【摘要】：“萬物土中長,有土斯有糧�！备刭|(zhì)量直接關(guān)系到國家糧食安全。白漿土作為我國典型的低產(chǎn)型土壤之一,具有酸、粘、厚、重等特點(diǎn)。白漿土在我國東北地區(qū)分布廣泛,僅在黑龍江省總面積就達(dá)到331.37萬hm2,其中耕地面積116.36萬hm2,分別占全省總面積和總耕地面積的7.47%和10.07%。生物炭作為改良土壤特別是改良酸性土壤的重要措施,本研究為探討不同溫度條件下對(duì)不同秸稈原料制備的生物質(zhì)炭特性的影響,以篩選出優(yōu)質(zhì)的生物炭原料和制備工藝條件,應(yīng)用篩選出的生物質(zhì)炭和以生物質(zhì)炭為基質(zhì)的炭基土壤改良劑在白漿土土壤進(jìn)行了土壤改良效果和溫室氣體減排方面的研究。本文采用實(shí)驗(yàn)室和田間試驗(yàn)兩種方法,重點(diǎn)研究不同溫度條件(300℃、400℃、500℃、600℃和700℃)對(duì)不同生物質(zhì)原料(水稻、玉米、大豆秸稈)制備的生物質(zhì)炭理化性狀的影響,確定最佳生物質(zhì)炭原料,作為田間試驗(yàn)生物質(zhì)炭施用基礎(chǔ);其中田間試驗(yàn)在黑龍江省佳木斯市曙光農(nóng)場科技示范園區(qū)進(jìn)行,通過向白漿土白漿層中施入不同梯度用量的生物質(zhì)炭10、20、30 t·hm~(-2)(分別用B1、B2、B3表示)和炭基土壤改良劑10、20、30 t·hm~(-2)(分別用G1、G2、G3表示),研究生物質(zhì)炭及炭基土壤改良劑對(duì)白漿層土壤孔隙結(jié)構(gòu)、持水能力等理化性質(zhì)指標(biāo)的影響,分析生物質(zhì)炭對(duì)土壤固碳減排以及作物產(chǎn)量的影響規(guī)律,提出對(duì)于黑龍江省白漿土改良方面的適宜生物質(zhì)炭用量,以期為生物質(zhì)炭用于土壤改良提供理論參考依據(jù),主要研究結(jié)果如下:1.熱解溫度對(duì)秸稈制備生物質(zhì)炭理化性狀的影響(1)水稻秸稈、玉米秸稈和大豆秸稈3種生物質(zhì)原料制備的生物炭在產(chǎn)率、平均孔直徑總體呈現(xiàn)出隨熱解溫度的增高而降低,其中生物炭產(chǎn)率在300-400℃條件下最高,3種秸稈原料生物炭產(chǎn)率表現(xiàn)為大豆秸稈玉米秸稈水稻秸稈;平均孔直徑降低幅度表現(xiàn)為玉米秸稈大豆秸稈水稻秸稈;(2)三種原料制備的生物質(zhì)炭的比表面積均隨熱解溫度升高而增加,在300-700℃條件范圍內(nèi),玉米秸稈、水稻秸稈和大豆秸稈比表面積增幅分別為1889.6%、764.4%和1334.4%,3種秸稈生物炭比表面積表現(xiàn)為玉米大豆水稻;(3)水稻秸稈和玉米秸稈生物質(zhì)炭的微孔容積隨著熱裂解溫度的升高而增加,而大豆秸稈生物質(zhì)炭的微孔容積隨著熱裂解溫度的升高呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。相比較而言,水稻秸稈生物質(zhì)炭的微孔容積最小,玉米秸稈和大豆秸稈的T-plot微孔容積在700℃和500℃達(dá)到最大,分別為0.057cm3·g~(-1)和0.088 cm3·g~(-1),在相同熱裂解溫度條件下,大豆秸稈的微孔容積最大;(4)3種秸稈原料制得的生物質(zhì)炭p H和CEC與熱裂解溫度呈現(xiàn)了良好的正相關(guān)性,均隨著熱解溫度的升高提高了pH值和陽離子交換量,其中pH、CEC屬玉米秸稈的變量最大,分別達(dá)到9.2和23.8 cmol·kg~(-1),總體表現(xiàn)為玉米秸稈炭水稻秸稈炭大豆秸稈炭。2.生物質(zhì)炭及炭基土壤改良劑對(duì)于白漿土理化性質(zhì)的影響(1)隨著生物質(zhì)炭和炭基土壤改良劑的施入,可以有效降低白漿層土壤容重和比重,且隨著施入量的增加效果顯著提升。生物質(zhì)炭和炭基土壤改良劑施入可以有效降低土壤的容重和比重,當(dāng)生物質(zhì)炭施入量為20 t·hm~(-2)和30 t·hm~(-2)時(shí),白漿土的容重分別為1.24 g·cm~(-3)和1.21g·cm~(-3),分別比對(duì)照CK處理降低9.68%和12.40%,且達(dá)到差異顯著水平(p0.05)。隨著生物質(zhì)炭用量的增加,白漿層的比重呈降低的趨勢(shì),降低幅度0.78%-4.02%;炭基土壤改良劑施入量為10、20、30 t·hm~(-2)時(shí),白漿層的容重分別比CK(1.36 g·cm~(-3))降低了1.49%-8.80%;比重分別降低了0.39-2.37%;兩年數(shù)據(jù)可以看出,生物質(zhì)炭和生物質(zhì)炭基土壤改良劑具有顯著降低白漿層容重和比重的作用,并且具有持續(xù)性,但是第二年效果較首年施入略所下降。