近年來(lái),生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用受到人們的關(guān)注。研究表明,生物質(zhì)炭應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中能夠促進(jìn)土壤固碳減排,緩解氣候變化,同時(shí)在改善土壤質(zhì)量,保障作物生長(zhǎng),以及環(huán)境改善中具有重要的作用。然而,由于生物質(zhì)炭類型、土壤條件以及作物種類等的不同,使得生物質(zhì)炭對(duì)作物產(chǎn)量、溫室氣體排放以及土壤質(zhì)量的改善作用具有很大的變異性。因此在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中亟需系統(tǒng)性的研究生物質(zhì)炭的功能與農(nóng)業(yè)條件的關(guān)系,以及生物質(zhì)炭如何通過(guò)對(duì)土壤質(zhì)量等的影響實(shí)現(xiàn)其功能。本論文一方面選取雨養(yǎng)旱地和稻麥輪作兩種農(nóng)業(yè)系統(tǒng)類型,研究生物質(zhì)炭在不同的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)條件下對(duì)作物生產(chǎn)力和固碳減排的影響。另一方面,通過(guò)整合分析的方法,研究生物質(zhì)炭施用后對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素周轉(zhuǎn)的影響,包括土壤磷素的有效性、C和N的周轉(zhuǎn),探討生物質(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分元素的效應(yīng)與其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中功能的關(guān)系。本研究旨在為生物質(zhì)炭在農(nóng)田固碳減排及提高作物生產(chǎn)力的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。主要研究結(jié)果如下:(1)生物質(zhì)炭在雨養(yǎng)旱地中對(duì)作物生產(chǎn)力和溫室氣體排放的影響。在雨養(yǎng)旱地中作物的生產(chǎn)受到土壤肥力低和水分供應(yīng)不足的限制。且當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥模式中大量氮肥的施入導(dǎo)致施肥比例失衡。本研究在2011年5月至2012年10月山西忻州進(jìn)行,當(dāng)?shù)赝寥李愋蜑楹滞列酝?常規(guī)種植模式為一年一季玉米。設(shè)置兩個(gè)因素,其中生物質(zhì)炭設(shè)置三個(gè)施用水平:0、20和40tha-1,分別以C0、C1、C2表示,一次性施入土壤;施肥模式設(shè)置為常規(guī)施肥(CF)和平衡施肥(BF),BF是根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥鲤B(yǎng)分狀況和作物養(yǎng)分需求計(jì)算出來(lái)的最適宜施肥模式,CF處理中,氮肥的施用量為432kgN ha-1,磷肥施用量為69kg P205 ha-1,BF處理中,氮肥的施用量為217kg N ha-1,磷肥施用量為145.5kgP2O5 ha-1。兩因素隨機(jī)組合,共設(shè)置六個(gè)處理。本研究在第一年試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行第二年的觀測(cè),探索平衡施肥配合生物質(zhì)炭對(duì)玉米產(chǎn)量和溫室氣體排放的影響及其持續(xù)性。研究結(jié)果顯示,生物質(zhì)炭和平衡施肥均能增加雨養(yǎng)旱地玉米產(chǎn)量和養(yǎng)分偏生產(chǎn)率,減少土壤N20的排放。BF模式下玉米產(chǎn)量比CF顯著增加23.7%。且在BF施肥模式下施用生物質(zhì)炭產(chǎn)量進(jìn)一步增加。生物質(zhì)炭處理能夠顯著降低土壤容重,且連續(xù)兩季對(duì)土壤含水量都有顯著增加效應(yīng)。由于平衡施肥模式中氮肥施用量的減少使得BF下N2O排放總量比CF處理減少50%以上。在CF處理下,生物質(zhì)炭的施入減少N2O排放總量的31%,而在BF下生物質(zhì)炭對(duì)N2O排放沒(méi)有顯著性影響。結(jié)合兩年的研究結(jié)果,通過(guò)方差分析發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭和平衡施肥對(duì)玉米產(chǎn)量、養(yǎng)分偏生產(chǎn)率和溫室氣體排放等具有持續(xù)影響。