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生物炭改良白浆土的初步研究

作　者: 殷大伟
导　师: 陈温福
学　校: 沈阳农业大学
专　业: 作物学
关键词: 生物炭白浆层孔隙水分化学性质微生物
分类号: S156
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

白浆土的亚表层-白浆层结构致密,易导致表旱表涝和严重的耕层水土流失,是我国典型的低产田。生物炭孔隙结构丰富、容重低,可通过改善土壤水肥气热条件等多方面功能发挥改土增产作用。为探讨生物炭在我国东北地区广泛分布的白浆土改良工作中的应用潜力,本研究采用盆栽实验,通过向白浆土白浆层施入不同用量的生物炭(0、10、30、50t.hm-2),重点研究了生物炭对白浆层孔隙结构、持水能力等理化性质的影响,分析了生物炭对白浆土大豆根系生长和产量的作用规律,提出了改良白浆土白浆层的适宜生物炭用量,旨在为使用生物炭技术改良白浆土提供理论依据。主要研究结果如下：1.生物炭可有效降低白浆层容重,改善其塑性及各级孔隙分布当生物炭用量为10t·hm-2时,白浆层的容重为1.00g·cm-3,接近适宜的容重标准(1.1-1.3g·cm-3),若继续增加生物炭用量,白浆层的容重值过低,不利于植物根系的固定。随着生物炭用量的增加,白浆层的比重同样呈现下降趋势。当生物炭用量为10、30t·hm-2时,白浆层的塑性指数分别为24.37、28.64%,接近于适宜机械耕作的土壤塑性指数。尤其在生物炭用量为10t-hm-2时,白浆层总孔隙度达62.27%,接近适宜作物生长的孔隙度(50～60%)。生物炭还增加了通气孔隙度和毛管孔隙度,有效改善了白浆层的三相比例,当生物炭用量为10t·hm-2时,固相率：液相率：气相率=37.72%：38.81%：23.47%。综合看来,当生物炭用量为10t·hm-2时,白浆层的容重、塑性指数、总孔隙度接近适宜水平,可以作为大型机械作业的参考标准。2.生物炭通过改善白浆层孔隙结构提高了其水分渗透性能生物炭可显著降低白浆层粗孔隙数、粗孔隙度(p<0.05),增加了白浆层的大孔隙数、大孔隙度、总孔隙度,并在各个层次上均表现出随生物炭用量增加而递增的趋势。白浆层的总孔隙度在生物炭用量为50t·hm-2时达到最大值27.58%,较CK增加539.91%。生物炭显著降低了白浆层孔隙的成圆率,但增加了孔隙周长。当生物炭用量为50t·hm-2时,成圆率最小,仅为0.80,但孔隙周长达到最大值,为17.72mm。白浆层的水分入渗性能也表现为50t·hm-2>30t·hm-2>10t·hm-2>CK。当生物炭用量为50t-hm-2时,初渗率、平均渗透率、稳渗率、100min渗透总量、饱和渗透系数分别为CK的17.8、12.08、13.12、12.76、12.76倍。使用Kostiakov模型可以较好地模拟生物炭添加后白浆层的水分入渗过程,但对CK的拟合效果差,说明生物炭添加形成的孔隙与白浆层原始孔隙的存在形式是有差异的。3.生物炭对白浆层的持水、释水能力均有正向作用生物炭处理增加了白浆层各级土壤吸力下的质量含水量,且均表现为50t·hm-2>30t·hm-2>10t·hm-2>CK。模拟结果表明,生物炭增加了Gardner的幂函数经验公式SWC=Aψ-B中A、B的值,也增加了白浆层的各级土壤当量孔径,说明生物炭可以增加白浆层的持水能力。同时,生物炭还增加了各级吸力下的比水容量,表现为50t·hm-2>30t·hm-2>10t·hm-2>CK,说明生物炭可以有效的增强白浆层的释水能力。综合分析结果表明,生物炭同时提高了毛管持水量、饱和持水量、田间持水量和永久萎蔫系数,但由于田间持水量的增幅大于永久萎蔫系数,故有效含水量大幅提高,进一步说明了生物炭添加对白浆层理化性质改良的正向效果。4.生物炭增加了白浆层的微生物数量并提高了土壤酶活性细菌数量在30、50t·hm-2生物炭添加量时达到最大值,为CK的6.20倍。