玉米秸稈生物炭對(duì)休耕期農(nóng)田地表反照率及熱物理性質(zhì)的影響

楊 哲，趙保衛(wèi)，劉 輝，聶 瑾，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）

農(nóng)田土壤的性質(zhì)決定了農(nóng)作物生長(zhǎng)的狀況，近年來(lái)除了土壤化學(xué)性質(zhì)以外，其熱物理性質(zhì)也漸漸成為研究熱點(diǎn)。土壤熱物理性質(zhì)主要包括土壤熱容量、導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率等，是土壤最重要的性質(zhì)，不僅影響土壤中熱量的儲(chǔ)存和傳遞[1]，也影響土壤水熱運(yùn)動(dòng)及地表能量平衡，而這些均與地表吸收的輻射能有關(guān)。地表反照率是反映地表土壤吸收輻射能的主要參數(shù)，是太陽(yáng)輻射反射通量與入射通量的比值，其大小反映了太陽(yáng)輻射被下墊面吸收的程度[2]。影響地表反照率的因素有太陽(yáng)高度角、土壤質(zhì)地、土壤濕度等[3]。太陽(yáng)高度角和地理位置有關(guān)，不是人為可控制的因素，而土壤質(zhì)地、土壤濕度等可以通過(guò)一定的人工手段改變其性質(zhì)，例如向土壤中施加生物炭，可以改變土壤的顏色、質(zhì)地和濕度，進(jìn)而影響地表反照率和熱物理性質(zhì)。生物炭是生物質(zhì)（枯枝落葉、作物秸稈等）在無(wú)氧或缺氧條件下，經(jīng)高溫?zé)峤馓蓟笏玫姆€(wěn)定且富含碳的固態(tài)顆粒[4-6]。同其他形式的有機(jī)碳相比，具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積[7]，將秸稈制成的生物炭添加到土壤中，能夠有效改善土壤環(huán)境[8]、增加土壤肥力[9]、提高作物產(chǎn)量[10-11]。通過(guò)研究施加生物炭的農(nóng)田土壤，了解生物炭對(duì)地表反射率的影響，進(jìn)一步探究土壤熱物理性質(zhì)的變化情況，對(duì)合理利用土壤能量，提高作物產(chǎn)量具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，生物炭施加對(duì)土壤熱物理性質(zhì)的研究非常多，馬效松等[12]以北方寒區(qū)農(nóng)田土壤為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)不同碳水組合條件下土壤熱性質(zhì)參數(shù)變化特征不同；Zhang等[13]通過(guò)大田定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，作物生育期內(nèi)地表反照率對(duì)土壤熱性質(zhì)有一定調(diào)節(jié)效果。還有學(xué)者對(duì)休耕期和作物生育期的生物炭對(duì)土壤熱物理性質(zhì)的影響做了對(duì)比研究，Usowicz等[14]分別于草地和裸地中施用生物炭，發(fā)現(xiàn)草地土壤熱性質(zhì)無(wú)明顯變化，而裸地土壤導(dǎo)熱率及熱擴(kuò)散率均隨生物炭施加量的增大而降低。Dong等[15]對(duì)波蘭溫帶氣候下草地和裸地分別施用木質(zhì)生物炭，發(fā)現(xiàn)生物炭對(duì)裸地土壤反照率的降低效應(yīng)優(yōu)于草地土壤，并且在一定濃度范圍內(nèi)，反照率隨生物炭施加量的增加而降低。張陽(yáng)陽(yáng)等[16]通過(guò)田間試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，生物炭以4.5 kg·m2·年-1分別施入裸地及種植作物土壤后，裸地反照率下降26.7%，而種植作物土壤的反照率受作物生長(zhǎng)發(fā)育影響。通過(guò)這些研究可見(jiàn)，地表反照率的降低會(huì)改變土壤表面的能量平衡，生物炭對(duì)地表反照率的影響與地表覆蓋類型有關(guān)，其中對(duì)裸地的影響更大。已有田間試驗(yàn)表明[17]，當(dāng)生物炭以6 kg·m2·年-1施入裸地后，其地表反照率較對(duì)照相比下降高達(dá)80%，所以對(duì)休耕期生物炭土壤熱物理性質(zhì)的研究更有意義。

