秸秆生物炭对黑土区坡耕地生产能力影响分析与评价

采用径流小区试验,选取不施用生物炭(CK)、生物炭施用量25 t/hm~2(T1)、50 t/hm~2(T2)、75 t/hm~2(T3)和100 t/hm~2(T4)5个处理,分析生物炭施用量对土壤理化性质、持水能力、水土保持效应、节水增产效应等能够反映土地生产能力的指标的影响,建立基于Gumbel Copula函数的不同生物炭施用量下黑土区坡耕地生产能力评价模型,结果表明:随着生物炭施用量的增加,土壤容重降低,孔隙度增大,养分分布更为均匀,土壤有效P、速效K、pH值和有机质含量呈线性递增趋势,土壤铵态N含量呈指数增长;土壤饱和含水率、田间持水量、凋萎系数和有效水最大含量均与生物炭施用量正相关,且高施炭量处理对于土壤水分的影响程度明显高于低施炭量处理;随着生物炭施用量的增加,年径流深和土壤侵蚀量均呈线性递减,减流率和减沙率均呈对数函数递增,而大豆产量和水分利用效率则先增后减,呈抛物线型变化。基于Gumbel Copula函数计算的土地生产能力评价结果较为理想,计算的土地生产能力指数随生物炭施用量的增加呈"S型"曲线递增,土壤理化性质、持水能力和水土保持效应指数均呈线性递增,而节水增产效应指数则呈抛物线型先增后减。     

生物炭对黑土区坡耕地水土保持及大豆增产效应研究

针对东北黑土区坡耕地水土流失严重,农业用水量不足的问题,研究生物炭对该地区的水土保持及作物增产效应,并寻求最优生物炭施用量。2015年,以黑龙江农垦北安分局红星农场3°坡耕地为研究对象,研究不同生物炭施用量对大豆生育期土壤水分动态、表径流、土壤侵蚀、产量和作物水分利用效率的影响。结果表明,生物炭对坡耕地水土保持及大豆节水增产有较好的效果,其中对于水土保持方面,生物炭施用量越高,水土保持效果越好;而对于大豆产量与水分利用效率方面,则生物炭施用量为75 t/hm~2的处理效果最为明显。     

施加生物炭对黑土区坡耕地改土培肥效应的持续影响

为探明施加生物炭对黑土坡耕地的持续影响,以东北黑土区1.5°、3°、5°的坡耕地田间径流小区为研究对象,对土壤结构及其养分进行为期4年的观测。于2016年试验开始前,按75 t/hm2一次性施加玉米秸秆生物炭,各坡度均设置不施加生物炭的对照组,共计6个小区,后续年份不再施加生物炭。结果表明,单次施加生物炭能够提高土壤气相、液相比例,提高通气性和持水能力,改善土壤三相比例,较对照组土壤孔隙度提高2.83%～5.56%,土壤容重降低1.89%～3.62%。施炭后土壤中有机质、铵态氮、速效钾含量显著提高,分别提高9.54%～18.21%、21.35%～28.02%、11.99%～22.71%。各项指标均随着时间的推移有所降低。采用随机森林回归模型评估得出综合肥力等级指数,并拟合回归方程预测2020—2022年等级指数,比较肥力变化情况得出单次施用生物炭对培肥土壤作用的有效年限为6～7年。     

黑土区坡耕地连年施加生物炭的最佳模式研究

为探讨东北黑土区连续多年施加生物炭的应用效果及其综合影响,寻找最佳的施碳量以及施加年限,于2015年在位于黑龙江省北安市的红星农场开展了生物炭最佳施用模式的研究。按照生物炭的施加量设置Y0(0 t/hm~2)、Y25(25 t/hm~2)、Y50(50 t/hm~2)、Y75(75 t/hm~2)、Y100(100 t/hm~2) 5个处理,每个处理重复两次,连续施加4年(2015—2018年),对土壤理化性质、水土保持效应以及节水增产效应等指标进行观测,建立基于优化遗传算法的投影模型,对指标进行了综合评价。结果表明:随着生物炭施加量、施加年限的增加,土壤容重呈现降低趋势,土壤p H值、土壤碳氮比则呈现上升趋势,且生物炭的累积施加量越大,这种趋势就越明显。Y25、Y50处理下的田间持水率随着施加年限的增加呈现逐年升高趋势,Y75处理则呈现出先升高、后降低的趋势,Y100处理则呈现逐年下降趋势,其中2018年Y25处理下的田间持水率为37. 33%。径流系数与土壤侵蚀量均与施炭量呈现先降低、后升高的趋势,连续施加两年50 t/hm~2生物炭的径流减少效果与抗侵蚀效果最优。连续施加4年25 t/hm2生物炭的玉米产量在所有处理中最高,为10 350 kg/hm~2。水分利用效率(WUE)的最优处理为2015年的Y50,为32. 85 kg/(mm·hm~2)。通过综合评价模型得出,连续3年施加32. 63 t/hm~2生物炭为东北黑土区最佳生物炭施用模式。该研究结果可为生物炭对黑土区土壤改良提供理论依据。     

