小麥秸稈生物炭對(duì)灰鈣土農(nóng)田土壤熱物理性質(zhì)的影響

楊 珂,趙保衛(wèi),聶 瑾,劉 輝

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院,蘭州 730070)

我國(guó)是世界第一秸稈大國(guó),每年農(nóng)業(yè)活動(dòng)產(chǎn)生各類秸稈7億噸,約占全球秸稈總量的20%～30%[1-2]。把秸稈制成生物炭,施用于農(nóng)田,可有效改善土壤的理化性質(zhì),增加作物產(chǎn)量,促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。土壤溫度不僅影響植物生理過(guò)程,而且影響土壤有機(jī)質(zhì)的分解、養(yǎng)分供應(yīng)、土壤水分、空氣運(yùn)動(dòng)以及土壤的形成過(guò)程。生物炭施入,將改變土壤的溫度,并影響土壤的熱物理性質(zhì)。因此,探究生物炭的施入對(duì)于土壤熱物理性質(zhì)的影響機(jī)制,對(duì)調(diào)節(jié)土壤的溫度,提高土壤肥力,具有非常重要的意義。

目前,對(duì)于生物炭施入后土壤熱物理特性的變化,學(xué)術(shù)界尚未有足夠深入的探究。研究認(rèn)為生物炭調(diào)控土壤溫度在很大程度上取決于土壤導(dǎo)熱率,而這一過(guò)程正是達(dá)到目的的關(guān)鍵所在[3]。研究表明,隨著生物炭含量的增加,土壤和泥炭土混合物的導(dǎo)熱率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)[4]。生物炭的施入使土壤孔隙度及持水性能發(fā)生變化[5-12],并對(duì)土壤熱容量及其他熱物理性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響,從而影響到土壤中溫度的變化。研究表明:土壤水分是溶質(zhì)運(yùn)移和水熱遷移的基礎(chǔ),土壤含水量和土壤溫度相互影響,從而維持土壤水熱狀況動(dòng)態(tài)平衡[13]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,土壤溫度的波動(dòng)受到多種因素的影響,包括但不限于土壤條件、作物種類以及田間管理措施等[14]。

生物炭施入土壤可間接影響土壤的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、容重及含水率,并改變其熱物理性質(zhì)。為此,本研究選擇西北地區(qū)分布較廣的灰鈣土為供試土,探究小麥秸稈生物炭的添加對(duì)灰鈣土理化特性的影響以及生物炭在不同含水率下對(duì)灰鈣土土壤熱物理性質(zhì)參數(shù)產(chǎn)生的影響,為闡明灰鈣土中生物炭在農(nóng)田土壤熱物理性質(zhì)變化中的作用提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

試驗(yàn)田地處中國(guó)甘肅省蘭州市安寧區(qū),位于北緯36°6′37″、東經(jīng)103°44′22″,主要降水集中于夏秋6-9月、年均蒸發(fā)量900 mm、年均日照小時(shí)數(shù)2 446 h、年總輻射110～130 kcal·cm-2,無(wú)霜時(shí)期是180天。

供試灰鈣土采自上述試驗(yàn)田內(nèi)地表下0～20 cm處,田間土壤取樣為多點(diǎn)隨機(jī)采樣,除去植物根、莖、葉,大、小石塊及其他雜物,自然風(fēng)干并烘干后過(guò)40目篩待用。

試驗(yàn)需要的小麥秸稈生物炭從江蘇麥科特炭業(yè)公司購(gòu)買,將小麥秸稈生物炭置于高溫500 ℃條件下炭化6 h。本實(shí)驗(yàn)采用熱分析方法研究了不同溫度下小麥秸稈生物炭對(duì)灰鈣土持水量、田間持水能力以及土壤孔隙度等方面的影響。對(duì)試驗(yàn)用的小麥秸稈生物炭和土壤分別表征和測(cè)定基礎(chǔ)理化性質(zhì),結(jié)果如表1所列。小麥秸稈生物炭的熱容量值為2.37 MJ·m-3·K-1,導(dǎo)熱率值為0.13 W·m-1·K-1。

表1 土壤和生物炭的基本理化性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)室主要儀器包括,電熱恒溫干燥箱(202-2,北京科偉永興儀器有限公司);電子天平(FA2004N,上海良平儀器儀表有限公司);元素分析儀(Vario EL,德國(guó)Elemntar公司);pH計(jì)(PHS-3c,上海圣科儀器設(shè)備有限公司)[15];土壤熱物性測(cè)定儀(KD2 Pro,美國(guó)Decagon公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

