生物炭对旱作春玉米农田水氮运移、利用及产量形成的影响

发布时间：2019-07-19 12:12

【摘要】：黄土高原是我国北方主要旱作农业区,周期性干旱和水资源缺乏是限制该地区农业发展的主要因素。土壤结构性差,保水保肥能力低,是制约该地区农业生产的另一主要因素。面对粮食需求不断增加的挑战,优化田间管理和栽培措施对提高该地区作物生产力意义重大。生物质炭化产物生物炭具有富碳、高孔隙、高比表面积、强吸附性等特点,其在改善农田土壤质量、提高作物生产力、减少温室气体排放以及减缓气候变化方面的潜力,为人类应对能源危机、促进农业可持续发展等方面提供了一个新途径。然而,生物炭在我国的应用及研究尚处于起步阶段,关于生物炭的报道主要集中在低纬度热带、亚热带地区的偏酸性或风化严重的土壤,而对于温带地区中性、偏碱性土壤效应及其农用效应的研究报道较少。生物炭施入能否成为黄土高原旱作农业区生产潜力挖掘和作物高效用水新环境的调控措施值得进一步探究。因此,本研究根据黄土高原旱地土壤特性与气候特点,在长武黄土高原农业生态试验站进行了3年(3季作物)田间小区定位试验,并结合室内模拟试验,从土壤-根系-植株角度系统研究了添加生物炭对土壤理化特性、作物地上部生长、根系时空分布、土壤水、氮运移和吸收利用以及硝态氮淋溶的影响,评价了生物炭对旱作春玉米-土壤系统生产力及资源利用的影响效应。以期为优化旱作农田水分养分管理,提高旱地农田生产力和资源利用效率以及保护生态环境提供一定科学依据。本研究获得主要结果如下:(1)添加生物炭显著影响土壤基本性质,影响程度与生物炭添加量、施氮、覆盖和测定时期有关。生物炭是非均质的块状颗粒,表面分布大量的柱状或网状结构和许多微孔,且其本身含有多种矿质养分。在未施氮肥条件下,添加生物炭(20 t hm~(-2))会降低土壤容重,增加土壤总孔隙度、有机碳、全氮含量和C:N比,有增加土壤CEC趋势且提高土壤速效磷和速效钾(2012年)含量。配施氮肥条件下,随生物炭添加量增加,土壤容重减小,总孔隙度增大。10 t hm~(-2)生物炭添加量(BC10)通过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)通过增加毛管和非毛管孔隙而增大土壤孔隙度。随着生物炭添加后时间推移,BC10处理对土壤容重和孔隙度的影响效果减弱至不显著,而BC20和BC30处理的影响仍显著。添加生物炭会提高土壤有机碳、全氮含量,C:N比以及土壤速效磷(除2014年)和速效钾含量;对土壤理化性质的影响程度总体依次表现为BC30BC20BC10BC0,且对0-10 cm土层的影响程度大于对10-20 cm土层的影响,对20-30 cm土层几乎无影响。且BC20和BC30处理显著提高添加当年0-10cm土层土壤ph0.12~0.16个单位,bc30处理3年显著增加0-10cm土层土壤cec10.8%~12.4%。在覆膜条件下,添加20thm~(-2)生物炭会增加土壤有机碳、全氮含量和c:n比,以及土壤速效磷(2013年)和速效钾含量,降低添加当年0-10cm土层土壤容重和增加总孔隙度与ph值,对土壤cec的影响随添加后时间推移增加会更为明显。(2)添加生物炭会改变土壤水分参数和水分运移特征,影响程度因土壤质地不同而异。室内土柱模拟试验结果表明,随着生物炭添加量增加,风沙土和黑垆土水分入渗速度和累积入渗量逐渐降低,黄绵土水分入渗速率和累积入渗量呈先增大后减缓的趋势。添加生物炭的3种土壤湿润峰运移距离与运移时间均符合幂函数关系,且philip入渗模型可以较好的描述添加生物炭土壤水分累积入渗量变化过程。添加生物炭对黄绵土和黑垆土累积蒸发量(30d)没有显著影响,但可改变风沙土蒸发特征,对其前期蒸发具有显著抑制效果。田间试验结果表明,配施氮肥条件下,添加生物炭有利于增强土壤持水能力,增加土壤最大持水量、易效水和有效水含量、田间持水量以及低、中吸力阶段水分含量,对0-10cm土层土壤水分特征影响最为明显。添加生物炭处理耕层土壤会吸持更多的水分可供作物吸收,并减小田间条件下土壤水分变化幅度,有减缓土壤蒸发潜力。生物炭会提高土壤饱和导水率,促进水分入渗。在相对严重干旱条件下,生物炭处理的玉米根系可以吸收深层土壤水分(土深40cm以下),尤其是籽粒灌浆期,作物通过消耗深层土壤水分以满足对水分的需求,从而增加作物关键生育期水分消耗。