添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤熱性質(zhì)影響機(jī)理研究*

劉志鵬 徐杰男 佘冬立 李學(xué)林 王景梵

（1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095）

（2 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098）

土壤熱量狀況直接影響土壤溫度、水分蒸發(fā)、熱量傳遞、各種化學(xué)反應(yīng)、微生物活性、溫室氣體排放、植物種子萌發(fā)及根系活動(dòng)等一系列土壤過(guò)程［1-2］。一定太陽(yáng)輻射條件下，土壤熱性質(zhì)是土壤熱狀況的內(nèi)在決定因素，對(duì)土壤中水熱耦合運(yùn)動(dòng)具有重要影響，是研究陸地表層土壤-植被-大氣連續(xù)體中物質(zhì)和能量交換過(guò)程的基本物理參數(shù)［2-3］。土壤中固體（礦物和有機(jī)質(zhì)）、液體和氣體三相比例和組成的變化直接影響土壤熱性質(zhì)，進(jìn)而作用于土壤中的化學(xué)反應(yīng)、微生物活動(dòng)以及土壤-大氣間的水熱交換過(guò)程。目前，已有大量研究揭示了不同質(zhì)地土壤熱性質(zhì)隨土壤含水量、容重及鹽分含量等單個(gè)因素變化而變化的規(guī)律［4］。然而，作為土壤固相的重要組成成分，土壤有機(jī)質(zhì)含量變化及由此引起的土壤結(jié)構(gòu)和持水性能的改變對(duì)土壤熱性質(zhì)的綜合影響機(jī)理仍不明確。

全球氣候變化背景下，土壤固碳被認(rèn)為是消除溫室氣體效應(yīng)的重要手段之一［5］。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)廢棄物生物質(zhì)炭轉(zhuǎn)化與還田作為迅速提高土壤有機(jī)碳庫(kù)容的關(guān)鍵途徑在國(guó)際上備受關(guān)注［6］。關(guān)于生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤團(tuán)聚體、土壤肥力、作物產(chǎn)量以及溫室氣體排放等方面影響的報(bào)道日益增多［7-8］。然而，人為輸入穩(wěn)定性有機(jī)質(zhì)（生物質(zhì)炭）在改變土壤固、液和氣三相比例和組成情況下將如何影響土壤熱性質(zhì)及水熱動(dòng)態(tài)仍不清楚，其是否會(huì)通過(guò)影響土壤能量平衡及土壤-大氣間水汽交換過(guò)程反饋于全球氣候變化也有待深入研究。

因此，在土壤固碳應(yīng)對(duì)全球氣候變化背景下，研究生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤熱性質(zhì)的影響并探討其內(nèi)在機(jī)理，將為合理評(píng)價(jià)人為固碳行為對(duì)地氣系統(tǒng)間水熱交換過(guò)程的影響提供科學(xué)依據(jù)；有助于從土壤熱量角度更全面地揭示生物質(zhì)炭提高土壤肥力的作用機(jī)制，并為生物質(zhì)炭改良土壤的田間水熱管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)在江蘇省南京市江寧區(qū)河海大學(xué)節(jié)水園試驗(yàn)基地進(jìn)行（31°57′N, 118°50′E）。試驗(yàn)點(diǎn)海拔為114 m，地勢(shì)平坦。該區(qū)受亞熱帶濕潤(rùn)氣候控制，四季分明，雨水充沛，年平均降雨量為1 107 mm，潛在年蒸發(fā)量為900 mm，年平均溫度為15.4 ℃，六月下旬至七月上旬為梅雨季節(jié)。