按質(zhì)量比分別為0%、1%、3%和5%的比例加入,使小麥秸稈生物炭和干農(nóng)田土壤混合均勻后放入容量100 mL且?guī)芊馍w塑料容器中備用。在此條件下進(jìn)行試驗(yàn)。為了確保混合樣品穩(wěn)定,再在25 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)1周[16]。每個(gè)試樣設(shè)3個(gè)平行樣對(duì)其容重、pH值、孔隙率、有機(jī)質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。水分量設(shè)4個(gè)梯度:0、20、30、40 g,分別測(cè)定小麥秸稈生物炭在不同含水率下對(duì)灰鈣土土壤熱物理性質(zhì)參數(shù)產(chǎn)生的影響。

1.3 測(cè)試方法

根據(jù)GB/T 12496.19-2015《木質(zhì)活性炭試驗(yàn)方法》中關(guān)于對(duì)生物炭基礎(chǔ)理化性質(zhì)檢測(cè)方法的規(guī)定,對(duì)土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定:① 土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定用重鉻酸鉀容量法;② pH值測(cè)定用電位法;③ 生物炭中的C、H和N元素測(cè)定采用Vario EL元素分析儀[17]。④ 計(jì)算生物炭的比表面積采用BET方程。⑤ 孔隙率測(cè)定采用GB/T 24203-2009中規(guī)定的方法。

土壤熱物性測(cè)定儀KD2 Pro用來(lái)測(cè)定土壤熱物理性質(zhì)(其體積熱容量為C,導(dǎo)熱率為K,熱擴(kuò)散率為D),它的傳感器采用SH-1系列雙針結(jié)構(gòu),探測(cè)器長(zhǎng)30 mm,孔徑1.28 mm,主材質(zhì)是環(huán)氧樹(shù)脂。選用90 s測(cè)定周期內(nèi)(30 s平衡、30 s加熱和30 s冷卻)的自動(dòng)模式[18],直接讀取其熱物理性質(zhì)參數(shù)值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel2010(Microsoft)處理全部數(shù)據(jù)后,用SPSS22.0分析軟件作相關(guān)分析,用Origin8.0軟件作圖,再將資料作統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 土壤pH和有機(jī)質(zhì)

添加生物炭后土壤的pH變化情況,如圖1所示,可以看出土壤pH隨生物炭施用量的增加逐漸升高,當(dāng)生物炭施加量分別在1%、3%、5%時(shí),pH與對(duì)照相比分別提高了0.32,0.43和0.14,呈上升趨勢(shì),但是上升幅度較小。生物炭在多數(shù)情況下呈堿性,施入土壤后可提高土壤堿基的飽和水平,降低土壤可交換鋁的含量,進(jìn)而提高酸性土壤的pH值[19-20]。本實(shí)驗(yàn)中小麥秸稈生物炭施入土壤后pH值高達(dá)9.66,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田土壤pH值,因此施入生物炭后會(huì)使土壤pH值升高,這和以往研究結(jié)論相吻合[20]。

圖1 生物炭對(duì)土壤pH值的影響

土壤中的有機(jī)物質(zhì)是由各種動(dòng)植物殘?bào)w以及某些人為制造的有機(jī)肥料所產(chǎn)生的,其含量的高低會(huì)對(duì)土壤的肥力產(chǎn)生影響,有機(jī)質(zhì)含量較低的土壤肥力相對(duì)較差,這會(huì)對(duì)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。加入生物炭后土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化情況,如圖2所示,生物炭施加量在1%、3%和5%時(shí),土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)同時(shí)提高了5.64、4.29和2.29 g·kg-1,研究發(fā)現(xiàn),小麥秸稈生物炭的添加能顯著提高灰鈣土有機(jī)質(zhì)含量,并且灰鈣土有機(jī)含量會(huì)隨著小麥秸稈生物炭的增加而增加[21]。生物炭的增加會(huì)使得土壤有機(jī)質(zhì)含量升高[22],主要原因是生物炭能夠吸附有機(jī)小分子,自身有較強(qiáng)的吸附能力[23],使得表面形成有機(jī)質(zhì);還有就是生物炭自身具有較大比表面積和孔隙結(jié)構(gòu),很大程度上為附著在土壤上的微生物提供了有利條件,為微生物的生長(zhǎng)繁育提供了有利的生存條件,從而提高了土壤中的有機(jī)質(zhì)含量[24]。