因此在雨養(yǎng)旱地玉米生產(chǎn)中應(yīng)用平衡施肥能夠有效促進(jìn)玉米增產(chǎn)和減少N2O排放,平衡施肥配合生物質(zhì)炭的施用能夠?qū)崿F(xiàn)雨養(yǎng)旱地的可持續(xù)低碳生產(chǎn)。(2)生物質(zhì)炭在稻麥輪作系統(tǒng)中對(duì)作物生產(chǎn)力和溫室氣體排放的影響。本研究在2014年6月至2015年6月在江蘇常熟進(jìn)行,當(dāng)?shù)赝寥李愋蜑楹喑练e母質(zhì)烏珊土,當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植模式為稻麥輪作。本研究選用兩種不同裂解溫度下生產(chǎn)的玉米秸稈生物質(zhì)炭(低溫炭:MBC1和高溫炭:MBC2),探究生物質(zhì)炭在稻麥輪作農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中對(duì)作物生長(zhǎng)和溫室氣體排放等影響,及其與生物質(zhì)炭性質(zhì)的關(guān)系。其中生物質(zhì)炭的施用量為20tha-1。為了研究生物質(zhì)炭的效應(yīng)與氮肥的關(guān)系,在每種生物質(zhì)炭處理下設(shè)置了不施氮肥(N0)和施氮肥(N1)兩種施肥處理。結(jié)果表明,生物質(zhì)炭施入一年之后,MBC1對(duì)土壤容重的降低效應(yīng)大于MBC2;土壤有機(jī)碳含量顯著增加,而只有MBC2顯著增加土壤全氮;土壤速效磷和速效鉀的含量在生物質(zhì)炭處理一年后均顯著增加。兩種溫度生產(chǎn)的生物質(zhì)炭對(duì)小麥和水稻的產(chǎn)量沒(méi)有顯著性影響,而對(duì)氮肥農(nóng)學(xué)利用率表現(xiàn)出增加的趨勢(shì),且高溫炭增加效應(yīng)大于低溫炭。本研究發(fā)現(xiàn)稻麥輪作系統(tǒng)中溫室氣體的排放主要受到施肥的影響,而生物質(zhì)炭的影響較小。在水稻生長(zhǎng)季生物質(zhì)炭對(duì)溫室氣體的排放沒(méi)有顯著影響,在小麥季對(duì)土壤CO2的排放具有增加的效應(yīng),而對(duì)CH4和N2O沒(méi)有顯著影響。因此在稻麥輪作生態(tài)系統(tǒng)中生物質(zhì)炭的效應(yīng)主要表現(xiàn)在土壤固碳、土壤養(yǎng)分保持作用上,對(duì)作物產(chǎn)量和溫室氣體排放的影響較小。(3)生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷素有效性的調(diào)節(jié)作用研究。本研究通過(guò)整合分析的方法評(píng)估生物質(zhì)炭施用于土壤中對(duì)磷素有效性的影響及該效應(yīng)與生物質(zhì)炭和土壤條件的關(guān)系。截止到2015年12月底共搜集了 132篇相關(guān)文獻(xiàn)。整合分析結(jié)果表明,生物質(zhì)炭施入土壤中平均增加土壤有效磷含量64.4%,且該效應(yīng)能夠持續(xù)兩年以上。生物質(zhì)炭對(duì)土壤有效磷的效應(yīng)在不同的施用年限、試驗(yàn)類型、土壤條件和生物質(zhì)炭生產(chǎn)條件等因素下具有很大的變異性。生物質(zhì)炭對(duì)土壤有效磷的增加效應(yīng)隨SOC含量增加而降低,SOC含量15g kg-1時(shí)效應(yīng)值為93.3%,而30g kg-1時(shí)降低為28.0%。同時(shí)在偏中性土壤中效應(yīng)值高于酸性和堿性土壤。在不同的生物質(zhì)炭原料之間,畜禽糞便炭對(duì)土壤有效磷的效應(yīng)值最高,且作物秸稈炭效應(yīng)優(yōu)于木炭。生物質(zhì)炭對(duì)土壤有效磷的增加效應(yīng)隨裂解溫度升高而降低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭對(duì)土壤有效磷的影響在不同的生物質(zhì)炭元素組成、比表面積、CEC和灰分含量之間具有顯著性變化。因此本研究明確了生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷素有效性的作用及其影響因素,為在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中生產(chǎn)中合理應(yīng)用生物質(zhì)炭提供理論基礎(chǔ)。(4)生物質(zhì)炭對(duì)土壤C、N養(yǎng)分周轉(zhuǎn)的影響研究。通過(guò)整合分析的方法研究生物質(zhì)炭施用下土壤C、N循環(huán)相關(guān)的酶活性的響應(yīng)來(lái)反映生物質(zhì)炭對(duì)土壤碳氮養(yǎng)分周轉(zhuǎn)的影響及其與影響因素。