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小麥秸稈生物炭對休耕期黃土農(nóng)田土壤熱性質(zhì)的影響

2022-05-10 03:13:28趙保衛(wèi)馬鋒鋒
中國土壤與肥料 2022年3期
關(guān)鍵詞:熱擴(kuò)散熱容量土壤溫度

聶 瑾,趙保衛(wèi),劉 輝,楊 哲,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)

近年來,將作物秸稈在高溫、限氧條件下熱裂解所制備成的生物炭,因其具有較高穩(wěn)定性和吸附性,在固碳緩解全球變暖[1-3]、緩解土壤環(huán)境污染[4-5]等環(huán)境領(lǐng)域具有重要作用而被廣泛研究。此外,在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域作為土壤改良劑或肥料的載體還田,還可以緩解由于長期過量使用化肥和高強(qiáng)度生產(chǎn)所導(dǎo)致的農(nóng)田土壤板結(jié)、土壤肥力下降問題[6],提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)[7]。然而,生物炭的施入會加深土壤顏色并改變土壤質(zhì)地,影響地表土壤反照率[8-9]和熱性質(zhì)[10],從而可能影響土壤溫度及其變化幅度[8,11],間接干擾土壤的內(nèi)部活動及作物的生長發(fā)育[12-13]。

太陽輻射到達(dá)地面后,土壤熱量的儲存、傳導(dǎo)、分布取決于土壤熱性質(zhì)[14]。土壤熱性質(zhì)參數(shù)主要有:土壤導(dǎo)熱率、土壤熱容量、土壤熱擴(kuò)散率。不同土壤的熱性質(zhì)不同,導(dǎo)熱和貯熱能力存在差異,因而不同土壤吸收一定的熱量后其溫度增減幅度不同[15]。土壤的熱性質(zhì)主要受質(zhì)地、容重和水力特征的影響[16],土壤中的水分運動和熱量傳輸是一個不可分割的統(tǒng)一系統(tǒng)。生物炭施入土壤會改變土壤的質(zhì)地、容重和水力特性,間接導(dǎo)致土壤熱性質(zhì)的變化[17],但在田間情況下,生物炭主要是以何種方式影響土壤熱性質(zhì)還不明確。黃土高原地區(qū)是中國干旱區(qū)和濕潤區(qū)的過渡帶,水土流失嚴(yán)重,植被稀疏,對氣候變化敏感,土壤熱狀況是影響地表能量平衡進(jìn)而影響黃土地區(qū)下墊面結(jié)構(gòu)的重要因素[18-19],土壤熱狀況由溫度反映。張陽陽等[8]通過田間試驗研究表明,裸地條件下當(dāng)生物炭施加量為0.5、4.5 kg·m-2(即5、45 t·hm-2)時,地表反照率較對照的最大降幅分別為24.3%、26.7%,但對土壤溫度均無顯著影響,該研究未探討生物炭施入后對土壤熱性質(zhì)的影響。劉志鵬等[17]通過設(shè)置3個生物炭施用量水平(0、25、50 t·hm-2)進(jìn)行田間區(qū)組試驗發(fā)現(xiàn),小麥秸稈生物炭能顯著降低田間土壤的導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率,但該研究未探討熱性質(zhì)變化后土壤溫度對其的響應(yīng)?,F(xiàn)階段,生物炭應(yīng)用導(dǎo)致土壤熱性質(zhì)改變進(jìn)而對土壤溫度產(chǎn)生何種影響的研究較少,且主要集中于在實驗室模擬,基于休耕期西北黃土田間試驗的研究也較為缺乏。

因此,本研究通過設(shè)置不同施用量的小麥秸稈生物炭進(jìn)行田間小區(qū)試驗,原位測定休耕期農(nóng)田土壤的含水率、溫度以及各熱性質(zhì)參數(shù)等,研究生物炭施加對農(nóng)田土壤熱狀況的影響,為生物炭在西北黃土地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用和生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗田位于甘肅省蘭州市安寧區(qū)北環(huán)路保利領(lǐng)秀山(36°6′37″N,103°44′22″E),當(dāng)?shù)貙儆跍貛Т箨懶詺夂?,年平均氣?0.3℃,年平均降水量327 mm,主要集中在6~9月,年均蒸發(fā)量為900 mm,年平均日照時數(shù)為2446 h,年總輻射量為5314~7212 MJ·cm-2,無霜期為180 d。地帶性土壤以栗鈣土、灰鈣土為主,少數(shù)地帶為黑麻土和黃綿土,結(jié)構(gòu)性差,透水透氣性差。試驗區(qū)0~20 cm土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 研究方法