(2)當(dāng)玉米秸稈生物質(zhì)炭的施入量為10、20和30 t·hm~(-2)時(shí),首年白漿層土壤的持水保水能力分別較CK(22.43%)提升了0.41%、2.88%和4.60%。炭基土壤改良劑處理G1、G2和G3分別較CK提升了7.13%、8.27%和9.81%。第二年生物質(zhì)炭及炭基土壤改良劑對(duì)白漿層田間持水量的作用影響較第一年略有降低,但總體趨勢(shì)基本保持一致。生物質(zhì)炭和炭基土壤改良劑的施入有效改善和調(diào)節(jié)了白漿層的土壤三相比例,降低白漿層厚、重的特點(diǎn),提升其持水和透氣性。在生物質(zhì)炭基土壤改良劑20 t·hm~(-2)和生物質(zhì)炭10 t·hm~(-2)處理時(shí)對(duì)于白漿層的土壤三相比率作用效果較為協(xié)調(diào),此時(shí)的土壤固相:液相:氣相分別為50.20%:23.95%:25.86%和50.58%:24.21%:25.21%,此時(shí)的土壤三相比最為接近最適宜三項(xiàng)比率,可作為改善土壤三相比的改良劑施入量參考。(3)生物質(zhì)炭和炭基土壤改良劑的施入顯著提高了白漿層土壤pH、有機(jī)質(zhì)、CEC、無機(jī)氮素(NH4+-N和NO3--N)以及微生物量碳、氮的含量。在0~(-1)0 cm、10-20 cm和20-30 cm的土層,兩年間施生物質(zhì)炭處理的土壤有機(jī)質(zhì)與對(duì)照CK處理相比分別增加0.31%-8.73%和0.31-8.07%;炭基土壤改良劑處理的土壤有機(jī)質(zhì)與對(duì)照CK處理相比分別增加1.35%~(-1)0.77%和0.26-4.86%;在生物質(zhì)炭基土壤改良劑30t·hm~(-2)施入量時(shí),與對(duì)照CK處理達(dá)到差異效果顯著(p0.05),其它處理間無顯著性差異。土壤陽離子交換量(CEC)與CK(19.01 cmol·kg~(-1))處理相比,分別提高了59.55%、81.12%、104.58%和20.57%、55.39%、84.32%,在B2和G3處理?xiàng)l件下,達(dá)顯著水平(p0.05),第二年土壤陽離子交換量(CEC)較第一年效果略有提高,源于隨著時(shí)間的變化,生物質(zhì)炭的表面的某些含氧官能團(tuán)發(fā)生氧化,導(dǎo)致其表面的官能團(tuán)的數(shù)量顯著增多而致。(4)生物質(zhì)炭和炭基土壤改良劑的施入能在一定程度上延緩NH4+-N向NO3--N的轉(zhuǎn)化。20-30cm處土層各處理NH4+-N含量區(qū)分度明顯,仍以最大施入量的生物質(zhì)炭B3處理和改良劑G3處理的條件下含量高。生物質(zhì)炭和炭基土壤改良劑處理對(duì)氮素轉(zhuǎn)化為NO3--N有明顯的控制作用,在10-20cm處硝態(tài)氮含量高,總體表現(xiàn)為生物質(zhì)炭處理炭基土壤改良劑處理,其中,第一年土壤微生物量碳為267.58-682.86mg·kg~(-1),土壤微生物量氮為40.50~(-1)21.07mg·kg~(-1),第二年土壤微生物量碳為270.27-628.35 mg·kg~(-1),土壤微生物量氮為40.11-99.19mg·kg~(-1),不同處理對(duì)土壤微生物量碳、氮變幅較大,總體為炭基土壤改良劑處理效果高于生物質(zhì)炭處理。3.生物質(zhì)炭及炭基土壤改良劑對(duì)土壤溫室氣體排放特性的影響施用生物質(zhì)炭和炭基土壤改良劑對(duì)土壤溫室氣體排放、增溫潛勢(shì)(GWP)和減排的效應(yīng)強(qiáng)度(GHGI)的影響:(1)與對(duì)照CK處理相比,在生物質(zhì)炭B1、B2、B3處理?xiàng)l件下土壤N2O的排放總量在2014年和2015年分別降低了9.34%~70.66%和24.26%~87.04%;在生物質(zhì)炭基土壤改良劑的處理?xiàng)l件下,N2O-N的排放量連續(xù)兩年顯著降低,2014和2015年分別降低了8.33%~39.46%和18.97%~56.82%;(2)在生物質(zhì)炭處理?xiàng)l件下CO2-C排放量連續(xù)兩年均有不同程度的上升,2014和2015年分別提高了22.92%~59.94%和13.85%~53.60%;生物質(zhì)炭基土壤改良