施加生物炭对黑土区坡耕地土地生产力的影响

发布时间：2020-07-15 13:22

【摘要】：本文针对东北黑土区水土流失严重、土地生产力下降、大量的秸秆资源利用不合理等问题,以黑土区坡耕地为研究对象,秸秆生物炭为试验材料,当地主要大田作物大豆为供试作物,分别在黑龙江省北安市红星农场(以下简称“北安试验点”)和黑龙江省水利科学研究院综合试验基地万家试验站(以下简称“哈尔滨试验点”),借助于径流小区,人工降雨和天然降雨相结合,室内外试验相结合,试验研究和计算机模拟相结合,开展了连年施用(2015年～2017年)和一次性施用生物炭(2016年～2018年)对土地生产力的影响研究。结果表明:不同的生物炭施用量和连续施用年限对土壤结构的影响不同。随着施用量和施用年限的增加,土壤容重逐渐降低,土壤总孔隙度不断增大。适当施用生物炭可提高土壤团聚体稳定性和GSSI。连续两年、三年施用量为50 t/hm2时,土壤团聚体稳定性均较好;使GSSI达到最大的生物炭施用模式为连续两年施用,施用量为56.75 t/hm2。另外,在累积施炭量相同的条件下,分次施入对土壤结构的改良效果优于一次性施入。生物炭的施入增强了土壤对水分的吸持能力和土壤水分的有效性,但土壤的持水能力并非随着施用量的增加和连续施用年限的延长而持续增强,当累积施用量过高时,反而会增强土壤的斥水性。以12.00 t/hm2的施用量连续施用六年,3.70 t/hm2连续施用六年时,可分别使田间持水量和土壤有效水最大含量达最大。连续两年施用55.76 t/hm2的生物炭时,可使土壤中碱解N含量达到最大;施用一年63.20 t/hm2可使土壤中有效P含量达到最大;连续4年施用142.48 t/hm2可使土壤速效K含量达到最大;在施用一年及连续两年施用条件下,随着施用量的增加,土壤综合肥力指数增大;连续两年施用25 t/hm2、连续三年施用25 t/hm2和连续两年施用50 t/hm2生物炭的土壤综合肥力高于施用一年50 t/hm2、75 t/hm2和100t/hm2的处理;同时施用生物炭还可使土壤中养分分布更加均匀,使坡上坡下土壤养分不均的状况得以改善。施用生物炭对土壤水动力学参数及土壤水分再分布过程亦有一定影响,但其影响程度因施用量及施用年限的不同而有所差异。土壤水分特征曲线随着施炭量的增加和施用年限的延长,曲线上移明显。在相同土壤含水率条件下,土壤非饱和导水率的增长速率随施用量及施用年限的增加逐渐增大。施用生物炭可提高土壤比水容量,增强土壤的供水能力。施用生物炭使得雨后土壤水分运动层位不断加深,土壤水分再分布过程持续的时间逐渐延长。HYDRUS-1D模型适用于黑土区坡耕地施用生物炭条件下的非饱和土壤水分运动模拟。施用生物炭对土壤水分动态的影响主要体现在0-60 cm 土层,在生物炭施用当年,随着生物炭施用量的增加,土壤含水率和0-100 cm 土层土壤储水量均逐渐增大;在连续施用两年、三年的条件下,二者均表现出低施炭量处理优于高施炭量处理。连续三年施用44.99 t/hm2生物炭时,对土壤储水量的促进作用可达到最大。适当施用生物炭可促进大豆生长发育,但效果随着施炭量的增加先增大后减小;三年的大豆产量及WUE亦呈现随着生物炭施用量的增加先增大后减小趋势;连续五年施用33.1952 t/hm2生物炭时,可以达到大豆最大产量;连续施用2年施用生物炭55.8430 t/hm2时可以大豆WUE较对照增幅最大。施用生物炭可有效减少径流量和土壤侵蚀量,但减流减沙效果随生物炭施用量和施用年限的不同而不同。在生物炭施用当年B75处理减流效果最好,而在连续施用两年、三年时则是以B50处理的减流效果最好,且高施炭量处理减流效果弱于低施炭量处理;施用当年和连续施用两年均以施用量为50 t/hm2的减沙效果最好,在连续施用三年时,则以最小施用量的B25处理为最佳。减流减沙效果最佳的生物炭施用模式分别为连续两年施用量为65.7419 t/hm2和连续两年施用量为53.4167 t/hm2。随着生物炭一次性施入后年限的延长,对土壤理化性质的影响逐渐减弱。生物炭对土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、GSSI值、水稳性团聚体稳定性、有效水最大含量、饱和导水率、凋萎系数、田间持水量、速效K、碱解N、有效P、总有机碳和土壤综合肥力指标的影响年限分别是5年、7年、4年、12年、4～5年、3～4年、3-4年、5～6年、5～6年、6～7年、4年、4年、5年、3年和5～6年。随着生物炭一次性施用后年限的延长,对土壤水动力学参数的影响不断减弱,施炭处理三年土壤水分特征曲线均位于同年未施炭处理上方,但随着施用后年限的延长,土壤水分特征曲线下移。施用生物炭有利于土壤中水分的传导。在施用当年土壤非饱和导水率最高,之后对土壤非饱和导水率的影响逐渐减弱。随着生物炭施用后年限的延长,对土壤水分再分布过程的影响逐渐减小,施炭处理土壤含水率提高幅度逐渐降低。三年内施炭处理土壤储水量均高于同年未施炭处理,但随着年限的延长,两个处理间的差异呈对数函数递减,在施用后的第5～6年,土壤储水量的差异基本消失。随着生物炭一次性施用后年限的延长,节水增产效应呈指数衰减。施炭处理三年大豆株高、茎粗、叶面积指数均优于未施炭处理,但均以施用当年优势最大,之后逐年减弱。施炭处理大豆产量及WUE增长率均与生物炭施用后年限呈指数函数递减。土壤中一次性施入75 t/hm2生物炭处理的节水增产效应可持续4年左右。一次性施入生物炭后年减流率和减沙率,随施用后年限的延长呈指数函数递减,且施用后年限对年径流深的影响大于对年产沙量的影响,在施用后的2～3年,生物炭的减流减沙效果逐渐消失。施炭处理土地生产能力随生物炭施用后年限的延长呈指数衰减。采用Copula评价法对不同处理土地生产能力进行了综合评价,提出了连续两年施用生物炭,施用量为50 t/hm2为黑土区坡耕地连年施加生物炭条件下最佳的生物炭施用模式;一次性施入75 t/hm2生物炭地土地生产力的影响周期为4年。
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S141;S158
【图文】：

