生物炭對(duì)北方寒區(qū)農(nóng)田土壤熱性能參數(shù)的影響

馬效松 付 強(qiáng),2 徐淑琴,2 李天霄 侯仁杰 于鑫彤

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030)

0 引言

土壤熱性能參數(shù)決定土壤中熱量的儲(chǔ)存、傳導(dǎo)和分布，主要受土壤質(zhì)地、容重、水分含量的影響[1]，其測量方法主要有穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法[2]。針對(duì)非凍結(jié)土壤熱特性參數(shù)變異特征，蘇李君等[3]研究了砂土、壤土、粘土在不同含水率水平下的導(dǎo)熱率變化規(guī)律；ABU-HAMDEH[4]研究發(fā)現(xiàn)，在含水率較高情況下，粘土體積熱容量增長速率大于砂土；KIM等[5]研究了土壤水分特征曲線和導(dǎo)熱率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土壤吸力與導(dǎo)熱率呈雙線性關(guān)系；MENGISTU等[6]以南非砂土為研究對(duì)象，探究5種溫度和5種含水率交叉作用下土壤熱性能參數(shù)變化規(guī)律。針對(duì)凍結(jié)狀態(tài)下土壤熱性能變化規(guī)律，WANG等[7]研究了單向凍結(jié)條件下土壤導(dǎo)熱率、體積熱容量、熱擴(kuò)散率在垂直空間上的波動(dòng)性；ORAKOGLU等[8]通過室內(nèi)凍融循環(huán)試驗(yàn)，探究凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)土壤導(dǎo)熱率的影響，進(jìn)而構(gòu)建土壤導(dǎo)熱率對(duì)凍融次數(shù)的響應(yīng)函數(shù)；HU等[9]借助3種模型分別計(jì)算凍土導(dǎo)熱率和凍結(jié)深度，發(fā)現(xiàn)Luo模型適用于凍結(jié)土壤；GORI等[10]在前人研究基礎(chǔ)上，提出一個(gè)無經(jīng)驗(yàn)常數(shù)模型來計(jì)算凍土導(dǎo)熱率，模擬精度較高。

生物炭能夠顯著調(diào)節(jié)土壤理化性能及生態(tài)效應(yīng)，具有減少CO2等溫室氣體排放[11]、改善土壤透氣性[12]、增強(qiáng)土壤抗侵蝕能力[13]、提高土壤保水性[14]、調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[15]、促進(jìn)土壤養(yǎng)分吸收[16]、吸附土壤重金屬[17]等作用。然而，針對(duì)生物炭對(duì)土壤熱特性調(diào)控效果的研究較少，其中ZHI等[18]借助室內(nèi)模擬試驗(yàn)，探究不同碳水組合條件下華南紅壤土熱特性參數(shù)的變化特征；ZHANG等[19]通過大田試驗(yàn)，研究生物炭覆蓋調(diào)控耕作模式下土壤導(dǎo)熱率和反射率的變化規(guī)律；JIANKUN等[20]研究作物生育期內(nèi)生物炭對(duì)土壤導(dǎo)熱率、體積熱容量的調(diào)節(jié)效果。以上研究大多側(cè)重于作物生長期生物炭對(duì)土壤熱性能調(diào)節(jié)的影響，而對(duì)于非生長季凍結(jié)土壤熱特性調(diào)控研究相對(duì)欠缺。