圖2 生物炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響

2.1.2 土壤容重和孔隙率

容重是一項(xiàng)重要的指標(biāo),用于評(píng)估土壤顆粒排列的緊密度,根據(jù)土壤顆粒的機(jī)械組成、排列以及有機(jī)質(zhì)的含量,可以反映土壤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、保水性和透水性[25]。圖3是生物炭的加入對(duì)土壤容重的影響。從圖3可以看出,土壤容重隨生物炭添加量的增加呈緩慢下降趨勢(shì),和對(duì)照相比,當(dāng)生物炭的用量分別為1%、3%、5%時(shí)土壤容重降低了0.22、0.19、0.17。主要原因是生物炭自身孔隙率大于土壤、容重遠(yuǎn)小于土壤,所以其施用于土壤中可以提高土壤總孔隙率,增加空氣的比例,降低固相顆粒的比例,直接改善了土壤結(jié)構(gòu),降低了土壤的容重[26]。

圖3 生物炭對(duì)土壤容重的影響

生物炭對(duì)土壤容重、含水率、熱物理性質(zhì)的影響,均與其對(duì)土壤孔隙率的影響直接相關(guān)(見(jiàn)圖4)。圖4中,隨著施入生物質(zhì)炭量的增大,土壤的總孔隙率先升高再降低,而粒徑大小和形狀不同的生物炭對(duì)于土壤的孔隙度有明顯作用。在本實(shí)驗(yàn)中農(nóng)田土壤孔隙率74.8%,小麥秸稈生物炭孔隙率89.7%。生物炭添加量為1%、3%和5%時(shí),孔隙度較對(duì)照分別提高了11%、26%和29%。在不同施用量下,生物炭處理的小麥秸稈生物炭可以明顯提升土壤通氣性。這主要由于生物炭本身質(zhì)地松散多孔,所以在施用于土壤之后使得土壤總孔隙度有所增加,另外生物炭能有效的減少土壤水分蒸發(fā),提高水分利用效率和作物產(chǎn)量。然而,還有研究[27]顯示,在添加量比較少的情況下,施用生物炭使土壤孔隙度下降,主要是由于生物炭本身機(jī)械強(qiáng)度不高,易轉(zhuǎn)化為更細(xì)碎的小顆粒,阻塞了原有土壤孔隙,從而導(dǎo)致土壤總孔隙率下降所致。

圖4 生物炭對(duì)土壤孔隙率的影響

2.2 生物炭和土壤含水率對(duì)土壤熱物理性質(zhì)的影響

2.2.1 生物炭和含水率對(duì)土壤熱容量的影響

土壤總體積熱容量指的是單位體積內(nèi),當(dāng)土壤溫度在增加或減少至1 ℃時(shí)所吸收或釋放的總熱能,其中包括礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水分(或溶液)及空氣等各種組分的熱容量總和。隨著施入生物質(zhì)炭量的增大,土壤的總孔隙率先升高再降低,而粒徑大小和形狀不同的生物質(zhì)炭對(duì)于土壤的孔隙度有明顯作用。灰鈣土的含水量與其土壤的熱容量呈線性相關(guān)的關(guān)系(見(jiàn)圖5),且在生物炭的不同添加水平下,熱容量與含水率之間存在著緊密的正向關(guān)聯(lián),相關(guān)系數(shù)R2均大于0.952 0。此項(xiàng)研究成果與先前學(xué)者的研究成果高度契合[28]。

圖5 不同含水率下生物炭對(duì)土壤熱容量的影響

在灰鈣土土壤中添加水后,其熱容量和含水率之間呈現(xiàn)出顯著的相關(guān)性,說(shuō)明增加土壤含水率比生物炭增加孔隙率所帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)更有助于提高土壤體積的熱容量。在相同水分條件下,添加生物炭對(duì)土壤溫度變化沒(méi)有明顯的影響,說(shuō)明添加生物炭不會(huì)造成土壤升溫速率減慢。相較于未添加生物炭的對(duì)照組,生物炭的添加顯著地使土壤熱容量減小,并呈現(xiàn)出隨著生物炭加入量增加而減小趨勢(shì),主要是因?yàn)榧尤肷锾渴雇寥揽紫抖仍黾?容重減小[29],伴隨著土壤熱容量減小。當(dāng)添加生物炭之后,土壤的熱擴(kuò)散系數(shù)顯著下降,表明生物炭能夠通過(guò)改變土壤水分分布來(lái)影響土壤的熱擴(kuò)散性能,從而使其具有更高的導(dǎo)熱能力。當(dāng)添加量固定時(shí),土壤體積熱容量隨水分添加量的增加而增大,這是因?yàn)橥寥澜Y(jié)構(gòu)中原有熱量已被水分滲透擠占,水分熱容量比周圍空氣大得多,且比土壤原熱容量大4倍,故體積熱容量隨土壤含水量的增加而增大。

