摘要
土壤热性质是土壤重要物理性质之一。土壤热性质影响热量在土壤中的储存和传递，以及农作物生长发育和土壤生物化学过程。土壤中施加黑色多孔结构的生物炭，必然会影响土壤容重和颜色，通过改变土壤孔隙率和反射率从而影响土壤温度。土壤导热率、体积热容量、热扩散率和表面反射率是土壤温度的内在决定因素，而生物炭施加对土壤导热率、体积热容量、热扩散率和表面反射率等光热性质的影响还鲜有深入研究。 本论文首先在300、500和700℃条件下制备玉米秸秆生物炭（CS300、CS500和CS700），并对所得生物炭进行结构和性质的表征及测定，分析热解温度对玉米秸秆生物炭结构和性质的影响。再通过室内土柱模拟实验，研究了玉米秸秆生物炭施加到棕壤土中的对棕壤土导热率、体积热容量、热扩散率、反射率以及吸水特性的影响，探究其影响机制。试验土柱装填方式为：将CS300、CS500和CS700按0、1、3和5%（质量含量）的施加比例与棕壤土混合，土壤含水率设为0、10、20、30和40%。此外，将土壤导热率实测值与修正后的土壤导热率模型拟合值进行对比分析，分析其拟合效果。主要结论如下： (1)热解温度对生物炭结构和性质起着显著影响。随着热解温度的升高，产率下降，灰分含量升高，pH值增大。此外，随热解温度的升高，生物炭C量上升，N、H、O含量下降，H/C、O/C、（O+N）/C下降。生物炭具有丰富的孔隙结构，随着热解温度升高，生物炭孔隙数量和比表面积有所增大，但平均孔径变小。红外光谱结果和Boehm滴定分析可得，随着裂解温度升高，玉米秸秆生物炭中不稳定官能团逐渐减弱并消失，而芳香性结构增加。在生物炭密度为0.098g/cm3条件下，测得CS300、CS500和CS700的导热率分别为0.060、0.057和0.058W m-1k-1，体积热容量为分别为0.391、0.366和0.332MJ m-3k-1，热扩散率分别为0.157、0.165和0.205mm2s-1，均小于土壤固相和液相的导热率、热容量和热扩散率。 (2)在棕壤土中玉米秸秆生物炭的施加能明显降低土壤容重、增加孔隙度和提高有机质含量。在定容条件下，随着生物炭施加量的增加，土壤导热率和热扩散率降低，但对土壤体积热容量影响较小。生物炭不同施加量处理必然导致土壤矿物和有机质颗粒被多孔生物炭颗粒取代，从而改变土壤组成。因此，生物炭可通过改变土壤固相组成，从而影响土壤热特性，主要是生物炭的施加增加了土壤中的有机质含量。通过分析不同容重土壤热性质的变化规律，发现土壤容重对土壤热性质的影响较为显著，可见生物炭的施用还可以通过改变土壤结构从而间接影响土壤热特性。土壤体积含水率对土壤热特性的影响最为显著，在体积含水率小于30%时，土壤导热率和热扩散率随含水率的增加迅速增加，但随着含水率的进一步增加，土壤导热率的增加趋势减缓，热扩散率反而降低，而土壤体积热容量与土壤含水率线性相关。 (3)生物炭热解温度对玉米秸秆生物炭吸水能力有一定影响。生物炭接触角大小和元素O/C均表明，热解温度越高生物炭疏水性越强。但CS700有较大比表面积，CS300有较多官能团和较强的亲水性，使得生物炭和含炭土壤的吸水能力CS700＞CS300＞CS500；环境温度和湿度对生物炭和含炭土壤的吸水能力有直接影响，环境湿度越大、温度越低，其吸水能力越强，平衡含水率越高。生物炭可以通过影响土壤容重和孔隙度，从而间接影响土壤的吸水能力，施加量越多其吸水能力越强，平衡含水率越高。通过分析施加生物炭后棕壤土的理化特性对平衡含水率关系发现：pH值与平衡含水率相关性不显著；孔隙度与其平衡含水率呈正相关（P＜0.01）；容重和真密度与平衡含水率呈负相关（在湿度较低时P＜0.05，在湿度较高时P＜0.01）；有机质含量与平衡含水率极其显著相关（P＜0.01，R2＞0.76）。 (4)棕壤土中玉米秸秆生物炭施加较对照组均能显著降低土壤反射率。不同热解温度制备的生物炭对反射率的降低能力为CS300＜CS500＜CS700。此外，含炭土壤反射率随玉米秸秆生物炭施加量的增加逐渐降低；土壤反射率对水分含量较为敏感，在SWC低于20%时，水分含量的增加能显著降低土壤反射率，但SWC高于20%后，水分含量的增加对反射率的影响不明显。 研究表明，棕壤土中玉米秸秆生物炭施加会影响土壤光热性质。土壤中生物炭的施加主要通过降低土壤容重，改变土壤固、液、气三相组成和影响土壤含水量以及降低土壤反射率等方式影响土壤光热性质，此外，生物炭自身较低的热性质也直接影响着土壤热特性。
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