小麦秸秆生物炭对灰钙土农田土壤热物理性质的影响

杨 珂,赵保卫,聂 瑾,刘 辉

(兰州交通大学 环境与市政工程学院,兰州 730070)

我国是世界第一秸秆大国,每年农业活动产生各类秸秆7亿吨,约占全球秸秆总量的20%～30%[1-2]。把秸秆制成生物炭,施用于农田,可有效改善土壤的理化性质,增加作物产量,促进农业可持续发展。土壤温度不仅影响植物生理过程,而且影响土壤有机质的分解、养分供应、土壤水分、空气运动以及土壤的形成过程。生物炭施入,将改变土壤的温度,并影响土壤的热物理性质。因此,探究生物炭的施入对于土壤热物理性质的影响机制,对调节土壤的温度,提高土壤肥力,具有非常重要的意义。

目前,对于生物炭施入后土壤热物理特性的变化,学术界尚未有足够深入的探究。研究认为生物炭调控土壤温度在很大程度上取决于土壤导热率,而这一过程正是达到目的的关键所在[3]。研究表明,随着生物炭含量的增加,土壤和泥炭土混合物的导热率呈现逐渐下降的趋势[4]。生物炭的施入使土壤孔隙度及持水性能发生变化[5-12],并对土壤热容量及其他热物理性质产生一定的影响,从而影响到土壤中温度的变化。研究表明:土壤水分是溶质运移和水热迁移的基础,土壤含水量和土壤温度相互影响,从而维持土壤水热状况动态平衡[13]。农业生产中,土壤温度的波动受到多种因素的影响,包括但不限于土壤条件、作物种类以及田间管理措施等[14]。

生物炭施入土壤可间接影响土壤的结构性质、容重及含水率,并改变其热物理性质。为此,本研究选择西北地区分布较广的灰钙土为供试土,探究小麦秸秆生物炭的添加对灰钙土理化特性的影响以及生物炭在不同含水率下对灰钙土土壤热物理性质参数产生的影响,为阐明灰钙土中生物炭在农田土壤热物理性质变化中的作用提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料和仪器

试验田地处中国甘肃省兰州市安宁区,位于北纬36°6′37″、东经103°44′22″,主要降水集中于夏秋6-9月、年均蒸发量900 mm、年均日照小时数2 446 h、年总辐射110～130 kcal·cm-2,无霜时期是180天。

供试灰钙土采自上述试验田内地表下0～20 cm处,田间土壤取样为多点随机采样,除去植物根、茎、叶,大、小石块及其他杂物,自然风干并烘干后过40目筛待用。

试验需要的小麦秸秆生物炭从江苏麦科特炭业公司购买,将小麦秸秆生物炭置于高温500 ℃条件下炭化6 h。本实验采用热分析方法研究了不同温度下小麦秸秆生物炭对灰钙土持水量、田间持水能力以及土壤孔隙度等方面的影响。对试验用的小麦秸秆生物炭和土壤分别表征和测定基础理化性质,结果如表1所列。小麦秸秆生物炭的热容量值为2.37 MJ·m-3·K-1,导热率值为0.13 W·m-1·K-1。

表1 土壤和生物炭的基本理化性质

实验室主要仪器包括,电热恒温干燥箱(202-2,北京科伟永兴仪器有限公司);电子天平(FA2004N,上海良平仪器仪表有限公司);元素分析仪(Vario EL,德国Elemntar公司);pH计(PHS-3c,上海圣科仪器设备有限公司)[15];土壤热物性测定仪(KD2 Pro,美国Decagon公司)。

1.2 实验设计

按质量比分别为0%、1%、3%和5%的比例加入,使小麦秸秆生物炭和干农田土壤混合均匀后放入容量100 mL且带密封盖塑料容器中备用。在此条件下进行试验。为了确保混合样品稳定,再在25 ℃恒温培养箱内培养1周[16]。每个试样设3个平行样对其容重、pH值、孔隙率、有机质进行测定。水分量设4个梯度:0、20、30、40 g,分别测定小麦秸秆生物炭在不同含水率下对灰钙土土壤热物理性质参数产生的影响。

1.3 测试方法

根据GB/T 12496.19-2015《木质活性炭试验方法》中关于对生物炭基础理化性质检测方法的规定,对土壤基础理化性质进行测定:① 土壤有机质测定用重铬酸钾容量法;② pH值测定用电位法;③ 生物炭中的C、H和N元素测定采用Vario EL元素分析仪[17]。④ 计算生物炭的比表面积采用BET方程。⑤ 孔隙率测定采用GB/T 24203-2009中规定的方法。