蘭州位于青藏高原西側(cè)，連年干旱少雨，土壤較貧瘠，能用于耕種的土地很少。將秸稈制成的生物炭添加到土壤中可能會(huì)改變土壤表面的能量平衡，提高地溫，保持水分，對(duì)土壤肥力的提升有重要意義。鑒于此，本文立足于蘭州西北城郊農(nóng)田土壤，采用田間小區(qū)試驗(yàn)方法，將生物炭以不同比例添加到農(nóng)田土壤中，通過(guò)對(duì)農(nóng)田地表反照率、土壤溫度、土壤熱性質(zhì)等指標(biāo)的觀測(cè)，分析在休耕期裸地條件下玉米秸稈生物炭對(duì)地表反照率及熱物理性質(zhì)的影響。研究結(jié)果有助于揭示生物炭對(duì)土壤熱性能的影響機(jī)制，為客觀評(píng)價(jià)生物炭對(duì)土壤熱性能調(diào)控提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省蘭州市安寧區(qū)保利領(lǐng)秀山農(nóng)田種植基地，該基地位于36°03′ N、103°40′ E。市區(qū)海拔平均高度1518 m，年均氣溫10.3℃，年平均降水量327 mm，年蒸發(fā)量＞2400 mm，降水集中在7～9月。夏季最高月平均氣溫28℃，冬季最低月平均氣溫-21℃。年太陽(yáng)輻射總量504～630 kJ·cm-2，年日照時(shí)數(shù)平均2424 h，無(wú)霜期180 d以上，最大凍結(jié)深度1.03 m。

1.2 供試材料

本研究所用生物炭為江蘇麥科特生物炭制備廠生產(chǎn)，該生物炭是以玉米秸稈為原料，在高溫500℃下裂解成的黑色固體粉末。生物炭理化性質(zhì)詳見(jiàn)表1。

表1 生物炭理化性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理，分別為（1）CK處理（不施用生物炭）、（2）BC10處理（生物炭施用量為1.0 kg·m-2·年-1）、（3）BC40處理（生物炭施用量為4.0 kg·m-2·年-1）。每個(gè)處理均設(shè)3個(gè)重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。每個(gè)處理小區(qū)面積2.4 m2（1.2 m×2.0 m）。各處理之間設(shè)寬0.25 m、深0.2 m間隔溝，各重復(fù)處理之間設(shè)寬0.5 m、深0.35 m間隔溝，試驗(yàn)小區(qū)周?chē)O(shè)置寬1 m的保護(hù)帶，如圖1所示。生物炭施用時(shí)間為2019年10月11日，施用生物炭前，對(duì)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)的土壤進(jìn)行翻耕處理，耕深20 cm，然后將生物炭以上述比例均勻撒至相應(yīng)處理樣方中，使用鐵锨使其與土壤充分混合至0～20 cm土層，隨后平整土壤。試驗(yàn)期間不添加任何肥料。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為灰鈣土，其理化性質(zhì)詳見(jiàn)表2。

圖1 試驗(yàn)區(qū)概況

表2 土壤理化性質(zhì)

1.4 測(cè)試方法

地表反照率測(cè)定：使用美國(guó)ASDHandHeld2手持式地物光譜儀（光譜范圍為325～1075 nm且光譜分辨率＜3 nm）測(cè)定地表反照率。儀器正對(duì)被測(cè)土壤，探頭為25°視場(chǎng)角，根據(jù)文獻(xiàn)[18]計(jì)算得出，當(dāng)試驗(yàn)小區(qū)面積為2.4 m2時(shí)，地物光譜儀的手持高度為距地表1.3 m，可保證完全接收地表的反射輻射。反照率的測(cè)量時(shí)間為晴天中午前后進(jìn)行，雨后2 d內(nèi)不進(jìn)行測(cè)量。為減少太陽(yáng)高度角變動(dòng)而產(chǎn)生的誤差，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)地表反照率的測(cè)定在2 min內(nèi)完成，將2 min內(nèi)獲得所有數(shù)據(jù)的平均值作為試驗(yàn)小區(qū)地表反照率的實(shí)測(cè)值。2019年10月～2020年1月間共進(jìn)行9次測(cè)定。

土壤溫度含水量測(cè)定：使用數(shù)字式TDT土壤水活度（接口SDI-12）傳感器，通過(guò)數(shù)字化分析土壤中傳播的波形獲得高精度、超穩(wěn)定性的土壤含水量，同時(shí)可獲得0～10 cm土層平均溫度，測(cè)定時(shí)間與地表反照率的測(cè)定時(shí)間相同。

