（植物营养学专业论文）生物炭对土壤肥力、作物生长及养分吸收的影响.pdf

m a s t e rd i s s e r t a t i o no fs o u t h w e s t u n i v e r s i t y e f f e c t so fb i o c h a ra m e n d m e mo ns o i lf e r t i l i t y , c r o p g r o w t ha n dn u t r i e n tu p t a k e c a n d i d a t e ：z h a n gh a n z h i s u p e r v i s o r ：p r o f h u a n gy u n p r o f x i ez u b i n d i s c i p l i n e ：p l a n tn u t r i t i o n d i r e c t i o n ：a g r i c u m r ei n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t c h o n g q i n gc h i n a m a y , 2 0 10 75仲82洲8删8 iiiii_y 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章文献综述j j 0 1 1 1 土壤的化学性状1 1 1 1 土壤有机碳1 1 1 2 土壤氮3 1 1 3 土壤磷和钾3 1 1 4 土壤酸碱度5 1 2 生物炭的背景及研究进展5 第2 章生物炭对玉米苗期生长、养分吸收及土壤肥力的影响7 2 1 引言7 2 2 材料和方法7 2 2 1 土壤7 2 2 2 生物炭8 2 2 3 微域试验8 2 2 4 土壤和植株的分析8 2 2 5 数据分析j 9 2 3 结果与分析9 2 3 1 植株的养分吸收9 2 3 2 土壤性状1 1 2 4 讨论1 2 2 5 小结13 第3 章生物炭对小麦生长、养分吸收及土壤肥力的影响1 4 3 1 引言1 4 3 2 材料和方法14 3 2 1 研究地点和土壤1 4 3 2 2 生物炭z 1 4 3 2 4 微域试验15 3 2 5 土壤和植株的分析1 5 3 2 6 数据分析1 6 3 3 结果与分析16 3 3 1 土壤的化学性状1 6 3 3 2 植株的养分吸收1 9 3 4 讨论2 6 3 4 1 不同用量低温热解生物炭( 4 0 0 ) 处理的土壤和植株响应2 6 3 4 2 相同用量不同热解温度生物炭( 3 0 0 。c ，4 0 0 。c ，5 0 0 。c ) 的土壤和植株响应 2 7 3 5 小结2 7 第4 章结论2 8 参考文献3 0 致谢3 5 发表论文及参加课题3 6 | 两南大学硕士学位论文摘要 生物炭对土壤肥力、作物生长及养分吸收 的影响 植物营养学专业，硕士研究生张晗芝 指导老师黄云教授 谢祖彬研究员 摘要 当前全球大气二氧化碳浓度逐渐升高，生物炭可以作为固碳减排的一种手段。 生物炭施入土壤能够固定土壤中的有机碳，减缓温室气体的排放；还能够增加植物 的养分吸收，提高作物产量。实验为田间微域实验，采用低温热解小麦生物炭，研 究生物炭对玉米和小麦生长、氮磷钾养分吸收和土壤化学性状的影响。 ( 1 ) 不同用量( 0t h m 之，2 4t - h m 七，1 2 t h m 。2 ，4 8t h m 也) 低温热解( 4 0 0 。c ) 的生物 炭施入水稻土壤，通过对玉米苗期植株和土壤的分析，笔者发现，在玉米苗期的前 3 3 天，生物炭( 4 8t - h m 七) 对玉米株高的生长有显著抑制作用，但随着玉米的生长 发育，生物炭的抑制作用逐渐消失。收获时( 播种后6 0 天) ，生物炭对玉米植株干 重和氮磷养分的吸收量没有显著影响；生物炭( 1 2t b m 。2 ，4 8t l 衄之) 能显著提高土 壤全氮和有机碳含量，但对土壤全磷、有效磷和p h 值没有显著影响。土壤全氮、 有机碳含量随生物炭用量( 0t - h m ，2 4t h m 2 ，1 2 t h m 2 ，4 8t h m - 2 ) 的增加而增加， 与生物炭用量呈显著正相关。 ( 2 ) 不同用量( 0t h m 五，2 4t l l r n 2 ，12 t h m 。2 ，4 8t h m 。z ) 低温热解( 4 0 0 。c ) 的生 物炭施入红壤和水稻土壤，通过对小麦植株和土壤的元素分析，笔者研究发现， 土壤有机碳含量与生物炭用量呈极显著线性相关；1 2t - h m 之、4 8t - h m o 红壤处理 和4 8t h m 啦水稻土处理提高了土壤有机碳含量。红壤的全氮含量与生物炭含量 达到极显著线性相关，4 8t - h m 。2 红攘处理显著增加了全氮量；水稻土土壤全氮含 量变化不明显。红壤碳氮比、水稻土碳氮比分别与生物炭用量呈极显著线性相关 和显著相关，1 2t h m 。2 、4 8t 如。