【摘要】：黃土高原是我國北方主要旱作農業(yè)區(qū),周期性干旱和水資源缺乏是限制該地區(qū)農業(yè)發(fā)展的主要因素。土壤結構性差,保水保肥能力低,是制約該地區(qū)農業(yè)生產(chǎn)的另一主要因素。面對糧食需求不斷增加的挑戰(zhàn),優(yōu)化田間管理和栽培措施對提高該地區(qū)作物生產(chǎn)力意義重大。生物質炭化產(chǎn)物生物炭具有富碳、高孔隙、高比表面積、強吸附性等特點,其在改善農田土壤質量、提高作物生產(chǎn)力、減少溫室氣體排放以及減緩氣候變化方面的潛力,為人類應對能源危機、促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面提供了一個新途徑。然而,生物炭在我國的應用及研究尚處于起步階段,關于生物炭的報道主要集中在低緯度熱帶、亞熱帶地區(qū)的偏酸性或風化嚴重的土壤,而對于溫帶地區(qū)中性、偏堿性土壤效應及其農用效應的研究報道較少。生物炭施入能否成為黃土高原旱作農業(yè)區(qū)生產(chǎn)潛力挖掘和作物高效用水新環(huán)境的調控措施值得進一步探究。因此,本研究根據(jù)黃土高原旱地土壤特性與氣候特點,在長武黃土高原農業(yè)生態(tài)試驗站進行了3年(3季作物)田間小區(qū)定位試驗,并結合室內模擬試驗,從土壤-根系-植株角度系統(tǒng)研究了添加生物炭對土壤理化特性、作物地上部生長、根系時空分布、土壤水、氮運移和吸收利用以及硝態(tài)氮淋溶的影響,評價了生物炭對旱作春玉米-土壤系統(tǒng)生產(chǎn)力及資源利用的影響效應。以期為優(yōu)化旱作農田水分養(yǎng)分管理,提高旱地農田生產(chǎn)力和資源利用效率以及保護生態(tài)環(huán)境提供一定科學依據(jù)。本研究獲得主要結果如下:(1)添加生物炭顯著影響土壤基本性質,影響程度與生物炭添加量、施氮、覆蓋和測定時期有關。生物炭是非均質的塊狀顆粒,表面分布大量的柱狀或網(wǎng)狀結構和許多微孔,且其本身含有多種礦質養(yǎng)分。在未施氮肥條件下,添加生物炭(20 t hm~(-2))會降低土壤容重,增加土壤總孔隙度、有機碳、全氮含量和C:N比,有增加土壤CEC趨勢且提高土壤速效磷和速效鉀(2012年)含量。配施氮肥條件下,隨生物炭添加量增加,土壤容重減小,總孔隙度增大。10 t hm~(-2)生物炭添加量(BC10)通過增加土壤非毛管孔隙而增大土壤孔隙度,20和30 t hm~(-2)生物炭添加量(BC20、BC30)通過增加毛管和非毛管孔隙而增大土壤孔隙度。隨著生物炭添加后時間推移,BC10處理對土壤容重和孔隙度的影響效果減弱至不顯著,而BC20和BC30處理的影響仍顯著。添加生物炭會提高土壤有機碳、全氮含量,C:N比以及土壤速效磷(除2014年)和速效鉀含量;對土壤理化性質的影響程度總體依次表現(xiàn)為BC30BC20BC10BC0,且對0-10 cm土層的影響程度大于對10-20 cm土層的影響,對20-30 cm土層幾乎無影響。且BC20和BC30處理顯著提高添加當年0-10cm土層土壤ph0.12~0.16個單位,bc30處理3年顯著增加0-10cm土層土壤cec10.8%~12.4%。在覆膜條件下,添加20thm~(-2)生物炭會增加土壤有機碳、全氮含量和c:n比,以及土壤速效磷(2013年)和速效鉀含量,降低添加當年0-10cm土層土壤容重和增加總孔隙度與ph值,對土壤cec的影響隨添加后時間推移增加會更為明顯。(2)添加生物炭會改變土壤水分參數(shù)和水分運移特征,影響程度因土壤質地不同而異。室內土柱模擬試驗結果表明,隨著生物炭添加量增加,風沙土和黑壚土水分入滲速度和累積入滲量逐漸降低,黃綿土水分入滲速率和累積入滲量呈先增大后減緩的趨勢。添加生物炭的3種土壤濕潤峰運移距離與運移時間均符合冪函數(shù)關系,且philip入滲模型可以較好的描述添加生物炭土壤水分累積入滲量變化過程。