本文針對(duì)北方寒區(qū)農(nóng)田土壤，設(shè)置3種生物炭施加模式、6種含水率水平，分別測定凍結(jié)和非凍結(jié)條件下的土壤導(dǎo)熱率、體積熱容量、熱擴(kuò)散率，進(jìn)而分別構(gòu)建土壤熱特性參數(shù)響應(yīng)函數(shù)。本研究成果將有助于揭示生物炭對(duì)土壤熱特性參數(shù)影響機(jī)理，同時(shí)也為農(nóng)業(yè)土壤水熱調(diào)控和準(zhǔn)確掌握寒區(qū)農(nóng)田土壤熱量變化機(jī)制提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)試驗(yàn)地點(diǎn)位于哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)凍土試驗(yàn)場，該區(qū)域地理坐標(biāo)126°45′32″E，45°44′41″N。氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，冬長夏短，春秋季節(jié)氣溫升降變化快，全年平均降水量為570 mm，夏季為集中降水期，占全年降水量的60%以上，全年平均蒸發(fā)量為1 500 mm。夏季最高月平均氣溫為28℃，冬季最低月平均氣溫為-24℃。該區(qū)域地下水埋深6.8 m，無霜期145 d，最大凍結(jié)深度1.95 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究所用生物炭為遼寧省錦州市生物炭制備廠生產(chǎn)，生物炭原料為秸稈，在高溫500～600℃裂解而成，將其磨細(xì)過2 mm篩備用，生物炭理化性質(zhì)見表1。結(jié)合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，生物炭施加設(shè)置3個(gè)水平：BC0(0 t/hm2)、BC1(4 t/hm2)、BC2(6 t/hm2)，每個(gè)水平3次重復(fù)，共計(jì)9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)埋設(shè)ET100型土壤溫度和水分傳感器，自動(dòng)測定10 cm土層水熱狀況。同時(shí)，埋設(shè)凍土器1根，每天09：00人工記錄土壤凍深值。試驗(yàn)前期，將生物炭拋撒于地表，并將土壤翻耕處理，確保生物炭與土壤充分混合，試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)見表2。在經(jīng)歷一個(gè)凍融期后，借助環(huán)刀在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)表層0～10 cm土層處取原狀土，將土樣干燥，并用注水法將原狀土壤配制成含水率為0%(干燥土)、8%、16%、24%、32%、40%試樣。將土樣覆蓋塑料保鮮膜防止水分散失，隨后將土樣正面放置24 h，倒置24 h以確保水分在土樣中分布均勻。在人工氣候室中分別測定-3、-6、-9、-12、-15℃凍結(jié)土壤熱特性參數(shù)，并測定0、3、6、9、12、15℃非凍結(jié)土壤的熱特性參數(shù)。在測量過程中用塑料薄膜覆蓋土樣，防止水分散失。

表1 生物炭理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of biochar

表2 試驗(yàn)土壤理化性質(zhì)Tab.2 Physical and chemical properties of experimental soil

1.3 試驗(yàn)方法

土壤熱性能參數(shù)測定：利用ISOMET2114型熱性能分析儀測定土壤導(dǎo)熱率、體積熱容量、熱擴(kuò)散率。土壤團(tuán)聚體含量測定：分別采用干篩法和濕篩法[21-22]測定土壤大于0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量和大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。土壤容重和孔隙率測定：用干燥法測定土壤容重，并計(jì)算總孔隙度。土壤凍結(jié)特征曲線測定：采用核磁共振法[23-24]。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

利用Excel 2013記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)，用SPSS 23.0分析數(shù)據(jù)，進(jìn)而借助LSD法檢驗(yàn)土壤導(dǎo)熱率、體積熱容量、熱擴(kuò)散率的差異顯著性 (P<0.05)，最后利用SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

圖1 凍融期不同生物炭處理?xiàng)l件下土壤水熱變化曲線Fig.1 Changing curves of soil water and heat under different biochar treatment conditions during freezing-thawing period

2 結(jié)果與分析

在研究中，不同生物炭處理?xiàng)l件下，土壤凍融期溫度和水分變化規(guī)律見圖1。凍融期內(nèi)，BC0、BC1、BC2土壤溫度變化趨勢整體一致，但生物炭施加降低土壤溫度波動(dòng)性，即BC1、BC2土壤在凍結(jié)期溫度降低速度緩慢，在融化期溫度升高速度緩慢；同時(shí)，不同生物炭處理?xiàng)l件下土壤含水率變化趨勢整體一致，但BC1、BC2土壤含水率整體高于未施加生物炭土壤。基于土壤凍深實(shí)測數(shù)據(jù)，將土壤凍融過程主要?jiǎng)澐譃?個(gè)階段[25-26]，即：快速凍結(jié)期(2017年11月1日—2018年1月15日)，該時(shí)段土壤溫度迅速降低，土壤平均凍結(jié)速率為1.1 cm/d，BC2、BC1處理?xiàng)l件下土壤平均溫度相對(duì)于BC0高出2.57℃和1.31℃；穩(wěn)定凍結(jié)期(2018年1月15日—2018年3月23日)，該階段凍結(jié)速率相對(duì)減慢，平均凍結(jié)速率為0.6 cm/d，BC2、BC1處理?xiàng)l件下土壤平均溫度相對(duì)于BC0高出1.64℃和0.74℃；融化期(2018年3月23日—2018年5月20日)，此時(shí)土壤開始融化，土壤平均融化速率為2.2 cm/d，BC0處理?xiàng)l件下土壤平均溫度相對(duì)于BC1、BC2分別高出1.03℃和1.84℃。

