Тепловые свойства поверхностного горизонта урбанозема при внесении различных доз биоугля

Аннотация

Исследованы тепловые свойства верхнего пахотного горизонта урбанозема, отобранного на территории Почвенного стационара МГУ, березового биоугля, а также их смесей. Просеянную через сито 1 мм почву из гор. Апах смешивали с биоуглем в различных долевых соотношениях; содержание биоугля в смесях составляло от 1 до 15% по сухой массе. Почвой, биоуглем и их смесями набивали пластиковые цилиндры высотой 5,1 см и диаметром 7,7 см. Плотность образцов менялась от 1,34 гсм–3 для гор. Апах до 0,28г·см–3 для биоугля. Измерения тепловых свойств проводили зондовым методом, используя прибор TEMPOS с зондом SH-3; расстояние между иглами зонда составляло 0,6 см. Для каждого из шести образцов провели серию измерений при пошаговом изменении влажности образца от максимальной после капиллярного насыщения до минимальной в воздушно-сухом состоянии. При каждом значении влажности для каждого образца тепловые свойства измеряли в десятикратной повторности, последовательно помещая зонд в разные позиции в пределах центральной зоны образца. Теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность субстратов закономерно уменьшались с увеличением содержания биоугля во всем диапазоне влажности; наибольшие значения всех тепловых свойств были получены для гор. Апах, наименьшие — для биоугля. Все образцы демонстрировали линейный характер роста объемной теплоемкости с влажностью, причем углы наклона полученных кривых были близки. Рассчитанная по экспериментальным данным удельная теплоемкость почвенной влаги оказалась равной 3406,8 Дж·кг–1К–1, что подтверждает представления о том, что теплоемкость воды в почве меньше теплоемкости свободной воды. Теплопроводность биоугля росла с влажностью почти линейно. Теплопроводность почвы и смесей быстро увеличивалась с влажностью в области 0,03–0,20 см3см–3, затем рост замедлялся, и при увеличении влажности свыше 0,45 см3·см–3 теплопроводность снижалась. Температуропроводность биоугля была очень низкой и почти постоянной во всем диапазоне влажности. Зависимости температуропроводности от влажности для почвы и смесей были сходны с кривыми для теплопроводности, но обладали двумя слабо выраженными максимумами, первый из которых наблюдался при влажности менее 0,20 см3·см–3. Сделан вывод о том, что внесение биоугля в суглинистую почву снижает ее температуропроводность и тем самым стабилизирует температурный режим почвы, уменьшая размах суточных колебаний температуры и замедляя сезонное прогревание. Для городских условий при высоких летних температурах этот эффект можно расценивать как положительный; для регионов с низкой теплообеспеченностью внесение биоугля в почву скорее нежелательно, по крайней мере в контексте ее температурного режима.