試驗所使用的小麥秸稈生物炭由江蘇麥科特炭業(yè)公司提供,500℃溫度下碳化6 h。生物炭基本性狀見表2。參考已有關(guān)于生物炭合理施用量的研究結(jié)果[8,17],本試驗設(shè)置3個處理:0 kg·m-2(BC0)、1 kg·m-2(BC1)、4 kg·m-2(BC4),每個處理設(shè)置3個重復(fù),共計9個試驗小區(qū)。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,每個小區(qū)面積2.4 m×2 m=4.8 m2,各小區(qū)之間設(shè)寬0.2 m的地壟防止小區(qū)間相互干擾。小麥秸稈生物炭于2019年10月11日一次性均勻施入各試驗小區(qū),后期不再追施。施撒生物炭前使用小型翻耕機(jī)對試驗田進(jìn)行翻耕,將生物炭均勻施入各試驗小區(qū)后,再次使用翻耕機(jī)將生物炭均勻混合至0~20 cm土層。休耕試驗期內(nèi)不進(jìn)行人工澆水。

表2 生物炭的基本理化性質(zhì)

1.3 測試方法

為避免不良?xì)庀笠蛩貙y量的影響,測定選在晴朗少云或無云的12:00~13:00,使用Acclima SDI-12 Sensor Reader 原位測定0~20 cm土壤溫度及含水率,使用便攜式土壤熱物性測量儀KD2 Pro原位測定0~5 cm土壤熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率及溫度,每個小區(qū)隨機(jī)選取3個測量點,測量頻率為2 min。試驗期內(nèi)共進(jìn)行9次測量,其中第3次(2019年10月16日)由于其他原因只保留含水率數(shù)據(jù)。使用環(huán)刀(直徑5 cm,容積100 cm3)在每個處理小區(qū)內(nèi)隨機(jī)采集0~10 cm表層原狀土壤樣品2個,所有原狀土壤樣品使用烘箱在105℃下烘干24 h后測定土壤容重。

生物炭基礎(chǔ)理化性質(zhì)的測定根據(jù)《木質(zhì)活性炭試驗方法》(GB/T 12496.19-2015)進(jìn)行測定。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)按照《土壤檢測》(NY/T 1121.11-2006)進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010進(jìn)行整理,用SPSS 22.0進(jìn)行相關(guān)性分析,用Origin 8.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭施入對土壤容重的影響

生物炭施加對農(nóng)田土壤容重的影響如圖1所示。試驗期內(nèi)BC1和BC4處理的土壤容重較BC0均有所下降,BC0處理的容重變化范圍為1.22~1.31 g·cm-3,BC1處 理 比BC0處 理 降低了0.5%~7%,BC4處理比BC0處理降低了2%~11%。BC0、BC1、BC4的容重平均值依次為1.27、1.23、1.20 g·cm-3,說明土壤容重隨生物炭施加量的增大而減小。

圖1 生物炭輸入對土壤容重的影響

2.2 生物炭施入對土壤含水率的影響

試驗期內(nèi)共有兩次有效降水(2019年10月14日降雨、2019年12月3日降雪),其中12月4日與8日的兩次測量凍結(jié)較明顯。圖2為生物炭施加對田間土壤含水率的影響。試驗期內(nèi)BC0、BC1、BC4處理的含水率變化范圍依次為11.3%~18.6%、10.9%~16.3%、10.7%~17.3%,含水率平均值依次為14.2%、13.7%、13.9%。從圖2可以看出,在無降水休耕期(2019年10月16日~12月4日),土壤含水率隨生物炭施加量的增大而減少,表現(xiàn)為BC0>BC1>BC4;而在低溫凍融期(2019年12月8日~12月18日),土壤含水率隨生物炭施加量增大而增大,含水率梯度關(guān)系為BC4>BC1>BC0。