(3)生物炭独特的多孔隙结构和强吸附特性,使其与氮肥配施后能增加养分保持能力,降低养分损失。室内土柱模拟试验结果表明,添加生物炭降低风沙土硝态氮淋溶量18.1%~37.2%,黄绵土达33.8%~87.7%,黑垆土达13.8%~80.8%。3种质地土壤在0.5%、3%和5%生物炭添加量下的硝态氮淋溶量均显著低于对照处理,表明适量生物炭添加能够增强土壤氮素固持能力、降低硝态氮淋失及环境风险。田间试验结果表明,在未施氮肥条件下,农田土壤硝态氮累积主要发生在0-40cm土层,添加20thm~(-2)生物炭降低了收获后0-40cm土层土壤硝态氮累积量7.5~11.3kghm~(-2);在配施氮肥条件下,添加生物炭降低土壤剖面硝态氮淋溶深度和硝态氮累积总量,bc30处理硝酸盐主要保持在玉米根区(0-100cm土层)。在覆膜条件下,添加20thm~(-2)生物炭对土壤剖面硝态氮分布的影响与试验年份有关,未显著影响2012年0-60和0-200cm土层土壤硝态氮累积,显著增加2013年0-60和0-200cm土层和2014年0-60cm土层土壤硝态氮累积。(4)添加生物炭会改变玉米地上部和根系生长特征,影响玉米地上部植株干物质累积,影响程度因生物炭添加量、施氮、覆盖、试验年份不同而异。未施氮肥条件下,添加20thm~(-2)生物炭抑制植株生长和发育,降低地上部植株干物质累积。配施氮肥条件下,添加初期(2012年),bc10处理表现出促进生育前期根系生长的潜力,bc20处理玉米植株在整个生育期内的生长优于对照处理,bc30处理明显抑制春玉米生育初期根系和地上部生长,随玉米生育进程推进,这种抑制作用逐渐消失,在生殖生长阶段,bc30处理促进了根系生长,提高植株生长速率和增加干物质累积。2013年,添加生物炭促进了整个生育期内玉米根系生长,整体表现为生物炭添加量愈高,促进作用愈显著(BC30BC20BC10BC0)。生物炭对根系根长垂直分布的影响深度随生物炭添加量增加而增加。添加生物炭虽然会减小玉米根系直径,但却促进了根系中细根的产生。2013和2014年,添加生物炭提高了吐丝期前后和灌浆期植株生长速率,促进植株干物质累积。覆膜条件下,与未添加生物炭处理(FB0)相比,添加20 t hm~(-2)生物炭促进了玉米根系生长和建成,增加根系干重、根长和根表面积,促进吐丝期10-30 cm土层玉米根长伸展,有利于地上部植株生长和发育。(5)生物炭与氮肥配施有利于促进玉米植株养分累积和养分生产效率。2012年,添加生物炭尽管降低了吐丝期茎秆和穗氮浓度(BC10和BC30也分别显著降低了拔节期叶片氮浓度7.7%和12.3%),但因较高的生物量,对吐丝前植株氮素总积累量没有显著影响,而吐丝后植株氮素的积累促进了籽粒氮吸收。2013和2014年,生物炭增加了吐丝前、后植株氮素积累量,促进营养器官中氮素向籽粒的转移,提高氮素转移效率,增加籽粒氮浓度,提高氮素收获指数(NHI)。添加生物炭促进试验3年玉米植株氮、磷、钾吸收,提高氮肥利用效率(NUE)、磷肥利用效率(PUE)和钾肥利用效率(KUE),且NUE、PUE和KUE随生物炭添加量增加而增加。覆膜条件下,添加20 t hm~(-2)生物炭处理呈现高植株氮、磷、钾吸收,且显著提高2013和2014年作物NUE、PUE和KUE。未施氮肥条件下,添加20 t hm~(-2)生物炭处理呈现低植株氮、磷吸收,PUE和KUE均显著降低。(6)生物炭与氮肥配施增加玉米籽粒产量和水分利用效率。BC0处理籽粒产量为8.9~10.2t hm~(-2),穗粒数为428~460,水分利用效率(WUE)为23.8~28.3 kg hm~(-2) mm~(-1)。BC20和BC30处理显著增加籽粒产量8.9%~15.9%,提高穗粒数5.7%~10.2%和WUE10.7%~15.1%。覆膜条件下,FB0处理籽粒产量为13.5~13.8 t hm~(-2),穗粒数为502~519,WUE为30.7~34.7 kg hm~(-2) mm~(-1);添加20 t hm~(-2)生物炭显著提高籽粒产量8.7%~9.2%,增加穗粒数7.1%~7.8%,提高2014年WUE 13.6%。但未施氮肥条件下,添加20 t hm~(-2)生物炭使收获期玉米籽粒减产12.5%~20.7%,穗粒数减少5.9%~11.2%,千粒重降低7.4%~11.7%,WUE降低14.4%~23.2%。


