不同生物质来源生物炭品质差异及对甘蔗氮素利用效应

摘要

生物炭已在多种作物的栽培上应用，其正向作用已经明确，但在甘蔗应用上研究不多。本研究针对目前广西农林废弃物利用低，甘蔗氮肥施用过量，甘蔗氮素利用率低等问题，拟通过利用这些废弃物制备生物炭，系统分析各生物炭品质，筛选品质优良的生物炭应用到到甘蔗生产上，研究生物炭对甘蔗生长及氮素利用率的影响及机制，为实现高产、高糖、高效提供理论依据。本研究选用香蕉（叶、叶柄和果茎）、甘蔗（叶片和梢部）、桑枝、木薯茎和速生桉枝条等8种材料在350℃，500℃，650℃条件下制备获得24种炭材料，通过分析其理化性质和对硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)的吸附能力，以期筛选出适合甘蔗生长的生物炭。通过15N示踪方法研究木薯生物炭对桶栽甘蔗生长、氮素累积、分配、利用和对土壤理化性质的影响;通过15N示踪方法研究木薯生物炭和氮肥互作对两个氮利用率高低差异品种(GT11和B8)生长和氮素利用影响，通过大田试验研究生物炭和氮肥互作对两个甘蔗品种新植一年的农艺性状和氮素利用效应影响。主要研究结果如下: 1.24种生物炭均呈碱性，pH在8.33-10.02之间，炭含量在34.28％-72.55％之间。不同制备方法所获得的生物炭的得率在24.74-60.49％之间。生物炭原料种类和热解温度均显著影响各生物炭的物理品质，各生物炭的化学品质主要受热解温度的影响。热解温度越高，制备所得生物炭的比表面积，孔容越大，但得率、孔径越低，而pH、阳离子交量(CEC)、C含量、C/H比和C/N比越高，H、N、P、K、有机质含量越低。各生物炭NH4+-N和NO3--N的吸附能力不受热解温度的显著影响，但受生物质材料显著影响。各生物炭对NH4+-N的吸附能力大于对NO3--N的，香蕉叶、叶柄和果茎对NH4+-N和NO3--N均有很好的吸附作用。 2.影响生物炭品质最重要的因子是化学性质因子、物理性质因子、活化能量因子、营养因子和铵态氮吸附能力因子等5个因子。综合品质最佳的几个生物炭材料为Y24（桉树枝650℃）、Y6（香蕉茎650℃）、Y23（桉树枝500℃）、Y17（木薯茎500℃）、Y18（木薯茎650℃）、Y15（甘蔗梢650℃）、Y3（香蕉叶650℃）和Y20（桑枝500℃），可以作为土壤改良助剂应用于作物生产。 3.生物炭对甘蔗生长的促进作用因品种、生育期和器官不同而异。生物炭显著促进甘蔗ROC22叶片和根系的生长，但对茎生长的促进作用效果不明显。生物炭和氮素互作在低氮条件下，促进了GT11的根、茎和绿叶的生长，但对B8主要促进茎的生长，对根和绿叶仅在分蘖期有促进作用。 4.生物炭可以显著促进甘蔗的氮累积量，促进甘蔗从肥料或是土壤吸收更多氮。生物炭显著促进了ROC22苗期和伸长期的叶和茎的氮素累积，显著增加成熟期根中的氮累积。促进ROC22从土壤中吸收氮的含量增加4.84-10.68％。生物炭和氮肥互作对GT11和B8枯叶和绿叶氮累积有显著的促进作用，对氮素利用率较低的品种GT11，生物炭主要促进了伸长期的根和茎的氮累积，对氮素利用率较高的品种B8，生物炭仅在高氮条件下才对茎的氮累积起到促进作用。生物炭促进了GT11和B8的根、茎、绿叶和枯叶从肥料中获得氮的比例，与纯氮处理相比，GT11和B8根、茎、绿叶和枯叶经生物炭处理后从肥料中获得的氮增加了25.12-40.79％。 5.生物炭处理在一定程度上促进了甘蔗的氮素利用率。生物炭主要促进了ROC22伸长期和成熟期叶和根的氮素理论产量(PE)和氮素偏肥生产力(PFP)，对茎的促进作用不明显。生物炭和氮肥互作在低氮条件下主要促进了GT11伸长期根、茎、分蘖期绿叶的PFP，促进B8分蘖期根、分蘖期和成熟期绿叶的PFP;生物炭促进了GT11分蘖期茎、低氮条件下成熟期根的PE，而抑制了B8根、茎、叶的PE。 6.生物炭影响甘蔗体内N、P、K的累积分配，改善土壤营养状态。生物炭促进了N在伸长期的甘蔗叶片、苗期和伸长期的茎以及苗期和成熟期的根中累积，促进了P在苗期和成熟期的叶、根中以及成熟期的茎中的累积，促进了K在成熟期的叶、茎以及伸长期的根中累积;显著提高了土壤中N、P、OM的含量和pH，但减少了K的含量，对土壤电导率(EC)无影响。 7.生物炭可以促进低氮条件下低氮利用率甘蔗品种的生长，提高其氮累积和氮利用效率。生物炭略增加新植一年甘蔗GT11和B8的出苗率，对株高、茎径、有效茎影响不大。生物炭略提高了低氮条件下GT11的产糖量，但对GT11和B8的产量无显著影响。生物炭抑制了GT11茎的氮素累积量，特别是高氮条件下显著受抑制，但绿叶的氮累积略到得促进。生物炭对B8茎氮的累积量略有促进，但抑制了绿叶的氮累积。生物炭对GT11茎的PFP影响不大，绿叶的PFP得到促进，生物炭对B8的PFP影响与GT11相反。生物炭在低氮条件下可促进GT11茎的PE，而抑制绿叶的PE，而B8茎、绿叶和枯叶的PE均受生物炭抑制。

