫酸铵肥料的高效资源化利用提供理论指导。

1实验方法

为探究不同炭肥比下制得的生物炭-硫酸铵肥料的氮素淋失特性，设计土柱淋溶试验如下：试验共设置5个处理：CK（不施氮）、AS（普通硫酸铵）、BC-AS_1/5、BC-AS_1/4、BC-AS_1/3，每个处理重复3次。除CK处理外，各处理均以总养分N 0.25g/kg、P₂O₅ 0.16g/kg、K₂O 0.16g/kg水平施肥，CK处理只施用P₂O₅ 0.16g/kg和K₂O 0.16g/kg。试验装置为60 cm×5.70 cm PVC管，将PVC管包有纱布的一端作为底端并加入1cm厚的石英砂，以容重0～20cm土层1.25g/cm³，＞20～50cm土层1.30g/cm³将土壤装入土柱，供试肥料全部与0～10cm土层土壤混匀装入，土柱上面再覆以1.00cm石英砂，以减少淋溶水对表层土壤的扰动。安装土柱时需要注意将土柱边缘的土壤压实，尽可能降低淋溶的边缘效应。每个土柱加水至饱和后，以刺有小孔的薄膜封闭PVC管上口，置于室温培养，静置24h后，分别于1、2、3、5、7、10、15、20、25、30d加入200mL去离子水淋溶24h，采集淋出液，共淋溶10次。准确量取各次淋出液体积，测定每一次溶液里铵、硝态氮含量。试验结束后，将土柱中土壤以10cm为一层，共分为5层，测定各土层土壤基本理化指标。

2结果分析

2.1生物炭-硫酸铵肥料的表面形态结构特征

如图1所示，生物炭材料的红外光谱主要吸收峰发生在1257、1380、1595、3419cm⁻¹。一般认为1257cm⁻¹附近为C-O的伸缩振动；1380cmcm⁻¹附近为饱和C-H的面内弯曲振动；1595cm⁻¹附近为-NH的面内弯曲振动；3419cm⁻¹附近为-OH的伸缩振动峰，表面基团可能为羧基或羰基。

如图1所示，生物炭-硫酸铵肥料的表面官能团特征峰主要发生在618、1110、1401、1624、3179cm⁻¹附近与硫酸铵的主要特征峰相一致，但相较于硫酸铵发生明显弱化，一般认为618cm−1附近为不饱和炔烃的C-H键弯曲振动；1110cm⁻¹附近为C-O的伸缩振动；1401cm−1附近为饱和C-H；1624cm⁻¹附近为-NH的面内弯曲振动；3179cm⁻¹附近为-OH的伸缩振动。另外在700～865cm⁻¹之间出现3处与淀粉一致的特征峰，此处可能是C-H的弯曲振动，但发生明显的弱化。生物炭中出现的部分特征峰在生物炭-硫酸铵肥料中未被明显发现。

如图 2 所示，炭肥比为 1:4 时（BC-AS_1/4），相较于其他 2 种炭肥比下制备的生物炭-硫酸铵肥料其颗粒表面更加光滑紧密。不同炭肥比下制备的生物炭-硫酸铵肥料表面均能够观察到明显生物炭孔隙，且可以看到大量的颗粒物镶嵌在生物炭孔隙内，这些颗粒物可能是吸附在生物炭表面的硫酸肥料。BC-AS_1/5 表面可以看到明显的硫酸铵颗粒暴露在肥料表面；而 BC-AS_1/4 表面的硫酸铵颗粒则基本镶嵌在生物炭表面的孔隙内，BC-AS_1/3颗粒表面则明显比另外 2 种肥料颗粒更加疏松，放大 500倍镜头下可以明显看到大量的硫酸铵颗粒暴露在其表面。

