添加生物質炭對土壤熱性質影響機理研究*

劉志鵬 徐杰男 佘冬立 李學林 王景梵

（1 南京農業大學資源與環境科學學院，南京 210095）

（2 河海大學水利水電學院，南京 210098）

土壤熱量狀況直接影響土壤溫度、水分蒸發、熱量傳遞、各種化學反應、微生物活性、溫室氣體排放、植物種子萌發及根系活動等一系列土壤過程［1-2］。一定太陽輻射條件下，土壤熱性質是土壤熱狀況的內在決定因素，對土壤中水熱耦合運動具有重要影響，是研究陸地表層土壤-植被-大氣連續體中物質和能量交換過程的基本物理參數［2-3］。土壤中固體（礦物和有機質）、液體和氣體三相比例和組成的變化直接影響土壤熱性質，進而作用于土壤中的化學反應、微生物活動以及土壤-大氣間的水熱交換過程。目前，已有大量研究揭示了不同質地土壤熱性質隨土壤含水量、容重及鹽分含量等單個因素變化而變化的規律［4］。然而，作為土壤固相的重要組成成分，土壤有機質含量變化及由此引起的土壤結構和持水性能的改變對土壤熱性質的綜合影響機理仍不明確。

全球氣候變化背景下，土壤固碳被認為是消除溫室氣體效應的重要手段之一［5］。近年來，農業廢棄物生物質炭轉化與還田作為迅速提高土壤有機碳庫容的關鍵途徑在國際上備受關注［6］。關于生物質炭添加對土壤團聚體、土壤肥力、作物產量以及溫室氣體排放等方面影響的報道日益增多［7-8］。然而，人為輸入穩定性有機質（生物質炭）在改變土壤固、液和氣三相比例和組成情況下將如何影響土壤熱性質及水熱動態仍不清楚，其是否會通過影響土壤能量平衡及土壤-大氣間水汽交換過程反饋于全球氣候變化也有待深入研究。

因此，在土壤固碳應對全球氣候變化背景下，研究生物質炭添加對土壤熱性質的影響并探討其內在機理，將為合理評價人為固碳行為對地氣系統間水熱交換過程的影響提供科學依據；有助于從土壤熱量角度更全面地揭示生物質炭提高土壤肥力的作用機制，并為生物質炭改良土壤的田間水熱管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

田間試驗在江蘇省南京市江寧區河海大學節水園試驗基地進行（31°57′N, 118°50′E）。試驗點海拔為114 m，地勢平坦。該區受亞熱帶濕潤氣候控制，四季分明，雨水充沛，年平均降雨量為1 107 mm，潛在年蒸發量為900 mm，年平均溫度為15.4 ℃，六月下旬至七月上旬為梅雨季節。

本研究使用的生物質炭材料為河南三利新能源公司生產的商用小麥秸稈生物質炭，熱裂解溫度為350～550 ℃，約30%的秸稈生物質轉化為生物質炭［9］，其基本理化性質見表1。生物質炭孔隙度、密度和容重使用壓汞儀測定（Poremaster GT60,Quanachrome）；生物質炭內部孔徑使用BET氮吸附法測定（Quaadrasorb SI, Quantachrome）；生物質炭表面固液接觸角使用角度儀測定（EasyDrop DSA20E, KRüSS）。生物質炭處理的隨機區組試驗在溫室中進行，試驗地土壤類型為黃棕壤，耕層土壤根據質地可明顯分為上下兩層，0～30 cm為壤土層，30～60 cm為黏壤土層，兩層土壤的基本理化性質見表1。參考已有關于生物質炭合理施用量的研究結果［7,10］，本研究中生物質炭施用量設三個水平：0 t hm-2（BC0，對照），25 t hm-2（BC25）和50 t hm-2（BC50）；每個處理設3個重復，共9個小區，各小區面積為2.7 m2（3 m × 0.9 m），隨機區組排列。第一季作物移栽前，過2 mm篩的生物質炭顆粒被均勻地翻耕混合入0～25 cm土層中，后期不再追施生物質炭。種植作物為番茄（Solanum lycopersicum Mill.），分別于2014年4月14日—8月24日和2015年4月19日—8月18日進行了連續兩季種植，株距為50 cm，行距為90 cm，灌溉方式為滴灌，種植季溫室內溫度（4—8月）控制為28 ℃。按照當地農戶耕作習慣，復合化肥（N-P-K，15︰15︰15）按照400 kg hm-2用量等量均勻施入各試驗小區。作物生長過程中，人工拔除雜草，并施用適量殺蟲劑控制病蟲害［11］。

