添加生物炭对坡面土壤侵蚀的影响研究
作者单位：中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心)
学位级别：硕士
导师姓名：杨明义
授予年度：2016年
摘 要：以农林废弃物资源化利用为基础的生物炭,在当今气候变化、能源短缺、环境污染、粮食危机和农业可持续发展受限的宏观背景下,以其固有的特性和理化性质成为了当今农业、能源与环境等领域的研究热点。目前,农业领域中施加生物炭对土壤结构改良、理化性质改善和作物产量提高等方向的研究已广泛开展。黄土高原作为全球水土流失最严重的地区之一,该区土壤贫瘠、水分短缺和水土流失严重,导致该区经济社会发展和生态环境建设受限,目前相关学者试图利用生物炭的特殊性质改善黄土高原土壤结构、养分和水分状况,然而黄土高原最主要的环境问题是水土流失,利用生物炭之前,探究添加生物炭对坡面土壤侵蚀状况影响具有重要的意义。本研究以黄土高原黄绵土为研究对象,基于室内人工模拟降雨和土壤理化性质分析,通过2014-2015年试验,在明确添加不同含量(0%、1%、3%、5%和7%)和粒级(2-1mm、1-0.25mm、2mm组分和“0.25mm组分的团聚体含量、土壤平均重量直径(MWD)、平均几何直径(GMD)和土壤中“2mm组分与“0.25mm组分的破碎率(PAD)在生物炭的作用下有所增加,,即团聚体粒径增大但破碎率也增大。表明在短期内对生物炭土壤团聚体结构和其稳定性的影响较小,建议进行更长时间的团聚体状况监测,以进一步明确生物炭施用对土壤团聚体的影响效应和过程。3、添加生物炭后,土壤的分形维数随着生物炭含量的增加和粒级的减小而减小。降雨过程中,泥沙分形维数随着降雨历时呈现先增大后趋于平稳的趋势。土壤分形维数与土壤侵蚀量的变化呈显著的二次函数的相关关系,但与降雨径流变化无明显关系。4、添加生物炭对土壤养分有一定影响:随着生物炭含量的增加,土壤全氮、全磷增大,全钾减小,而土壤全量养分随着生物炭粒级无明显变化。在降雨过程中,携带生物炭的泥沙全氮呈现降低趋势,全磷呈现增加趋势,而全钾无明显变化规律。降雨后,不携带生物炭的泥沙颗粒平均全氮和全钾养分随着生物炭含量增加而增加,全磷则减小,即生物炭在降雨过程中释放了N和K,而磷素的损失可能是随水流失也可能是生物炭产生了吸附作用。5、添加生物炭对降雨侵蚀有显著影响:生物炭含量对侵蚀泥沙量和降雨径流量变化的影响贡献率分别是40.64%和33.61%,随着生物炭含量的增加降雨侵蚀量和坡面径流量均有增大趋势。生物炭粒级对侵蚀泥沙量和降雨径流量变化的影响贡献率分别是5.03%和5.27%,随着生物炭粒级的减小侵蚀泥沙量呈现增大趋势,而径流量呈现减小趋势。添加生物炭的土壤室外自然放置7个月时间后,降雨侵蚀量和坡面径流量均减小,可能原因是放置后土壤与生物炭形成大颗粒的团聚体,使得土壤饱和导水率增大,坡面径流减小,但是所形成的团聚体结构稳定性差,在降雨过程中易发生破碎,所以侵蚀泥沙量有减小趋势,但是变化幅度小。6、降雨过程中泥沙生物炭含量呈幂指数下降形式。次降雨后泥沙的平均生物炭含量随着添加量的增大有贫化现象,随着生物炭粒级的减小其富集现象减弱,这是因为小颗粒的生物炭更易损失。对上述指标的分析发现,生物炭的添加主要是通过改变土壤的理化性质来影响其对降雨侵蚀的作用效果,通过对土壤结构、泥沙养分、生物炭含量及降雨产流产沙的分析明确了降雨侵蚀对添加生物炭的响应。添加生物炭对各个指标均产生了影响,但是短期内主要是影响土壤的物理性质,需要建立长期的检测体系来进一步明确生物炭对侵蚀的影响效果和作用机制。
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