2.2不同处理下土壤水分及氮素淋出特征

图3 不同处理淋出液体积

图4 不同施肥处理下硝态氮、铵态氮累积淋出量

如图 3 所示，除 CK 和 BC-AS1/4 外，其他处理土壤水分在前 5 天出现一次先低后高的渗出趋势，从第 5 天开始淋出量逐渐降低，BC-AS1/4 处理除第 2 天和第 7 天土壤水分淋出量出现小幅上升外整体呈现下降趋势。与AS 相比，施用生物炭-硫酸铵肥料能够降低土壤水分下渗，随着时间的推移淋出液体积减小且各处理间差异越大。其中，BC-AS1/4 处理下土壤水分淋出量最少，比AS 减少 5.87%～36.53%。

如图 4a，土壤硝态氮在首次淋溶时出现淋出高峰，常规硫酸铵处理首次淋出量显著高于生物炭-硫酸铵肥料处理。前 3 天快速淋出后，硝态氮累积淋出量开始保持相对稳定持续到 15 d，15 天后 BC-AS_1/5 和 BC-AS_1/3 处理的硝态氮淋出速率增大，累积淋出量开始出现 2 次快速增长，而 BC-AS_1/4 处理的硝态氮淋出速率仍保持较低水平，累积淋出量保持相对稳定，直至试验结束。最终硝态氮累积淋出量表现为 BC-AS_1/3、BC-AS_1/4 和 BCAS_1/5 处理均显著低于 AS 处理，相较于 AS 处理分别降低 9.46%、11.56%、7.17%。如图 4b，生物炭-硫酸铵肥料的施用减缓了铵态氮的淋出，淋溶试验前 7 天，铵态氮累积淋失量随炭肥比的增大而降低；BC-AS_1/4 处理经过 2d 的快速淋出后开始保持较低的淋出速率，累积淋出量相对稳定，直至试验结束。

如图 4b 所示，BC-AS_1/5 和 BC-AS_1/3 处理在第 5 天后，铵态氮累积淋出量呈现二次上升趋势，BC-AS_1/3 处理在 15 天后铵态氮淋出速率增大，累积淋出量快速增加。最终铵态氮累积淋出量表现为 BC-AS_1/4 处理低于 BCAS_1/5、BC-AS_1/3 和 CK 处理低于 AS，相较于 AS 处理，3种生物炭-硫酸铵肥料处理降低铵态氮累积淋出量41.18%~80.83%。

2.3不同处理下土壤氮素养分特征

除 CK 处理外，土壤中无机氮含量均以 NH⁴ -N 为主，NO₃⁻-N 含量相对较低（表 2）。由表 2 可见，在 0～20 cm土层中 BC-AS_1/4 处理的 NO₃⁻-N  含量显著高于其他施氮处理，在＞20～50 cm 土层中，各处理间差异不显著。此外，土壤 NH⁴ -N  在＞20～30 cm 土层含量最高，各施氮处理中NH⁴ -N 含量均显著高于 CK 处理。＞10～20 cm土层中的  含量 NH⁴ -N AS 处理显著低于 BC-AS_1/3 处理，在＞20～30 cm 土层中含量显著高BC-AS_1/4 处理，表明施用生物炭-硫酸铵能够增加上层土壤对 NH⁴ -N  的固持，减少氮素淋失。全氮含量结果表明，与 CK 处理相比，施加氮肥处理显著提高了各土层中全氮含量（0~10 cm土层的 BC-AS_1/3 和 BC-AS_1/4 处理除外）。各施氮处理间，除 40～50 cm 土层外各土层土壤全氮含量差异均不显著，在 10～40 cm 土层中，BC-AS_1/4 处理的全氮含量较 CK 处理增幅最大。相较于 CK 处理，施氮处理显著提高了土壤中的氮素累积量，增幅为 32.50%～42.79%。

