秸稈直接還田效果及秸稈熱解制成生物炭還田模擬研究

【摘要】：關(guān)中地區(qū)是陜西省主要的糧食生產(chǎn)區(qū)，也是我國小麥-玉米一年兩熟輪作制的典型分布區(qū)，消除該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遇到的障礙，促進(jìn)該地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，不僅有利于保障當(dāng)?shù)丶Z食安全，而且對于我國其他一年兩熟輪作區(qū)集約化農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展亦有深遠(yuǎn)意義。針對該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中目前遇到的土壤有機(jī)質(zhì)下降、土壤結(jié)構(gòu)變劣、土壤生產(chǎn)力降低及大量秸稈資源浪費(fèi)等問題，本研究通過探索高效利用秸稈的方法，為解決地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的問題，促進(jìn)地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論和實(shí)踐依據(jù)。首先，依據(jù)當(dāng)?shù)匦←?玉米輪作制度的生產(chǎn)現(xiàn)狀，于2008-06至2010-10期間在西北農(nóng)林科技大學(xué)三原試驗(yàn)站，設(shè)置了3個不同的秸稈還田模式組合，進(jìn)行秸稈還田田間試驗(yàn)，評估秸稈直接還田配合不同的耕作方式對土壤碳、土壤養(yǎng)分和土壤周年生產(chǎn)力的影響，為篩選最優(yōu)秸稈還田模式提供理論參考依據(jù)；其次，結(jié)合關(guān)中地區(qū)農(nóng)業(yè)的實(shí)際情況，借鑒國際上對生物炭（biochar）的研究經(jīng)驗(yàn)，采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)方式比較了秸稈直接物理粉碎與制成生物炭后，在土壤中的腐解特征和對土壤總有機(jī)碳的影響，評估了秸稈轉(zhuǎn)化成生物炭后在促進(jìn)關(guān)中地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可行性，為秸稈的高效利用提供新型的理論依據(jù)；另外，基于室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型的方法，預(yù)測不同生物炭施用量對土壤中碳截留量和土壤中不同碳形態(tài)的影響，在更大的時間尺度上（100年）評估生物炭在關(guān)中地區(qū)石灰性土壤中碳“匯”效果和對土壤質(zhì)量的改善潛力。具體的試驗(yàn)過程和結(jié)果如下： 1.在陜西關(guān)中地區(qū)，于2008-06–2010-10年采用2年4季的田間定位試驗(yàn)，以玉米秸稈不還田-小麥秸稈不還田為對照（CK），比較玉米秸稈覆蓋還田-小麥秸稈高留茬還田（T-1）、玉米秸稈直接還田-小麥秸稈高留茬還田（T-2）、玉米秸稈直接還田-小麥秸稈直接還田（T-3）3種秸稈還田方式對土壤碳儲量、養(yǎng)分含量及作物周年產(chǎn)量的影響。與CK相比，3種秸稈還田方式下土壤總有機(jī)碳儲量（C_T）、土壤活性碳儲量（C_L）、土壤碳庫管理指數(shù)（CMI）、土壤全磷、硝態(tài)氮、速效鉀含量和作物周年產(chǎn)量均增加。3種秸稈還田方式對C_T、C_L及CMI的影響表現(xiàn)為T-3 T-2 T-1；對作物周年產(chǎn)量的影響則表現(xiàn)為T-2 T-3 T-1；對土壤養(yǎng)分的影響無明顯規(guī)律性，但是對速效鉀的影響表現(xiàn)為T-2 T-3 T-1。綜合考慮，在陜西關(guān)中小麥-玉米輪作體系中玉米秸稈直接還田-小麥秸稈高留茬還田模式（T-2）是較優(yōu)的耕作方式。 2.