聂 瑾，赵保卫，刘 辉，杨 哲，马锋锋

（兰州交通大学，环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730000）

近年来，将作物秸秆在高温、限氧条件下热裂解所制备成的生物炭，因其具有较高稳定性和吸附性，在固碳缓解全球变暖[1-3]、缓解土壤环境污染[4-5]等环境领域具有重要作用而被广泛研究。此外，在农业领域作为土壤改良剂或肥料的载体还田，还可以缓解由于长期过量使用化肥和高强度生产所导致的农田土壤板结、土壤肥力下降问题[6]，提高作物产量及品质[7]。然而，生物炭的施入会加深土壤颜色并改变土壤质地，影响地表土壤反照率[8-9]和热性质[10]，从而可能影响土壤温度及其变化幅度[8，11]，间接干扰土壤的内部活动及作物的生长发育[12-13]。

太阳辐射到达地面后，土壤热量的储存、传导、分布取决于土壤热性质[14]。土壤热性质参数主要有：土壤导热率、土壤热容量、土壤热扩散率。不同土壤的热性质不同，导热和贮热能力存在差异，因而不同土壤吸收一定的热量后其温度增减幅度不同[15]。土壤的热性质主要受质地、容重和水力特征的影响[16]，土壤中的水分运动和热量传输是一个不可分割的统一系统。生物炭施入土壤会改变土壤的质地、容重和水力特性，间接导致土壤热性质的变化[17]，但在田间情况下，生物炭主要是以何种方式影响土壤热性质还不明确。黄土高原地区是中国干旱区和湿润区的过渡带，水土流失严重，植被稀疏，对气候变化敏感，土壤热状况是影响地表能量平衡进而影响黄土地区下垫面结构的重要因素[18-19]，土壤热状况由温度反映。张阳阳等[8]通过田间试验研究表明，裸地条件下当生物炭施加量为0.5、4.5 kg·m-2（即5、45 t·hm-2）时，地表反照率较对照的最大降幅分别为24.3%、26.7%，但对土壤温度均无显著影响，该研究未探讨生物炭施入后对土壤热性质的影响。刘志鹏等[17]通过设置3个生物炭施用量水平（0、25、50 t·hm-2）进行田间区组试验发现，小麦秸秆生物炭能显著降低田间土壤的导热率和热扩散率，但该研究未探讨热性质变化后土壤温度对其的响应。现阶段，生物炭应用导致土壤热性质改变进而对土壤温度产生何种影响的研究较少，且主要集中于在实验室模拟，基于休耕期西北黄土田间试验的研究也较为缺乏。

因此，本研究通过设置不同施用量的小麦秸秆生物炭进行田间小区试验，原位测定休耕期农田土壤的含水率、温度以及各热性质参数等，研究生物炭施加对农田土壤热状况的影响，为生物炭在西北黄土地区的农业生产应用和生态治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验田位于甘肃省兰州市安宁区北环路保利领秀山（36°6′37″N，103°44′22″E），当地属于温带大陆性气候，年平均气温10.3℃，年平均降水量327 mm，主要集中在6～9月，年均蒸发量为900 mm，年平均日照时数为2446 h，年总辐射量为5314～7212 MJ·cm-2，无霜期为180 d。地带性土壤以栗钙土、灰钙土为主，少数地带为黑麻土和黄绵土，结构性差，透水透气性差。试验区0～20 cm土壤的基本理化性质见表1。

表1 土壤的基本理化性质

1.2 研究方法

试验所使用的小麦秸秆生物炭由江苏麦科特炭业公司提供，500℃温度下碳化6 h。生物炭基本性状见表2。参考已有关于生物炭合理施用量的研究结果[8，17]，本试验设置3个处理：0 kg·m-2（BC0）、1 kg·m-2（BC1）、4 kg·m-2（BC4），每个处理设置3个重复，共计9个试验小区。采用随机区组设计，每个小区面积2.4 m×2 m=4.8 m2，各小区之间设宽0.2 m的地垄防止小区间相互干扰。小麦秸秆生物炭于2019年10月11日一次性均匀施入各试验小区，后期不再追施。施撒生物炭前使用小型翻耕机对试验田进行翻耕，将生物炭均匀施入各试验小区后，再次使用翻耕机将生物炭均匀混合至0～20 cm土层。休耕试验期内不进行人工浇水。