2.4不同处理下土壤磷、钾、有机碳含量及电导率

由表3可知，各处理中速效钾在＞10～30 cm土柱土层中含量相对较高，在0～20 cm土层中各生物炭-硫酸铵肥料处理中速效钾含量均显著高于AS处理，在＞10～20 cm土层中，各生物炭-硫酸铵处理速效钾含量显著高于CK处理，各生物炭-硫酸铵处理间在0～20 cm土柱土层里的土壤速效钾的含量并无显著差异。在20 cm以下土层中，各生物炭-硫酸铵处理速效钾含量均与AS处理差异不显著。

土柱中有效磷主要分布在0～20 cm土层中（表3）。在0～20 cm土层中，各生物炭-硫酸铵肥料处理中有效磷含量均与CK处理与AS处理差异不显著。在20 cm以下土层中，除＞30～40 cm土层中BC-AS_1/3处理与＞40～50 cm土层的BC-AS_1/4处理与AS处理无显著差异外，其余各土层中AS处理的有效磷含量均显著高于生物炭-硫酸铵肥料处理。

生物炭-硫酸铵肥料的添加显著提高了土壤中有机碳含量（表3）。各添加生物炭-硫酸铵肥料的处理间，各土层中有机碳含量无显著性差异。与AS相比，BC-AS处理提高各土层EC值。在0～10 cm土层中，AS处理的电导率显著低于CK处理，而生物炭-硫酸铵肥料处理则与CK处理无显著性差异，并且在＞10～50 cm土层中高于CK处理与AS处理。

2.5淋溶试验土壤养分间的相关关系

生物炭-硫酸铵肥料的添加对提升土壤对养分的吸附和固持能力具有重要作用。相关性分析结果表明（表 4），各土层土壤有机碳、全氮、速效钾含量及电导率值之间呈正相关关系，土壤有效磷含量与有机碳在 0～10 cm 土层呈正相关关系。

3结论

为探究添加生物炭对硫酸铵肥料中氮素释放性能的影响，本文设计土柱淋溶试验对不同炭肥比（1:3、1:4、1:5）下制备的生物炭-硫酸铵肥料（BC-AS1/3、BC-AS1/4、BC-AS1/5）的氮素淋溶特征展开研究，明确其氮素释放特性。结论如下：

1）添加生物炭能够有效吸附硫酸铵肥料，减缓硫酸第 16 期 闫双堆等：生物炭辅配硫酸铵对土壤氮素淋溶的影响 99 铵的氮素释放速率。3 种不同炭肥比下，BC-AS1/4 处理表面结构最为光滑紧密，生物炭与硫酸铵的结合成型性最好。

2）与常规硫酸铵处理 AS 相比，不同炭肥处理均显著改善了土壤保水保肥性能，减少了土壤无机氮淋失。其中 BC-AS1/4 处理表现出最小的淋出速率和累积淋失量，缓释效果最好。

3）相较于常规硫酸铵处理 AS，不同炭肥处理均提高了土柱土壤氮素累积。其中 BC-AS1/4 处理表现出最好的养分固持效果。

4）淋溶试验中，各土层土壤有机碳含量与土壤全氮呈正相关关系，与土壤有效磷含量在 0～10 cm 土层呈正相关。生物炭-硫酸铵肥料中碳的投入能有效提高土壤的养分持有能力。