2.1 非凍結(jié)土壤熱特性參數(shù)

圖2 不同生物炭含水率處理?xiàng)l件下未凍結(jié)土壤熱性能參數(shù)Fig.2 Thermal properties of unfrozen soil under different biochar moisture content treatment conditions

當(dāng)土壤溫度大于3℃后其熱性能參數(shù)幾乎不發(fā)生變化[2]，本研究中，選取3℃作為典型溫度，不同生物炭處理?xiàng)l件下土壤熱特性參數(shù)變化特征見圖2(圖中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同)。由圖2a可知，土壤導(dǎo)熱率隨體積含水率增加呈上升趨勢，并且在體積含水率在0%～32%之間時(shí)，導(dǎo)熱率增加速度較快，且在體積含水率在24%～32%范圍時(shí)，提升幅度最大。而在體積含水率在32%～40%時(shí)，導(dǎo)熱率增加速度緩慢，此階段土壤含水率接近飽和，水分對(duì)土壤導(dǎo)熱率影響減弱。與此同時(shí)，隨生物炭施用量增加，土壤導(dǎo)熱率整體水平呈現(xiàn)降低趨勢，具體比較可知，生物炭含量為0 t/hm2，含水率為24%、32%時(shí)，土壤導(dǎo)熱率相對(duì)于含水率為16%時(shí)分別增加0.141 4、0.580 5 W/(m·K)。此外，在BC1處理?xiàng)l件下，土壤體積含水率為0%、8%、16%、24%、32%、40%水平時(shí)，其導(dǎo)熱率分別相對(duì)于BC0降低0.036 8、0.134 1、0.131 4、0.154 7、0.132 5、0.137 2 W/(m·K)。同理，在BC2處理?xiàng)l件下，其各個(gè)含水率水平下土壤導(dǎo)熱率分別相對(duì)于BC1和BC0呈現(xiàn)不同程度的降低趨勢。

由圖2b可知，土壤體積熱容量隨體積含水率增加同樣表現(xiàn)出增加趨勢，在體積含水率為24%～32%時(shí)，土壤體積熱容量同樣提升幅度最大。同理，在體積含水率相同條件下，隨生物炭施用量增加，體積熱容量呈現(xiàn)下降趨勢，土壤體積含水率為0%、8%、16%、24%、32%、40%時(shí)，BC1體積熱容量分別相對(duì)于BC0降低0.042 3、0.090 0、0.140 0、0.202 0、0.180 0、0.062 3 J/(cm3·K)，并且BC2處理?xiàng)l件下，其降低效果更顯著。

同理，分析土壤熱擴(kuò)散率和體積含水率之間關(guān)系可知(圖2c)，隨土壤含水率水平提升，土壤熱擴(kuò)散表現(xiàn)出逐漸提升趨勢。同樣，隨生物炭含量增加，進(jìn)一步減弱土壤熱擴(kuò)散效應(yīng)。綜上所述，含水率與非凍結(jié)土壤熱特性參數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，生物炭與其呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 不同生物炭含水率處理?xiàng)l件下凍結(jié)土壤熱性能參數(shù)Fig.3 Thermal properties of frozen soil under different biochar moisture content treatment conditions

2.2 凍結(jié)土壤熱特性參數(shù)