2 红壤处理和4 8t - h m 。2 水稻土处理提高了土壤 碳氮比。红壤p h 值和生物炭用量为极显著相关，1 2t 1 1 n 1 2 、4 8t h m 也红壤处理明 显提高了p h 值；水稻土p h 肛变化不明显。4 8t l l i i l 之红壤处理的全磷量显著增加， 生物炭对水稻土的全磷含量、红壤和水稻土的有效磷含量影响不明显。有效钾含 两南大学硕十学位论文 摘要 量和生物炭用量呈极显著相关；红壤有效钾含量显著提高，1 2t h m 。2 、4 8t h m 之 水稻土处理有效钾含量增加明显。 生物炭对红壤小麦植株的氮磷含量的影响不显著；而与植株钾含量为显著线性 相关，4 8t h m 之红壤小麦处理钾含量增加显著。水稻土处理生物炭为2 4t h m 之时 显著减少了小麦植株氮含量；水稻土植株磷含量、钾含量与生物炭用量呈显著线性 相关和极显著线性相关，4 8t h m 之水稻土处理植株磷钾显著增加。 生物炭对红壤植株氮磷养分吸收影响不明显；4 8t h m 之红壤小麦处理钾的吸收 量增加显著。生物炭用量为2 4t - h m 之和1 2t h m - 2 时，水稻土小麦氮磷钾吸收量显 著减少；生物炭用量为4 8t - h m 之时，水稻土小麦植株磷钾吸收量增加明显。 生物炭对红壤植株干重影响不显著。对水稻土小麦植株来说，生物炭2 4t - h m 之 和1 2t h m - 2 时显著减少了小麦植株干重，生物炭用量为4 8t h m - 2 时显著增) j d 4 , 麦 植株干重。 ( 3 ) 相同用量( 1 2t h m 之) 不同热解温度( 3 0 0 。c ，4 0 0 。c ，5 0 0 。c ) 的生物炭施入 红壤和水稻土壤，通过对小麦植株和土壤的元素分析，笔者研究发现，生物炭 ( 3 0 0 。c ，4 0 0 。c ，5 0 0 。c ) 增加了土壤的有机碳含量。生物炭( 3 0 0 。c ，4 0 0 。c ，5 0 0 。c ) 提高了土壤的有效钾含量，而且4 0 0 。c 和5 0 0 。c 生物炭和3 0 0 。c 生物炭相比效果 更好。生物炭( 3 0 0 。c ，4 0 0 。c ，5 0 0 。c ) 改良了土壤性状，但没有对小麦的干物质重 量和氮磷钾的吸收有促进作用，且减少了水稻土壤小麦的干物质重量和氮磷钾的 养分吸收。 关键词：生物炭玉米小麦有机碳氮磷钾 i i l 两南大学硕七学位论文a b s t r a c t e f f e c t so fbio c h a ra m e n d m e n to nso i lf e r t i l i t y , n u t r i e n tu p t a k ea n d c r o pg r o w t h d i s c i p l i n e ：p l a n tn u t r i t i o n c a d d i d a t e ：z h a n gh a n z h i s u p e r v i s o r ：h u a n gy u n x i ez u b i n a b s t r a c t c u r r e n t l y , 、析t 1 1c a r b o nd i o x i d ei nt h ea t m o s p h e r ei n c r e a s i n gi nt h eg l o b a l b i o c h a r c a l ls e q u e s t e rci nt h es o i la n dr e d u c eg h ge m i s s i o na sa l le f f e c t i v et 0 0 1 b i o c h a r a p p l i e dt ot h es o i ln o to n l yi n c r e a s es o i lo r g a n i cc a r b o na n dd e c r e a s eg r e e n h o u s eg a s ， b u ta l s op r o m o t ep l a n tn u t r i e n tu p t a k ea n de n h a n c ec r o py i e l d m i c r oz o n et r i a lw a s c o n d u c t e dt os t u d yt h ee f f e c t so fb i o c h a rp r o d u c e df r o mw h e a ts t r a wa tl o w p y r o l y s i so n c r o pg r o w t h , n u t r i e n tu p t a k ea n ds o i lc h e m i c a lp r o p e r t i e s ( 1 ) b i o c h a ra t4 0 0 。