1、本科毕业论文（20 届）施用生物碳对不同年龄杉木人工林土壤理化性质的影响所在学院专业班级 水土保持与荒漠化防治学生姓名指导教师完成日期目录摘 要 -1Abstract -1前言 -21.试验区概况 -22 研究方法 -32.1 试验设计 -32.2 土壤样品采集 -42.3 土壤样品分析 -42.4 数据分析处理 -43.结果与分析 -43.1 施用生物炭对不同林龄杉木人工林土壤水分物理性质的影响 -43.1.1 土壤容重影响 -43.1.2 土壤孔隙影响 -53.1.3 土壤水分影响 -63.2 施用生物炭对不同林龄杉木人工林土壤化学性质的影响 -83.2.1 土壤 pH 的影响 -83.2
2、.2 土壤全量养分的影响 -93.2.3.土壤速效养分的影响 -104. 结论 -11参考文献 -12致谢 -141摘 要: 为探讨生物炭对杉木人工林的影响，以土壤肥力状况基本一致的不同林龄的杉木人工林为对象，采用野外试验，设计不施用生物炭、施用木炭、施用竹炭三种处理，测定林地的理化性质，即土壤容重、土壤空隙、土壤水分和土壤 pH、土壤全量养分、土壤速效养分。通过比较得出不同生物炭对杉木人工林的影响结果。结果表明,不同林龄杉木人工林地施用生物炭一年后，土壤的孔隙状况得到明显改善，土壤的田间持水量和自然含水量有较大提高；提高了林地土壤的土壤 pH、全碳、全磷、全钾和速效养分含量、 ；还有通过比较
3、，施炭量相同时，施用竹炭对杉木人工林地土壤容重影响更显著；木炭生物炭对不同杉木人工林土壤最大含水量、最小含水量和毛管持水量的影响大于竹炭生物碳的影响程度；但生物炭对不同年龄杉木人工林林分土壤全氮含量无明显的影响。关键词:生物炭 杉木人工林 土壤肥力 理化性质Abstract: To investigate the effect of biochar on fir plantation , consistent with the different soil fertility status of Chinese fir plantation forest age for the object
4、, using the field test , the design is not applying biochar application of charcoal, charcoal three treatments administered to measure forest physical and chemical properties , namely soil bulk density , soil voids , soil moisture , and soil pH, soil total amount of nutrients , soil available nutrie
5、nts. By comparing the results of different biochar affect the outcome of the fir plantation . The results showed that different age fir plantation forests administered one year after biochar soil pore situation has markedly improved, field capacity and the natural soil moisture has improved greatly
6、; increased soil pH forest soils , total carbon , total phosphorus, total potassium and available nutrient content ; well by comparison, applying the same amount of carbon , charcoal administration fir plantation soil bulk density of more significant impact ; charcoal biochar maximum moisture conten