當(dāng)土壤溫度介于0～-3℃之間時(shí)，凍結(jié)土壤中水分相變最劇烈[27]，因此，進(jìn)一步探究-3℃凍結(jié)條件下土壤熱特性參數(shù)變化規(guī)律，如圖3所示。整體分析可知，凍結(jié)條件下土壤導(dǎo)熱率隨體積含水率增加而遞增，其變化趨勢與非凍結(jié)狀態(tài)下一致，但是其整體導(dǎo)熱率水平顯著提升。在含水率為0%、8%、16%、24%、32%、40%時(shí)，BC0在凍結(jié)狀態(tài)下與非凍結(jié)狀況相比土壤導(dǎo)熱率增加-0.005 5、0.190 3、0.154 4、0.465 0、0.363 9、0.405 0 W/(m·K)。同理，在含水率為8%～40%時(shí)，BC1、BC2與BC0相同，也隨土壤凍結(jié)，導(dǎo)熱率顯著增大，這主要是由于冰與水熱性能差別較大。此外，隨生物炭施用量增加，凍結(jié)土壤導(dǎo)熱率整體水平也呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)含水率為0%、8%、16%、24%、32%、40%時(shí)，BC1處理?xiàng)l件下土壤導(dǎo)熱率相對(duì)于BC0分別降低0.036 7、0.135 5、0.086 0、0.238 0、0.177 7、0.188 0 W/(m·K)。

此外，由圖3b可知，不同處理?xiàng)l件下土壤體積熱容量隨體積含水率增加而遞增，并且在含水率為24%～32%之間時(shí)，土壤體積熱容量提升幅度最大。與此同時(shí)，不同生物炭處理?xiàng)l件下凍結(jié)土壤體積熱容量相對(duì)于未凍結(jié)情況變小。其中，在含水率為0%、8%、16%、24%、32%、40%時(shí)，BC0在凍結(jié)狀態(tài)下與非凍結(jié)狀態(tài)相比，土壤體積熱容量降低0.106 3、0.200 0、0.282 0、0.522 0、0.780 0、0.892 3 J/(cm3·K)。同理，在凍結(jié)狀態(tài)下BC1、BC2土壤體積熱容量同樣相對(duì)于未凍結(jié)狀表現(xiàn)為降低趨勢。然而，當(dāng)含水率為0%時(shí)，隨生物炭含量增加，凍結(jié)土壤體積熱容量呈下降趨勢；當(dāng)在含水率為8%、16%、24%、32%、40%水平時(shí)，隨生物炭含量增加，體積熱容量呈遞增趨勢，在-3℃條件下，含水率為32%，生物炭含量為4 t/hm2和6 t/hm2時(shí)，土壤體積熱容量相對(duì)于0 t/hm2水平分別增加0.16、0.20 J/(cm3·K)，與未凍結(jié)土壤表現(xiàn)出相反變化規(guī)律。

由圖3c可知，土壤熱擴(kuò)散率變化趨勢與土壤導(dǎo)熱率相似，同樣表現(xiàn)出隨含水率提升，其熱擴(kuò)散能力顯著提升，并且隨生物炭施加量增加，其熱擴(kuò)散效果有所減弱。另外，在凍結(jié)情況下，不同處理?xiàng)l件下土壤熱擴(kuò)散能力相對(duì)于未凍結(jié)狀態(tài)大幅度提升。

2.3 溫度對(duì)土壤熱特性參數(shù)的影響

上述研究表明，生物炭對(duì)凍結(jié)與非凍結(jié)土壤熱特性參數(shù)具有顯著調(diào)控效果。因此進(jìn)一步研究不同生物炭處理?xiàng)l件下，土壤導(dǎo)熱率(TBC0、TBC1、TBC2為BC0、BC1、BC2的導(dǎo)熱率)和體積熱容量(HBC0、HBC1、HBC2為BC0、BC1、BC2的體積熱容量)隨溫度變化規(guī)律，如圖4所示。當(dāng)土壤含水率為0%時(shí)，土壤導(dǎo)熱率隨溫度變化幅度較小，在溫度為15～-15℃之間時(shí)，隨生物炭含量增加，土壤導(dǎo)熱率和體積熱容量整體水平均呈現(xiàn)降低趨勢。

