小麥秸稈生物炭對(duì)休耕期黃土農(nóng)田土壤熱性質(zhì)的影響

聶 瑾，趙保衛(wèi)，劉 輝，楊 哲，馬鋒鋒

（蘭州交通大學(xué)，環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

近年來(lái)，將作物秸稈在高溫、限氧條件下熱裂解所制備成的生物炭，因其具有較高穩(wěn)定性和吸附性，在固碳緩解全球變暖[1-3]、緩解土壤環(huán)境污染[4-5]等環(huán)境領(lǐng)域具有重要作用而被廣泛研究。此外，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域作為土壤改良劑或肥料的載體還田，還可以緩解由于長(zhǎng)期過(guò)量使用化肥和高強(qiáng)度生產(chǎn)所導(dǎo)致的農(nóng)田土壤板結(jié)、土壤肥力下降問(wèn)題[6]，提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)[7]。然而，生物炭的施入會(huì)加深土壤顏色并改變土壤質(zhì)地，影響地表土壤反照率[8-9]和熱性質(zhì)[10]，從而可能影響土壤溫度及其變化幅度[8，11]，間接干擾土壤的內(nèi)部活動(dòng)及作物的生長(zhǎng)發(fā)育[12-13]。

太陽(yáng)輻射到達(dá)地面后，土壤熱量的儲(chǔ)存、傳導(dǎo)、分布取決于土壤熱性質(zhì)[14]。土壤熱性質(zhì)參數(shù)主要有：土壤導(dǎo)熱率、土壤熱容量、土壤熱擴(kuò)散率。不同土壤的熱性質(zhì)不同，導(dǎo)熱和貯熱能力存在差異，因而不同土壤吸收一定的熱量后其溫度增減幅度不同[15]。土壤的熱性質(zhì)主要受質(zhì)地、容重和水力特征的影響[16]，土壤中的水分運(yùn)動(dòng)和熱量傳輸是一個(gè)不可分割的統(tǒng)一系統(tǒng)。生物炭施入土壤會(huì)改變土壤的質(zhì)地、容重和水力特性，間接導(dǎo)致土壤熱性質(zhì)的變化[17]，但在田間情況下，生物炭主要是以何種方式影響土壤熱性質(zhì)還不明確。黃土高原地區(qū)是中國(guó)干旱區(qū)和濕潤(rùn)區(qū)的過(guò)渡帶，水土流失嚴(yán)重，植被稀疏，對(duì)氣候變化敏感，土壤熱狀況是影響地表能量平衡進(jìn)而影響黃土地區(qū)下墊面結(jié)構(gòu)的重要因素[18-19]，土壤熱狀況由溫度反映。張陽(yáng)陽(yáng)等[8]通過(guò)田間試驗(yàn)研究表明，裸地條件下當(dāng)生物炭施加量為0.5、4.5 kg·m-2（即5、45 t·hm-2）時(shí)，地表反照率較對(duì)照的最大降幅分別為24.3%、26.7%，但對(duì)土壤溫度均無(wú)顯著影響，該研究未探討生物炭施入后對(duì)土壤熱性質(zhì)的影響。劉志鵬等[17]通過(guò)設(shè)置3個(gè)生物炭施用量水平（0、25、50 t·hm-2）進(jìn)行田間區(qū)組試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈生物炭能顯著降低田間土壤的導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率，但該研究未探討熱性質(zhì)變化后土壤溫度對(duì)其的響應(yīng)?，F(xiàn)階段，生物炭應(yīng)用導(dǎo)致土壤熱性質(zhì)改變進(jìn)而對(duì)土壤溫度產(chǎn)生何種影響的研究較少，且主要集中于在實(shí)驗(yàn)室模擬，基于休耕期西北黃土田間試驗(yàn)的研究也較為缺乏。

