旱作农田根区土壤水分环境及作物对生物炭输入的响应机理

To explore improving utilization efficiency of natural precipitation and soil moisture has been the hotspot and focus of dryland farming research in the Loess Plateau. In this project, multi-year field experiments with the dryland spring maize cultivate system will be conducted to study the response of root-zone soil water environment to the input of biochar in the Loess Plateau. The infiltration and distribution characteristics of soil water after precipitation will be analyzed, to further clarify the effect of biochar on the water movement law in dryland areas of the Loess Plateau. By discussing the relationship of the root with soil quality indicators, the intrinsic biological mechanism of the regulation of the root architecture and function by biochar will be revealed. On the basis of these, by considering the climate factors from different years with soil water and root character parameters, it is intended to reveal the root-zone regulation mechanism of biochar and root architecture interactions as related to improving the crop yield, water use efficiency and soil water storage capacity. The results of this project will not only provide new academic ideas and methods for optimizing the water management of dryland farming to increase the water use efficiency of crops, but have important theoretical and practical values to resource utility of agricultural wastes, soil water storage capacity and farm productivity in dryland areas of the Loess Plateau.

探索提高农田自然降水利用率和土壤水分生产效率一直是旱作区农业研究的重点和热点课题。本项目拟以黄土高原旱作春玉米单作体系为对象，以生物炭对旱作农田根区水分环境调控为核心，通过多年田间定位实验，研究旱作春玉米农田根区土壤水分环境对生物炭输入的响应；明确输入生物炭农田根区土壤降水入渗特征；阐明生物炭对黄土高原旱作农田根区土壤水分运移规律影响；揭示生物炭调控根系特征的生物学机制；在此基础上，结合不同年限气候因子特征，揭示生物炭与根构型互作对提高作物产量、水分利用效率及土壤持蓄水的根区调控机理。研究不仅将为优化旱作农田水分管理，提高水分利用效率提供一定科学依据；对提高旱区农业废弃物资源化利用、提高土壤持蓄水能力和农田生产力也具重要实践价值。

探索提高农田自然降水利用率和土壤水分生产效率一直是旱作区农业研究的重点和热点课题。本项目以生物炭对旱作春玉米农田根区水分环境调控为核心，通过多年田间定位实验，系统研究了旱作农田根区土壤水分环境对生物炭输入的响应。结果表明，生物炭可降低土壤容重、增加土壤总孔隙度和毛管孔隙度、土壤pH、土壤速效磷/钾、不同粒级团聚体有机碳和全氮含量，但对其影响表现出一定的时间和空间特征差异。生物炭显著增加土壤最大持水量、易效水和有效水含量、田间持水量等土壤水力特征参数；改变黄土高原旱作农田根区土壤水分的运移规律，保持较多的水分在耕层土壤，减小耕层土壤水分变化幅度，有减缓浅层土壤蒸发的潜力；同时提高土壤饱和导水率，促进水分入渗，高添加量下雨水可入渗至60 cm以下。生物炭与氮肥配施改变了旱作农田作物根系特征参数和根系时空分布特征：促进生殖生长阶段春玉米根系生长，2013年表现为30t/ha > 20t/ha > 10t/ha > 0t/ha；对根系根长垂直分布的影响也随添加量的增加而增加；但减小了根系直径，促进了根系中细根的产生。添加生物炭不同程度降低了土壤微生物群落AWCD值和微生物对六种碳源的利用；在一定程度上降低施氮土壤N2O排放通量峰值和排放总量，实现农田增温潜势和排放强度的有效控制。在施氮肥条件下，生物炭增加了吐丝前后干物质累积，随生物炭添加量的增加，玉米籽粒产量呈逐渐增加的趋势：20t/ha和30t/ha添加量分别增加籽粒产量8.9%~11.2%和12.9%~15.9%。分析发现，玉米籽粒产量与0-10 和10-20 cm土层土壤饱和导水率、易效水含量、土壤饱和持水量和田间持水量呈显著或中度正相关。当降雨不足时，添加生物炭增加作物对深层（40 cm以下）土壤水分的吸收消耗，满足作物对水分的需求，提高水分利用效率（WUE），促进作物增产，同时提高氮养分利用效率（NUE）。研究不仅将为优化旱作农田水分管理，提高水分利用效率提供一定科学依据；对提高旱区农业废弃物资源化利用、提高土壤持蓄水能力和农田生产力也具重要实践价值。

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