由圖4b可知，當(dāng)土壤含水率為8%時(shí)，隨溫度降低，土壤導(dǎo)熱率呈增加趨勢，體積熱容量呈降低趨勢。BC0、BC1、BC2處理?xiàng)l件下，導(dǎo)熱率顯著升高的溫度區(qū)間與體積熱容量顯著降低的溫度區(qū)間均為3～-6℃。但隨土壤生物炭含量增加，土壤導(dǎo)熱率整體水平有所降低，土壤體積熱容量在0℃以上時(shí)，整體水平呈現(xiàn)降低趨勢，在0℃以下時(shí)，其整體水平則表現(xiàn)升高趨勢。

同理，當(dāng)土壤含水率在16%、24%、32%、40%水平下，隨溫度降低，土壤導(dǎo)熱率呈現(xiàn)增加趨勢，并且在含水率為40%時(shí)，其提升幅度最大。并且隨含水率增加，導(dǎo)熱率變化顯著溫度區(qū)間不斷擴(kuò)大，由圖4f可知，導(dǎo)熱率變化顯著的溫度區(qū)間最大，為3～-15℃。隨土壤生物炭含量增加，導(dǎo)熱率整體水平有所降低；隨溫度降低，土壤體積熱容量呈現(xiàn)降低趨勢，在含水率為40%時(shí)，其降低幅度最大。隨含水率增加，體積熱容量變化顯著的溫度區(qū)間不斷擴(kuò)大，同樣在含水率為40%時(shí)，體積熱容量變化顯著的溫度區(qū)間最大，為3～-15℃。此外，隨生物炭含量增加，土壤體積熱容量在0℃以上時(shí)，整體水平呈現(xiàn)降低趨勢，在0℃以下時(shí)整體水平則表現(xiàn)出升高趨勢。

圖4 不同生物炭溫度處理?xiàng)l件下土壤熱性能參數(shù)變化曲線Fig.4 Changing curves of soil thermal properties under different biochar temperature treatment conditions

2.4 生物炭對(duì)土壤性質(zhì)的影響

2.4.1凍結(jié)特征曲線

圖5 不同生物炭處理?xiàng)l件下土壤凍結(jié)特征曲線Fig.5 Soil freezing characteristic curves under different biochar treatment conditions

由圖5可知，不同生物炭處理?xiàng)l件下土壤未凍水含量均隨溫度降低而降低。當(dāng)凍結(jié)溫度低于-13℃后，BC2、BC1、BC0處理?xiàng)l件下土壤未凍水含量趨于穩(wěn)定，并且分別保持在14.8%、12.6%、10.5%。由此可知，在凍結(jié)過程中，施加生物炭能夠增加土壤中未凍水含量，在土壤溫度為-3℃時(shí)，BC2、BC1處理?xiàng)l件下土壤未凍水含量相對(duì)于BC0土壤增加15.0個(gè)百分點(diǎn)和11.0個(gè)百分點(diǎn)。此外，隨溫度降低，3種土壤未凍水含量減小速率也具有顯著差異，其中，BC0土壤試樣在0～-3℃凍結(jié)速率較快，土壤未凍水含量減少25.9個(gè)百分點(diǎn)；BC1土壤試樣在0～-5℃凍結(jié)速率較快，土壤未凍水含量減少23.0個(gè)百分點(diǎn)；同樣，BC2土壤試樣在0～-5℃凍結(jié)速率較快，土壤未凍水含量減少19.0個(gè)百分點(diǎn)。

2.4.2土壤物理特性

施加生物炭不僅影響凍結(jié)過程中土壤未凍水含量變化，還顯著影響土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)，不同生物炭處理?xiàng)l件下土壤物理特性如表3所示。本研究中，施加生物炭通過調(diào)節(jié)土壤孔隙結(jié)構(gòu)，使土壤總孔隙度增加，降低土壤容重，提高機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。具體分析可知，施加生物炭后，BC1、BC2處理?xiàng)l件下，土壤容重相對(duì)于BC0降低5.6%和9.2%；而BC1、BC2處理?xiàng)l件下，土壤總孔隙度相對(duì)于BC0提高3.01個(gè)百分點(diǎn)和4.9個(gè)百分點(diǎn)；同理，BC1、BC2處理?xiàng)l件下，大于0.25 mm土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量相對(duì)于BC0提高5.9個(gè)百分點(diǎn)和9.6個(gè)百分點(diǎn)；此外，生物炭調(diào)控作用也顯著提升大于0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。