7、t for different soil fir plantations , the minimum water content and capillary water is greater than the impact of the degree of influence charcoal biochar ; but biochar different age fir plantation soil nitrogen content of no significant impact.Key words: Biochar Chinese Fir plantation Soil Fertili
8、ty Physical and chemical properties2前言杉木( Cunninghamia Lanceolata)为我国特有的用材树种，也是我国南方 16 省区的主要造林树种之一。因其生长快、材质软、纹理直、易加工、用途多，成为我国南方最重要的商品材种 1,2，在人工林产业中发挥着重要的作用。近年来，随着人们对杉木木材需求量的增加，人工杉木林地面积不断的扩大；杉木多代连载出现了生长量下降,林地土壤肥力降低等地力衰退现象，严重影响了杉木人工林地的持续发展 3-5。因此，我们可以通过改良土壤来让提高林地土壤肥力，保护不让地力进一步衰退。研究改善植株的生长和土壤的肥力状况，近年来许
9、多研究学者在生物炭上做了许多研究，是近年来农林、环境及能源诸多研究领域关注的焦点 6-8。生物炭目前研究的主要功能包括以下几个方面：（1）固碳作用。研究人员发现生物炭可在土壤中保存几百年乃至几千年，是稳定的碳固定载体，将不稳定碳转化为芳香性碳骨架封存于土壤中 9。另外，生物炭还可抑制温室气体的排放 9-12；（2）吸附效应。生物炭可用来作吸附剂去除污水中重金属和有机污染物，还可作为稳定剂钝化封锁土壤中污染物 17；（3）土壤改良。将生物炭添加于土壤中可用于改善土壤的理化性质，从而提高农作物产量 13-16；（4）生物能源。生物炭在制备的过程中还可获得生物质能源及化学品，可以节省化石能源，并且降
10、低化石原料的碳排放 18-23。本研究主要是针对生物炭土壤改良方面。如何改善土壤的土壤孔隙状况，增加土壤的含水量和土壤的全量养分和速效养分，为恢复林地土壤养分创造有利条件，是提高杉木人工林地土壤肥力的关键。目前关于生物炭可提高土壤水分及改善土壤理化性质的研究较多 24-25。黄超等 26研究表明, 施用生物炭不仅提高土壤碳含量, 还可降低其酸度,增加土壤 pH 和盐基饱和度, 增加土壤速效磷、钾和有效氮, 增强土壤保肥能力, 改善植物生长环境。但目前有关生物炭对土壤理化性质的影响研究主要集中在农业土壤方面，对林业土壤研究较少，特别是不同类型生物炭对不同年龄的杉木人工林土壤的肥力影响尚未见报导。
11、鉴于此，本文选取福建农林大学三明莘口教学林场不同林龄的杉木人工林地，进行施加不同类型生物炭对土壤理化性质影响研究，为生物炭在杉木人工林地上的应用提供理论依据。其中的大致内容是设计以土壤肥力状况基本一致的不同林龄的杉木人工林为对象，选用个体农户传统土窑生产的木炭和竹炭进行土壤施加生物碳的试验，测定林地土壤的理化性质。1.试验区概况试验地位于福建省福建农林大学三明莘口教学林场内（东经 11727至 11814，北纬 2607至 2713） ，为中亚热带季风气候，温和湿润，夏无酷热，冬无严寒，雨热同期，雨量充沛，年均气温 17-19.4，年均降水量 1600-1800mm，年均蒸发量1585mm，年
12、均相对湿度 79%，无霜期 240-300d，海拔高度 210-1510m。试验地土壤为坡积母质的山地红壤，林下植被主要有山苍子（Litsea cubeba） 、狗脊（Woodwardia japonic ） 、芒萁（Dicranopteris dichotoma） 、乌蕨（Stenohma chusana）等。试验地土壤理化性质见表 1 。3表 1 试验地土壤理化性质Tab.1 The basic properties of Experimental field全 C 全 N 全 P 全 K 水解性 N 有效 P 速效 K林龄 土层（cm） pH值 （gkg -1）（gkg -1）（gkg
13、-1）（gkg -1）（mgkg -1）（mgkg -1）（mgkg -1）0-20 4.03 243.95 107.77 0.53 20.85 151.75 8.94 86.14 20-40 4.03 133.93 105.07 0.44 20.29 130.41 8.54 64.94 成熟 林40-60 4.00 103.27 101.97 0.36 19.61 94.33 6.33 47.23 0-20 4.07 177.86 108.37 0.60 21.94 188.36 10.59 91.34 20-40 4.03 114.96 108.34 0.54 20.06 162.19 1