本研究使用的生物質(zhì)炭材料為河南三利新能源公司生產(chǎn)的商用小麥秸稈生物質(zhì)炭，熱裂解溫度為350～550 ℃，約30%的秸稈生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭［9］，其基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。生物質(zhì)炭孔隙度、密度和容重使用壓汞儀測(cè)定（Poremaster GT60,Quanachrome）；生物質(zhì)炭?jī)?nèi)部孔徑使用BET氮吸附法測(cè)定（Quaadrasorb SI, Quantachrome）；生物質(zhì)炭表面固液接觸角使用角度儀測(cè)定（EasyDrop DSA20E, KRüSS）。生物質(zhì)炭處理的隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)在溫室中進(jìn)行，試驗(yàn)地土壤類型為黃棕壤，耕層土壤根據(jù)質(zhì)地可明顯分為上下兩層，0～30 cm為壤土層，30～60 cm為黏壤土層，兩層土壤的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。參考已有關(guān)于生物質(zhì)炭合理施用量的研究結(jié)果［7,10］，本研究中生物質(zhì)炭施用量設(shè)三個(gè)水平：0 t hm-2（BC0，對(duì)照），25 t hm-2（BC25）和50 t hm-2（BC50）；每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)，各小區(qū)面積為2.7 m2（3 m × 0.9 m），隨機(jī)區(qū)組排列。第一季作物移栽前，過(guò)2 mm篩的生物質(zhì)炭顆粒被均勻地翻耕混合入0～25 cm土層中，后期不再追施生物質(zhì)炭。種植作物為番茄（Solanum lycopersicum Mill.），分別于2014年4月14日—8月24日和2015年4月19日—8月18日進(jìn)行了連續(xù)兩季種植，株距為50 cm，行距為90 cm，灌溉方式為滴灌，種植季溫室內(nèi)溫度（4—8月）控制為28 ℃。按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶耕作習(xí)慣，復(fù)合化肥（N-P-K，15︰15︰15）按照400 kg hm-2用量等量均勻施入各試驗(yàn)小區(qū)。作物生長(zhǎng)過(guò)程中，人工拔除雜草，并施用適量殺蟲(chóng)劑控制病蟲(chóng)害［11］。

表1 生物質(zhì)炭和試驗(yàn)地土壤基本理化特征Table 1 Basic properties of the biochar and soil in the study

1.2 土壤熱性質(zhì)測(cè)定

土壤熱性質(zhì)，即熱容量、導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散系數(shù)，采用熱脈沖法測(cè)定，使用Decagon公司KD2 Pro便攜式熱性質(zhì)測(cè)定儀，探針使用SH-1雙針傳感器（直徑1.3 mm，長(zhǎng)度3 cm，兩針間隙6 mm）。探針測(cè)量值根據(jù)Decagon公司提供的熱性質(zhì)已知的聚甲醛樹(shù)脂材料（Delrin）進(jìn)行標(biāo)定。熱脈沖法測(cè)定土壤熱性質(zhì)具有簡(jiǎn)便、穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，在相關(guān)研究中已得到廣泛應(yīng)用［12-13］，其基本原理和算法可參見(jiàn)相關(guān)中英文文獻(xiàn)［14-15］，此處不再贅述。

1.3 樣品采樣與室內(nèi)試驗(yàn)

第二季作物收獲后，使用環(huán)刀（直徑 5 cm，容積100 cm3）在每個(gè)處理小區(qū)內(nèi)隨機(jī)采集0～10 cm表層原狀土壤樣品3個(gè)。所有原狀土壤樣品使用烘箱在105 ℃下烘干24 h 后測(cè)定土壤容重，并計(jì)算土壤總孔隙度（1-容重/比重，比重值使用2.65）。每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的3個(gè)原狀土樣中，1個(gè)用來(lái)測(cè)定土壤熱性質(zhì)，另外2個(gè)用來(lái)測(cè)定土壤水分特征曲線。對(duì)于烘干后用于熱性質(zhì)測(cè)定的環(huán)刀，使用塑料薄膜和鋁制環(huán)刀蓋將其兩端密封，保證水分無(wú)法流失。使用50 ml醫(yī)用注射器從環(huán)刀上端注入蒸餾水，隨后密封上端并將環(huán)刀放置在20 ℃室溫下靜止72 h，等土體內(nèi)部水分含量達(dá)到平衡后，分別從環(huán)刀上下兩端使用熱脈沖探針測(cè)定土壤熱性質(zhì)，取其平均值代表該原狀土熱性質(zhì)。土壤體積含水量共設(shè)9個(gè)水平：0（烘干土）、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%。

土壤水分特征曲線測(cè)定吸力值分別設(shè)為-1.5、-3.0、-10.5、-32.1、-63.6、-100、-200、-500、-3 000 和-5 000 cm水柱。前7個(gè)吸力值采用高嶺土沙箱和懸掛水柱法測(cè)定（M1-0802E, Eijkelkamp）；后3個(gè)吸力值在平板壓力膜儀中測(cè)定(1500, Soilmoisture)。獲得的土壤水分特征曲線散點(diǎn)導(dǎo)入RETC軟件中并使用經(jīng)典單峰van-Genuchten模型進(jìn)行擬合：