土壤热物性测定仪KD2 Pro用来测定土壤热物理性质(其体积热容量为C,导热率为K,热扩散率为D),它的传感器采用SH-1系列双针结构,探测器长30 mm,孔径1.28 mm,主材质是环氧树脂。选用90 s测定周期内(30 s平衡、30 s加热和30 s冷却)的自动模式[18],直接读取其热物理性质参数值。

1.4 数据处理

用Excel2010(Microsoft)处理全部数据后,用SPSS22.0分析软件作相关分析,用Origin8.0软件作图,再将资料作统计学处理。

2 结果与讨论

2.1 生物炭对土壤理化性质的影响

2.1.1 土壤pH和有机质

添加生物炭后土壤的pH变化情况,如图1所示,可以看出土壤pH随生物炭施用量的增加逐渐升高,当生物炭施加量分别在1%、3%、5%时,pH与对照相比分别提高了0.32,0.43和0.14,呈上升趋势,但是上升幅度较小。生物炭在多数情况下呈碱性,施入土壤后可提高土壤碱基的饱和水平,降低土壤可交换铝的含量,进而提高酸性土壤的pH值[19-20]。本实验中小麦秸秆生物炭施入土壤后pH值高达9.66,远远高于试验区农田土壤pH值,因此施入生物炭后会使土壤pH值升高,这和以往研究结论相吻合[20]。

图1 生物炭对土壤pH值的影响

土壤中的有机物质是由各种动植物残体以及某些人为制造的有机肥料所产生的,其含量的高低会对土壤的肥力产生影响,有机质含量较低的土壤肥力相对较差,这会对作物的生长产生不利影响。加入生物炭后土壤有机质含量的变化情况,如图2所示,生物炭施加量在1%、3%和5%时,土壤有机质质量分数同时提高了5.64、4.29和2.29 g·kg-1,研究发现,小麦秸秆生物炭的添加能显著提高灰钙土有机质含量,并且灰钙土有机含量会随着小麦秸秆生物炭的增加而增加[21]。生物炭的增加会使得土壤有机质含量升高[22],主要原因是生物炭能够吸附有机小分子,自身有较强的吸附能力[23],使得表面形成有机质;还有就是生物炭自身具有较大比表面积和孔隙结构,很大程度上为附着在土壤上的微生物提供了有利条件,为微生物的生长繁育提供了有利的生存条件,从而提高了土壤中的有机质含量[24]。

图2 生物炭对土壤有机质的影响

2.1.2 土壤容重和孔隙率

容重是一项重要的指标,用于评估土壤颗粒排列的紧密度,根据土壤颗粒的机械组成、排列以及有机质的含量,可以反映土壤结构的强度、保水性和透水性[25]。图3是生物炭的加入对土壤容重的影响。从图3可以看出,土壤容重随生物炭添加量的增加呈缓慢下降趋势,和对照相比,当生物炭的用量分别为1%、3%、5%时土壤容重降低了0.22、0.19、0.17。主要原因是生物炭自身孔隙率大于土壤、容重远小于土壤,所以其施用于土壤中可以提高土壤总孔隙率,增加空气的比例,降低固相颗粒的比例,直接改善了土壤结构,降低了土壤的容重[26]。

图3 生物炭对土壤容重的影响

生物炭对土壤容重、含水率、热物理性质的影响,均与其对土壤孔隙率的影响直接相关(见图4)。图4中,随着施入生物质炭量的增大,土壤的总孔隙率先升高再降低,而粒径大小和形状不同的生物炭对于土壤的孔隙度有明显作用。在本实验中农田土壤孔隙率74.8%,小麦秸秆生物炭孔隙率89.7%。生物炭添加量为1%、3%和5%时,孔隙度较对照分别提高了11%、26%和29%。在不同施用量下,生物炭处理的小麦秸秆生物炭可以明显提升土壤通气性。这主要由于生物炭本身质地松散多孔,所以在施用于土壤之后使得土壤总孔隙度有所增加,另外生物炭能有效的减少土壤水分蒸发,提高水分利用效率和作物产量。然而,还有研究[27]显示,在添加量比较少的情况下,施用生物炭使土壤孔隙度下降,主要是由于生物炭本身机械强度不高,易转化为更细碎的小颗粒,阻塞了原有土壤孔隙,从而导致土壤总孔隙率下降所致。

图4 生物炭对土壤孔隙率的影响

2.2 生物炭和土壤含水率对土壤热物理性质的影响

2.2.1 生物炭和含水率对土壤热容量的影响

土壤总体积热容量指的是单位体积内,当土壤温度在增加或减少至1 ℃时所吸收或释放的总热能,其中包括矿物质、有机质、水分(或溶液)及空气等各种组分的热容量总和。随着施入生物质炭量的增大,土壤的总孔隙率先升高再降低,而粒径大小和形状不同的生物质炭对于土壤的孔隙度有明显作用。灰钙土的含水量与其土壤的热容量呈线性相关的关系(见图5),且在生物炭的不同添加水平下,热容量与含水率之间存在着紧密的正向关联,相关系数R2均大于0.952 0。此项研究成果与先前学者的研究成果高度契合[28]。