14、0.18 69.45 中龄 林40-60 4.01 105.99 107.87 0.48 16.88 104.56 8.95 51.58 0-20 4.17 215.59 108.57 0.59 20.65 172.78 7.39 91.30 20-40 4.08 202.68 105.71 0.54 19.15 161.21 6.02 81.28 幼龄 林40-60 4.02 107.30 102.21 0.44 20.06 105.18 5.82 61.22 2 研究方法2.1 试验设计本试验选用个体农户传统土窑生产的木炭和竹炭为材料，其基本性质见表 2。在三明莘口林场杉木人工林内选择土壤
15、肥力相近的杉木幼龄林、中龄林、成熟林为试验样地，设计不施用生物炭、施用木炭、施用竹炭三种处理，每个处理重复 3 次，共设置 27 块样地。2012 年 12 月 7 日进行施用生物炭处理，每个标准样地按照 12t/hm2的标准施炭。表 2 生物炭基本理化性质Tab. 2 The basic physical and chemical properties of Biochar样品 N(gkg-1) C(gkg-1) P(gkg-1) K(gkg-1) pH 值 灰分（%） N/C木炭 7.75 753.20 0.77 21.32 8.44 7.79 97.24 竹炭 8.58 664.30 2
16、.01 32.10 9.56 12.72 78.26 2.2 土壤样品采集2013 年 12 月 11 日，在不同处理样地内，按 S 形分别采集 0-20、20-40、40-60cm 土壤样品，同时用环刀采集不同土壤层原状土壤，将土样带回实验室进行土壤理化性质的测定。42.3 土壤样品分析土壤化学性质按常规分析方法分析 27,28，土壤水分物理性质采用环刀法测定 29,30。2.4 数据分析处理用 EXCEL 2007 软件对数据进行计算和作图，采用 SPSS 17.0 软件进行单因素方差分析。3.结果与分析 3.1 施用生物炭对不同林龄杉木人工林土壤水分物理性质的影响3.1.1 土壤容重影响
17、从图 1 可知，施用木炭和竹炭 1 年后林地 0-20cm 土层土壤容重降低，其中施用木炭处理下成熟林、中龄林、幼龄林林分 0-20cm 土层土壤容重分别比不施炭处理降低了 5.13%、 5.41%、11.54% ，竹炭处理下成熟林、中龄林、幼龄林林分 0-20cm 土层土壤容重比不施炭处理分别降低了 8.85%、8.33%、17.57%，且幼龄林林分中木炭处理和竹炭处理与不施炭处理之间的容重差异显著。而 20-40cm 和 40-60cm 土层容重无明显变化无显著差异，说明施用木炭和竹炭在一定程度上减少 0-20cm 土壤容重。可见 2 种生物炭相比，施炭量相同时，施用竹炭对杉木人工林地土壤
18、容重影响更显著。aa aa a aba aaa aaa a a aba a a a a aaa a0.000.200.400.600.801.001.201.401.601.800-20 20-40 40-60 0-20 20-40 40-60 0-20 20-40 40-60成 熟 林 (Mature forest) 中 龄 林 (Immature timber) 幼 龄 林 (Large saplingforest)土 层 Soil layer（ cm）土壤容重Soil BulkDensity（g/cm3）木 炭 处 理 竹 炭 处 理 不 施 炭 处 理图 1 施用生物炭对杉木人工林土壤
19、容重的影响（gcm -3）Fig.1 The effect of biochar on soil bulk density of different forest age of Chinese fir plantation53.1.2 土壤孔隙影响从图 2 可知，施用木炭和竹炭 1 年后，3 块林地 0-20cm 土层土壤毛管孔隙度显著增加，其中施用木炭处理下成熟林、中龄林、幼龄林林分 0-20cm 土层土壤毛管孔隙度分别比不施炭处理提高了 12.34%、25.42%、13.90%，竹炭处理下成熟林、中龄林、幼龄林林分 0-20cm 土层土壤毛管孔隙度比不施炭处理分别提高了5.20%、 11.