中国传统氮肥品种面临着氮素利用率低的问题，随着十三五规划“药肥双减”项目预期目标的顺利实现，2020年中国三大粮食作物化肥利用率达到40.2%，但仍低于国际平均水平，这不仅会提高农业生产成本，而且还导致了较为严重的水污染和土壤问题。生物炭是生物质在低氧或无氧条件下高温热解获得的高含碳产物，具有比表面积大、孔隙度丰富、吸附性能好、稳定性强等特征。生物炭施入土壤后能够减少氮素淋失，提高氮肥利用率，改善土壤肥力。以生物炭为载体，与肥料混合或复合作用制备的生物炭基肥料不仅能够消除生物炭养分不足的缺陷，也赋予常规肥料缓释功能。JOBA等研究发现，生物炭添加可以减少土壤养分淋失。JIA等研究表明，生物炭包膜尿素能够减少硝态氮淋失，减少氮素损失，提高氮肥利用率。高梦雨等研究发现，炭基肥和生物炭的施用能够提高土壤有机碳含量。HE等研究发现，生物炭与常规化肥配合施用能够有效提高土壤磷、钾含量和阳离子交换量，调节土壤pH值，提升图4 不同施肥处理下硝态氮、铵态氮累积淋出量土壤肥力水平。向伟等研究表明，生物炭配施无机氮肥提高了水稻产量及氮肥利用率。目前生物炭基肥大多是以尿素作为供氮肥料，针对硫酸铵的生物炭基肥料少有报道。本研究针对工业副产硫酸铵，以生物炭为基质，在不同炭肥比下制备生物炭-硫酸铵肥料，并研究其对硫酸铵氮素淋溶特性的影响，为生物炭-硫酸铵肥料的制备及工业副产硫酸铵肥料的高效资源化利用提供理论指导。

1实验方法

为探究不同炭肥比下制得的生物炭-硫酸铵肥料的氮素淋失特性，设计土柱淋溶试验如下：试验共设置5个处理：CK（不施氮）、AS（普通硫酸铵）、BC-AS_1/5、BC-AS_1/4、BC-AS_1/3，每个处理重复3次。除CK处理外，各处理均以总养分N 0.25g/kg、P₂O₅ 0.16g/kg、K₂O 0.16g/kg水平施肥，CK处理只施用P₂O₅ 0.16g/kg和K₂O 0.16g/kg。试验装置为60 cm×5.70 cm PVC管，将PVC管包有纱布的一端作为底端并加入1cm厚的石英砂，以容重0～20cm土层1.25g/cm³，＞20～50cm土层1.30g/cm³将土壤装入土柱，供试肥料全部与0～10cm土层土壤混匀装入，土柱上面再覆以1.00cm石英砂，以减少淋溶水对表层土壤的扰动。安装土柱时需要注意将土柱边缘的土壤压实，尽可能降低淋溶的边缘效应。每个土柱加水至饱和后，以刺有小孔的薄膜封闭PVC管上口，置于室温培养，静置24h后，分别于1、2、3、5、7、10、15、20、25、30d加入200mL去离子水淋溶24h，采集淋出液，共淋溶10次。准确量取各次淋出液体积，测定每一次溶液里铵、硝态氮含量。试验结束后，将土柱中土壤以10cm为一层，共分为5层，测定各土层土壤基本理化指标。

2结果分析

2.1生物炭-硫酸铵肥料的表面形态结构特征

如图1所示，生物炭材料的红外光谱主要吸收峰发生在1257、1380、1595、3419cm⁻¹。一般认为1257cm⁻¹附近为C-O的伸缩振动；1380cmcm⁻¹附近为饱和C-H的面内弯曲振动；1595cm⁻¹附近为-NH的面内弯曲振动；3419cm⁻¹附近为-OH的伸缩振动峰，表面基团可能为羧基或羰基。

如图1所示，生物炭-硫酸铵肥料的表面官能团特征峰主要发生在618、1110、1401、1624、3179cm⁻¹附近与硫酸铵的主要特征峰相一致，但相较于硫酸铵发生明显弱化，一般认为618cm−1附近为不饱和炔烃的C-H键弯曲振动；1110cm⁻¹附近为C-O的伸缩振动；1401cm−1附近为饱和C-H；1624cm⁻¹附近为-NH的面内弯曲振动；3179cm⁻¹附近为-OH的伸缩振动。另外在700～865cm⁻¹之间出现3处与淀粉一致的特征峰，此处可能是C-H的弯曲振动，但发生明显的弱化。生物炭中出现的部分特征峰在生物炭-硫酸铵肥料中未被明显发现。