式中，θr和θs分別為土壤滯留含水量和飽和含水量；擬合過(guò)程中θs使用測(cè)定的總孔隙度；參數(shù)α, n和m分別為曲線的形狀參數(shù)，m等于1 – 1/n。通過(guò)擬合得到的土壤水分特征曲線可計(jì)算土壤孔隙分布。根據(jù)Young-Laplace公式：

式中，D為孔隙直徑（mm），并假設(shè)土壤孔隙為均勻的圓柱形毛管；h為相應(yīng)尺寸孔隙對(duì)應(yīng)的土壤水吸力，使用水柱高度（cm）表示。計(jì)算得到的土壤孔隙劃分為三組［16］：大孔隙（＞ 0.03 mm）、中孔隙（0.03～0.0 002 mm, 對(duì)應(yīng)田間持水量）和小孔隙（＜ 0.0 002 mm，對(duì)應(yīng)永久凋萎點(diǎn)）。

此外，每季節(jié)作物收獲后，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇3個(gè)點(diǎn)，在田間自然狀態(tài)下使用KD2Pro探針在原位測(cè)定土壤熱性質(zhì)。作物生長(zhǎng)過(guò)程中，每7天在各小區(qū)內(nèi)采集表層0～10 cm擾動(dòng)土，105 ℃下烘干24 h后測(cè)定土壤質(zhì)量含水量，并根據(jù)容重計(jì)算得到土壤體積含水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用單因素方差分析（ANOVA）檢驗(yàn)生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤熱性質(zhì)影響的顯著性，使用最小顯著差別法（LSD）對(duì)不同處理間的均值進(jìn)行多重比較檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)分析的顯著性水平均設(shè)為0.05。統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 2.0軟件完成。

2 結(jié) 果

2.1 不同生物質(zhì)炭和土壤含水量處理下原狀土熱性質(zhì)

圖1給出了不同生物質(zhì)炭施用量和土壤含水量條件下原狀土測(cè)定的土壤熱性質(zhì)。如圖1a所示，不同生物質(zhì)炭處理下，土壤體積熱容量均隨土壤體積含水量的增加而增加，在0至40%含水量情況下，0 t hm-2，25 t hm-2和50 t hm-2生物質(zhì)炭施用量下土壤體積熱容量分別在1.13～2.80 J cm-3K-1，1.16～2.75 J cm-3K-1和1.07～2.74 J cm-3K-1之間變動(dòng)。方差分析結(jié)果顯示，在較低（0～15%）和較高（35%～40%）土壤含水量情況下，生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤體積熱容量沒(méi)有顯著影響（p ＞ 0.05）。而當(dāng)土壤含水量達(dá)到20%～30%之間時(shí)，生物質(zhì)炭添加顯著影響（p ＜ 0.05）土壤體積熱容量；25 t hm-2和50 t hm-2施用量下的土壤熱容量顯著（p ＜ 0.05）低于未添加生物質(zhì)炭的原狀土，而25 t hm-2和50 t hm-2施用量之間無(wú)顯著差別（p＞0.05）。如圖1b所示，當(dāng)土壤含水量從0增加至40%含水量情況下，土壤導(dǎo)熱率在不同生物質(zhì)炭處理下分別從0.24 W m-1K-1增加至1.16 W m-1K-1（0 t hm-2），從0.19 W m-1K-1增加至1.09 W m-1K-1（25 t hm-2）和從0.18 W m-1K-1增加至1.03 W m-1K-1（50 t hm-2）。方差分析結(jié)果顯示，在各土壤含水量條件下，生物質(zhì)炭添加均顯著影響（p＜ 0.05）土壤導(dǎo)熱率；施用生物質(zhì)炭的土壤導(dǎo)熱率均顯著小于對(duì)照，而25 t hm-2和50 t hm-2施用量之間土壤導(dǎo)熱率差異不顯著（p ＞ 0.05）。如圖1 c所示，土壤熱擴(kuò)散系數(shù)在較低含水量（＜ 20%）情況下，隨著土壤含水量增加而迅速增加，當(dāng)土壤含水量較高（＞20%）時(shí)，隨土壤含水量增加表現(xiàn)出平衡或略微減小的趨勢(shì)。土壤熱擴(kuò)散系數(shù)在不同生物質(zhì)炭處理下分別在0.23～0.45 m2s-1（0 t hm-2），0.16～0.42 m2s-1（25 t hm-2）和0.17～0.41 m2s-1（50 t hm-2）之間變動(dòng)。方差分析結(jié)果顯示，在較低（0～15%）和較高（35%～40%）土壤含水量情況下，生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤熱擴(kuò)散系數(shù)具有顯著影響（p ＜ 0.05），施用生物質(zhì)炭的土壤熱擴(kuò)散系數(shù)顯著低于對(duì)照，而25 t hm-2和50 t hm-2施用量之間土壤熱擴(kuò)散系數(shù)差異不顯著（p ＞0.05）。當(dāng)土壤含水量在20%～30%之間時(shí)，生物質(zhì)炭施用對(duì)土壤熱擴(kuò)散系數(shù)無(wú)顯著影響（p ＞ 0.05），不同生物質(zhì)炭處理間土壤熱擴(kuò)散系數(shù)無(wú)顯著差異（p ＞ 0.05）。

