【摘要】：近年來(lái)由于黑土區(qū)水土流失嚴(yán)重,土壤的肥力和持水能力持續(xù)下降,威脅著我國(guó)的糧食安全和可持續(xù)發(fā)展。利用秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)的生物炭,可以施加到土壤中對(duì)土壤進(jìn)行修復(fù)改良,提高土壤的水分利用率和利用效率,增加作物產(chǎn)量。本文主要分析生物炭對(duì)東北草甸黑土水力特性的影響。研究包括施加生物炭土壤老化時(shí)水力性質(zhì)的改變;持續(xù)四年在土壤中施加生物炭對(duì)土壤水力特性的影響。試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在北安市紅星農(nóng)場(chǎng),田間試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合,基礎(chǔ)理論和數(shù)值模擬相結(jié)合,對(duì)不同生物炭施加量的黑土進(jìn)行水力特性研究,主要研究結(jié)果如下:(1)生物炭和土壤有著不同的水力特性,施加生物炭土壤由生物炭粒子和土壤構(gòu)成,其水力特性與未施加生物炭土壤不同。本文假設(shè)土壤和生物炭均滿足van Genuchten(VG)模型,推導(dǎo)出施加生物炭土壤的水力學(xué)模型。推導(dǎo)結(jié)果表明,施加生物炭土壤的特性和VG土壤模型有差別,與多孔隙土壤模型更加類似。(2)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),東北草甸黑土施加生物炭后的水力特性并不滿足理論推導(dǎo)的土壤模型,在較低吸力下,施加生物炭土壤含水率的試驗(yàn)值明顯高于模型預(yù)測(cè)值,這表明施加生物炭的土壤與理論模型相比出現(xiàn)了較多孔隙。本文結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,修正了推導(dǎo)的土壤模型,當(dāng)生物炭的施加量不大于100t?hm~(-2)時(shí),修正后模型的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)測(cè)定值吻合較好,兩者之間的最大誤差小于5%。修正后的土壤模型與VG模型非常接近,這表明采用VG模型近似描述施加生物炭土壤的水分特征是較為合理的,結(jié)合Mualem理論還可以給出施加生物炭土壤的非飽和導(dǎo)水率。(3)本文假設(shè)生物炭和土壤在相同基質(zhì)吸力下的不同含水率是由數(shù)量不等、孔徑相同的毛細(xì)管決定的。通過(guò)試驗(yàn)分別測(cè)定生物炭和土壤的水分特征曲線,基于毛細(xì)管模型能夠給出施加不同比例生物炭土壤中的毛細(xì)管總數(shù)量。利用毛細(xì)管的孔徑和總數(shù)量,繼而推導(dǎo)出施加生物炭土壤的非飽和導(dǎo)水率。利用土柱滲透試驗(yàn)對(duì)毛細(xì)管模型進(jìn)行了驗(yàn)證,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差小于15%,這表明采用毛細(xì)管模型對(duì)土壤中的水分運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算較為準(zhǔn)確。(4)田間試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),在東北草甸黑土中施加生物炭,隨著生物炭施加量的增加,土壤容重逐漸降低,土壤總孔隙度逐漸增加;土壤的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量和總有機(jī)炭含量逐漸增加;有機(jī)質(zhì)、速效鉀、有效磷也逐漸增加。測(cè)定土壤孔隙度的試驗(yàn)結(jié)果表明,生物炭施加到土壤中,會(huì)改善土壤結(jié)構(gòu),有利于水分的傳輸和保留,進(jìn)而提高東北黑土土壤的導(dǎo)水性和持水性,因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上,施加生物炭可以改良東北草甸黑土土壤的水力特性。(5)為研究東北自然條件下生物炭的老化對(duì)草甸黑土土壤的長(zhǎng)期影響,本文對(duì)2015年施用生物炭后的土壤連續(xù)測(cè)定四年。2015-2018年的測(cè)定結(jié)果表明,施加生物炭的土壤老化一年后,土壤特性已經(jīng)開始變化,土壤的含水率略有下降、容重增加、孔隙度下降;施加生物炭的土壤在四年時(shí)間里,土壤的持水量持續(xù)減少、凋萎系數(shù)略有增加,這使得作物可利用水降低,土壤保持和供釋水分的能力與剛施加時(shí)相比逐漸下降。生物炭老化使得生物炭粒子和土壤團(tuán)聚體結(jié)合得更加緊密,土壤中的孔隙會(huì)逐漸減少,導(dǎo)致土壤的含水率和導(dǎo)水率都會(huì)隨時(shí)間下降。雖然土壤中的生物炭性質(zhì)穩(wěn)定,但在四年的時(shí)間跨度下,土壤特性仍然發(fā)生了較為明顯的變化。(6)為研究生物炭施用年限和施用量對(duì)東北草甸黑土土壤指標(biāo)及水力特性產(chǎn)生的影響,選擇25、50、75、100t?hm~(-2)四種處理連續(xù)施加四年。2015-2018四年的試驗(yàn)結(jié)果表明,持續(xù)施加生物炭?jī)赡旰?施加量為75、100t?hm~(-2)的土壤各基質(zhì)吸力下的含水率增幅都很小,田間持水率、凋萎系數(shù)均會(huì)緩慢增加。持續(xù)施加生物炭三年后,施加量為50、75、100t?hm~(-2)的土壤水力特性變化很小。持續(xù)四年生物炭施加量為100t?hm~(-2)土壤的作物可用水呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。(7)利用測(cè)定的施加生物炭土壤的數(shù)據(jù),數(shù)值計(jì)算了降雨入滲后土壤中的水分運(yùn)動(dòng)及分布,通過(guò)對(duì)比計(jì)算值和試驗(yàn)測(cè)定值來(lái)驗(yàn)證本文模型的準(zhǔn)確性,并探究生物炭對(duì)草甸黑土土壤持水保肥機(jī)理。結(jié)果表明,本研究可以較準(zhǔn)確的給出東北草甸黑土中的水分運(yùn)動(dòng),該計(jì)算結(jié)果能為東北黑土施加生物炭提供理論指導(dǎo)。計(jì)算結(jié)果還表明,降雨后施加生物炭土壤層的含水率隨生物炭施加量的增大而增加,但隨著土壤深度的增加,施加的生物炭對(duì)底層土壤的含水率基本沒(méi)有影響。(8)對(duì)東北草甸黑土施加生物炭老化土壤的降雨入滲研究表明,采用van Genuchten/Mualem(VG-M)模型進(jìn)行水分運(yùn)動(dòng)計(jì)算有時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏差,VG-M模型不能精準(zhǔn)描述施加生物炭土壤的水力學(xué)特性;另外,連續(xù)四年施加生物炭土壤的降雨入滲研究表明,持續(xù)施加生物炭對(duì)東北草甸黑土土壤的水力特性的影響是非線性的,施加的生物炭累積到一定量后,其對(duì)土壤水力特性的影響也逐漸減弱。
【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】：2019
【分類號(hào)】：S152
【圖文】：