土壤熱物理性質(zhì)測(cè)定：使用KD2 Pro熱特性分析儀進(jìn)行測(cè)定，其測(cè)定方法為熱脈沖法。使用傳感器為SH-1型的雙針，探針長(zhǎng)30 mm，直徑1.28 mm，主體材料為環(huán)氧樹(shù)脂。選擇自動(dòng)模式在90 s的測(cè)試周期（30 s平衡、30 s加熱和30 s冷卻）后可直接獲取導(dǎo)熱率、熱容量、熱擴(kuò)散率的數(shù)值[19]。

土壤理化性質(zhì)測(cè)定：土壤容重采用環(huán)刀法，pH值采用電位法，土壤全磷參考《GB 9837-1988》測(cè)定、全氮參考《GB 7173-1987》測(cè)定，有機(jī)質(zhì)參考《GB 9834-1988》測(cè)定，孔隙率參考《GB/T 24203-2009》測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

利用Excel 2013記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)用地譜分析儀連接View Spec Pros TM后處理反照率數(shù)據(jù)，利用SPSS 23.0進(jìn)行單因素方差分析，借助LSD最小顯著性差異法檢驗(yàn)土壤熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率的差異顯著性，統(tǒng)計(jì)分析的顯著性水平均設(shè)為P＜0.05，最后利用Origin 2018制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭輸入對(duì)地表反照率的影響

生物炭輸入對(duì)地表反照率的影響如圖2所示。從2019年10月12日至12月18日的觀測(cè)結(jié)果顯示：生物炭輸入會(huì)降低地表反照率，BC10和BC40處理的地表反照率均較CK處理顯著下降（P＜0.05）。CK、BC10、BC40處理的地表反照率波動(dòng)范圍分別為0.17～0.32、0.15～0.31、0.13～0.28，BC10和BC40處理的地表反照率較CK處理相比降幅分別為3.1%～11.7%、12.5%～23.5%。其中，除12月4日降雪后反照率顯著增高外，3種處理的地表反照率都在0.13～0.25小范圍內(nèi)波動(dòng)，未隨觀測(cè)日期的變化出現(xiàn)較大改變。但秋季（10月12日～11月21日）平均地表反照率呈增加趨勢(shì)，冬季（12月4日～12月18日）呈減小的趨勢(shì)。

圖2 生物炭輸入對(duì)地表反照率的影響

土壤水分變化會(huì)對(duì)地表反照率產(chǎn)生影響，土壤水分與地表反照率的擬合方程見(jiàn)表3。擬合結(jié)果顯示，土壤含水量的變化會(huì)對(duì)反照率產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，地表反照率隨土壤含水量的增加呈對(duì)數(shù)遞減的趨勢(shì)，二者呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤含水量變化會(huì)改變土壤的熱性能，使地表水熱變換發(fā)生改變[20]，進(jìn)而影響地表反照率。但地表反照率隨土壤含水量的增加而降低，可能原因?yàn)橥寥篮吭酱螅乇砦盏亩滩ㄝ椛淠茉酱?，從而?dǎo)致地表反照率減小。

表3 地表反照率與土壤水分的擬合方程

2.2 生物炭輸入對(duì)土壤溫度的影響

生物炭輸入對(duì)不同土層土壤溫度的影響如圖3所示。圖3a為生物炭輸入對(duì)0～2.5 cm土層溫度的影響，從圖3a中可以看出，不同生物炭施用量對(duì)土壤溫度影響不同，與CK相比，BC10處理的土壤溫度波動(dòng)幅度小，沒(méi)有形成顯著差異，而B(niǎo)C40處理的土壤溫度顯著升高，增幅為4.7%～11.5%。圖3b為生物炭輸入對(duì)5～10 cm土層溫度的影響。由圖3b可見(jiàn)，試驗(yàn)期內(nèi)各處理土壤溫度的變化同日平均氣溫變化趨勢(shì)一致。在整個(gè)休耕期內(nèi)，5～10 cm土層溫度的變化范圍為17～33℃，其中，10月溫度最高，12月溫度最低；除10月12日外，BC10與BC40處理的土壤溫度與CK相比無(wú)顯著差異。10月12日降雨，土壤含水量增大，生物炭處理的土壤溫度與對(duì)照相比降低，12月4日降雪后，土壤凍結(jié)，含水量降低，BC10與BC40處理的土壤溫度顯著升高，可見(jiàn)，土壤含水量的變化對(duì)土壤溫度有重要影響，二者相互作用共同維持土壤水熱動(dòng)態(tài)平衡[21]。

