纳米碳对黄土区土壤保水控肥性能调控及其机理研究

Consideration to both the international frontier and the soil water and nutriet loss problems in the ecology and environmental construction on the Loess Plateau, and the regulation and mechanmism study on the effect of nano-carbon on soil moisture capacity and fertilizer release was also considered. In this project, according to the exsiting scientific basis, the effect of nano-carbon contents and nano-carbon mixture layer position, as well as the plant covers, on the soil phycical propertities and soil water movement and solute transport were studied. And then the effect of nano-carbon on soil and nutriet loss will also be studied with different soil types, plant covers and the slope lengths.All the results will enrich the mechanism for the effect of nano-carbon on the soil water movement and water-nutriet loss on the Loess Plateau. The scientific theories and methods for the parameter estimation of soil water and solute transport, as well as water and nutriet loss on the slope will be established, which will provide the scientific basis for the regulation of the soil water and nutriet loess on the Loess Plateau.

本项目兼顾本领域国际前沿动态和我国黄土区生态环境建设中水分养分流失问题，从国家的特定需要、学科前沿探索和我国在该领域的薄弱环节相结合的角度集中研究纳米碳对黄土区土壤保水控肥性能调控及其机理的研究。本项目拟在已有黄土区水分养分迁移及水土肥流失的研究工作基础上，采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，分析纳米碳含量及纳米碳-土壤混合介质夹层位置对不同土壤类型、不同植被覆盖等相关影响因素下的土壤物理性质及土壤水分养分迁移特征及其机理，基于以上研究基础，通过进一步分析不同土壤类型、植被覆盖、坡度坡长等因素影响条件下，纳米碳含量对黄土坡面水土肥流失影响，通过揭示纳米碳对黄土区土壤水分养分迁移及水土肥流失影响机制，建立施加纳米碳黄土区土壤的水分养分迁移参数及坡面养分迁移参数的方法及数学模型，为黄土区土壤水土流失调控及养分资源管理提供科学依据。

项目兼顾本领域国际前沿动态和我国黄土区生态环境建设中水分养分流失问题，从国家的特定需要、学科前沿探索和我国在该领域的薄弱环节相结合的角度集中研究了纳米碳对黄土区土壤保水控肥性能调控及其机理的研究。本项目室外试验研究、理论分析和模型模拟相结合的方法，分析纳米碳含量及纳米碳-土壤混合介质夹层位置对不同土壤类型、不同植被覆盖等相关影响因素下的土壤物理性质及土壤水分养分迁移特征及其机理，基于以上研究基础，通过进一步分析了不同土壤类型、植被覆盖、降雨强度等因素影响条件下，纳米碳含量对黄土坡面水土肥流失影响，通过揭示纳米碳有效缓解黄土区土壤水分养分迁移及水土肥流失影响机制，深入分析纳米碳提升土壤肥力及作物产量效果极其作用机理。得到的主要研究如下：在土壤中施加的纳米碳使原本疏松的土壤结构形成了小型团聚体结构，土壤颗粒团聚聚集于纳米碳颗粒周围，小范围改变了原有的土壤颗粒分散排布，进而改变了土壤原有的孔隙结构，孔隙分布发生变化，增加了纳米级以上孔隙的比例，提高了土壤的通气透水性；层施纳米碳可显著提升土壤水分下渗能力，提升土壤持水性，有效降低坡面径流、侵蚀以及养分流失，当纳米碳含量大于0.5%时，继续增加纳米碳含量效果不显著；纳米碳层施于农田，可显著改善土壤团聚结构，提升土壤肥力，减少氮素淋溶，最佳施用量为0.131t/ha，此时关中地区冬小麦增产2.4%-3.5%，对神木春玉米增产4.4%-5.7%。根区水质模型（RZWQM2）对不同纳米碳质量含量的小区内冬小麦和春玉米的生长发育过程和最终产量进行模拟时，率定及验证过程中不同土层含水率、养分的RMSE值和MRE值的变化范围可接受范围内，农田各土层土壤含水率、养分及产量的模拟值与实测值变化趋势相同。因此根区水质模型（RZWQM2）可以较好地模拟施用纳米碳条件下的冬小麦和春玉米的生长发育过程。本研究所得结果可为黄土区土壤水土流失调控及养分资源管理提供科学依据。