生物炭對旱作春玉米農(nóng)田水氮運移、利用及產(chǎn)量形成的影響.pdf

1、黃土高原是我國北方主要旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，周期性干旱和水資源缺乏是限制該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素。土壤結構性差，保水保肥能力低，是制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的另一主要因素。面對糧食需求不斷增加的挑戰(zhàn)，優(yōu)化田間管理和栽培措施對提高該地區(qū)作物生產(chǎn)力意義重大。生物質(zhì)炭化產(chǎn)物生物炭具有富碳、高孔隙、高比表面積、強吸附性等特點，其在改善農(nóng)田土壤質(zhì)量、提高作物生產(chǎn)力、減少溫室氣體排放以及減緩氣候變化方面的潛力，為人類應對能源危機、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面提供了一個新

2、途徑。然而，生物炭在我國的應用及研究尚處于起步階段，關于生物炭的報道主要集中在低緯度熱帶、亞熱帶地區(qū)的偏酸性或風化嚴重的土壤，而對于溫帶地區(qū)中性、偏堿性土壤效應及其農(nóng)用效應的研究報道較少。生物炭施入能否成為黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)生產(chǎn)潛力挖掘和作物高效用水新環(huán)境的調(diào)控措施值得進一步探究。因此，本研究根據(jù)黃土高原旱地土壤特性與氣候特點，在長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站進行了3年（3季作物）田間小區(qū)定位試驗，并結合室內(nèi)模擬試驗，從土壤-根系-植株角度

3、系統(tǒng)研究了添加生物炭對土壤理化特性、作物地上部生長、根系時空分布、土壤水、氮運移和吸收利用以及硝態(tài)氮淋溶的影響，評價了生物炭對旱作春玉米-土壤系統(tǒng)生產(chǎn)力及資源利用的影響效應。以期為優(yōu)化旱作農(nóng)田水分養(yǎng)分管理，提高旱地農(nóng)田生產(chǎn)力和資源利用效率以及保護生態(tài)環(huán)境提供一定科學依據(jù)。本研究獲得主要結果如下:
　　(1)添加生物炭顯著影響土壤基本性質(zhì)，影響程度與生物炭添加量、施氮、覆蓋和測定時期有關。生物炭是非均質(zhì)的塊狀顆粒，表面分布大量的柱狀

4、或網(wǎng)狀結構和許多微孔，且其本身含有多種礦質(zhì)養(yǎng)分。在未施氮肥條件下，添加生物炭（20 t hm-2）會降低土壤容重，增加土壤總孔隙度、有機碳、全氮含量和C∶N比，有增加土壤CEC趨勢且提高土壤速效磷和速效鉀（2012年）含量。配施氮肥條件下，隨生物炭添加量增加，土壤容重減小，總孔隙度增大。10 thm-2生物炭添加量(BC10)通過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)通過增加毛管和

5、非毛管孔隙而增大土壤孔隙度。隨著生物炭添加后時間推移，BC10處理對土壤容重和孔隙度的影響效果減弱至不顯著，而BC20和BC30處理的影響仍顯著。添加生物炭會提高土壤有機碳、全氮含量，C∶N比以及土壤速效磷（除2014年）和速效鉀含量;對土壤理化性質(zhì)的影響程度總體依次表現(xiàn)為BC30＞BC20＞ BC10＞ BC0，且對0-10 cm土層的影響程度大于對10-20 cm土層的影響，對20-30 cm土層幾乎無影響。且BC20和BC30處理

6、顯著提高添加當年0-10 cm土層土壤pH0.12～0.16個單位，BC30處理3年顯著增加0-10 cm土層土壤CEC10.8％～12.4％。在覆膜條件下，添加20 t hm-2生物炭會增加土壤有機碳、全氮含量和C∶N比，以及土壤速效磷（2013年）和速效鉀含量，降低添加當年0-10 cm土層土壤容重和增加總孔隙度與pH值，對土壤CEC的影響隨添加后時間推移增加會更為明顯。
　　(2)添加生物炭會改變土壤水分參數(shù)和水分運移特征，

7、影響程度因土壤質(zhì)地不同而異。室內(nèi)土柱模擬試驗結果表明，隨著生物炭添加量增加，風沙土和黑壚土水分入滲速度和累積入滲量逐漸降低，黃綿土水分入滲速率和累積入滲量呈先增大后減緩的趨勢。添加生物炭的3種土壤濕潤峰運移距離與運移時間均符合冪函數(shù)關系，且Philip入滲模型可以較好的描述添加生物炭土壤水分累積入滲量變化過程。添加生物炭對黃綿土和黑壚土累積蒸發(fā)量(30 d)沒有顯著影響，但可改變風沙土蒸發(fā)特征，對其前期蒸發(fā)具有顯著抑制效果。田間試驗結果

8、表明，配施氮肥條件下，添加生物炭有利于增強土壤持水能力，增加土壤最大持水量、易效水和有效水含量、田間持水量以及低、中吸力階段水分含量，對0-10 cm土層土壤水分特征影響最為明顯。添加生物炭處理耕層土壤會吸持更多的水分可供作物吸收，并減小田間條件下土壤水分變化幅度，有減緩土壤蒸發(fā)潛力。生物炭會提高土壤飽和導水率，促進水分入滲。在相對嚴重干旱條件下，生物炭處理的玉米根系可以吸收深層土壤水分（土深40 cm以下），尤其是籽粒灌漿期，作物通過