表2 生物炭的基本理化性质

1.3 测试方法

为避免不良气象因素对测量的影响，测定选在晴朗少云或无云的12：00～13：00，使用Acclima SDI-12 Sensor Reader 原位测定0～20 cm土壤温度及含水率，使用便携式土壤热物性测量仪KD2 Pro原位测定0～5 cm土壤热容量、导热率、热扩散率及温度，每个小区随机选取3个测量点，测量频率为2 min。试验期内共进行9次测量，其中第3次（2019年10月16日）由于其他原因只保留含水率数据。使用环刀（直径5 cm，容积100 cm3）在每个处理小区内随机采集0～10 cm表层原状土壤样品2个，所有原状土壤样品使用烘箱在105℃下烘干24 h后测定土壤容重。

生物炭基础理化性质的测定根据《木质活性炭试验方法》（GB/T 12496.19-2015）进行测定。土壤基础理化性质按照《土壤检测》（NY/T 1121.11-2006）进行测定。

1.4 数据处理

所有数据经Excel 2010进行整理，用SPSS 22.0进行相关性分析，用Origin 8.0绘图。

2 结果与分析

2.1 生物炭施入对土壤容重的影响

生物炭施加对农田土壤容重的影响如图1所示。试验期内BC1和BC4处理的土壤容重较BC0均有所下降，BC0处理的容重变化范围为1.22～1.31 g·cm-3，BC1处 理 比BC0处 理 降低了0.5%～7%，BC4处理比BC0处理降低了2%～11%。BC0、BC1、BC4的容重平均值依次为1.27、1.23、1.20 g·cm-3，说明土壤容重随生物炭施加量的增大而减小。

图1 生物炭输入对土壤容重的影响

2.2 生物炭施入对土壤含水率的影响

试验期内共有两次有效降水（2019年10月14日降雨、2019年12月3日降雪），其中12月4日与8日的两次测量冻结较明显。图2为生物炭施加对田间土壤含水率的影响。试验期内BC0、BC1、BC4处理的含水率变化范围依次为11.3%～18.6%、10.9%～16.3%、10.7%～17.3%，含水率平均值依次为14.2%、13.7%、13.9%。从图2可以看出，在无降水休耕期（2019年10月16日～12月4日），土壤含水率随生物炭施加量的增大而减少，表现为BC0＞BC1＞BC4；而在低温冻融期（2019年12月8日～12月18日），土壤含水率随生物炭施加量增大而增大，含水率梯度关系为BC4＞BC1＞BC0。

图2 生物炭输入对土壤含水率的影响

各处理的含水率在整个试验期内变化趋势一致，最大值均出现在降水后第1 d（2019年10月16日），最小值出现在降雪后第1 d（2019年12月4日），各处理的土壤含水率均在降水前后变化剧烈，受降水影响升降明显。在无降水休耕期（2019年10月16日～12月3日），即没有地面入渗补给的条件下，各处理的土壤含水率均单向减少，降雪后15 d内的低温冻融期（2019年12月4日～18日），各处理的土壤含水率均逐步提升。

2.3 生物炭施入对土壤热容量的影响

生物炭施加对土壤热容量的影响如图3所示。BC0处理的土壤热容量变化范围为1.34～2.02 MJ·m-3·K-1，BC1处理的土壤热容量较BC0降低范围为2%～33%，而BC4处理较BC0处理降低了1%～17%。施炭处理整体降低了土壤热容量，在无降水、无冻结的条件下，各处理的土壤热容量大小关系均为BC0＞BC4＞BC1，呈不对称的“V”形。各处理的土壤热容量与含水率之间的相关系数如表3所示。整个试验期内，BC1与BC4处理的热容量与含水率呈显著正相关关系，相关系数分别为0.867**、0.791*。