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文與方法地點(diǎn)和試驗(yàn)材料點(diǎn)選擇在農(nóng)墾北安管理局紅星農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)基地(北緯 48°02′~48°17′，該基地位于黑龍江省北安市境內(nèi)，試驗(yàn)區(qū)場(chǎng)地位置如圖 2 1 所示土區(qū)，位于柳毛河、雞爪河流域，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，無(wú)霜期燥，夏季高溫多雨，降雨時(shí)間集中，年降水量多介于 450~650mm，其為 402mm，約占年平均降雨量的 75%。該地區(qū)黑土層土質(zhì)肥沃，非面積達(dá) 58.8Khm2。數(shù)據(jù)資料顯示，該地區(qū)活動(dòng)積溫為 2250.1 攝氏度大地下水埋深 40m，凍深最大約為 3.0m[114]。該地區(qū)多為有坡度的耕作導(dǎo)致土壤板結(jié)、土地退化、土地生產(chǎn)力下降和黑土層嚴(yán)重流失北草甸黑土，以粗粉沙和粘粒最多，各占 30%~40%，容重 1.0~1.3g性均較好，總孔隙度多在 40%~60%，毛管孔隙可占 20%~30%，通

圖 2 2 生物炭照片F(xiàn)ig.2-2 Photograph of Biochar表 2 1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本性狀Tab.2-1 Basic soil features in the test area顆粒組成堿解氮(mg kg-1)速效磷(mg kg-1)速效鉀(mg kg-1)有機(jī)(g k砂粒(>0.02mm)粉粒(0.02~0.002mm)粘粒(<0.002mm)22.17% 43.68% 34.15% 221 16.3 158 61表 2 2 試驗(yàn)區(qū)采用的生物炭基本性狀Tab.2-2 The basic properties of biochar were used in the test area生物炭 粒徑 全碳 全氮 全磷 全鉀 pH 制備條秸稈炭0.1~2.5mm 71.16% 1.56% 0.72% 1.64% 9.28 無(wú)氧、450℃

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本文編號(hào)：2739783