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.     

覆盖材料对垄沟集雨种植高粱生长特性及土壤水分、温度的影响

为了提高旱作雨养农业区降水资源利用率,改善作物水分有效性,在半干旱黄土高原丘陵区通过大田试验,以传统垄沟集雨种植沟无覆盖为对照,研究了不同沟覆盖材料(生物可降解地膜覆盖、生物可降解液体地膜覆盖和秸秆覆盖)对土壤水分、土壤温度、高粱产量和水分利用效率等的影响。结果表明,在高粱全生育期,与无覆盖相比,生物可降解地膜覆盖、生物可降解液体地膜覆盖和秸秆覆盖的平均土壤贮水量分别增加20.7,11.7和28.9mm,土壤含水量分别提高5.7%,0.9%和8.7%;生物可降解地膜覆盖和生物可降解液体地膜覆盖的沟中平均土壤温度分别增加1.3和0.5℃,秸秆覆盖的沟中平均土壤温度降低0.3℃;生物可降解地膜覆盖、生物可降解液体地膜覆盖和秸秆覆盖的高粱地上生物量分别提高31%,4%和7%,籽粒产量分别提高36%,15%和23%,WUE分别提高36.0%,15.0%和24.8%。与无覆盖相比,生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖具有较高土壤水分、地上生物量、籽粒产量和水分利用效率。生物可降解液体地膜覆盖效果不明显。     

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。     

沟覆盖材料对垄沟集雨种植饲草作物青贮品质和产量的影响

为探究适合于半干旱地区垄沟集雨种植的环保沟覆盖材料,以玉米和高粱为试验材料,研究不同沟覆盖材料(生物可降解液体地膜、秸秆和生物可降解地膜,以无覆盖为对照)对玉米和高粱青贮品质、产量的影响。结果表明:秸秆覆盖处理下玉米和高粱的粗蛋白显著高于其他处理。玉米的中性洗涤纤维在秸秆处理下高于其他处理,并显著高于生物可降解液体地膜和生物可降解地膜处理;高粱的中性洗涤纤维在无覆盖处理下显著高于其他处理。玉米的酸性洗涤纤维在秸秆处理下显著高于其他处理;高粱的在无覆盖处理下高于其他处理,并显著高于生物可降解液体地膜和生物可降解地膜。玉米和高粱的相对饲用价值在生物可降解液体地膜和生物可降解地膜处理下高于其他处理,分别显著高于秸秆和无覆盖处理。玉米和高粱的青贮产量在生物可降解地膜处理下显著高于其他处理。综合分析得出,生物可降解地膜适宜作为半干旱黄土高原区垄沟集雨沟覆盖材料。     

沟覆盖材料对垄沟集雨种植土壤温度、作物产量和 水分利用效率的影响

为寻求半干旱地区垄沟集雨环保的沟覆盖材料,改善土壤水分和温度状况,提高降雨资源利用效率,采用完全随机设计大田试验,以玉米和高粱作为供试作物,以沟无覆盖作为对照,研究垄沟集雨不同沟覆盖方式(无覆盖、液体地膜覆盖、秸秆覆盖和生物可降解地膜覆盖)对土壤温度、土壤水分、作物产量、水分利用效率等的影响。结果表明,与沟无覆盖相比,液体地膜和生物可降解地膜覆盖种植玉米的沟中作物全生育期表层(0~25 cm)土壤温度分别提高0.2℃和1.0℃,种植高粱的沟中表层土壤温度分别提高0.2℃和1.1℃,秸秆覆盖种植玉米和高粱的沟中表层土壤温度分别降低1.1℃和1.3℃;液体地膜覆盖、秸秆覆盖和生物可降解地膜覆盖0~140 cm土壤贮水量种植玉米分别提高0.4 mm、21.5 mm和8.6 mm,种植高粱分别提高2.3 mm、21.0 mm和10.9 mm。液体地膜覆盖和生物可降解地膜覆盖玉米青贮产量分别提高增加0.4%和10.4%,玉米籽粒产量分别增加1.6%和11.3%,玉米地上生物量分别增加0.7%和7.3%;高粱青贮产量分别增加0.2%和10.9%,高粱籽粒产量分别增加1.1%和11.8%,高粱地上生物量分别增加1.6%和9.4%;秸秆覆盖的玉米青贮产量、玉米籽粒产量、玉米地上生物量、高粱青贮产量、高粱籽粒产量和高粱地上生物量分别减少2.9%、2.2%、1.9%、0.7%、1.4%和1.0%。液体地膜覆盖、秸秆覆盖和生物可降解地膜覆盖种植玉米的水分利用效率分别提高0.9 kg·hm~(-2)·mm-1、0.5 kg·hm~(-2)·mm-1和4.9 kg·hm~(-2)·mm-1,种植高粱分别提高0.3 kg·hm~(-2)·mm-1、0.4 kg·hm~(-2)·mm-1和2.7 kg·hm~(-2)·mm-1。综合分析表明,生物可降解地膜适宜作为半干旱黄土高原区垄沟集雨沟覆盖材料。     