因此，本研究通過(guò)設(shè)置不同施用量的小麥秸稈生物炭進(jìn)行田間小區(qū)試驗(yàn)，原位測(cè)定休耕期農(nóng)田土壤的含水率、溫度以及各熱性質(zhì)參數(shù)等，研究生物炭施加對(duì)農(nóng)田土壤熱狀況的影響，為生物炭在西北黃土地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用和生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)田位于甘肅省蘭州市安寧區(qū)北環(huán)路保利領(lǐng)秀山（36°6′37″N，103°44′22″E），當(dāng)?shù)貙儆跍貛Т箨懶詺夂?，年平均氣?0.3℃，年平均降水量327 mm，主要集中在6～9月，年均蒸發(fā)量為900 mm，年平均日照時(shí)數(shù)為2446 h，年總輻射量為5314～7212 MJ·cm-2，無(wú)霜期為180 d。地帶性土壤以栗鈣土、灰鈣土為主，少數(shù)地帶為黑麻土和黃綿土，結(jié)構(gòu)性差，透水透氣性差。試驗(yàn)區(qū)0～20 cm土壤的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 研究方法

試驗(yàn)所使用的小麥秸稈生物炭由江蘇麥科特炭業(yè)公司提供，500℃溫度下碳化6 h。生物炭基本性狀見(jiàn)表2。參考已有關(guān)于生物炭合理施用量的研究結(jié)果[8，17]，本試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理：0 kg·m-2（BC0）、1 kg·m-2（BC1）、4 kg·m-2（BC4），每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共計(jì)9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)小區(qū)面積2.4 m×2 m=4.8 m2，各小區(qū)之間設(shè)寬0.2 m的地壟防止小區(qū)間相互干擾。小麥秸稈生物炭于2019年10月11日一次性均勻施入各試驗(yàn)小區(qū)，后期不再追施。施撒生物炭前使用小型翻耕機(jī)對(duì)試驗(yàn)田進(jìn)行翻耕，將生物炭均勻施入各試驗(yàn)小區(qū)后，再次使用翻耕機(jī)將生物炭均勻混合至0～20 cm土層。休耕試驗(yàn)期內(nèi)不進(jìn)行人工澆水。

表2 生物炭的基本理化性質(zhì)

1.3 測(cè)試方法

為避免不良?xì)庀笠蛩貙?duì)測(cè)量的影響，測(cè)定選在晴朗少云或無(wú)云的12：00～13：00，使用Acclima SDI-12 Sensor Reader 原位測(cè)定0～20 cm土壤溫度及含水率，使用便攜式土壤熱物性測(cè)量?jī)xKD2 Pro原位測(cè)定0～5 cm土壤熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率及溫度，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量頻率為2 min。試驗(yàn)期內(nèi)共進(jìn)行9次測(cè)量，其中第3次（2019年10月16日）由于其他原因只保留含水率數(shù)據(jù)。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2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。

生物炭基礎(chǔ)理化性質(zhì)的測(cè)定根據(jù)《木質(zhì)活性炭試驗(yàn)方法》（GB/T 12496.19-2015）進(jìn)行測(cè)定。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)按照《土壤檢測(cè)》（NY/T 1121.11-2006）進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010進(jìn)行整理，用SPSS 22.0進(jìn)行相關(guān)性分析，用Origin 8.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭施入對(duì)土壤容重的影響

生物炭施加對(duì)農(nóng)田土壤容重的影響如圖1所示。試驗(yàn)期內(nèi)BC1和BC4處理的土壤容重較BC0均有所下降，BC0處理的容重變化范圍為1.22～1.31 g·cm-3，BC1處 理 比BC0處 理 降低了0.5%～7%，BC4處理比BC0處理降低了2%～11%。BC0、BC1、BC4的容重平均值依次為1.27、1.23、1.20 g·cm-3，說(shuō)明土壤容重隨生物炭施加量的增大而減小。

圖1 生物炭輸入對(duì)土壤容重的影響

2.2 生物炭施入對(duì)土壤含水率的影響

試驗(yàn)期內(nèi)共有兩次有效降水（2019年10月14日降雨、2019年12月3日降雪），其中12月4日與8日的兩次測(cè)量?jī)鼋Y(jié)較明顯。圖2為生物炭施加對(duì)田間土壤含水率的影響。試驗(yàn)期內(nèi)BC0、BC1、BC4處理的含水率變化范圍依次為11.3%～18.6%、10.9%～16.3%、10.7%～17.3%，含水率平均值依次為14.2%、13.7%、13.9%。從圖2可以看出，在無(wú)降水休耕期（2019年10月16日～12月4日），土壤含水率隨生物炭施加量的增大而減少，表現(xiàn)為BC0＞BC1＞BC4；而在低溫凍融期（2019年12月8日～12月18日），土壤含水率隨生物炭施加量增大而增大，含水率梯度關(guān)系為BC4＞BC1＞BC0。