通過比較玉米秸稈（MS）、小麥秸稈（WS）、玉米秸稈生物炭（MB）和小麥秸稈生物炭（WB）在土壤中的腐解情況，確定秸稈制成生物炭在關(guān)中地區(qū)的應(yīng)用潛力，為探尋秸稈在關(guān)中地區(qū)石灰性土壤上的更高效利用途徑和生物炭在我國碳交易中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：1）玉米秸稈和小麥秸稈經(jīng)過高溫制成生物炭后在石灰性土壤中的呼吸速率比其對應(yīng)的秸稈分別低76%和77%，呼吸趨勢與對照（CK）幾乎重合。2）兩種秸稈與其制成的生物炭對CO_2-C累積釋放量的影響呈現(xiàn)與土壤呼吸率相似的差異：在74d的培養(yǎng)期內(nèi)，小麥秸稈和玉米秸稈生物炭的CO_2-C累積釋放量僅為82.43和84.62mg·pot~(-1)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對應(yīng)秸稈的355.80和347.00mg·pot~(-1)；3）WB和MB的累積礦化率分別為8.96%，8.22%，而WS和MS施入土壤在培養(yǎng)期間的累積礦化率分別達(dá)到55.59%，52.58%，是制成生物炭的6.30倍。4）秸稈和生物炭施入土壤經(jīng)過培養(yǎng)后都顯著增加了土壤的總有機(jī)碳（TOC）含量，增加幅度為WB MB MS WS，其中以WB增加幅度最高，比CK提高74%?？梢姡斩捊?jīng)熱解制成生物炭后在關(guān)中地區(qū)的石灰性土壤中比秸稈物理粉碎直接還田具有更加穩(wěn)定的特性，能夠更大幅度提高土壤中有機(jī)碳的含量。因此，秸稈制成生物炭在促進(jìn)關(guān)中地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和增匯減排中很有實(shí)際應(yīng)用價值。 3.在明確生物炭在關(guān)中地區(qū)具有大幅度提升土壤中有機(jī)碳含量的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，探討生物炭不同的用量進(jìn)入土壤中在較大時間尺度（100年）上的降解和對土壤碳的影響規(guī)律，旨在為生物炭在關(guān)中地區(qū)的田間實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)，同時為建立全球氣候預(yù)測模型提供參數(shù)。結(jié)合關(guān)中地區(qū)農(nóng)業(yè)的實(shí)際情況，試驗(yàn)對玉米秸稈生物炭（MB）和小麥秸稈生物炭（WB），分別設(shè)置5、10、20g/kgsoil（11250、22500、45000kg/hm~2）3個水平，分別對應(yīng)WB-5、WB-10、WB-20和MB-5、MB-10、MB-20等6個處理，及對照CK。結(jié)果顯示，1）生物炭施入土壤后的降解礦化速率符合“對數(shù)模型”，且模型與實(shí)際數(shù)據(jù)的相關(guān)性均大于0.95；2）在設(shè)定土壤和環(huán)境條件不變的條件下用該模型預(yù)測出生物炭不同施用量與其百年降解率（Clost100years/%）呈負(fù)相關(guān)性，有WB-5 WB-10 WB-20和MB-5MB-10 MB-20的規(guī)律。即在100年的時間尺度上，生物炭施用得越多，在土壤中剩余的生物炭量越大；3）生物炭能夠增加土壤中總有機(jī)碳（TOC）含量，而且增加幅度與施用量呈正比；生物炭的施用量對土壤中的可溶性有機(jī)碳（DOC）和活性有機(jī)碳（LC）影響差異不顯著。4）不同的生物炭量對土壤中微生物量碳（MBC）呈顯著地負(fù)相關(guān)性?？梢钥闯?，在關(guān)中地區(qū)的石灰性土壤上施用生物炭，其礦化降解符合對數(shù)模型；生物炭施用對土壤中總有機(jī)碳含量具有顯著地增加效果，且效果能夠保持100年以上；生物炭的增加并不能增加土壤中活性有機(jī)碳和微生物量碳的含量。因此，在關(guān)中地區(qū)的石灰性土壤上施用生物炭能夠在較長的時間段里增加土壤中總有機(jī)碳的含量，但是由于生物炭本身的碳很穩(wěn)定，并不能顯著改善土壤中碳的質(zhì)量。 【關(guān)鍵詞】：小麥-玉米輪作 秸稈利用方式 周年產(chǎn)量 土壤有機(jī)碳 生物炭
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：S158
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 文獻(xiàn)綜述13-25
