玉米秸稈生物炭對(duì)灰鈣土熱物理性質(zhì)的影響

摘要 為了研究玉米秸稈生物炭的施加對(duì)灰鈣土熱物理性質(zhì)的影響，將質(zhì)量比為0、1%、3%和5%的生物炭分別添加到干燥好備用的100 g灰鈣土中，分析不同施加量的玉米秸稈生物炭對(duì)灰鈣土理化性質(zhì)、熱物理性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：玉米秸稈生物炭能夠有效提高灰鈣土的pH、有機(jī)質(zhì)含量、孔隙率、持水性能及陽(yáng)離子交換量，降低土壤容重，從而使灰鈣土肥力增強(qiáng)；生物炭施加量越高，灰鈣土的理化性質(zhì)改善效果越佳。玉米秸稈生物炭能夠影響土壤熱物理性質(zhì)，土壤的熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率隨生物炭施加量的增加整體呈下降趨勢(shì)?；意}土熱物理性質(zhì)與土壤含水量密切相關(guān)，在所有擬合中，僅BC500的熱擴(kuò)散率與含水量擬合效應(yīng)不顯著（R2<0.95），其他參數(shù)與土壤含水量擬合效應(yīng)均顯著（R2≥0.95）?；意}土的熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率與生物炭施加量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤容重呈顯著正相關(guān)，與土壤含水量呈極顯著正相關(guān)。

關(guān)鍵詞 生物炭；玉米秸稈；灰鈣土；熱容量；導(dǎo)熱率；熱擴(kuò)散率

中圖分類號(hào) S-3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2024）20-0065-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.20.015

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Effects of Corn Straw Biochar on the Thermophysical Properties of Sierozem Soil

PAN Jiang-long，ZHAO Bao-wei，YANG Zhe et al

（School of Environmental and Municipal Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu 730070）

Abstract In order to study the effect of the application of corn straw biochar on the thermophysical properties of sierozem soil，the corn straw biochar with mass ratio of 0，1%，3% and 5% were added to 100 g dried sierozem soil，and the effects of different applied amounts of corn stalk biochar on the physicochemical and thermophysical properties of sierozem soil were analyzed.The results showed that corn straw biochar could effectively improve the pH，organic matter content，porosity，water holding performance and cation exchange amount of sierozem soil，reduce soil bulk density，and thus enhance the fertility of sierozem9b8edcd2ebe6ecb62eec60723281022e soil;the higher the biochar application amount，the better the physicochemical properties of sierozem soil.Corn straw biochar could affect the thermophysical properties of soil，the heat capacity，thermal conductivity and thermal diffusivity of soil will decrease with the increase of biochar application.The thermophysical properties of sierozem soil were closely related to soil water content.In this study，besides the thermal diffusivity of BC500 was not significant （R2<0.95），and the others were significantly correlated with soil water content （R2≥0.95）.The thermal capacity，thermal conductivity and thermal diffusivity of calcareous soil were significantly or extremely significantly negatively correlated with biochar application，significantly positively correlated with soil bulk density，and extremely significantly positively correlated with soil water content.

Key words Biochar;Corn stalk;Sierozem;Thermal capacity;Thermal conductivity;Thermal diffusivity

生物炭是枯枝落葉、作物秸稈、城市有機(jī)固廢等生物質(zhì)在無(wú)氧或缺氧環(huán)境下，經(jīng)高溫?zé)峤馓蓟笏玫降姆€(wěn)定且富含碳的高度芳香化固態(tài)顆粒物質(zhì)，其具有價(jià)格便宜、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常被用于土壤肥力的改良劑，在環(huán)境等各界引起了關(guān)注［1-2］。在土壤中施加生物炭可以使土壤環(huán)境得以改善，土壤肥力、作物產(chǎn)量、土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定性均得到一定程度的提高，還可以減少溫室氣體的排放，因此，生物炭是固碳和改良土壤的理想材料［3-7］。

