生物质炭应用于黄淮海平原低产农作旱地增产低碳效果探讨

摘要

全球气候变化问题已成为全球关注的焦点，各国携手应对气候变化，共同推进绿色、低碳发展已成为当今世界的主流。农田生态系统作为温室气体的重要排放源，越来越受到各国政府和科学家的重视。农作物秸秆炭化的生物质炭在农业上的应用已得到国际的认可，可以作为防治土壤退化、保证粮食产量以及应对气候变化的重要途径。本研究以华北平原黄淮海低产旱地农田土壤为研究对象，在小麦-玉米轮作农田施用农作物秸秆的生物质炭和氮肥配施，评价生物质炭的减排效果和对产量、土壤的作用以及其后期效应。另用农作物秸秆炭化的生物质炭与猪粪堆肥，再和秸秆热裂解的产物木醋液配施，对黄河滩盐分胁迫低产土壤进行改良，研究结果如下:
　　 1.在黄淮海低产田潮土上，施入生物质炭0、20、40thm-2与氮肥配施，探讨玉米-小麦轮作农田土壤增产效果。试验结果表明，在当季玉米季与氮肥配施时，添加20、40thm-2生物质炭的处理与对照相比，作物产量增加了18.2％、11.6％;在不施氮肥时玉米产量比对照增加了15.8％、7.3％。生物质炭对后茬小麦产量没有显著影响。
　　 当季玉米季与氮肥配施，添加20，40thm-2生物质炭的处理与对照相比，有机碳增加了25.0％、42.2％，土壤容重分别降低了0.13、0.17gcm-3，而土壤的pH值、土壤全氮含量没有显著差异;在不施氮肥时，与相应的对照相比，土壤有机碳增加了44.0％、57.8％，土壤全氮增加了24.1％、31.0％，pH值也有所增加，土壤容重降低了0.14、0.28gcm-3。生物质炭对玉米和小麦季土壤的NH4+-N和NO3--N在施肥和不施肥时均无显著影响。生物质炭提高了氮肥的农学利用率，由不施加生物质炭的1.25kgkg-1提高到施加生物质炭40thm-2的2.28kgkg-1。
　　 在后茬小麦季，施加生物质炭对土壤全氮也无明显影响，能够增加土壤的有机碳，降低土壤容重，土壤的速效磷和速效钾含量都有所增加。添加生物质炭的处理与对照相比有机碳增加了22.3％、15.8％，土壤容重降低了0.08～0.1gcm-3这说明生物质炭对后茬小麦田土壤的影响程度远低于施入生物质炭当季玉米季。后茬小麦季，施加生物质炭20thm-2的土壤速效磷含量比对照增加了31.9％，施加40thm-2生物质炭的处理速效钾含量比对照增加了47.8％，由此可看出生物质炭施入土壤增加了土壤养分含量。生物质炭在干旱时，具有良好的保水持水性能，为植物抗旱条件下生长提供水分。
　　 2.研究施加生物质炭对玉米季和后茬小麦田土壤温室气体排放的影响，结果表明在整个玉米生长季，施氮肥时，与对照相比，施加20，40thm-2生物质炭处理N2O的排放总量分别降低了10.7％和71.8％。然而在不施肥处理中，施加生物质炭的处理与其对照相比N2O的排放量没有显著差异。生物质炭能够降低甲烷排放，但旱地土壤CH4的排放较少，可以作为吸收CH4的汇。施氮肥时各处理间的CO2的排放总量无显著差异，而在不施氮肥时，添加40thm-2生物质炭与对照相比CO2的排放总量有所增加。在后茬小麦季施加20thm-2和40thm-2生物质炭的C1N1和C2N1处理土壤N2O的排放总量分别与对照C0N1处理相比降低了34.88％、34.3％，而C1N1和C2N1处理之间无显著差异。生物质炭对CH4和CO2的释放总量没有显著影响。
　　 生物质炭能够显著降低土壤温室气体GWP和GHGI，且长期效果显著。玉米生长季，与氮肥配施时，添加20thm-2和40thm-2生物质炭的处理与对照相比GWP分别降低了9.7％和41.5％，GHGI分别降低了23.8％、46.7％;而在不施氮肥时，GWP和GHGI各处理间无显著差异。在后茬小麦季，添加20thm-2和40thm-2生物质炭的处理与对照相比GWP降低了35.3％、34.6％，而GHGI分别降低了34.0％和36.6％。说明生物质炭不仅对当季土壤温室气体排放的GWP和GHGI显著降低，还有持续效应，能够降低下季土壤温室气体排放。生物质炭在降低旱地土壤N2O的排放和减少氮肥的施用量以及氮肥生产过程中温室气体的排放方面有显著效果，它所产生的后期效应为生物质炭的推广和对可持续生态农业的发展具有深远的意义。
　　 3.对河南老黄河滩地盐分胁迫土壤进行改良和小麦种植试验示范，采用生物质黑炭与猪粪堆肥发酵的混合生物质有机土壤改良剂并结合施用木醋液，施用量为12thm-2，小麦当年亩产达到450kg，实现中产水平。试验研究表明，生物质炭和猪粪堆肥复合改良剂，在和木醋液配施条件下，土壤盐分大幅度降低40％，pH值降低0.3个单位，同时土壤土壤有机质较大幅度提高(40％)，容重由1.33gcm-3降低到1.21gcm-3，有效养分大幅度提高（速效磷增加100％,达50mgkg-1），作物的N、P吸收大幅度提高，施用氮肥的子粒吸收利用率相应提高25％。因此，生物质炭和猪粪堆肥改良剂的多种良好作用的协调发挥达到了快速恢复和改良土壤肥力的作用。
　　 综上结果表明，农作物秸秆炭化的生物质炭还田土壤处理，不但处理了秸秆等废弃物，而且起到降低旱地土壤温室气体排放、旱地盐碱土壤改良、增产保墒和提高氮肥利用率的良好效果。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 文献综述