相關(guān)文獻(xiàn)的搜集截止到2016年6月,共篩選六種與土壤C和N循環(huán)相關(guān)的酶活性。結(jié)果表明,生物質(zhì)炭施入土壤后只有α-葡萄糖苷酶的活性是降低的,β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖酶和β-乙酰-氨基葡萄糖苷酶活性均表現(xiàn)出顯著增加效應(yīng)。綜合計(jì)算土壤碳氮循環(huán)相關(guān)酶活性的結(jié)果得出,生物質(zhì)炭施入土壤中顯著增加土壤C循環(huán)相關(guān)酶和N循環(huán)相關(guān)酶活性,平均增幅分別達(dá)11.47%和6.95%。進(jìn)一步通過(guò)方差分析發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭對(duì)C循環(huán)相關(guān)酶活性的影響與試驗(yàn)類型、施用量、土壤C和N含量、以及生物質(zhì)炭生產(chǎn)溫度等因素有關(guān)。一次施用生物質(zhì)炭?jī)赡曛笸寥繡循環(huán)相關(guān)的酶活性依然顯著增加。同時(shí)在土壤有機(jī)碳和全氮含量較高時(shí)表現(xiàn)出顯著增加效應(yīng)。對(duì)土壤C周轉(zhuǎn)的影響在不同生物質(zhì)炭原料間沒(méi)有顯著性差異,而與裂解溫度具有呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。生物質(zhì)炭對(duì)土壤N周轉(zhuǎn)過(guò)程的影響因素只有土壤C、N含量及作物類型。生物質(zhì)炭對(duì)N循環(huán)相關(guān)酶活性的效應(yīng)在糧食作物中大于經(jīng)濟(jì)作物。且在土壤有機(jī)碳和全氮含量較高時(shí)表現(xiàn)出顯著增加效應(yīng)�？傊�,生物質(zhì)炭施入土壤中促進(jìn)C、N養(yǎng)分周轉(zhuǎn)過(guò)程,且該作用受到土壤和生物質(zhì)炭條件的影響。綜上所述,生物質(zhì)炭在不同農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中對(duì)作物生產(chǎn)力和溫室氣體的影響不同。在雨養(yǎng)旱地玉米種植中生物質(zhì)炭能夠增加作物產(chǎn)量,提高養(yǎng)分農(nóng)學(xué)利用率同時(shí)能夠降低雨養(yǎng)旱地中N20排放,而且生物質(zhì)炭顯著增加雨養(yǎng)旱地土壤的保水性。在稻麥輪作中生物質(zhì)炭沒(méi)有增產(chǎn)效應(yīng),且對(duì)溫室氣體排放影響很小,但是能夠增加土壤固碳,提高氮素農(nóng)學(xué)利用率。生物質(zhì)炭能夠持續(xù)增加土壤有效磷的含量,且能促進(jìn)土壤C、N元素的周轉(zhuǎn),在提高土壤養(yǎng)分的利用效率上具有重要的作用。同時(shí)生物質(zhì)炭對(duì)土壤C、N和P營(yíng)養(yǎng)元素周轉(zhuǎn)過(guò)程的影響受到土壤和生物質(zhì)炭條件的限制。因此,在不同的農(nóng)業(yè)條件下選用合理的生物質(zhì)炭應(yīng)用方式對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)低碳發(fā)展具有重要意義。本研究能夠?yàn)樯镔|(zhì)炭在農(nóng)田固碳減排及提高作物生產(chǎn)力的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
【學(xué)位單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：S158;S181
【部分圖文】：

圖２－２兩年玉米生長(zhǎng)季中不同施肥模式及生物質(zhì)炭處理下土壤含水量動(dòng)態(tài)變化??Ｆｉｇ．?２－２?Ｄｙｎａｍｉｃｓ?ｏｆ?ｓｏｉｌ?ｗａｔｅｒ?ｃｏｎｔｅｎｔ?ｕｎｄｅｒ?ｆｅｒｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ?ａｎｄ?ｂｉｏｃｈａｒ??ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ?ｄｕｒｉｎｇ?ｔｗｏ?ｍａｉｚｅ?ｇｒｏｗｉｎｇ?ｓｅａｓｏｎｓ．??然而在平衡施肥模式下，生物質(zhì)炭對(duì)土壤ｎ２ｏ的排放沒(méi)有顯著影響，因此生物質(zhì)??炭與施肥模式對(duì)Ｎ２０排放的影響表現(xiàn)出顯著的交互作用（表２－２）。從Ｎ２０排放因子??（ＥＦ）上看，不施炭條件下，第一年ＥＦ從ＣＦ處理下的４．７７?ｇ?Ｎ２０－Ｎ?ｋｇ“?Ｎ顯著降??