圖3 不同生物炭處理的0～2.5及5～10 cm土層溫度隨采樣時(shí)間的變化

2.3 生物炭輸入對(duì)土壤容重的影響

由圖4可以看出，生物炭以不同比例施入到土壤中后，土壤容重均呈現(xiàn)不同程度的下降，且BC40處理的下降幅度更大，差異顯著（P＜0.05）。同CK處理相比，BC10、BC40處理的土壤容重分別降低了2.4%處理、14.7%。土壤容重最大值出現(xiàn)在雨后第1 d（10月16日），由于雨水的入滲，土壤含水量增加、孔隙度減小、容重增大，隨著時(shí)間的推移，水分逐漸蒸發(fā)，10月17、18日土壤容重隨含水量的降低逐漸降低。進(jìn)入12月后，隨著溫度降低，土壤凍結(jié)，BC10、BC40處理下，土壤容重反而升高。總體來(lái)看，BC40處理的土壤容重在試驗(yàn)期內(nèi)的波動(dòng)幅度最大（10.2%～14.7%），而B(niǎo)C10處理的土壤容重只在小范圍內(nèi)（1.3%～2.4%）波動(dòng)。土壤容重大小取決于土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙度、結(jié)持力等自然因素[22]，人為活動(dòng)的干擾也會(huì)影響土壤容重。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同CK處理相比，BC40處理對(duì)0～10 cm土層容重降低效果最為顯著，主要原因?yàn)殡S著生物炭施加比例的提升，土壤孔隙度和有機(jī)質(zhì)含量增加，土壤結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而容重下降。另外，由于降雨及其他氣象因素的影響，表層土壤的養(yǎng)分會(huì)隨水分向下遷移[23]，改變下層土壤結(jié)構(gòu)，致使土壤容重降低。

圖4 不同生物炭處理的土壤容重隨采樣時(shí)間的變化

2.4 生物炭輸入對(duì)土壤含水量的影響

由圖5可知，施加生物炭會(huì)導(dǎo)致土壤含水量降低。在整個(gè)試驗(yàn)期范圍內(nèi)，同CK處理相比，BC10及BC40處理的土壤含水量均單向減少，呈下降趨勢(shì)，且BC40的下降幅度大于BC10。整個(gè)休耕期共出現(xiàn)兩次有效降水（2019年10月14日降雨，2019年12月4日降雪），此外未進(jìn)行任何人工澆水行為。在沒(méi)有地面入滲補(bǔ)給的天然條件下（2019年10月16日～2019年12月4日），土壤含水量的最小值為施炭后1 d（10月12日），最大值出現(xiàn)在降雨后1 d（10月17日），降雨降雪后各處理含水量都有顯著提升，在一定程度上說(shuō)明施碳增加了土壤保水能力，但基本趨勢(shì)保持不變。試驗(yàn)期內(nèi)CK、BC10、BC40處理的含水量變化范圍依次為13.4%～18.7%、11.8%～17.6%、11.4%～15.6%。CK處理的含水量最高，但BC10的波動(dòng)幅度最大（32.95%），BC40的波動(dòng)幅度最?。?6.92%）。

圖5 不同生物炭處理的土壤含水量隨采樣時(shí)間的變化

2.5 生物炭輸入對(duì)土壤熱物理性質(zhì)的影響

圖6a為生物炭輸入對(duì)土壤熱容量的影響。從圖6a中可以看出，施加生物炭會(huì)降低土壤熱容量，BC10、BC40處理的土壤熱容量與CK處理相比具有顯著差異（P＜0.05）。試驗(yàn)期內(nèi)CK、BC10、BC40處理的土壤熱容量變化范圍依次為1.52～1.96、1.53～1.88和1.41～1.74 MJ·m-3·K-1。BC10、BC40相對(duì)于CK處理下降幅度分別為4.1%、11.2%。本研究中，10月16日降雨后土壤熱容量迅速上升并達(dá)到峰值，雨后1 d熱容量開(kāi)始緩慢下降，原因是降雨期間水分會(huì)迅速入滲到土壤中，土壤中原有的空氣被取代，由于水的熱容量高于空氣熱容量，所以土壤熱容量在降雨后迅速升高。此后，隨著溫度的變化，土壤中的水分蒸發(fā)，含水量下降，土壤導(dǎo)水和水氣擴(kuò)散能力受到限制，蒸發(fā)速率較為緩慢，熱容量逐漸降低，但變化幅度較小。12月4日，土壤凍結(jié)，溫度下降，低溫導(dǎo)致土壤中液態(tài)水轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰，而冰的體積熱容量為2.14 J·m-3·K-1，小于水，所以在凍結(jié)過(guò)程中熱容量降低。此外，生物炭可以通過(guò)改變土壤固相物質(zhì)組成直接影響土壤熱容量，研究表明，生物炭添加到土壤中會(huì)降低土壤干密度，而熱容量是干密度的遞增函數(shù)，從而導(dǎo)致熱容量降低[19]。

