【摘要】：近年來生物黑炭技術(shù)(Biochar technology)作為農(nóng)業(yè)固碳減排的潛在措施之一被廣泛關(guān)注。中國每年秸稈資源生產(chǎn)量達(dá)6~7億t,但資源利用率低,有超過一半未能合理利用,造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等一系列問題。若將每年生產(chǎn)的作物秸稈轉(zhuǎn)化為碳含量和穩(wěn)定性較高、保肥能力較強(qiáng)的生物炭施入土壤,不僅具有迅速提升土壤碳庫和生產(chǎn)力的潛力,也為秸稈資源多元化綜合利用提供有效途徑。因此,本研究選擇北方小麥-玉米輪作下的石灰性潮土(pH8.30),采用生物炭季季連續(xù)還田方式,設(shè)0t hm-2(BC0;對照)、2.25t hm-2(BC2.25;低量)、6.75t hm-2(BC6.75;中量)和11.25 t hm-2(BC11.25;高量)4個(gè)每季生物炭還田水平,通過3年6季的田間小區(qū)試驗(yàn)(16 m2),觀測了生物炭季季連續(xù)還田下的作物生長、籽粒品質(zhì)、土壤理化性質(zhì)及N_2O排放的變化,探討了生物炭影響作物生長、土壤肥力和固碳減排的可能原因,為探索秸稈炭化還田在華北平原小麥-玉米輪作旱地的應(yīng)用潛力提供部分科學(xué)數(shù)據(jù)。主要結(jié)果如下:(1)6季作物地上部分總生物量隨生物炭用量增加而有所增加:與不施生物炭BC0處理相比,BC11.25可提高作物生物量5.30%,以秸稈產(chǎn)量增加為主,增幅為7.18%。盡管生物炭處理并未增加作物籽粒產(chǎn)量,但也未對籽粒蛋白質(zhì)或濕面筋含量及容重等作物籽粒品質(zhì)指標(biāo)產(chǎn)生負(fù)面影響。(2)6季作物地上部分N和K總吸收累積量隨生物炭施用量增加呈增加趨勢,但各處理間并無統(tǒng)計(jì)差異;生物炭處理下作物其它元素如P、Ca、Na、Mg、Fe、Mn、Cu和Zn吸收累積量與BC0相比并無增加趨勢。生物炭連續(xù)施入可在一定程度逐步提高土壤有效態(tài)P、K、Na、Mn、Zn含量,第6玉米季后BC11.25處理下與BC0相比,分別提高36.11%、478.27%、51.40%、34.99%和117.37%;但對土壤有效態(tài)Ca、Mg、Fe、Cu含量無影響。(3)土壤全氮和有機(jī)碳(Total Organic Carbon,TOC)含量隨生物炭連續(xù)施加呈不斷增加趨勢:至第5小麥季開始,BC11.25處理土壤全氮含量與BC0相比差異明顯;至第6玉米季,BC6.75和BC11.25處理下全氮含量可提高19.54~25.01%。BC6.75和BC11.25處理下與BC0相比土壤TOC含量在第3小麥季開始便有顯著增加;至6季作物結(jié)束,3個(gè)生物炭處理分別顯著提高土壤TOC含量28.27%、102.05%和166.93%。生物炭處理下土壤TOC數(shù)量的大幅增加導(dǎo)致土壤C/N比不斷攀升,6季作物后可分別從對照的8.21提高到生物炭處理下的9.88、13.85和17.48。盡管如此,各處理下土壤可溶性有機(jī)碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)含量并無差異�；诖致员碛^差減法估算的生物炭年損失率約為8.94~9.80%。作物生育期耕層土壤銨態(tài)氮含量并未受生物炭影響;前5季土壤硝態(tài)氮含量各處理間無明顯差異,但第6作物季BC11.25處理下土壤硝態(tài)氮時(shí)間加權(quán)平均含量較BC0顯著提高25.31%。(4)土壤水分含量隨生物炭量增加而逐步提高:BC11.25處理下從第3小麥季開始土壤水分含量較BC0顯著提高12.49%,6作物季后各生物炭處理土壤分別較BC0顯著提高8.15%、18.59%和29.83%。6季作物后,與BC0相比,BC6.75和BC11.25處理下土壤持水量(Water Holding Capacity,WHC)、飽和導(dǎo)水率和陽離子交換量(Cation Exchange Capacity,CEC)分別提高19.75~27.78%、112.20~390.85%和7.99~8.16%,土壤容重降低12.67~14.97%,但生物炭施入對土壤pH無顯著影響。(5)土壤N_2O排放隨生物炭施入而逐步降低:隨生物炭施入量的增加,前4作物季土壤N_2O排放呈降低趨勢,后兩作物季BC11.25處理下較對照顯著降低48.12%和51.99%;6季總N_2O排放量在BC11.25處理下顯著降低38.24%。單位籽粒產(chǎn)量N_2O排放在第5、6季BC11.25處理下較BC0降低50.65%和51.26%;各施炭處理下6季單位產(chǎn)量N_2O排放分別減少31.49%、32.29%和40.21%。上述結(jié)果表明,生物炭季季連續(xù)施入后可促進(jìn)作物生長,主要表現(xiàn)在作物秸稈量的小幅增加;盡管對作物籽粒產(chǎn)量無增加作用,但也對籽粒品質(zhì)無負(fù)面影響。生物炭連續(xù)施入后逐步提高土壤肥力,如土壤有效態(tài)P、K、Na、Mn和Zn等營養(yǎng)元素含量增加;土壤水分含量、田間持水量和飽和導(dǎo)水率以及土壤通透性等物理指標(biāo)得到提升。同時(shí),生物炭連續(xù)還田具有明顯增加土壤穩(wěn)定性碳庫和N_2O減排的潛力。因此,秸稈炭化連續(xù)還田在北方旱地潮土具有一定固碳減排和提升肥力的作用。盡管如此,本工作僅為3年秸稈生物炭季季還田長期試驗(yàn)的階段性工作報(bào)告,關(guān)于生物炭在北方旱地的應(yīng)用仍有諸多問題亟待解決。下一步將堅(jiān)持現(xiàn)有大田試驗(yàn),深入探究石灰性潮土秸稈生物炭每季連續(xù)還田條件下土壤水分、養(yǎng)分運(yùn)移特征及其他理化性狀與作物生長和固碳減排的關(guān)系,探尋農(nóng)學(xué)和環(huán)境效應(yīng)生物炭施用閾值,確定生物炭的土壤培肥和固碳潛力,定量回答秸稈炭化還田途徑下作物秸稈的最大消納量,從生物炭影響土壤肥力和固碳減排角度為評估秸稈炭化還田應(yīng)用于華北平原農(nóng)田提供部分理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S158

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本文編號：2528705