圖2 生物炭輸入對(duì)土壤含水率的影響

各處理的含水率在整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)變化趨勢(shì)一致，最大值均出現(xiàn)在降水后第1 d（2019年10月16日），最小值出現(xiàn)在降雪后第1 d（2019年12月4日），各處理的土壤含水率均在降水前后變化劇烈，受降水影響升降明顯。在無(wú)降水休耕期（2019年10月16日～12月3日），即沒(méi)有地面入滲補(bǔ)給的條件下，各處理的土壤含水率均單向減少，降雪后15 d內(nèi)的低溫凍融期（2019年12月4日～18日），各處理的土壤含水率均逐步提升。

2.3 生物炭施入對(duì)土壤熱容量的影響

生物炭施加對(duì)土壤熱容量的影響如圖3所示。BC0處理的土壤熱容量變化范圍為1.34～2.02 MJ·m-3·K-1，BC1處理的土壤熱容量較BC0降低范圍為2%～33%，而B(niǎo)C4處理較BC0處理降低了1%～17%。施炭處理整體降低了土壤熱容量，在無(wú)降水、無(wú)凍結(jié)的條件下，各處理的土壤熱容量大小關(guān)系均為BC0＞BC4＞BC1，呈不對(duì)稱的“V”形。各處理的土壤熱容量與含水率之間的相關(guān)系數(shù)如表3所示。整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)，BC1與BC4處理的熱容量與含水率呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.867**、0.791*。

圖3 生物炭輸入對(duì)土壤熱容量的影響

表3 熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率與土壤含水率的Pearson相關(guān)系數(shù)

2.4 生物炭施入對(duì)土壤導(dǎo)熱率的影響

農(nóng)田土壤導(dǎo)熱率的變化如圖4所示。試驗(yàn)期BC0處理的土壤導(dǎo)熱率為0.34～0.88 W·m-1·K-1，BC1處理的導(dǎo)熱率變化范圍為0.30～0.82 W·m-1·K-1，相較于BC0處理降低了3%～24%；BC4處理的導(dǎo)熱率為0.25～0.79 W·m-1·K-1，較BC0處理降低了10%～25%。在無(wú)降水和無(wú)凍結(jié)條件下，導(dǎo)熱率大小關(guān)系均為BC0＞BC1＞BC4。未施炭處理的土壤導(dǎo)熱率始終大于施炭處理，即施加生物炭能降低田間土壤導(dǎo)熱率。各處理的土壤導(dǎo)熱率與含水率之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01，表3）。

圖4 生物炭輸入對(duì)土壤導(dǎo)熱率的影響

2.5 生物炭施入對(duì)土壤熱擴(kuò)散率的影響

試驗(yàn)期內(nèi)土壤熱擴(kuò)散率的變化如圖5所示。試驗(yàn)期內(nèi)BC0處理的土壤熱擴(kuò)散率變化范圍為0.256～0.503 mm2·s-1，BC1處理的土壤熱擴(kuò)散率比BC0降低了4%～14%，BC4處理較BC0處理降低了4%～25%。除第1次測(cè)量外，各處理的土壤熱擴(kuò)散率大小關(guān)系均為BC0＞BC1＞BC4，生物炭施加顯著降低了土壤的熱擴(kuò)散率。各處理的熱擴(kuò)散率在10月16日（降水后第1 d）達(dá)到峰值，12月4日（降雪后第1 d）為谷值。各處理的土壤熱擴(kuò)散率與含水率之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05，表3）。

