生物炭對北方寒區農田土壤熱性能參數的影響

馬效松 付 強,2 徐淑琴,2 李天霄 侯仁杰 于鑫彤

(1.東北農業大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030； 2.東北農業大學農業農村部農業水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030)

0 引言

土壤熱性能參數決定土壤中熱量的儲存、傳導和分布，主要受土壤質地、容重、水分含量的影響[1]，其測量方法主要有穩態法和非穩態法[2]。針對非凍結土壤熱特性參數變異特征，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熱率變化規律；ABU-HAMDEH[4]研究發現，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熱率的關系，發現土壤吸力與導熱率呈雙線性關系；MENGISTU等[6]以南非砂土為研究對象，探究5種溫度和5種含水率交叉作用下土壤熱性能參數變化規律。針對凍結狀態下土壤熱性能變化規律，WANG等[7]研究了單向凍結條件下土壤導熱率、體積熱容量、熱擴散率在垂直空間上的波動性；ORAKOGLU等[8]通過室內凍融循環試驗，探究凍融循環次數對土壤導熱率的影響，進而構建土壤導熱率對凍融次數的響應函數；HU等[9]借助3種模型分別計算凍土導熱率和凍結深度，發現Luo模型適用于凍結土壤；GORI等[10]在前人研究基礎上，提出一個無經驗常數模型來計算凍土導熱率，模擬精度較高。

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

本文針對北方寒區農田土壤，設置3種生物炭施加模式、6種含水率水平，分別測定凍結和非凍結條件下的土壤導熱率、體積熱容量、熱擴散率，進而分別構建土壤熱特性參數響應函數。本研究成果將有助于揭示生物炭對土壤熱特性參數影響機理，同時也為農業土壤水熱調控和準確掌握寒區農田土壤熱量變化機制提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本試驗試驗地點位于哈爾濱市東北農業大學凍土試驗場，該區域地理坐標126°45′32″E，45°44′41″N。氣候屬于溫帶大陸性季風氣候，冬長夏短，春秋季節氣溫升降變化快，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℃。該區域地下水埋深6.8 m，無霜期145 d，最大凍結深度1.95 m。

1.2 試驗設計

本研究所用生物炭為遼寧省錦州市生物炭制備廠生產，生物炭原料為秸稈，在高溫500～600℃裂解而成，將其磨細過2 mm篩備用，生物炭理化性質見表1。結合當地生產實踐經驗，采用隨機區組設計，生物炭施加設置3個水平：BC0(0 t/hm2)、BC1(4 t/hm2)、BC2(6 t/hm2)，每個水平3次重復，共計9個試驗小區。每個小區埋設ET100型土壤溫度和水分傳感器，自動測定10 cm土層水熱狀況。同時，埋設凍土器1根，每天09：00人工記錄土壤凍深值。試驗前期，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，試驗區土壤理化性質見表2。在經歷一個凍融期后，借助環刀在每個試驗小區表層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℃凍結土壤熱特性參數，并測定0、3、6、9、12、15℃非凍結土壤的熱特性參數。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Tab.1 Physical and chemical properties of biochar

表2 試驗土壤理化性質Tab.2 Physical and chemical properties of experimental soil

1.3 試驗方法

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

1.4 數據處理方法

利用Excel 2013記錄試驗數據，同時，用SPSS 23.0分析數據，進而借助LSD法檢驗土壤導熱率、體積熱容量、熱擴散率的差異顯著性 (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條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 結果與分析

在研究中，不同生物炭處理條件下，土壤凍融期溫度和水分變化規律見圖1。凍融期內，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性，即BC1、BC2土壤在凍結期溫度降低速度緩慢，在融化期溫度升高速度緩慢；同時，不同生物炭處理條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。基于土壤凍深實測數據，將土壤凍融過程主要劃分為3個階段[25-26]，即：快速凍結期(2017年11月1日—2018年1月15日)，該時段土壤溫度迅速降低，土壤平均凍結速率為1.1 cm/d，BC2、BC1處理條件下土壤平均溫度相對于BC0高出2.57℃和1.31℃；穩定凍結期(2018年1月15日—2018年3月23日)，該階段凍結速率相對減慢，平均凍結速率為0.6 cm/d，BC2、BC1處理條件下土壤平均溫度相對于BC0高出1.64℃和0.74℃；融化期(2018年3月23日—2018年5月20日)，此時土壤開始融化，土壤平均融化速率為2.2 cm/d，BC0處理條件下土壤平均溫度相對于BC1、BC2分別高出1.03℃和1.84℃。