圖2 生物炭輸入對土壤含水率的影響

各處理的含水率在整個試驗期內(nèi)變化趨勢一致,最大值均出現(xiàn)在降水后第1 d(2019年10月16日),最小值出現(xiàn)在降雪后第1 d(2019年12月4日),各處理的土壤含水率均在降水前后變化劇烈,受降水影響升降明顯。在無降水休耕期(2019年10月16日~12月3日),即沒有地面入滲補給的條件下,各處理的土壤含水率均單向減少,降雪后15 d內(nèi)的低溫凍融期(2019年12月4日~18日),各處理的土壤含水率均逐步提升。

2.3 生物炭施入對土壤熱容量的影響

生物炭施加對土壤熱容量的影響如圖3所示。BC0處理的土壤熱容量變化范圍為1.34~2.02 MJ·m-3·K-1,BC1處理的土壤熱容量較BC0降低范圍為2%~33%,而BC4處理較BC0處理降低了1%~17%。施炭處理整體降低了土壤熱容量,在無降水、無凍結(jié)的條件下,各處理的土壤熱容量大小關(guān)系均為BC0>BC4>BC1,呈不對稱的“V”形。各處理的土壤熱容量與含水率之間的相關(guān)系數(shù)如表3所示。整個試驗期內(nèi),BC1與BC4處理的熱容量與含水率呈顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.867**、0.791*。

圖3 生物炭輸入對土壤熱容量的影響

表3 熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率與土壤含水率的Pearson相關(guān)系數(shù)

2.4 生物炭施入對土壤導(dǎo)熱率的影響

農(nóng)田土壤導(dǎo)熱率的變化如圖4所示。試驗期BC0處理的土壤導(dǎo)熱率為0.34~0.88 W·m-1·K-1,BC1處理的導(dǎo)熱率變化范圍為0.30~0.82 W·m-1·K-1,相較于BC0處理降低了3%~24%;BC4處理的導(dǎo)熱率為0.25~0.79 W·m-1·K-1,較BC0處理降低了10%~25%。在無降水和無凍結(jié)條件下,導(dǎo)熱率大小關(guān)系均為BC0>BC1>BC4。未施炭處理的土壤導(dǎo)熱率始終大于施炭處理,即施加生物炭能降低田間土壤導(dǎo)熱率。各處理的土壤導(dǎo)熱率與含水率之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01,表3)。

圖4 生物炭輸入對土壤導(dǎo)熱率的影響

2.5 生物炭施入對土壤熱擴(kuò)散率的影響

試驗期內(nèi)土壤熱擴(kuò)散率的變化如圖5所示。試驗期內(nèi)BC0處理的土壤熱擴(kuò)散率變化范圍為0.256~0.503 mm2·s-1,BC1處理的土壤熱擴(kuò)散率比BC0降低了4%~14%,BC4處理較BC0處理降低了4%~25%。除第1次測量外,各處理的土壤熱擴(kuò)散率大小關(guān)系均為BC0>BC1>BC4,生物炭施加顯著降低了土壤的熱擴(kuò)散率。各處理的熱擴(kuò)散率在10月16日(降水后第1 d)達(dá)到峰值,12月4日(降雪后第1 d)為谷值。各處理的土壤熱擴(kuò)散率與含水率之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05,表3)。