Литература

1.    Андрианов П.И. Теплоемкость связанной воды и теплоемкость почв // Доклады ВАСХНИЛ. 1936. Вып. 2. С. 71–74.
2.    Архангельская Т.А. Температуропроводность серых лесных почв Владимирского ополья // Почвоведение. 2004. № 3. С. 332–342.
3.    Архангельская Т.А., Телятникова Е.В., Умарова А.Б. Температуропроводность почвенно-торфяных смесей: нелинейная зависимость от содержания торфа // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2024. Т. 79, № 4. С. 105–113. https://doi.org/10.55959/MSU0137-0944-17-2024-79-4-105-113
4.    Вершинин П.В., Мельникова М.К., Мичурин Б.Н. и др. Основы агрофизики. М., 1959. 903 с.
5.    Григорьян Б.Р., Грачев А.Н., Кулагина В.И. и др. Влияние биоугля на рост растений, микробиологические и физико-химические показатели мало гумусированной почвы в условиях вегетационного опыта // Вестн. технологического ун-та. 2016. Т. 19, № 11. С. 185–С. 189.
6.    Дмитриев Е.А. К вопросу о некоторых факторах, определяющих удельную теплоемкость твердой фазы почвы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. биол. 1958. № 4. С. 103–111.
7.    Когут Б.М., Большаков В.А., Фрид А.С. и др. Аналитическое обеспечение мониторинга гумусового состояния почв. М., 1993. 73 с.
8.    Минникова Т.В., Русева А.С., Колесников С.И. и др. Численность бактерий в нефтезагрязненном черноземе обыкновенном после ремедиации // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2023. Т. 78, № 3. С. 65–75. https://doi.org/10.55959/MSU0137-0944-17-2023-78-3-65-75
9.    Прибор для определения теплофизических параметров материалов TEMPOS. СПб., 2019. 38 с.
10.    Рижия Е.Я., Бойцова Л.В., Вертебный В.Е. и др. Изменчивость полифенолоксидазной и пероксидазной активности агродерново-подзолистой почвы разной окультуренности с биоуглем // Сельскохозяйственная биология. 2022. Т. 57, № 3. С. 476–485.
11.    Chen H., Ma J., Wei J. et al. Biochar increases plant growth and alters microbial communities via regulating the moisture and temperature of green roof substrates // Sci. Total Environ. 2018. Vol. 635. P. 333–342. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.04.127
12.    Chowdhury S., Akpinar D., Nakhli S.A.A. et al. Improving stormwater infiltration and retention in compacted urban soils at impervious/pervious surface disconnections with biochar // J. Environ. Man. 2024. Vol. 360. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2024.121032
13.    De Vries D.A. Thermal properties of soils / In: D.A. De Vries, W.R. Van Wijk (Eds.), Physics of plant environment Amsterdam, 1963. P. 210–235.
14.    Kayes I., Halim M.A., Thomas S.C. Biochar mitigates methane emissions from organic mulching in urban soils: Evidence from a long-term mesocosm experiment // J. Environ. Man. 2025. Vol. 376. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2025.124525
15.    Kayiranga A., Li Z., Isabwe A. et al. The effects of heavy metal pollution on collembola in urban soils and associated recovery using biochar remediation: a review // Int. J. Environ. Res. Public Health. 2023. Vol. 20, № 4. https://doi.org/10.3390/ijerph20043077
16.    Kim Y.J., Hyun J., Yoo S.Y., Yoo G. The role of biochar in alleviating soil drought stress in urban roadside greenery // Geoderma. 2021. Vol. 404. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115223
17.    Kong S., Tang J., Ouyang F., Chen M. Research on the treatment of heavy metal pollution in urban soil based on biochar technology // Environ. Technol. Innovation. 2021. Vol. 23. P. 101670. https://doi.org/10.1016/j.eti.2021.101670
18.    Minnikova T.V., Kolesnikov S.I., Ruseva A.S. et al. Influence of the biochar on petroleum hydrocarbon degradation intensity and ecological condition of haplic chernozem // Eurasian J. Soil Sci. 2022. Vol. 11, № 2. P. 157–166. https://doi.org/10.18393/ejss.1037798
19.    Obia A., Cornelissen G., Martinsen V. et al. Conservation tillage and biochar improve soil water content and moderate soil temperature in a tropical Acrisol // Soil Till. Res. 2020. Vol. 197. https://doi.org/10.1016/j.still.2019.104521
20.    Scharenbroch B.C., Meza E.N., Catania M. et al. Biochar and biosolids increase tree growth and improve soil quality for urban landscapes // J. Environ. Qual. 2013. Vol. 42, № 5. P. 1372–1385.
21.    Somerville P.D., Farrell C., May P.B. et al. Biochar and compost equally improve urban soil physical and biological properties and tree growth, with no added benefit in combination // Sci. Total Environ. 2020. Vol. 706. P. 135736.
22.    Usowicz B., Lipiec J., Łukowski M. et al. Impact of biochar addition on soil thermal properties: Modelling approach // Geoderma. 2020. Vol. 376. P. 114574. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2020.114574
23.    Usowicz B., Lipiec J., Łukowski M. et al. The effect of biochar application on thermal properties and albedo of loess soil under grassland and fallow // Soil Till. Res. 2016. Vol. 164. P. 45–51.
24.    Yoo S.Y., Kim Y.J., Yoo G. Understanding the role of biochar in mitigating soil water stress in simulated urban roadside soil // Sci. Total Environ. 2020. Vol. 738. P. 139798.
25.    Yue Y., Cui L., Lin Q. et al. Efficiency of sewage sludge biochar in improving urban soil properties and promoting grass growth // Chemosphere. 2017. Vol. 173. P. 551–556. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.01.096