圖6 不同生物炭處理?xiàng)l件下土壤熱性能相關(guān)性分析Fig.6 Correlation analysis of soil thermal properties under different biochar treatments

處理容重/(g·cm-3)總孔隙度/%大于0.25mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量/%大于0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量/%BC01.4246.4282.533.5BC11.3449.4388.439.1BC21.2951.3292.143.4

3 討論

本研究中，分別構(gòu)建非凍結(jié)土壤(3℃)與凍結(jié)土壤(-3℃)熱特性參數(shù)與含水率之間響應(yīng)函數(shù)，結(jié)果如圖6所示。土壤導(dǎo)熱率和含水率呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(R2>0.89)，體積熱容量和含水率呈線性函數(shù)關(guān)系(R2>0.93)，而熱擴(kuò)散率與含水率呈二次函數(shù)關(guān)系(R2>0.95)，二者之間均表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，但施加生物炭能夠減弱土壤導(dǎo)熱率、體積熱容量、熱擴(kuò)散率與含水率之間的相關(guān)性。

3.1 非凍結(jié)土壤熱性能影響因素分析

土壤熱特性參數(shù)隨含水率增加而遞增。土壤由固、液、氣三相組成，空氣導(dǎo)熱率(0.024 W/(m·K))極低，土壤水分增加填充空氣占據(jù)的孔隙空間，有助于土壤顆粒之間形成水橋，從而提高顆粒之間接觸面積，進(jìn)而提高導(dǎo)熱率。然而，由于水體積熱容量較大(4.2 J/(cm3·K))，是土壤顆粒體積熱容量4倍，所以土壤含水率增加，體積熱容量顯著增大。此研究結(jié)論與文獻(xiàn)[1,3,6]一致，但本研究通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤熱特性參數(shù)在含水率為24%～32%之間增加較大，可知土壤熱特性參數(shù)在塑限含水率和液限含水率之間提升幅度顯著。

施加生物炭后，非凍結(jié)土壤熱特性參數(shù)呈降低趨勢。由于生物炭導(dǎo)熱率較小(0.137 W/(m·K))，且具有較高的比表面積和孔隙度，其施加到土壤中會(huì)增大土壤總孔隙度，增加機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，因此，土壤單位體積內(nèi)孔隙直徑增大、氣體增多，阻礙熱量傳遞，進(jìn)而降低土壤導(dǎo)熱率；然而，生物炭施加會(huì)降低土壤干密度，而非凍結(jié)土壤體積熱容量是關(guān)于土壤干密度的遞增函數(shù)，因此，體積熱容量呈降低趨勢；此外，生物炭能夠增加土壤斥水性，通過增大土壤水分與固相物質(zhì)接觸角，從而阻礙熱量在土壤水分和固態(tài)物質(zhì)間傳導(dǎo)。并且生物炭能夠降低土壤溫度波動(dòng)性，在溫度調(diào)節(jié)上有“削峰填谷”作用，因此，土壤熱擴(kuò)散率降低。ZHI等[18]和ZHANG等[19]也通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生物炭具有降低非凍結(jié)土壤熱性能參數(shù)的作用，但以上學(xué)者研究施加生物炭對(duì)土壤熱特性參數(shù)影響規(guī)律時(shí)溫度條件恒定，此外，未考慮凍結(jié)條件下土壤熱特性參數(shù)變化規(guī)律，本研究通過試驗(yàn)，驗(yàn)證在15～0℃范圍內(nèi)施加生物炭后，土壤熱特性參數(shù)均呈降低趨勢。