连年施加生物炭对黑土区土壤改良与玉米产量的影响

为研究连年施加生物炭对黑土区坡耕地的土壤结构、持水性能、玉米产量及可持续性的影响,从2015年开始,在黑土区3°坡耕地径流小区内,将玉米作为试验作物连续进行4年生物炭效应试验。共设置C0（0 t/hm²）、C25（25 t/hm²）、C50（50 t/hm²）、C75（75 t/hm²）和C100（100 t/hm²） 5种生物炭的施用量处理。结果表明:4年中土壤容重随生物炭的增加有减小的倾向,孔隙度有逐渐增加的倾向;适量生物炭可有效降低土壤固相比例,提高气相和液相比例,除2015年外,连续3年广义土壤结构指数（GSSI）随施炭量的增加先增大后减小,土壤三相结构距离指数（STPSD）随施炭量的增加先减小后增大,均在第3年C50处理达到最优（99.96、0.63）,同时土壤三相比偏离值R最小（1.03）,三相比最接近理想状态;连续4年大于0.25 mm团聚体含量R_0.25、平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）随着生物炭的增加有先增加后减小的倾向;连...     

黑土区施加生物炭对土壤综合肥力与大豆生长的影响

为探明黑土区施加生物炭对土壤持水性能、土壤养分以及大豆生长的影响,以东北黑土区3°坡耕地田间径流小区为研究对象,进行为期4年的观测。按照生物炭施加量,2015年共设置C0(0 t/hm~2)、C25(25 t/hm~2)、C50(50 t/hm~2)、C75(75 t/hm~2)、C100(100 t/hm~2) 5个处理,2016—2018年分别连续施加等量的生物炭。结果表明:连续4年,0～60 cm土层土壤储水量随施炭量的增加呈先增大、后减小的趋势,而对60～100 cm土层土壤储水量影响不显著;连续4年,饱和含水率随施炭量的增加呈逐渐增大的趋势; 2015年田间持水率、凋萎系数随施炭量的增加呈逐渐增大趋势,2016—2018年呈先增加、后减小趋势;连续4年,施加生物炭提高了大豆各生育阶段的株高和叶面积,同期相对较优处理分别为C75、C50、C50、C25;连续4年,大豆冠层覆盖度与施炭量呈抛物线变化(R~2均在0. 89以上,P 0. 01),连续施加2年的C50处理各生育期提高量最大,与C0相比提高了81. 4%、36. 7%、31. 5%和39. 6%;连续4年,土壤pH值和有机质、速效钾含量随施炭量的增加呈逐渐升高趋势,碱解氮、有效磷含量呈先升高、后降低趋势,相对较优处理为C50、C50、C25、C25。采用改进的内梅罗指数模型计算的土壤综合肥力指数与产量呈正相关(R~2=0. 861 5,P=0. 001 2,RMSE为0. 75),土壤综合肥力水平最高的生物炭施用模式为连续2年施加50 t/hm~2的生物炭。     

黑土坡耕地连续施加生物炭的土壤改良和节水增产效应

东北黑土区土壤肥沃、性状优良、适宜作物生长,然而大面积坡耕地的水土流失问题严重威胁着区域生态环境和国家粮食安全。为探明施加生物炭对该区域坡耕地的节水增产效应,以及最优施加量与施加年限,基于田间径流小区进行为期两年的观测试验。2015年,试验根据生物炭施加量设置为C0(0 t/hm2)、C25(25 t/hm2)、C50(50 t/hm2)、C75(75 t/hm2)和C100(100 t/hm2)5个处理;2016年,各处理分别连续施加等量生物炭。试验结果表明:施加两年生物炭均降低了土壤容重、提高了孔隙度和有机碳密度,且随施加量的增加效果越显著;2015年实测田间持水量随生物炭施加量呈上升的趋势,2016年则呈先升后降的趋势,上升至C50处理达到最佳;2016年C50处理土壤三相比较合理,广义土壤结构指数(GSSI)高于其他处理;连续两年施加生物炭均减少了3°坡耕地的年径流量,各年份年径流系数降低最多的分别为C75(15.44%)和C50(17.27%)处理。适量生物炭也可增加单次降雨后雨水蓄积量和其随时间下降的速率和幅度;2015年和2016年大豆产量最高的处理分别是C75和C50,增产率分别为27.16%和28.17%。比较2015年和2016年试验结果,连续两年施加50 t/hm2生物炭时,大豆水分利用效率较对照处理增幅最高,为27.67%,节水增产效果最佳。     

