生物质炭添加对土壤水热性质及过程影响的机理研究开题报告

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1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

土壤热性质，即土壤热容量、土壤导热率、土壤热扩散系数，对于土壤表面与内部热量的分布与传导起到极其重要的作用，而由此产生的对于土壤温度日较差的变化[1][2][3]与土壤水分分布情况的变化[4][5]也会对于土壤的微域气候产生重要的影响。而土壤微域气候的变化又会影响到诸如植物生长（种子萌发、植株出苗等）[6][7][8] 与土壤微生物活动（有机物矿化率与周转率等）[9][10][11] 的化学与生物过程。在土壤物理建模、农田管理、气候研究与工程应用中土壤热容量也都是不可或缺的数据。[12][13]土壤的热性质主要取决于土壤中三相物质的分布情况。其中较为稳定的固相部分又可以分为矿质部分与有机质部分。对于一个给定的土壤种类来说，气矿知足分只会受到长期的气候变化的影响，而在气候稳定的自然生态下，有机质含量也可视为稳态。而诸如耕作与施肥等人类活动可以在短期内对于土壤有机质含量产生极显著的影响。[14]. rovdan and usowicz [15]的研究发现仅有极小部分的土壤有机质会对于土体的土壤热性质产生显著影响。作为土壤中最不稳定的组分[16],，液相物质具有最高的热容量与较高的导热率，会对于土壤热性质产生显著的影响。除土壤的三相组成之外，由于会影响到土壤三相物质的界面分布情况，土壤的结构也是一个影响土壤热性质的重要因素。同时，土壤质地也极易受到诸如耕作培肥等的人为活动的影响。[17]土壤容重的增加（土壤孔隙度的下降）也会显著增加土壤的热性质[18][19][20][21]。这种现象在土壤含水量高时更加明显[22][23]。同时土壤团聚体也会对土壤结构、水分分布产生影响从而对于土壤热性质产生影响。[23][24]

生物质炭指在高温厌氧状态下由各种生物有机材料热分解生成的一种固体有机物质。[25][26]近几十年来，其工业生产效率的提高以及其在土壤改良的应用与可以长期稳定固碳的性质使其在科学界引起广泛关注。[27][28][29]. 由于其独特的稳定性，生物质炭的施用会对自然环境与生态系统造成一系列不可逆的长期影响。至今为止，已经有大量的关于生物质炭对于土壤化学与生物过程的短期与长期影响。其中大部分显示了生物质炭的添加对于土壤肥力与作物产量 [30][31] 、矿质营养元素与重金属的有效性[32][33]、土壤微生物种类数量以及植物根系活性[34]和碳封存与降低温室气体含量[27][29][35]等都具有显著的影响。然而生物质炭添加对于土壤物理性质及相关影响机理的研究却鲜有所见。[36]近年来，一些研究结果一致表明施用生物质炭可以显著影响土壤结构与性质（如：土壤容重、土壤导热率与团聚体稳定性）、土壤水分分布特征（如：田间持水量、植物有效水含量、植物永久萎蔫点）与土壤水分动态特征（如：土壤饱和与非饱和导水率、水分入渗率）。由此可以推测生物质炭的添加可能会通过改变物质组成、土壤孔隙度、与土壤水分特征等从而对于土壤热性质产生影响。然而有关生物质炭添加对于土壤热性质及能量平衡的文献资料却少之又少。[37]发现在两种不同的土地利用类型的情况下施加生物质炭对于土壤热性质具有显著的影响。zhang et al.(2013) and zhao et al. (2016)[38][39]在华北平原的田间沙壤土上进行为期五年的玉米秸秆生物质炭施用(4.5 t ha1year1与9.0 t ha1 year1)实验后发现土壤的导热率与热扩散系数显著下降，同时也降低了表层土温的日较差与年较差。然而并未对于其机理进行清晰解释。

二·研究现状 土壤是固体、液体和气体三相组成的非均一介质，其热性质由这三相物质的比例和组成决定。对于同一种土壤而言，土壤热性质并非常数，会随土壤结构、孔隙状况、含水量及有机质含量的改变而改变。由于土壤性质存在普遍的时空变异性，对土壤热性质参数的连续定位测定也一直是土壤学研究的难点。随着电子技术的进步，土壤水热参数的测定技术在过去二十年间取得了长足进展，使田间长期定位研究土壤热性质及其动态变化成为可能。生物质炭作为新兴的土壤改良剂对土壤容重、团聚体状况、土壤持水能力以及土壤有机碳含量都具有很大的影响，且影响的显著程度会随施入量及时间的长短而变化。因此，生物质炭添加对土壤热性质的影响不仅是土壤理化性质改变的综合作用结果，也应具有一定的时间依赖性。

2. 研究的基本内容和问题

（1）生物质炭添加量对土壤热性质的影响 通过室内模拟（无植被），分析生物质炭添加对旱地红壤表层土壤热容量、导热率和热扩散系数的影响；室内模拟试验中，在控制土壤容重及含水量情况下，分析生物质炭添加量对土壤热性质的影响，并建立二者之间的函数关系。田间定位试验中，通过测定不同时期生物质炭处理小区土壤热性质，分析不同生物质炭添加量在自然状态下对土壤热性质的综合影响。