土壤導(dǎo)熱率、熱容量、熱擴(kuò)散率等土壤熱物理性質(zhì)共同決定著土壤溫度。目前，有關(guān)生物炭施加對(duì)土壤導(dǎo)熱率等熱物理性質(zhì)影響的研究普遍較為淺顯，鮮有系統(tǒng)的研究［8］。有研究表明，生物炭主要通過改變土壤導(dǎo)熱率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤溫度的調(diào)節(jié)［9］。在含水量相同的條件下，生物炭降低土壤熱容量、導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率的效果較為明顯；當(dāng)施加相同量的生物炭時(shí)，土壤導(dǎo)熱率和熱容量均隨含水量增大而增大，熱擴(kuò)散率隨含水量的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)［10］。有研究發(fā)現(xiàn)隨生物炭含量的增加導(dǎo)熱率反而減?。?1］。土壤含水量是土壤中溶質(zhì)和水熱遷移的基礎(chǔ)，在土壤含水量和溫度的相互作用影響下，土壤水熱狀況保持動(dòng)態(tài)平衡。馬效松等［12］研究表明土壤導(dǎo)熱率、熱容量和熱擴(kuò)散率隨土壤含水率增加而增大；土壤導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率隨生物炭含量增加而降低；土壤含水率與導(dǎo)熱率、熱容量、熱擴(kuò)散率分別呈對(duì)數(shù)函數(shù)、線性函數(shù)、二次函數(shù)關(guān)系。在農(nóng)業(yè)上，土壤條件、作物種類、田間管理措施等因素共同影響土壤溫度變化［13］。研究生物炭施加對(duì)土壤熱物理性質(zhì)的影響非常重要。

目前玉米秸稈經(jīng)常被露天焚燒或隨意堆存，不僅浪費(fèi)資源，還釋放大量有害氣體，對(duì)環(huán)境造成很多負(fù)面影響。通過將玉米秸稈制成生物炭，可以實(shí)現(xiàn)這種農(nóng)業(yè)廢棄物的再利用，避免了極大的浪費(fèi)，還可以使土壤的性質(zhì)得以改善?；意}土作為西北優(yōu)勢(shì)耕種土壤，分布廣泛，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)保障極為重要，其具有土質(zhì)疏松、孔隙發(fā)達(dá)、有機(jī)質(zhì)含量較低的特點(diǎn)［14］。將生物炭添加到灰鈣土中能夠改善土壤pH、容重、含水量、有機(jī)質(zhì)含量等理化性質(zhì)，理化性質(zhì)的改變進(jìn)一步會(huì)影響土壤熱物理性質(zhì)的改變。因此，該研究選取蘭州地區(qū)灰鈣土作為供試土壤，探究玉米秸稈生物炭添加對(duì)土壤理化性質(zhì)、熱物理性質(zhì)的影響以及熱物理性質(zhì)與影響因素的相關(guān)性，為解釋生物炭對(duì)灰鈣土農(nóng)田土壤熱物理性質(zhì)的影響提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)中的玉米秸稈生物炭為江蘇麥科特生物炭制備廠生產(chǎn)，是玉米秸稈在500 ℃高溫環(huán)境下裂解成的黑色固體粉末。生物炭灰分含量為12.33%，C、O、H、N含量分別為68.58%、17.45%、1.34%、0.48%，pH為9.28，比表面積為24.61 m2/g，孔隙率和含水率分別為86.4%和1.42%，熱容量為0.372 MJ/（m3·K），導(dǎo)熱率為0.173 W/（m·K），熱擴(kuò)散率為0.465 m2/s。

試驗(yàn)所需灰鈣土取自甘肅省蘭州市安寧區(qū)保利領(lǐng)秀山（36°06′37″N、103°44′22″E）原農(nóng)田種植基地，清理地表雜質(zhì)后采取0～20 cm的表層土壤。采用多點(diǎn)隨機(jī)取樣的方法進(jìn)行田間土壤取樣，土樣中撿出根莖葉等雜質(zhì)后，使之自然風(fēng)干，晾曬磨研后過20目篩，將土樣處理好后放在恒溫箱中活化7 d備用?；意}土中有機(jī)碳含量為8.278%，全氮、全磷和有效磷含量分別為0.127%、1.24%，0.09%，pH為7.63，孔隙率和含水率分別為60.9%和16.8%，容重為1.03 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將質(zhì)量比為0、1%、3%和5%的玉米秸稈生物炭與干燥好備用的100 g灰鈣土混合均勻后放置于300 mL塑料容器中密封待用。將樣品置于25 ℃的恒溫箱中培養(yǎng)15 d 以確保混合樣品的穩(wěn)定性。每個(gè)樣品設(shè)置3組平行，測(cè)定樣品的pH、有機(jī)質(zhì)、容重、孔隙率、持水性、陽(yáng)離子交換量及熱物理性質(zhì)（熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率）。生物炭添加量為0的為空白對(duì)照組，標(biāo)記為BC0，添加量1%、3%和5%的分別標(biāo)記為BC100、BC300和BC500。分析不同量玉米秸稈生物炭對(duì)灰鈣土理化性質(zhì)的影響。