图3 生物炭输入对土壤热容量的影响

表3 热容量、导热率、热扩散率与土壤含水率的Pearson相关系数

2.4 生物炭施入对土壤导热率的影响

农田土壤导热率的变化如图4所示。试验期BC0处理的土壤导热率为0.34～0.88 W·m-1·K-1，BC1处理的导热率变化范围为0.30～0.82 W·m-1·K-1，相较于BC0处理降低了3%～24%；BC4处理的导热率为0.25～0.79 W·m-1·K-1，较BC0处理降低了10%～25%。在无降水和无冻结条件下，导热率大小关系均为BC0＞BC1＞BC4。未施炭处理的土壤导热率始终大于施炭处理，即施加生物炭能降低田间土壤导热率。各处理的土壤导热率与含水率之间呈显著正相关关系（P＜0.01，表3）。

图4 生物炭输入对土壤导热率的影响

2.5 生物炭施入对土壤热扩散率的影响

试验期内土壤热扩散率的变化如图5所示。试验期内BC0处理的土壤热扩散率变化范围为0.256～0.503 mm2·s-1，BC1处理的土壤热扩散率比BC0降低了4%～14%，BC4处理较BC0处理降低了4%～25%。除第1次测量外，各处理的土壤热扩散率大小关系均为BC0＞BC1＞BC4，生物炭施加显著降低了土壤的热扩散率。各处理的热扩散率在10月16日（降水后第1 d）达到峰值，12月4日（降雪后第1 d）为谷值。各处理的土壤热扩散率与含水率之间呈显著正相关关系（P＜0.05，表3）。

图5 生物炭输入对土壤热扩散率的影响

2.6 生物炭施入对土壤温度的影响

试验期内生物炭对5和20 cm段土壤温度的影响如图6所示。BC0处理的5 cm段土壤温度变化范围为0.30～24.40℃，最大值在10月，最小值在12月。自2019年11月起，试验田5 cm段土壤温度大小均表现为BC1＞BC0＞BC4，即随生物炭施加量的增加先升高后降低，呈倒“V”形，与图3热容量所呈现的“V”形响应。BC0、BC1及BC4处理5 cm段平均土壤温度依次为10.64、11.35、10.84℃，BC1处理比BC0处理高7%，BC4处理比BC0处理高2%。试验期内各处理的20 cm段土壤温度均高于5 cm段土壤温度，且各处理的20 cm段土壤温度在试验期内差异极小，除施炭后第1次（2019年10月12日）及最后1次测定（2019年12月18日）外，施炭处理的20 cm段土壤温度都低于BC0处理，温度均表现为BC0＞BC1＞BC4，施炭处理可显著降低20 cm段土壤温度。BC0处理的20 cm段土壤温度最大值为35.21℃，最小值为15.10℃，BC0、BC1和BC4处理的20 cm段土壤温度平均值依次为23.00、22.82、22.71℃，BC1、BC4处理较BC0处理分别降低0.8%、1%。不同生物炭处理的土壤热参数与土壤温度的相关系数如表4所示。各处理的导热率与土壤温度均显著正相关（P＜0.05），且BC0处理的土壤导热率与土壤温度呈极显著相关（P＜0.01）；热扩散率与5和20 cm段土壤温度均呈极显著正相关（P＜0.01）；对于热容量，BC1处理的热容量与5 cm段土壤温度显著相关（P＜0.05）。此外，5 cm段土壤温度的季节差异明显，而20 cm段土壤温度随季节变化不明显。

