玉米秸秆生物炭对休耕期农田地表反照率及热物理性质的影响

杨 哲，赵保卫，刘 辉，聂 瑾，马锋锋

（兰州交通大学，环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730000）

农田土壤的性质决定了农作物生长的状况，近年来除了土壤化学性质以外，其热物理性质也渐渐成为研究热点。土壤热物理性质主要包括土壤热容量、导热率和热扩散率等，是土壤最重要的性质，不仅影响土壤中热量的储存和传递[1]，也影响土壤水热运动及地表能量平衡，而这些均与地表吸收的辐射能有关。地表反照率是反映地表土壤吸收辐射能的主要参数，是太阳辐射反射通量与入射通量的比值，其大小反映了太阳辐射被下垫面吸收的程度[2]。影响地表反照率的因素有太阳高度角、土壤质地、土壤湿度等[3]。太阳高度角和地理位置有关，不是人为可控制的因素，而土壤质地、土壤湿度等可以通过一定的人工手段改变其性质，例如向土壤中施加生物炭，可以改变土壤的颜色、质地和湿度，进而影响地表反照率和热物理性质。生物炭是生物质（枯枝落叶、作物秸秆等）在无氧或缺氧条件下，经高温热解碳化后所得的稳定且富含碳的固态颗粒[4-6]。同其他形式的有机碳相比，具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积[7]，将秸秆制成的生物炭添加到土壤中，能够有效改善土壤环境[8]、增加土壤肥力[9]、提高作物产量[10-11]。通过研究施加生物炭的农田土壤，了解生物炭对地表反射率的影响，进一步探究土壤热物理性质的变化情况，对合理利用土壤能量，提高作物产量具有较大的现实意义。

近年来，生物炭施加对土壤热物理性质的研究非常多，马效松等[12]以北方寒区农田土壤为研究对象，发现不同碳水组合条件下土壤热性质参数变化特征不同；Zhang等[13]通过大田定位监测试验发现，作物生育期内地表反照率对土壤热性质有一定调节效果。还有学者对休耕期和作物生育期的生物炭对土壤热物理性质的影响做了对比研究，Usowicz等[14]分别于草地和裸地中施用生物炭，发现草地土壤热性质无明显变化，而裸地土壤导热率及热扩散率均随生物炭施加量的增大而降低。Dong等[15]对波兰温带气候下草地和裸地分别施用木质生物炭，发现生物炭对裸地土壤反照率的降低效应优于草地土壤，并且在一定浓度范围内，反照率随生物炭施加量的增加而降低。张阳阳等[16]通过田间试验研究发现，生物炭以4.5 kg·m2·年-1分别施入裸地及种植作物土壤后，裸地反照率下降26.7%，而种植作物土壤的反照率受作物生长发育影响。通过这些研究可见，地表反照率的降低会改变土壤表面的能量平衡，生物炭对地表反照率的影响与地表覆盖类型有关，其中对裸地的影响更大。已有田间试验表明[17]，当生物炭以6 kg·m2·年-1施入裸地后，其地表反照率较对照相比下降高达80%，所以对休耕期生物炭土壤热物理性质的研究更有意义。

兰州位于青藏高原西侧，连年干旱少雨，土壤较贫瘠，能用于耕种的土地很少。将秸秆制成的生物炭添加到土壤中可能会改变土壤表面的能量平衡，提高地温，保持水分，对土壤肥力的提升有重要意义。鉴于此，本文立足于兰州西北城郊农田土壤，采用田间小区试验方法，将生物炭以不同比例添加到农田土壤中，通过对农田地表反照率、土壤温度、土壤热性质等指标的观测，分析在休耕期裸地条件下玉米秸秆生物炭对地表反照率及热物理性质的影响。研究结果有助于揭示生物炭对土壤热性能的影响机制，为客观评价生物炭对土壤热性能调控提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于甘肃省兰州市安宁区保利领秀山农田种植基地，该基地位于36°03′ N、103°40′ E。市区海拔平均高度1518 m，年均气温10.3℃，年平均降水量327 mm，年蒸发量＞2400 mm，降水集中在7～9月。夏季最高月平均气温28℃，冬季最低月平均气温-21℃。年太阳辐射总量504～630 kJ·cm-2，年日照时数平均2424 h，无霜期180 d以上，最大冻结深度1.03 m。