cp y r o l y s i sw e r ep u ti n t or i c es o i la td i f f e r e n tr a t e s ( ot h m 之，2 4 t - h m ，12 t 。h m ，4 8t h m 叱) t h r o u g he l e m e n t sa n a l y s i so fc o r np l a n ti ns e e d i n ga g ea n d s o i l ，t h ea u t h o rf o u n d ：b i o c h a r ( 4 8t - h m 心) s i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e dc o r nh e i g h tf r o m13 t o3 3d a y sa f t e rs o w i n g b u tt h ei n h i b i t i o ne f f e c t so fb i o c h a rg r a d u a l l yd i s a p p e a r e da f t e r 39d a y s b i o c h a rd i dn o ts i g n i f i c a n t l ya f f e c tt h ec o r nd r yw e i g h t ，n i t r o g e nu p t a k e 乜p o t 。1 ) a n dp h o s p h o r u su p t a k e ( g p o t 。1 ) i ns e e d i n gs t a g e b i o c h a r ( 1 2t h m 之，4 8t - h m 。2 ) s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e ds o i lo r g a n i cc a r b o na n dt o t a ln i t r o g e n , b u td i dn o ts i g n i f i c a n t l y a f f e c tt o t a lp h o s p h o r u s ，a v a i l a b l ep h o s p h o r u sa n dp h s o i lt o t a ln ，s o i lo r g a n i cc a r b o n a n db i o c h a ra m e n d m e n tr a t e s ( 0t - h m 吐，2 4t h m ，12t h m ，4 8t h m ) h a ds i g n i f i c a n t l y p o s i t i v ec o r r e l a t i o n ( n = 12 ，p 0 01 ) ( 2 ) b i o c h a ra t4 0 0 。cp y r o l y s i sw e 二 ea d d e dt or e ds o i la n dr i c es o i la td i f f e r e n tr a t e s ( 0t h m _ ，2 4t - h m ，12 t 。h m 。，4 8t - h ：n 。) t h r o u g he l e m e n t sa n a l y s i so fw h e a tp l a n ta n d s o i l ，t h ea u t h o rf o u n d ：s o i lo r g a n i kc a r b o na n db i o c h a ra m e n d m e mr a t e s ( 0t h m 。2 ，2 4 t l 啦吐，12t - h m 吐，4 8t - h m 。) h a ds i g n i f i c a n t l yp o s i t i v ec o r r e l a t i o n ( n = 12 ，p 0 01 ) b i o c h a r ( 12t - h m ，4 8t h m - 2 、, a d d e dt or e ds o i ls i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e ds o i lo r g a n i c c a r b o n b i o c h a r ( 4 8t h m 叱) a p p l i e dt o r i c es o i ls i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e ds o i lo r g a n i c i i i 两南大学硕士学何论文 a b s t r a c t c a r b o n t o t a lno fr e ds o i la n db i o c h a ra m e n d m e n tr a