表1 生物質炭和試驗地土壤基本理化特征Table 1 Basic properties of the biochar and soil in the study

1.2 土壤熱性質測定

土壤熱性質，即熱容量、導熱率和熱擴散系數，采用熱脈沖法測定，使用Decagon公司KD2 Pro便攜式熱性質測定儀，探針使用SH-1雙針傳感器（直徑1.3 mm，長度3 cm，兩針間隙6 mm）。探針測量值根據Decagon公司提供的熱性質已知的聚甲醛樹脂材料（Delrin）進行標定。熱脈沖法測定土壤熱性質具有簡便、穩定可靠的優勢，在相關研究中已得到廣泛應用［12-13］，其基本原理和算法可參見相關中英文文獻［14-15］，此處不再贅述。

1.3 樣品采樣與室內試驗

第二季作物收獲后，使用環刀（直徑 5 cm，容積100 cm3）在每個處理小區內隨機采集0～10 cm表層原狀土壤樣品3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，并計算土壤總孔隙度（1-容重/比重，比重值使用2.65）。每個試驗小區的3個原狀土樣中，1個用來測定土壤熱性質，另外2個用來測定土壤水分特征曲線。對于烘干后用于熱性質測定的環刀，使用塑料薄膜和鋁制環刀蓋將其兩端密封，保證水分無法流失。使用50 ml醫用注射器從環刀上端注入蒸餾水，隨后密封上端并將環刀放置在20 ℃室溫下靜止72 h，等土體內部水分含量達到平衡后，分別從環刀上下兩端使用熱脈沖探針測定土壤熱性質，取其平均值代表該原狀土熱性質。土壤體積含水量共設9個水平：0（烘干土）、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%。

土壤水分特征曲線測定吸力值分別設為-1.5、-3.0、-10.5、-32.1、-63.6、-100、-200、-500、-3 000 和-5 000 cm水柱。前7個吸力值采用高嶺土沙箱和懸掛水柱法測定（M1-0802E, Eijkelkamp）；后3個吸力值在平板壓力膜儀中測定(1500, Soilmoisture)。獲得的土壤水分特征曲線散點導入RETC軟件中并使用經典單峰van-Genuchten模型進行擬合：

式中，θr和θs分別為土壤滯留含水量和飽和含水量；擬合過程中θs使用測定的總孔隙度；參數α, n和m分別為曲線的形狀參數，m等于1 – 1/n。通過擬合得到的土壤水分特征曲線可計算土壤孔隙分布。根據Young-Laplace公式：

式中，D為孔隙直徑（mm），并假設土壤孔隙為均勻的圓柱形毛管；h為相應尺寸孔隙對應的土壤水吸力，使用水柱高度（cm）表示。計算得到的土壤孔隙劃分為三組［16］：大孔隙（＞ 0.03 mm）、中孔隙（0.03～0.0 002 mm, 對應田間持水量）和小孔隙（＜ 0.0 002 mm，對應永久凋萎點）。

此外，每季節作物收獲后，在每個小區內隨機選擇3個點，在田間自然狀態下使用KD2Pro探針在原位測定土壤熱性質。作物生長過程中，每7天在各小區內采集表層0～10 cm擾動土，105 ℃下烘干24 h后測定土壤質量含水量，并根據容重計算得到土壤體積含水量。

