生物质炭对作物生产力、农田温室气体排放及土壤养分转化的影响

摘要

近年来，生物质炭在农业生产中的应用受到人们的关注。研究表明，生物质炭应用于农业中能够促进土壤固碳减排，缓解气候变化，同时在改善土壤质量，保障作物生长，以及环境改善中具有重要的作用。然而，由于生物质炭类型、土壤条件以及作物种类等的不同，使得生物质炭对作物产量、温室气体排放以及土壤质量的改善作用具有很大的变异性。因此在农业应用中亟需系统性的研究生物质炭的功能与农业条件的关系，以及生物质炭如何通过对土壤质量等的影响实现其功能。本论文一方面选取雨养旱地和稻麦轮作两种农业系统类型，研究生物质炭在不同的农田生态系统条件下对作物生产力和固碳减排的影响。另一方面，通过整合分析的方法，研究生物质炭施用后对土壤营养元素周转的影响，包括土壤磷素的有效性、C和N的周转，探讨生物质炭对土壤养分元素的效应与其在农业生产中功能的关系。本研究旨在为生物质炭在农田固碳减排及提高作物生产力的应用提供科学依据。 主要研究结果如下: (1)生物质炭在雨养旱地中对作物生产力和温室气体排放的影响。在雨养旱地中作物的生产受到土壤肥力低和水分供应不足的限制。且当地常规施肥模式中大量氮肥的施入导致施肥比例失衡。本研究在2011年5月至2012年10月山西忻州进行，当地土壤类型为褐土性土，常规种植模式为一年一季玉米。设置两个因素，其中生物质炭设置三个施用水平:0、20和40t ha-1，分别以C0、C1、C2表示，一次性施入土壤;施肥模式设置为常规施肥(CF)和平衡施肥(BF)，BF是根据当地土壤养分状况和作物养分需求计算出来的最适宜施肥模式，CF处理中，氮肥的施用量为432kgNha-1，磷肥施用量为69kg P2O5ha-1，BF处理中，氮肥的施用量为217kg Nha-1，磷肥施用量为145.5kgP2O5ha-1。两因素随机组合，共设置六个处理。本研究在第一年试验结果的基础上进行第二年的观测，探索平衡施肥配合生物质炭对玉米产量和温室气体排放的影响及其持续性。研究结果显示，生物质炭和平衡施肥均能增加雨养旱地玉米产量和养分偏生产率，减少土壤N2O的排放。BF模式下玉米产量比CF显著增加23.7％。且在BF施肥模式下施用生物质炭产量进一步增加。生物质炭处理能够显著降低土壤容重，且连续两季对土壤含水量都有显著增加效应。由于平衡施肥模式中氮肥施用量的减少使得BF下N2O排放总量比CF处理减少50％以上。在CF处理下，生物质炭的施入减少N2O排放总量的31％，而在BF下生物质炭对N2O排放没有显著性影响。结合两年的研究结果，通过方差分析发现生物质炭和平衡施肥对玉米产量、养分偏生产率和温室气体排放等具有持续影响。因此在雨养旱地玉米生产中应用平衡施肥能够有效促进玉米增产和减少N2O排放，平衡施肥配合生物质炭的施用能够实现雨养旱地的可持续低碳生产。 (2)生物质炭在稻麦轮作系统中对作物生产力和温室气体排放的影响。本研究在2014年6月至2015年6月在江苏常熟进行，当地土壤类型为湖相沉积母质乌珊土，当地常规种植模式为稻麦轮作。本研究选用两种不同裂解温度下生产的玉米秸秆生物质炭（低温炭:MBC1和高温炭:MBC2），探究生物质炭在稻麦轮作农业系统中对作物生长和温室气体排放等影响，及其与生物质炭性质的关系。其中生物质炭的施用量为20t ha-1。为了研究生物质炭的效应与氮肥的关系，在每种生物质炭处理下设置了不施氮肥(N0)和施氮肥(N1)两种施肥处理。结果表明，生物质炭施入一年之后，MBC1对土壤容重的降低效应大于MBC2;土壤有机碳含量显著增加，而只有MBC2显著增加土壤全氮;土壤速效磷和速效钾的含量在生物质炭处理一年后均显著增加。两种温度生产的生物质炭对小麦和水稻的产量没有显著性影响，而对氮肥农学利用率表现出增加的趋势，且高温炭增加效应大于低温炭。