图6 生物炭输入对5和20 cm土壤温度的影响

表4 热容量、导热率、热扩散率与土壤温度的Pearson相关系数

3 讨论

3.1 生物炭施入对土壤容重的影响

小麦秸秆生物炭的施加能够显著降低田间土壤的容重。首先，生物炭的容重一般在0.09～0.5 g·cm-3之间，远低于土壤容重，生物炭施入土壤对容重造成稀释作用，导致土壤容重降低[20-22]。生物炭自身质地疏松多孔，土壤中施加生物炭后总孔隙度增加，空气占比提高，固相颗粒占比降低，直接改善土壤结构，降低土壤容重[20，23]；其次，生物炭可增加微生物活性及菌根数量，促进团聚体的形成和稳定性，有效改善土壤结构，间接降低土壤容重[24]；本试验结果与前人的研究结果基本一致。

3.2 生物炭施入对土壤含水率的影响

在休耕期无地面入渗补给的条件下（2019年10月16日～12月4日），土壤含水率随生物炭施加量的增大而减少。造成这种现象的原因，一方面是生物炭的添加总体增大了土壤的孔隙度，使得土壤毛管作用减弱以及持水力减小[25]；另一方面，添加生物炭能引起地表土壤温度升高[26]，进而增加土壤水分的蒸发，使得土壤水分降低。温度会影响土壤中的水汽扩散以及土壤水分的粘滞系数[27]，因而温度的增减会影响土壤含水率。低温冻融期（2019年12月4日～18日），土壤含水率随生物炭施加量增大而增大，这可能是因为小麦秸秆生物质炭的亲水性表面积和孔隙度都较大，水分吸附在生物炭表面，储存于其微孔内[28]，且冻融低温条件下蒸发作用相对较弱，生物炭施加使得土壤养分含量增高，阻碍热量向蒸发面的传递，降低水分蒸发速率[29]，从而增大了土壤含水率。综上，在休耕期无降水补给的较高温度下，施加生物炭促使水分蒸发起主导作用，水分蒸发量大于持水量，因而使含水率随生物炭施加量的增大而降低；低温冻融条件下，生物炭的持水能力高于蒸散能力而占主导作用，综合作用表现为含水率随生物炭施加量的增加而增大。

自然条件下，土壤含水率的变化主要受降水及蒸散发等因素制约[30]，西北地属干旱、半干旱地带，日照强烈，年蒸发量大于降水量。在本研究中，各处理的含水率在无降水休耕期因蒸散作用均单向减少，与前人的研究结果基本一致[31-32]。各处理的土壤含水率均在降水前后升降明显，说明田间浅层土壤含水率在休耕期的波动还受降水影响。降雪后15 d内的低温冻融期（2019年12月4日～18日），各处理的土壤含水率均逐步提升，可能是受土壤水分冻结的影响。当土壤发生单向冻结时，水分从土壤暖端（深层）向冷端（表层）转移[33]，因此冻融期土壤上层的含水率较冻结前高。此外，壤土的持水性较强[33]，在发生冻结时，土壤表层的水分汽化脱离土壤量相对较少，从土壤深层迁入到表层的水量大于汽化量，导致冻结后各处理的含水率均有所增加。综上，说明了休耕期田间土壤含水率还与冻结有关。