1.4 數據處理

使用單因素方差分析（ANOVA）檢驗生物質炭添加對土壤熱性質影響的顯著性，使用最小顯著差別法（LSD）對不同處理間的均值進行多重比較檢驗，統計分析的顯著性水平均設為0.05。統計分析使用SPSS 2.0軟件完成。

2 結 果

2.1 不同生物質炭和土壤含水量處理下原狀土熱性質

圖1給出了不同生物質炭施用量和土壤含水量條件下原狀土測定的土壤熱性質。如圖1a所示，不同生物質炭處理下，土壤體積熱容量均隨土壤體積含水量的增加而增加，在0至40%含水量情況下，0 t hm-2，25 t hm-2和50 t hm-2生物質炭施用量下土壤體積熱容量分別在1.13～2.80 J cm-3K-1，1.16～2.75 J cm-3K-1和1.07～2.74 J cm-3K-1之間變動。方差分析結果顯示，在較低（0～15%）和較高（35%～40%）土壤含水量情況下，生物質炭添加對土壤體積熱容量沒有顯著影響（p ＞ 0.05）。而當土壤含水量達到20%～30%之間時，生物質炭添加顯著影響（p ＜ 0.05）土壤體積熱容量；25 t hm-2和50 t hm-2施用量下的土壤熱容量顯著（p ＜ 0.05）低于未添加生物質炭的原狀土，而25 t hm-2和50 t hm-2施用量之間無顯著差別（p＞0.05）。如圖1b所示，當土壤含水量從0增加至40%含水量情況下，土壤導熱率在不同生物質炭處理下分別從0.24 W m-1K-1增加至1.16 W m-1K-1（0 t hm-2），從0.19 W m-1K-1增加至1.09 W m-1K-1（25 t hm-2）和從0.18 W m-1K-1增加至1.03 W m-1K-1（50 t hm-2）。方差分析結果顯示，在各土壤含水量條件下，生物質炭添加均顯著影響（p＜ 0.05）土壤導熱率；施用生物質炭的土壤導熱率均顯著小于對照，而25 t hm-2和50 t hm-2施用量之間土壤導熱率差異不顯著（p ＞ 0.05）。如圖1 c所示，土壤熱擴散系數在較低含水量（＜ 20%）情況下，隨著土壤含水量增加而迅速增加，當土壤含水量較高（＞20%）時，隨土壤含水量增加表現出平衡或略微減小的趨勢。土壤熱擴散系數在不同生物質炭處理下分別在0.23～0.45 m2s-1（0 t hm-2），0.16～0.42 m2s-1（25 t hm-2）和0.17～0.41 m2s-1（50 t hm-2）之間變動。方差分析結果顯示，在較低（0～15%）和較高（35%～40%）土壤含水量情況下，生物質炭添加對土壤熱擴散系數具有顯著影響（p ＜ 0.05），施用生物質炭的土壤熱擴散系數顯著低于對照，而25 t hm-2和50 t hm-2施用量之間土壤熱擴散系數差異不顯著（p ＞0.05）。當土壤含水量在20%～30%之間時，生物質炭施用對土壤熱擴散系數無顯著影響（p ＞ 0.05），不同生物質炭處理間土壤熱擴散系數無顯著差異（p ＞ 0.05）。

圖1 不同生物質炭和土壤含水量處理下原狀土熱性質Fig. 1 Soil thermal properties of undisturbed soil cores relative to biochar treatment and soil water content

2.2 不同生物質炭處理下田間原位土壤熱性質

圖2給出了自然條件下田間原位測定的不同生物質炭處理小區土壤熱性質。土壤熱容量、導熱率和熱擴散系數均在兩季作物收獲后的測定中表現出相同的趨勢。如圖2a所示，方差分析結果顯示，生物質炭施用對田間狀態下土壤體積熱容量具有顯著影響（p ＜ 0.05）；50 t hm-2生物質炭施用量下土壤體積熱容量顯著高于對照（p ＜ 0.05），而25 t hm-2生物質炭施用量下土壤體積熱容量顯著低于對照（p ＜ 0.05）。如圖2b和圖2c所示，方差分析結果表明，田間狀態下生物質炭添加顯著影響（p ＜0.05）土壤導熱率和熱擴散系數。施用生物質炭土壤的導熱率和熱擴散系數均顯著小于（p ＜ 0.05）未添加生物質炭的土壤，而25 t hm-2和50 t hm-2施用量之間導熱率和熱擴散系數無顯著差別（p ＞0.05）。