氨化细菌、固氮菌、放线菌、微生物总数量均在50t·hm-2时达到最大值,分别为CK的24.29倍、12.09倍、7.83倍、7.10倍。真菌在30t·hm-2时达到最大值,为CK的8.33倍。白浆层中的脲酶、过氧化氢酶、蛋白酶、纤维素酶的含量也随之提高,但蔗糖酶含量有所下降。不同种类微生物的数量与白浆层中的各种酶活性存在复杂的相关关系。其中均蔗糖酶含量与白浆层微生物数量呈极显著负相关,脲酶与真菌、放线菌数量呈极显著正相关,过氧化氢酶与细菌、真菌、放线菌呈数量显著正相关,蛋白酶含量与放线菌数量呈显著正相关,纤维素酶与氨化细菌、细菌、真菌、放线菌数量呈显著正相关。5.生物炭对白浆层养分状况有显著影响并促进了大豆对养分的吸收生物炭增加了分枝期、开花期的白浆层的全N量,增加了各时期白浆层的全P、全S量,均表现为50t·hm-2>30t·hm-2>10t·hm-2>CK。生物炭也增加了白浆层中速效磷、速效钾的含量,但对白浆层的碱解氮含量有所抑制。生物炭对EC、pH的影响未呈现明显规律性,但可能间接促进了大豆对N、P、K、Ca、S等养分的吸收,大豆单株对的吸收总量均表现为50t·hm-2>30t·hm-2>10t·hm>CK。随着生物炭用量的增加,大豆植株中N、P、K、Ca、S元素在根系中分配的比例逐渐增加。6.生物炭不同程度地促进了大豆根系的形态建成和产量形成生物炭增加了大豆各生育时期的根干重、根长、根体积、根直径、根表面积、根尖数。成熟期的根干重、根长、根体积在30t·hm-2达到最大值,分别较CK增加164.10%、51.50%、120.95%。虽然在成熟期时耕层的根干重密度、根长密度、根体积密度、根表面积、根尖数在50t·hm-2达到最大值,但主成分分析结果表明,当生物炭用量为30t.hm2时,根系的生长状况最好。生物炭还增加了大豆比吸收表面、比活跃吸收表面和根系还原强度等生理性状,并对大豆的株高、单株粒数、单株粒重、生物产量表现出显著的促进作用,表现为30t·hm-2>10t·hm-2>50t·hm-2>CK,30t·hm-2处理的单株粒重较CK增加21.89%。上述结果表明,对当季作物而言,生物炭的用量的最适范围在30t·hm-2上下。7.生物炭可提高白浆层质量评级进一步对白浆层质量进行了评价,结果表现为50t·hm-2>30t·hm-2>10t·hm-2>CK。其中,白浆层(CK)的质量指数为0.06,属于低(Ⅵ)级；生物炭用量为10t·hm-2的质量指数为0.50,属于中(Ⅲ)级,生物炭用量为30t·hm-2的质量指数为0.75,属于较高(Ⅱ)级,生物炭用量为50t·hm-2的质量指数为0.84,属于高(Ⅰ)级。通过综合质量指标的敏感度分级、各评价指标相关性分析和主成分分析,确定白浆层质量评价指标最小数据集为有效水含量、速效P、速效K、氨化细菌、细菌、真菌、放线菌、纤维素酶、稳定渗透速率、固氮菌。该数据集和综合指标评价结果相关性达0.95,具有较高的代表性。综上所述,生物炭还入白浆土白浆层,可通过对孔隙结构的改善提高土壤通透性,提高土壤有效含水量,并通过丰富土壤微生物群系、提高养分供给能力等促进作物根系形态建成,乃至促进作物产量提高。因此,使用向白浆层混入生物炭的方式改良白浆土具有较高的可行性。但同时也发现,生物炭还田后作物当季产量水平与土壤质量级别并非一一对应,其原因有待进一步探讨。

全文目录

摘要  12-15
Abstract  15-19
第一章文献综述  19-37
  1.1 黑龙江省白浆土的分类  19-20
  1.2 黑龙江省白浆土的形成机理  20-26
    1.2.1 白浆土的形成学说  20-21
    1.2.2 黑龙江省白浆土的形成机理  21-26
  1.3 白浆土限制作物高产的机理研究  26-28
    1.3.1 白浆层结构致密  26-27
    1.3.2 白浆层各级孔隙分配比例失衡  27
    1.3.3 白浆土涝灾频发  27
    1.3.4 白浆土旱灾频发  27
    1.3.5 白浆层养分贫瘠  27-28
    1.3.6 白浆层的微生物数量少  28