2.1 非凍結土壤熱特性參數

圖2 不同生物炭含水率處理條件下未凍結土壤熱性能參數Fig.2 Thermal properties of unfrozen soil under different biochar moisture content treatment conditions

當土壤溫度大于3℃后其熱性能參數幾乎不發生變化[2]，本研究中，選取3℃作為典型溫度，不同生物炭處理條件下土壤熱特性參數變化特征見圖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，導熱率增加速度較快，且在體積含水率在24%～32%范圍時，提升幅度最大。而在體積含水率在32%～40%時，導熱率增加速度緩慢，此階段土壤含水率接近飽和，水分對土壤導熱率影響減弱。與此同時，隨生物炭施用量增加，土壤導熱率整體水平呈現降低趨勢，具體比較可知，生物炭含量為0 t/hm2，含水率為24%、32%時，土壤導熱率相對于含水率為16%時分別增加0.141 4、0.580 5 W/(m·K)。此外，在BC1處理條件下，土壤體積含水率為0%、8%、16%、24%、32%、40%水平時，其導熱率分別相對于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處理條件下，其各個含水率水平下土壤導熱率分別相對于BC1和BC0呈現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出增加趨勢，在體積含水率為24%～32%時，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，體積熱容量呈現下降趨勢，土壤體積含水率為0%、8%、16%、24%、32%、40%時，BC1體積熱容量分別相對于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處理條件下，其降低效果更顯著。

同理，分析土壤熱擴散率和體積含水率之間關系可知(圖2c)，隨土壤含水率水平提升，土壤熱擴散表現出逐漸提升趨勢。同樣，隨生物炭含量增加，進一步減弱土壤熱擴散效應。綜上所述，含水率與非凍結土壤熱特性參數呈正相關關系，生物炭與其呈負相關關系。

圖3 不同生物炭含水率處理條件下凍結土壤熱性能參數Fig.3 Thermal properties of frozen soil under different biochar moisture content treatment conditions

2.2 凍結土壤熱特性參數

當土壤溫度介于0～-3℃之間時，凍結土壤中水分相變最劇烈[27]，因此，進一步探究-3℃凍結條件下土壤熱特性參數變化規律，如圖3所示。整體分析可知，凍結條件下土壤導熱率隨體積含水率增加而遞增，其變化趨勢與非凍結狀態下一致，但是其整體導熱率水平顯著提升。在含水率為0%、8%、16%、24%、32%、40%時，BC0在凍結狀態下與非凍結狀況相比土壤導熱率增加-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，BC1、BC2與BC0相同，也隨土壤凍結，導熱率顯著增大，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，凍結土壤導熱率整體水平也呈現下降趨勢。當含水率為0%、8%、16%、24%、32%、40%時，BC1處理條件下土壤導熱率相對于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，不同處理條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，土壤體積熱容量提升幅度最大。與此同時，不同生物炭處理條件下凍結土壤體積熱容量相對于未凍結情況變小。其中，在含水率為0%、8%、16%、24%、32%、40%時，BC0在凍結狀態下與非凍結狀態相比，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，在凍結狀態下BC1、BC2土壤體積熱容量同樣相對于未凍結狀表現為降低趨勢。然而，當含水率為0%時，隨生物炭含量增加，凍結土壤體積熱容量呈下降趨勢；當在含水率為8%、16%、24%、32%、40%水平時，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，土壤體積熱容量相對于0 t/hm2水平分別增加0.16、0.20 J/(cm3·K)，與未凍結土壤表現出相反變化規律。

由圖3c可知，土壤熱擴散率變化趨勢與土壤導熱率相似，同樣表現出隨含水率提升，其熱擴散能力顯著提升，并且隨生物炭施加量增加，其熱擴散效果有所減弱。另外，在凍結情況下，不同處理條件下土壤熱擴散能力相對于未凍結狀態大幅度提升。