图5 不同含水率下生物炭对土壤热容量的影响

在灰钙土土壤中添加水后,其热容量和含水率之间呈现出显著的相关性,说明增加土壤含水率比生物炭增加孔隙率所带来的负面效应更有助于提高土壤体积的热容量。在相同水分条件下,添加生物炭对土壤温度变化没有明显的影响,说明添加生物炭不会造成土壤升温速率减慢。相较于未添加生物炭的对照组,生物炭的添加显著地使土壤热容量减小,并呈现出随着生物炭加入量增加而减小趋势,主要是因为加入生物炭使土壤孔隙度增加,容重减小[29],伴随着土壤热容量减小。当添加生物炭之后,土壤的热扩散系数显著下降,表明生物炭能够通过改变土壤水分分布来影响土壤的热扩散性能,从而使其具有更高的导热能力。当添加量固定时,土壤体积热容量随水分添加量的增加而增大,这是因为土壤结构中原有热量已被水分渗透挤占,水分热容量比周围空气大得多,且比土壤原热容量大4倍,故体积热容量随土壤含水量的增加而增大。

2.2.2 生物炭和含水率对土壤导热率的影响

未加水情况下土壤导热率随着生物炭加入量增加呈下降趋势[30],如图6所示,主要原因是生物炭导热率低,生物炭加入土壤后,土壤孔隙度增加,土壤通气性得到有效提高,而土壤空气含量提高,土壤颗粒间相互接触程度降低,热阻率的增加使热量传递变慢,导热率也相应降低[31-32]。

图6 不同含水率下生物炭对土壤导热率的影响

灰钙土在不同生物炭加入比例条件下,导热率都是水分含量的对数函数(R2>0.995 3)。这一结果和马效松等的研究相一致[28]。其原因是土壤结构中早有空气受到水分渗入排挤,水分导热率高于空气导热率,土壤热物理性质对含水率最为敏感,因此随着含水量的增加各处理土壤导热率都在逐渐增加。综合来看,含水率对于土壤热性质导热率具有显著影响,极细微的含水率变化都会导致土壤热性质发生变化。

2.2.3 生物炭和含水率对土壤热扩散率的影响

热扩散率是总热容量和导热率之间关系的函数,因此总热扩散率会随着孔隙量以及含水率的不同而发生变化。一方面由于生物炭的加入增加了土壤的总孔隙度,另一方面由于生物炭本身热扩散率低而使土壤中植物有机质浓度升高,也就是说,当土壤质量较轻,土壤条件较好时,土地热能传导较慢,热扩散率值较低[32-33]。因此,当含水量不变时,生物炭含量增加时土壤扩散率会相应减少,如图7所示。对于同一处理而言,含水量对土壤热扩散率的影响,总体上所呈现出的是先增后减的趋势。首先,含水量的增加会使得土壤热扩散率呈现增大趋势,其次,在含水量增加到一定幅度时,土壤热扩散率又随着含水量增加而呈现出减小趋势,这种趋势的变化是因为热扩散率与热容量及导热率之间的函数关系的影响,在热扩散率到最高值之前,导热率值随着含水量增大而增大的速率要大于它随着体积热容量增大而加快的速率,当热扩散率达到极值时,热容量随着含水量增加的速率大于导热率增加的速率,导致热扩散率随着含水量先增加后减小(R2>0.947 0)。这一结果符合马效松和其他学者的发现。

图7 不同含水率下生物炭对土壤热扩散率的影响

3 结论

1) 灰钙土农田土壤中施入小麦秸秆生物炭能显著增加土壤pH值、孔隙率和有机质含量,但土壤容重值降低。生物炭的添加量与土壤pH值、有机质、孔隙度均显著相关(P<0.01)且呈正相关,与土壤容重相关(P<0.01)且呈负相关。

2) 当添加同等量的生物炭时,土壤体积热容量和导热率均随含水量增大而增大,热容量与含水率之间呈线性正相关(R2>0.952 0,P<0.05),导热率与含水率之间呈对数关系(R2>0.952 0,P<0.05)。而在同一生物炭添加量水平下,土壤热扩散率随含水量的增大呈现先增大后减小,主要是因为含水率增加造成土壤导热率和热扩散率增幅不同,导热率的增幅逐渐低于热容量的增幅,因此导致热扩散率呈现下降趋势。