秸秆直接还田效果及秸秆热解制成生物炭还田模拟研究

【摘要】：关中地区是陕西省主要的粮食生产区，也是我国小麦-玉米一年两熟轮作制的典型分布区，消除该地区农业生产中遇到的障碍，促进该地区农业的可持续发展，不仅有利于保障当地粮食安全，而且对于我国其他一年两熟轮作区集约化农业的可持续发展亦有深远意义。针对该地区农业生产中目前遇到的土壤有机质下降、土壤结构变劣、土壤生产力降低及大量秸秆资源浪费等问题，本研究通过探索高效利用秸秆的方法，为解决地区农业生产中的问题，促进地区农业的可持续发展提供理论和实践依据。首先，依据当地小麦-玉米轮作制度的生产现状，于2008-06至2010-10期间在西北农林科技大学三原试验站，设置了3个不同的秸秆还田模式组合，进行秸秆还田田间试验，评估秸秆直接还田配合不同的耕作方式对土壤碳、土壤养分和土壤周年生产力的影响，为筛选最优秸秆还田模式提供理论参考依据；其次，结合关中地区农业的实际情况，借鉴国际上对生物炭（biochar）的研究经验，采用室内培养试验方式比较了秸秆直接物理粉碎与制成生物炭后，在土壤中的腐解特征和对土壤总有机碳的影响，评估了秸秆转化成生物炭后在促进关中地区农业生产的可行性，为秸秆的高效利用提供新型的理论依据；另外，基于室内培养试验的数据，运用数学模型的方法，预测不同生物炭施用量对土壤中碳截留量和土壤中不同碳形态的影响，在更大的时间尺度上（100年）评估生物炭在关中地区石灰性土壤中碳“汇”效果和对土壤质量的改善潜力。具体的试验过程和结果如下： 1.在陕西关中地区，于2008-06–2010-10年采用2年4季的田间定位试验，以玉米秸秆不还田-小麦秸秆不还田为对照（CK），比较玉米秸秆覆盖还田-小麦秸秆高留茬还田（T-1）、玉米秸秆直接还田-小麦秸秆高留茬还田（T-2）、玉米秸秆直接还田-小麦秸秆直接还田（T-3）3种秸秆还田方式对土壤碳储量、养分含量及作物周年产量的影响。与CK相比，3种秸秆还田方式下土壤总有机碳储量（C_T）、土壤活性碳储量（C_L）、土壤碳库管理指数（CMI）、土壤全磷、硝态氮、速效钾含量和作物周年产量均增加。3种秸秆还田方式对C_T、C_L及CMI的影响表现为T-3 T-2 T-1；对作物周年产量的影响则表现为T-2 T-3 T-1；对土壤养分的影响无明显规律性，但是对速效钾的影响表现为T-2 T-3 T-1。综合考虑，在陕西关中小麦-玉米轮作体系中玉米秸秆直接还田-小麦秸秆高留茬还田模式（T-2）是较优的耕作方式。 2.通过比较玉米秸秆（MS）、小麦秸秆（WS）、玉米秸秆生物炭（MB）和小麦秸秆生物炭（WB）在土壤中的腐解情况，确定秸秆制成生物炭在关中地区的应用潜力，为探寻秸秆在关中地区石灰性土壤上的更高效利用途径和生物炭在我国碳交易中的应用提供理论依据。结果表明：1）玉米秸秆和小麦秸秆经过高温制成生物炭后在石灰性土壤中的呼吸速率比其对应的秸秆分别低76%和77%，呼吸趋势与对照（CK）几乎重合。2）两种秸秆与其制成的生物炭对CO_2-C累积释放量的影响呈现与土壤呼吸率相似的差异：在74d的培养期内，小麦秸秆和玉米秸秆生物炭的CO_2-C累积释放量仅为82.43和84.62mg·pot~(-1)，远远低于对应秸秆的355.80和347.00mg·pot~(-1)；3）WB和MB的累积矿化率分别为8.96%，8.22%，而WS和MS施入土壤在培养期间的累积矿化率分别达到55.59%，52.58%，是制成生物炭的6.30倍。4）秸秆和生物炭施入土壤经过培养后都显著增加了土壤的总有机碳（TOC）含量，增加幅度为WB MB MS WS，其中以WB增加幅度最高，比CK提高74%。可见，秸秆经热解制成生物炭后在关中地区的石灰性土壤中比秸秆物理粉碎直接还田具有更加稳定的特性，能够更大幅度提高土壤中有机碳的含量。因此，秸秆制成生物炭在促进关中地区农业可持续发展和增汇减排中很有实际应用价值。 3.在明确生物炭在关中地区具有大幅度提升土壤中有机碳含量的基础上，通过室内模拟试验，探讨生物炭不同的用量进入土壤中在较大时间尺度（100年）上的降解和对土壤碳的影响规律，旨在为生物炭在关中地区的田间实际应用提供理论依据，同时为建立全球气候预测模型提供参数。结合关中地区农业的实际情况，试验对玉米秸秆生物炭（MB）和小麦秸秆生物炭（WB），分别设置5、10、20g/kgsoil（11250、22500、45000kg/hm~2）3个水平，分别对应WB-5、WB-10、WB-20和MB-5、MB-10、MB-20等6个处理，及对照CK。结果显示，1）生物炭施入土壤后的降解矿化速率符合“对数模型”，且模型与实际数据的相关性均大于0.95；2）在设定土壤和环境条件不变的条件下用该模型预测出生物炭不同施用量与其百年降解率（Clost100years/%）呈负相关性，有WB-5 WB-10 WB-20和MB-5MB-10 MB-20的规律。