生物炭对东北草甸黑土水分运动参数的影响

为探明添加生物炭对东北草甸黑土水力学特性的影响,研究了以5种生物炭体积比(0、2%、4%、6%、8%)施入土壤后的土壤水分运动参数。采用土壤的VAN GENUCHTEN模型和MUALEM理论,推导出添加生物炭土壤的水分特征曲线、相对导水率和水分扩散率方程,并用试验校验理论推导结果。理论和试验结果表明,添加生物炭土壤的饱和度随基质吸力的变化接近无添加的土壤;当基质吸力低于2 000 cm时,添加生物炭能够大大提高土壤的含水率,当基质吸力高于8 000 cm时,土壤的含水率不一定增加;水平土柱吸渗试验表明,生物炭能够抑制土壤水分的水平扩散;数值模拟降雨后的土壤含水率与田间实测数值相比误差小于13.3%。研究可为东北黑土区农业水土保护和利用提供理论依据。     

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。     

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。     

生物炭对黑土区土壤水分扩散与溶质弥散持续效应研究

为探究施用生物炭对黑土区坡耕地土壤水分扩散和溶质弥散的持续效应,于2016—2019年在1.5°、3°、5°的径流小区开展了生物炭持续效应试验,分析了单次施加生物炭对土壤容重、孔隙度、有机质含量、Boltzmann变换参数ξ、非饱和土壤水分扩散率D(θ)、非饱和土壤水动力弥散系数Dsh(θ)的持续作用。结果表明：土壤中单次添加生物炭后的4年内均可显著降低土壤容重、提高土壤孔隙度、增加土壤中有机质含量,且各指标变化率均随坡度增大、施炭年限延长而减小;坡度、年份、是否施用生物炭3个因素中,对土壤容重、孔隙度、有机质含量影响程度最大的均为是否施用生物炭;施用生物炭增大了ξ,且ξ随坡度增加、施炭后年限延长逐年减小。2016—2019年D(θ)与Dsh(θ)均随土壤含水率的增加而迅速增加。当土壤含水率小于等于042cm3/cm3时,生物炭抑制土壤水分扩散;当土壤含水率大于0.42cm3/cm3时,生物炭促进土壤水分扩散。当土壤含水率小于等于0.36cm3/cm3时,生物炭抑制土壤中NaCl溶液的弥散;当土壤含水率大于0.36cm3/cm3时,生物炭可以促进土壤中NaCl溶液的弥散。试验区θ处于0.20~0.35cm3/cm3,故施用生物炭对水分扩散、NaCl溶液弥散均具有抑制效果,且生物炭对水分扩散和溶液弥散抑制效果均随坡度增加、施炭后年限延长而减弱。     

生物炭与凹凸棒对土壤水力特性的影响

选取生物炭、凹凸棒两种土壤改良剂,以纯土为CK,设置3种生物炭质量比(0%、2%、4%)与3种凹凸棒质量比(0%、2%、4%),通过测定土壤水分特征曲线,并结合电镜试验,分析不同生物炭与凹凸棒添加比例下土壤当量孔隙分布、比水容量、水分常数及土壤微观结构变化,研究生物炭与凹凸棒对土壤水力特性的影响。结果表明：与CK相比,生物炭与凹凸棒均能增强土壤持水能力。不添加凹凸棒时,土壤持水能力随着生物炭的添加而增强;添加2%凹凸棒时,土壤持水能力随着生物炭的添加而减弱;添加4%凹凸棒时,土壤持水能力随着生物炭的添加而增强。单独添加生物炭可以增大土壤比水容量,单独添加凹凸棒会减小土壤比水容量。添加凹凸棒后,施加2%生物炭可以明显增大土壤比水容量。施加生物炭与凹凸棒的土壤残余含水率较CK增大15.6%～103.1%;重力水较CK降低0%～7.1%。不添加凹凸棒时,极微孔隙随着生物炭的添加而增加;添加2%凹凸棒时,极微孔隙随着生物炭的添加而减少;添加4%凹凸棒时,极微孔隙随着生物炭的添加而增加。通过微观结构分析得出生物炭与凹凸棒会使得土壤颗粒接触紧密,出现桥接状垒结。以期为西北旱区土壤环境改善提供一定的...     

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。     

黑土区坡耕地施加生物炭对水土流失的影响

为了探索生物炭对黑土区坡耕地的水土保持作用效果,于2015年在东北黑土区典型黑土带上的黑龙江省北安市红星农场3°坡耕地上的径流小区内,开展了不同生物炭施用量(0、25、50、75、100 t/hm~2)对土壤结构、持水性能、径流泥沙控制等影响的试验研究。结果表明:生物炭可有效改善黑土区土壤结构,随着生物炭添加量的增加,土壤容重随之减小,而土壤孔隙度则会明显提高;土壤饱和含水率、田间持水量和土壤储水能力均随生物炭施用量的增加而增加;适当施加生物炭对黑土区坡耕地降雨径流及水土流失具有较好的控制作用,75 t/hm~2处理具有最好的径流泥沙控制效果,其中径流控制效果好于泥沙控制;施加生物炭还可以不同程度地减少黑土区坡耕地土壤养分流失,并可以改善养分的空间分布,4种生物炭用量处理的养分含量不仅在数量上高于对照处理,而且在均匀程度上有较大的改善,减缓了坡度对土壤养分造成的坡上与坡下的差异。研究结果为东北黑土区秸秆资源的高效、绿色、循环利用提供了一条新的途径,可为黑土区坡耕地水土流失防治提供理论依据和技术支撑,对该区农业可持续发展具有重要意义。     

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...     