2.3 生物質炭施用對土壤孔隙結構的影響

圖3a顯示了不同生物質炭處理小區田間狀態下土壤容重變化特征。方差分析結果表明，施用生物質炭對土壤容重具有顯著影響（p ＜ 0.05）；對照小區土壤容重均值為1.40 g cm-3，顯著高于（p ＜0.05）施用生物質炭小區；土壤容重隨生物質炭施用量的增加而下降，50 t hm-2生物質炭施用量下土壤容重均值為1.13 g cm-3，顯著低于25 t hm-2生物質炭施用量下的1.21 g cm-3。相應的，生物質炭對土壤總孔隙度也具有顯著影響（p ＜ 0.05）；25 t hm-2和50 t hm-2施用量下土壤總孔隙分別為54%和57%，顯著高于（p ＜ 0.05）對照小區的47%。

圖3b為不同生物質炭處理小區原狀土樣品測定得到的土壤水分特征曲線，單峰van-Genuchten模型擬合參數見表2。從圖4中散點及模型擬合曲線可以看出，生物質炭添加明顯影響土壤水分特征曲線形狀，尤其在低吸力段。模型擬合效果很好，決定系數均在0.98以上；模型形狀參數α隨生物質炭施用量的增加呈顯著增加趨勢（p ＜ 0.05）；n和m在50 t hm-2施用量下略微增大，擬合得到的土壤滯留含水量在25 t hm-2施用量下顯著小于對照和50 t hm-2施用量；差別最為明顯的參數為土壤飽和含水量。圖3c顯示了根據土壤水分特征曲線和式（2）計算得到的不同生物質炭處理下土壤孔隙度分布特征。方差分析結果表明，施用生物質炭對土壤大孔隙度（＞ 0.03 mm）和小孔隙度（＜ 0.0002 mm）具有顯著影響（p ＜ 0.05）；而對土壤中等孔隙度（0.03～0.0002 mm）無顯著影響（p ＞ 0.05）。土壤大孔隙隨生物質炭施用量的增加而顯著增加（p＜ 0.05）；中等孔隙在不同生物質炭施用量下無顯著差異；施用生物質炭土壤中的小孔隙顯著低于對照（p ＜ 0.05），而25 t hm-2和50 t hm-2施用量下土壤小孔隙并無顯著差異（p ＞ 0.05）。

圖2 不同生物質炭處理小區田間原位測定土壤熱性質Fig. 2 Soil thermal properties measured in-situ of the treatment plot relative to biochar application rate

表2 不同生物質炭處理下土壤水分特征曲線擬合參數Table 2 Fitting parameters of the van-Genuchten model related to biochar treatment

圖3 不同生物質炭處理小區土壤容重、水分特征曲線、孔隙度分布特征Fig. 3 Soil bulk density,soil water retention curve and pore size distribution of the treatment plot relative to biochar application rate

2.4 生物質炭施用對土壤水分含量的影響

圖4顯示了兩季作物生長過程中田間條件下不同生物質炭處理小區表層土壤體積含水量。2015年生長季中表層土壤含水量整體高于2014年生長季，各生長季土壤水分內均表現出明顯波動。方差分析結果表明，生物質炭添加對土壤表層含水量具有顯著影響（p ＜ 0.05）；施用生物質炭的土壤體積含水量整體顯著高于未施用生物質炭土壤（p ＜0.05）。