t e sh a ds i g n i f i c a n t l yp o s i t i v e c o r r e l a t i o n ( n = 12 ，p 0 01 ) b i o c h a r ( 4 8t - h m ) s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dt o t a ln o fr e ds o i l ， b u tb i o c h a rd i dn o ts i g n i f i c a n t l ya f f e c tt o t a lno fr i c es o i l c no fr e ds o i la n db i o c h a r a m e n d m e n tr a t e sh a ds i g n i f i c a n t l yp o s i t i v ec o r r e l a t i o n ( n 212 ，p 0 o1 ) w h i l ec no ff i c e s o i la n db i o c h a ra m e n d m e mr a t e sh a ds i g n i f i c a n t l yp o s i t i v ec o r r e l a t i o n ( n - - 1 2 ，p 0 0 5 ) b i o c h a r ( 12t h m 吐，4 8t h m 吃) p u ti n t or e ds o i ls i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dc nw h i l eb i o c h a r ( 4 8t - h m 叱) s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dc n o fr i c e s o i l p ho fr e d s o i la n db i o c h a r a m e n d m e n tr a t e s ( 0t - h m 吐，2 4t - h m 吐，12t - h m 吐，4 8t h m 心) h a ds i g n i f i c a n t l yp o s i t i v e c o r r e l a t i o n ( n = 1 2 ，p 0 0 1 ) b i o c h a r ( 1 2t - h m 心，4 8t - h m - ) a p p l i e d t or e ds o i l s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dp hw h i l eb i o c h a rd i dn o ts i g n i f i c a n t l ya f f e c tp ho fr i c es o i l b i o c h a r ( 4 8t h m 吃) s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dt o t a lpo fr e d s o i l b i o c h a rd i dn o t s i g n i f i c a n t l ya f f e c tt o t a lpo fr e ds o i la n da v a i l a b l ep o f2s o i l s a v a i l a b l eka n db i o c h a r a m e n d m e mr a t e s ( 0t h m ，2 4t - h m 心，12t h m 吐，4 8t h m 吐) h a ds i g n i f i c a n t l yp o s i t i v e c o r r e l a t i o n ( n = 12 ，p 0 01 ) b i o c h a rs i g n i f i c a n t l yi m p r o v e da v a i l a b l ek o fr e ds o i lw h i l e b i o c h a r ( 12t h m 心，4 8t h m 心) s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e da v a i l a b l ek o ff i c es o i l b i o c h a rd i dn o ts i g n i f i c a n t l ya f f e c tnc o n t e n ta n dpc o n t e n to fw h e a tp l a n to nr e d s o i lw h i l eb i o c h a r ( 4 8t h m ) s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dkc o n t e n to fw h e a tp l a n to nr e d s o i l kc o n t e n to fw h e a tp l a n to nr e ds o i la n db i o c h a ra m e n d m e mr a t e s ( 0t h m 。