圖5 生物炭輸入對(duì)土壤熱擴(kuò)散率的影響

2.6 生物炭施入對(duì)土壤溫度的影響

試驗(yàn)期內(nèi)生物炭對(duì)5和20 cm段土壤溫度的影響如圖6所示。BC0處理的5 cm段土壤溫度變化范圍為0.30～24.40℃，最大值在10月，最小值在12月。自2019年11月起，試驗(yàn)田5 cm段土壤溫度大小均表現(xiàn)為BC1＞BC0＞BC4，即隨生物炭施加量的增加先升高后降低，呈倒“V”形，與圖3熱容量所呈現(xiàn)的“V”形響應(yīng)。BC0、BC1及BC4處理5 cm段平均土壤溫度依次為10.64、11.35、10.84℃，BC1處理比BC0處理高7%，BC4處理比BC0處理高2%。試驗(yàn)期內(nèi)各處理的20 cm段土壤溫度均高于5 cm段土壤溫度，且各處理的20 cm段土壤溫度在試驗(yàn)期內(nèi)差異極小，除施炭后第1次（2019年10月12日）及最后1次測(cè)定（2019年12月18日）外，施炭處理的20 cm段土壤溫度都低于BC0處理，溫度均表現(xiàn)為BC0＞BC1＞BC4，施炭處理可顯著降低20 cm段土壤溫度。BC0處理的20 cm段土壤溫度最大值為35.21℃，最小值為15.10℃，BC0、BC1和BC4處理的20 cm段土壤溫度平均值依次為23.00、22.82、22.71℃，BC1、BC4處理較BC0處理分別降低0.8%、1%。不同生物炭處理的土壤熱參數(shù)與土壤溫度的相關(guān)系數(shù)如表4所示。各處理的導(dǎo)熱率與土壤溫度均顯著正相關(guān)（P＜0.05），且BC0處理的土壤導(dǎo)熱率與土壤溫度呈極顯著相關(guān)（P＜0.01）；熱擴(kuò)散率與5和20 cm段土壤溫度均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；對(duì)于熱容量，BC1處理的熱容量與5 cm段土壤溫度顯著相關(guān)（P＜0.05）。此外，5 cm段土壤溫度的季節(jié)差異明顯，而20 cm段土壤溫度隨季節(jié)變化不明顯。

圖6 生物炭輸入對(duì)5和20 cm土壤溫度的影響

表4 熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率與土壤溫度的Pearson相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 生物炭施入對(duì)土壤容重的影響

小麥秸稈生物炭的施加能夠顯著降低田間土壤的容重。首先，生物炭的容重一般在0.09～0.5 g·cm-3之間，遠(yuǎn)低于土壤容重，生物炭施入土壤對(duì)容重造成稀釋作用，導(dǎo)致土壤容重降低[20-22]。生物炭自身質(zhì)地疏松多孔，土壤中施加生物炭后總孔隙度增加，空氣占比提高，固相顆粒占比降低，直接改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重[20，23]；其次，生物炭可增加微生物活性及菌根數(shù)量，促進(jìn)團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性，有效改善土壤結(jié)構(gòu)，間接降低土壤容重[24]；本試驗(yàn)結(jié)果與前人的研究結(jié)果基本一致。

3.2 生物炭施入對(duì)土壤含水率的影響

在休耕期無(wú)地面入滲補(bǔ)給的條件下（2019年10月16日～12月4日），土壤含水率隨生物炭施加量的增大而減少。造成這種現(xiàn)象的原因，一方面是生物炭的添加總體增大了土壤的孔隙度，使得土壤毛管作用減弱以及持水力減小[25]；另一方面，添加生物炭能引起地表土壤溫度升高[26]，進(jìn)而增加土壤水分的蒸發(fā)，使得土壤水分降低。溫度會(huì)影響土壤中的水汽擴(kuò)散以及土壤水分的粘滯系數(shù)[27]，因而溫度的增減會(huì)影響土壤含水率。低溫凍融期（2019年12月4日～18日），土壤含水率隨生物炭施加量增大而增大，這可能是因?yàn)樾←溄斩捝镔|(zhì)炭的親水性表面積和孔隙度都較大，水分吸附在生物炭表面，儲(chǔ)存于其微孔內(nèi)[28]，且凍融低溫條件下蒸發(fā)作用相對(duì)較弱，生物炭施加使得土壤養(yǎng)分含量增高，阻礙熱量向蒸發(fā)面的傳遞，降低水分蒸發(fā)速率[29]，從而增大了土壤含水率。綜上，在休耕期無(wú)降水補(bǔ)給的較高溫度下，施加生物炭促使水分蒸發(fā)起主導(dǎo)作用，水分蒸發(fā)量大于持水量，因而使含水率隨生物炭施加量的增大而降低；低溫凍融條件下，生物炭的持水能力高于蒸散能力而占主導(dǎo)作用，綜合作用表現(xiàn)為含水率隨生物炭施加量的增加而增大。