    1.3.7 白浆层制约了根系的生长  28
  1.4 障碍性白浆土改良的关键点  28-32
    1.4.1 改变白浆层的机械组成  28-29
    1.4.2 增加白浆层的孔隙度  29
    1.4.3 增加白浆层的水分渗透性  29
    1.4.4 增加白浆层的水分含量  29
    1.4.5 降低白浆土的物理恢复性  29-30
    1.4.6 提高白浆土的磁化率  30
    1.4.7 降低白浆层硬度  30-31
    1.4.8 抑制白浆土的酸化  31
    1.4.9 增加有机碳的输入  31
    1.4.10 增加白浆土水稳性团粒结构  31-32
  1.5 以往改良白浆土的措施及存在的问题  32-33
    1.5.1 白浆层掺砂  32
    1.5.2 有机物施入耕层  32
    1.5.3 石灰施入耕层  32-33
    1.5.4 心土培肥改良  33
  1.6 生物炭基本性质及对土壤改良的研究进展  33-35
    1.6.1 生物炭的基本性质  33-34
    1.6.2 生物炭对土壤理化性质、微生物及产量的作用  34-35
  1.7 研究的目的与意义  35-37
第二章生物炭对白浆土白浆层容重、塑性及各级孔隙度的作用  37-47
  2.1 材料与方法  37-41
    2.1.1 试验地点  37-38
    2.1.2 供试土壤  38
    2.1.3 生物炭  38-39
    2.1.4 供试作物  39-40
    2.1.5 试验设计  40
    2.1.6 土壤采集  40
    2.1.7 测试项目及方法  40-41
    2.1.8 统计分析  41
  2.2 结果与分析  41-45
    2.2.1 生物炭对白浆层容重、比重的作用  41-42
    2.2.2 生物炭对白浆层可塑性的作用  42-43
    2.2.3 生物炭对白浆层各级孔隙度的作用  43-44
    2.2.4 生物炭对白浆层固、液、气三相率的作用  44-45
  2.3 本章小结  45-47
第三章生物炭对白浆土白浆层大孔隙的空间定量分析  47-57
  3.1 材料与方法  47-49
    3.1.1 试验设计  48
    3.1.2 土壤采集  48
    3.1.3 测定项目及方法  48-49
    3.1.4 资料分析  49
  3.2 结果与分析  49-55
    3.2.1 生物炭对白浆层微结构的作用  49-50
    3.2.2 生物炭对白浆层孔隙数目、孔隙度、周长及成圆率的作用  50-55
  3.3 本章小结  55-57
第四章生物炭对白浆土白浆层水分渗透性能的作用  57-66
  4.1 材料和方法  57-59
    4.1.1 试验设计  57
    4.1.2 土壤采集  57-58
    4.1.3 测定项目及方法  58-59
    4.1.4 统计分析  59
  4.2 结果  59-65
    4.2.1 生物炭对白浆土白浆层水分入渗性能的作用  59-61
    4.2.2 白浆层入渗性能指标与容重、比重、各级孔隙度的相关性  61-62
    4.2.3 白浆层水分入渗性能的综合评价与分析  62-64
    4.2.4 白浆层的水分入渗模型的优化模拟  64-65
  4.3 本章小结  65-66
第五章生物炭对白浆层水分能态的作用  66-75
  5.1 材料和方法  67-69
    5.1.1 试验设计  67
    5.1.2 测定项目及方法  67-69
    5.1.3 统计分析  69
  5.2 结果与分析  69-74
    5.2.1 生物炭对白浆层持水性的作用  69-70
    5.2.2 白浆层各处理的水分特征拟合方程  70-71
    5.2.3 生物炭对白浆层当量孔径的作用  71-72
