前期施加生物炭对黑土区土壤改良及作物节水增产后效应

摘要

黑龙江是我国商品粮最重要的产地，而近年来黑土区的土壤退化及养分流失已逐渐影响到农业水土资源的可持续利用与经济的可持续发展。生物炭作为一种新兴的碳封存剂和土壤改良剂为解决上述问题提供了新的思路和可能。近年来有关生物炭在农业生产上应用的试验逐渐增多，但主要以室内试验及短期试验为主，大田长期定位试验并不多见。故本文选取黑龙江水利科学研究院试验基地内已连续三年添加了生物炭的田间小区为试验对象，通过测定土壤理化性质、土壤水分、雨后土壤水分再分布、作物生物性状、产量及水分利用效率等指标，探究前期施加生物炭对土壤及作物的后效应。得到的初步结论如下: (1)前期施加生物炭能够降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤田间持水量、饱和含水量及有效含水量。土壤大团聚体及平均重量直径也因前期施加生物炭得到了有效的提升，但在高施炭量条件下会使土壤大团聚体数量减少，稳定性变差。前期施加生物炭仍会提高土壤的pH值及有机质、铵态氮、速效钾的含量，其中速效钾含量的增加最为显著，最高可达到42.50％。而有效磷含量未因前期施加生物炭而出现明显变化。 (2)前期施加生物炭可以提高土壤各土层的含水量及储水量。与对照组CK相比各处理土壤含水量及储水量皆有提高。土壤含水量大体呈现出SK3＞SK4＞SK2＞SK1＞CK的规律，而储水量大体呈现出SK3＞SK2＞SK1＞SK4＞CK的规律。随着土壤深度的增加各处理间土壤含水量及储水量差异逐渐减小，表明前期施加生物炭对浅层土壤水分影响较大，对深层土壤尤其是60～80 cm土层土壤水分影响不大。但在高施炭量条件下0～20 cm土层储水量有时会出现低于CK处理的现象，表明前期施炭量过高可能会产生一定的负面效应。 (3)前期施加生物炭在适宜的施炭量范围内可以有效提高大豆的株高、茎粗、叶面积指数及干物质累积量。还有效的提高了大豆的产量、单株荚数、单株粒数及其水分利用效率。各处理以SK2处理对上述指标的提升作用最为明显。而在高施炭量条件下会对大豆的各种生物性状及生物量产生抑制作用，造成产量及其构成要素的减小。各处理全生育期耗水量差异不大，但因高施炭量处理的产量偏低故导致其水分效率与CK相比有一定程度上的下降。 (4)前期施加生物炭可以促进雨后土壤水分的入渗，但随着水分再分布时间的延长生物炭体现出了其对水分的固持作用，有效减少了浅层土壤水分的损失量，使更多的水分存留在耕层中，为作物提供更好的水分环境。在雨后7d时适宜添加量范围内的浅层土壤含水量皆高于CK，但各处理60～80 cm土层土壤含水量变化范围较小且未呈现出明显规律。 (5)本文利用室内试验测定土壤水分运动参数，采用田间试验与软件模拟相结合的方法，利用Hydrus-1D对各处理雨后7d内的土壤水分再分布情况进行了模拟，模拟结果与实际测定值较为接近，误差范围在允许范围之内。说明模拟选择的模型合理，模拟参数较为准确。也说明在掌握田间土壤物理性质、水分运动参数及气象资料的情况下可以利用软件对田间水分运动情况进行较为合理的模拟，进而对田间水分情况进行合理的预测。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 课题的来源

1．2 研究的目的及意义

1．3 国内外研究动态

1．3．1 生物炭的物理化学性质

1．3．2 生物炭对土壤理化性质的影响

1．3．3 生物炭对作物生物性状的影响

1．3．4 生物炭对土壤水再分布的影响

1．4 研究内容和技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究技术路线

2 前期施加生物炭对土壤理化性质的影响

2．1 试区概况

2．2 试验设计

2．3 观测内容与方法

2．3．1 土壤结构性指标

2．3．2 土壤化学性质指标

2．3．3 土壤水分常数指标

2．4 数据处理方法

2．5 结果与分析

2．5．1 前期施加生物炭对土壤容重及孔隙度的影响

2．5．2 前期施加生物炭对土壤有机质及水稳性团聚体的影响

2．5．3 前期施加生物炭对土壤pH值及养分的影响

2．5．4 前期施加生物炭对土壤水分常数的影响

3 前期施加生物炭对作物生物性状、节水增产的影响

3．1 试验设计

3．2 观测内容与方法

3．3 结果与分析

3．3．1 前期施加生物炭对土壤水分动态的影响

3．3．2 前期施加生物炭对土壤储水量的影响

3．3．3 前期施加生物炭对大豆生物性状的影响

3．3．4 前期施加生物炭对大豆的产量及构成要素的影响

3．3．5 前期施加生物炭对大豆水分利用效率的影响

4 前期施加生物炭对水分再分布的影响及其数值模拟

4．1 试验设计

4．2 观测内容与方法

4．3 前期施加生物炭对土壤水再分布的影响

4．4 Hydrus-1D软件及模型原理介绍

4．4．1 模型水流控制方程

4．4．2 作物根系吸水项

4．5 模拟参数的确定

4．6 数值模拟模型的验证

4．7 土壤水分再分布数值模拟结果与分析

5 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文