玉米秸秆生物炭对灰钙土热物理性质的影响

摘要 为了研究玉米秸秆生物炭的施加对灰钙土热物理性质的影响，将质量比为0、1%、3%和5%的生物炭分别添加到干燥好备用的100 g灰钙土中，分析不同施加量的玉米秸秆生物炭对灰钙土理化性质、热物理性质的影响。结果表明：玉米秸秆生物炭能够有效提高灰钙土的pH、有机质含量、孔隙率、持水性能及阳离子交换量，降低土壤容重，从而使灰钙土肥力增强；生物炭施加量越高，灰钙土的理化性质改善效果越佳。玉米秸秆生物炭能够影响土壤热物理性质，土壤的热容量、导热率、热扩散率随生物炭施加量的增加整体呈下降趋势。灰钙土热物理性质与土壤含水量密切相关，在所有拟合中，仅BC500的热扩散率与含水量拟合效应不显著（R2<0.95），其他参数与土壤含水量拟合效应均显著（R2≥0.95）。灰钙土的热容量、导热率、热扩散率与生物炭施加量呈显著或极显著负相关，与土壤容重呈显著正相关，与土壤含水量呈极显著正相关。

关键词 生物炭；玉米秸秆；灰钙土；热容量；导热率；热扩散率

中图分类号 S-3   文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）20-0065-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.20.015

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Corn Straw Biochar on the Thermophysical Properties of Sierozem Soil

PAN Jiang-long，ZHAO Bao-wei，YANG Zhe et al

（School of Environmental and Municipal Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou，Gansu 730070）

Abstract In order to study the effect of the application of corn straw biochar on the thermophysical properties of sierozem soil，the corn straw biochar with mass ratio of 0，1%，3% and 5% were added to 100 g dried sierozem soil，and the effects of different applied amounts of corn stalk biochar on the physicochemical and thermophysical properties of sierozem soil were analyzed.The results showed that corn straw biochar could effectively improve the pH，organic matter content，porosity，water holding performance and cation exchange amount of sierozem soil，reduce soil bulk density，and thus enhance the fertility of sierozem soil;the higher the biochar application amount，the better the physicochemical properties of sierozem soil.Corn straw biochar could affect the thermophysical properties of soil，the heat capacity，thermal conductivity and thermal diffusivity of soil will decrease with the increase of biochar application.The thermophysical properties of sierozem soil were closely related to soil water content.In this study，besides the thermal diffusivity of BC500 was not significant （R2<0.95），and the others were significantly correlated with soil water content （R2≥0.95）.The thermal capacity，thermal conductivity and thermal diffusivity of calcareous soil were significantly or extremely significantly negatively correlated with biochar application，significantly positively correlated with soil bulk density，and extremely significantly positively correlated with soil water content.

Key words Biochar;Corn stalk;Sierozem;Thermal capacity;Thermal conductivity;Thermal diffusivity

生物炭是枯枝落叶、作物秸秆、城市有机固废等生物质在无氧或缺氧环境下，经高温热解碳化后所得到的稳定且富含碳的高度芳香化固态颗粒物质，其具有价格便宜、用途广泛等优点，经常被用于土壤肥力的改良剂，在环境等各界引起了关注［1-2］。在土壤中施加生物炭可以使土壤环境得以改善，土壤肥力、作物产量、土壤碳库的稳定性均得到一定程度的提高，还可以减少温室气体的排放，因此，生物炭是固碳和改良土壤的理想材料［3-7］。

土壤导热率、热容量、热扩散率等土壤热物理性质共同决定着土壤温度。目前，有关生物炭施加对土壤导热率等热物理性质影响的研究普遍较为浅显，鲜有系统的研究［8］。有研究表明，生物炭主要通过改变土壤导热率来实现对土壤温度的调节［9］。在含水量相同的条件下，生物炭降低土壤热容量、导热率和热扩散率的效果较为明显；当施加相同量的生物炭时，土壤导热率和热容量均随含水量增大而增大，热扩散率随含水量的增大呈现先增大后减小的趋势［10］。有研究发现随生物炭含量的增加导热率反而减小［11］。土壤含水量是土壤中溶质和水热迁移的基础，在土壤含水量和温度的相互作用影响下，土壤水热状况保持动态平衡。马效松等［12］研究表明土壤导热率、热容量和热扩散率随土壤含水率增加而增大；土壤导热率和热扩散率随生物炭含量增加而降低；土壤含水率与导热率、热容量、热扩散率分别呈对数函数、线性函数、二次函数关系。在农业上，土壤条件、作物种类、田间管理措施等因素共同影响土壤温度变化［13］。研究生物炭施加对土壤热物理性质的影响非常重要。