1.2 供试材料

本研究所用生物炭为江苏麦科特生物炭制备厂生产，该生物炭是以玉米秸秆为原料，在高温500℃下裂解成的黑色固体粉末。生物炭理化性质详见表1。

表1 生物炭理化性质

1.3 试验设计

试验设置3个处理，分别为（1）CK处理（不施用生物炭）、（2）BC10处理（生物炭施用量为1.0 kg·m-2·年-1）、（3）BC40处理（生物炭施用量为4.0 kg·m-2·年-1）。每个处理均设3个重复，随机区组排列。每个处理小区面积2.4 m2（1.2 m×2.0 m）。各处理之间设宽0.25 m、深0.2 m间隔沟，各重复处理之间设宽0.5 m、深0.35 m间隔沟，试验小区周围设置宽1 m的保护带，如图1所示。生物炭施用时间为2019年10月11日，施用生物炭前，对试验小区内的土壤进行翻耕处理，耕深20 cm，然后将生物炭以上述比例均匀撒至相应处理样方中，使用铁锨使其与土壤充分混合至0～20 cm土层，随后平整土壤。试验期间不添加任何肥料。试验区土壤类型为灰钙土，其理化性质详见表2。

图1 试验区概况

表2 土壤理化性质

1.4 测试方法

地表反照率测定：使用美国ASDHandHeld2手持式地物光谱仪（光谱范围为325～1075 nm且光谱分辨率＜3 nm）测定地表反照率。仪器正对被测土壤，探头为25°视场角，根据文献[18]计算得出，当试验小区面积为2.4 m2时，地物光谱仪的手持高度为距地表1.3 m，可保证完全接收地表的反射辐射。反照率的测量时间为晴天中午前后进行，雨后2 d内不进行测量。为减少太阳高度角变动而产生的误差，每个试验区地表反照率的测定在2 min内完成，将2 min内获得所有数据的平均值作为试验小区地表反照率的实测值。2019年10月～2020年1月间共进行9次测定。

土壤温度含水量测定：使用数字式TDT土壤水活度（接口SDI-12）传感器，通过数字化分析土壤中传播的波形获得高精度、超稳定性的土壤含水量，同时可获得0～10 cm土层平均温度，测定时间与地表反照率的测定时间相同。

土壤热物理性质测定：使用KD2 Pro热特性分析仪进行测定，其测定方法为热脉冲法。使用传感器为SH-1型的双针，探针长30 mm，直径1.28 mm，主体材料为环氧树脂。选择自动模式在90 s的测试周期（30 s平衡、30 s加热和30 s冷却）后可直接获取导热率、热容量、热扩散率的数值[19]。

土壤理化性质测定：土壤容重采用环刀法，pH值采用电位法，土壤全磷参考《GB 9837-1988》测定、全氮参考《GB 7173-1987》测定，有机质参考《GB 9834-1988》测定，孔隙率参考《GB/T 24203-2009》测定。

1.5 数据处理方法

利用Excel 2013记录试验数据，同时用地谱分析仪连接View Spec Pros TM后处理反照率数据，利用SPSS 23.0进行单因素方差分析，借助LSD最小显著性差异法检验土壤热容量、导热率、热扩散率的差异显著性，统计分析的显著性水平均设为P＜0.05，最后利用Origin 2018制图。