2 ，2 4 t - h m 。，12t h m 。，4 8t h m 呓) h a ds i g n i f i c a n t l yp o s i t i v ec o r r e l a t i o n ( n = 12 ，p 0 0 5 ) b i o c h a r ( 12t - h m 心) s i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e dnc o n t e n to fw h e a tp l a n to nr i c es o i l b i o c h a r ( 4 8t h m 吐) p u ti n t or i c es o i ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dpc o n t e n ta n dk c o n t e n to f w h e a t p l a n t pc o n t e n to fw h e a tp l a n to n r i c es o i la n db i o c h a ra m e n d m e n tr a t e s ( 0t h m - 2 ， 2 4t h m t ，1 2t h m 心，4 8t - h m 心) h a ds i g n i f i c a n t l yp o s i t i v ec o r r e l a t i o n ( n = 1 2 ，p 0 0 5 ) w h i l ekc o n t e n to fw h e a tp l a n to nf l e es o i la n db i o c h a ra m e n d m e n tr a t e s ( ot h m 之，2 。4 t - h m ，12t - h m 呓，4 8t - h m - 2 ) h a ds i g n i f i c a n t l yp o s i t i v ec o r r e l a t i o n ( n - 12 ，p 0 01 ) b i o c h a rd i dn o ts i g n i f i c a n t l ya f f e c tn u p t a k ea n dpu p t a k eo fw h e a tp l a n to nr e d s o i l b i o c h a r ( 4 8t - h m 。) a d d e dt or e ds o i ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dku p t a k eo fw h e a t p l a n t b i o c h a r ( 2 4t - h m ，12t - h m 吃) s i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e dnu p t a k e ，pu p t a k ea n dk u p t a k eo fw h e a tp l a n to nr i c es o i l 删eb i o c h a r ( 4 8t h m - 2 ) s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dp u p t a k ea n dku p t a k eo fw h e a tp l a n j a 5 nr i c es o i l b i o c h a rd i dn o ts i g n i f i c a n g t ya f f e c tw h e a td r yw e i g h to nr e ds o i l b i o c h a r ( 2 4 t - h m 之，12t - h m 。2 ) p u ti n t or i s o i ls i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e dw h e a td r yw e i g h tw h i l e b i o c h a r ( 4 8t - h m 吐) s i g n i f i c a n t 多e n h a n c e dw h e a td r yw e i g h to nr i c es o i l ( 3 ) b i o c h a ra td i f f e r e n t 6 y r o l y s i st e m p e r a t u r e s ( 3 0 0 。