劑的處理?xiàng)l件下,分別提高了13.54%~40.22%和7.53%~25.10%;(3)與對(duì)照CK處理相比,生物質(zhì)炭處理下GWP(100)連續(xù)兩年顯著降低,分別降低了19.52%~46.53%和8.54%~41.42%;生物質(zhì)炭基土壤改良劑處理下GWP(100)連續(xù)兩年顯著降低,分別降低了15.94%~36.23%和7.68%~40.16%;(4)與對(duì)照CK處理相比,生物質(zhì)炭B1、B2、B3處理下GHGI連續(xù)兩年顯著降低,2014和2015年分別降低了19.79%~48.28%和9.44%~42.88%;生物質(zhì)炭基土壤改良劑處理下GHGI連續(xù)兩年顯著降低,分別降低了17.88%~38.31%和9.04%、~41.94%;綜合連續(xù)兩年試驗(yàn)結(jié)果,生物質(zhì)炭對(duì)于土壤CO2的排放具有增加趨勢(shì),而對(duì)于降低土壤N2O排放、GWP、GHGI具有持續(xù)效應(yīng),且高用量下生物質(zhì)炭(30 t·hm~(-2))的持續(xù)效應(yīng)連續(xù)兩年間具有穩(wěn)定性。4.生物質(zhì)炭及炭基土壤改良劑對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響生物質(zhì)炭和炭基土壤改良劑的施入顯著增加了白漿層土壤微生物數(shù)量和總量。當(dāng)生物質(zhì)炭的施入量為10、20和30 t·hm~(-2)時(shí),白漿層細(xì)菌數(shù)量第一年分別為對(duì)照CK(0.62×106CFU·g~(-1))處理的1.76、3.84和5.35倍;在炭基土壤改良劑10、20、30 t·hm~(-2)處理?xiàng)l件下,分別為CK處理的2.11、3.42和4.74倍;其中在B2、B3和G3處理?xiàng)l件下與CK處理之間達(dá)到差異效果極顯著水平(p0.01)。第二年白漿層土壤中細(xì)菌較第一年略有降低,但總體保持了提高土壤細(xì)菌數(shù)量的效果;氨化細(xì)菌和放線菌在B3(30 t·hm~(-2)施入量)處理?xiàng)l件下總量達(dá)到最大值,兩年間數(shù)據(jù)結(jié)果分別為CK處理的27.44倍、19.57倍和6.05倍、6.19倍,且均在最大施入量30 t·hm~(-2)時(shí)達(dá)到最大值;白漿層土壤自生固氮菌在G3處理?xiàng)l件下(30 t·hm~(-2))達(dá)到最大值,兩年間數(shù)據(jù)結(jié)果分別為對(duì)照CK處理的8.06倍和9.19倍;其中真菌數(shù)量兩年間分別在B2、B3處理?xiàng)l件下,即20 t·hm~(-2)和30 t·hm~(-2)施入量時(shí)達(dá)到最大值。微生物總量和多樣性總體來看,高施入量低施入量效果,除自生固氮菌外,生物質(zhì)炭對(duì)于微生物數(shù)量的作用效果要高于生物質(zhì)炭基土壤改良劑。5.生物質(zhì)炭及炭基土壤改良劑對(duì)玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量的作用影響與對(duì)照處理相比生物質(zhì)炭B1、B2和B3處理?xiàng)l件下的玉米籽粒產(chǎn)量兩年分別提高了0.21%~2.58%和0.28%~3.37%;生物質(zhì)炭基土壤改良劑處理?xiàng)l件下的玉米籽粒產(chǎn)量第一年與CK處理相比分別提高了1.53%~3.08%和2.32%~3.37%,在生物質(zhì)炭30t·hm~(-2)和炭基土壤改良劑20t·hm~(-2)高用量處理?xiàng)l件下差異效果較明顯。綜合兩年間產(chǎn)量結(jié)果可知,施用生物質(zhì)炭及炭基土壤改良劑對(duì)穩(wěn)定和提高玉米產(chǎn)量具有持續(xù)效應(yīng)。施用炭基土壤改良劑處理下的產(chǎn)量連續(xù)兩年高于對(duì)照,其對(duì)作物增產(chǎn)和提高氮肥利用效率的效果優(yōu)于生物質(zhì)炭。建議生物質(zhì)炭30 t·hm~(-2)或炭基土壤改良劑20t·hm~(-2)可作為大田機(jī)械作業(yè)的參考施入量標(biāo)準(zhǔn)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S156

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2287766