秸秆生物炭施用对潮土肥力和固碳减排的影响

【摘要】：近年来生物黑炭技术(Biochar technology)作为农业固碳减排的潜在措施之一被广泛关注。中国每年秸秆资源生产量达6~7亿t,但资源利用率低,有超过一半未能合理利用,造成资源浪费和环境污染等一系列问题。若将每年生产的作物秸秆转化为碳含量和稳定性较高、保肥能力较强的生物炭施入土壤,不仅具有迅速提升土壤碳库和生产力的潜力,也为秸秆资源多元化综合利用提供有效途径。因此,本研究选择北方小麦-玉米轮作下的石灰性潮土(pH8.30),采用生物炭季季连续还田方式,设0t hm-2(BC0;对照)、2.25t hm-2(BC2.25;低量)、6.75t hm-2(BC6.75;中量)和11.25 t hm-2(BC11.25;高量)4个每季生物炭还田水平,通过3年6季的田间小区试验(16 m2),观测了生物炭季季连续还田下的作物生长、籽粒品质、土壤理化性质及N_2O排放的变化,探讨了生物炭影响作物生长、土壤肥力和固碳减排的可能原因,为探索秸秆炭化还田在华北平原小麦-玉米轮作旱地的应用潜力提供部分科学数据。主要结果如下:(1)6季作物地上部分总生物量随生物炭用量增加而有所增加:与不施生物炭BC0处理相比,BC11.25可提高作物生物量5.30%,以秸秆产量增加为主,增幅为7.18%。尽管生物炭处理并未增加作物籽粒产量,但也未对籽粒蛋白质或湿面筋含量及容重等作物籽粒品质指标产生负面影响。(2)6季作物地上部分N和K总吸收累积量随生物炭施用量增加呈增加趋势,但各处理间并无统计差异;生物炭处理下作物其它元素如P、Ca、Na、Mg、Fe、Mn、Cu和Zn吸收累积量与BC0相比并无增加趋势。生物炭连续施入可在一定程度逐步提高土壤有效态P、K、Na、Mn、Zn含量,第6玉米季后BC11.25处理下与BC0相比,分别提高36.11%、478.27%、51.40%、34.99%和117.37%;但对土壤有效态Ca、Mg、Fe、Cu含量无影响。(3)土壤全氮和有机碳(Total Organic Carbon,TOC)含量随生物炭连续施加呈不断增加趋势:至第5小麦季开始,BC11.25处理土壤全氮含量与BC0相比差异明显;至第6玉米季,BC6.75和BC11.25处理下全氮含量可提高19.54~25.01%。BC6.75和BC11.25处理下与BC0相比土壤TOC含量在第3小麦季开始便有显著增加;至6季作物结束,3个生物炭处理分别显著提高土壤TOC含量28.27%、102.05%和166.93%。生物炭处理下土壤TOC数量的大幅增加导致土壤C/N比不断攀升,6季作物后可分别从对照的8.21提高到生物炭处理下的9.88、13.85和17.48。尽管如此,各处理下土壤可溶性有机碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)含量并无差异。基于粗略表观差减法估算的生物炭年损失率约为8.94~9.80%。作物生育期耕层土壤铵态氮含量并未受生物炭影响;前5季土壤硝态氮含量各处理间无明显差异,但第6作物季BC11.25处理下土壤硝态氮时间加权平均含量较BC0显著提高25.31%。(4)土壤水分含量随生物炭量增加而逐步提高:BC11.25处理下从第3小麦季开始土壤水分含量较BC0显著提高12.49%,6作物季后各生物炭处理土壤分别较BC0显著提高8.15%、18.59%和29.83%。6季作物后,与BC0相比,BC6.75和BC11.25处理下土壤持水量(Water Holding Capacity,WHC)、饱和导水率和阳离子交换量(Cation Exchange Capacity,CEC)分别提高19.75~27.78%、112.20~390.85%和7.99~8.16%,土壤容重降低12.67~14.97%,但生物炭施入对土壤pH无显著影响。(5)土壤N_2O排放随生物炭施入而逐步降低:随生物炭施入量的增加,前4作物季土壤N_2O排放呈降低趋势,后两作物季BC11.25处理下较对照显著降低48.12%和51.99%;6季总N_2O排放量在BC11.25处理下显著降低38.24%。单位籽粒产量N_2O排放在第5、6季BC11.25处理下较BC0降低50.65%和51.26%;各施炭处理下6季单位产量N_2O排放分别减少31.49%、32.29%和40.21%。上述结果表明,生物炭季季连续施入后可促进作物生长,主要表现在作物秸秆量的小幅增加;尽管对作物籽粒产量无增加作用,但也对籽粒品质无负面影响。生物炭连续施入后逐步提高土壤肥力,如土壤有效态P、K、Na、Mn和Zn等营养元素含量增加;土壤水分含量、田间持水量和饱和导水率以及土壤通透性等物理指标得到提升。同时,生物炭连续还田具有明显增加土壤稳定性碳库和N_2O减排的潜力。因此,秸秆炭化连续还田在北方旱地潮土具有一定固碳减排和提升肥力的作用。尽管如此,本工作仅为3年秸秆生物炭季季还田长期试验的阶段性工作报告,关于生物炭在北方旱地的应用仍有诸多问题亟待解决。下一步将坚持现有大田试验,深入探究石灰性潮土秸秆生物炭每季连续还田条件下土壤水分、养分运移特征及其他理化性状与作物生长和固碳减排的关系,探寻农学和环境效应生物炭施用阈值,确定生物炭的土壤培肥和固碳潜力,定量回答秸秆炭化还田途径下作物秸秆的最大消纳量,从生物炭影响土壤肥力和固碳减排角度为评估秸秆炭化还田应用于华北平原农田提供部分理论依据。 【关键词】：秸秆生物炭 潮土 作物产量 籽粒品质 土壤肥力 固碳 N_2O排放
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S158
【目录】：

