生物炭施加打结垄沟集雨对土壤水分动态和紫花苜蓿生长特征的影响

【目的】探究生物炭施加垄沟集雨种植模式对土壤水分时空动态和紫花苜蓿生长特征的影响。【方法】采用裂区试验设计,主区模式为施加生物炭和不施加,副区耕作措施为打结垄、开敞垄和平作,探究不同生物炭施加模式和不同垄沟集雨耕作措施的影响效应。【结果】施加生物炭明显提高了土壤总贮水量和空间水分含量,促进紫花苜蓿生长、提高紫花苜蓿产量和品质;打结垄显著增加土壤贮水量,促进紫花苜蓿生长,提高产量。与不施加生物炭相比较,施加生物炭的 0~200 cm 土层土壤贮水量、 平均土壤含水量、干草产量、株高、分枝数、根颈粗、粗蛋白含量、酸性洗涤纤维含量和中性洗涤纤维含量分别增加 39. 38 mm、15. 46%、95 kg/hm² 、25. 19%、5. 80%、29. 24%、9. 3%、12. 3% 和 3. 4%。与平作相比,打结垄的 0~200 cm 土层平均土壤贮水量、平均紫花苜蓿干草产量、平均株高、分枝数和根颈粗、平均粗蛋白、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量分别增加 69. 09 mm、332 kg/hm² 、24. 0%、21. 0%、 14. 2%、17. 7%、7. 7% 和 4. 0%;开敞垄的分别增加 26. 16 mm、267 kg/hm² 、16. 8%、10. 2%、10. 1%、 14. 2%、7. 3% 和 3. 4%。【结论】生物炭施加坡地打结垄沟集雨模式是雨养农业区紫花苜蓿种植的有效模式,也是雨养农业可持续种植饲草作物的推荐模式,该模式为我国西北黄土高原地区栽培饲草作物提供科学指导和理论依据。     

生物炭土壤结皮覆盖垄沟集雨种植对红豆草根系和根瘤特征的影响

本试验为寻求垄沟集雨种植适宜覆盖材料,探究生物炭土壤结皮增产机理,以传统平作为对照,研究了不同垄覆盖材料和不同沟垄比对红豆草（Onobrychis viciifolia Scop）根系特征值（根干重、根长、根表面积、根体积）和根瘤特征值（根瘤数量和重量）的影响。结果表明,红豆草根系和根瘤集中分布于表层（0~20 cm）土壤,红豆草根系特征值和根瘤特征值随垄宽度增加而增加,随土壤深度增加而减少,沟边的根系和根瘤特征值明显大于沟中。与对照相比,土垄、玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄的红豆草总根干重分别增加18%,113%和56%,总根瘤数分别增加180%,860%和313%,总根瘤重分别增加86%,489%和198%;但红豆草总根长分别减少37%,33%和27%,总根表面积分别减少53%,27%和44%,总根体积分别减少54%,14%和34%。适宜土壤湿度促进红豆草根干重、根瘤数量和根瘤重量提高;适宜土壤水分胁迫有利于红豆草根长、根表面积和根体积增加。     

生物炭-土壤结皮对土壤水分入渗和蒸发特征的影响

为提高降水资源利用效率和选择适宜生物炭覆盖量,采用垂直一维定水头入渗法,研究土壤结皮(生物炭覆盖量为0×104 kg/hm2)、单倍炭-土壤结皮(生物炭覆盖量为3×104 kg/hm2)和双倍炭-土壤结皮(生物炭覆盖量为6×104 kg/hm2)对土壤入渗和蒸发特征的影响.结果 表明:生物炭-土壤结皮的累计入渗量、初始入渗速率、稳定入渗速率和平均入渗速率随生物炭覆盖量增加而增加,与土壤结皮相比,单倍炭-土壤结皮的累计入渗量、初始入渗速率、稳定入渗速率和平均入渗速率分别增加16.9％、30.8％、2.6％和16.9％,双倍炭-土壤结皮分别增加32.1％、59.5％、3.7％和32.1％.经过3种模型(Philip、Kostiakov和Horton)模拟精度比较,Horton入渗模型适用于生物炭-土壤结皮的土壤水分入渗特征的模拟.生物炭-土壤结皮的累计蒸发量随生物炭覆盖量增加而减少,与土壤结皮相比,单倍炭-土壤结皮和双倍炭-土壤结皮的0～60 d累计蒸发量分别减少7.4％和12.3％.生物炭-土壤结皮的研究将关注于持水力、疏水性等方面研究.     