9、消耗深層土壤水分以滿足對水分的需求，從而增加作物關鍵生育期水分消耗。
　　(3)生物炭獨特的多孔隙結構和強吸附特性，使其與氮肥配施后能增加養(yǎng)分保持能力，降低養(yǎng)分損失。室內(nèi)土柱模擬試驗結果表明，添加生物炭降低風沙土硝態(tài)氮淋溶量18.1％～37.2％，黃綿土達33.8％～87.7％，黑壚土達13.8％～80.8％。3種質(zhì)地土壤在0.5％、3％和5％生物炭添加量下的硝態(tài)氮淋溶量均顯著低于對照處理，表明適量生物炭添加能夠增強土壤氮素固持能

10、力、降低硝態(tài)氮淋失及環(huán)境風險。田間試驗結果表明，在未施氮肥條件下，農(nóng)田土壤硝態(tài)氮累積主要發(fā)生在0-40 cm土層，添加20thm-2生物炭降低了收獲后0-40 cm土層土壤硝態(tài)氮累積量7.5～11.3 kg hm-2;在配施氮肥條件下，添加生物炭降低土壤剖面硝態(tài)氮淋溶深度和硝態(tài)氮累積總量，BC30處理硝酸鹽主要保持在玉米根區(qū)（0-100 cm土層）。在覆膜條件下，添加20 t hm-2生物炭對土壤剖而硝態(tài)氮分布的影響與試驗年份有關，未顯

11、著影響2012年0-60和0-200 cm土層土壤硝態(tài)氮累積，顯著增加2013年0-60和0-200 cm土層和2014年0-60 cm土層土壤硝態(tài)氮累積。
　　(4)添加生物炭會改變玉米地上部和根系生長特征，影響玉米地上部植株干物質(zhì)累積，影響程度因生物炭添加量、施氮、覆蓋、試驗年份不同而異。未施氮肥條件下，添加20 t hm-2生物炭抑制植株生長和發(fā)育，降低地上部植株干物質(zhì)累積。配施氮肥條件下，添加初期（2012年），BC10處

12、理表現(xiàn)出促進生育前期根系生長的潛力，BC20處理玉米植株在整個生育期內(nèi)的生長優(yōu)于對照處理，BC30處理明顯抑制春玉米生育初期根系和地上部生長，隨玉米生育進程推進，這種抑制作用逐漸消失，在生殖生長階段，BC30處理促進了根系生長，提高植株生長速率和增加干物質(zhì)累積。2013年，添加生物炭促進了整個生育期內(nèi)玉米根系生長，整體表現(xiàn)為生物炭添加量愈高，促進作用愈顯著(BC30＞BC20＞ BC10＞ BC0)。生物炭對根系根長垂直分布的影響深度隨

13、生物炭添加量增加而增加。添加生物炭雖然會減小玉米根系直徑，但卻促進了根系中細根的產(chǎn)生。2013和2014年，添加生物炭提高了吐絲期前后和灌漿期植株生長速率，促進植株干物質(zhì)累積。覆膜條件下，與未添加生物炭處理(FB0)相比，添加20 t hm-2生物炭促進了玉米根系生長和建成，增加根系干重、根長和根表面積，促進吐絲期10-30 cm土層玉米根長伸展，有利于地上部植株生長和發(fā)育。
　　(5)生物炭與氮肥配施有利于促進玉米植株養(yǎng)分累積和

14、養(yǎng)分生產(chǎn)效率。2012年，添加生物炭盡管降低了吐絲期莖稈和穗氮濃度（BC10和BC30也分別顯著降低了拔節(jié)期葉片氮濃度7.7％和12.3％），但因較高的生物量，對吐絲前植株氮素總積累量沒有顯著影響，而吐絲后植株氮素的積累促進了籽粒氮吸收。2013和2014年，生物炭增加了吐絲前、后植株氮素積累量，促進營養(yǎng)器官中氮素向籽粒的轉移，提高氮素轉移效率，增加籽粒氮濃度，提高氮素收獲指數(shù)(NHI)。添加生物炭促進試驗3年玉米植株氮、磷、鉀吸收，提

15、高氮肥利用效率(NUE)、磷肥利用效率(PUE)和鉀肥利用效率(KUE)，且NUE、PUE和KUE隨生物炭添加量增加而增加。覆膜條件下，添加20 t hm-2生物炭處理呈現(xiàn)高植株氮、磷、鉀吸收，且顯著提高2013和2014年作物NUE、PUE和KUE。未施氮肥條件下，添加20 t hm-2生物炭處理呈現(xiàn)低植株氮、磷吸收，PUE和KUE均顯著降低。
　　(6)生物炭與氮肥配施增加玉米籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。BC0處理籽粒產(chǎn)量為8.9

16、～10.2 t hm-2，穗粒數(shù)為428～460，水分利用效率(WUE)為23.8～28.3 kg hm-2 mm-1。BC20和BC30處理顯著增加籽粒產(chǎn)量8.9％～15.9％，提高穗粒數(shù)5.7％～10.2％和WUE10.7％～15.1％。覆膜條件下，F(xiàn)B0處理籽粒產(chǎn)量為13.5～13.8 t hm-2，穗粒數(shù)為502～519，WUE為30.7～34.7 kg hm-2 mm-1;添加20 t hm-2生物炭顯著提高籽粒產(chǎn)量8.7％～