圖1 不同生物質(zhì)炭和土壤含水量處理下原狀土熱性質(zhì)Fig. 1 Soil thermal properties of undisturbed soil cores relative to biochar treatment and soil water content

2.2 不同生物質(zhì)炭處理下田間原位土壤熱性質(zhì)

圖2給出了自然條件下田間原位測(cè)定的不同生物質(zhì)炭處理小區(qū)土壤熱性質(zhì)。土壤熱容量、導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散系數(shù)均在兩季作物收獲后的測(cè)定中表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。如圖2a所示，方差分析結(jié)果顯示，生物質(zhì)炭施用對(duì)田間狀態(tài)下土壤體積熱容量具有顯著影響（p ＜ 0.05）；50 t hm-2生物質(zhì)炭施用量下土壤體積熱容量顯著高于對(duì)照（p ＜ 0.05），而25 t hm-2生物質(zhì)炭施用量下土壤體積熱容量顯著低于對(duì)照（p ＜ 0.05）。如圖2b和圖2c所示，方差分析結(jié)果表明，田間狀態(tài)下生物質(zhì)炭添加顯著影響（p ＜0.05）土壤導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散系數(shù)。施用生物質(zhì)炭土壤的導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散系數(shù)均顯著小于（p ＜ 0.05）未添加生物質(zhì)炭的土壤，而25 t hm-2和50 t hm-2施用量之間導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散系數(shù)無(wú)顯著差別（p ＞0.05）。

2.3 生物質(zhì)炭施用對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)的影響

圖3a顯示了不同生物質(zhì)炭處理小區(qū)田間狀態(tài)下土壤容重變化特征。方差分析結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭對(duì)土壤容重具有顯著影響（p ＜ 0.05）；對(duì)照小區(qū)土壤容重均值為1.40 g cm-3，顯著高于（p ＜0.05）施用生物質(zhì)炭小區(qū)；土壤容重隨生物質(zhì)炭施用量的增加而下降，50 t hm-2生物質(zhì)炭施用量下土壤容重均值為1.13 g cm-3，顯著低于25 t hm-2生物質(zhì)炭施用量下的1.21 g cm-3。相應(yīng)的，生物質(zhì)炭對(duì)土壤總孔隙度也具有顯著影響（p ＜ 0.05）；25 t hm-2和50 t hm-2施用量下土壤總孔隙分別為54%和57%，顯著高于（p ＜ 0.05）對(duì)照小區(qū)的47%。

圖3b為不同生物質(zhì)炭處理小區(qū)原狀土樣品測(cè)定得到的土壤水分特征曲線，單峰van-Genuchten模型擬合參數(shù)見(jiàn)表2。從圖4中散點(diǎn)及模型擬合曲線可以看出，生物質(zhì)炭添加明顯影響土壤水分特征曲線形狀，尤其在低吸力段。模型擬合效果很好，決定系數(shù)均在0.98以上；模型形狀參數(shù)α隨生物質(zhì)炭施用量的增加呈顯著增加趨勢(shì)（p ＜ 0.05）；n和m在50 t hm-2施用量下略微增大，擬合得到的土壤滯留含水量在25 t hm-2施用量下顯著小于對(duì)照和50 t hm-2施用量；差別最為明顯的參數(shù)為土壤飽和含水量。圖3c顯示了根據(jù)土壤水分特征曲線和式（2）計(jì)算得到的不同生物質(zhì)炭處理下土壤孔隙度分布特征。方差分析結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭對(duì)土壤大孔隙度（＞ 0.03 mm）和小孔隙度（＜ 0.0002 mm）具有顯著影響（p ＜ 0.05）；而對(duì)土壤中等孔隙度（0.03～0.0002 mm）無(wú)顯著影響（p ＞ 0.05）。土壤大孔隙隨生物質(zhì)炭施用量的增加而顯著增加（p＜ 0.05）；中等孔隙在不同生物質(zhì)炭施用量下無(wú)顯著差異；施用生物質(zhì)炭土壤中的小孔隙顯著低于對(duì)照（p ＜ 0.05），而25 t hm-2和50 t hm-2施用量下土壤小孔隙并無(wú)顯著差異（p ＞ 0.05）。

