秸秆生物炭对东北草甸黑土水力特性的影响

发布时间：2020-07-03 14:24

【摘要】：近年来由于黑土区水土流失严重,土壤的肥力和持水能力持续下降,威胁着我国的粮食安全和可持续发展。利用秸秆等农业废弃物生产的生物炭,可以施加到土壤中对土壤进行修复改良,提高土壤的水分利用率和利用效率,增加作物产量。本文主要分析生物炭对东北草甸黑土水力特性的影响。研究包括施加生物炭土壤老化时水力性质的改变;持续四年在土壤中施加生物炭对土壤水力特性的影响。试验地点选择在北安市红星农场,田间试验和室内试验相结合,基础理论和数值模拟相结合,对不同生物炭施加量的黑土进行水力特性研究,主要研究结果如下:(1)生物炭和土壤有着不同的水力特性,施加生物炭土壤由生物炭粒子和土壤构成,其水力特性与未施加生物炭土壤不同。本文假设土壤和生物炭均满足van Genuchten(VG)模型,推导出施加生物炭土壤的水力学模型。推导结果表明,施加生物炭土壤的特性和VG土壤模型有差别,与多孔隙土壤模型更加类似。(2)试验结果发现,东北草甸黑土施加生物炭后的水力特性并不满足理论推导的土壤模型,在较低吸力下,施加生物炭土壤含水率的试验值明显高于模型预测值,这表明施加生物炭的土壤与理论模型相比出现了较多孔隙。本文结合试验结果,修正了推导的土壤模型,当生物炭的施加量不大于100t?hm~(-2)时,修正后模型的预测值与试验测定值吻合较好,两者之间的最大误差小于5%。修正后的土壤模型与VG模型非常接近,这表明采用VG模型近似描述施加生物炭土壤的水分特征是较为合理的,结合Mualem理论还可以给出施加生物炭土壤的非饱和导水率。(3)本文假设生物炭和土壤在相同基质吸力下的不同含水率是由数量不等、孔径相同的毛细管决定的。通过试验分别测定生物炭和土壤的水分特征曲线,基于毛细管模型能够给出施加不同比例生物炭土壤中的毛细管总数量。利用毛细管的孔径和总数量,继而推导出施加生物炭土壤的非饱和导水率。利用土柱渗透试验对毛细管模型进行了验证,数值计算结果与试验数据偏差小于15%,这表明采用毛细管模型对土壤中的水分运动进行计算较为准确。(4)田间试验研究发现,在东北草甸黑土中施加生物炭,随着生物炭施加量的增加,土壤容重逐渐降低,土壤总孔隙度逐渐增加;土壤的水稳性团聚体含量和总有机炭含量逐渐增加;有机质、速效钾、有效磷也逐渐增加。测定土壤孔隙度的试验结果表明,生物炭施加到土壤中,会改善土壤结构,有利于水分的传输和保留,进而提高东北黑土土壤的导水性和持水性,因此在农业生产上,施加生物炭可以改良东北草甸黑土土壤的水力特性。(5)为研究东北自然条件下生物炭的老化对草甸黑土土壤的长期影响,本文对2015年施用生物炭后的土壤连续测定四年。2015-2018年的测定结果表明,施加生物炭的土壤老化一年后,土壤特性已经开始变化,土壤的含水率略有下降、容重增加、孔隙度下降;施加生物炭的土壤在四年时间里,土壤的持水量持续减少、凋萎系数略有增加,这使得作物可利用水降低,土壤保持和供释水分的能力与刚施加时相比逐渐下降。生物炭老化使得生物炭粒子和土壤团聚体结合得更加紧密,土壤中的孔隙会逐渐减少,导致土壤的含水率和导水率都会随时间下降。虽然土壤中的生物炭性质稳定,但在四年的时间跨度下,土壤特性仍然发生了较为明显的变化。(6)为研究生物炭施用年限和施用量对东北草甸黑土土壤指标及水力特性产生的影响,选择25、50、75、100t?hm~(-2)四种处理连续施加四年。2015-2018四年的试验结果表明,持续施加生物炭两年后,施加量为75、100t?hm~(-2)的土壤各基质吸力下的含水率增幅都很小,田间持水率、凋萎系数均会缓慢增加。持续施加生物炭三年后,施加量为50、75、100t?hm~(-2)的土壤水力特性变化很小。持续四年生物炭施加量为100t?hm~(-2)土壤的作物可用水呈现下降的趋势。(7)利用测定的施加生物炭土壤的数据,数值计算了降雨入渗后土壤中的水分运动及分布,通过对比计算值和试验测定值来验证本文模型的准确性,并探究生物炭对草甸黑土土壤持水保肥机理。结果表明,本研究可以较准确的给出东北草甸黑土中的水分运动,该计算结果能为东北黑土施加生物炭提供理论指导。计算结果还表明,降雨后施加生物炭土壤层的含水率随生物炭施加量的增大而增加,但随着土壤深度的增加,施加的生物炭对底层土壤的含水率基本没有影响。(8)对东北草甸黑土施加生物炭老化土壤的降雨入渗研究表明,采用van Genuchten/Mualem(VG-M)模型进行水分运动计算有时会产生偏差,VG-M模型不能精准描述施加生物炭土壤的水力学特性;另外,连续四年施加生物炭土壤的降雨入渗研究表明,持续施加生物炭对东北草甸黑土土壤的水力特性的影响是非线性的,施加的生物炭累积到一定量后,其对土壤水力特性的影响也逐渐减弱。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S152
【图文】：

场地位置,1试验,来源

东北农业大学工学博士学位论文与方法地点和试验材料点选择在农垦北安管理局红星农场试验基地(北纬 48°02′~48°17′，该基地位于黑龙江省北安市境内，试验区场地位置如图 2 1 所示土区，位于柳毛河、鸡爪河流域，属寒温带大陆性季风气候，无霜期燥，夏季高温多雨，降雨时间集中，年降水量多介于 450~650mm，其为 402mm，约占年平均降雨量的 75%。该地区黑土层土质肥沃，非面积达 58.8Khm2。数据资料显示，该地区活动积温为 2250.1 摄氏度大地下水埋深 40m，冻深最大约为 3.0m[114]。该地区多为有坡度的耕作导致土壤板结、土地退化、土地生产力下降和黑土层严重流失北草甸黑土，以粗粉沙和粘粒最多，各占 30%~40%，容重 1.0~1.3g性均较好，总孔隙度多在 40%~60%，毛管孔隙可占 20%~30%，通

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图 2 2 生物炭照片Fig.2-2 Photograph of Biochar表 2 1 试验区土壤基本性状Tab.2-1 Basic soil features in the test area颗粒组成碱解氮(mg kg-1)速效磷(mg kg-1)速效钾(mg kg-1)有机(g k砂粒(>0.02mm)粉粒(0.02~0.002mm)粘粒(<0.002mm)22.17% 43.68% 34.15% 221 16.3 158 61表 2 2 试验区采用的生物炭基本性状Tab.2-2 The basic properties of biochar were used in the test area生物炭粒径全碳全氮全磷全钾 pH 制备条秸秆炭0.1~2.5mm 71.16% 1.56% 0.72% 1.64% 9.28 无氧、450℃

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