圖6b為生物炭輸入對(duì)土壤導(dǎo)熱率的影響。從圖6b中可以看出，BC10和BC40處理的土壤導(dǎo)熱率與CK處理相比都有不同程度的降低，BC40處理的降低趨勢(shì)更顯著。CK、BC10、BC40處理導(dǎo)熱率的變化范圍分別為0.52～0.89、0.46～0.85、0.35～0.72 Wm-1·k-1。同CK處理相比，BC10、BC40處理的導(dǎo)熱率分別降低了5.56%、18.17%，BC40處理相對(duì)于BC10處理降低了11.25%。土壤導(dǎo)熱率峰值仍出現(xiàn)在降雨后1 d，且隨不同生物炭處理下的土壤含水量變化趨勢(shì)相同，因?yàn)橛旰笸寥乐兴终紦?jù)了空氣的孔隙空間，土壤顆粒之間形成了水橋，增大了顆粒之間的接觸面積，從而導(dǎo)熱率迅速升高。土壤導(dǎo)熱率谷值出現(xiàn)于降雪后（12月4日），土壤凍結(jié)。但隨后導(dǎo)熱率又升高，是因?yàn)閮鼋Y(jié)后土壤溫度降低，土壤容重變化明顯，液態(tài)水轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰，且冰的導(dǎo)熱率是水的4倍，所以土壤導(dǎo)熱率又出現(xiàn)增大趨勢(shì)。土壤導(dǎo)熱率是土壤導(dǎo)熱能力大小的表征，土壤質(zhì)地、孔隙度及含水量是導(dǎo)致導(dǎo)熱率變化的主要因素。李毅等[22]研究表明土壤導(dǎo)熱率與含水量可建立冪函數(shù)關(guān)系，存在定量關(guān)系，導(dǎo)熱率隨含水量的增大而增大。本研究中生物炭降低了土壤導(dǎo)熱率，且隨生物炭施加量增大，降低趨勢(shì)更顯著，這主要是生物炭自身較小的導(dǎo)熱率及表面結(jié)構(gòu)造成土壤容重降低，進(jìn)而使導(dǎo)熱率降低。

圖6 不同生物炭處理的土壤熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率隨采樣時(shí)間的變化

圖6c為生物炭輸入對(duì)土壤熱擴(kuò)散率的影響。從圖6c中可以看出，土壤熱擴(kuò)散率隨施碳量增加而降低。CK、BC10、BC40處理的土壤熱擴(kuò)散率的變化范圍分別為（0.34～0.47）×10-7、（0.29～0.45）×10-7、（0.26～0.44）×10-7m2·s-1。BC10、BC40處理的土壤熱擴(kuò)散率較對(duì)照相比分別降低4.3%、15.9%。10月18日BC10處理的熱擴(kuò)散率高于CK處理，可能由于測(cè)量?jī)x器誤差或氣象因素所致。土壤熱擴(kuò)散率是土壤傳遞熱量快慢的表征，影響大氣和地表之間的水分與能量交換。本研究中，生物炭施入土壤影響土壤溫度及水分，土壤熱擴(kuò)散率隨水分和溫度呈現(xiàn)季節(jié)波動(dòng)性，表現(xiàn)出秋季保持平穩(wěn)，冬季上升的趨勢(shì)。造成這種現(xiàn)象的原因?yàn)橥寥涝谌诨蛢鼋Y(jié)階段表現(xiàn)不同的熱力學(xué)特征。冬季測(cè)量時(shí)淺層土壤處于始凍期，土壤僅發(fā)生持續(xù)3～4 d的日凍融循環(huán)，所以熱擴(kuò)散率呈現(xiàn)先平穩(wěn)、雪后下降、雪融又上升的趨勢(shì)。在凍融的不同階段，土壤的能量傳輸形式會(huì)表現(xiàn)差異，不僅有熱傳導(dǎo)，也有熱對(duì)流，且在農(nóng)田監(jiān)測(cè)中，也可能存在非熱傳導(dǎo)過(guò)程對(duì)熱擴(kuò)散率的影響。原黎明等[19]通過(guò)對(duì)青藏高原下墊面土壤熱擴(kuò)散率的影響表明，低溫僅對(duì)5～20 cm土壤熱擴(kuò)散率有影響并呈現(xiàn)季節(jié)性差異，融化及凍結(jié)等不同階段土壤水分的遷移方式不同，融化階段主要以熱傳導(dǎo)為主，凍融以非熱傳導(dǎo)為主。整體來(lái)看，土壤凍結(jié)后熱擴(kuò)散能力相對(duì)于未凍結(jié)大幅度提升。

