小麥秸稈生物炭對灰鈣土農田土壤熱物理性質的影響

楊 珂,趙保衛,聶 瑾,劉 輝

(蘭州交通大學 環境與市政工程學院,蘭州 730070)

我國是世界第一秸稈大國,每年農業活動產生各類秸稈7億噸,約占全球秸稈總量的20%～30%[1-2]。把秸稈制成生物炭,施用于農田,可有效改善土壤的理化性質,增加作物產量,促進農業可持續發展。土壤溫度不僅影響植物生理過程,而且影響土壤有機質的分解、養分供應、土壤水分、空氣運動以及土壤的形成過程。生物炭施入,將改變土壤的溫度,并影響土壤的熱物理性質。因此,探究生物炭的施入對于土壤熱物理性質的影響機制,對調節土壤的溫度,提高土壤肥力,具有非常重要的意義。

目前,對于生物炭施入后土壤熱物理特性的變化,學術界尚未有足夠深入的探究。研究認為生物炭調控土壤溫度在很大程度上取決于土壤導熱率,而這一過程正是達到目的的關鍵所在[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熱率呈現逐漸下降的趨勢[4]。生物炭的施入使土壤孔隙度及持水性能發生變化[5-12],并對土壤熱容量及其他熱物理性質產生一定的影響,從而影響到土壤中溫度的變化。研究表明:土壤水分是溶質運移和水熱遷移的基礎,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態平衡[13]。農業生產中,土壤溫度的波動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構性質、容重及含水率,并改變其熱物理性質。為此,本研究選擇西北地區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灰鈣土理化特性的影響以及生物炭在不同含水率下對灰鈣土土壤熱物理性質參數產生的影響,為闡明灰鈣土中生物炭在農田土壤熱物理性質變化中的作用提供一定的參考依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料和儀器

試驗田地處中國甘肅省蘭州市安寧區,位于北緯36°6′37″、東經103°44′22″,主要降水集中于夏秋6-9月、年均蒸發量900 mm、年均日照小時數2 446 h、年總輻射110～130 kcal·cm-2,無霜時期是180天。

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

試驗需要的小麥秸稈生物炭從江蘇麥科特炭業公司購買,將小麥秸稈生物炭置于高溫500 ℃條件下炭化6 h。本實驗采用熱分析方法研究了不同溫度下小麥秸稈生物炭對灰鈣土持水量、田間持水能力以及土壤孔隙度等方面的影響。對試驗用的小麥秸稈生物炭和土壤分別表征和測定基礎理化性質,結果如表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

實驗室主要儀器包括,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Elemntar公司);pH計(PHS-3c,上海圣科儀器設備有限公司)[15];土壤熱物性測定儀(KD2 Pro,美國Decagon公司)。

1.2 實驗設計

按質量比分別為0%、1%、3%和5%的比例加入,使小麥秸稈生物炭和干農田土壤混合均勻后放入容量100 mL且帶密封蓋塑料容器中備用。在此條件下進行試驗。為了確保混合樣品穩定,再在25 ℃恒溫培養箱內培養1周[16]。每個試樣設3個平行樣對其容重、pH值、孔隙率、有機質進行測定。水分量設4個梯度:0、20、30、40 g,分別測定小麥秸稈生物炭在不同含水率下對灰鈣土土壤熱物理性質參數產生的影響。

1.3 測試方法

根據GB/T 12496.19-2015《木質活性炭試驗方法》中關于對生物炭基礎理化性質檢測方法的規定,對土壤基礎理化性質進行測定:① 土壤有機質測定用重鉻酸鉀容量法;② pH值測定用電位法;③ 生物炭中的C、H和N元素測定采用Vario EL元素分析儀[17]。④ 計算生物炭的比表面積采用BET方程。⑤ 孔隙率測定采用GB/T 24203-2009中規定的方法。

土壤熱物性測定儀KD2 Pro用來測定土壤熱物理性質(其體積熱容量為C,導熱率為K,熱擴散率為D),它的傳感器采用SH-1系列雙針結構,探測器長30 mm,孔徑1.28 mm,主材質是環氧樹脂。選用90 s測定周期內(30 s平衡、30 s加熱和30 s冷卻)的自動模式[18],直接讀取其熱物理性質參數值。

1.4 數據處理

用Excel2010(Microsoft)處理全部數據后,用SPSS22.0分析軟件作相關分析,用Origin8.0軟件作圖,再將資料作統計學處理。

2 結果與討論

2.1 生物炭對土壤理化性質的影響

2.1.1 土壤pH和有機質

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,當生物炭施加量分別在1%、3%、5%時,pH與對照相比分別提高了0.32,0.43和0.14,呈上升趨勢,但是上升幅度較小。生物炭在多數情況下呈堿性,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,進而提高酸性土壤的pH值[19-20]。本實驗中小麥秸稈生物炭施入土壤后pH值高達9.66,遠遠高于試驗區農田土壤pH值,因此施入生物炭后會使土壤pH值升高,這和以往研究結論相吻合[20]。

圖1 生物炭對土壤pH值的影響

土壤中的有機物質是由各種動植物殘體以及某些人為制造的有機肥料所產生的,其含量的高低會對土壤的肥力產生影響,有機質含量較低的土壤肥力相對較差,這會對作物的生長產生不利影響。加入生物炭后土壤有機質含量的變化情況,如圖2所示,生物炭施加量在1%、3%和5%時,土壤有機質質量分數同時提高了5.64、4.29和2.29 g·kg-1,研究發現,小麥秸稈生物炭的添加能顯著提高灰鈣土有機質含量,并且灰鈣土有機含量會隨著小麥秸稈生物炭的增加而增加[21]。生物炭的增加會使得土壤有機質含量升高[22],主要原因是生物炭能夠吸附有機小分子,自身有較強的吸附能力[23],使得表面形成有機質;還有就是生物炭自身具有較大比表面積和孔隙結構,很大程度上為附著在土壤上的微生物提供了有利條件,為微生物的生長繁育提供了有利的生存條件,從而提高了土壤中的有機質含量[24]。