2 结果与分析

2.1 生物炭输入对地表反照率的影响

生物炭输入对地表反照率的影响如图2所示。从2019年10月12日至12月18日的观测结果显示：生物炭输入会降低地表反照率，BC10和BC40处理的地表反照率均较CK处理显著下降（P＜0.05）。CK、BC10、BC40处理的地表反照率波动范围分别为0.17～0.32、0.15～0.31、0.13～0.28，BC10和BC40处理的地表反照率较CK处理相比降幅分别为3.1%～11.7%、12.5%～23.5%。其中，除12月4日降雪后反照率显著增高外，3种处理的地表反照率都在0.13～0.25小范围内波动，未随观测日期的变化出现较大改变。但秋季（10月12日～11月21日）平均地表反照率呈增加趋势，冬季（12月4日～12月18日）呈减小的趋势。

图2 生物炭输入对地表反照率的影响

土壤水分变化会对地表反照率产生影响，土壤水分与地表反照率的拟合方程见表3。拟合结果显示，土壤含水量的变化会对反照率产生实质性影响，地表反照率随土壤含水量的增加呈对数递减的趋势，二者呈显著负相关关系。土壤含水量变化会改变土壤的热性能，使地表水热变换发生改变[20]，进而影响地表反照率。但地表反照率随土壤含水量的增加而降低，可能原因为土壤含水量越大，地表吸收的短波辐射能越大，从而导致地表反照率减小。

表3 地表反照率与土壤水分的拟合方程

2.2 生物炭输入对土壤温度的影响

生物炭输入对不同土层土壤温度的影响如图3所示。图3a为生物炭输入对0～2.5 cm土层温度的影响，从图3a中可以看出，不同生物炭施用量对土壤温度影响不同，与CK相比，BC10处理的土壤温度波动幅度小，没有形成显著差异，而BC40处理的土壤温度显著升高，增幅为4.7%～11.5%。图3b为生物炭输入对5～10 cm土层温度的影响。由图3b可见，试验期内各处理土壤温度的变化同日平均气温变化趋势一致。在整个休耕期内，5～10 cm土层温度的变化范围为17～33℃，其中，10月温度最高，12月温度最低；除10月12日外，BC10与BC40处理的土壤温度与CK相比无显著差异。10月12日降雨，土壤含水量增大，生物炭处理的土壤温度与对照相比降低，12月4日降雪后，土壤冻结，含水量降低，BC10与BC40处理的土壤温度显著升高，可见，土壤含水量的变化对土壤温度有重要影响，二者相互作用共同维持土壤水热动态平衡[21]。

图3 不同生物炭处理的0～2.5及5～10 cm土层温度随采样时间的变化

2.3 生物炭输入对土壤容重的影响

由图4可以看出，生物炭以不同比例施入到土壤中后，土壤容重均呈现不同程度的下降，且BC40处理的下降幅度更大，差异显著（P＜0.05）。同CK处理相比，BC10、BC40处理的土壤容重分别降低了2.4%处理、14.7%。土壤容重最大值出现在雨后第1 d（10月16日），由于雨水的入渗，土壤含水量增加、孔隙度减小、容重增大，随着时间的推移，水分逐渐蒸发，10月17、18日土壤容重随含水量的降低逐渐降低。进入12月后，随着温度降低，土壤冻结，BC10、BC40处理下，土壤容重反而升高。总体来看，BC40处理的土壤容重在试验期内的波动幅度最大（10.2%～14.7%），而BC10处理的土壤容重只在小范围内（1.3%～2.4%）波动。土壤容重大小取决于土壤质地、结构、孔隙度、结持力等自然因素[22]，人为活动的干扰也会影响土壤容重。本研究结果发现，同CK处理相比，BC40处理对0～10 cm土层容重降低效果最为显著，主要原因为随着生物炭施加比例的提升，土壤孔隙度和有机质含量增加，土壤结构改变，进而容重下降。另外，由于降雨及其他气象因素的影响，表层土壤的养分会随水分向下迁移[23]，改变下层土壤结构，致使土壤容重降低。