3.2 凍結(jié)土壤熱性能影響因素分析

不同處理?xiàng)l件下，凍結(jié)土壤熱性能發(fā)生顯著變化，由于水與冰熱性能差別較大，此外，溫度變化影響土壤顆粒中原子振動(dòng)能變化[28]，進(jìn)而導(dǎo)致粒子儲(chǔ)存或傳遞能量的能力也發(fā)生變化。凍結(jié)土壤熱特性參數(shù)隨含水率增加而遞增，在含水率為0%(干土)時(shí)，凍結(jié)狀況下導(dǎo)熱率低于未凍結(jié)土壤，由于熱量傳遞是分子運(yùn)動(dòng)，溫度降低導(dǎo)致土壤顆粒中分子振動(dòng)頻率降低，因此，導(dǎo)熱率降低。但由圖4可以看出，在8%～40%含水率范圍內(nèi)，凍結(jié)土壤導(dǎo)熱率顯著大于未凍結(jié)土壤，主要是由于溫度降低，土壤中液態(tài)水轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰，冰導(dǎo)熱率(2.16 W/(m·K))較高，是水的4倍，所以凍結(jié)土壤導(dǎo)熱率增大。然而，冰熱擴(kuò)散率是水的9倍，所以土壤凍結(jié)會(huì)導(dǎo)致熱擴(kuò)散率增大。此外由于冰體積熱容量(2.14 J/(cm3·K))小于水，在凍結(jié)過程中土壤體積熱容量降低。TIAN等[29]和ALEKSYUTINA等[30]在研究凍結(jié)土壤熱特性參數(shù)時(shí)，也得出類似結(jié)論，而本文在上述研究基礎(chǔ)上，考慮施加生物炭對(duì)土壤凍結(jié)過程中熱性能參數(shù)的影響。

隨生物炭含量增加，土壤導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率呈降低趨勢，與未凍結(jié)土壤一致。由圖1可以看出，施加生物炭后，在凍融期土壤溫度變化速度減慢，其波動(dòng)性較低，這也驗(yàn)證了施加生物炭降低凍結(jié)土壤熱擴(kuò)散率的結(jié)論。然而，凍結(jié)土壤體積熱容量隨生物炭含量增加呈降低趨勢，由土壤凍結(jié)特征曲線可知，生物炭施加可以顯著增加土壤中未凍水含量，并且水體積熱容量約是冰的2倍，因此，在凍結(jié)條件下生物炭可以增大土壤體積熱容量。

綜上所述，本文探索施加生物炭對(duì)北方寒區(qū)農(nóng)田土壤熱特性參數(shù)影響規(guī)律，引入凍結(jié)特征曲線，分析施加生物炭對(duì)凍結(jié)土壤熱特性參數(shù)影響機(jī)理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨生物炭含量增加，土壤導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率呈降低趨勢，在凍結(jié)情況下，體積熱容量呈升高趨勢，在非凍結(jié)情況下則呈降低趨勢?？紤]到試驗(yàn)復(fù)雜性，為更有效揭示生物炭對(duì)土壤熱性能參數(shù)影響規(guī)律，還應(yīng)進(jìn)一步通過數(shù)值模擬方法進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)論

(1)凍結(jié)土壤導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率相對(duì)于非凍結(jié)土壤有所增大，然而，土壤體積熱容量呈降低趨勢。不同生物炭調(diào)控下，土壤熱特性參數(shù)均隨含水率增加而遞增，在3℃條件下，生物炭含量為0 t/hm2、含水率為24%和32%時(shí)，土壤導(dǎo)熱率相對(duì)于含水率為16%時(shí)分別增加0.141 4、0.580 5 W/(m·K)。土壤導(dǎo)熱率與含水率呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，體積熱容量與含水率呈線性函數(shù)關(guān)系，而熱擴(kuò)散率則與含水率呈二次函數(shù)關(guān)系。

(2)施加生物炭能夠有效改變土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)，增大土壤總孔隙度，提高機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，降低土壤容重。大田試驗(yàn)中，施加生物炭能提高土壤持水能力，增加土壤10 cm處水分含量，降低土壤溫度波動(dòng)性。通過研究還發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠延遲土壤水分凍結(jié)，改變土壤凍結(jié)特征曲線，在0～-15℃條件下，BC1、BC2土壤未凍水含量顯著提高。

(3)在凍結(jié)與非凍結(jié)條件下，土壤導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率均隨生物炭含量增加而降低。然而，對(duì)于非凍結(jié)土壤體積熱容量隨生物炭含量增高而降低，對(duì)于凍結(jié)土壤體積熱容量隨生物炭含量增加而增大，表現(xiàn)出與非凍結(jié)土壤相反的趨勢。其中，在含水率為32%時(shí)，BC1和BC2土壤體積熱容量相對(duì)于BC0增加0.16、0.20 J/(cm3·K)。