圖2 不同生物質(zhì)炭處理小區(qū)田間原位測(cè)定土壤熱性質(zhì)Fig. 2 Soil thermal properties measured in-situ of the treatment plot relative to biochar application rate

表2 不同生物質(zhì)炭處理下土壤水分特征曲線擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters of the van-Genuchten model related to biochar treatment

圖3 不同生物質(zhì)炭處理小區(qū)土壤容重、水分特征曲線、孔隙度分布特征Fig. 3 Soil bulk density,soil water retention curve and pore size distribution of the treatment plot relative to biochar application rate

2.4 生物質(zhì)炭施用對(duì)土壤水分含量的影響

圖4顯示了兩季作物生長(zhǎng)過(guò)程中田間條件下不同生物質(zhì)炭處理小區(qū)表層土壤體積含水量。2015年生長(zhǎng)季中表層土壤含水量整體高于2014年生長(zhǎng)季，各生長(zhǎng)季土壤水分內(nèi)均表現(xiàn)出明顯波動(dòng)。方差分析結(jié)果表明，生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤表層含水量具有顯著影響（p ＜ 0.05）；施用生物質(zhì)炭的土壤體積含水量整體顯著高于未施用生物質(zhì)炭土壤（p ＜0.05）。

圖1和圖2結(jié)果表明，生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤熱性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生顯著影響，而因生物質(zhì)炭自身特殊的物理、化學(xué)和生物學(xué)穩(wěn)定性［6-7］，其影響也必將具有持久性?？傮w而言，生物質(zhì)炭對(duì)土壤熱性質(zhì)的影響具有綜合性，主要表現(xiàn)為（1）通過(guò)改變土壤固相物質(zhì)組成直接影響土壤熱性質(zhì)；（2）通過(guò)短期和長(zhǎng)期效應(yīng)改變土壤結(jié)構(gòu)，并通過(guò)改變土壤孔隙狀況間接影響土壤熱性質(zhì)；（3）在土壤結(jié)構(gòu)改變的同時(shí)，影響土壤水力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而通過(guò)作用于土壤水分狀況間接影響土壤熱性質(zhì)。

3 結(jié) 果

3.1 改變固相物質(zhì)組成直接影響土壤熱性質(zhì)

作為內(nèi)部多孔的有機(jī)物質(zhì)，生物質(zhì)炭顆粒自身的熱性質(zhì)顯著區(qū)別于土壤礦質(zhì)顆粒。本研究中生物質(zhì)炭顆粒自身的體積熱容量測(cè)定值為1.09 J cm-3K-1，然而使用熱脈沖探針測(cè)定過(guò)程中無(wú)法避免地包含進(jìn)了生物質(zhì)炭顆粒間和顆粒內(nèi)部的孔隙體積，通過(guò)剔除生物質(zhì)炭孔隙（總孔隙度為62.5%）的影響后，生物質(zhì)炭物質(zhì)的體積熱容量約為2.9 J cm-3K-1，其明顯高于土壤礦質(zhì)顆粒的平均熱容量（1.9 J cm-3K-1）和土壤有機(jī)質(zhì)的熱容量（2.5 J cm-3K-1）［2,17］。Zhang等［18］也報(bào)道了玉米穗生物質(zhì)炭的質(zhì)量熱容量為1.55 J g-1K-1，約為華北平原砂壤土的2.14倍。因此，在不考慮生物質(zhì)炭改變?nèi)葜氐那闆r下，一定體積內(nèi)生物質(zhì)炭的加入意味著一部分礦質(zhì)顆?；蛲寥烙袡C(jī)質(zhì)會(huì)被這種具有較高熱容量的多孔有機(jī)物質(zhì)代替。由此可以推斷，在一定含水量和容重條件下，土壤體積熱容量應(yīng)隨生物質(zhì)炭的加入而提高。在考慮生物質(zhì)炭?jī)?nèi)部和顆粒間孔隙存在的情況下，本研究使用的生物質(zhì)炭導(dǎo)熱率測(cè)定為0.135 W m-1K-1，其明顯低于石英（7.7 W m-1K-1）和20℃純水（0.594 W m-1K-1）的導(dǎo)熱率［19］。因此，在不考慮土壤孔隙度和土壤含水量變化的情況下，生物質(zhì)炭添加將導(dǎo)致土壤導(dǎo)熱率下降。土壤熱擴(kuò)散系數(shù)為土壤導(dǎo)熱率和土壤熱容量的比值，導(dǎo)熱率的下降和熱容量的增加勢(shì)必導(dǎo)致熱擴(kuò)散系數(shù)的下降。然而，以上理論推導(dǎo)均不考慮土壤結(jié)構(gòu)和孔隙狀況的變化。