自然條件下，土壤含水率的變化主要受降水及蒸散發(fā)等因素制約[30]，西北地屬干旱、半干旱地帶，日照強(qiáng)烈，年蒸發(fā)量大于降水量。在本研究中，各處理的含水率在無(wú)降水休耕期因蒸散作用均單向減少，與前人的研究結(jié)果基本一致[31-32]。各處理的土壤含水率均在降水前后升降明顯，說(shuō)明田間淺層土壤含水率在休耕期的波動(dòng)還受降水影響。降雪后15 d內(nèi)的低溫凍融期（2019年12月4日～18日），各處理的土壤含水率均逐步提升，可能是受土壤水分凍結(jié)的影響。當(dāng)土壤發(fā)生單向凍結(jié)時(shí)，水分從土壤暖端（深層）向冷端（表層）轉(zhuǎn)移[33]，因此凍融期土壤上層的含水率較凍結(jié)前高。此外，壤土的持水性較強(qiáng)[33]，在發(fā)生凍結(jié)時(shí)，土壤表層的水分汽化脫離土壤量相對(duì)較少，從土壤深層遷入到表層的水量大于汽化量，導(dǎo)致凍結(jié)后各處理的含水率均有所增加。綜上，說(shuō)明了休耕期田間土壤含水率還與凍結(jié)有關(guān)。

3.3 生物炭施入對(duì)土壤熱容量的影響

土壤的熱容量是單位體積或質(zhì)量的土壤溫度升高或降低1℃時(shí)所吸收或放出的熱量，是包括礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水分（或溶液）及空氣等在內(nèi)的所有組分的熱容量之和。生物炭具有高于土壤本身礦質(zhì)顆粒的熱容量，施入能顯著提高土壤熱容量[34]，但由于增大了土壤的孔隙度，降低了土壤容重，也能導(dǎo)致土壤熱容量的降低[17]。研究表明，容重一定時(shí)，體積熱容量是土壤含水率的函數(shù)[16]。馬效松等[35]研究了不同含水率條件下，熱容量隨生物炭施加量的變化，結(jié)果表明在含水率相同時(shí)，土壤體積熱容量隨生物炭施加量的增加而降低。本研究中，各處理的土壤熱容量在降水前后升降迅速，原因是水分的滲入擠占了土壤結(jié)構(gòu)中的原有空氣，且水的熱容量遠(yuǎn)高于空氣的熱容量，因而土壤熱容量迅速上升；之后隨水分的蒸發(fā)，熱容量逐漸降低。說(shuō)明在田間條件下，土壤熱容量對(duì)降水的響應(yīng)敏感。研究期內(nèi)，降水后第1 d各含水率均處于峰值時(shí)，熱容量隨生物炭含量的增大而增大，此外均表現(xiàn)為施炭整體降低了農(nóng)田土壤熱容量，這可能是因?yàn)橛旰蟾魈幚淼暮瘦^高且接近飽和時(shí)，生物炭自身的高熱容量對(duì)土壤熱容量的直接提高作用占主導(dǎo)；而當(dāng)土壤含水率相對(duì)較低時(shí)，生物炭通過(guò)降低農(nóng)田土壤含水率間接降低土壤熱容量起主要作用。本研究中，在無(wú)降水休耕期（2019年10月18日～11月21日），BC1處理較BC4處理對(duì)熱容量的降低作用更大，可能是由于田間條件下，外界影響因素較多，表層土壤水熱交替劇烈，生物炭自身較高熱容量引起的正效應(yīng)與降低含水率及增大孔隙度所引起的負(fù)效應(yīng)存在相互抵消，即當(dāng)生物炭施加量較低，為1 kg·m-2時(shí)，降低含水量引起的負(fù)效應(yīng)起主要作用；當(dāng)施加量較高，為4 kg·m-2時(shí)，生物炭自身高熱容量引起的正效應(yīng)抵消了部分降低作用，呈現(xiàn)BC4處理的熱容量高于BC1。此外在凍融期（2019年12月4～18日），也可能是因?yàn)檗r(nóng)田土地凍結(jié)與融化情況不均勻，測(cè)量點(diǎn)凍融差異導(dǎo)致熱容量變化規(guī)律與前人研究結(jié)果有所不同。