生物炭施用模式生态效益与经济效益耦合协调度研究

为探究黑土区坡耕地不同生物炭施用模式的生态效益、经济效益以及二者的耦合协调度,以东北黑土区3°坡耕地径流小区为研究对象,设置不施加生物炭的常规处理（C0）和生物炭施加量分别为25t/hm2 (C25)、50t/hm2 (C50)、75t/hm2 (C75)、100t/hm2 (C100)5个处理,于2015—2018年开展试验研究,采用熵值法和耦合协调度模型测算不同生物炭施用模式的生态效益、经济效益以及二者的耦合协调度。结果表明：生物炭能够有效改善土壤结构、增强土壤肥力、提高土壤蓄水保土能力,连续施用2年、施炭量为50t/hm2时,生物炭的生态效益最佳。同时,生物炭能够有效提升作物节水增产性能,提高生物炭的收益和利用效率,施炭1年、施炭量为75t/hm2时,生物炭的经济效益最佳。耦合协调度测算结果表明,施用生物炭能有效改善生态效益与经济效益的阻抑程度,黑土区最佳的生物炭施用模式为连续施用3年、施炭量为50t/hm2,此时生物炭的生态效益指数与经济效益指数均较高且二者的协调度达到最佳,分别为0.6849、0.6345、0.5741。研究结果可为黑土资源的高效利用以及黑土区实际生产提供理论依据。     

黑土区坡耕地生物炭施用模式效应与土地生产力评价

为了研究黑土区施加生物炭的施用模式,以东北黑土区3°坡耕地田间径流小区为研究对象,进行了为期3年的观测。2015年按照生物炭的施加量共设置C0(0 t/hm~2)、C25(25 t/hm~2)、C50(50 t/hm~2)、C75(75 t/hm~2)、C100(100 t/hm~2)5个处理,2016、2017分别连续施加等量的生物炭。分析了黑土区连续3年施加生物炭后土壤理化性质、水土保持效应、节水增产效应等指标的变化规律,并建立改进的TOPSIS模型对生物炭的施用模式进行综合评价。结果表明:土壤有机碳密度、p H值与施炭量均呈线性递增趋势,土壤容重与施炭量呈线性递减趋势,且使用年限越久,作用越明显;施用1年时田间持水量与施炭量呈线性递增趋势,C100处理田间持水量最大,为35.48%,连续施用2年、3年时田间持水量与施炭量呈先增后减的二次抛物线变化,均在C50处理达到最大,分别为36.20%、36.24%;3年的年径流量和年土壤侵蚀量与施炭量均呈先减后增的二次抛物线变化,连续施加2年50 t/hm~2的生物炭减流效果和抗土壤侵蚀效果最优;连续3年施加生物炭均提高了大豆产量和水分利用效率,各年份产量和水分利用效率提高最大的分别为C75(27.16%、25.3%)、C50(33.3%、27.6%)、C50(24.1%、19.8%);在不同施炭量和施用年限的条件下,改进的TOPSIS模型能客观、清晰地描述土地生产力变化过程,并总结出建议的生物炭施用模式,即连续施加2年50 t/hm~2的生物炭对土地生产能力的提升最优,其次是施加1年75 t/hm~2的生物炭。研究结果可为实际生产提供理论依据。~2     

黑土区坡耕地生物炭应用模式综合效益研究

为探究黑土区坡耕地不同生物炭应用模式（不同生物炭施用量和施用年限）的综合效益,以东北黑土区坡度为3°耕地径流小区为研究对象,于2015—2018年,设置不加生物炭的常规处理（C0）和生物炭施加量分别为25 t/hm²（C25）、50 t/hm²（C50）、75 t/hm²（C75）、100 t/hm²（C100）共5个处理,分析不同施炭量以及施炭年限的综合效益,结果表明：在生态效益方面,生物炭能够有效改善土壤结构、增强土壤肥力、提高土壤蓄水保土能力,在施炭量为50 t/hm²时,连续施用2年,土壤蓄水保土效果最佳;连续施用3年,土壤结构最为理想;施炭量为100 t/hm²时,连续施用4年,土壤肥力最佳。在经济效益方面,生物炭能够有效提高作物节水增产性能及其经济产值,施用1年、施炭量为75 t/hm²时,水分利用效率最大;连续施用2年、施炭量为25 t/hm²时,生物炭边际生产力最大,施炭量每增加1 t,产量增加1...     