圖4 不同生物質(zhì)炭處理小區(qū)表層土壤體積含水量Fig. 4 Volumetric soil water content in the plot relative to biochar application rate

3.2 改變土壤孔隙狀況間接影響土壤熱性質(zhì)

圖3結(jié)果表明生物質(zhì)炭添加將顯著改變土壤總孔隙度和孔隙大小分布。類似研究中雖使用了不同類型生物質(zhì)炭和不同質(zhì)地土壤，但研究結(jié)果均相對(duì)一致，即生物質(zhì)炭添加會(huì)顯著降低土壤容重并提高土壤總孔隙度［8,16,20-21］。在給定體積和含水量的多孔介質(zhì)中，總孔隙度的增加意味著充氣孔隙的增加和固相物質(zhì)的減少?？諝獾捏w積熱容量為0.001 25 J cm-3K-1，其遠(yuǎn)小于土壤礦質(zhì)顆粒和有機(jī)質(zhì)的體積熱容量［2］。因此，生物質(zhì)炭添加導(dǎo)致土壤孔隙度增加，并由此引起土壤體積熱容量的減小。然而，如圖1a所示，生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤體積熱容量減小效應(yīng)僅在土壤含水量為20%～30%之間表現(xiàn)顯著。而在0～15%土壤含水量下在各生物質(zhì)炭處理間體積熱容量并無(wú)顯著差異。這可能由于低含水量或低熱容量情況下，生物質(zhì)炭自身較高熱容量引起的正效應(yīng)與增加孔隙度引起的負(fù)效應(yīng)之間發(fā)生了抵消作用。當(dāng)土壤含水量較高（＞35%）時(shí)，生物質(zhì)炭各處理間土壤體積熱容量差異也不顯著，這可能與高含水量下土壤中充氣孔隙的迅速減少有關(guān)；同時(shí)高土壤含水量對(duì)應(yīng)的高熱容量也可能進(jìn)一步掩蓋由于孔隙度增加而引起的土壤熱容量降低。Zhao等［22］在連續(xù)7年施用生物質(zhì)炭的田間試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭添加對(duì)砂壤土體積熱容量影響不顯著。對(duì)于土壤導(dǎo)熱率而言，充氣孔隙的增加勢(shì)必更多地隔離土壤礦質(zhì)顆粒和土壤水分之間的接觸，僅有土壤礦質(zhì)顆粒和水分導(dǎo)熱率幾百分之一的空氣將極大地阻礙熱量在土壤中的傳導(dǎo)。Usowicz［23］和Ochsner等［3］均指出相對(duì)于土壤含水量，土壤中充氣孔隙的比例對(duì)土壤導(dǎo)熱率的影響更大。另一方面，生物質(zhì)炭會(huì)以固體顆粒形式存在于土壤礦質(zhì)顆粒之間，由于其自身較低的導(dǎo)熱率，熱量在礦質(zhì)顆粒之間的傳導(dǎo)也將被大大降低。

如圖5b所示，生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤導(dǎo)熱的影響受土壤含水量的影響趨勢(shì)一致，在各含水量水平上均表現(xiàn)為顯著的降低效應(yīng)。土壤熱擴(kuò)散系數(shù)的變化趨勢(shì)決定于土壤導(dǎo)熱率和土壤熱容量的相對(duì)變化快慢。圖5c中，生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤熱擴(kuò)散系數(shù)的影響隨土壤含水量的變化而變化。當(dāng)土壤含水量較低（0～15%）和較高（＞35%）時(shí)，由于土壤導(dǎo)熱率的顯著降低和土壤熱容量的不顯著變化，使得生物質(zhì)炭添加顯著降低了土壤熱擴(kuò)散系數(shù)；而當(dāng)土壤含水量中等（20%～30%）時(shí)，生物質(zhì)炭添加均顯著降低了土壤導(dǎo)熱率和熱容量，而且二者降低的速率大致相同，導(dǎo)致不同生物質(zhì)炭處理間土壤熱擴(kuò)散系數(shù)差異并不顯著。