2.3 溫度對土壤熱特性參數的影響

上述研究表明，生物炭對凍結與非凍結土壤熱特性參數具有顯著調控效果。因此進一步研究不同生物炭處理條件下，土壤導熱率(TBC0、TBC1、TBC2為BC0、BC1、BC2的導熱率)和體積熱容量(HBC0、HBC1、HBC2為BC0、BC1、BC2的體積熱容量)隨溫度變化規律，如圖4所示。當土壤含水率為0%時，土壤導熱率隨溫度變化幅度較小，在溫度為15～-15℃之間時，隨生物炭含量增加，土壤導熱率和體積熱容量整體水平均呈現降低趨勢。

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

同理，當土壤含水率在16%、24%、32%、40%水平下，隨溫度降低，土壤導熱率呈現增加趨勢，并且在含水率為40%時，其提升幅度最大。并且隨含水率增加，導熱率變化顯著溫度區間不斷擴大，由圖4f可知，導熱率變化顯著的溫度區間最大，為3～-15℃。隨土壤生物炭含量增加，導熱率整體水平有所降低；隨溫度降低，土壤體積熱容量呈現降低趨勢，在含水率為40%時，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間不斷擴大，同樣在含水率為40%時，體積熱容量變化顯著的溫度區間最大，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，整體水平呈現降低趨勢，在0℃以下時整體水平則表現出升高趨勢。

圖4 不同生物炭溫度處理條件下土壤熱性能參數變化曲線Fig.4 Changing curves of soil thermal properties under different biochar temperature treatment conditions

2.4 生物炭對土壤性質的影響

2.4.1凍結特征曲線

圖5 不同生物炭處理條件下土壤凍結特征曲線Fig.5 Soil freezing characteristic curves under different biochar treatment conditions

由圖5可知，不同生物炭處理條件下土壤未凍水含量均隨溫度降低而降低。當凍結溫度低于-13℃后，BC2、BC1、BC0處理條件下土壤未凍水含量趨于穩定，并且分別保持在14.8%、12.6%、10.5%。由此可知，在凍結過程中，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，BC2、BC1處理條件下土壤未凍水含量相對于BC0土壤增加15.0個百分點和11.0個百分點。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℃凍結速率較快，土壤未凍水含量減少25.9個百分點；BC1土壤試樣在0～-5℃凍結速率較快，土壤未凍水含量減少23.0個百分點；同樣，BC2土壤試樣在0～-5℃凍結速率較快，土壤未凍水含量減少19.0個百分點。

2.4.2土壤物理特性

施加生物炭不僅影響凍結過程中土壤未凍水含量變化，還顯著影響土壤結構性質，不同生物炭處理條件下土壤物理特性如表3所示。本研究中，施加生物炭通過調節土壤孔隙結構，使土壤總孔隙度增加，降低土壤容重，提高機械穩定性團聚體含量和水穩性團聚體含量。具體分析可知，施加生物炭后，BC1、BC2處理條件下，土壤容重相對于BC0降低5.6%和9.2%；而BC1、BC2處理條件下，土壤總孔隙度相對于BC0提高3.01個百分點和4.9個百分點；同理，BC1、BC2處理條件下，大于0.25 mm土壤機械穩定性團聚體含量相對于BC0提高5.9個百分點和9.6個百分點；此外，生物炭調控作用也顯著提升大于0.25 mm土壤水穩性團聚體含量。

圖6 不同生物炭處理條件下土壤熱性能相關性分析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機械穩定性團聚體含量/%大于0.25mm水穩性團聚體含量/%BC01.4246.4282.533.5BC11.3449.4388.439.1BC21.2951.3292.143.4

3 討論

本研究中，分別構建非凍結土壤(3℃)與凍結土壤(-3℃)熱特性參數與含水率之間響應函數，結果如圖6所示。土壤導熱率和含水率呈對數函數關系(R2>0.89)，體積熱容量和含水率呈線性函數關系(R2>0.93)，而熱擴散率與含水率呈二次函數關系(R2>0.95)，二者之間均表現出較強的相關性，但施加生物炭能夠減弱土壤導熱率、體積熱容量、熱擴散率與含水率之間的相關性。

