本文關(guān)鍵詞：添加生物炭對坡面土壤侵蝕的影響研究

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【摘要】：以農(nóng)林廢棄物資源化利用為基礎(chǔ)的生物炭,在當(dāng)今氣候變化、能源短缺、環(huán)境污染、糧食危機和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展受限的宏觀背景下,以其固有的特性和理化性質(zhì)成為了當(dāng)今農(nóng)業(yè)、能源與環(huán)境等領(lǐng)域的研究熱點。目前,農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中施加生物炭對土壤結(jié)構(gòu)改良、理化性質(zhì)改善和作物產(chǎn)量提高等方向的研究已廣泛開展。黃土高原作為全球水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一,該區(qū)土壤貧瘠、水分短缺和水土流失嚴(yán)重,導(dǎo)致該區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)受限,目前相關(guān)學(xué)者試圖利用生物炭的特殊性質(zhì)改善黃土高原土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分和水分狀況,然而黃土高原最主要的環(huán)境問題是水土流失,利用生物炭之前,探究添加生物炭對坡面土壤侵蝕狀況影響具有重要的意義。本研究以黃土高原黃綿土為研究對象,基于室內(nèi)人工模擬降雨和土壤理化性質(zhì)分析,通過2014-2015年試驗,在明確添加不同含量(0%、1%、3%、5%和7%)和粒級(2-1mm、1-0.25mm、0.25mm、1mm和2mm)的生物炭對黃綿土的飽和導(dǎo)水率、土壤團聚體、土壤分形維數(shù)及泥沙分形維數(shù)影響的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地研究添加生物炭對坡面土壤侵蝕的影響及時間效應(yīng),分析侵蝕泥沙分形維數(shù)、泥沙養(yǎng)分含量和泥沙生物炭含量等指標(biāo)在降雨過程中的變化特征及對添加生物炭的響應(yīng)。主要結(jié)論如下:1、在定容重條件下,添加生物炭對土壤飽和導(dǎo)水率有顯著影響。采用定水頭法測定生物炭含量、粒級和時間效應(yīng)對土壤飽和導(dǎo)水率影響,結(jié)果顯示:隨著生物炭含量的增加,土壤飽和導(dǎo)水率減小;小顆粒的生物炭可增大土壤飽和導(dǎo)水率;經(jīng)過室外自然放置培養(yǎng)后土壤飽和導(dǎo)水率增大。2、經(jīng)過7個月的室外自然放置培養(yǎng)后,采用干篩和濕篩法對土壤團聚體穩(wěn)定性的研究表明:添加生物炭會使土壤中“2mm組分”和“0.25mm組分”的團聚體含量、土壤平均重量直徑(MWD)、平均幾何直徑(GMD)和土壤中“2mm組分”與“0.25mm組分”的破碎率(PAD)在生物炭的作用下有所增加,,即團聚體粒徑增大但破碎率也增大。表明在短期內(nèi)對生物炭土壤團聚體結(jié)構(gòu)和其穩(wěn)定性的影響較小,建議進行更長時間的團聚體狀況監(jiān)測,以進一步明確生物炭施用對土壤團聚體的影響效應(yīng)和過程。3、添加生物炭后,土壤的分形維數(shù)隨著生物炭含量的增加和粒級的減小而減小。降雨過程中,泥沙分形維數(shù)隨著降雨歷時呈現(xiàn)先增大后趨于平穩(wěn)的趨勢。土壤分形維數(shù)與土壤侵蝕量的變化呈顯著的二次函數(shù)的相關(guān)關(guān)系,但與降雨徑流變化無明顯關(guān)系。4、添加生物炭對土壤養(yǎng)分有一定影響:隨著生物炭含量的增加,土壤全氮、全磷增大,全鉀減小,而土壤全量養(yǎng)分隨著生物炭粒級無明顯變化。在降雨過程中,攜帶生物炭的泥沙全氮呈現(xiàn)降低趨勢,全磷呈現(xiàn)增加趨勢,而全鉀無明顯變化規(guī)律。降雨后,不攜帶生物炭的泥沙顆粒平均全氮和全鉀養(yǎng)分隨著生物炭含量增加而增加,全磷則減小,即生物炭在降雨過程中釋放了N和K,而磷素的損失可能是隨水流失也可能是生物炭產(chǎn)生了吸附作用。5、添加生物炭對降雨侵蝕有顯著影響:生物炭含量對侵蝕泥沙量和降雨徑流量變化的影響貢獻率分別是40.64%和33.61%,隨著生物炭含量的增加降雨侵蝕量和坡面徑流量均有增大趨勢。生物炭粒級對侵蝕泥沙量和降雨徑流量變化的影響貢獻率分別是5.03%和5.27%,隨著生物炭粒級的減小侵蝕泥沙量呈現(xiàn)增大趨勢,而徑流量呈現(xiàn)減小趨勢。添加生物炭的土壤室外自然放置7個月時間后,降雨侵蝕量和坡面徑流量均減小,可能原因是放置后土壤與生物炭形成大顆粒的團聚體,使得土壤飽和導(dǎo)水率增大,坡面徑流減小,但是所形成的團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差,在降雨過程中易發(fā)生破碎,所以侵蝕泥沙量有減小趨勢,但是變化幅度小。6、降雨過程中泥沙生物炭含量呈冪指數(shù)下降形式。次降雨后泥沙的平均生物炭含量隨著添加量的增大有貧化現(xiàn)象,隨著生物炭粒級的減小其富集現(xiàn)象減弱,這是因為小顆粒的生物炭更易損失。對上述指標(biāo)的分析發(fā)現(xiàn),生物炭的添加主要是通過改變土壤的理化性質(zhì)來影響其對降雨侵蝕的作用效果,通過對土壤結(jié)構(gòu)、泥沙養(yǎng)分、生物炭含量及降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙的分析明確了降雨侵蝕對添加生物炭的響應(yīng)。添加生物炭對各個指標(biāo)均產(chǎn)生了影響,但是短期內(nèi)主要是影響土壤的物理性質(zhì),需要建立長期的檢測體系來進一步明確生物炭對侵蝕的影響效果和作用機制。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S157

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本文編號：1193524