3.4 生物炭施入對(duì)土壤導(dǎo)熱率的影響

施用生物炭導(dǎo)致的孔隙結(jié)構(gòu)和含水率的變化以及疏水表面結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致休耕期農(nóng)田土壤導(dǎo)熱率降低的原因。首先，當(dāng)生物炭施入土壤后，增大了農(nóng)田土壤的孔隙度且有效改善土壤的通氣性。土壤空氣含量高意味著土壤顆粒之間相互接觸減少，土壤顆粒間接觸熱阻率增大[29]，導(dǎo)致熱量傳遞緩慢，導(dǎo)熱率減小。其次，生物炭表面的芳香結(jié)構(gòu)能提高自身斥水性，從而提高土壤斥水性，降低農(nóng)田土壤導(dǎo)熱率[36]。馬欣等[37]分析了黃土高原地區(qū)土壤含水量和土壤熱參數(shù)的變化特征，發(fā)現(xiàn)土壤熱性質(zhì)隨含水率變化最明顯。在本研究中，土壤導(dǎo)熱率與土壤含水率變化趨勢(shì)一致，也說(shuō)明了土壤導(dǎo)熱率還與含水率相關(guān)。本試驗(yàn)中，12月BC0和BC4處理的導(dǎo)熱率迅速增大可能是降雪后低溫導(dǎo)致的土壤水分凍結(jié)所致。由于溫度降低使土壤中液態(tài)水轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰，而冰的導(dǎo)熱率（2.16 W·m-1·K-1）是水的4倍[35]，因此各處理的導(dǎo)熱率均升高。10月16日BC1處理的導(dǎo)熱率低于BC4處理的導(dǎo)熱率可能是因?yàn)楫?dāng)天土壤BC1處理的含水率低于BC4處理，而田間土壤導(dǎo)熱率對(duì)含水率響應(yīng)敏感所致。12月8日BC1處理的導(dǎo)熱率顯著低于BC4處理可能是因?yàn)檗r(nóng)田土地凍結(jié)與融化情況不均勻，測(cè)量點(diǎn)的凍融差異所致。

3.5 生物炭施入對(duì)土壤熱擴(kuò)散率的影響

熱擴(kuò)散率是熱容量和導(dǎo)熱率的函數(shù)，因而熱擴(kuò)散率也隨孔隙度和含水率變化而變化。在本田間試驗(yàn)中，生物炭顯著降低了土壤熱擴(kuò)散率，究其原因，一方面是生物炭自身的熱擴(kuò)散率較小，另一方面，生物炭施加造成土壤含水率降低，間接導(dǎo)致土壤熱擴(kuò)散率降低。生物炭的施加增大了土壤總孔隙度，也提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善了農(nóng)田土壤的土墑條件。而質(zhì)地輕、土墑條件越好的土壤熱量傳遞越慢，熱擴(kuò)散率值也越低[38]，因而試驗(yàn)期內(nèi)，生物炭添加使農(nóng)田土壤的熱擴(kuò)散率顯著降低，且生物炭施加量越多，對(duì)熱量擴(kuò)散的阻礙作用就越強(qiáng)。本試驗(yàn)中，土壤熱擴(kuò)散率與土壤含水率變化趨勢(shì)一致，呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明土壤熱擴(kuò)散率變化與含水率密切相關(guān)，這與前人的研究結(jié)果基本一致[39-40]。土壤熱容量和導(dǎo)熱率均受含水率影響較大，因而前期和中期的熱擴(kuò)散率與含水率的變化趨勢(shì)相一致，但12月受降雪土壤凍結(jié)和生物炭施加的影響，熱容量和導(dǎo)熱率的變化幅度不同，綜合作用導(dǎo)致凍結(jié)后不同處理的熱擴(kuò)散率呈現(xiàn)與二者不同的變換趨勢(shì)。

3.6 生物炭施入對(duì)土壤溫度的影響

已有研究表明在田間自然條件下，生物炭添加到土壤后對(duì)土壤溫度的影響不是單純?cè)黾踊蚪档?，而是具有“削峰填谷”的作用，即在夏季的中午降低土壤溫度，但在冬季又可增加土壤溫度。在本試?yàn)中，生物炭顯著降低了土壤導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率，即施用生物炭后在通過(guò)相同熱量的條件下土壤溫度變化緩慢了，這也為生物炭對(duì)土壤溫度的“削峰填谷”作用提供了解釋依據(jù)。