• 致谢4-7
• 摘要7-9
• 1 文献综述9-23
• 1.1 生物炭缘起及意义9-10
• 1.2 生物炭的制备10-11
• 1.3 生物炭物理性质及其对土壤物理性质的影响11-13
• 1.3.1 官能团11
• 1.3.2 稳定性11-12
• 1.3.3 孔隙度12-13
• 1.3.4 容重13
• 1.3.5 水分13
• 1.4 生物炭化学性质以及对土壤化学性质的影响13-15
• 1.4.1 pH13-14
• 1.4.2 CEC14
• 1.4.3 养分含量14-15
• 1.5 生物炭对土壤生物学性质的影响15-16
• 1.5.1 细菌15-16
• 1.5.2 真菌16
• 1.5.3 无脊椎动物16
• 1.6 生物炭对作物生长的影响16-17
• 1.7 生物炭固碳作用17-18
• 1.8 生物炭对温室气体排放的影响18-20
• 1.9 生物炭对土壤污染物的影响20
• 1.10 生物炭的利用现状及前景20-23
• 2 引言23-24
• 3 材料与方法24-28
• 3.1 供试土壤及生物炭24-25
• 3.2 试验设计25-26
• 3.3 观测指标及方法26-27
• 3.3.1 作物籽粒产量、生物产量以及产量构成因素26
• 3.3.2 植物养分分析26
• 3.3.3 土壤养分分析26-27
• 3.3.4 N_2O气体分析27
• 3.4 数据处理27-28
• 4 结果与分析28-48
• 4.1 生物炭对作物产量、籽粒品质和养分吸收的影响28-35
• 4.1.1 生物炭对作物产量及其构成因素的影响28-30
• 4.1.2 生物炭对作物籽粒品质的影响30-31
• 4.1.3 生物炭对作物养分吸收的影响31-35
• 4.2 生物炭对土壤理化性质的影响35-44
• 4.2.1 生物炭对土壤物理性质的影响35-38
• 4.2.1.1 生物炭对土壤容重的影响35
• 4.2.1.2 生物炭对土壤水分含量的影响35-36
• 4.2.1.3 生物炭对田间持水量的影响36-38
• 4.2.1.4 生物炭对土壤饱和导水率的影响38
• 4.2.2 生物炭对土壤CEC和p H的影响38-39
• 4.2.3 生物炭对土壤氮素的影响39-42
• 4.2.3.1 生物炭对土壤全氮含量的影响39-40
• 4.2.3.2 生物炭对土壤矿质氮的影响40-42
• 4.2.4 生物炭对土壤有效元素含量的影响42-44
• 4.3 生物炭的固碳作用44-45
• 4.3.1 生物炭对土壤耕层TOC和DOC的影响44
• 4.3.2 生物炭对土壤固碳的影响44-45
• 4.4 生物炭对土壤N_2O排放的影响45-48
• 5 结论与讨论48-55
• 5.1 生物炭提升土壤肥力，影响作物生长48-50
• 5.2 生物炭提高土壤固碳能力50-52
• 5.3 生物炭影响N_2O排放52-54
• 5.4 小结及展望54-55
• 参考文献55-71
• ABSTRACT71-74
• 作者简介74

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