圖２－３各處理下碳收支分析，其中（ａ）為凈碳排放，（ｂ）為直接接碳排放，（ｃ）為間接碳排放，??（ｄ）為生物質(zhì)炭和肥料施入后土壤有機(jī)碳累積量??Ｆｉｇ．?２－３?Ｃａｒｂｏｎ?ｂｕｄｇｅｔ?ｕｎｄｅｒ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ，?（ａ）?ｉｓ?ｔｈｅ?ｎｅｔ?ｃａｒｂｏｎ?ｅｍｉｓｓｉｏｎ，?（ｂ）ｉｓ?ａ?ｓｕｍｍａｒｙ?ｏｆ??ｄｉｒｅｃｔ?ｃａｒｂｏｎ?ｅｍｉｓｓｉｏｎ，?ｉｎｄｉｒｅｃｔ?ｃａｒｂｏｎ?ｅｍｉｓｓｉｏｎ?（ｃ）?ａｎｄ?ｓｏｉｌ?ｏｒｇａｎｉｃ?ｃａｒｂｏｎ?ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ?ｄｕｅ?ｔｏ??ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ?ａｎｄ?ｂｉｏｃｈａｒ?ａｍｅｎｄｍｅｎｔ?（ｄ）．??注：圖中小寫字母代表各不同處理間的差異；Ｎｏｔｅ：?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｌｏｗｅｒｃａｓｅ?ｉｎｄｉｃａｔｅ?ｔｈｅ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ?ｂｅｔｗｅｅｎ??ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．??２．４討論??２．４．１生物質(zhì)炭和平衡施肥對(duì)雨養(yǎng)旱地玉米生產(chǎn)力的改善??本研究結(jié)果顯示，平衡施肥相比于常規(guī)施肥顯著增加雨養(yǎng)旱地玉米產(chǎn)量，盡管平??衡施肥中氮肥的施用量比常規(guī)施肥減少將近一半，且總施肥量低于常規(guī)施肥。在常規(guī)??的農(nóng)田管理模式中，農(nóng)民為了保證玉米的產(chǎn)量而施用大量的氮肥以促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，??

??出顯著差異（Ｐ＜０．０１）（圖４－１），在盆栽試驗(yàn)和室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)中，生物質(zhì)炭分別增加??土壤有效磷含量５９．９％和１５１．４％，而大田試驗(yàn)中相對(duì)增加量為３０．５％，顯著低于盆栽??和室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)。生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷有效性的影響不僅在不同試驗(yàn)類型間差異顯著，??同時(shí)受到試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間、土壤性質(zhì)、生物質(zhì)炭生產(chǎn)條件和原料等條件的影響，并且該??效應(yīng)與生物質(zhì)炭性質(zhì)顯著相關(guān)（表４－１）。??：：：－??－?０?５２??Ｐ－０００??麯?７４９??？??／ｔ；?ｉ?ＩＩ??ｊ??．?ｗｄｉ?ｎ?１１?一?ｒ??？：〇０?０００?：００?４?００??ｎ??大田，?２６４??卜令＾?３１４??培釋－?？??？－

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