3.3 生物炭施入对土壤热容量的影响

土壤的热容量是单位体积或质量的土壤温度升高或降低1℃时所吸收或放出的热量，是包括矿物质、有机质、水分（或溶液）及空气等在内的所有组分的热容量之和。生物炭具有高于土壤本身矿质颗粒的热容量，施入能显著提高土壤热容量[34]，但由于增大了土壤的孔隙度，降低了土壤容重，也能导致土壤热容量的降低[17]。研究表明，容重一定时，体积热容量是土壤含水率的函数[16]。马效松等[35]研究了不同含水率条件下，热容量随生物炭施加量的变化，结果表明在含水率相同时，土壤体积热容量随生物炭施加量的增加而降低。本研究中，各处理的土壤热容量在降水前后升降迅速，原因是水分的渗入挤占了土壤结构中的原有空气，且水的热容量远高于空气的热容量，因而土壤热容量迅速上升；之后随水分的蒸发，热容量逐渐降低。说明在田间条件下，土壤热容量对降水的响应敏感。研究期内，降水后第1 d各含水率均处于峰值时，热容量随生物炭含量的增大而增大，此外均表现为施炭整体降低了农田土壤热容量，这可能是因为雨后各处理的含水率较高且接近饱和时，生物炭自身的高热容量对土壤热容量的直接提高作用占主导；而当土壤含水率相对较低时，生物炭通过降低农田土壤含水率间接降低土壤热容量起主要作用。本研究中，在无降水休耕期（2019年10月18日～11月21日），BC1处理较BC4处理对热容量的降低作用更大，可能是由于田间条件下，外界影响因素较多，表层土壤水热交替剧烈，生物炭自身较高热容量引起的正效应与降低含水率及增大孔隙度所引起的负效应存在相互抵消，即当生物炭施加量较低，为1 kg·m-2时，降低含水量引起的负效应起主要作用；当施加量较高，为4 kg·m-2时，生物炭自身高热容量引起的正效应抵消了部分降低作用，呈现BC4处理的热容量高于BC1。此外在冻融期（2019年12月4～18日），也可能是因为农田土地冻结与融化情况不均匀，测量点冻融差异导致热容量变化规律与前人研究结果有所不同。

3.4 生物炭施入对土壤导热率的影响

施用生物炭导致的孔隙结构和含水率的变化以及疏水表面结构是导致休耕期农田土壤导热率降低的原因。首先，当生物炭施入土壤后，增大了农田土壤的孔隙度且有效改善土壤的通气性。土壤空气含量高意味着土壤颗粒之间相互接触减少，土壤颗粒间接触热阻率增大[29]，导致热量传递缓慢，导热率减小。其次，生物炭表面的芳香结构能提高自身斥水性，从而提高土壤斥水性，降低农田土壤导热率[36]。马欣等[37]分析了黄土高原地区土壤含水量和土壤热参数的变化特征，发现土壤热性质随含水率变化最明显。在本研究中，土壤导热率与土壤含水率变化趋势一致，也说明了土壤导热率还与含水率相关。本试验中，12月BC0和BC4处理的导热率迅速增大可能是降雪后低温导致的土壤水分冻结所致。由于温度降低使土壤中液态水转化为固态冰，而冰的导热率（2.16 W·m-1·K-1）是水的4倍[35]，因此各处理的导热率均升高。10月16日BC1处理的导热率低于BC4处理的导热率可能是因为当天土壤BC1处理的含水率低于BC4处理，而田间土壤导热率对含水率响应敏感所致。12月8日BC1处理的导热率显著低于BC4处理可能是因为农田土地冻结与融化情况不均匀，测量点的冻融差异所致。

3.5 生物炭施入对土壤热扩散率的影响

热扩散率是热容量和导热率的函数，因而热扩散率也随孔隙度和含水率变化而变化。在本田间试验中，生物炭显著降低了土壤热扩散率，究其原因，一方面是生物炭自身的热扩散率较小，另一方面，生物炭施加造成土壤含水率降低，间接导致土壤热扩散率降低。生物炭的施加增大了土壤总孔隙度，也提高了土壤有机质含量，改善了农田土壤的土墒条件。而质地轻、土墒条件越好的土壤热量传递越慢，热扩散率值也越低[38]，因而试验期内，生物炭添加使农田土壤的热扩散率显著降低，且生物炭施加量越多，对热量扩散的阻碍作用就越强。本试验中，土壤热扩散率与土壤含水率变化趋势一致，呈显著正相关关系，说明土壤热扩散率变化与含水率密切相关，这与前人的研究结果基本一致[39-40]。土壤热容量和导热率均受含水率影响较大，因而前期和中期的热扩散率与含水率的变化趋势相一致，但12月受降雪土壤冻结和生物炭施加的影响，热容量和导热率的变化幅度不同，综合作用导致冻结后不同处理的热扩散率呈现与二者不同的变换趋势。