3 討論

在休耕期無(wú)作物覆蓋的情況下，生物炭輸入會(huì)顯著降低地表反照率。10月12日為施碳后1 d，天氣晴朗，土壤含水量低，而10月17日為雨后晴天，雨水入滲使土壤含水量增高，導(dǎo)致地表反照率顯著增加，究其原因：（1）土壤濕度增加，影響了下墊面和地物反射特征的變化[24]，導(dǎo)致地表反照率降低。（2）晴天云層對(duì)太陽(yáng)光的遮擋很小，到達(dá)地表的下行輻射較多，而陰雨天大部分太陽(yáng)輻射被云層遮擋，地表吸收的輻射能減少，使地表反照率降低。12月4日降雪后，積雪覆蓋導(dǎo)致地表反照率迅速升高并出現(xiàn)峰值，各處理差異性顯著減小，主要原因?yàn)榉e雪覆蓋掩蓋了生物炭加深土壤顏色這一效應(yīng)，積雪面積、深度均影響地表對(duì)輻射能的吸收，在這種天氣條件下，地表反照率值的大小主要受積雪參數(shù)影響[25]，所以觀測(cè)時(shí)段內(nèi)地表反照率顯著升高。但積雪期較短，隨著積雪消融，土壤濕度逐漸增加，地表反照率逐漸降低后趨于平穩(wěn)。所以在沒(méi)有特殊天氣情況的影響下，生物炭能顯著降低地表反照率，而出現(xiàn)降雨降雪等天氣狀況時(shí)，生物炭不再是影響地表反照率的主要因素。

土壤溫度的變化影響土壤水熱交換、溶質(zhì)運(yùn)移，改變土壤中微生物活性，直接或間接影響土壤微環(huán)境及生產(chǎn)力[26]；生物炭對(duì)土壤溫度的影響主要受土壤地表反照率及土壤導(dǎo)熱率共同作用[27]。趙建坤[1]通過(guò)長(zhǎng)期定位研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對(duì)土壤溫度日變化及季節(jié)變化的影響不同，生物炭可以調(diào)節(jié)5 cm土壤的溫度波動(dòng)。另有田間試驗(yàn)表明，生物炭添加到麥田后土壤溫度顯著提高，對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育有良好的促進(jìn)作用[13]。本研究中，生物炭能夠影響0～2.5 cm表層土壤溫度，對(duì)5～10 cm深層土壤溫度無(wú)顯著影響。造成這種現(xiàn)象的原因?yàn)樯锾拷档土送寥缹?dǎo)熱率，限制了熱量從土壤表層向深層的傳遞，從而使表層溫度升高。田間條件下，影響土壤溫度變化的因素較為復(fù)雜，各土壤因素間相互作用，且田間管理措施、季節(jié)變化、降雨、降雪等自然或人為因素均會(huì)引起土壤溫度的改變。