生物炭覆盖垄沟集雨种植对集雨垄径流、土壤水热和红豆草产量的影响

为探索半干旱黄土高原区垄沟集雨种植的可持续性,寻求垄沟集雨种植红豆草的适宜生物炭覆盖类型和最佳垄宽,采用随机区组大田试验,以传统平作为对照,研究不同集雨垄覆盖材料[土壤结皮(土垄)、玉米秸秆炭土壤结皮(玉米秸秆垄)和牛粪炭土壤结皮(牛粪炭垄)]和不同垄宽(30 cm、45 cm和60 cm,沟宽均为60cm)对径流系数、土壤水热、红豆草干草产量和水分利用效率的影响。结果表明:土垄、玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄的平均径流系数分别为29.7%、26.2%和25.1%。垄沟集雨种植增加根系层土壤含水量和垄上表层土壤温度,缓和沟中表层土壤温度极值,尤其生物炭覆盖垄沟集雨种植。与传统平作相比,土垄、玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄的土壤含水量分别增加25.1mm、24.7mm和19.4mm,垄上表层土壤温度分别增加1.4℃、2.0℃和2.0℃。同一覆盖材料下,集雨垄径流系数、土壤贮水量和表层土壤温度均随垄宽增加而增加。与传统平作相比,土垄显著降低实际干草产量,玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄显著增加实际干草产量,垄宽30cm、45cm和60 cm土垄的干草产量分别减少6.5%、12.1%和13.8%,玉米秸秆炭垄的干草产量分别增加19.7%、24.4%和22.5%,牛粪炭垄的干草产量分别增加8.0%、8.9%和6.8%。玉米秸秆炭和牛粪炭覆盖种植显著提高水分利用效率。与传统平作相比,玉米秸秆炭垄和牛粪炭垄的水分利用效率分别提高6.8～9.7 kg·hm~(-2)·mm~(-1)和4.4～4.8kg·hm~(-2)·mm~(-1)。玉米秸秆炭垄的实际干草产量和水分利用效率显著高于牛粪炭垄;同一覆盖材料下,不同垄宽对实际干草产量和水分利用效率的影响不显著。线性回归分析表明,当玉米秸秆炭垄宽49 cm (沟宽为60cm)与牛粪炭垄宽为41 cm (沟宽为60 cm)时,红豆草的实际干草产量均达到最大值。因此,在半干旱地区,生物炭覆盖垄沟集雨种植红豆草具有较好的增产效益,尤其秸秆生物炭覆盖种植。     

坡地打结垄沟集雨种植对泥沙、养分流失和紫花苜蓿草产量的影响

为寻求控制水土流失适宜坡耕地利用方式,开展如下试验:1) 采用完全随机设计,研究不同坡度(0°、5°和10°)集雨垄的径流效率和临界产流降水量;2) 采用裂区设计,坡度(5°和10°)为主区,耕作模式(传统平作、开敞垄和打结垄)为副区,研究坡地打结垄沟集雨种植对土壤水分、径流、泥沙损失、养分损失、紫花苜蓿干草产量和水分利用效率的影响。结果表明:0°、5°和10°集雨垄的临界产流降水量分别为1.55、1.33和1.00 mm,径流效率分别为88.2%、91.1%和92.7%;与传统平作相比,开敞垄和打结垄的小区径流量分别减少62.3%~67.9%和76.4%~79.9%,小区径流效率分别减少51.0%~54.5%和67.8%~68.2%;泥沙流失量分别减少95.6%~96.4%和98.4%,全氮流失量分别减少95.3%~96.2%和98.1%~98.2%,全磷流失量分别减少95.3%~96.1%和98.2%,有机质流失量分别减少94.1%~95.6%和97.8%~97.9%;开敞垄和打结垄明显增加浅层(0~60 cm)土壤剖面含水量;开敞垄和打结垄紫花苜蓿全年干草产量分别提高40.3%~50.4%和16.0%~18.7%,水分利用效率分别提高4.4~11.5 kg·hm^-2·mm^-1和2.0~5.3 kg·hm^-2·mm^-1。坡度10°的径流量、径流效率、小区泥沙流失量、全氮流失量、全磷流失量和有机质流失量分别是坡度5°的1.44、1.40、2.34、2.24、2.39和1.97倍;坡度5°的紫花苜蓿全生育期根系层(0~200 cm)土壤贮水量、紫花苜蓿全年干草产量和水分利用效率分别是坡度10°的1.05、1.28和1.41倍。开敞垄增加紫花苜蓿干草产量和水分利用效率效果最为明显,打结垄减少径流、泥沙流失和养分损失效果最为明显。     