• 1.1 研究背景13-15
• 1.1.1 我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展瓶頸13-14
• 1.1.2 循環(huán)農(nóng)業(yè)是必然選擇14-15
• 1.2 關(guān)中地區(qū)農(nóng)業(yè)概況15-16
• 1.2.1 關(guān)中地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在保證我國糧食安全中的作用15
• 1.2.2 關(guān)中地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟需解決的問題15-16
• 1.3 積極探索促進(jìn)關(guān)中地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方案16-23
• 1.3.1 鞏固以直接高效合理利用秸稈資源的技術(shù)成果17-19
• 1.3.2 積極探索秸稈熱解技術(shù)處理19-23
• 1.4 關(guān)中地區(qū)以秸稈還田技術(shù)為紐帶建設(shè)循環(huán)農(nóng)業(yè)體系的展望23-25
• 第二章 小麥-玉米輪作體系中秸稈還田方式對土壤肥力及作物產(chǎn)量的影響25-32
• 2.1 材料與方法25-27
• 2.1.1 試驗(yàn)區(qū)概況25
• 2.1.2 試驗(yàn)材料25-26
• 2.1.3 試驗(yàn)設(shè)計和田間管理26-27
• 2.1.4 樣品采集與指標(biāo)測定27
• 2.1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理27
• 2.2 結(jié)果與分析27-30
• 2.2.1 不同秸稈還田方式對耕層土壤碳儲量和 CMI 的影響27-29
• 2.2.2 不同秸稈還田方式對耕層土壤養(yǎng)分的影響29
• 2.2.3 不同秸稈還田方式對作物周年產(chǎn)量的影響29-30
• 2.3 討論30-31
• 2.3.1 秸稈還田方式對農(nóng)田碳儲量和 CMI 的影響30
• 2.3.2 秸稈還田方式對土壤肥力狀況的影響30
• 2.3.3 秸稈還田方式對作物周年產(chǎn)量的影響30-31
• 2.4 結(jié)論31-32
• 第三章 秸稈及其生物炭在石灰性土壤中礦化特征比較32-39
• 3.1 材料與方法33-34
• 3.1.1 供試材料33
• 3.1.2 試驗(yàn)設(shè)計33-34
• 3.1.3 指標(biāo)測定與方法34
• 3.1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計34
• 3.2 結(jié)果與分析34-37
• 3.2.1 秸稈及其生物炭在石灰性土壤中的礦化速率比較34-35
• 3.2.2 秸稈及其生物炭在石灰性土壤中的累積礦化量比較35-36
• 3.2.3 秸稈及其生物炭對石灰性土壤有機(jī)碳儲量的影響36-37
• 3.3 討論37
• 3.3.1 秸稈制成生物炭后在石灰性土壤中的礦化情況37
• 3.3.2 不同秸稈制成生物炭后在石灰性土壤中的礦化情況比較37
• 3.3.3 秸稈制成生物炭后對增加石灰性土壤總有機(jī)的影響37
• 3.4 結(jié)論37-39
• 第四章 不同施用量生物炭在石灰性土壤中的演變規(guī)律探討39-46
• 4.1 材料與方法40-41
• 4.1.1 供試材料40
• 4.1.2 試驗(yàn)設(shè)計40-41
• 4.1.3 測定與分析方法41
• 4.1.4 數(shù)據(jù)處理41
• 4.2 結(jié)果與分析41-44
• 4.2.1 生物炭施用量對土壤呼吸量的影響及模型的建立41-42
• 4.2.2 基于模型預(yù)測生物炭對土壤有機(jī)碳的長期影響42-43
• 4.2.3 不同生物炭施用量對不同土壤碳的影響43-44
• 4.3 討論44-45
• 4.3.1 石灰性土壤中施用生物炭在石灰性土壤中的礦化情況44
• 4.3.2 對數(shù)模型在石灰性中對預(yù)測生物炭降解的適用性44
• 4.3.3 秸稈制成生物炭后對增加石灰性土壤碳的影響44-45
• 4.4 結(jié)論45-46
• 參考文獻(xiàn)46-52
• 致謝52-54
• 作者簡介54