    5.2.4 生物炭对白浆层释水性的影响  72-73
    5.2.5 生物炭对白浆土水分特征常数的作用  73-74
  5.3 本章小结  74-75
    5.3.1 生物炭增加了白浆层的持水能力  74
    5.3.2 生物炭增强了白浆层的释水能力  74-75
第六章生物炭对白浆土白浆层微生物及酶活性的作用  75-85
  6.1 材料和方法  76-77
    6.1.1 试验设计  76
    6.1.2 白浆层样品的采集  76
    6.1.3 统计分析  76-77
  6.2 结果与分析  77-84
    6.2.1 生物炭对白浆层微生物数量的影响  77-79
    6.2.2 生物炭对白浆层微生物多样性的影响  79-80
    6.2.3 生物炭对白浆层酶活性的作用  80-83
    6.2.4 白浆层微生物与酶活性的相关性  83-84
  6.3 本章小结  84-85
第七章生物炭对白浆层化学性质及对大豆养分含量的作用  85-98
  7.1 材料和方法  86
    7.1.1 试验设计  86
    7.1.2 白浆层样品及大豆植株样品的采集  86
    7.1.3 测定项目及方法  86
  7.2 结果与分析  86-96
    7.2.1 生物炭对白浆层化学性质的作用  86-93
    7.2.2 生物炭对大豆植株养分含量的作用  93-96
  7.3 本章小结  96-98
第八章生物炭对大豆根系时空分布及产量的影响  98-109
  8.1 材料与方法  98-99
    8.1.1 试验设计  98
    8.1.2 测定项目及方法  98-99
  8.2 结果与分析  99-108
    8.2.1 生物炭对大豆根干重及根干重密度时空分布的作用  99-101
    8.2.2 生物炭对根长及根长密度时空分布的作用  101-102
    8.2.3 生物炭对根体积及根体积密度密度时空分布的作用  102-103
    8.2.4 生物炭对根表面积、根尖数、根直径时空分布的作用  103-104
    8.2.5 生物炭对根系特征参数主成分分析及评价  104-106
    8.2.6 生物炭对根吸收面积、活跃吸收面积及根系活力的作用  106-107
    8.2.7 生物炭对大豆产量的影响  107-108
  8.3 本章小结  108-109
第九章生物炭对白浆层质量的综合评价  109-118
  9.1 材料和方法  109-110
    9.1.1 试验设计  109
    9.1.2 测定项目及方法  109-110
  9.2 结果与分析  110-116
    9.2.1 白浆层质量评价指标选择和最小数据集确定  110-114
    9.2.2 白浆层质量综合评价  114-116
  9.3 结论  116-118
第十章综合讨论与结论  118-134
  10.1 生物炭对白浆层容重、可塑性、三相率的作用  118-119
  10.2 生物炭对白浆层孔隙的作用  119-121
    10.2.1 生物炭对白浆层各级孔隙度的作用  119-120
    10.2.2 生物炭对白浆层大孔隙的作用  120-121
  10.3 生物炭对白浆层水分渗透性能的作用  121-123
  10.4 生物炭对白浆层水分能态的作用  123-126
  10.5 生物炭对白浆层微生物及酶活性的作用  126-128
  10.6 生物炭对白浆层化学性质的作用  128-130
  10.7 生物炭对大豆根系及产量的作用  130-132
  10.8 生物炭对白浆层综合质量的作用  132-134
参考文献  134-143
致谢  143-144
攻读学位论文斯间发表的文章  144-145

生物炭改良白浆土的初步研究

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