（2）生物质炭添加影响土壤热性质的作用机理 以不同含水量下测定的土壤理化性质及热性质数据为基础，使用方差分析及通径分析等方法，分析生物质炭添加如何通过影响土壤有机质、容重、孔隙度、持水性能、含水量、团聚体特征等对土壤热性质产生的直接和间接作用，揭示生物质炭添加在时间尺度上通过改变土壤物质组成及各组分间相互作用影响土壤热容量、导热率及热扩散系数的作用机理。

3. 研究的方法与方案

一·室内模拟试验 室内短期培养试验发现生物质炭添加的对旱地红壤团聚体特征的影响并不显著。因此，本研究假设在没有植物根系活动情况下，短期培养过程中土壤容重和孔隙状况不发生变化。另外，尽管生物质炭中少量不稳定土壤有机碳组分会被土壤微生物分解，但由于没有植物根系活动及土壤表层凋落物进入土壤，有理由认为室内试验中不同处理间土壤有机碳含量的差异主要由施入生物质炭量不同引起的。基于此，本课题拟在室内控制土壤容重（固体和气体比例）和土壤含水量（液体比例）的条件下，对施用不同用量的生物质炭的土壤样品进行恒温培养并测定土壤热性质，着重研究生物质炭输入引起土壤有机质含量改变对土壤热性质的影响。具体试验方案如下： a. 土壤样品的采集、处理及基本性质测定 于江苏省南京市河海大学现有试验田中，使用容积为100cm3的环刀获取实验田中的原状土壤样品27个并烘干待测。在江西省进贤县张公镇江西红壤研究所的旱地试验田中，使用直径5 cm的土钻在样地中采集表层0-10 cm红壤扰动土样（当地翻耕深度约为10 cm），将土样充分混合后带回实验室风干并过2 mm筛备用。同时，使用容积为100 cm3的环刀采集原状土壤样品20个。测定研究区土壤基本理化性质。 b. 生物质炭的获取及处理 本课题拟选用的生物质炭是河南省三利能源有限公司制备的小麦秸秆炭，由小麦秸秆在330~350℃下厌氧烧制，其中约35%的生物质材料转化为生物质炭。该生物质炭自身基本理化性质已有报道：pH值为10.35，阳离子交换量217cmol/kg，容重0.45g/cm3，比表面积8.9m2/g，

有机碳467.1 g/kg，有效磷4.7 g/kg，全氮5.9 g/kg。生物质炭样品经均匀混合后过2 mm筛备用。 c. 试验设计及土柱填装 试验土柱拟使用直径12 cm（测定土壤热性质探针最长为10 cm），高12 cm一端开口的有机玻璃柱，在侧面离闭口端5 cm处设有4个宽为1 cm的圆形开口并配有皮塞，用于插入探头测定土壤热性质。设有三个容重水平，分别为1.50 g/cm3，1.25 g/cm3和1.00 g/cm3，模拟压实、常态和翻松三种状态；土壤体积含水量设十个水平，分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%及饱和状态下状态。目前，国内外关于生物质炭研究中生物质炭添加量从10 t/ha 到135 t/ha不等，最大施用量在40-80 t/ha之间。因此，本课题拟对生物质炭施用量设6个水平，分别为0（对照）、12.5 t/ha、25t/ha、37.5 t/ha、50.0 t/ha和62.5 t/ha，按照红壤容重为1.25 g/cm3和10 cm施用深度计算则分别为0（对照）、1%、2%、3%、4%和5%。装柱高度统一设为10 cm，可根据设定的容重和含水量计算得到风干土壤样品、蒸馏水及生物质炭的质量配比，将三者充分均匀混合后分层装入有机玻璃柱内，每个土柱设3个重复，共计540个原始数据（3 容重× 10含水量 × 6生物质炭 × 3重复）。 河海大学试验田内已烘干原状土样土壤体积含水量设十个水平，分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%及饱和状态下状态，并测定土壤基本理化性质。（3生物质炭 × 10含水量 × 9重复）

二·统计分析方法 针对室内试验测定数据，使用单因素方差分析分别确定同一容重或同一含水量情况下生物质炭对土壤热容量、导热率和热扩散系数等三个参数的影响是否显著，并使用多重比较方法比较不同施用量下土壤热性质参数差异；分析同一生物质炭施用量下，土壤容重和土壤含水量对土壤热性质的影响。使用多因素方差分析研究土壤有机质含量、容重和土壤含水量对土壤热性质的综合作用，分析两两因素之间可能存在的交互作用。通过线性或非线性拟合建立土壤有机质含量、土壤容重、孔隙度和含水量与土壤热性质参数之间的函数关系式。

4. 研究创新点

本项目旨在在土壤固碳应对全球气候变化背景下，将土壤热性质作为时间尺度上的变量，研究人为输入稳定有机质对土壤热性质的影响机理，并分析土壤水分和温度的动态响应。

5. 研究计划与进展

（1）准备相关试验材料（土柱和成品生物质炭等）及设备（土壤温度、水分监测设备和土壤热性质测定仪器等）；（2）施入生物质炭前期，完成研究区扰动土壤样品及原状土壤样品采集及处理，测定基本土壤物理及化学性质； （3）对试验数据进行初步分析。 （4）分析完整试验数据，揭示生物质炭添加量及添加时间对土壤热性质的影响及作用机理，探讨土壤水热动态响应特征；（5）完成所有研究内容并撰写科研论文。