图4 不同生物炭处理的土壤容重随采样时间的变化

2.4 生物炭输入对土壤含水量的影响

由图5可知，施加生物炭会导致土壤含水量降低。在整个试验期范围内，同CK处理相比，BC10及BC40处理的土壤含水量均单向减少，呈下降趋势，且BC40的下降幅度大于BC10。整个休耕期共出现两次有效降水（2019年10月14日降雨，2019年12月4日降雪），此外未进行任何人工浇水行为。在没有地面入渗补给的天然条件下（2019年10月16日～2019年12月4日），土壤含水量的最小值为施炭后1 d（10月12日），最大值出现在降雨后1 d（10月17日），降雨降雪后各处理含水量都有显著提升，在一定程度上说明施碳增加了土壤保水能力，但基本趋势保持不变。试验期内CK、BC10、BC40处理的含水量变化范围依次为13.4%～18.7%、11.8%～17.6%、11.4%～15.6%。CK处理的含水量最高，但BC10的波动幅度最大（32.95%），BC40的波动幅度最小（26.92%）。

图5 不同生物炭处理的土壤含水量随采样时间的变化

2.5 生物炭输入对土壤热物理性质的影响

图6a为生物炭输入对土壤热容量的影响。从图6a中可以看出，施加生物炭会降低土壤热容量，BC10、BC40处理的土壤热容量与CK处理相比具有显著差异（P＜0.05）。试验期内CK、BC10、BC40处理的土壤热容量变化范围依次为1.52～1.96、1.53～1.88和1.41～1.74 MJ·m-3·K-1。BC10、BC40相对于CK处理下降幅度分别为4.1%、11.2%。本研究中，10月16日降雨后土壤热容量迅速上升并达到峰值，雨后1 d热容量开始缓慢下降，原因是降雨期间水分会迅速入渗到土壤中，土壤中原有的空气被取代，由于水的热容量高于空气热容量，所以土壤热容量在降雨后迅速升高。此后，随着温度的变化，土壤中的水分蒸发，含水量下降，土壤导水和水气扩散能力受到限制，蒸发速率较为缓慢，热容量逐渐降低，但变化幅度较小。12月4日，土壤冻结，温度下降，低温导致土壤中液态水转化为固态冰，而冰的体积热容量为2.14 J·m-3·K-1，小于水，所以在冻结过程中热容量降低。此外，生物炭可以通过改变土壤固相物质组成直接影响土壤热容量，研究表明，生物炭添加到土壤中会降低土壤干密度，而热容量是干密度的递增函数，从而导致热容量降低[19]。

图6b为生物炭输入对土壤导热率的影响。从图6b中可以看出，BC10和BC40处理的土壤导热率与CK处理相比都有不同程度的降低，BC40处理的降低趋势更显著。CK、BC10、BC40处理导热率的变化范围分别为0.52～0.89、0.46～0.85、0.35～0.72 Wm-1·k-1。同CK处理相比，BC10、BC40处理的导热率分别降低了5.56%、18.17%，BC40处理相对于BC10处理降低了11.25%。土壤导热率峰值仍出现在降雨后1 d，且随不同生物炭处理下的土壤含水量变化趋势相同，因为雨后土壤中水分占据了空气的孔隙空间，土壤颗粒之间形成了水桥，增大了颗粒之间的接触面积，从而导热率迅速升高。土壤导热率谷值出现于降雪后（12月4日），土壤冻结。但随后导热率又升高，是因为冻结后土壤温度降低，土壤容重变化明显，液态水转化为固态冰，且冰的导热率是水的4倍，所以土壤导热率又出现增大趋势。土壤导热率是土壤导热能力大小的表征，土壤质地、孔隙度及含水量是导致导热率变化的主要因素。李毅等[22]研究表明土壤导热率与含水量可建立幂函数关系，存在定量关系，导热率随含水量的增大而增大。本研究中生物炭降低了土壤导热率，且随生物炭施加量增大，降低趋势更显著，这主要是生物炭自身较小的导热率及表面结构造成土壤容重降低，进而使导热率降低。