3.6 生物炭施入对土壤温度的影响

已有研究表明在田间自然条件下，生物炭添加到土壤后对土壤温度的影响不是单纯增加或降低，而是具有“削峰填谷”的作用，即在夏季的中午降低土壤温度，但在冬季又可增加土壤温度。在本试验中，生物炭显著降低了土壤导热率和热扩散率，即施用生物炭后在通过相同热量的条件下土壤温度变化缓慢了，这也为生物炭对土壤温度的“削峰填谷”作用提供了解释依据。

试验田地属黄河上游地区，10月至翌年5月期间，深层土壤向表层土壤释放热量，其余月份则主要为表层土壤向深层土壤传导热量[41]，较深层土壤温度变化的原因主要是辐射累积[37]。本研究中，随着生物炭量的增加，20 cm段土壤温度逐渐降低，可能是因为生物炭的施加阻碍了深层土壤向该层土壤的热量传导。对于热容量不同的土壤而言，当相等的热量进入土壤后，热容量大的土壤升温小，热容量小的土壤升温大。试验期内生物炭施加对5 cm段土壤温度的影响没有明显的规律性，但多次表现出随生物炭施加量的增加呈先升高后降低的趋势，这主要是因为BC1处理的热容量值低于BC0及BC4处理，而热容量值低的土壤升温快，因此呈现为BC1处理的5 cm段土壤温度高于BC0和BC4处理。一方面，生物炭施加降低了地表反照率，使地表吸收的太阳辐射增加，导致地表温度升高，因此BC1处理的5 cm段土壤温度高于BC0处理；另一方面，温度升高促进农田土壤水分的蒸发，水汽上升所消耗的太阳辐射能量增加，又使地表温度下降，BC4处理较BC1处理蒸发剧烈，导致BC1＞BC4，加之BC4处理对深层土壤向上层土壤传导热量的阻碍效果强于BC1处理，也导致BC1＞BC4。5 cm段土壤温度的季节差异明显，而20 cm段土壤温度随季节变化不明显，主要是因为5 cm段土壤温度受近地表气温影响相对较大。

生物炭的施加会通过影响土壤热性质进而影响土壤温度，同时土壤温度的差异也会反过来影响土壤热性质参数。含水率的变化会引起土壤温度的变化，土壤温度同时也会反过来影响土壤水的运移及形态，维持土壤水热状况的动态平衡。

4 结论

在休耕期无降水条件下，农田土壤的容重和含水率均随生物炭用量的增加而降低，而在低温冻融期，土壤含水率随生物炭含量的增加而增大，表明生物炭对休耕期田间土壤含水率有“削峰填谷”的作用。土壤导热率和热扩散率随生物炭施加量的增加而降低，而热容量随生物炭施加先减小后增大，且试验期内土壤热容量、导热率、热扩散率的波动均与土壤含水量的变化具有一致性，相关性分析也表明不同处理的各热性质参数均与土壤含水率显著相关，但与土壤容重相关性不大，说明小麦秸秆生物炭主要通过影响土壤含水率进而影响土壤热参数。而含水率随降水和冻结有明显波动，且在无降水休耕期单向减少，即休耕期田间土壤热参数差异除受生物炭影响以外，同时还间接受蒸散、降水和冻结的影响。

对于5 cm段土壤，当生物炭施加量为1 kg·m-2时对其有增温作用，施加量为4 kg·m-2时对其有降温作用，受季节影响波动较大；对于20 cm段土壤，其温度受近地表气温影响较小，随生物炭施加量的增大而减小，即生物炭阻碍了休耕期农田土壤热量向上传导。在田间条件下，生物炭能通过影响土壤热性质来实现对农田土壤温度的调节。农田土温变化是各因素综合作用的结果，因此，应综合考虑生物炭对土壤光热参数的影响，从而揭示生物炭对西北农田土壤热状况的影响。