目录

声明

摘要

英文缩写对照

1．1研究背景和意义

1．2生物炭制备及理化性质文献综述

1．2．1生物炭基本情况简介

1．2．2生物炭制备技术情况综述

1．2．3生物炭理化性质情况综述

1．3生物炭与氮素利用关系综述

1．3．1甘蔗氮素吸收及利用情况综述

1．3．2生物炭与氮素利用关系综述

1．4本文技术路线

第二章不同生物来源生物炭品质分析及其对无机氮的吸附特点

2．1材料与方法

2．1．1生物质来源

2．1．2生物炭制备方法

2．1．3生物炭得率测定

2．1．7生物炭电导率(EC)测定

2．1．8生物炭阳离子交换量(ECE)测定

2．1．9生物炭中碳(C)、氮(N)、氢(H)元素含量测定

2．1．10生物炭中总磷(TP)含量测定

2．1．11生物炭中总钾(TK)元素含量测定

2．1．12生物炭中有机质(OM)含量测定

2．1．13生物炭对硝态氮(NO3--N)、铵态氮(NH4+-N)最大吸附量的测定

2．2结果与分析

2．2．1不同生物质来源制备生物炭的得率分析

2．2．2不同生物质来源制备生物炭的比表面积、孔容、孔径的分析

2．2．3不同生物炭酸碱度(pH)和阳离子交换量(CEC)的分析

2．2．4不同生物炭中氮(N)、钾(K)、磷(P)及有机质(OM)的含量分析

2．2．5生物炭中各碳(C)、氮(N)、氢(H)元素含量分析

2．2．6生物质来源和热解温度与生物炭物理化学品质相关性分析

2．2．7生物炭的超微结构观察

2．2．8不同生物炭硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)吸附能力差异

2．2．9基于因子分析评价24种生物炭品质

2．3本章讨论和结论

2．3．1生物炭的物理品质分析

2．3．2生物炭的化学品质分析

2．3．3生物炭对无机氮素吸附能力的效应

2．3．4生物炭品质评价

第三章生物炭对甘蔗氮素循环利用的影响

3．1材料与方法

3．1．515N丰度测定

3．1．8数据统计

3．2结果与分析

3．2．1生物炭对甘蔗鲜重和干物质重的影响

3．2．2生物炭对甘蔗茎根比的影响

3．2．3生物炭对甘蔗绿叶数和叶面积的影响

3．2．3生物炭对甘蔗各器官中氮素累积的影响

3．2．4生物炭对甘蔗氮素来源的影响

3．2．5生物炭对甘蔗氮素利用率的影响

3．2．6生物炭对甘蔗营养元素(氮、磷和钾)累积分布的影响

3．2．7生物炭对土壤营养元素N、P、K和有机质含量(OM)的影响

3．2．8生物炭对土壤pH和电导率(EC)的影响

3．2．9生物炭对土壤中氮素保留率、损失率和回收率的影响

3．3本章讨论与结论

3．3．1生物炭对甘蔗生长的影响

3．3．2生物炭对甘蔗氮素累积利用的影响

3．3．3生物炭对甘蔗大量元素分配和土壤性质的影响

第四章生物炭与氮肥互作对两个甘蔗品种生长和氮素利用的影响

4．1材料与方法

4．1．1材料

4．1．2实验设计

4．1．3指标测定

4．1．4数据统计

4．2结果与分析

4．2．1生物炭与氮肥互作对甘蔗干重的影响

4．2．2生物炭与氮肥互作对甘蔗氮素累积的影响

4．2．3生物炭与氮肥互作对两个甘蔗品种氮素偏肥生产力(PFP)的影响

4．2．4生物炭与氮肥互作对两个甘蔗品种氮素生理利用率(PE)的影响

4．2．5生物炭与氮肥互作对两个甘蔗品种氮素来源的影响

4．3本章结论与讨论

4．3．1生物炭与氮肥互作对两个甘蔗品种生长的影响

4．3．2生物炭与氮肥互作对两个甘蔗品种氮素累积的影响

4．3．3生物炭与氮肥互作对两个甘蔗品种氦素利用率的影响

4．3．4生物炭与氮肥互作对两个甘蔗品种氮素来源的影响

第五章生物炭与氮肥互作对新植甘蔗农艺性状及氮素利用的影响

5．1．材料与方法

5．1．1材料

5．1．2实验设计

5．1．3指标测定

5．2结果与分析

5．2．1生物炭与氮肥互作对新植甘蔗出苗率、茎径、有效径和株高的影响

5．2．2生物炭与氮肥互作对新植甘蔗产量和产糖量的影响

5．2．3生物炭与氮肥互作对新植甘蔗氮素累积量的影响

5．2．4生物炭与氮肥互作对新植甘蔗氮素利用率(PFP、PE)的影响

5．3本章结论与讨论

6．1全文结论

6．2本论文的创新点

6．3问题与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况