c ，4 0 0 。ca n d5 0 0 。c ) w e r ep u t i v 两南大学硕十学何论文 a b s t r a c t i n t or e ds o i la n dr i c es o i la tt l l es a m er a t e ( 1 2 t h r n - 2 ) t h r o u g he l e m e n t sa n a l y s i so f w h e a tp l a n ta n ds o i l ，t h ea u t h o rf o u n d ：b i o c h a r ( 3 0 0 。c ，4 0 0 。ca n d5 0 0 。c ) c a ni n c r e a s e s o i lo r g a n i cc a r b o n b i o c h a r ( 3 0 0 。c ，4 0 0 。ca n d5 0 0 。c ) c a ne n h a n c es o i la v a i l a b l ek c o n t e n t ，a n dt h ee f f e c to fb i o c h a ra t4 0 0 。ca n d5 0 0 。cb e t t e rt h a n3 0 0 。cb i o c h a r b i o c h a rh a dn o tp o s i t i v ee f f e c t so nd r ym a t t e rw e i g h ta n dn u t r i e n t s ( n ，pa n d k ) u p t a k e o fw h e a t ，b u td e c r e a s e dd r ym a t t e rw e i g h ta n dn u t r i e n t sf n ，pa n dk ) u p t a k eo fw h e a to n c es o i l k e yw o r d s ：b i o c h a r ；c o r n ；w h e a t ；n ；p ；k ；p h ；s o c v 西南大学硕+ 学伶论文 第1 章文献综述 第1 章文献综述 1 1 土壤的化学性状 1 1 1 土壤有机碳 _ _ ，：。一 土壤有机碳是土壤的重要组成部分，在土壤肥力、环境保护、农业可持续发 展等方面均起着极其重要的作用，被认为是土壤质量和功能的核心，是影响土壤 肥力和作物产量高低的决定性因子l l j 。土壤有机碳主要分布于土壤上层l m 深度以 内。土壤有机碳含量是进入土壤的生物残体等有机物质的输入与以土壤微生物分 解作用为主的有机物质的损失之间的平衡。其中，有机物质输入量在很大程度上 取决于气候条件、土壤水分状态、养分有效性、植被生长以及人类的耕种管理等 因素，而土壤有机物质的分解速率则受制于有机物的化学组成、土壤水热状况及 物理化学特性等因素1 2 】。土壤有机碳的变化是陆地生态系统对于大气c 0 2 的源汇效 应的重要依据，而土壤固碳是应对全球气候变化的重要途径之一。根据i p c c 的有 关统计，农业对温室气体减排的潜力主要来自土壤有机碳的固定，全球农业减排 的技术潜力高达每年5 5 0 0 6 0 0 0 m t c 0 2 当量【引。因此，耕作土壤有机碳的固定量及 其影响因素的研究成为应对全球气候变化研究的热点领域【4 j 。 纵然全球土壤碳库的估计值( 15 0 0 p g 的有机碳和约2 0 0 0 p g 的无机碳) 十分可 观，是陆地植被碳库的2 3 倍，是全球大气碳库的2 倍多，因此土壤碳库在全球碳 平衡中有重要的作用1 5 j 。但在全球陆地生态系统碳库中，只有农业土壤碳库是受到 强烈的人为干扰且在较短的时间尺度上可以调节的碳库。因而全球农业土壤碳库 储量及其固碳能力是评估近期温室气体减排潜力的重要依据。全球农业利用土壤 覆盖面积为4 9 6 1 m h m 2 ，其中耕地1 3 6 9 m h m 2 ，占全球陆地面积的1 0 5 。2 0 0 8 年， 我国农田总保有面积为1 2 1 7 2 万公顷，约占我国国土总面积的1 2 7 和世界耕地总 面积的7 o ，有着巨大的碳汇潜力【6 j 。土壤有机碳的降低会对全球气候产生不亚 于人类活动向大气排放二氧化碳对全球气候的影吲7 1 。因此，耕作利用下土壤碳动 态对全球碳循环有深刻的影响瞵j 。 中国是世界上平均土壤碳密度较低的国家。全球全土碳密度平均为1 2 1t h m 之 9 1 ，我国全土平均有机碳密度的报道值介于8 0 1 0 5t - h m - 2 【协1 2 1 ，均远远低于世界平 均值。科学界公认表土对全球变化和人为干扰最为敏感，在表层土壤有机碳密度 上，我国更是大幅度地低于欧盟等发达国家瞵j 。这种低土壤碳密度的国情，一方面 反映了我国生态系统总体质量较低，应对与抵御气候变化的自然能力较弱，但另 一方面也提供了固碳减排的巨大空间。