添加生物炭對黃綿土和黑壚土累積蒸發(fā)量(30d)沒有顯著影響,但可改變風沙土蒸發(fā)特征,對其前期蒸發(fā)具有顯著抑制效果。田間試驗結果表明,配施氮肥條件下,添加生物炭有利于增強土壤持水能力,增加土壤最大持水量、易效水和有效水含量、田間持水量以及低、中吸力階段水分含量,對0-10cm土層土壤水分特征影響最為明顯。添加生物炭處理耕層土壤會吸持更多的水分可供作物吸收,并減小田間條件下土壤水分變化幅度,有減緩土壤蒸發(fā)潛力。生物炭會提高土壤飽和導水率,促進水分入滲。在相對嚴重干旱條件下,生物炭處理的玉米根系可以吸收深層土壤水分(土深40cm以下),尤其是籽粒灌漿期,作物通過消耗深層土壤水分以滿足對水分的需求,從而增加作物關鍵生育期水分消耗。(3)生物炭獨特的多孔隙結構和強吸附特性,使其與氮肥配施后能增加養(yǎng)分保持能力,降低養(yǎng)分損失。室內土柱模擬試驗結果表明,添加生物炭降低風沙土硝態(tài)氮淋溶量18.1%~37.2%,黃綿土達33.8%~87.7%,黑壚土達13.8%~80.8%。3種質地土壤在0.5%、3%和5%生物炭添加量下的硝態(tài)氮淋溶量均顯著低于對照處理,表明適量生物炭添加能夠增強土壤氮素固持能力、降低硝態(tài)氮淋失及環(huán)境風險。田間試驗結果表明,在未施氮肥條件下,農田土壤硝態(tài)氮累積主要發(fā)生在0-40cm土層,添加20thm~(-2)生物炭降低了收獲后0-40cm土層土壤硝態(tài)氮累積量7.5~11.3kghm~(-2);在配施氮肥條件下,添加生物炭降低土壤剖面硝態(tài)氮淋溶深度和硝態(tài)氮累積總量,bc30處理硝酸鹽主要保持在玉米根區(qū)(0-100cm土層)。在覆膜條件下,添加20thm~(-2)生物炭對土壤剖面硝態(tài)氮分布的影響與試驗年份有關,未顯著影響2012年0-60和0-200cm土層土壤硝態(tài)氮累積,顯著增加2013年0-60和0-200cm土層和2014年0-60cm土層土壤硝態(tài)氮累積。(4)添加生物炭會改變玉米地上部和根系生長特征,影響玉米地上部植株干物質累積,影響程度因生物炭添加量、施氮、覆蓋、試驗年份不同而異。未施氮肥條件下,添加20thm~(-2)生物炭抑制植株生長和發(fā)育,降低地上部植株干物質累積。配施氮肥條件下,添加初期(2012年),bc10處理表現(xiàn)出促進生育前期根系生長的潛力,bc20處理玉米植株在整個生育期內的生長優(yōu)于對照處理,bc30處理明顯抑制春玉米生育初期根系和地上部生長,隨玉米生育進程推進,這種抑制作用逐漸消失,在生殖生長階段,bc30處理促進了根系生長,提高植株生長速率和增加干物質累積。2013年,添加生物炭促進了整個生育期內玉米根系生長,整體表現(xiàn)為生物炭添加量愈高,促進作用愈顯著(BC30BC20BC10BC0)。生物炭對根系根長垂直分布的影響深度隨生物炭添加量增加而增加。添加生物炭雖然會減小玉米根系直徑,但卻促進了根系中細根的產(chǎn)生。2013和2014年,添加生物炭提高了吐絲期前后和灌漿期植株生長速率,促進植株干物質累積。覆膜條件下,與未添加生物炭處理(FB0)相比,添加20 t hm~(-2)生物炭促進了玉米根系生長和建成,增加根系干重、根長和根表面積,促進吐絲期10-30 cm土層玉米根長伸展,有利于地上部植株生長和發(fā)育。(5)生物炭與氮肥配施有利于促進玉米植株養(yǎng)分累積和養(yǎng)分生產(chǎn)效率。2012年,添加生物炭盡管降低了吐絲期莖稈和穗氮濃度(BC10和BC30也分別顯著降低了拔節(jié)期葉片氮濃度7.7%和12.3%),但因較高的生物量,對吐絲前植株氮素總積累量沒有顯著影響,而吐絲后植株氮素的積累促進了籽粒氮吸收。2013和2014年,生物炭增加了吐絲前、后植株氮素積累量,促進營養(yǎng)器官中氮素向籽粒的轉移,提高氮素轉移效率,增加籽粒氮濃度,提高氮素收獲指數(shù)(NHI)。