【图文】：
图 1-1 生物炭及其对土壤颜色的影响（Lehmann 2007）Fig. 1-1 Biochar and its effect on soil color (Lehmann 2007).研究表明，，生物炭技术在改良土壤肥力、修复土壤污染、维持农田生态平衡等方表现出积极的效应（Prendergast-Miller et al. 2014; Olmo et al. 2016; Ding et al. 2016有限的耕地面积和较少的劳动力实现现代农业高产出与高效率目标，其中，持续施量化肥，是目前农业实现增产或维持高产的主要手段。我国作为一个农业大国，长来通过大量使用化肥来提高产量。从上世纪 80 年代至今，我国粮食总产量虽然提

生物炭在农业中的应用当今世界，气候变化日趋剧烈，气候变暖已成为备受关注的全球性环境问题。同经济发展也受到全社会的广泛关注。农田土壤在全球碳库中最为活跃，由于土起的土壤碳素损失是大气碳含量不断增加的主要驱动力（Lal 2004），在全球温起重要作用（Smith et al. 2008）。受粮食安全、能源危机和全球变暖的挑战，沃且高碳为特点的生物炭越来越引起人们的重视，生物质材料转化和农业应用济可行。生物炭还田措施可以大幅度改善土壤碳库容量，通过资源回馈——添碳，实现生态系统中碳库自然平衡。在农业生态系统中，土壤、作物与环境之间相互依存，互为影响。国内外专家物炭进行了不同方面的探索，初步证明生物炭结构与性质的特殊性使其在改善与土壤肥力，刺激微生物生长繁殖和提高作物收获品质与增产等方面做出积极 1-2）。且生物炭对土壤酸碱环境、农药残留、农田温室气体排放等不良环境因积极改良、修复或缓解作用。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S513


本文编号：2516302