施用生物炭对农田土壤热性质的影响与机制研究

Biochar application to croplands is considered to be a promising measure to improve carbon sequestration and mitigate global warming. Biochar’s color and other characteristics determined its application in soil would alter the reflectance and thermal properties of soil, if the mass application of biochar leads to an increased adsorption of solar radiation and soil surface temperature, it would accelerate soil organic matter decomposition, and partially or totally offset biochar’s carbon sequestration effect. Currently the research on biochar’s effect on soil thermal property, heat flux and temperature is few. Based on previous studies, this project combined long - term field experiment and soil pillar test, by applying the in-situ continuous dynamic monitoring and Thermo-TDR technology, biochar’s effect on soil reflectance, thermal properties and soil temperature variation trends in field conditions were studied; this project also includes research on the relationship between biochar application rate and soil bulk density, soil water content variation, the relationship between soil thermal properties and biochar, soil density, water content, and parameters for soil thermal property modeling for biochar-applied soils. Through the researches above, this project is aimed at illustrating the mechanism that biochar influencing soil thermal property and establishing an improved model simulating soil thermal properties of biochar-applied soils.

生物炭还田被认为是土壤固碳减排、减缓全球气候变暖的富有前景的措施，生物炭颜色和自身性质决定了其施入土壤必将改变土壤的反射率和热性质。如果大量施用生物炭导致土壤吸收更多太阳辐射热量，土壤和地表温度增高，可能加速有机质分解，部分甚至全部抵消生物炭的固碳效应。目前施用生物炭对土壤热性质、热通量和温度的影响还缺乏研究。本项目在前期研究基础上，结合田间定位试验和土柱试验，运用田间连续动态监测与Thermo-TDR技术，研究田间条件下生物炭处理土壤反射率、热性质、土壤温度、土壤热通量变化动态；探讨不同生物炭施用量处理间容重和水分的变化规律；建立土壤热性质与生物炭施用量、容重和水分含量之间的关系；建立含生物炭土壤热性质模型参数调整公式。通过以上研究，阐明生物炭对土壤热性质的影响机制，并建立含生物炭土壤的热性质模型。

生物炭因被广泛认为可以增加土壤固碳、减缓温室效应而被关注和研究，随后有报道生物炭还可以改良土壤提高作物产量，生物炭的应用随之开始，尤以我国为盛。不做深入的评价，忽视技术的负面效应，盲目应用的后果是严重的。本研究基于生物炭自身性质特点，利用培养试验和田间定位试验，研究了添加生物炭对壤土、砂土和粘土土壤热性质的影响，研究结果表明，施用生物炭显著增加土壤的容积热容量，且随着土壤水分含量的增加而显著增加。生物炭显著降低土壤热导率，且随着施炭量增加而降低，随着土壤含水量的增加而显著增加。生物炭显著增加土壤热扩散率，土壤热扩散率随着含水量的增加先增加后降低，在土壤含水量20%时，土壤热扩散率最大。沙壤土添加5%的生物炭后，在含水量为0.16 m3 m-3且容重为1.40 g cm-3时，土壤热容量增加5.7%，热导率下降10.4%，热扩散率下降12.4%。田间长期定位试验表明，连续施用9.0 t ha-1生物炭10年后，与不施生物炭处理相比，全年作物不同生育期0-7.5cm表层土壤容重降低7.3%—15.4%，土壤含水量增减变化范围为-15.9%—11.1%，受生物炭和土壤容重、水分变化影响，全年不同时期表层0-7.5cm土壤的热容量增减范围在-19.1%—10.8%，土壤热导率下降了5.0%—33.7%。在试验数据基础上，修正了添加生物炭后的土壤热导率、热容量、热扩散率模型。本研究不仅进一步揭示了先前的添加生物炭后土壤温度的昼夜变化规律和季节变化规律，而且定量解释了土壤热性质受生物炭自身性质、及添加生物炭后引起的土壤容重变化和水分变化的影响。现有的研究结果也意味着，农田土壤施用生物炭虽然可以增加土壤固碳，但由于施用生物炭后土壤反射率降低，质量土壤热容量增加，容积土壤热容量降低，土壤热导率显著降低，导致太阳辐射能更多累积在土壤表层，从而可能使地表温度增高，且减小了昼夜温差，抵消了生物炭固碳带来的温室效应减缓作用，这可能是生物炭固碳作用的负反馈机制。