20、45%、3.03%，且中龄林、幼龄林林分中木炭处理下的 0-20cm 土层土壤毛管孔隙度增加显著，有显著差异，而成熟林、中龄林、幼龄林林分 20-40cm、40-60cm土层土壤毛管孔隙度均无变化且无显著差异。从图 3 可知，施用木炭和竹炭 1 年后，3 块林地 0-20cm 土层土壤总孔隙度显著增加，其中施用木炭处理下成熟林、中龄林、幼龄林林分 0-20cm 土层土壤总孔隙度分别比不施炭处理提高了 18.61%、26.91%、18.31%；竹炭处理下成熟林、中龄林、幼龄林林分 0-20cm 土层土壤总孔隙度比比不施炭处理分别提高了19.17%、15.51%、12.84% 。木炭处理下 3 块
21、林分的 0-20cm 土层土壤总孔隙度均有显著差异，而竹炭处理下，仅成熟林林分的 0-20cm 土层土壤总孔隙度有显著差异。而成熟林、中龄林、幼龄林林分 20-40cm、40-60cm 土层土壤总孔隙度均无明显变化且无显著差异。可见 2 种施炭处理对不同林龄杉木人工林地的土壤孔隙度影响表明，施用生物炭后幼龄林、中龄林和成熟林地土壤变得较疏松,土壤透气性上升,有利于杉木人工林土壤肥力的改善。a a a a a a a a a a a a ab a a ab a a a a a b a a b a a 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40
22、.00 45.00 50.00 0-20 20-40 40-60 0-20 20-40 40-60 0-20 20-40 40-60成 熟 林 (Mature forest) 中 龄 林 (Immature timber) 幼 龄 林 (Large sapling forest)毛管孔隙度（%）soil capillary porosity（%）土 层 Soil layer（ cm）木 炭 处 理 竹 炭 处 理 不 施 炭 处 理图 2 施用生物炭对不同林龄杉木人工林土壤毛管孔隙度的影响Fig.2 The effect of biochar on soil capillary porosit
23、y of different forest age of Chinese fir plantation6aa aaa aaa aaa a ab a aaba ab aa b a ab aa0.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.000-20 20-40 40-60 0-20 20-40 40-60 0-20 20-40 40-60成 龄 林 (Mature forest) 中 龄 林 (Immaturetimber)幼 龄 林 (Large saplingforest)土 层 Soil layer（ cm）总孔隙度（%）Total porosity（%）木 炭
24、 处 理 竹 炭 处 理 不 施 炭 处 理图 3 施用生物炭对不同林龄杉木人工林土壤总孔隙度的影响Fig.3 The effect of biochar on soil total porosity of different forest age of Chinese fir plantation3.1.3 土壤水分影响从图 4 可知，施用木炭和竹炭 1 年后，3 块林地 0-20cm 土层土壤自然含水量显著增加，成熟林、中龄林、幼龄林林分中 0-20cm、20-40cm、40-60cm 土层的各生物炭处理间无显著差异。其中施用木炭处理下成熟林、中龄林、幼龄林林分 0-20cm 土层自然含水
25、量分别比不施炭处理提高了 12.34%、15.64%、18.92%；竹炭处理下成熟林、中龄林、幼龄林林分 0-20cm 土层土壤自然含水量比不施炭处理分别提高了10.44%、6.58%、7.90%。从图 5 可知，施用木炭和竹炭 1 年后，3 块林地 0-20cm 土层土壤最大含水量显著提高，其中施用木炭处理下成熟林、中龄林、幼龄林林分 0-20cm 土层土壤最大含水量分别比不施炭处理提高了 36.92%、36.67%、13.15%；竹炭处理下成熟林、中龄林、幼龄林林分 0-20cm 土层土壤最大含水量比不施炭处理分别提高了31.84%、33.82%、3.80%。木炭处理下 3 块林分的 0-
26、20cm 土层土壤最大含水量均有显著差异，而竹炭处理下，在成熟林、中龄林林分的 0-20cm 土层土壤最大含水量有显著差异。成熟林、中龄林、幼龄林林分 20-40cm、40-60cm 土层土壤最大含水量均无明显变化且无显著差异。由图 6 可见，施炭处理 1 年后，3 块林地 0-20cm 土层土壤最小含水量显著提高，其中施用木炭处理下成熟林、中龄林、幼龄林林分 0-20cm 土层土壤最小含水量分别比不施炭处理提高了 11.09%、17.86%、11.87%；竹炭处理下成熟林、中龄林、幼龄林林分 0-20cm 土层土壤最小含水量比不施炭处理分别提高了9.02%、10.30%、6.42%。木炭处理
