生物炭对黑土区坡耕地土地生产力的可持续效应研究

为探究一次性施加生物炭后对黑土区坡耕地生产力的可持续效应,以东北黑土区3°坡耕地径流小区为研究对象,设置CK(不施用生物炭)和BC(2016年施用75 t/hm~2生物炭,2017、2018年不再施用生物炭)两个处理,于2016—2018年开展了试验研究。结果表明:一次性施入生物炭3年内,土壤容重显著降低(P0.05),第1年降低最明显,为3.87%,孔隙度和总有机碳、铵态N、有效P、速效K含量显著提高(P0.05),p H值则是施炭后前两年显著提高(P_(2016)=0.034、P_(2017)=0.038),分别提高了0.9、0.6,第3年与未施炭处理无显著差异(P_(2018)=0.067);施用生物炭显著提升了土壤的持水能力和保水保土性能,土壤饱和含水率、田间持水率、凋萎系数均显著提高(P0.05),最大增长率分别为5.58%、4.78%、7.29%,年径流深和土壤侵蚀量显著降低(P0.05),年径流深最大减少量为4.92 mm,土壤侵蚀量最大减小率为5.71%;大豆产量和水分利用效率显著提高(P0.05),最大增长率分别为29.01%、16.92%。但生物炭对土地生产力的持续效应逐年减弱,随着生物炭施用年限的延长,BC处理土壤容重线性递增,p H值和总有机碳含量呈幂函数递减,孔隙度和铵态N、有效P、速效K含量线性递减,饱和含水率、田间持水率、凋萎系数线性递减,年径流深和土壤侵蚀量线性递增,大豆产量和水分利用效率分别呈幂函数递减和线性递减。采用改进的TOPSIS(Technique for order preference by similarity to an ideal solution)模型和GM(1,1)模型测算并预测土地生产力指数,结果显示,BC处理的土地生产力指数均高于CK处理,但其值逐年下降,预计到2021年与CK处理十分接近,表明一次性施用75 t/hm~2生物炭对土地生产力的影响可持续5～6年。研究结果可为东北黑土区生物炭应用提供理论依据。     

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...     

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。     

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。     

黑土区坡耕地施加生物炭对土壤结构与大豆产量的影响

为探明黑土区施加生物炭对土壤结构、土壤肥力和作物产量及其可持续性的影响,以东北黑土区3°坡耕地田间径流小区为研究对象,进行了为期4年的观测。2015年按照生物炭的施加量共设置C0(0 t/hm2)、C25(25 t/hm2)、C50(50 t/hm2)、C75(75 t/hm2)、C100(100 t/hm2) 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年随施炭量的增加土壤容重呈逐渐降低趋势、孔隙度呈逐渐升高趋势,且施用年限越长,作用越明显;连续4年广义土壤结构系数(GSSI)随施炭量的增加呈先增大后减小的变化趋势,土壤三相结构距离指数(STPSD)呈先减小后增大的变化趋势,均在第2年C50处理取得最大(小)值(98. 31、4. 87),同时土壤三相比最接近理想状态;连续4年大于0. 25 mm的土壤团聚体含量(R0. 25)、平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)随施炭量的增加均呈先增大后减小的变化趋势,均在第2年C50处理取得最大值;连续4年土壤速效钾、有机质含量随施炭量的增加逐渐升高,土壤碱解氮和有效磷含量先增加后减小,各年份土壤碱解氮和有效磷含量提高最多的分别为C50(46. 1%、76. 6%)、C50(46. 4%、85. 4%)、C25 (33%、100. 7%)、C25 (23. 9%、103. 2%);连续4年施加生物炭均可提高大豆产量、单株荚数、单株粒数和百粒质量,在第2年C50处理增产最大,增产率为33. 3%,同时产量可持续性最强,产量可持续性特征指数(SYI)为0. 871。     

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。     

GIS与土地生产力评价模型的集成

GIS与应用模型的集成是GIS应用的关键问题之一。为此，论述了土地生产力评价的数学方法和相关模型、GIS及其在土地生产力评价中的应用、GIS与土地生产力评价模型的集成方式和集成途径及目前存在的主要问题，并就未来研究提出了若干建议。     

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。     

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。     

黑土区坡耕地水土保持耕作措施对土壤理化性状的影响

为探寻黑土区坡耕地不同水土保持耕作措施对土壤理化性状的影响机理,开展了田间小区试验。设置横坡耕作（TP）、垄向区田（RF）、深松（SF）、横坡耕作+垄向区田（TP-R）、横坡耕作+深松（TP-S）、垄向区田+深松（RF-S）3种水土保持耕作措施及3种组合耕作措施,并以常规顺坡耕作（CK）为对照,分析了土壤孔隙度、土壤机械组成、水稳性土壤团聚体稳定性、土壤养分含量等指标,并采用TOPSIS模型对不同水土保持耕作措施进行了综合评价,筛选了土壤稳定性强且蓄水保肥效果良好的水土保持耕作措施。结果表明：在玉米的全生育期内,深松、垄向区田、横坡耕作均能提高土壤体积含水率。TP-S处理体积含水率最大,0~40cm土层平均体积含水率较CK处理增加29.47%;RF-S处理平均孔隙度最大,TP-S处理次之,平均孔隙度较CK处理分别增大10.68%、9.25%;TP-S处理能够显著提高土壤稳定性,其中平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和大团聚体含量（R0.25）较CK处理分别增加12.30%、19.57%、13.97%;TP-S处理能够改善土壤机械组成,TP-S处理粗砂粒、粉粒、黏粒含量较CK处理增加15.40%、26.89%、1.90%,细砂粒含量较CK处理降低31.56%;TP-S处理IN（无机态氮）、AP（有效磷）、AK（速效钾）含量最高,较CK处理IN、AP、AK含量分别增加42.81%~55.32%、39.69%~40.68%、20.41%~25.45%。由TOPSIS模型综合评价结果可知,TP-S处理贴合度最高,土壤结构更稳定,且蓄水保肥效果更好,为适宜该地区的水土保持耕作措施。     

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...