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)，向土壤中加生物炭與蒸餾水，充分混合后將樣品在室溫下放置36 h，樣品達(dá)到水熱平衡后分別測(cè)定在一定容重及一定含水量條件下不同量的生物炭添加對(duì)土壤熱物理性質(zhì)的影響。將含水量梯度設(shè)置為0、10%、20%、30%和40%，容重梯度設(shè)置為γ（112.96 g/cm3）、1.3γ（146.85 g/cm3）、1.5γ（169.44 g/cm3），用C、K和D分別標(biāo)記測(cè)定的熱容量、導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率。

1.3 測(cè)試方法

生物炭灰分含量采用GB/T 12496—1999中的方法測(cè)定，pH按照《木質(zhì)活性炭試驗(yàn)方法 pH值的測(cè)定》（GB/T 12496.7—1999）中的方法測(cè)定，生物炭與去離子水的比例設(shè)定為1∶20；C、H、N含量通過元素分析儀（Vario EL型，德國(guó) Elemntar 公司）測(cè)定，O含量通過差減法計(jì)算；孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積采用物理吸附儀（ASAP2020M型，美國(guó)麥克儀器公司）測(cè)定；熱物理性質(zhì)指標(biāo)采用熱物理性質(zhì)測(cè)定儀（KD2 Pro型，美國(guó)Decagon公司）測(cè)定。

土壤樣品的pH采用電位法測(cè)定；容重通過單位體積質(zhì)量計(jì)算得出；粒徑采用激光粒度分析儀（Master sizer 3000型，英國(guó)馬爾文公司）測(cè)定；含水率通過樣品烘干前后的質(zhì)量差與原始質(zhì)量的比值計(jì)算得出；氮含量采用凱氏定氮儀（KDN04，上海華瑞儀器有限公司）測(cè)定；有效磷含量采用分光光度計(jì)（722N型，上海箐華儀器有限公司）測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)含量參照雙龍等［15］的方法測(cè)定；孔隙率參照GB/T 24203—2009中的方法測(cè)定；土壤陽(yáng)離子交換量參照NY/T 1121.5—2006中的方法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2013記錄，用Origin 2018軟件繪圖，使用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)灰鈣土基本理化性質(zhì)的影響

2.1.1 pH。從不同生物炭施加量對(duì)灰鈣土pH的影響（圖1）可以看出，隨生物炭施加量的增加，灰鈣土的pH增大。與對(duì)照（BC0）相比，BC100、BC300、BC500的pH增幅分別為3.1%、6.1%和7.4%，均達(dá)到顯著差異（P<0.05）。試驗(yàn)中所用玉米秸稈生物炭的pH為9.28，比灰鈣土的pH（7.63）高，灰鈣土中添加生物炭后，生物炭攜帶的堿基離子與灰鈣土自身的質(zhì)子或離子發(fā)生置換反應(yīng)，將堿基離子替換，使其濃度降低，鹽基飽和度提高，進(jìn)一步提高了土壤pH［16］。玉米秸稈生物炭自身為堿性，因此生物炭對(duì)酸性土壤pH的改良優(yōu)于堿性土壤。

2.1.2 有機(jī)質(zhì)含量。從不同生物炭施加量對(duì)灰鈣土有機(jī)質(zhì)含量的影響（圖2）可以看出，隨生物炭施加量的增加，灰鈣土的有機(jī)質(zhì)含量增加。與對(duì)照（BC0）相比，BC100、BC300、BC500的有機(jī)質(zhì)含量增幅分別為14.6%、40.9%和52.8%，均達(dá)到顯著差異（P<0.05），可見將生物炭添加到灰鈣土中能夠有效提高灰鈣土的有機(jī)質(zhì)含量。有機(jī)質(zhì)作為土壤最主要的組成成分，能夠改善土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，提高土壤的持水性能，對(duì)土壤肥力起著決定性作用。有研究表明，在土壤中添加生物炭可以減緩有機(jī)質(zhì)的分解，從而使腐殖質(zhì)含量增加，進(jìn)一步提高土壤肥力［17］。