生物炭对草甸黑土物理性质及雨后水分动态变化的影响

为探明生物炭对草甸黑土物理性质及雨后水分动态变化的影响,在大豆全生育期生长条件下,研究了东北黑土区草甸黑土5种生物炭添加量(0、25、50、75、100 t/hm2)下土壤物理性质(包括:土壤水分特征曲线、土壤含水率常数、土壤水分扩散率)和单次降雨土壤含水率变化特征,分析了生物炭对黑土区草甸黑土耕层土壤持水能力及雨后水分动态变化的影响。结果表明,施用生物炭能降低土壤残余含水率,增加土壤饱和含水率和田间持水量,其中对残余含水率的影响最显著,100 t/hm~2生物炭处理使残余含水率最多降低27.6%;施用生物炭能明显降低土壤水分扩散率,随生物炭添加量的增加依次比对照组减少34.8%、37.5%、71.4%和58.9%;在单次降雨过程中,施用生物炭能减小土壤含水率的变化幅度,使土壤含水率在降雨之后更快地由迅速下降期进入缓慢下降期,并能明显提高缓慢下降期对应的土壤含水率;施用生物炭可以提高大豆产量,以75 t/hm~2生物炭处理最高。研究结果可为黑土区农业水土资源高效利用与保护提供理论依据。     

咸淡轮灌和生物炭对滨海盐渍土水盐运移特征的影响

为利用滨海地区微咸水改良盐渍土,进行了不同咸淡水轮灌(淡淡、淡咸、咸淡、咸咸)和施用生物炭(0、15、30 t/hm^2)的室内入渗试验,探讨了咸淡轮灌和生物炭施用下滨海盐渍土水盐运移过程。结果表明:滨海盐渍土水分运动主要受初始入渗水质的影响,先咸后淡的轮灌方式更有利于土壤水分入渗,入渗速率增加了8.2%~46.9%,并小幅提高了土壤含水率;生物炭可促进咸淡轮灌下的水分运移,增加了相同时间内的湿润锋距离、累计入渗量、入渗速率及入渗后的土壤含水率,添加量为15 t/hm^2时入渗增益最佳,入渗速率提高了3.5%~22.0%;淡咸和咸淡处理的土壤含盐量均低于咸咸处理,脱盐率和脱盐区深度系数更高,咸淡处理可增加脱盐率,而淡咸处理可提高脱盐区深度系数;生物炭有利于咸淡轮灌下的土壤盐分淋洗,脱盐率和脱盐区深度系数分别提高了9.1%~15.0%和1.1%~7.5%,并增加了Ca^2+和Mg^2+含量,促进Na+淋洗,进而降低了微咸水利用风险,但在30 t/hm^2时盐分淋洗效果有所减弱。研究表明,添加15 t/hm^2生物炭配合微咸水-淡水轮灌能够改善滨海盐渍土的入渗特性、持水能力和盐分分布,可为该区盐渍土和微咸水开发利用提供参考。     

生物炭对砂土水力特征参数及持水特性影响试验研究

为了揭示生物炭节水、保肥的性能机理,研究了生物炭材料对砂土的水力特征参数及持水特性的影响。结果表明,生物炭能够显著改变砂土的土壤结构,随着生物炭用量的增加,砂土密度减小、总孔隙度增大;不同生物炭处理下饱和导水率均比对照小,持水能力均比对照组大;相同的水势情况下,土壤持水能力随着生物炭质量分数的增加而提高,且不同种类生物炭对土壤水力学参数的影响程度不一致。     

黑土区坡耕地几种耕作措施水土保持效益研究

我国东北黑土区作为全国水土流失重点区域,其坡耕地的水土流失问题早已备受关注。【目的】采取保护性耕作措施可以大大降低坡耕地的水土流失强度,起到保水保肥的作用。【方法】在10°坡径流小区上,对比分析了黑土区不同耕作措施对坡耕地坡面产流、土壤侵蚀以及土壤养分的影响。【结果】竹节垄Ⅱ与横坡耕作相比,产流起始时间延长38 min,单次降雨径流量减少57.1%,产沙量减少51.9%;0～20 cm土层土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾平均质量分数分别提高5.89%、11.48%、16.54%、21.75%。【结论】在相同降雨条件下,横坡耕作、竹节垄Ⅰ、竹节垄Ⅱ较顺坡耕作均有不同程度的减流减沙作用,竹节垄Ⅱ效果最为明显。