施用生物炭對土壤熱性質(zhì)的影響及其機(jī)制研究.pdf

1、土壤熱性質(zhì)影響熱量在土壤中儲存和傳遞，影響土壤水熱運(yùn)動(dòng)及地表能量平衡，進(jìn)而影響作物生長發(fā)育及土壤生物化學(xué)過程。施用生物炭可降低地表反射率，影響土壤溫度變化。土壤熱容量(C)、熱導(dǎo)率（λ）和熱擴(kuò)散率(α)等熱特性是決定溫度等土壤熱狀況的內(nèi)在因素，而生物炭對C、λ和α等熱性質(zhì)的影響還鮮有深入研究。
　　本研究一方面通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)測定不同質(zhì)地C、λ和α等熱性質(zhì)在不同生物炭添加量處理的變化，并探究其影響機(jī)制;另一方面基于連續(xù)施用生物炭7

2、年的田間定位試驗(yàn)，利用熱脈沖技術(shù)監(jiān)測了玉米和小麥不同生育期C、λ和α等熱性質(zhì)的變化及其與生物炭、土壤容重(ρb)和含水量(θv)之間的關(guān)系，并動(dòng)態(tài)監(jiān)測了土壤5 cm溫度和10 cm熱通量的變化，探究了田間試驗(yàn)條件下生物炭對土壤熱性質(zhì)的影響機(jī)制。室內(nèi)試驗(yàn)共包括粘土、砂壤土和砂土三種質(zhì)地土壤，每種土壤包括B0（對照）、B1（1％生物炭，gg-1）、B3（3％生物炭，gg-1）和B5（5％生物炭，g g-1）四個(gè)處理。每種質(zhì)地土壤含水量涵蓋了

3、風(fēng)干土含水量到飽和土含水量。田間試驗(yàn)共包括CK（對照，不施用生物炭）、B4.5（施用生物炭4.5 t ha-1yr-1）和B9.0（施用生物炭9 t ha-1yr-1）三個(gè)處理。種植制度為小麥玉米輪作，土壤類型為砂質(zhì)壤土。主要結(jié)論如下:
　　(1)室內(nèi)模擬試驗(yàn)條件下，不同質(zhì)地土壤熱容量均隨含水量增加呈線性增加。總體來看，生物炭對不同質(zhì)地某一特定含水量土壤熱容量沒有顯著影響。土壤容重和含水量一定時(shí)，生物炭所占土壤比例較小可能是導(dǎo)致熱

4、容量變化不顯著的原因。生物炭處理極顯著的降低了不同質(zhì)地土壤熱導(dǎo)率(P＜0.0001)，土壤熱導(dǎo)率隨著生物炭量的增加逐漸減低。在整個(gè)含水量范圍內(nèi)，粘土、砂壤土和砂土B1、B3和B5處理熱導(dǎo)率比B0處理分別平均降低了3.6％、6.6％、9.5％，5.0％、8.5％、14.5％和5.3％、10.2％、14.7％。生物炭自身較小熱導(dǎo)率、表面結(jié)構(gòu)及生物炭與含水量之間的相互作用是導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低的原因。生物炭對不同質(zhì)地風(fēng)干土熱導(dǎo)率無顯著影響，風(fēng)干土含

5、水量較低，顆粒與生物炭之間未形成水膜，生物炭對熱導(dǎo)率影響差異不顯著。整個(gè)含水量范圍內(nèi)，粘土、砂壤土及砂土熱擴(kuò)散率隨含水量的增加先增加后減低?？傮w來說，生物炭處理顯著降低了不同質(zhì)地土壤熱擴(kuò)散率(P＜0.0001)，粘土、砂壤土和砂土B1、B3和B5處理熱導(dǎo)率比B0處理分別平均降低了3.6％、6.6％、9.5％，4.2％、7.8％、14.1％和5.3％、10.2％、16.3％。生物炭自身較低的熱擴(kuò)散率及較大的孔隙度引起土壤絕緣效應(yīng)的增加是導(dǎo)

6、致熱擴(kuò)散率降低的原因。
　　(2)田間試驗(yàn)條件下，生物炭對土壤0-5 cm熱容量無顯著影響。施用生物炭顯著降低了土壤0-5 cm熱導(dǎo)率(P＜0.05)，與CK相比，B4.5和B9.0處理的土壤熱導(dǎo)率平均降低了8.0％和14.6％。施用生物炭顯著降低了土壤0-5 cm熱擴(kuò)散率(P＜0.05)，與CK相比，B4.5和B9.0處理的土壤熱擴(kuò)散率平均分別降低了6.0％和11.0％。以上土壤熱性質(zhì)的變化可以從生物炭自身性質(zhì)和土壤基礎(chǔ)物理性質(zhì)

7、（容重與含水量）變化兩個(gè)方面得到較好解釋，一方面，生物炭自身具有較小的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率，以及相當(dāng)于土壤有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)比熱容2.14倍的比熱容，另一方面，生物炭能顯著降低土壤容重(5.5-10.6％)，但對土壤含水量沒有顯著影響。
　　(3)生物炭處理能調(diào)節(jié)土壤5cm深度溫度日變化。在白天溫度高時(shí)，生物炭能降低土壤溫度，夜間土壤溫度低時(shí)，生物炭可增加土壤溫度。在試驗(yàn)期內(nèi)，4月、5月及8月土壤10cm熱通量日均值分別為21.79Wm-

8、2、14.14Wm-2和4.85W m-2，土壤吸收熱量向下傳輸。10月和11月份土壤熱通量日均值分別為-25.75W m-2和-22.99W m-2，土壤放熱。B4.5處理有降低白天熱通量增加夜間熱通量趨勢，B9.0處理對熱通量的影響差異較大。施用生物炭后，土壤熱通量最大值出現(xiàn)時(shí)間比CK處理延遲約1h，這與生物炭降低了土壤熱導(dǎo)率有關(guān)。
　　研究表明，生物炭自身熱性質(zhì)及表面結(jié)構(gòu)能直接降低土壤熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率，也能通過降低土壤容重，