2.1.3 容重。從不同生物炭施加量對(duì)灰鈣土容重的影響（圖3）可以看出，隨生物炭施加量的增加，灰鈣土的容重降低。與對(duì)照（BC0）相比，BC100、BC300、BC500的容重降幅分別為11.7%、24.3%和35.9%，均達(dá)到顯著差異（P<0.05），可見生物炭能夠有效降低土壤容重，這與前人的研究結(jié)果一致［18］。生物炭較小的密度和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)是降低土壤容重的主要原因，并且這種孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)土壤板結(jié)有緩解作用［19］。在土壤中添加生物炭使土壤的通透性得到增加，使微生物有了充足的碳源［20］，微生物的C/N會(huì)發(fā)生變化，土壤容重得到了進(jìn)一步降低。

2.1.4 孔隙率。從不同生物炭施加量對(duì)灰鈣土孔隙率的影響（圖4）可以看出，隨生物炭施加量的增加，灰鈣土孔隙率增加。與對(duì)照相比，BC100、BC300、BC500的孔隙率增幅分別為3.3%、10.3%和14.7%，均達(dá)到顯著差異（P<0.05）。生物炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)使其本身質(zhì)地疏松，與土壤混合后土壤的緊實(shí)度發(fā)生了改變，所以能夠提高灰鈣土的總孔隙率。有研究表明，生物炭施加量與土壤總孔隙率呈正相關(guān)，秸稈和少量生物炭還田能夠顯著提高稻田土壤的通氣孔隙率，孔隙率的增加進(jìn)一步提高土壤肥力［21-22］。

2.1.5 持水性。

從不同生物炭施加量對(duì)灰鈣土持水性的影響（圖5）可以看出，將添加了不同量生物炭的灰鈣土放置在25 ℃的恒溫箱中蒸發(fā)至含水量達(dá)到穩(wěn)定水平，BC0、BC100、BC300、BC500的土壤含水量分別穩(wěn)定在5.2%、5.4%、7.9%、8.3%，表明隨生物炭添加量的增加灰鈣土持水能力逐漸增強(qiáng)；曲線斜率表明前11 d土樣含水量下降速率較快，后逐漸趨于穩(wěn)定。蒸發(fā)開始階段，生物炭處理并未對(duì)土樣含水量有明顯影響；5 d后，不同生物炭添加量處理的土樣含水量與對(duì)照（BC0）差異較為明顯，隨生物炭施加量的增加，含水量下降的速率減緩。生物炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)可以改善土壤通透性，從而增強(qiáng)土壤的持水性能。研究表明，土壤的持水性能可以反映其水分含量及其有效性，生物炭很強(qiáng)的持水性可以使土壤水分的滲透性得到增強(qiáng)、土壤養(yǎng)分含量得以提高［23-24］。

2.1.6 陽(yáng)離子交換量。

從不同生物炭施加量對(duì)灰鈣土陽(yáng)離子交換量的影響（圖6）可以看出，生物炭施加量的增加可以提高土壤中陽(yáng)離子交換量。與對(duì)照（BC0）相比，BC100、BC300和BC500的增幅分別為3.7%、4.9%和8.6%。土壤陽(yáng)離子交換量反映了土壤的供肥能力、保肥能力和緩沖能力，是衡量土壤肥力的重要參數(shù)［25］。王瑞峰等［25］研究表明隨生物炭施加量的增加，可以在一定程度上增加土壤陽(yáng)離子交換量，增加量為0.1～3.7 cmol/kg。黃凱等［26-27］研究表明添加生物炭到土壤中能夠提高土壤陽(yáng)離子交換量。生物炭較高的陽(yáng)離子交換量能夠釋放一定量的陽(yáng)離子，同時(shí)生物炭能使部分穩(wěn)定態(tài)元素變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)元素，進(jìn)而增加土壤陽(yáng)離子交換量［28］。

2.2 生物炭對(duì)灰鈣土熱物理性質(zhì)的影響

圖7表示在一定含水量與不同容重條件下，不同生物炭施加量對(duì)灰鈣土熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率的影響。由圖7可知，含水量一定時(shí)，土壤的熱容量、導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率隨生物炭施加量的增加整體呈下降趨勢(shì)，隨容重的增加而明顯增加，表明土壤熱性質(zhì)與生物炭施加量和容重均有較大聯(lián)系。在含水量一定的條件下，土壤容重決定了土壤孔隙率，容重增加，孔隙率降低，土壤中固相顆粒所占體積比增大，固相顆粒的熱容量遠(yuǎn)大于氣相熱容量，因此熱容量隨容重增大而增大；土壤中孔隙率的降低使得固相顆粒物接觸更為緊密，導(dǎo)熱性能和熱擴(kuò)散率更強(qiáng)?？紫堵试谝欢ǔ潭壬弦矔?huì)影響土壤的絕熱性能，生物炭豐富的孔隙率會(huì)降低土壤熱物理性質(zhì)［29］。