目前玉米秸秆经常被露天焚烧或随意堆存，不仅浪费资源，还释放大量有害气体，对环境造成很多负面影响。通过将玉米秸秆制成生物炭，可以实现这种农业废弃物的再利用，避免了极大的浪费，还可以使土壤的性质得以改善。灰钙土作为西北优势耕种土壤，分布广泛，对农业生产及生态保障极为重要，其具有土质疏松、孔隙发达、有机质含量较低的特点［14］。将生物炭添加到灰钙土中能够改善土壤pH、容重、含水量、有机质含量等理化性质，理化性质的改变进一步会影响土壤热物理性质的改变。因此，该研究选取兰州地区灰钙土作为供试土壤，探究玉米秸秆生物炭添加对土壤理化性质、热物理性质的影响以及热物理性质与影响因素的相关性，为解释生物炭对灰钙土农田土壤热物理性质的影响提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料 试验中的玉米秸秆生物炭为江苏麦科特生物炭制备厂生产，是玉米秸秆在500 ℃高温环境下裂解成的黑色固体粉末。生物炭灰分含量为12.33%，C、O、H、N含量分别为68.58%、17.45%、1.34%、0.48%，pH为9.28，比表面积为24.61 m2/g，孔隙率和含水率分别为86.4%和1.42%，热容量为0.372 MJ/（m3·K），导热率为0.173 W/（m·K），热扩散率为0.465 m2/s。

试验所需灰钙土取自甘肃省兰州市安宁区保利领秀山（36°06′37″N、103°44′22″E）原农田种植基地，清理地表杂质后采取0～20 cm的表层土壤。采用多点随机取样的方法进行田间土壤取样，土样中捡出根茎叶等杂质后，使之自然风干，晾晒磨研后过20目筛，将土样处理好后放在恒温箱中活化7 d备用。灰钙土中有机碳含量为8.278%，全氮、全磷和有效磷含量分别为0.127%、1.24%，0.09%，pH为7.63，孔隙率和含水率分别为60.9%和16.8%，容重为1.03 g/cm3。

1.2 试验设计

将质量比为0、1%、3%和5%的玉米秸秆生物炭与干燥好备用的100 g灰钙土混合均匀后放置于300 mL塑料容器中密封待用。将样品置于25 ℃的恒温箱中培养15 d 以确保混合样品的稳定性。每个样品设置3组平行，测定样品的pH、有机质、容重、孔隙率、持水性、阳离子交换量及热物理性质（热容量、导热率、热扩散率）。生物炭添加量为0的为空白对照组，标记为BC0，添加量1%、3%和5%的分别标记为BC100、BC300和BC500。分析不同量玉米秸秆生物炭对灰钙土理化性质的影响。

按照试验设计，向土壤中加生物炭与蒸馏水，充分混合后将样品在室温下放置36 h，样品达到水热平衡后分别测定在一定容重及一定含水量条件下不同量的生物炭添加对土壤热物理性质的影响。将含水量梯度设置为0、10%、20%、30%和40%，容重梯度设置为γ（112.96 g/cm3）、1.3γ（146.85 g/cm3）、1.5γ（169.44 g/cm3），用C、K和D分别标记测定的热容量、导热率和热扩散率。

1.3 测试方法

生物炭灰分含量采用GB/T 12496—1999中的方法测定，pH按照《木质活性炭试验方法 pH值的测定》（GB/T 12496.7—1999）中的方法测定，生物炭与去离子水的比例设定为1∶20；C、H、N含量通过元素分析仪（Vario EL型，德国 Elemntar 公司）测定，O含量通过差减法计算；孔隙结构和比表面积采用物理吸附仪（ASAP2020M型，美国麦克仪器公司）测定；热物理性质指标采用热物理性质测定仪（KD2 Pro型，美国Decagon公司）测定。

土壤样品的pH采用电位法测定；容重通过单位体积质量计算得出；粒径采用激光粒度分析仪（Master sizer 3000型，英国马尔文公司）测定；含水率通过样品烘干前后的质量差与原始质量的比值计算得出；氮含量采用凯氏定氮仪（KDN04，上海华瑞仪器有限公司）测定；有效磷含量采用分光光度计（722N型，上海箐华仪器有限公司）测定；土壤有机质含量参照双龙等［15］的方法测定；孔隙率参照GB/T 24203—2009中的方法测定；土壤阳离子交换量参照NY/T 1121.5—2006中的方法测定。

1.4 数据处理 试验数据用Excel 2013记录，用Origin 2018软件绘图，使用SPSS 23.0统计分析软件对数据进行相关性分析。

2  结果与分析

2.1 生物炭对灰钙土基本理化性质的影响

2.1.1 pH。从不同生物炭施加量对灰钙土pH的影响（图1）可以看出，随生物炭施加量的增加，灰钙土的pH增大。与对照（BC0）相比，BC100、BC300、BC500的pH增幅分别为3.1%、6.1%和7.4%，均达到显著差异（P<0.05）。试验中所用玉米秸秆生物炭的pH为9.28，比灰钙土的pH（7.63）高，灰钙土中添加生物炭后，生物炭携带的碱基离子与灰钙土自身的质子或离子发生置换反应，将碱基离子替换，使其浓度降低，盐基饱和度提高，进一步提高了土壤pH［16］。玉米秸秆生物炭自身为碱性，因此生物炭对酸性土壤pH的改良优于碱性土壤。