圖1和圖2結果表明，生物質炭添加對土壤熱性質會產生顯著影響，而因生物質炭自身特殊的物理、化學和生物學穩定性［6-7］，其影響也必將具有持久性。總體而言，生物質炭對土壤熱性質的影響具有綜合性，主要表現為（1）通過改變土壤固相物質組成直接影響土壤熱性質；（2）通過短期和長期效應改變土壤結構，并通過改變土壤孔隙狀況間接影響土壤熱性質；（3）在土壤結構改變的同時，影響土壤水力學性質，進而通過作用于土壤水分狀況間接影響土壤熱性質。

3 結 果

3.1 改變固相物質組成直接影響土壤熱性質

作為內部多孔的有機物質，生物質炭顆粒自身的熱性質顯著區別于土壤礦質顆粒。本研究中生物質炭顆粒自身的體積熱容量測定值為1.09 J cm-3K-1，然而使用熱脈沖探針測定過程中無法避免地包含進了生物質炭顆粒間和顆粒內部的孔隙體積，通過剔除生物質炭孔隙（總孔隙度為62.5%）的影響后，生物質炭物質的體積熱容量約為2.9 J cm-3K-1，其明顯高于土壤礦質顆粒的平均熱容量（1.9 J cm-3K-1）和土壤有機質的熱容量（2.5 J cm-3K-1）［2,17］。Zhang等［18］也報道了玉米穗生物質炭的質量熱容量為1.55 J g-1K-1，約為華北平原砂壤土的2.14倍。因此，在不考慮生物質炭改變容重的情況下，一定體積內生物質炭的加入意味著一部分礦質顆?；蛲寥烙袡C質會被這種具有較高熱容量的多孔有機物質代替。由此可以推斷，在一定含水量和容重條件下，土壤體積熱容量應隨生物質炭的加入而提高。在考慮生物質炭內部和顆粒間孔隙存在的情況下，本研究使用的生物質炭導熱率測定為0.135 W m-1K-1，其明顯低于石英（7.7 W m-1K-1）和20℃純水（0.594 W m-1K-1）的導熱率［19］。因此，在不考慮土壤孔隙度和土壤含水量變化的情況下，生物質炭添加將導致土壤導熱率下降。土壤熱擴散系數為土壤導熱率和土壤熱容量的比值，導熱率的下降和熱容量的增加勢必導致熱擴散系數的下降。然而，以上理論推導均不考慮土壤結構和孔隙狀況的變化。

圖4 不同生物質炭處理小區表層土壤體積含水量Fig. 4 Volumetric soil water content in the plot relative to biochar application rate

3.2 改變土壤孔隙狀況間接影響土壤熱性質

圖3結果表明生物質炭添加將顯著改變土壤總孔隙度和孔隙大小分布。類似研究中雖使用了不同類型生物質炭和不同質地土壤，但研究結果均相對一致，即生物質炭添加會顯著降低土壤容重并提高土壤總孔隙度［8,16,20-21］。在給定體積和含水量的多孔介質中，總孔隙度的增加意味著充氣孔隙的增加和固相物質的減少?？諝獾捏w積熱容量為0.001 25 J cm-3K-1，其遠小于土壤礦質顆粒和有機質的體積熱容量［2］。因此，生物質炭添加導致土壤孔隙度增加，并由此引起土壤體積熱容量的減小。然而，如圖1a所示，生物質炭添加對土壤體積熱容量減小效應僅在土壤含水量為20%～30%之間表現顯著。而在0～15%土壤含水量下在各生物質炭處理間體積熱容量并無顯著差異。這可能由于低含水量或低熱容量情況下，生物質炭自身較高熱容量引起的正效應與增加孔隙度引起的負效應之間發生了抵消作用。當土壤含水量較高（＞35%）時，生物質炭各處理間土壤體積熱容量差異也不顯著，這可能與高含水量下土壤中充氣孔隙的迅速減少有關；同時高土壤含水量對應的高熱容量也可能進一步掩蓋由于孔隙度增加而引起的土壤熱容量降低。Zhao等［22］在連續7年施用生物質炭的田間試驗中也發現，生物質炭添加對砂壤土體積熱容量影響不顯著。對于土壤導熱率而言，充氣孔隙的增加勢必更多地隔離土壤礦質顆粒和土壤水分之間的接觸，僅有土壤礦質顆粒和水分導熱率幾百分之一的空氣將極大地阻礙熱量在土壤中的傳導。Usowicz［23］和Ochsner等［3］均指出相對于土壤含水量，土壤中充氣孔隙的比例對土壤導熱率的影響更大。另一方面，生物質炭會以固體顆粒形式存在于土壤礦質顆粒之間，由于其自身較低的導熱率，熱量在礦質顆粒之間的傳導也將被大大降低。