试验点,地理位置,北安

２．１试区概况逡逑（１）北安试验点逡逑北安试验点位于黑龙江省农垦北安分局红星农场试验基地（１２６°４７＾１２７°１５＇Ｅ、逡逑４８°０２＇？４８°１７＂Ｎ，海拔高度２９８邋ｍ），该基地位于鸡爪河流域、小兴安岭南麓（见图２－逡逑１），属东北典型黑土带，地势东高西低，属丘陵漫岗地带，岗顶平缓，坡面较长，坡逡逑度为３°￣５°ｔ２６（）１。本区四季分明，属寒温带大陆性季风气候，全年平均降水量５５５．３０逡逑ｍｍ，其中７０％？８０％集中在７？９月’］。耕地多为丘陵漫岗，耕层土壤以黑土为主，土逡逑质肥沃，宜于耕作，并有利于农作物生长［２６（）］。但从土壤结构看，表层土疏松，下层土逡逑较黏重，土壤的透水性和通透性不良。该区主要粮食作物为玉米和大豆。农业上缺乏先逡逑进的土壤改良、节水增产等技术，抵御自然灾害的能力差，再加上当地降水时程分布的逡逑极度不均，短历史、高强度的降雨时有发生，导致坡耕地水土流失严重，土地生产力下逡逑降［２６（）］。于２０１５？２０１７年在北安试验点进行了连年施用生物炭对坡耕地土地生产力的影逡逑响试验研究。逡逑

示意图,土壤水分扩散率,实验装置,示意图

逡逑铝盒中，懫用烘干法测定土壤含水率［３２７］。每个处理重复三次。试验装置如图２－３所逡逑示。逡逑＾邋ｆ｜逦Ｉ—储水室“逡逑—广马氏瓶ｙ厂虑料备逡逑图２－３邋土壤水分扩散率实验装置示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２－３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｓｏｉｌ邋ｗａｔｅｒ邋ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ邋ｒａｔｅ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｄｅｖｉｃｅ逡逑根据水平土柱入渗试验测得的数据，并结合解析法，计算土壤水分扩散率。采用逡逑Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ变换Ａ邋＝邋；ｃｒ１／２，并假定Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ变换参数Ａ与土壤含水率０的关系是连续光逡逑滑曲线，对一维水平流动微分方程求解，得到土壤水分扩散率／？（的的计算公式为：逡逑１逦ｄ９逡逑Ｄ（０）邋＝邋－一—邋＼Ｍ９逦（２－１３）逡逑２逦ｄＡ邋ｋ逡逑式中：Ｄ（０）逦土壤水分扩散率，ｃｍ２Ｔｎｉｎ＿１；逡逑０0——初始土壤含水率，ｃｎ＾ｃｍ之逡逑６逦土壤含水率，ｃｍ３＊ｃｍ＿３；逡逑Ａ逦Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ邋变换参数，ｃｍ－ｍｉｒｆ１／２。逡逑为便于计算

示意图,土壤饱和导水率,实验装置,土壤水分扩散率

【参考文献】