这是我国可以通过生态系统恢复和农业生 产可持续发展而增强应对气候变化能力的潜力所在1 8 l 。 两南大学硕十学何论文第1 章文献综述 土壤有机碳的固定机制是控制农田土壤有机碳库容量的核心，是决定土壤固 碳潜力的核心。土壤有机碳的固定机制主要有化学稳定机制、团聚体物理保护机 制和生物学机制【1 3 1 。粘粒矿物具有巨大的比表面积和表面电荷，对土壤有机碳具 有极强的吸附能力，所以土壤粘粒矿物的含量决定了土壤有机碳的含量【1 4 】。美国 温带地区免耕土壤的研究发现土壤有机碳的增加和粘粒矿物含量呈显著正相关 【l5 1 。国内研究普遍认为植物、微生物残体包裹在外层，含碳量高的新有机质胶结 成粗团聚体，微团聚体中封存老碳【l6 。土壤团聚体与有机碳的积累密切相关，有 机碳在团聚体的不同部位累积的量及存在的形态不同。土壤组分和有机碳的化学 键和可能是有机碳稳定的关键机制，钙键和铁铝键是团聚体中两种主要的有机碳 结合键，而微团聚体的形成进一步与铁铝结合可能是水稻土有机碳稳定的重要机 制l l7 | 。生物学机制固定土壤有机碳主要包括两点：其一，土壤生物通过提高自身 活性，加快对有机质的周转利用，积累难降解有机碳。其二，随着生物自身的死 亡，形成如木质素、角质、几丁质等难降解的物质【l 引。生物学机制不仅受自身生 物量、群落组成和代谢产物等影响，还受到土壤质地、矿物组成、高价金属离子、 团聚作用甚至植物生长和土壤管理措施等因素的间接影响【1 9 】。土壤有机碳的固定 机理的研究已经进入微观的土壤颗粒水平。粘粒化学保护机制、团聚体物理保护 机制和生物学机制相互作用和相互影响【1 3 】。 农田土壤有机碳的固定受土壤理化性质、温度、水分和农业耕作措施等的影 响。农田土壤的理化性质是影响土壤有机碳库容量的首要因素。其中土壤的质地 影响最为显著，还包括p h 值、通气性、土壤结构及粘土矿物类型等。土壤p h 值 通过影响微生物的活性和酶活性影响土壤有机碳的矿化分解，其过高或过低会抑 制微生物的活性或酶活性，不利于土壤有机碳的周转。土壤粘土矿物通过有机矿 质复合体存储土壤有机碳，抑制微生物的矿化分解，所以，与砂质土壤相比，粘 粉质土壤中含有更丰富的有机碳1 2 0 】。 温度和水分是影响土壤有机碳分解的两个关键因子，它们相互影响和相互制 约。温度升高导致微生物活性增加，加快有机碳的分解。但有的研究发现，森林 土壤的升温不会引起有机质的加速分解【2 1 1 。土壤水分含量通过影响土壤的通气性， 改变有机碳的矿化分解和外源有机碳的分解过程【2 2 1 。 耕种措施是影响土壤有机碳含量和储量的重要因素。不同耕种措施影响土壤 有机碳形态及活性的变化。传统耕种方式一般认为破坏土壤团聚体结构，使土壤 有机碳失去保护暴露出来加速了土壤有机碳的分解，不利于土壤有机碳的存储和 保持【2 3 1 。保护性耕种是对农田实行少耕、免耕等措施并采用作物秸秆覆盖的农业 耕种技术【2 制，对土壤扰动少，有利于土壤有机碳的保持和提高，在农业生产中应 用越来越多1 25 | 。免耕降低了土壤活性有机碳含量，而旋耕和翻耕提高了土壤活性 2 两南大学硕士学伊论文 第1 章文献综述 有机碳含量1 2 6 。王彩霞等【2 5 】提出，无论是土壤有机碳的含量，还是其活性，旋耕 和深松的效果比较明显，而免耕对土壤有机碳含量及其活性的影响不显著。 1 1 2 土壤氮 土壤的含氮量是土壤氮素矿化与积累的平衡结果 2 r l 。氮是植物生长和发育所 需的大量营养元素之一，也是植物从土壤中吸收量最大的矿质元素。土壤氮库中 的氮主要以有机氮的形式存在，无机氮仅占土壤总氮的1 左右，而植物所吸收 的氮几乎都是无机形式，所以，土壤氮库中的有机氮必须不断的通过微生物的矿 化作用转化为植物可吸收的有效态氮【2 8 1 。土壤氮素矿化是微生物驱动的生物化学 过程，氮素矿化量是土壤有机氮的含量、生物分解性、矿化的水热条件和时间等 的函数【2 9 j ，土壤的氮矿化过程受到诸多因素的影响，包括：土壤理化性质、温度、 温度及湿度交互作用、外来物质等【3 引。 1 1 3 土壤磷和钾 土壤中的含磷物质就其化合物属性而言可分为有机磷化合物和无机磷化合物 两大类。土壤中有机磷含量在表土中占全磷量的2 0 8 0 ，在灰化土中最低只有 4 ，在某些腐殖质含量较高的土壤中可占到9 0 ，在未开垦的泥炭土中，最高可 达全磷量的9 5 3 1 j 。土壤无机磷对大多数耕地而言，占土壤总磷量的6 0 8 0 ， 是植物所需磷的主要来源，石灰性土壤以无机磷为主，占全磷量的7 0 左右1 3 2 】。 磷是植物生长发育的必需营养元素之一，参与组成植物体内许多重要化合物， 是植物体生长代谢过程不可缺少的。植物所利用的磷素，主要来源于土壤，土壤 中磷的总含量在0 0 2 0 2 ( p 2 0 s0 0 5 0 4 6 ) ，与其它大量营养元素相比较低。 据全国土壤普查资料估算，我国有2 3 的土壤缺磷【3 3 1 。