本研究发现稻麦轮作系统中温室气体的排放主要受到施肥的影响，而生物质炭的影响较小。在水稻生长季生物质炭对温室气体的排放没有显著影响，在小麦季对土壤CO2的排放具有增加的效应，而对CH4和N2O没有显著影响。因此在稻麦轮作生态系统中生物质炭的效应主要表现在土壤固碳、土壤养分保持作用上，对作物产量和温室气体排放的影响较小。 (3)生物质炭对土壤磷素有效性的调节作用研究。本研究通过整合分析的方法评估生物质炭施用于土壤中对磷素有效性的影响及该效应与生物质炭和土壤条件的关系。截止到2015年12月底共搜集了132篇相关文献。整合分析结果表明，生物质炭施入土壤中平均增加土壤有效磷含量64.4％，且该效应能够持续两年以上。生物质炭对土壤有效磷的效应在不同的施用年限、试验类型、土壤条件和生物质炭生产条件等因素下具有很大的变异性。生物质炭对土壤有效磷的增加效应随SOC含量增加而降低，SOC含量＜15g kg-1时效应值为93.3％，而＞30g kg-1时降低为28.0％。同时在偏中性土壤中效应值高于酸性和碱性土壤。在不同的生物质炭原料之间，畜禽粪便炭对土壤有效磷的效应值最高，且作物秸秆炭效应优于木炭。生物质炭对土壤有效磷的增加效应随裂解温度升高而降低。进一步分析发现，生物质炭对土壤有效磷的影响在不同的生物质炭元素组成、比表面积、CEC和灰分含量之间具有显著性变化。因此本研究明确了生物质炭对土壤磷素有效性的作用及其影响因素，为在农业生产中生产中合理应用生物质炭提供理论基础。 (4)生物质炭对土壤C、N养分周转的影响研究。通过整合分析的方法研究生物质炭施用下土壤C、N循环相关的酶活性的响应来反映生物质炭对土壤碳氮养分周转的影响及其与影响因素。相关文献的搜集截止到2016年6月，共筛选六种与土壤C和N循环相关的酶活性。结果表明，生物质炭施入土壤后只有α-葡萄糖苷酶的活性是降低的，β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖酶和β-乙酰-氨基葡萄糖苷酶活性均表现出显著增加效应。综合计算土壤碳氮循环相关酶活性的结果得出，生物质炭施入土壤中显著增加土壤C循环相关酶和N循环相关酶活性，平均增幅分别达11.47％和6.95％。进一步通过方差分析发现，生物质炭对C循环相关酶活性的影响与试验类型、施用量、土壤C和N含量、以及生物质炭生产温度等因素有关。一次施用生物质炭两年之后土壤C循环相关的酶活性依然显著增加。同时在土壤有机碳和全氮含量较高时表现出显著增加效应。对土壤C周转的影响在不同生物质炭原料间没有显著性差异，而与裂解温度具有呈负相关关系。生物质炭对土壤N周转过程的影响因素只有土壤C、N含量及作物类型。生物质炭对N循环相关酶活性的效应在粮食作物中大于经济作物。且在土壤有机碳和全氮含量较高时表现出显著增加效应。总之，生物质炭施入土壤中促进C、N养分周转过程，且该作用受到土壤和生物质炭条件的影响。 综上所述，生物质炭在不同农业系统中对作物生产力和温室气体的影响不同。在雨养旱地玉米种植中生物质炭能够增加作物产量，提高养分农学利用率同时能够降低雨养旱地中N2O排放，而且生物质炭显著增加雨养旱地土壤的保水性。在稻麦轮作中生物质炭没有增产效应，且对温室气体排放影响很小，但是能够增加土壤固碳，提高氮素农学利用率。生物质炭能够持续增加土壤有效磷的含量，且能促进土壤C、N元素的周转，在提高土壤养分的利用效率上具有重要的作用。同时生物质炭对土壤C、N和P营养元素周转过程的影响受到土壤和生物质炭条件的限制。因此，在不同的农业条件下选用合理的生物质炭应用方式对农业可持续低碳发展具有重要意义。本研究能够为生物质炭在农田固碳减排及提高作物生产力的应用提供科学依据。