秸秆生物炭对寒地黑土区玉米生长发育及耗水规律的影响

为探明在寒地黑土区不同生物炭添加量对玉米生物性状指标及耗水规律的影响,于2014年在北安市红星农场通过盆栽试验设置6个处理(CK-0g/kg、C1-20g/kg、C2-40g/kg、C3-60g/kg、C4-80g/kg、C5-100g/kg)进行研究。结果表明:适量施加生物炭(处理C1、C2)可以有效促进玉米生长发育,提高玉米的产量,也有效增加了玉米的日耗水量、全生育期耗水量及水分利用效率,处理C1、C2分别比对照CK增产20.95%、26.07%,水分利用效率增加14.62%和18.01%。而过量施加生物炭(处理C4、C5)则会抑制玉米的生长发育,导致减产,同时也降低了玉米的日耗水量、全生育期耗水量及水分利用效率。生物炭量与玉米单株产量和水分利用效率之间成二次抛物线关系,相关系数分别为0.812 2和0.772 1,当生物炭施加量为36.13和39.25g/kg时,产量和水分利用效率达到最大值150.95g/株和3.92g/kg。     

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。     

杨木炭对东北黑土吸附猪粪沼液氮素特性的影响

为探究杨木炭对东北黑土吸附猪粪沼液氮素特性的影响,明晰其吸附机理,选取杨木炭和壤质、砂质两种黑土,以活性炭作为标准比较炭,系统研究活性炭、杨木炭的粒径及添加比例、初始质量浓度、振荡时间、温度对黑土吸附、解吸猪粪沼液中氨态氮、硝态氮特性的影响规律,并拟合等温吸附模型和吸附动力学模型。结果表明:黑土对猪粪沼液氮素的吸附能力随着活性炭和杨木炭粒径的减小、添加比例的增加而显著增加;当粒径为0. 25 mm、添加比例10%时,添加杨木炭的黑壤土和黑砂土的氨态氮、硝态氮的吸附量为224. 8、107 mg/kg和212. 4、104 mg/kg,比空白纯黑壤土和黑砂土提高388. 7%、296. 3%和453. 13%、333. 33%,比添加活性炭的黑壤土和黑砂土降低19. 71%、10. 08%和12. 38%、7. 14%,但添加杨木炭比添加活性炭对吸附平衡后沼液中氨态氮、硝态氮浓度变化影响的差异均不超过2. 5%;添加活性炭黑土、杨木炭黑土、空白纯黑土和纯炭对猪粪沼液中氨态氮的吸附过程为吸热反应,而对硝态氮的吸附过程为放热反应,且所有吸附过程均经历快速、缓慢、趋于平衡3个阶段,硝态氮快速吸附的时间更短; Freundlich、Langmuir模型和准二级模型均能较好描述其等温吸附过程和吸附动力学过程,Freundlich模型比Langmuir模型相对更优,吸附反应过程同时存在不均匀的多分子层表面物理吸附和均匀的单分子层化学吸附;添加活性炭、杨木炭黑土对沼液中氨态氮、硝态氮的吸附量越大,解吸率也越大,但解吸量远小于有效吸附量,添加杨木炭的黑壤土和黑砂土对氨态氮、硝态氮的有效吸附量比添加活性炭的黑壤土和黑砂土减少14. 57%、9. 19%和5. 34%、5. 74%。杨木炭在提高黑土对猪粪沼液氮素的吸附能力、减少猪粪沼液氮素损失方面的效果优良,可为杨木炭和猪粪沼液在东北黑土改良方面的深入研究提供理论依据。     

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...     

大孔隙对土壤比水容重及非饱和导水率影响的实验研究

以南京市栖霞区东阳镇的粉砂壤土为例,用土壤水分特征曲线(van Genuchten模型)拟合包含大孔隙原状土、不包含大孔隙扰动土的实测数据,得到了模型参数,进而得到比水容重和非饱和导水率与土壤含水量之间关系的表达式,在此基础上对比分析了原状土与扰动土水分运动参数之间的异同,并着重分析了土壤大孔隙对其影响。结果表明,受土壤大孔隙的影响,在同一含水量的情况下,扰动土的比水容重比原状土大1～2个数量级,并且随着吸力的增大,二者的差值逐渐减小;扰动土的非饱和导水率小于原状土,最大可相差2～3个数量级。