缺磷的主要原因是由于土壤 有效磷含量不足，施入土壤的大量磷素在土壤中以无效态储备起来。磷肥的当季 利用率一般只有1 0 2 5 r 川，不能满足一般作物的生理需求。 自2 0 世纪9 0 年代以来，中国磷肥消费量几乎呈直线上升。2 0 0 2 年全国磷肥 总消费量超过9 9 2 万吨，约占同年世界总磷消费量的3 0 。按照1 3 亿公顷的耕 地面积计算，中国单位面积磷肥投入为3 l k g h m 五，远高于世界平均水平 ( 6 7 k g h m 之) p 引。但是由于中国地域辽阔，区域之间磷肥投入存在很大的变异，导 致部分经济欠发达地区磷肥投入不足，而经济发达地区过量施肥现象严重。研究 表明，施肥不足会导致土壤肥力下降，不能保证粮食产量和质量；而过量施肥使 得土壤中磷素累积过高也会给环境带来威胁。例如，在西藏和内蒙古等省份，由 于磷肥投入不足，粮食的潜在生产力较高1 3 酬。但是在一些经济发达的省份，特别 是集约化农业生产区，磷肥的过量投入已经造成环境问题【37 。 两南大学硕士学何论文 第1 章文献综述 磷在土壤中不易移动。只有土壤中的磷素达到一定浓度才会随降水或灌溉水 向下层土壤淋失或随地表径流流失。一般来说，水田容易发生土壤磷素的流失【3 8 1 。 钾是土壤中含量最高的营养元素，其含量在地壳所有矿质元素和营养元素中 分别居第7 和第4 位。土壤是植物所需钾素的主要来源，土壤中全钾含量一般在 1 6 6 9 k 9 1 左右，比全氮和全磷高得多，但士壤中绝大部分钾素不能被植物直接吸 收利用。能被植物直接吸收利用的速效性钾含量一般不超过全钾的2 1 3 9 1 。钾是植 物生长不可缺少的三大营养元素之一，可促进作物的光合作用，有利于淀粉和糖 类的合成，同时钾还能使农作物的秸秆粗壮坚韧，防止倒伏，促进开花结实，并 增强作物抗寒、抗旱和抗病等能力。因此，土壤中钾含量的高低会直接影响作物 产量h o 。 根据化学形态，土壤钾素划分为水溶性钾、交换性钾、非交换性钾和固定钾， 根据对植物的有效性，土壤钾素划分为速效钾、缓效钾和矿物钾【4 1 1 。土壤中各钾 素形态总是处于一种动态平衡之中，但是对于耕作土壤，由于人为的施肥和翻耕， 常常打乱土壤各钾素形态原有的平衡，导致它们之间相互转化，其转化速率、数 量与土壤本身的矿物特性、粘粒含量的多少等因素有关，决定了土壤的供钾能力 【4 2 】 o 我国农田总养分平衡状况是氮磷略有盈余，钾素整体亏缺，严重缺钾土壤约 占全国耕地面积的l 3 ，主要分布在南方稻作斟4 引。随着我国农业生产水平的不断 提高和高产品种的推广，加之土壤钾有效补充方式之一的有机肥施用量逐年下降， 土壤缺钾面积逐渐扩大。在许多地区，土壤缺钾已成为限制农业发展的主要因素 之一。长期不施钾肥或施钾量较低均能导致土壤钾素出现亏缺，施用足量化学钾 肥并配合有机肥可维持土壤钾素平衡，甚至出现盈余【删。 辽西半干旱区褐土上进行的长期田间试验表明土壤全钾含量随着氮、磷和秸 秆施用量的增加而增加，随着灌水量的增加而降低，其中，施磷对土壤全钾含量 的增加效果最明显，其次是施秸秆量。而土壤速效钾含量随着灌水和氮磷施用量 的增加而降低，随着秸秆施用量的增加而增加，其中，施秸秆对土壤的速效钾含 量影响最明显，其次是施用磷肥的影响【4 5 】。 西藏土壤全钾与有机质含量呈负相关，并且富含有机质的酸性土，其相关性 的显著水平大大高于缺乏有机质的碱性土【4 6 1 。土壤全钾与有机质的负相关性，原 因在于土壤有机质的钾含量低于矿物质的钾含量【4 7 1 。因此，土壤有机质积累量的 增加势必导致全钾的相对减少，此种现象【4 8 】可称为有机质对土壤矿物钾的稀释效 应。 4 两南大学硕十学位论文 第1 章文献综述 1 1 4 土壤酸碱度 土壤酸碱度是土壤的一个重要化学属性，常常影响植物的生长和施肥效果，它 是土壤肥力的一项指标。土壤酸碱度由土壤p h 值表示，即土壤被氢离子饱和的程 度。土壤酸度主要来自土壤中的腐殖质或有机质、硅铝酸盐粘粒、铁铝水合氧化 物、交换性铝、可溶性盐类和二氧化碳。土壤中的酸性物质几乎都是弱酸，因此 会有一定的缓冲容量。土壤的酸碱度不同，其供肥和植物的生长发育状况会有差 异【4 9 】；土壤p h 值还影响土壤养分的有效性f 5 0 , 5 1 】。四川紫色土上的研究表明土壤 p h 值与土壤速效磷含量呈极显著负相关，与土壤缓效钾呈显著正相关，与水解性 氮含量和速效钾含量相关性不明显【5 2 】。 1 2 生物炭的背景及研究进展 碳在大气和其他环境的量很不平衡。根据政府间气候变化专门委员会2 0 0 7 的报告，每年大约有4 1 x 1 0 9 吨的碳释放到大气中。因此我们必须尽最大的努力采 取新的手段和方法存储碳，使其以稳定的形式处在环境中，减少温室气体的排放。 最近几年，科学家进行了大量生物炭施与土壤中的实验，因为生物炭不但存储碳， 而且能够作为肥料1 53 1 。相比其他有机物加入土壤，生物炭更加稳定。因此，对碳 的存储来说，这是一个可行的方法1 5 4 。如果