目录

声明

论文说明

摘要

缩略语

第一章文献综述

1．1生物质炭对作物生长的效应

1．1．1生物质炭对农作物产量的影响

1．1．2生物质炭对农产品品质的影响

1．2生物质炭对土壤质量的影响及在土壤养分循环中的作用

1．2．1 生物质炭对土壤质量的影响

1．2．2生物质炭对土壤N素循环的影响

1．2．3生物质炭对土壤P素循环的影响

1．3生物质炭在农田土壤固碳减排中的应用

1．3．1生物质炭与农田土壤固碳

1．3．2生物质炭对农田温室气体排放的影响

1．4生物质炭在全球农业中的应用潜力

1．4．1生物质炭的生产及在农业中的研究现状

1．4．2 目前研究存在的问题及今后研究方向

1．5研究目的、内容和技术路线

1．5．1 目的及意义

1．5．2研究内容

1．5．3技术路线

第二章生物质炭对雨养旱地作物生产力和温室气体排放的影响

2．1 前言

2．2材料与方法

2．2．1研究区概况

2．2．2供试材料

2．2．3试验设计

2．2．4田间管理

2．2．5产量及土壤样品的采集与分析

2．2．6温室气体监测

2．2．7数据统计分析

2．3结果分析

2．3．1 生物质炭和平衡施肥对雨养旱地玉米产量的影响

2．3．2生物质炭和平衡施肥对雨养旱地土壤性质的影响

2．3．3 生物质炭和平衡施肥对雨养旱地温室气体排放的影响

2．4讨论

2．4．1 生物质炭和平衡施肥对雨养旱地玉米生产力的改善

2．4．2生物质炭和平衡施肥减少雨养旱地温室气体的排放

2．4．3生物质炭和平衡施肥在低碳农业中的应用

2．5本章小结

第三章生物质炭对稻麦轮作系统作物生产力和温室气体排放的影响

3．1 前言

3．2材料与方法

3．2．1试验点概况及试验材料

3．2．2试验处理与田间管理

3．2．3温室气体的采集与测定

3．2．4作物收获及土壤样品的采集和测定

3．2．5数据处理与统计分析

3．3结果分析

3．3．1 生物质炭对土壤理化性质的影响

3．3．2生物质炭对作物产量及氮肥农学利用率的影响

3．3．3 生物质炭对水稻生长季温室气体排放的影响

3．3．4生物质炭对小麦生长季温室气体排放的影响

3．3．5生物质炭对N2O排放因子(EF)的影响

3．4讨论

3．4．1 生物质炭对稻麦轮作系统作物生产力的影响

3．4．2生物质炭对稻麦轮作系统温室气体排放的影响

3．5本章小结

第四章生物质炭对土壤磷素周转的影响—磷有效性的整合分析

4．1 前言

4．2材料与方法

4．2．1数据来源与筛选

4．2．2数据提取与数据库建立

4．2．3整合分析

4．3结果分析

4．3．1 生物质炭对土壤磷有效性的影响

4．3．2生物质炭对土壤磷有效性影响的持续效应

4．3．3生物质炭对磷素有效性的影响随不同土壤条件的变化

4．3．4生物质炭的生产和应用条件与土壤有效磷的关系

4．3．5生物质炭的性质与土壤磷有效性变化的关系

4．4讨论

4．4．1生物质炭自身磷素有效性

4．4．2生物质炭对土壤磷素形态转变的影响

4．4．3生物质炭对土壤有效磷的影响与生物质炭和土壤条件的关系

4．4．4生物质炭对土壤磷有效性的持续影响

4．5本章小结

第五章生物质炭对土壤C和N周转的影响—C、N相关酶活性的整合分析

5．1前言

5．2材料与方法

5．2．1数据来源及筛选

5．2．2数据提取与数据库建立

5．2．3 整合分析

5．3结果分析

5．3．1 生物质炭对土壤C和N循环相关酶活性的影响

5．3．2生物质炭对土壤C循环相关酶活性的效应

5．3．3生物质炭对土壤N循环相关酶活性的效应

5．4讨论

5．4．1生物质炭对土壤碳氮周转酶活性的影响

5．4．2生物质炭对碳循环相关酶活性的影响及在不同条件下的变化

5．4．3生物质炭对氮循环相关酶活性的影响及在不同条件下的变化

5．5本章小结

第六章全文讨论、结论、创新点与展望

6．1 全文讨论

6．1．1生物质炭对土壤养分周转的影响及与作物生产力和固碳减排

6．1．2生物质炭在农业应用中功能的持续性

6．1．3生物质炭在农业系统中的合理利用

6．2全文结论

6．3创新点与不足

6．3．1 创新点

6．3．2不足与展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文和专利

致谢