如图 2 所示，炭肥比为 1:4 时（BC-AS_1/4），相较于其他 2 种炭肥比下制备的生物炭-硫酸铵肥料其颗粒表面更加光滑紧密。不同炭肥比下制备的生物炭-硫酸铵肥料表面均能够观察到明显生物炭孔隙，且可以看到大量的颗粒物镶嵌在生物炭孔隙内，这些颗粒物可能是吸附在生物炭表面的硫酸肥料。BC-AS_1/5 表面可以看到明显的硫酸铵颗粒暴露在肥料表面；而 BC-AS_1/4 表面的硫酸铵颗粒则基本镶嵌在生物炭表面的孔隙内，BC-AS_1/3颗粒表面则明显比另外 2 种肥料颗粒更加疏松，放大 500倍镜头下可以明显看到大量的硫酸铵颗粒暴露在其表面。

2.2不同处理下土壤水分及氮素淋出特征

图3 不同处理淋出液体积

图4 不同施肥处理下硝态氮、铵态氮累积淋出量

如图 3 所示，除 CK 和 BC-AS1/4 外，其他处理土壤水分在前 5 天出现一次先低后高的渗出趋势，从第 5 天开始淋出量逐渐降低，BC-AS1/4 处理除第 2 天和第 7 天土壤水分淋出量出现小幅上升外整体呈现下降趋势。与AS 相比，施用生物炭-硫酸铵肥料能够降低土壤水分下渗，随着时间的推移淋出液体积减小且各处理间差异越大。其中，BC-AS1/4 处理下土壤水分淋出量最少，比AS 减少 5.87%～36.53%。

如图 4a，土壤硝态氮在首次淋溶时出现淋出高峰，常规硫酸铵处理首次淋出量显著高于生物炭-硫酸铵肥料处理。前 3 天快速淋出后，硝态氮累积淋出量开始保持相对稳定持续到 15 d，15 天后 BC-AS_1/5 和 BC-AS_1/3 处理的硝态氮淋出速率增大，累积淋出量开始出现 2 次快速增长，而 BC-AS_1/4 处理的硝态氮淋出速率仍保持较低水平，累积淋出量保持相对稳定，直至试验结束。最终硝态氮累积淋出量表现为 BC-AS_1/3、BC-AS_1/4 和 BCAS_1/5 处理均显著低于 AS 处理，相较于 AS 处理分别降低 9.46%、11.56%、7.17%。如图 4b，生物炭-硫酸铵肥料的施用减缓了铵态氮的淋出，淋溶试验前 7 天，铵态氮累积淋失量随炭肥比的增大而降低；BC-AS_1/4 处理经过 2d 的快速淋出后开始保持较低的淋出速率，累积淋出量相对稳定，直至试验结束。

如图 4b 所示，BC-AS_1/5 和 BC-AS_1/3 处理在第 5 天后，铵态氮累积淋出量呈现二次上升趋势，BC-AS_1/3 处理在 15 天后铵态氮淋出速率增大，累积淋出量快速增加。最终铵态氮累积淋出量表现为 BC-AS_1/4 处理低于 BCAS_1/5、BC-AS_1/3 和 CK 处理低于 AS，相较于 AS 处理，3种生物炭-硫酸铵肥料处理降低铵态氮累积淋出量41.18%~80.83%。

2.3不同处理下土壤氮素养分特征

除 CK 处理外，土壤中无机氮含量均以 NH⁴ -N 为主，NO₃⁻-N 含量相对较低（表 2）。由表 2 可见，在 0～20 cm土层中 BC-AS_1/4 处理的 NO₃⁻-N  含量显著高于其他施氮处理，在＞20～50 cm 土层中，各处理间差异不显著。此外，土壤 NH⁴ -N  在＞20～30 cm 土层含量最高，各施氮处理中NH⁴ -N 含量均显著高于 CK 处理。＞10～20 cm土层中的  含量 NH⁴ -N AS 处理显著低于 BC-AS_1/3 处理，在＞20～30 cm 土层中含量显著高BC-AS_1/4 处理，表明施用生物炭-硫酸铵能够增加上层土壤对 NH⁴ -N  的固持，减少氮素淋失。全氮含量结果表明，与 CK 处理相比，施加氮肥处理显著提高了各土层中全氮含量（0~10 cm土层的 BC-AS_1/3 和 BC-AS_1/4 处理除外）。各施氮处理间，除 40～50 cm 土层外各土层土壤全氮含量差异均不显著，在 10～40 cm 土层中，BC-AS_1/4 处理的全氮含量较 CK 处理增幅最大。相较于 CK 处理，施氮处理显著提高了土壤中的氮素累积量，增幅为 32.50%～42.79%。

