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水-火联动制炭方法和生物质炭消减滨海土壤盐渍障碍的机制研究
校亮
Subtype博士
2020-05-23
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Degree Name工学博士
Keyword水-火联动 生物质炭 化肥减施 土壤板结和盐渍障碍 养分蓄供
Abstract本研究针对黄河三角洲地区农林废弃物处理处置难、土壤盐渍化危害严重、土壤养分匮乏、土壤易板结、化肥利用率低等困境,探索水-火联动方法将当地常见的废弃生物质就地转化为生物质炭的技术(以刺槐为例探索和优化制炭技术,采用优选的方法对竹柳实现就地炭化),以降低生物质炭的生产和使用成本;选用田间制备的竹柳炭,通过理论计算、原状土柱模拟淋洗实验和田间小区试验,阐述了竹柳炭缓解盐渍土(2.8‰含盐量)板结和盐分障碍、提升养分蓄供能力和增加作物产量的过程机制。主要过程和结论如下: (1)水-火联动制备生物质炭的成炭过程为生物质在曝氧环境下的“自限氧-水淬灭”高温热裂解过程。具体操作为:多位点引燃刺槐树枝,随暴露时间(即燃烧的枝条形成火墨跌落至地面至淋水终止燃烧并生成生物质炭的间隔)的延长,刺槐炭的含碳量、表面积及和官能团含量逐渐降低,灰分含量逐渐升高。以即0 min暴露时间成炭的炭品性质最佳:其含碳量为67.45%、比表面积为155.77 m2/g,羧基和酚羟基官能团含量分别为1.74和0.86 mol/kg。依据国际生物质炭协会(生物质炭质量标准2.0版)和欧洲生物质炭质量标准(4.8版),该炭品隶属一等品。研究进一步采用此方法制得了0 min暴露时间的竹柳炭供田间试验应用。 (2)生物质炭随秸秆旋耕还田可缓解土壤板结障碍。秸秆旋耕还田这一常规农耕措施可将土壤容重自本底值的1.48降低至1.27 g/cm3、饱和导水率(Ks)自0.05×10–5增加至0.75×10–5 cm/s,但这一有益效果会被后期的春灌、硬茬种植和秋灌等农耕活动逐渐抹平。施加4 g/kg(12 t/ha)的竹柳炭可有效缓解这一问题,小麦-玉米轮作期结束,与对照相比,4 g/kg竹柳炭添加使土壤容重自1.47降至1.34g/cm3、Ks自0.06×10–5增至0.28×10–5 cm/s、土壤有机碳自4.87增至8.01 g/kg、水稳性团聚体自9.4增至15.1%。土壤物理性状的改良增强了盐分淋洗(耕层土壤中的Na+含量降低了65%,Cl–含量降低了98%),两者共同加速了秸秆腐解,使土壤有机碳的增加了64.5%,0.25–2 mm粒径的土壤水稳性团聚体增加了60.6%。 (3)施用竹柳炭可通过增加盐渍土导水性能、离子交换等过程加速盐分洗脱,通过K+缓释和官能团吸附作用固持土壤养分。原状土柱模拟淋洗(每次15 cm的静水压力、分两次淋洗)实验表明,与对照相比,4 g/kg(12 t/ha)的竹柳炭添加下耕层土壤中的Na+浓度分别在一、二次淋洗过程中降低了25.55%和60.30%,土壤浸提液中Cl–的浓度与Na+的变化规律一致。同时,钠吸附比(SAR),自一次淋洗过程中的1.62降低至二次淋洗结束后的0.54,分别比同时段对照降低了15.2%和49.5%。氯硫根比(Cl–/√SO42–)呈现出与SAR类似的规律。竹柳炭添加使土壤Ks从0.15×10–5提高到0.39×10–5 cm/s,加速了土壤盐分的洗脱。竹柳炭提供的大量Ca2+(5422.75 mmol/kg)也可交换土壤吸附位点上的Na+,使其进入土壤溶液,便于随灌溉或降水排出,进一步加速了盐分淋洗。竹柳炭丰沛的K+(493.85 mmol/kg)还可通过调节土壤溶液的离子组成,以降低毒害较大的Na+的相对含量。实施 ≥ 30 cm净水压力的水量可消除春灌过程中作物根区表层压盐而底层积盐的现象。竹柳炭添加有助于减少灌溉淋盐过程中土壤铵态氮和有效磷的淋失,但却加速了硝态氮的淋洗。因此,灌前施肥应避免施用硝基肥。 (4)土壤溶液中盐离子浓度的降低、较大盐害离子的减少、土壤养分蓄存量及土壤有机碳的增加有助于盐障消减和养分利用。炭-肥配施,即2–4 g/kg或6–12 t/ha的竹柳炭配施75%的常规施肥量(CF:375 kg/ha),可明显提升冬小麦籽粒的K/Na比(物吸钾排钠),且其效果优于CF。炭-肥配施可分别提升冬小麦氮、磷养分利用率(NUE, PUE:)39.57%–41.66%和16.00%–43.95%,并促进N、P、K养分向作物籽粒转移。但炭-肥配施并未明显提升夏玉米氮肥和磷肥利用率。炭-肥配施可实现当年小麦-玉米轮作期内化肥减施25%、养分增效与作物增产目标,冬小麦、夏玉米的产量分别比常规施肥产量高出10.98%–21.51%和19.28%–25.16%。 土壤可溶性盐(尤其Na+)含量过高和土壤板结是限制作物产量的关键障碍因子。在利用生物质炭实现盐渍土地力提升和作物增产过程中,松土淋盐是关键,将低剂量(1–4 g/kg,约6–12 t/ha)的竹柳炭与秸秆机械旋耕还田相结合,可实现当年小麦-玉米轮作期盐渍土板结障碍缓解和盐分离子洗脱的目的。
MOST Discipline Catalogue工学::环境科学与工程(可授工学、理学、农学学位)
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.yic.ac.cn/handle/133337/24215
Collection中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文
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GB/T 7714
校亮. 水-火联动制炭方法和生物质炭消减滨海土壤盐渍障碍的机制研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2020.
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