添加生物炭促進試驗3年玉米植株氮、磷、鉀吸收,提高氮肥利用效率(NUE)、磷肥利用效率(PUE)和鉀肥利用效率(KUE),且NUE、PUE和KUE隨生物炭添加量增加而增加。覆膜條件下,添加20 t hm~(-2)生物炭處理呈現(xiàn)高植株氮、磷、鉀吸收,且顯著提高2013和2014年作物NUE、PUE和KUE。未施氮肥條件下,添加20 t hm~(-2)生物炭處理呈現(xiàn)低植株氮、磷吸收,PUE和KUE均顯著降低。(6)生物炭與氮肥配施增加玉米籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。BC0處理籽粒產(chǎn)量為8.9~10.2t hm~(-2),穗粒數(shù)為428~460,水分利用效率(WUE)為23.8~28.3 kg hm~(-2) mm~(-1)。BC20和BC30處理顯著增加籽粒產(chǎn)量8.9%~15.9%,提高穗粒數(shù)5.7%~10.2%和WUE10.7%~15.1%。覆膜條件下,FB0處理籽粒產(chǎn)量為13.5~13.8 t hm~(-2),穗粒數(shù)為502~519,WUE為30.7~34.7 kg hm~(-2) mm~(-1);添加20 t hm~(-2)生物炭顯著提高籽粒產(chǎn)量8.7%~9.2%,增加穗粒數(shù)7.1%~7.8%,提高2014年WUE 13.6%。但未施氮肥條件下,添加20 t hm~(-2)生物炭使收獲期玉米籽粒減產(chǎn)12.5%~20.7%,穗粒數(shù)減少5.9%~11.2%,千粒重降低7.4%~11.7%,WUE降低14.4%~23.2%。


【圖文】：
圖 1-1 生物炭及其對土壤顏色的影響（Lehmann 2007）Fig. 1-1 Biochar and its effect on soil color (Lehmann 2007).研究表明，，生物炭技術在改良土壤肥力、修復土壤污染、維持農田生態(tài)平衡等方表現(xiàn)出積極的效應（Prendergast-Miller et al. 2014; Olmo et al. 2016; Ding et al. 2016有限的耕地面積和較少的勞動力實現(xiàn)現(xiàn)代農業(yè)高產(chǎn)出與高效率目標，其中，持續(xù)施量化肥，是目前農業(yè)實現(xiàn)增產(chǎn)或維持高產(chǎn)的主要手段。我國作為一個農業(yè)大國，長來通過大量使用化肥來提高產(chǎn)量。從上世紀 80 年代至今，我國糧食總產(chǎn)量雖然提

生物炭在農業(yè)中的應用當今世界，氣候變化日趨劇烈，氣候變暖已成為備受關注的全球性環(huán)境問題。同經(jīng)濟發(fā)展也受到全社會的廣泛關注。農田土壤在全球碳庫中最為活躍，由于土起的土壤碳素損失是大氣碳含量不斷增加的主要驅動力（Lal 2004），在全球溫起重要作用（Smith et al. 2008）。受糧食安全、能源危機和全球變暖的挑戰(zhàn)，沃且高碳為特點的生物炭越來越引起人們的重視，生物質材料轉化和農業(yè)應用濟可行。生物炭還田措施可以大幅度改善土壤碳庫容量，通過資源回饋——添碳，實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)中碳庫自然平衡。在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，土壤、作物與環(huán)境之間相互依存，互為影響。國內外專家物炭進行了不同方面的探索，初步證明生物炭結構與性質的特殊性使其在改善與土壤肥力，刺激微生物生長繁殖和提高作物收獲品質與增產(chǎn)等方面做出積極 1-2）。且生物炭對土壤酸堿環(huán)境、農藥殘留、農田溫室氣體排放等不良環(huán)境因積極改良、修復或緩解作用。
【學位授予單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S513


本文編號：2516302