即在100年的时间尺度上，生物炭施用得越多，在土壤中剩余的生物炭量越大；3）生物炭能够增加土壤中总有机碳（TOC）含量，而且增加幅度与施用量呈正比；生物炭的施用量对土壤中的可溶性有机碳（DOC）和活性有机碳（LC）影响差异不显著。4）不同的生物炭量对土壤中微生物量碳（MBC）呈显著地负相关性。可以看出，在关中地区的石灰性土壤上施用生物炭，其矿化降解符合对数模型；生物炭施用对土壤中总有机碳含量具有显著地增加效果，且效果能够保持100年以上；生物炭的增加并不能增加土壤中活性有机碳和微生物量碳的含量。因此，在关中地区的石灰性土壤上施用生物炭能够在较长的时间段里增加土壤中总有机碳的含量，但是由于生物炭本身的碳很稳定，并不能显著改善土壤中碳的质量。 【关键词】：小麦-玉米轮作 秸秆利用方式 周年产量 土壤有机碳 生物炭
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：S158
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 文献综述13-25
• 1.1 研究背景13-15
• 1.1.1 我国农业生产发展瓶颈13-14
• 1.1.2 循环农业是必然选择14-15
• 1.2 关中地区农业概况15-16
• 1.2.1 关中地区农业生产在保证我国粮食安全中的作用15
• 1.2.2 关中地区农业生产中亟需解决的问题15-16
• 1.3 积极探索促进关中地区农业可持续发展的方案16-23
• 1.3.1 巩固以直接高效合理利用秸秆资源的技术成果17-19
• 1.3.2 积极探索秸秆热解技术处理19-23
• 1.4 关中地区以秸秆还田技术为纽带建设循环农业体系的展望23-25
• 第二章 小麦-玉米轮作体系中秸秆还田方式对土壤肥力及作物产量的影响25-32
• 2.1 材料与方法25-27
• 2.1.1 试验区概况25
• 2.1.2 试验材料25-26
• 2.1.3 试验设计和田间管理26-27
• 2.1.4 样品采集与指标测定27
• 2.1.5 试验数据处理27
• 2.2 结果与分析27-30
• 2.2.1 不同秸秆还田方式对耕层土壤碳储量和 CMI 的影响27-29
• 2.2.2 不同秸秆还田方式对耕层土壤养分的影响29
• 2.2.3 不同秸秆还田方式对作物周年产量的影响29-30
• 2.3 讨论30-31
• 2.3.1 秸秆还田方式对农田碳储量和 CMI 的影响30
• 2.3.2 秸秆还田方式对土壤肥力状况的影响30
• 2.3.3 秸秆还田方式对作物周年产量的影响30-31
• 2.4 结论31-32
• 第三章 秸秆及其生物炭在石灰性土壤中矿化特征比较32-39
• 3.1 材料与方法33-34
• 3.1.1 供试材料33
• 3.1.2 试验设计33-34
• 3.1.3 指标测定与方法34
• 3.1.4 数据处理及统计34
• 3.2 结果与分析34-37
• 3.2.1 秸秆及其生物炭在石灰性土壤中的矿化速率比较34-35
• 3.2.2 秸秆及其生物炭在石灰性土壤中的累积矿化量比较35-36
• 3.2.3 秸秆及其生物炭对石灰性土壤有机碳储量的影响36-37
• 3.3 讨论37
• 3.3.1 秸秆制成生物炭后在石灰性土壤中的矿化情况37
• 3.3.2 不同秸秆制成生物炭后在石灰性土壤中的矿化情况比较37
• 3.3.3 秸秆制成生物炭后对增加石灰性土壤总有机的影响37
• 3.4 结论37-39
• 第四章 不同施用量生物炭在石灰性土壤中的演变规律探讨39-46
• 4.1 材料与方法40-41
• 4.1.1 供试材料40
• 4.1.2 试验设计40-41
• 4.1.3 测定与分析方法41
• 4.1.4 数据处理41
• 4.2 结果与分析41-44
• 4.2.1 生物炭施用量对土壤呼吸量的影响及模型的建立41-42
• 4.2.2 基于模型预测生物炭对土壤有机碳的长期影响42-43
• 4.2.3 不同生物炭施用量对不同土壤碳的影响43-44
• 4.3 讨论44-45
• 4.3.1 石灰性土壤中施用生物炭在石灰性土壤中的矿化情况44
• 4.3.2 对数模型在石灰性中对预测生物炭降解的适用性44
• 4.3.3 秸秆制成生物炭后对增加石灰性土壤碳的影响44-45
• 4.4 结论45-46
• 参考文献46-52
• 致谢52-54
• 作者简介54

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