图6 不同生物炭处理的土壤热容量、导热率、热扩散率随采样时间的变化

图6c为生物炭输入对土壤热扩散率的影响。从图6c中可以看出，土壤热扩散率随施碳量增加而降低。CK、BC10、BC40处理的土壤热扩散率的变化范围分别为（0.34～0.47）×10-7、（0.29～0.45）×10-7、（0.26～0.44）×10-7m2·s-1。BC10、BC40处理的土壤热扩散率较对照相比分别降低4.3%、15.9%。10月18日BC10处理的热扩散率高于CK处理，可能由于测量仪器误差或气象因素所致。土壤热扩散率是土壤传递热量快慢的表征，影响大气和地表之间的水分与能量交换。本研究中，生物炭施入土壤影响土壤温度及水分，土壤热扩散率随水分和温度呈现季节波动性，表现出秋季保持平稳，冬季上升的趋势。造成这种现象的原因为土壤在融化和冻结阶段表现不同的热力学特征。冬季测量时浅层土壤处于始冻期，土壤仅发生持续3～4 d的日冻融循环，所以热扩散率呈现先平稳、雪后下降、雪融又上升的趋势。在冻融的不同阶段，土壤的能量传输形式会表现差异，不仅有热传导，也有热对流，且在农田监测中，也可能存在非热传导过程对热扩散率的影响。原黎明等[19]通过对青藏高原下垫面土壤热扩散率的影响表明，低温仅对5～20 cm土壤热扩散率有影响并呈现季节性差异，融化及冻结等不同阶段土壤水分的迁移方式不同，融化阶段主要以热传导为主，冻融以非热传导为主。整体来看，土壤冻结后热扩散能力相对于未冻结大幅度提升。

3 讨论

在休耕期无作物覆盖的情况下，生物炭输入会显著降低地表反照率。10月12日为施碳后1 d，天气晴朗，土壤含水量低，而10月17日为雨后晴天，雨水入渗使土壤含水量增高，导致地表反照率显著增加，究其原因：（1）土壤湿度增加，影响了下垫面和地物反射特征的变化[24]，导致地表反照率降低。（2）晴天云层对太阳光的遮挡很小，到达地表的下行辐射较多，而阴雨天大部分太阳辐射被云层遮挡，地表吸收的辐射能减少，使地表反照率降低。12月4日降雪后，积雪覆盖导致地表反照率迅速升高并出现峰值，各处理差异性显著减小，主要原因为积雪覆盖掩盖了生物炭加深土壤颜色这一效应，积雪面积、深度均影响地表对辐射能的吸收，在这种天气条件下，地表反照率值的大小主要受积雪参数影响[25]，所以观测时段内地表反照率显著升高。但积雪期较短，随着积雪消融，土壤湿度逐渐增加，地表反照率逐渐降低后趋于平稳。所以在没有特殊天气情况的影响下，生物炭能显著降低地表反照率，而出现降雨降雪等天气状况时，生物炭不再是影响地表反照率的主要因素。

土壤温度的变化影响土壤水热交换、溶质运移，改变土壤中微生物活性，直接或间接影响土壤微环境及生产力[26]；生物炭对土壤温度的影响主要受土壤地表反照率及土壤导热率共同作用[27]。赵建坤[1]通过长期定位研究发现，生物炭对土壤温度日变化及季节变化的影响不同，生物炭可以调节5 cm土壤的温度波动。另有田间试验表明，生物炭添加到麦田后土壤温度显著提高，对小麦生长发育有良好的促进作用[13]。本研究中，生物炭能够影响0～2.5 cm表层土壤温度，对5～10 cm深层土壤温度无显著影响。造成这种现象的原因为生物炭降低了土壤导热率，限制了热量从土壤表层向深层的传递，从而使表层温度升高。田间条件下，影响土壤温度变化的因素较为复杂，各土壤因素间相互作用，且田间管理措施、季节变化、降雨、降雪等自然或人为因素均会引起土壤温度的改变。