2.2.2 生物炭和含水率對(duì)土壤導(dǎo)熱率的影響

未加水情況下土壤導(dǎo)熱率隨著生物炭加入量增加呈下降趨勢(shì)[30],如圖6所示,主要原因是生物炭導(dǎo)熱率低,生物炭加入土壤后,土壤孔隙度增加,土壤通氣性得到有效提高,而土壤空氣含量提高,土壤顆粒間相互接觸程度降低,熱阻率的增加使熱量傳遞變慢,導(dǎo)熱率也相應(yīng)降低[31-32]。

圖6 不同含水率下生物炭對(duì)土壤導(dǎo)熱率的影響

灰鈣土在不同生物炭加入比例條件下,導(dǎo)熱率都是水分含量的對(duì)數(shù)函數(shù)(R2>0.995 3)。這一結(jié)果和馬效松等的研究相一致[28]。其原因是土壤結(jié)構(gòu)中早有空氣受到水分滲入排擠,水分導(dǎo)熱率高于空氣導(dǎo)熱率,土壤熱物理性質(zhì)對(duì)含水率最為敏感,因此隨著含水量的增加各處理土壤導(dǎo)熱率都在逐漸增加。綜合來(lái)看,含水率對(duì)于土壤熱性質(zhì)導(dǎo)熱率具有顯著影響,極細(xì)微的含水率變化都會(huì)導(dǎo)致土壤熱性質(zhì)發(fā)生變化。

2.2.3 生物炭和含水率對(duì)土壤熱擴(kuò)散率的影響

熱擴(kuò)散率是總熱容量和導(dǎo)熱率之間關(guān)系的函數(shù),因此總熱擴(kuò)散率會(huì)隨著孔隙量以及含水率的不同而發(fā)生變化。一方面由于生物炭的加入增加了土壤的總孔隙度,另一方面由于生物炭本身熱擴(kuò)散率低而使土壤中植物有機(jī)質(zhì)濃度升高,也就是說(shuō),當(dāng)土壤質(zhì)量較輕,土壤條件較好時(shí),土地?zé)崮軅鲗?dǎo)較慢,熱擴(kuò)散率值較低[32-33]。因此,當(dāng)含水量不變時(shí),生物炭含量增加時(shí)土壤擴(kuò)散率會(huì)相應(yīng)減少,如圖7所示。對(duì)于同一處理而言,含水量對(duì)土壤熱擴(kuò)散率的影響,總體上所呈現(xiàn)出的是先增后減的趨勢(shì)。首先,含水量的增加會(huì)使得土壤熱擴(kuò)散率呈現(xiàn)增大趨勢(shì),其次,在含水量增加到一定幅度時(shí),土壤熱擴(kuò)散率又隨著含水量增加而呈現(xiàn)出減小趨勢(shì),這種趨勢(shì)的變化是因?yàn)闊釘U(kuò)散率與熱容量及導(dǎo)熱率之間的函數(shù)關(guān)系的影響,在熱擴(kuò)散率到最高值之前,導(dǎo)熱率值隨著含水量增大而增大的速率要大于它隨著體積熱容量增大而加快的速率,當(dāng)熱擴(kuò)散率達(dá)到極值時(shí),熱容量隨著含水量增加的速率大于導(dǎo)熱率增加的速率,導(dǎo)致熱擴(kuò)散率隨著含水量先增加后減小(R2>0.947 0)。這一結(jié)果符合馬效松和其他學(xué)者的發(fā)現(xiàn)。

圖7 不同含水率下生物炭對(duì)土壤熱擴(kuò)散率的影響

3 結(jié)論

1) 灰鈣土農(nóng)田土壤中施入小麥秸稈生物炭能顯著增加土壤pH值、孔隙率和有機(jī)質(zhì)含量,但土壤容重值降低。生物炭的添加量與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、孔隙度均顯著相關(guān)(P<0.01)且呈正相關(guān),與土壤容重相關(guān)(P<0.01)且呈負(fù)相關(guān)。

2) 當(dāng)添加同等量的生物炭時(shí),土壤體積熱容量和導(dǎo)熱率均隨含水量增大而增大,熱容量與含水率之間呈線性正相關(guān)(R2>0.952 0,P<0.05),導(dǎo)熱率與含水率之間呈對(duì)數(shù)關(guān)系(R2>0.952 0,P<0.05)。而在同一生物炭添加量水平下,土壤熱擴(kuò)散率隨含水量的增大呈現(xiàn)先增大后減小,主要是因?yàn)楹试黾釉斐赏寥缹?dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率增幅不同,導(dǎo)熱率的增幅逐漸低于熱容量的增幅,因此導(dǎo)致熱擴(kuò)散率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。