圖2 生物炭對土壤有機質的影響

2.1.2 土壤容重和孔隙率

容重是一項重要的指標,用于評估土壤顆粒排列的緊密度,根據土壤顆粒的機械組成、排列以及有機質的含量,可以反映土壤結構的強度、保水性和透水性[25]。圖3是生物炭的加入對土壤容重的影響。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,和對照相比,當生物炭的用量分別為1%、3%、5%時土壤容重降低了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,直接改善了土壤結構,降低了土壤的容重[26]。

圖3 生物炭對土壤容重的影響

生物炭對土壤容重、含水率、熱物理性質的影響,均與其對土壤孔隙率的影響直接相關(見圖4)。圖4中,隨著施入生物質炭量的增大,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于土壤的孔隙度有明顯作用。在本實驗中農田土壤孔隙率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,孔隙度較對照分別提高了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,提高水分利用效率和作物產量。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械強度不高,易轉化為更細碎的小顆粒,阻塞了原有土壤孔隙,從而導致土壤總孔隙率下降所致。

圖4 生物炭對土壤孔隙率的影響

2.2 生物炭和土壤含水率對土壤熱物理性質的影響

2.2.1 生物炭和含水率對土壤熱容量的影響

土壤總體積熱容量指的是單位體積內,當土壤溫度在增加或減少至1 ℃時所吸收或釋放的總熱能,其中包括礦物質、有機質、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炭對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的關系(見圖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聯,相關系數R2均大于0.952 0。此項研究成果與先前學者的研究成果高度契合[28]。

圖5 不同含水率下生物炭對土壤熱容量的影響

在灰鈣土土壤中添加水后,其熱容量和含水率之間呈現出顯著的相關性,說明增加土壤含水率比生物炭增加孔隙率所帶來的負面效應更有助于提高土壤體積的熱容量。在相同水分條件下,添加生物炭對土壤溫度變化沒有明顯的影響,說明添加生物炭不會造成土壤升溫速率減慢。相較于未添加生物炭的對照組,生物炭的添加顯著地使土壤熱容量減小,并呈現出隨著生物炭加入量增加而減小趨勢,主要是因為加入生物炭使土壤孔隙度增加,容重減小[29],伴隨著土壤熱容量減小。當添加生物炭之后,土壤的熱擴散系數顯著下降,表明生物炭能夠通過改變土壤水分分布來影響土壤的熱擴散性能,從而使其具有更高的導熱能力。當添加量固定時,土壤體積熱容量隨水分添加量的增加而增大,這是因為土壤結構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 生物炭和含水率對土壤導熱率的影響

未加水情況下土壤導熱率隨著生物炭加入量增加呈下降趨勢[30],如圖6所示,主要原因是生物炭導熱率低,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,導熱率也相應降低[31-32]。

圖6 不同含水率下生物炭對土壤導熱率的影響

灰鈣土在不同生物炭加入比例條件下,導熱率都是水分含量的對數函數(R2>0.995 3)。這一結果和馬效松等的研究相一致[28]。其原因是土壤結構中早有空氣受到水分滲入排擠,水分導熱率高于空氣導熱率,土壤熱物理性質對含水率最為敏感,因此隨著含水量的增加各處理土壤導熱率都在逐漸增加。綜合來看,含水率對于土壤熱性質導熱率具有顯著影響,極細微的含水率變化都會導致土壤熱性質發生變化。

2.2.3 生物炭和含水率對土壤熱擴散率的影響

熱擴散率是總熱容量和導熱率之間關系的函數,因此總熱擴散率會隨著孔隙量以及含水率的不同而發生變化。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散率低而使土壤中植物有機質濃度升高,也就是說,當土壤質量較輕,土壤條件較好時,土地熱能傳導較慢,熱擴散率值較低[32-33]。因此,當含水量不變時,生物炭含量增加時土壤擴散率會相應減少,如圖7所示。對于同一處理而言,含水量對土壤熱擴散率的影響,總體上所呈現出的是先增后減的趨勢。首先,含水量的增加會使得土壤熱擴散率呈現增大趨勢,其次,在含水量增加到一定幅度時,土壤熱擴散率又隨著含水量增加而呈現出減小趨勢,這種趨勢的變化是因為熱擴散率與熱容量及導熱率之間的函數關系的影響,在熱擴散率到最高值之前,導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,當熱擴散率達到極值時,熱容量隨著含水量增加的速率大于導熱率增加的速率,導致熱擴散率隨著含水量先增加后減小(R2>0.947 0)。這一結果符合馬效松和其他學者的發現。

圖7 不同含水率下生物炭對土壤熱擴散率的影響

3 結論

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

2) 當添加同等量的生物炭時,土壤體積熱容量和導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(R2>0.952 0,P<0.05),導熱率與含水率之間呈對數關系(R2>0.952 0,P<0.05)。而在同一生物炭添加量水平下,土壤熱擴散率隨含水量的增大呈現先增大后減小,主要是因為含水率增加造成土壤導熱率和熱擴散率增幅不同,導熱率的增幅逐漸低于熱容量的增幅,因此導致熱擴散率呈現下降趨勢。