1．1 研究的问题及国内外相关进展

1．1．1 气候变化下的中国农业

1．1．2 减排与低碳生产：生物质炭的生产和农业应用

1．2 本研究的意义和目的

1．2．1 研究意义

1．2．2 研究目的

1．3 研究的内容和技术路线

1．3．1 研究的内容

1．3．2 技术路线

第二章 生物质炭对石灰性低产土壤肥力性质及玉米和小麦产量的影响

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 试验地的选择

2．2．2 试验材料

2．2．3 试验设计

2．2．4 试验处理和管理

2．2．5 采样与分析测定

2．2．5 数据统计分析

2．3 结果分析

2．3．1 生物质炭对玉米和小麦产量的影响

2．3．2 生物质炭对旱地土壤理化性质的影响

2．4 分析讨论

2．4．1 施用生物质炭对土壤理化性质的影响

2．4．2 施用生物质炭对玉米产量及氮肥利用率的影响

2．5 小结

第三章 生物质炭对旱地农田温室气体排放的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 试验地的布置

3．2．2 试验材料

3．2．3 试验设计

3．2．4 温室气体采样与分析

3．2．5 作物产量及其构成的测定

3．2．6 数据统计分析

3．3 结果

3．3．1 温室气体排放动态

3．3．2 温室气体排放总量与总温室效应的变化

3．4 分析与讨论

3．4．1 生物质炭施用对不同温室气体排放的影响

3．4．2 生物质炭减排的持续性效应与作物生产碳强度

3．5 小结

第四章 生物质炭对盐分胁迫低产土壤的改良及小麦产量效应

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 试验地的设置及土壤状况

4．2．2 生物质炭和木醋液

4．2．3 生物质炭和猪粪堆肥

4．2．4 试验设计

4．2．5 土样的采集和测定

4．2．6 小麦植株样采集及植株中盐分含量测定

4．2．7 小麦产量的测定

4．2．8 数据分析

4．3 结果分析

4．3．1 生物质炭猪粪堆肥和木醋液对土壤理化性质的影响

4．3．2 土壤养分含量

4．3．3 养分的吸收和转移

4．3．4 小麦产量及其构成因素

4．3．5 酶活性和微生物生物量碳氮

4．4 分析讨论

4．4．1 BPC-PS和土壤盐分的相互作用

4．4．2 BPC-PS对土壤养分供应和作物产量的影响

4．4．3 BPC-PS对微生物生物量碳氮和酶活性的影响

4．5 小结

第五章 全文结论及研究展望

5．1 全文讨论

5．1．1 生物质炭改良低产土壤的意义

5．1．2 生物质炭的增产与减排效应

5．2 主要结论

5．2．1 生物质炭对低产田潮土改良

5．2．2 生物质炭对低产田作物产量和土壤温室气体排放的影响

5．2．3 生物质炭对盐分胁迫低产田作物产量和改良意义

5．3 创新点

5．4 存在问题

5．5 研究展望

参考文献

攻读学位期间发表论文与专利

致谢