3.1 非凍結土壤熱性能影響因素分析

土壤熱特性參數隨含水率增加而遞增。土壤由固、液、氣三相組成，空氣導熱率(0.024 W/(m·K))極低，土壤水分增加填充空氣占據的孔隙空間，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，進而提高導熱率。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。此研究結論與文獻[1,3,6]一致，但本研究通過試驗發現，土壤熱特性參數在含水率為24%～32%之間增加較大，可知土壤熱特性參數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，非凍結土壤熱特性參數呈降低趨勢。由于生物炭導熱率較小(0.137 W/(m·K))，且具有較高的比表面積和孔隙度，其施加到土壤中會增大土壤總孔隙度，增加機械穩定性團聚體含量和水穩性團聚體含量，因此，土壤單位體積內孔隙直徑增大、氣體增多，阻礙熱量傳遞，進而降低土壤導熱率；然而，生物炭施加會降低土壤干密度，而非凍結土壤體積熱容量是關于土壤干密度的遞增函數，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接觸角，從而阻礙熱量在土壤水分和固態物質間傳導。并且生物炭能夠降低土壤溫度波動性，在溫度調節上有“削峰填谷”作用，因此，土壤熱擴散率降低。ZHI等[18]和ZHANG等[19]也通過試驗發現生物炭具有降低非凍結土壤熱性能參數的作用，但以上學者研究施加生物炭對土壤熱特性參數影響規律時溫度條件恒定，此外，未考慮凍結條件下土壤熱特性參數變化規律，本研究通過試驗，驗證在15～0℃范圍內施加生物炭后，土壤熱特性參數均呈降低趨勢。

3.2 凍結土壤熱性能影響因素分析

不同處理條件下，凍結土壤熱性能發生顯著變化，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能變化[28]，進而導致粒子儲存或傳遞能量的能力也發生變化。凍結土壤熱特性參數隨含水率增加而遞增，在含水率為0%(干土)時，凍結狀況下導熱率低于未凍結土壤，由于熱量傳遞是分子運動，溫度降低導致土壤顆粒中分子振動頻率降低，因此，導熱率降低。但由圖4可以看出，在8%～40%含水率范圍內，凍結土壤導熱率顯著大于未凍結土壤，主要是由于溫度降低，土壤中液態水轉化為固態冰，冰導熱率(2.16 W/(m·K))較高，是水的4倍，所以凍結土壤導熱率增大。然而，冰熱擴散率是水的9倍，所以土壤凍結會導致熱擴散率增大。此外由于冰體積熱容量(2.14 J/(cm3·K))小于水，在凍結過程中土壤體積熱容量降低。TIAN等[29]和ALEKSYUTINA等[30]在研究凍結土壤熱特性參數時，也得出類似結論，而本文在上述研究基礎上，考慮施加生物炭對土壤凍結過程中熱性能參數的影響。

隨生物炭含量增加，土壤導熱率和熱擴散率呈降低趨勢，與未凍結土壤一致。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，其波動性較低，這也驗證了施加生物炭降低凍結土壤熱擴散率的結論。然而，凍結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北方寒區農田土壤熱特性參數影響規律，引入凍結特征曲線，分析施加生物炭對凍結土壤熱特性參數影響機理，結果發現：隨生物炭含量增加，土壤導熱率和熱擴散率呈降低趨勢，在凍結情況下，體積熱容量呈升高趨勢，在非凍結情況下則呈降低趨勢。考慮到試驗復雜性，為更有效揭示生物炭對土壤熱性能參數影響規律，還應進一步通過數值模擬方法進行深入研究。

4 結論

(1)凍結土壤導熱率和熱擴散率相對于非凍結土壤有所增大，然而，土壤體積熱容量呈降低趨勢。不同生物炭調控下，土壤熱特性參數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，土壤導熱率相對于含水率為16%時分別增加0.141 4、0.580 5 W/(m·K)。土壤導熱率與含水率呈對數函數關系，體積熱容量與含水率呈線性函數關系，而熱擴散率則與含水率呈二次函數關系。

(2)施加生物炭能夠有效改變土壤結構性質，增大土壤總孔隙度，提高機械穩定性團聚體含量和水穩性團聚體含量，降低土壤容重。大田試驗中，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，降低土壤溫度波動性。通過研究還發現，生物炭能夠延遲土壤水分凍結，改變土壤凍結特征曲線，在0～-15℃條件下，BC1、BC2土壤未凍水含量顯著提高。

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