圖5 生物炭輸入對土壤熱擴(kuò)散率的影響

2.6 生物炭施入對土壤溫度的影響

試驗期內(nèi)生物炭對5和20 cm段土壤溫度的影響如圖6所示。BC0處理的5 cm段土壤溫度變化范圍為0.30~24.40℃,最大值在10月,最小值在12月。自2019年11月起,試驗田5 cm段土壤溫度大小均表現(xiàn)為BC1>BC0>BC4,即隨生物炭施加量的增加先升高后降低,呈倒“V”形,與圖3熱容量所呈現(xiàn)的“V”形響應(yīng)。BC0、BC1及BC4處理5 cm段平均土壤溫度依次為10.64、11.35、10.84℃,BC1處理比BC0處理高7%,BC4處理比BC0處理高2%。試驗期內(nèi)各處理的20 cm段土壤溫度均高于5 cm段土壤溫度,且各處理的20 cm段土壤溫度在試驗期內(nèi)差異極小,除施炭后第1次(2019年10月12日)及最后1次測定(2019年12月18日)外,施炭處理的20 cm段土壤溫度都低于BC0處理,溫度均表現(xiàn)為BC0>BC1>BC4,施炭處理可顯著降低20 cm段土壤溫度。BC0處理的20 cm段土壤溫度最大值為35.21℃,最小值為15.10℃,BC0、BC1和BC4處理的20 cm段土壤溫度平均值依次為23.00、22.82、22.71℃,BC1、BC4處理較BC0處理分別降低0.8%、1%。不同生物炭處理的土壤熱參數(shù)與土壤溫度的相關(guān)系數(shù)如表4所示。各處理的導(dǎo)熱率與土壤溫度均顯著正相關(guān)(P<0.05),且BC0處理的土壤導(dǎo)熱率與土壤溫度呈極顯著相關(guān)(P<0.01);熱擴(kuò)散率與5和20 cm段土壤溫度均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);對于熱容量,BC1處理的熱容量與5 cm段土壤溫度顯著相關(guān)(P<0.05)。此外,5 cm段土壤溫度的季節(jié)差異明顯,而20 cm段土壤溫度隨季節(jié)變化不明顯。

圖6 生物炭輸入對5和20 cm土壤溫度的影響

表4 熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率與土壤溫度的Pearson相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 生物炭施入對土壤容重的影響

小麥秸稈生物炭的施加能夠顯著降低田間土壤的容重。首先,生物炭的容重一般在0.09~0.5 g·cm-3之間,遠(yuǎn)低于土壤容重,生物炭施入土壤對容重造成稀釋作用,導(dǎo)致土壤容重降低[20-22]。生物炭自身質(zhì)地疏松多孔,土壤中施加生物炭后總孔隙度增加,空氣占比提高,固相顆粒占比降低,直接改善土壤結(jié)構(gòu),降低土壤容重[20,23];其次,生物炭可增加微生物活性及菌根數(shù)量,促進(jìn)團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性,有效改善土壤結(jié)構(gòu),間接降低土壤容重[24];本試驗結(jié)果與前人的研究結(jié)果基本一致。

3.2 生物炭施入對土壤含水率的影響

在休耕期無地面入滲補給的條件下(2019年10月16日~12月4日),土壤含水率隨生物炭施加量的增大而減少。造成這種現(xiàn)象的原因,一方面是生物炭的添加總體增大了土壤的孔隙度,使得土壤毛管作用減弱以及持水力減小[25];另一方面,添加生物炭能引起地表土壤溫度升高[26],進(jìn)而增加土壤水分的蒸發(fā),使得土壤水分降低。溫度會影響土壤中的水汽擴(kuò)散以及土壤水分的粘滯系數(shù)[27],因而溫度的增減會影響土壤含水率。低溫凍融期(2019年12月4日~18日),土壤含水率隨生物炭施加量增大而增大,這可能是因為小麥秸稈生物質(zhì)炭的親水性表面積和孔隙度都較大,水分吸附在生物炭表面,儲存于其微孔內(nèi)[28],且凍融低溫條件下蒸發(fā)作用相對較弱,生物炭施加使得土壤養(yǎng)分含量增高,阻礙熱量向蒸發(fā)面的傳遞,降低水分蒸發(fā)速率[29],從而增大了土壤含水率。綜上,在休耕期無降水補給的較高溫度下,施加生物炭促使水分蒸發(fā)起主導(dǎo)作用,水分蒸發(fā)量大于持水量,因而使含水率隨生物炭施加量的增大而降低;低溫凍融條件下,生物炭的持水能力高于蒸散能力而占主導(dǎo)作用,綜合作用表現(xiàn)為含水率隨生物炭施加量的增加而增大。