圖3a中結(jié)果顯示生物質(zhì)炭添加顯著降低土壤容重，且相關(guān)研究表明生物質(zhì)炭對(duì)土壤容重的降低作用在顆粒較粗質(zhì)地土壤中更加明顯［21］。一方面，由于生物質(zhì)炭自身密度較低（1.83 g cm-3），且其具有大量?jī)?nèi)部孔隙，與土壤顆?；旌虾髸?huì)產(chǎn)生直接的稀釋作用，導(dǎo)致土壤容重降低。然而，Burrell等［21］和Hardie等［16］均發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭自身的稀釋作用并不能完全解釋土壤容重的顯著減小。相關(guān)研究表明，生物質(zhì)炭不僅作為惰性多孔有機(jī)物質(zhì)消極地存在于土壤中，更可作為一種土壤改良劑在提高土壤通氣性和持水性、降低土壤酸度、促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)和植物根系生長(zhǎng)等方面扮演積極作用，并由此促進(jìn)土壤顆粒團(tuán)聚過(guò)程，利于團(tuán)聚體內(nèi)部和團(tuán)聚體之間的多級(jí)孔隙的形成［16,20-21,24］。Ouyang和Zhang等［25］在壤質(zhì)土中以5%質(zhì)量百分比混合了木屑生物質(zhì)炭，通過(guò)180 d的室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)了土壤大團(tuán)聚體顯著增加。Herath等［8］在黏壤土中施用玉米秸稈生物質(zhì)炭（10～17.3 t hm-2）295 d后同樣發(fā)現(xiàn)土壤大團(tuán)聚體和土壤大孔隙均顯著增加。圖5中結(jié)果同樣表明，生物質(zhì)炭添加導(dǎo)致土壤總孔隙度的增加主要來(lái)自于大孔隙（＞ 0.03 mm）的增加，而并非來(lái)自生物質(zhì)炭?jī)?nèi)部孔隙的貢獻(xiàn)（平均孔徑為3.74 nm），這與Hardie等［16］的研究結(jié)果一致。因此，生物質(zhì)炭添加促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體和土壤大孔隙的形成，是其影響土壤熱性質(zhì)的一個(gè)重要途徑。Ju等［26］研究發(fā)現(xiàn)在中等土壤含水量條件下，無(wú)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)（＜ 0.1 mm）土壤的導(dǎo)熱率顯著小于有團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)（＜ 2 mm）的土壤。Usowicz等［27］基于統(tǒng)計(jì)物理模型也論證了土壤導(dǎo)熱率對(duì)土壤團(tuán)聚體大小的依耐性。Zhang等［18］和Zhao等［22］在連續(xù)多年施用生物質(zhì)炭的土壤中也發(fā)現(xiàn)了土壤導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散系數(shù)的顯著降低，并認(rèn)為土壤團(tuán)聚體和大孔隙的形成是解釋這一現(xiàn)象的重要原因。

3.3 影響土壤水分狀況間接影響土壤熱性質(zhì)

圖5顯示了不同生物質(zhì)炭處理下原狀土熱性質(zhì)與土壤含水量之間密切的正相關(guān)關(guān)系（R2＞0.97）。因此，土壤含水量的輕微變動(dòng)均會(huì)極大地影響土壤熱性質(zhì)。從圖3的結(jié)果可以看出，生物質(zhì)炭添加顯著改變土壤孔隙狀況，并會(huì)由此改變土壤水力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響土壤含水量動(dòng)態(tài)。Barnes等［28］發(fā)現(xiàn)黏壤土施用生物質(zhì)炭后土壤飽和導(dǎo)水率提高了328%，土壤入滲量也顯著提高。Jien和Wang 等［29］的研究也發(fā)現(xiàn)添加生物質(zhì)炭會(huì)顯著增加土壤入滲并減少地表徑流。如圖4所示，施用生物質(zhì)炭小區(qū)的土壤體積含水量顯著高于對(duì)照，類似的結(jié)果在Peng等［30］的研究中也有報(bào)道。因此，提高土壤含水量是生物質(zhì)炭添加影響土壤熱性質(zhì)的又一重要途徑。由此推斷，在不考慮土壤結(jié)構(gòu)變化的條件下，隨著土壤含水量的提高，施用生物質(zhì)炭小區(qū)應(yīng)具有較高的土壤熱容量和導(dǎo)熱率。