生物炭對(duì)土壤含水量的影響受土壤質(zhì)地、土壤水勢(shì)、生物炭用量和生物炭類型的影響。有研究表明，生物炭能夠顯著提升稻田土壤含水量，有效提高土壤的保水性能，當(dāng)生物炭施用量為4.5 kg·m2·年-1時(shí)，含水量提升2.5%[28]。本研究中，生物炭顯著降低了土壤含水量，與上述結(jié)果相反，究其原因：（1）本試驗(yàn)中樣方區(qū)是在原農(nóng)田或荒山基礎(chǔ)上大面積開(kāi)山取土平整后形成的，土質(zhì)粘重，結(jié)構(gòu)差，土壤肥力也較差，通氣狀況不好，對(duì)水分的吸持效果較差，生物炭自身具有疏松多孔的特性，添加到土壤中后由于其稀釋作用改善了土壤粘重結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成，但增大的土壤比表面積不足以抵償土壤結(jié)構(gòu)破壞引起的比表面積下降，從而導(dǎo)致含水量下降。（2）灰鈣土中富含碳酸根鈣鹽及代換性鈉離子[29]，呈堿性且鹽分含量較高，造成土壤生理干旱，適水性差，這種條件下生物炭施加到土壤中提高了土壤顆粒含量，使土壤更易板結(jié)，加快了土壤中水分的蒸發(fā)速率，導(dǎo)致含水量減少?？梢?jiàn)，生物炭對(duì)土壤含水量的影響不僅要考慮施加量，還應(yīng)考慮土壤本身質(zhì)地及機(jī)械組成，只有生物炭施加量同土壤含水量達(dá)到適宜水平時(shí)才能提高田間持水能力[28]。另外，不同數(shù)量及大小的生物炭顆粒與不同質(zhì)地土壤顆粒之間的級(jí)配關(guān)系對(duì)土壤含水量的影響不同[30]，生物炭粒徑越大，越容易堵塞水分遷移的通道，降低土壤入滲性能，使土壤含水量降低，保水性能變差。

土壤熱性質(zhì)的大小反映了土壤儲(chǔ)存熱量、傳遞熱流的能力。田間條件下，受土壤質(zhì)地、含水量和溫度等因素影響。本研究中，生物炭一方面通過(guò)改變土壤固相物質(zhì)組成直接影響土壤熱性質(zhì)，另一方面通過(guò)影響地表反照率間接影響土壤熱性質(zhì)。生物炭具有比表面積大且疏松多孔的特性[28]，添加到土壤中后，使土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，容重顯著降低。勉有明等[31]研究表明，秸稈生物炭還田可促進(jìn)秸稈中的養(yǎng)分釋放，增加土壤中陽(yáng)離子交換量及土壤酶活性，從而有效改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重。并且生物炭可為土壤中微生物提供充足的碳源[32]，碳源增加，土壤中微生物的碳氮比改變，從而促進(jìn)生物炭釋放相關(guān)活性因子，改善土壤結(jié)構(gòu)，降低了土壤容重。而土壤容重、含水量的變化則會(huì)影響土壤熱性質(zhì)，通過(guò)相關(guān)性分析（表4）得出，各熱性質(zhì)參數(shù)與土壤容重及含水量顯著相關(guān)，其中含水量的影響最為顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.723、0.813和0.848?？梢?jiàn)，微小的含水量變化便會(huì)引起土壤熱性質(zhì)的變化。但除降雨、降雪等天氣影響外，土壤熱性質(zhì)未隨觀測(cè)日期出現(xiàn)較大波動(dòng)，基本趨于平穩(wěn)，因此在沒(méi)有水分入滲的條件下，生物炭主要通過(guò)自身結(jié)構(gòu)性質(zhì)降低土壤容重，影響土壤熱性質(zhì)。

表4 土壤熱物理性質(zhì)與生物炭（BC）、容重（ρb）、含水量（θv）間的相關(guān)性分析

4 結(jié)論

在休耕期無(wú)作物覆蓋的情況下，BC10、BC40處理的土壤地表反照率較CK處理相比顯著下降，最大降幅分別為11.7%、23.5%。土壤含水量與地表反照率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨含水量增加地表反照率顯著降低。此外，地表反照率在秋冬季節(jié)表現(xiàn)出差異性，秋季隨觀測(cè)日期的變化逐漸增大，冬季則有降低的趨勢(shì)。

施加生物炭?jī)H影響0～2.5 cm表層土壤溫度，并未對(duì)5～10 cm土層溫度產(chǎn)生影響。土壤溫度與大氣溫度相呼應(yīng)，與土壤含水量密切相關(guān)。

施用生物炭顯著降低土壤容重，進(jìn)而降低土壤的熱物理性質(zhì)。隨施炭量增加，土壤熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率均呈下降趨勢(shì)，且添加量越大，下降幅度越大。各熱性質(zhì)參數(shù)與施炭量、容重、含水量顯著相關(guān)，其中，對(duì)含水量的影響最為顯著。