松嫩平原苏打盐碱地生物炭施加量和深度对土壤环境和藜麦生长的影响机理研究

Soil salinization inhibits plant growth and development and then threatens ecosystem stability and agricultural productivity. Biochar could improve the physical and chemical properties of saline-alkali soil, enhance soil quality and fertility, and create suitable soil environment for plant growth. However, very little information is available on improving alkali-saline soil environment by increasing biochar applied depth. Therefore, the present study will be conducted to evaluate the effect of biochar applied amount and depth on soil physical and chemical properties and soil water and salt movement. In addition, the project will reveal the physiological mechanism of quinoa salt tolerance. Furthermore, the combination modes of tillage technologies (subsoiling、ridge tillage and smashing tillage) and biochar are evaluated to illustrate the interaction mechanism between soil environment and quinoa growth. The findings would be useful for enhancing agricultural productivity on soda alkali-saline soil of Songnen Plain and preventing agricultural non-point source pollution caused by straw.

土壤盐碱化抑制植物的生长，造成生态系统稳定性和农业生产力面临巨大压力。生物炭可以改良盐碱土的理化性质，提高土壤质量和肥力，为植物生长提供适宜的土壤环境。但目前生物炭改良盐碱地研究主要集中在控制生物炭施加量，却忽视了不同生物炭施加深度对土壤环境的影响。本项目以藜麦为供试作物，采取筒栽试验、田间试验和数值模拟相结合，阐明不同生物炭施加量和深度对土壤理化性质的影响以及对水盐运移的调控效应；基于藜麦生长动态和生理特性对土壤环境变化的响应，揭示不同生物炭施加量和深度对藜麦耐盐性形成的生理机制；通过结合深松、垄向区田和粉垄措施，揭示生物炭和耕作耦合模式土壤环境变化过程与植物相互作用的机理，提出松嫩平原苏打盐碱地适宜藜麦生长的生物炭和耕作耦合模式。预期成果对于提高松嫩平原苏打盐碱地利用率和生产能力及防治农作物秸秆引起的农业面源污染具有十分重要的理论与现实意义。

盐碱地是重要的土地后备资源，高效改良盐碱地是保障粮食安全和维护生态安全的重要途径。生物炭具有多孔性结构，能增加土壤通透性，具有极强的吸附能力，利于土壤保水保肥，调节水盐迁移。将生物炭施加于土壤中，形成“生物炭-土壤”双层土壤结构是一种新的盐碱土壤可持续改良与管理途径。本项目以提高盐碱地利用率和生产力为目标，以盐碱土为研究对象，以藜麦为供试作物，以施加秸秆生物炭、耕作措施、灌水措施和生物措施为抓手，采取筒栽试验和田间试验相结合，探索改善盐碱土壤环境、抑制土壤盐碱化，提高盐碱地生产力和经济效益的模式。研究结果表明：施加一定量生物炭后，藜麦种子发芽率提升，萌发时间缩短，但是过量施加生物炭反而抑制种子萌发。同时，在相同生物炭施加量条件下，增加生物炭施加深度有效促进植物生长和产量。生物炭与深松、垄向区田和粉垄耕作措施耦合模式可以调控生物炭混掺深度和浓度，显著降低土壤容重，并增加土壤孔隙度、田间持水量和饱和持水量，其中施加生物炭结合粉垄耕作措施显著增加土壤渗透特性，实测的田间持水量显著优于其他处理达到25.15%。随着生物炭施加深度的增加，土壤渗透性能提升，促进土壤中盐分的淋溶。此外，由于“生物炭-土壤”混合土壤入渗率高，而均质土层入渗率急剧下降，会在混合土壤与均质土壤交界面上形成滞水层，进而抑制盐分向表层土壤积聚，其中粉垄耕作措施不仅增加生物炭混掺深度，而且垄台起到了拦蓄天然降雨的作用，生物炭耦合粉垄耕作措施土壤脱盐效果最好，促进土壤水分入渗和盐离子向土壤深层淋洗，调节植物根区土壤水盐分布，营造了适宜植物生长的淡盐环境。本项目研究成果有助于进一步完善施加生物炭和耕作措施耦合对土壤水分特征参数、土壤理化性质、水盐运移和植物生长生理特性的影响研究。