值得注意的是，田間狀態(tài)下生物質(zhì)炭增加土壤孔隙度和增加土壤含水量的效應(yīng)同時(shí)存在（圖3和圖4），而二者對(duì)土壤熱性質(zhì)的影響恰恰相反。因此，圖2中的結(jié)果為二者綜合效應(yīng)的反映。對(duì)于土壤熱容量而言，在50 t hm-2生物質(zhì)炭施用量下，由提高土壤含水量引起的正效應(yīng)明顯高于通過(guò)增加孔隙度帶來(lái)了的負(fù)效應(yīng)，導(dǎo)致土壤熱容量顯著高于對(duì)照（圖2a）；而在25 t hm-2生物質(zhì)炭施用量下，增加土壤孔隙度帶來(lái)的負(fù)效應(yīng)占主導(dǎo)，使得土壤熱容量顯著低于對(duì)照（圖2a）。對(duì)于土壤導(dǎo)熱率而言，不同生物質(zhì)炭施用量下由增加孔隙度引起的負(fù)效應(yīng)明顯抑制了由提高含水量帶來(lái)的正效應(yīng)，使得土壤導(dǎo)熱率顯著低于對(duì)照（圖2b）。施用生物質(zhì)炭對(duì)土壤導(dǎo)熱率和土壤熱容量的這種綜合影響導(dǎo)致了土壤熱擴(kuò)散系數(shù)的顯著降低（圖2c），這一結(jié)果與Zhang等［18］和Zhao等［22］在長(zhǎng)期施用生物質(zhì)炭小區(qū)中田間原位測(cè)定的結(jié)果一致。

圖5 不同生物質(zhì)炭處理下原狀土熱性質(zhì)與土壤含水量關(guān)系Fig. 5 Relationships between soil thermal properties and soil water content in the plot relative to biochar application rate

3.4 影響土壤斥水性間接影響土壤熱性質(zhì)

除了上述的兩個(gè)重要途徑外，生物質(zhì)炭還可能通過(guò)影響土壤斥水性間接影響土壤熱性質(zhì)。如圖6所示，本研究中使用的生物質(zhì)炭材料自身的固液接觸角明顯大于90o，表現(xiàn)出強(qiáng)斥水性［31］，類似的結(jié)果在相關(guān)研究中均有報(bào)道［8,32-33］。另有研究表明，施用強(qiáng)斥水性生物質(zhì)炭后，土壤基質(zhì)自身的斥水性也有所提高［32,34-35］。Bachmann等［36］在研究中指出土壤斥水性的提高會(huì)通過(guò)提高土壤水分與固相基質(zhì)的接觸角影響熱量在水分和固態(tài)物質(zhì)間的傳導(dǎo)，導(dǎo)致土壤導(dǎo)熱率的降低。然而，由于相關(guān)研究的缺乏，土壤斥水性對(duì)土壤熱性質(zhì)的影響機(jī)理至今仍不明確。另一方面，目前關(guān)于生物質(zhì)炭自身斥水性特征及其對(duì)土壤基質(zhì)斥水性的影響的研究很少，加之斥水性與水分含量之間存在的復(fù)雜關(guān)系，本研究未能明確生物質(zhì)炭如何通過(guò)影響土壤斥水性作用于土壤熱性質(zhì)，期待在今后的研究中進(jìn)一步深入探討。

圖6 秸稈生物質(zhì)炭表面固液接觸角Fig. 6 Solid-liquor contact angle on the surface of wheat-straw derived biochar

4 結(jié) 論

本研究結(jié)合田間定位和室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)，研究了生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤熱性質(zhì)的影響機(jī)理。結(jié)果表明生物質(zhì)炭添加會(huì)對(duì)土壤熱性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，其主要途徑為（1）通過(guò)降低土壤容重，增加土壤大孔隙，從而顯著降低土壤導(dǎo)熱率，對(duì)土壤熱容量和熱擴(kuò)散系數(shù)也有降低效應(yīng)，但同時(shí)受土壤含水量水平影響；（2）通過(guò)改變土壤水力學(xué)特性，增加土壤含水量，從而提高土壤熱容量、導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散系數(shù)。田間狀態(tài)下，生物質(zhì)炭影響土壤熱性質(zhì)的兩個(gè)途徑同時(shí)存在而作用相反，綜合效應(yīng)表現(xiàn)為生物質(zhì)炭添加小區(qū)的土壤體積熱容量有增加趨勢(shì)，但與生物質(zhì)炭施用量有關(guān)；而土壤導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散系數(shù)顯著降低。