如圖5b所示，生物質炭添加對土壤導熱的影響受土壤含水量的影響趨勢一致，在各含水量水平上均表現為顯著的降低效應。土壤熱擴散系數的變化趨勢決定于土壤導熱率和土壤熱容量的相對變化快慢。圖5c中，生物質炭添加對土壤熱擴散系數的影響隨土壤含水量的變化而變化。當土壤含水量較低（0～15%）和較高（＞35%）時，由于土壤導熱率的顯著降低和土壤熱容量的不顯著變化，使得生物質炭添加顯著降低了土壤熱擴散系數；而當土壤含水量中等（20%～30%）時，生物質炭添加均顯著降低了土壤導熱率和熱容量，而且二者降低的速率大致相同，導致不同生物質炭處理間土壤熱擴散系數差異并不顯著。

圖3a中結果顯示生物質炭添加顯著降低土壤容重，且相關研究表明生物質炭對土壤容重的降低作用在顆粒較粗質地土壤中更加明顯［21］。一方面，由于生物質炭自身密度較低（1.83 g cm-3），且其具有大量內部孔隙，與土壤顆粒混合后會產生直接的稀釋作用，導致土壤容重降低。然而，Burrell等［21］和Hardie等［16］均發現生物質炭自身的稀釋作用并不能完全解釋土壤容重的顯著減小。相關研究表明，生物質炭不僅作為惰性多孔有機物質消極地存在于土壤中，更可作為一種土壤改良劑在提高土壤通氣性和持水性、降低土壤酸度、促進土壤微生物活動和植物根系生長等方面扮演積極作用，并由此促進土壤顆粒團聚過程，利于團聚體內部和團聚體之間的多級孔隙的形成［16,20-21,24］。Ouyang和Zhang等［25］在壤質土中以5%質量百分比混合了木屑生物質炭，通過180 d的室內培養試驗后發現了土壤大團聚體顯著增加。Herath等［8］在黏壤土中施用玉米秸稈生物質炭（10～17.3 t hm-2）295 d后同樣發現土壤大團聚體和土壤大孔隙均顯著增加。圖5中結果同樣表明，生物質炭添加導致土壤總孔隙度的增加主要來自于大孔隙（＞ 0.03 mm）的增加，而并非來自生物質炭內部孔隙的貢獻（平均孔徑為3.74 nm），這與Hardie等［16］的研究結果一致。因此，生物質炭添加促進土壤大團聚體和土壤大孔隙的形成，是其影響土壤熱性質的一個重要途徑。Ju等［26］研究發現在中等土壤含水量條件下，無團聚體結構（＜ 0.1 mm）土壤的導熱率顯著小于有團聚體結構（＜ 2 mm）的土壤。Usowicz等［27］基于統計物理模型也論證了土壤導熱率對土壤團聚體大小的依耐性。Zhang等［18］和Zhao等［22］在連續多年施用生物質炭的土壤中也發現了土壤導熱率和熱擴散系數的顯著降低，并認為土壤團聚體和大孔隙的形成是解釋這一現象的重要原因。