生物炭覆盖垄沟集雨种植对紫花苜蓿根芽、干草产量和水分利用效率的影响

【目的】探索半干旱区垄沟集雨种植紫花苜蓿根芽数量规律和紫花苜蓿高产栽培技术。 【方法】采用随机区组设计,以平作为对照,研究了不同生物炭覆盖量[0×10⁴（ 土垄）、3×10⁴（ 单倍生物炭垄）和 6×10⁴ kg/hm²（ 双倍生物炭垄）]和不同垄宽（30、45 和 60 cm）对紫花苜蓿农田土壤水分、温度、紫花苜蓿根芽、分枝数、干草产量和水分利用效率的影响,处理为平作（FP）、垄宽 30、45、60 cm 的土垄（MCS₃₀、MCS₄₅、MCS₆₀）、垄宽 30/45/60 cm 的单倍生物炭垄（SMSBA₃₀、SMSBA₄₅、SMSBA₆₀）、垄宽 30、45、60 cm 双倍生物炭垄（DMSBA₃₀、DMSBA₄₅、DMSBA₆₀）。【结果】生物炭覆盖垄沟集雨种植提高垄上表层土壤温度和沟中土壤贮水量,增加紫花苜蓿根芽数（茎枝芽+根颈芽）、分枝数、干草产量和水分利用效率。随着垄宽的增加,土壤贮水量、紫花苜蓿根芽数和分枝数随之增加,紫花苜蓿实际干草产量和水分利用效率随之降低 。 紫花苜蓿茎枝芽数量是根颈芽数量的 2. 2~2. 9 倍 。 与平作相比 , MCS₃₀、MCS₄₅、MCS₆₀、SMSBA₃₀、SMSBA₄₅、SMSBA₆₀、DMSBA₃₀、DMSBA₄₅和 DMSBA₆₀的土壤贮水量分别增加 20. 7、30. 8、41. 7、8. 7、23. 0、35. 7、6. 2、12. 0 和 11. 0 mm,根芽数分别增加了-0. 4、0. 4、 2. 0、1. 2、0. 7、4. 1、0. 4、3. 0 和 4. 6 个/株,分枝数分别增加 8、28、50、48、84、109、45、91 和 71 个/m² ,总干草产量分别增加 3. 34%、-0. 52%、-0. 70%、26. 81%、17. 11%、3. 00%、18. 28%、5. 79% 和 -11. 03%,水分利用效率分别增加 -1. 76、-0. 04、2. 67、5. 77、4. 26、2. 99、4. 66、1. 62、 0. 10 kg/（hm² ·mm）。【结论】垄宽 30 cm 的单倍生物炭垄具有较高紫花苜蓿根芽数量、紫花苜蓿产量和水分利用效率,是半干旱区种植紫花苜蓿的适宜栽培模式。     

基于修正SCS-CN模型集雨垄径流预测

为了探寻半干旱区垄沟集雨种植控制水土流失和增产的机理,利用前2年(2012—2013年)日降雨量、实测径流和修正SCS—CN模型,率定集雨垄的径流模型参数CN、λ和α,然后利用后3年(2014—2016年)日降雨量和实测径流资料检验该模型有效性,预测不同覆盖材料(土壤结皮、生物可降解地膜和塑料地膜)和不同垄宽(30,45,60 cm)集雨垄的径流量。结果表明,土壤结皮覆盖集雨垄、生物可降解膜覆盖集雨垄和塑料地膜覆盖集雨垄的CN取值范围分别为82.0~82.9,97.9~98.8,98.3~99.9,λ取值范围分别为0.045~0.071,0.251~0.327,0.189~0.213,α取值范围分别为2.35~2.89,4.21~4.82,3.32~3.99。通过对模型有效性进行评价,土壤结皮覆盖集雨垄、生物可降解膜覆盖集雨垄和塑料地膜覆盖集雨垄的平均相对误差取值范围分别为1.36%~3.41%,1.21%~3.42%,2.48%~5.42%,纳什效率取值范围分别为0.97~0.98,0.97~0.98,0.96~0.98。日降雨量等级对修正SCS—CN模型参数CN、λ和α的影响不明显,不同覆盖材料之间的CN、λ和α差异远大于不同垄宽之间的CN、λ和α差异。修正SCS—CN模型集雨垄径流预测的相对误差满足要求(≤20%),可信度较高(纳什效率≥0.95),可以用于半干旱区集雨垄的径流预测,为控制水土流失和提高降水利用效率提供科学方法。