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磷肥在石灰性土壤中的形態(tài)轉(zhuǎn)化及其有效性    尹金來,曹翠玉,史瑞和

石灰性土壤上磷肥的效應(yīng)    黃竹芝,黃啟武,曹翠玉,史瑞和

生物炭對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境改良作用的研究進(jìn)展    楊丹;劉限;劉鳴達(dá);張玉龍;

濕地植物蘆竹生物炭的制備及特性表征研究    王震宇;鄭浩;李鋒民;

土壤碳匯能力衰退的生物炭修復(fù)    孟靜靜;劉靜宇;黃少鵬;

生物炭影響土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的生物學(xué)機(jī)制    沈國清;

生物質(zhì)熱解生產(chǎn)生物炭研究進(jìn)展    閆智培;李十中;

生物質(zhì)限氧裂解制備生物炭的熱動力學(xué)特性研究    徐義亮;陳寶梁;

有機(jī)污染物與生物炭的相互作用:吸附模型、機(jī)理和熱力學(xué)    陳寶梁;陳再明;陳文遠(yuǎn);周丹丹;方遠(yuǎn);

生物質(zhì)炭化及資源化利用研究進(jìn)展    盛奎川;沈瑩瑩;錢湘群;

低碳經(jīng)濟(jì)下的生物炭研究    孟靜靜;劉靜宇;黃少鵬;

稻殼和牛糞基生物炭對水中重金屬Pb、Cu、Zn、Cd的吸附研究    續(xù)曉云;曹心德;于宏然;

生物炭能否給地球降降溫？    本報記者 劉霞

生物炭漸火 農(nóng)林廢棄物就地一“燜”變成寶    羅冰

農(nóng)民王有權(quán)將秸稈變成“香餑餑”提取生物炭和焦油新技術(shù)獲國家專利    記者 耿建擴(kuò)　通訊員 常云亮 王小勝

武漢大學(xué)城治污達(dá)標(biāo)    鄢祖海 金濤

農(nóng)林廢棄物就地一“燜”變成寶    記者 羅冰

磷酸一銨在石灰性土壤上的應(yīng)用    河南省鄭州市沃田配肥站站長 吳魯智

小鎮(zhèn)里走出的“中國名牌”    李文濤

湖北建成新型污水處理廠    特約記者 鄧國軍 通訊員 劉成漢

潔凈型煤與秸稈炭化生產(chǎn)基地將在全國建設(shè)    駐江蘇記者 杜小衛(wèi)

我省建成首家秸稈氣化站    記者 熊藝 通訊員 宋朝陽 徐立安

生物炭改良白漿土的初步研究    殷大偉

生物炭技術(shù)緩解溫室氣體排放的潛力評估    姜志翔

生物炭對不同類型土壤理化性質(zhì)和微生物多樣性的影響    韓光明

蘆竹生物炭對農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境的影響    鄭浩

生物炭對西唯因與阿特拉津環(huán)境行為的影響    張鵬

生物炭的理化性質(zhì)及其在作物生產(chǎn)上的應(yīng)用    張偉明

生物炭對稻田土壤鎘生物有效性的影響研究    張振宇

生物炭在黃土高原典型土壤中的改良作用    劉祥宏

山西省小麥—玉米輪作系統(tǒng)養(yǎng)分資源綜合管理研究    楊治平

高效誘變菌與生物炭復(fù)合修復(fù)重金屬污染土壤的研究    王婷

秸稈直接還田效果及秸稈熱解制成生物炭還田模擬研究    游東海

黃土高原地區(qū)石灰性土壤添加生物炭的溫室氣體效應(yīng)    顏永毫

生物炭對土壤肥力、作物生長及養(yǎng)分吸收的影響    張晗芝

王草產(chǎn)量、品質(zhì)和土壤性狀對生物炭濃度梯度的響應(yīng)    解鈺

生物炭對土壤質(zhì)量及王草產(chǎn)量、品質(zhì)的影響    吳鵬豹

生物炭對土壤性質(zhì)及作物生長的影響研究    張明月

不同源生物炭的理化性質(zhì)及其對雙酚A和磺胺甲噁唑的吸附    李靖

半干旱區(qū)生物炭的土壤生態(tài)效應(yīng)定位研究    王丹丹

生物炭對土壤微生物生態(tài)特征的影響    呂偉波

一種生物炭基氮肥的特征及其對土壤作物的效應(yīng)研究    高海英