圖8表示在一定容重條件下，含水量對(duì)不同生物炭施加量的灰鈣土熱容量、導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率的影響。由圖8可

知，容重一定時(shí)，隨土壤含水量的增加，熱容量和導(dǎo)熱率增加，熱擴(kuò)散率呈先增加后減少的趨勢(shì)。由線性擬合可知，灰鈣土熱物理性質(zhì)與土壤含水量顯著相關(guān)，在所有擬合中，僅

BC500的熱擴(kuò)散率與土壤含水量擬合效應(yīng)不顯著（R2<0.95），其他熱物理性質(zhì)參數(shù)與土壤含水量擬合效應(yīng)均顯著（R2≥0.95），表明微小的含水量的變化便足以引起土壤熱物理性質(zhì)的變化。土壤中的水分會(huì)在顆粒間形成水膜，從而顆粒間的接觸面積增大，土壤導(dǎo)熱率上升［29］。土壤中水分的熱容量遠(yuǎn)高于空氣的熱容量，所以隨含水量的增加土壤熱容量也顯著增加。隨土壤含水量的增加，熱擴(kuò)散率先增后減，是因?yàn)闊崛萘亢蛯?dǎo)熱率共同決定了土壤的熱擴(kuò)散率，熱擴(kuò)散率達(dá)到峰值以前，隨含水量的增加，導(dǎo)熱率的增加速度比熱容量的增加速度快，等熱擴(kuò)散率到達(dá)峰值后，熱容量的增加速度反而高于含水量的增加速度。這與馬效松等［12］的研究結(jié)果一致。

2.3 熱物理性質(zhì)與影響因素間的相關(guān)性分析

由表1可知，灰鈣土的熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率與生物炭施加量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，生物炭豐富的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)影響土壤的絕熱效應(yīng)，使土壤熱物理性質(zhì)降低［29］?；意}土的熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率與容重呈顯著正相關(guān)，含水量一定時(shí)，土壤容重增加導(dǎo)致孔隙率降低，土壤中固體所占體積比增大，接觸更為緊密，因此土壤熱物理性質(zhì)增加。灰鈣土的熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率與含水量呈極顯著正相關(guān)，土壤含水量增加會(huì)使固相顆粒間形成的水膜增多，接觸面積增大，導(dǎo)熱率上升；由于水分的熱容量遠(yuǎn)高于空氣的熱容量，所以隨含水量的增加土壤熱容量也顯著增加。土壤熱擴(kuò)散率與熱容量和導(dǎo)熱率呈極顯著正相關(guān)，熱容量和導(dǎo)熱率共同決定了土壤的熱擴(kuò)散率。

3 結(jié)論

將生物炭添加到灰鈣土中，能夠使灰鈣土的pH增高、有機(jī)質(zhì)含量增加、孔隙率增加、容重降低、持水性能增強(qiáng)、陽(yáng)離子交換量提高，且隨生物炭施加量的增加，灰鈣土理化性質(zhì)改變效果越明顯，從而使灰鈣土肥力得到有效提高。生物炭的添加能夠?qū)ν寥罒嵛锢硇再|(zhì)產(chǎn)生影響，含水量一定時(shí)，土壤的熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率隨生物炭施加量的增加整體呈下降趨勢(shì)；灰鈣土熱物理性質(zhì)與土壤含水量呈極顯著相關(guān)，在所有擬合中，僅BC500的熱擴(kuò)散率與含水量擬合效應(yīng)不顯著（R2<0.95），其他熱物理性質(zhì)參數(shù)與土壤含水量擬合效應(yīng)均顯著（R2≥0.95），表明微小的含水量的變化便足以引起土壤熱物理性質(zhì)的變化?；意}土的熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率與生物炭施加量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤容重呈顯著正相關(guān)，與土壤含水量呈極顯著正相關(guān)。該研究通過探究生物炭對(duì)灰鈣土理化性質(zhì)及熱物理特性的影響，分析了熱物理特性與影響因素間的相關(guān)性，將有助于揭示生物炭對(duì)土壤熱物理性質(zhì)參數(shù)影響機(jī)理，同時(shí)為正確評(píng)估生物炭在農(nóng)田系統(tǒng)中的作用提供技術(shù)支撐。

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