自然條件下,土壤含水率的變化主要受降水及蒸散發(fā)等因素制約[30],西北地屬干旱、半干旱地帶,日照強(qiáng)烈,年蒸發(fā)量大于降水量。在本研究中,各處理的含水率在無降水休耕期因蒸散作用均單向減少,與前人的研究結(jié)果基本一致[31-32]。各處理的土壤含水率均在降水前后升降明顯,說明田間淺層土壤含水率在休耕期的波動還受降水影響。降雪后15 d內(nèi)的低溫凍融期(2019年12月4日~18日),各處理的土壤含水率均逐步提升,可能是受土壤水分凍結(jié)的影響。當(dāng)土壤發(fā)生單向凍結(jié)時,水分從土壤暖端(深層)向冷端(表層)轉(zhuǎn)移[33],因此凍融期土壤上層的含水率較凍結(jié)前高。此外,壤土的持水性較強(qiáng)[33],在發(fā)生凍結(jié)時,土壤表層的水分汽化脫離土壤量相對較少,從土壤深層遷入到表層的水量大于汽化量,導(dǎo)致凍結(jié)后各處理的含水率均有所增加。綜上,說明了休耕期田間土壤含水率還與凍結(jié)有關(guān)。

3.3 生物炭施入對土壤熱容量的影響

土壤的熱容量是單位體積或質(zhì)量的土壤溫度升高或降低1℃時所吸收或放出的熱量,是包括礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、水分(或溶液)及空氣等在內(nèi)的所有組分的熱容量之和。生物炭具有高于土壤本身礦質(zhì)顆粒的熱容量,施入能顯著提高土壤熱容量[34],但由于增大了土壤的孔隙度,降低了土壤容重,也能導(dǎo)致土壤熱容量的降低[17]。研究表明,容重一定時,體積熱容量是土壤含水率的函數(shù)[16]。馬效松等[35]研究了不同含水率條件下,熱容量隨生物炭施加量的變化,結(jié)果表明在含水率相同時,土壤體積熱容量隨生物炭施加量的增加而降低。本研究中,各處理的土壤熱容量在降水前后升降迅速,原因是水分的滲入擠占了土壤結(jié)構(gòu)中的原有空氣,且水的熱容量遠(yuǎn)高于空氣的熱容量,因而土壤熱容量迅速上升;之后隨水分的蒸發(fā),熱容量逐漸降低。說明在田間條件下,土壤熱容量對降水的響應(yīng)敏感。研究期內(nèi),降水后第1 d各含水率均處于峰值時,熱容量隨生物炭含量的增大而增大,此外均表現(xiàn)為施炭整體降低了農(nóng)田土壤熱容量,這可能是因為雨后各處理的含水率較高且接近飽和時,生物炭自身的高熱容量對土壤熱容量的直接提高作用占主導(dǎo);而當(dāng)土壤含水率相對較低時,生物炭通過降低農(nóng)田土壤含水率間接降低土壤熱容量起主要作用。本研究中,在無降水休耕期(2019年10月18日~11月21日),BC1處理較BC4處理對熱容量的降低作用更大,可能是由于田間條件下,外界影響因素較多,表層土壤水熱交替劇烈,生物炭自身較高熱容量引起的正效應(yīng)與降低含水率及增大孔隙度所引起的負(fù)效應(yīng)存在相互抵消,即當(dāng)生物炭施加量較低,為1 kg·m-2時,降低含水量引起的負(fù)效應(yīng)起主要作用;當(dāng)施加量較高,為4 kg·m-2時,生物炭自身高熱容量引起的正效應(yīng)抵消了部分降低作用,呈現(xiàn)BC4處理的熱容量高于BC1。此外在凍融期(2019年12月4~18日),也可能是因為農(nóng)田土地凍結(jié)與融化情況不均勻,測量點凍融差異導(dǎo)致熱容量變化規(guī)律與前人研究結(jié)果有所不同。

