生物炭施加对黄土农田土壤反照率和热物理特性的影响及其机制

Biochar has the great potential ability to mitigate climate change, improve soil fertility, and remediate contaminated soils. However, it is urgent that the effect of biochar amendment on photo-thermal physical properties and temperature of soil is investigated. In this project, biochars will be prepared from waste biomasses originating from northwestern area through pyrolysis, loess in this area will be selected as the tested soil and laboratory and field experiments will be conducted. The project aims to study i) the relationship between the physical properties (chroma, light absorbance character, pore size distribution and water holding capacity) of biochar and the source of biomass, pyrolysis condition and composition and structure properties of biochar; ii) the relationship between the physical and thermal properties (heat capacity, thermal conductivity and thermal diffusivity) of biochar-loess soil mixture and the structure and property of biochar; iii) the effects of biochar amendment on albedo and thermal properties of wheat and maize farmland soils at fallow and tillage and mechanisms. The results would indicate the laws and mechanisms on the effects of biochar on photo-thermal properties and temperature of loess farmland soil, which could provide the scientific reference for the high-valued utilization of biochar in regional soil, comprehensive understanding of the response mechanisms of farmland soil properties to biochar amendment, and objective evaluation to the possible environmental effects of biochar input on farmland soil ecosystem.

生物炭在缓解气候变暖、土壤改良、受污染土壤修复等应用中潜力巨大，但其输入对土壤光热物理性质及温度变化的影响及其机制亟待研究。本项目拟选择西北地区的主要农林废弃物生物质，热解制备生物炭，以西北地区黄土为受试土壤，通过实验室和田间小区试验，系统研究生物炭的物理性质（色度、吸光特性、孔径分布和持水性能）与生物质来源、热解条件及生物炭组成和结构性质之间的关系；生物炭-黄土混合物的物理性质及热物理特性（热容量、导热率和热扩散率）与生物炭结构和性质之间的关系；生物炭输入对休耕期和作物（小麦和玉米）种植期黄土农田土壤反照率和热物理特性的影响及机制。旨在探明生物炭施加对黄土农田土壤光热物理性质和温度变化的影响规律，为生物炭在区域农田土壤中的高值利用、全面多角度认识农田土壤性质对生物炭施加的响应机制、以及客观评价生物炭输入对于农田土壤生态系统可能产生的环境效应提供参考依据。

生物炭在缓解气候变暖、土壤改良、受污染土壤修复等应用中潜力巨大，但其输入对土壤光热物理性质及温度变化的影响及其机制亟待研究。本项目选择西北地区的主要农林废弃物生物质，热解制备生物炭，以西北地区黄土为受试土壤，通过实验室和田间小区试验，系统研究了生物炭的物理性质（色度、吸光特性、孔径分布和持水性能）与生物质来源、热解条件及生物炭组成和结构性质之间的关系；生物炭-黄土混合物的物理性质及热物理特性（热容量、导热率和热扩散率）与生物炭结构和性质之间的关系；生物炭输入对休耕期和作物（小麦和玉米）种植期黄土农田土壤反照率和热物理特性的影响及机制。. 研究发现，生物质来源和热解温度显著影响生物炭的结构和性质。随热解温度的上升，生物炭比表面积增大，结构趋于芳香化；低温和高温生物炭吸湿性较强；随着热解温度升高，生物炭对各波段光的吸收增强，而其导热率、热容量和热扩散率减小。黄土土壤对光的吸收随着生物炭热解温度和添加量的增加而增强，施加生物炭可降低土壤热容量、热扩散率和导热率，降幅与生物炭施加量显著相关，其机制是生物炭的施入显著增大了土壤孔隙度、降低了土壤容重，提高了土壤有机质含量和持水性能，其中，水分含量的影响最显著。田间试验表明，施加生物炭降低了地表反照率、土壤热容量、导热率及热扩散率，降低程度与生物炭的施入量显著相关。随着作物生长，其冠状结构变化，生物炭对地表反照率的减弱效应逐渐减小甚至消失。施加生物炭对0-2.5 cm表层土温有显著影响，对5-10 cm深层土温影响不显著，其机制是土壤温度受地表反照率和土壤热物理性质的共同影响。当土壤含水量变化显著时，生物炭不再是影响地表反照率和土壤热物理性质的主要因素。该研究成果可为生物炭在区域农田土壤中的高值利用、全面多角度认识农田土壤性质对生物炭施加的响应机制、以及客观评价生物炭输入对于农田土壤生态系统可能产生的环境效应提供参考依据。