2.4不同处理下土壤磷、钾、有机碳含量及电导率

由表3可知，各处理中速效钾在＞10～30 cm土柱土层中含量相对较高，在0～20 cm土层中各生物炭-硫酸铵肥料处理中速效钾含量均显著高于AS处理，在＞10～20 cm土层中，各生物炭-硫酸铵处理速效钾含量显著高于CK处理，各生物炭-硫酸铵处理间在0～20 cm土柱土层里的土壤速效钾的含量并无显著差异。在20 cm以下土层中，各生物炭-硫酸铵处理速效钾含量均与AS处理差异不显著。

土柱中有效磷主要分布在0～20 cm土层中（表3）。在0～20 cm土层中，各生物炭-硫酸铵肥料处理中有效磷含量均与CK处理与AS处理差异不显著。在20 cm以下土层中，除＞30～40 cm土层中BC-AS_1/3处理与＞40～50 cm土层的BC-AS_1/4处理与AS处理无显著差异外，其余各土层中AS处理的有效磷含量均显著高于生物炭-硫酸铵肥料处理。

生物炭-硫酸铵肥料的添加显著提高了土壤中有机碳含量（表3）。各添加生物炭-硫酸铵肥料的处理间，各土层中有机碳含量无显著性差异。与AS相比，BC-AS处理提高各土层EC值。在0～10 cm土层中，AS处理的电导率显著低于CK处理，而生物炭-硫酸铵肥料处理则与CK处理无显著性差异，并且在＞10～50 cm土层中高于CK处理与AS处理。

2.5淋溶试验土壤养分间的相关关系

生物炭-硫酸铵肥料的添加对提升土壤对养分的吸附和固持能力具有重要作用。相关性分析结果表明（表 4），各土层土壤有机碳、全氮、速效钾含量及电导率值之间呈正相关关系，土壤有效磷含量与有机碳在 0～10 cm 土层呈正相关关系。

3结论

为探究添加生物炭对硫酸铵肥料中氮素释放性能的影响，本文设计土柱淋溶试验对不同炭肥比（1:3、1:4、1:5）下制备的生物炭-硫酸铵肥料（BC-AS1/3、BC-AS1/4、BC-AS1/5）的氮素淋溶特征展开研究，明确其氮素释放特性。结论如下：

1）添加生物炭能够有效吸附硫酸铵肥料，减缓硫酸第 16 期 闫双堆等：生物炭辅配硫酸铵对土壤氮素淋溶的影响 99 铵的氮素释放速率。3 种不同炭肥比下，BC-AS1/4 处理表面结构最为光滑紧密，生物炭与硫酸铵的结合成型性最好。

2）与常规硫酸铵处理 AS 相比，不同炭肥处理均显著改善了土壤保水保肥性能，减少了土壤无机氮淋失。其中 BC-AS1/4 处理表现出最小的淋出速率和累积淋失量，缓释效果最好。

3）相较于常规硫酸铵处理 AS，不同炭肥处理均提高了土柱土壤氮素累积。其中 BC-AS1/4 处理表现出最好的养分固持效果。

4）淋溶试验中，各土层土壤有机碳含量与土壤全氮呈正相关关系，与土壤有效磷含量在 0～10 cm 土层呈正相关。生物炭-硫酸铵肥料中碳的投入能有效提高土壤的养分持有能力。