3.4 生物炭施入對土壤導(dǎo)熱率的影響

施用生物炭導(dǎo)致的孔隙結(jié)構(gòu)和含水率的變化以及疏水表面結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致休耕期農(nóng)田土壤導(dǎo)熱率降低的原因。首先,當(dāng)生物炭施入土壤后,增大了農(nóng)田土壤的孔隙度且有效改善土壤的通氣性。土壤空氣含量高意味著土壤顆粒之間相互接觸減少,土壤顆粒間接觸熱阻率增大[29],導(dǎo)致熱量傳遞緩慢,導(dǎo)熱率減小。其次,生物炭表面的芳香結(jié)構(gòu)能提高自身斥水性,從而提高土壤斥水性,降低農(nóng)田土壤導(dǎo)熱率[36]。馬欣等[37]分析了黃土高原地區(qū)土壤含水量和土壤熱參數(shù)的變化特征,發(fā)現(xiàn)土壤熱性質(zhì)隨含水率變化最明顯。在本研究中,土壤導(dǎo)熱率與土壤含水率變化趨勢一致,也說明了土壤導(dǎo)熱率還與含水率相關(guān)。本試驗中,12月BC0和BC4處理的導(dǎo)熱率迅速增大可能是降雪后低溫導(dǎo)致的土壤水分凍結(jié)所致。由于溫度降低使土壤中液態(tài)水轉(zhuǎn)化為固態(tài)冰,而冰的導(dǎo)熱率(2.16 W·m-1·K-1)是水的4倍[35],因此各處理的導(dǎo)熱率均升高。10月16日BC1處理的導(dǎo)熱率低于BC4處理的導(dǎo)熱率可能是因為當(dāng)天土壤BC1處理的含水率低于BC4處理,而田間土壤導(dǎo)熱率對含水率響應(yīng)敏感所致。12月8日BC1處理的導(dǎo)熱率顯著低于BC4處理可能是因為農(nóng)田土地凍結(jié)與融化情況不均勻,測量點的凍融差異所致。

3.5 生物炭施入對土壤熱擴(kuò)散率的影響

熱擴(kuò)散率是熱容量和導(dǎo)熱率的函數(shù),因而熱擴(kuò)散率也隨孔隙度和含水率變化而變化。在本田間試驗中,生物炭顯著降低了土壤熱擴(kuò)散率,究其原因,一方面是生物炭自身的熱擴(kuò)散率較小,另一方面,生物炭施加造成土壤含水率降低,間接導(dǎo)致土壤熱擴(kuò)散率降低。生物炭的施加增大了土壤總孔隙度,也提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量,改善了農(nóng)田土壤的土墑條件。而質(zhì)地輕、土墑條件越好的土壤熱量傳遞越慢,熱擴(kuò)散率值也越低[38],因而試驗期內(nèi),生物炭添加使農(nóng)田土壤的熱擴(kuò)散率顯著降低,且生物炭施加量越多,對熱量擴(kuò)散的阻礙作用就越強(qiáng)。本試驗中,土壤熱擴(kuò)散率與土壤含水率變化趨勢一致,呈顯著正相關(guān)關(guān)系,說明土壤熱擴(kuò)散率變化與含水率密切相關(guān),這與前人的研究結(jié)果基本一致[39-40]。土壤熱容量和導(dǎo)熱率均受含水率影響較大,因而前期和中期的熱擴(kuò)散率與含水率的變化趨勢相一致,但12月受降雪土壤凍結(jié)和生物炭施加的影響,熱容量和導(dǎo)熱率的變化幅度不同,綜合作用導(dǎo)致凍結(jié)后不同處理的熱擴(kuò)散率呈現(xiàn)與二者不同的變換趨勢。

3.6 生物炭施入對土壤溫度的影響

已有研究表明在田間自然條件下,生物炭添加到土壤后對土壤溫度的影響不是單純增加或降低,而是具有“削峰填谷”的作用,即在夏季的中午降低土壤溫度,但在冬季又可增加土壤溫度。在本試驗中,生物炭顯著降低了土壤導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率,即施用生物炭后在通過相同熱量的條件下土壤溫度變化緩慢了,這也為生物炭對土壤溫度的“削峰填谷”作用提供了解釋依據(jù)。