3.3 影響土壤水分狀況間接影響土壤熱性質

圖5顯示了不同生物質炭處理下原狀土熱性質與土壤含水量之間密切的正相關關系（R2＞0.97）。因此，土壤含水量的輕微變動均會極大地影響土壤熱性質。從圖3的結果可以看出，生物質炭添加顯著改變土壤孔隙狀況，并會由此改變土壤水力學性質，進而影響土壤含水量動態。Barnes等［28］發現黏壤土施用生物質炭后土壤飽和導水率提高了328%，土壤入滲量也顯著提高。Jien和Wang 等［29］的研究也發現添加生物質炭會顯著增加土壤入滲并減少地表徑流。如圖4所示，施用生物質炭小區的土壤體積含水量顯著高于對照，類似的結果在Peng等［30］的研究中也有報道。因此，提高土壤含水量是生物質炭添加影響土壤熱性質的又一重要途徑。由此推斷，在不考慮土壤結構變化的條件下，隨著土壤含水量的提高，施用生物質炭小區應具有較高的土壤熱容量和導熱率。

值得注意的是，田間狀態下生物質炭增加土壤孔隙度和增加土壤含水量的效應同時存在（圖3和圖4），而二者對土壤熱性質的影響恰恰相反。因此，圖2中的結果為二者綜合效應的反映。對于土壤熱容量而言，在50 t hm-2生物質炭施用量下，由提高土壤含水量引起的正效應明顯高于通過增加孔隙度帶來了的負效應，導致土壤熱容量顯著高于對照（圖2a）；而在25 t hm-2生物質炭施用量下，增加土壤孔隙度帶來的負效應占主導，使得土壤熱容量顯著低于對照（圖2a）。對于土壤導熱率而言，不同生物質炭施用量下由增加孔隙度引起的負效應明顯抑制了由提高含水量帶來的正效應，使得土壤導熱率顯著低于對照（圖2b）。施用生物質炭對土壤導熱率和土壤熱容量的這種綜合影響導致了土壤熱擴散系數的顯著降低（圖2c），這一結果與Zhang等［18］和Zhao等［22］在長期施用生物質炭小區中田間原位測定的結果一致。

圖5 不同生物質炭處理下原狀土熱性質與土壤含水量關系Fig. 5 Relationships between soil thermal properties and soil water content in the plot relative to biochar application rate

3.4 影響土壤斥水性間接影響土壤熱性質

除了上述的兩個重要途徑外，生物質炭還可能通過影響土壤斥水性間接影響土壤熱性質。如圖6所示，本研究中使用的生物質炭材料自身的固液接觸角明顯大于90o，表現出強斥水性［31］，類似的結果在相關研究中均有報道［8,32-33］。另有研究表明，施用強斥水性生物質炭后，土壤基質自身的斥水性也有所提高［32,34-35］。Bachmann等［36］在研究中指出土壤斥水性的提高會通過提高土壤水分與固相基質的接觸角影響熱量在水分和固態物質間的傳導，導致土壤導熱率的降低。然而，由于相關研究的缺乏，土壤斥水性對土壤熱性質的影響機理至今仍不明確。另一方面，目前關于生物質炭自身斥水性特征及其對土壤基質斥水性的影響的研究很少，加之斥水性與水分含量之間存在的復雜關系，本研究未能明確生物質炭如何通過影響土壤斥水性作用于土壤熱性質，期待在今后的研究中進一步深入探討。

圖6 秸稈生物質炭表面固液接觸角Fig. 6 Solid-liquor contact angle on the surface of wheat-straw derived biochar

4 結 論

本研究結合田間定位和室內控制實驗，研究了生物質炭添加對土壤熱性質的影響機理。結果表明生物質炭添加會對土壤熱性質產生顯著影響，其主要途徑為（1）通過降低土壤容重，增加土壤大孔隙，從而顯著降低土壤導熱率，對土壤熱容量和熱擴散系數也有降低效應，但同時受土壤含水量水平影響；（2）通過改變土壤水力學特性，增加土壤含水量，從而提高土壤熱容量、導熱率和熱擴散系數。田間狀態下，生物質炭影響土壤熱性質的兩個途徑同時存在而作用相反，綜合效應表現為生物質炭添加小區的土壤體積熱容量有增加趨勢，但與生物質炭施用量有關；而土壤導熱率和熱擴散系數顯著降低。