試驗(yàn)田地屬黃河上游地區(qū)，10月至翌年5月期間，深層土壤向表層土壤釋放熱量，其余月份則主要為表層土壤向深層土壤傳導(dǎo)熱量[41]，較深層土壤溫度變化的原因主要是輻射累積[37]。本研究中，隨著生物炭量的增加，20 cm段土壤溫度逐漸降低，可能是因?yàn)樯锾康氖┘幼璧K了深層土壤向該層土壤的熱量傳導(dǎo)。對(duì)于熱容量不同的土壤而言，當(dāng)相等的熱量進(jìn)入土壤后，熱容量大的土壤升溫小，熱容量小的土壤升溫大。試驗(yàn)期內(nèi)生物炭施加對(duì)5 cm段土壤溫度的影響沒(méi)有明顯的規(guī)律性，但多次表現(xiàn)出隨生物炭施加量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)锽C1處理的熱容量值低于BC0及BC4處理，而熱容量值低的土壤升溫快，因此呈現(xiàn)為BC1處理的5 cm段土壤溫度高于BC0和BC4處理。一方面，生物炭施加降低了地表反照率，使地表吸收的太陽(yáng)輻射增加，導(dǎo)致地表溫度升高，因此BC1處理的5 cm段土壤溫度高于BC0處理；另一方面，溫度升高促進(jìn)農(nóng)田土壤水分的蒸發(fā)，水汽上升所消耗的太陽(yáng)輻射能量增加，又使地表溫度下降，BC4處理較BC1處理蒸發(fā)劇烈，導(dǎo)致BC1＞BC4，加之BC4處理對(duì)深層土壤向上層土壤傳導(dǎo)熱量的阻礙效果強(qiáng)于BC1處理，也導(dǎo)致BC1＞BC4。5 cm段土壤溫度的季節(jié)差異明顯，而20 cm段土壤溫度隨季節(jié)變化不明顯，主要是因?yàn)? cm段土壤溫度受近地表氣溫影響相對(duì)較大。

生物炭的施加會(huì)通過(guò)影響土壤熱性質(zhì)進(jìn)而影響土壤溫度，同時(shí)土壤溫度的差異也會(huì)反過(guò)來(lái)影響土壤熱性質(zhì)參數(shù)。含水率的變化會(huì)引起土壤溫度的變化，土壤溫度同時(shí)也會(huì)反過(guò)來(lái)影響土壤水的運(yùn)移及形態(tài)，維持土壤水熱狀況的動(dòng)態(tài)平衡。

4 結(jié)論

在休耕期無(wú)降水條件下，農(nóng)田土壤的容重和含水率均隨生物炭用量的增加而降低，而在低溫凍融期，土壤含水率隨生物炭含量的增加而增大，表明生物炭對(duì)休耕期田間土壤含水率有“削峰填谷”的作用。土壤導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率隨生物炭施加量的增加而降低，而熱容量隨生物炭施加先減小后增大，且試驗(yàn)期內(nèi)土壤熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率的波動(dòng)均與土壤含水量的變化具有一致性，相關(guān)性分析也表明不同處理的各熱性質(zhì)參數(shù)均與土壤含水率顯著相關(guān)，但與土壤容重相關(guān)性不大，說(shuō)明小麥秸稈生物炭主要通過(guò)影響土壤含水率進(jìn)而影響土壤熱參數(shù)。而含水率隨降水和凍結(jié)有明顯波動(dòng)，且在無(wú)降水休耕期單向減少，即休耕期田間土壤熱參數(shù)差異除受生物炭影響以外，同時(shí)還間接受蒸散、降水和凍結(jié)的影響。

對(duì)于5 cm段土壤，當(dāng)生物炭施加量為1 kg·m-2時(shí)對(duì)其有增溫作用，施加量為4 kg·m-2時(shí)對(duì)其有降溫作用，受季節(jié)影響波動(dòng)較大；對(duì)于20 cm段土壤，其溫度受近地表氣溫影響較小，隨生物炭施加量的增大而減小，即生物炭阻礙了休耕期農(nóng)田土壤熱量向上傳導(dǎo)。在田間條件下，生物炭能通過(guò)影響土壤熱性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田土壤溫度的調(diào)節(jié)。農(nóng)田土溫變化是各因素綜合作用的結(jié)果，因此，應(yīng)綜合考慮生物炭對(duì)土壤光熱參數(shù)的影響，從而揭示生物炭對(duì)西北農(nóng)田土壤熱狀況的影響。