試驗田地屬黃河上游地區(qū),10月至翌年5月期間,深層土壤向表層土壤釋放熱量,其余月份則主要為表層土壤向深層土壤傳導(dǎo)熱量[41],較深層土壤溫度變化的原因主要是輻射累積[37]。本研究中,隨著生物炭量的增加,20 cm段土壤溫度逐漸降低,可能是因為生物炭的施加阻礙了深層土壤向該層土壤的熱量傳導(dǎo)。對于熱容量不同的土壤而言,當(dāng)相等的熱量進(jìn)入土壤后,熱容量大的土壤升溫小,熱容量小的土壤升溫大。試驗期內(nèi)生物炭施加對5 cm段土壤溫度的影響沒有明顯的規(guī)律性,但多次表現(xiàn)出隨生物炭施加量的增加呈先升高后降低的趨勢,這主要是因為BC1處理的熱容量值低于BC0及BC4處理,而熱容量值低的土壤升溫快,因此呈現(xiàn)為BC1處理的5 cm段土壤溫度高于BC0和BC4處理。一方面,生物炭施加降低了地表反照率,使地表吸收的太陽輻射增加,導(dǎo)致地表溫度升高,因此BC1處理的5 cm段土壤溫度高于BC0處理;另一方面,溫度升高促進(jìn)農(nóng)田土壤水分的蒸發(fā),水汽上升所消耗的太陽輻射能量增加,又使地表溫度下降,BC4處理較BC1處理蒸發(fā)劇烈,導(dǎo)致BC1>BC4,加之BC4處理對深層土壤向上層土壤傳導(dǎo)熱量的阻礙效果強(qiáng)于BC1處理,也導(dǎo)致BC1>BC4。5 cm段土壤溫度的季節(jié)差異明顯,而20 cm段土壤溫度隨季節(jié)變化不明顯,主要是因為5 cm段土壤溫度受近地表氣溫影響相對較大。

生物炭的施加會通過影響土壤熱性質(zhì)進(jìn)而影響土壤溫度,同時土壤溫度的差異也會反過來影響土壤熱性質(zhì)參數(shù)。含水率的變化會引起土壤溫度的變化,土壤溫度同時也會反過來影響土壤水的運移及形態(tài),維持土壤水熱狀況的動態(tài)平衡。

4 結(jié)論

在休耕期無降水條件下,農(nóng)田土壤的容重和含水率均隨生物炭用量的增加而降低,而在低溫凍融期,土壤含水率隨生物炭含量的增加而增大,表明生物炭對休耕期田間土壤含水率有“削峰填谷”的作用。土壤導(dǎo)熱率和熱擴(kuò)散率隨生物炭施加量的增加而降低,而熱容量隨生物炭施加先減小后增大,且試驗期內(nèi)土壤熱容量、導(dǎo)熱率、熱擴(kuò)散率的波動均與土壤含水量的變化具有一致性,相關(guān)性分析也表明不同處理的各熱性質(zhì)參數(shù)均與土壤含水率顯著相關(guān),但與土壤容重相關(guān)性不大,說明小麥秸稈生物炭主要通過影響土壤含水率進(jìn)而影響土壤熱參數(shù)。而含水率隨降水和凍結(jié)有明顯波動,且在無降水休耕期單向減少,即休耕期田間土壤熱參數(shù)差異除受生物炭影響以外,同時還間接受蒸散、降水和凍結(jié)的影響。

對于5 cm段土壤,當(dāng)生物炭施加量為1 kg·m-2時對其有增溫作用,施加量為4 kg·m-2時對其有降溫作用,受季節(jié)影響波動較大;對于20 cm段土壤,其溫度受近地表氣溫影響較小,隨生物炭施加量的增大而減小,即生物炭阻礙了休耕期農(nóng)田土壤熱量向上傳導(dǎo)。在田間條件下,生物炭能通過影響土壤熱性質(zhì)來實現(xiàn)對農(nóng)田土壤溫度的調(diào)節(jié)。農(nóng)田土溫變化是各因素綜合作用的結(jié)果,因此,應(yīng)綜合考慮生物炭對土壤光熱參數(shù)的影響,從而揭示生物炭對西北農(nóng)田土壤熱狀況的影響。

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