沟覆盖材料对垄沟集雨种植土壤水分和玉米根系分布的影响

为寻求半干旱地区垄沟集雨环保沟覆盖材料,探究垄沟集雨种植增产机理,在半干旱黄土高原区通过大田试验,以传统平作为对照,研究不同沟覆盖方式(无覆盖、生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖)对土壤含水量、玉米根干重、根长、根表面积和根体积的影响。结果表明:垄沟集雨种植沟中的土壤含水量、玉米根干重、根长、根表面积和根体积明显大于垄中;与平作相比,无覆盖、生物可降解地膜覆盖和秸秆覆盖耕层沟中作物生育期平均土壤含水量分别增加6.9%、10.6%和9.3%,垄中平均土壤含水量分别降低13.8%、10.9%和5.6%;玉米总根干重(沟中+垄中)分别降低15.9%、6.1%和16.8%,总根长分别增加37.6%、43.7%和34.8%,总根表面积分别增加10.5%、33.6%和15.0%。无覆盖和秸秆覆盖玉米总根体积分别降低34.5%和16.3%,生物可降解地膜覆盖玉米总根体积增加13.2%。与传统平作相比,垄沟集雨种植增加土壤水分、玉米根长和根表面积,降低玉米根干重。在不同沟覆盖方式中,生物可降解地膜覆盖具有较高土壤含水量、根长、根表面积和根体积。     

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。     

垄沟集雨覆盖种植对土壤水分特征及红豆草生长特性的影响

为了提高半干旱区土地生产可持续性,选择垄沟集雨覆盖种植红豆草较佳覆盖耕作措施。通过完全随机设计大田试验,以传统平作为对照,研究3种覆盖材料(普通地膜,生物可降解地膜和土壤结皮)和3种沟垄比[(60∶30,60∶45和60∶60(cm∶cm))对土壤水分、红豆草越冬率、株高、分枝数、产量、耗水量和水分利用效率的影响。结果表明:垄沟集雨种植红豆草各处理40~140cm土层深度土壤含水量在红豆草返青前无明显差异,而在红豆草收获后差异较大。红豆草全生育期,与传统平作相比,普通地膜,生物可降解地膜和土壤结皮种植的土壤贮水量(0~200cm)分别提高10.64,9.36和2.09mm,红豆草越冬率分别提高23.6%,18.1%和8.2%,株高分别提高56.6%,47.7%和21.9%;分枝数分别提高30.6%,25.8%和7.8%,净干草产量分别提高184.9%,161.5%和109.3%,作物耗水量分别提高40.5%,30.1%和16.1%,水分利用效率分别提高23.4,22.7和17.8kg/(hm^2·mm)。同一覆盖材料,垄沟集雨种植红豆草的土壤水分、越冬率、株高、分枝数、产量和耗水量均随垄宽增加而增加。由于生物可降解地膜比普通地膜覆盖具有更好的环保效应,生物可降解地膜覆盖垄沟集雨种植可作为半干旱区种植红豆草的最佳途径之一。