27、下成熟林、中龄林林分的 0-20cm 土层土壤最小含水量均有显著差异，而竹炭处理下，3 块林分的 0-20cm 土层土壤最小含水量无显著差异。成熟林、中龄林、幼龄林林分 20-40cm、40-60cm 土层土壤最小含水量均无明显变化且无显著差异。7a aaaaaaaaa aaab aaabaaa aab a a b aa0.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.000-20 20-40 40-60 0-20 20-40 40-60 0-20 20-40 40-60成 熟 林 (Mature forest) 中 龄 林 (Immature timber)
28、幼 龄 林 (Large saplingforest)土 层 Soil layer（ cm）自然含水量（%）Natural moisture content（%）木 炭 处 理 竹 炭 处 理 不 施 炭 处 理图 4 施用生物炭对不同林龄杉木人工林土壤自然含水量的影响Fig.4 The effect of biochar on soil natural moisture content of different forest age of Chinese fir plantationaa a a aaaaaaa a a aaabaab a a b a abaa0.0010.0020.0030
29、.0040.0050.0060.0070.0080.0090.000-20 20-40 40-60 0-20 20-40 40-60 0-20 20-40 40-60成 熟 林 (Matureforest)中 龄 林 (Immaturetimber)幼 龄 林 (Large saplingforest)土 层 Soil layer（ cm）最大含水量（%）Maximum water-holdingcapacity（%） 木 炭 处 理 竹 炭 处 理 不 施 炭 处 理图 5 施用生物炭对不同林龄杉木人工林土壤最大含水量的影响Fig.5 The effect of biochar on soi
30、l maximum water-holding capacity of different forest age of Chinese fir plantation8aaaaa aaaaaba a ab a aa aabaa b a aa aa0.005.0010.0015.0020.0025.0030.0035.0040.000-20 20-40 40-60 0-20 20-40 40-60 0-20 20-40 40-60成 熟 林 (Mature forest) 中 龄 林 (Immaturetimber)幼 龄 林 (Large saplingforest)土 层 Soil layer
31、（ cm）最小含水量（%）Minimum water-holdingcapacity（%） 木 炭 处 理 竹 炭 处 理 不 施 炭 处 理图 6 施用生物炭对不同林龄杉木人工林土壤最小含水量的影响Fig.6 The effect of biochar on soil minimum water-holding capacity of different forest age of Chinese fir plantation3.2 施用生物炭对不同林龄杉木人工林土壤化学性质的影响3.2.1 土壤 pH 的影响由表 3 可知，通过对各林地土壤 pH 值的分析发现，施用木炭和竹炭一年后不同林龄
32、杉木人工林土壤 0-20cm 土层土壤 pH 值显著增加。在成熟林、中龄林、幼龄林林分的 0-20cm 土层中，木炭处理和竹炭处理下土壤 pH 值均有显著差异。而成熟林、中龄林、幼龄林林分的 20-40cm、40-60cm 土层 pH 值无明显变化且无显著差异。表 3 施用生物炭对杉木人工林土壤 pH 的影响Tab. 3 The effect of biochar on soil pH of different forest age of Chinese fir plantation林龄 土层（cm） 木炭处理 竹炭处理 不施炭处理0-20 4.330.02a 4.230.03b 4.050.
33、03c20-40 4.050.01a 4.040.04a 4.030.02a成熟林40-60 4.010.04a 4.000.03a 4.000.03a0-20 4.300.05a 4.190.02b 4.070.02c20-40 4.030.05a 4.030.03a 4.030.03a中龄林40-60 3.990.03a 4.000.01a 4.010.06a0-20 4.480.08a 4.340.02b 4.170.01c20-40 4.080.03a 4.070.02a 4.080.03a幼龄林40-60 4.010.05a 4.030.04a 4.020.07a注：同行数据后小写字母表示差异显著（ P0.05） 。3.2.2 土壤全量养分的影响由表 4 可知，施用木炭和竹炭 1 年后，3 种林分 0-20cm 土层土壤的全碳、全磷、全钾含量增加显著；但全氮含量增加不显著，且各林分同一土层处理间无显著差异。3 种林分 0-20cm 土层土壤全碳增幅最显著出现在中龄林中，与不施炭处理相比，木炭处理和竹