生物炭对土壤含水量的影响受土壤质地、土壤水势、生物炭用量和生物炭类型的影响。有研究表明，生物炭能够显著提升稻田土壤含水量，有效提高土壤的保水性能，当生物炭施用量为4.5 kg·m2·年-1时，含水量提升2.5%[28]。本研究中，生物炭显著降低了土壤含水量，与上述结果相反，究其原因：（1）本试验中样方区是在原农田或荒山基础上大面积开山取土平整后形成的，土质粘重，结构差，土壤肥力也较差，通气状况不好，对水分的吸持效果较差，生物炭自身具有疏松多孔的特性，添加到土壤中后由于其稀释作用改善了土壤粘重结构，促进土壤团聚体形成，但增大的土壤比表面积不足以抵偿土壤结构破坏引起的比表面积下降，从而导致含水量下降。（2）灰钙土中富含碳酸根钙盐及代换性钠离子[29]，呈碱性且盐分含量较高，造成土壤生理干旱，适水性差，这种条件下生物炭施加到土壤中提高了土壤颗粒含量，使土壤更易板结，加快了土壤中水分的蒸发速率，导致含水量减少。可见，生物炭对土壤含水量的影响不仅要考虑施加量，还应考虑土壤本身质地及机械组成，只有生物炭施加量同土壤含水量达到适宜水平时才能提高田间持水能力[28]。另外，不同数量及大小的生物炭颗粒与不同质地土壤颗粒之间的级配关系对土壤含水量的影响不同[30]，生物炭粒径越大，越容易堵塞水分迁移的通道，降低土壤入渗性能，使土壤含水量降低，保水性能变差。

土壤热性质的大小反映了土壤储存热量、传递热流的能力。田间条件下，受土壤质地、含水量和温度等因素影响。本研究中，生物炭一方面通过改变土壤固相物质组成直接影响土壤热性质，另一方面通过影响地表反照率间接影响土壤热性质。生物炭具有比表面积大且疏松多孔的特性[28]，添加到土壤中后，使土壤有机质含量增加，容重显著降低。勉有明等[31]研究表明，秸秆生物炭还田可促进秸秆中的养分释放，增加土壤中阳离子交换量及土壤酶活性，从而有效改善土壤结构，降低土壤容重。并且生物炭可为土壤中微生物提供充足的碳源[32]，碳源增加，土壤中微生物的碳氮比改变，从而促进生物炭释放相关活性因子，改善土壤结构，降低了土壤容重。而土壤容重、含水量的变化则会影响土壤热性质，通过相关性分析（表4）得出，各热性质参数与土壤容重及含水量显著相关，其中含水量的影响最为显著，相关系数分别为0.723、0.813和0.848。可见，微小的含水量变化便会引起土壤热性质的变化。但除降雨、降雪等天气影响外，土壤热性质未随观测日期出现较大波动，基本趋于平稳，因此在没有水分入渗的条件下，生物炭主要通过自身结构性质降低土壤容重，影响土壤热性质。

表4 土壤热物理性质与生物炭（BC）、容重（ρb）、含水量（θv）间的相关性分析

4 结论

在休耕期无作物覆盖的情况下，BC10、BC40处理的土壤地表反照率较CK处理相比显著下降，最大降幅分别为11.7%、23.5%。土壤含水量与地表反照率呈显著负相关关系，随含水量增加地表反照率显著降低。此外，地表反照率在秋冬季节表现出差异性，秋季随观测日期的变化逐渐增大，冬季则有降低的趋势。

施加生物炭仅影响0～2.5 cm表层土壤温度，并未对5～10 cm土层温度产生影响。土壤温度与大气温度相呼应，与土壤含水量密切相关。

施用生物炭显著降低土壤容重，进而降低土壤的热物理性质。随施炭量增加，土壤热容量、导热率、热扩散率均呈下降趋势，且添加量越大，下降幅度越大。各热性质参数与施炭量、容重、含水量显著相关，其中，对含水量的影响最为显著。