生物炭不同添加量對旱作覆膜農(nóng)田土壤團(tuán)聚體特性及有機(jī)碳含量的影響

龐津雯，王鈺皓，陶宏揚(yáng)，衛(wèi)婷，高飛，劉恩科，賈志寬，張鵬

生物炭不同添加量對旱作覆膜農(nóng)田土壤團(tuán)聚體特性及有機(jī)碳含量的影響

1西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100；2農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；3甘肅省耕地質(zhì)量建設(shè)保護(hù)總站，蘭州 730020；4中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081

【目的】研究西北旱作區(qū)長期地膜覆蓋農(nóng)田添加不同量生物炭對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和有機(jī)碳含量的影響，為旱作覆膜農(nóng)田地力提升、作物的可持續(xù)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā吭谶B續(xù)多年雙壟溝覆膜農(nóng)田基礎(chǔ)上，采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為全膜雙壟溝覆蓋種植和傳統(tǒng)平作不覆膜種植2個處理，副區(qū)為生物炭添加水平，分別為不添加（N）、低量添加（L）：3 t·hm-2、中量添加（M）：6 t·hm-2和高量添加（H）：9 t·hm-2。測定生物炭不同添加量對覆膜農(nóng)田不同粒級土壤團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及玉米產(chǎn)量的影響。【結(jié)果】生物炭連續(xù)添加兩年后，各覆膜處理能顯著提高0—60 cm土層土壤大粒級（＞0.25 mm）團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性（6.1%—8.7%）及水穩(wěn)性團(tuán)聚體的百分含量（15.9%—83.6%），玉米產(chǎn)量可顯著（＜0.05）提高35.0%—41.8%。在覆膜條件下，添加生物炭能顯著提高土壤大粒級團(tuán)聚體百分含量及其穩(wěn)定性，干篩＞0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量（MR0.25）和濕篩＞0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量（WR0.25）分別平均提高6.8%和29.6%，且隨生物炭添加量的增加增幅逐漸增大。此外，生物炭添加提高了覆膜農(nóng)田土壤有機(jī)碳及團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，其中以高量添加（9 t·hm-2）效果最好，分別提高13.9%和25.9%。玉米產(chǎn)量與生物炭添加量顯著相關(guān)（λ=0.42，＜0.001），且在覆膜條件下產(chǎn)量最大（12.8 t·hm-2）?！窘Y(jié)論】生物炭添加可提高覆膜農(nóng)田土壤團(tuán)聚體含量及穩(wěn)定性，增加玉米產(chǎn)量，還可以顯著增加土壤有機(jī)碳含量，促進(jìn)有機(jī)碳固存，且添加量為9 t·hm-2時(shí)效果較好。

地膜覆蓋；生物炭；團(tuán)聚體特性；土壤有機(jī)碳；旱作農(nóng)田

0 引言

【研究意義】我國北方旱作區(qū)光熱資源豐富、生產(chǎn)潛力大[1]，但該區(qū)降水少且季節(jié)分布不均，導(dǎo)致作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)[2]。地膜覆蓋通過增溫保墑抑蒸可顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，已成為旱作區(qū)重要的栽培措施之一[3]。然而，大量研究發(fā)現(xiàn)，在水肥不能充分保證的旱地上，長期地膜覆蓋使作物增產(chǎn)的同時(shí)會造成土壤水分、有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的下降，導(dǎo)致地力耗竭，不利于農(nóng)田土壤生產(chǎn)的可持續(xù)性[4-5]。因此，如何在長期地膜覆蓋下提升土壤地力已成為近年來的研究熱點(diǎn)之一?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】生物炭擁有理化性質(zhì)穩(wěn)定、含碳率高及孔隙結(jié)構(gòu)豐富等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)和環(huán)境等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前已有許多研究發(fā)現(xiàn)，生物炭在短期內(nèi)能夠有效改善黃土高原土壤理化性質(zhì)、減少水土流失并增加作物產(chǎn)量[6-8]，對土壤地力的保護(hù)有著積極的影響。土壤團(tuán)聚體作為土壤養(yǎng)分的重要載體，是評價(jià)土壤是否具有良好物理結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，其數(shù)量、大小的分布以及穩(wěn)定性直接影響著土壤質(zhì)量[9]。同時(shí)，團(tuán)聚體也是土壤有機(jī)碳賦存與固持的載體，其形成及穩(wěn)定性與土壤有機(jī)碳密切相關(guān)[10-11]。大量研究表明，生物炭作為土壤改良劑施入土壤后不僅可以增加養(yǎng)分含量，而且對促進(jìn)植物根系的生長及微生物的繁殖均有積極作用，從而可促進(jìn)大團(tuán)聚體形成并增加其有機(jī)碳含量[12-14]，其增幅會隨施用量和施用年限的增加而變化[15-17]。王富華等[18]的研究表明，施加生物炭對紫色土總有機(jī)碳和各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均有顯著提高，但對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響較小，且隨施用量的增加效果越好，以施加8 t·hm-2的生物炭效果最優(yōu)。張星等[19]發(fā)現(xiàn)，施用9 t·hm-2比4.5 t·hm-2生物炭更有利于維持較高的微生物活性和較穩(wěn)定的土壤環(huán)境。而安寧等[20]在長期定位試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，長期施用適量生物炭可增強(qiáng)土壤固碳能力、改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，而過量施用可能會降低土壤大孔隙度和土壤孔隙的通氣導(dǎo)水能力?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前關(guān)于生物炭添加的研究較多，多集中在對土壤性狀和培肥效應(yīng)方面，已基本明確生物炭添加影響作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量，以及生物炭具有改良土壤的重要作用[8,21]，然而對于旱作區(qū)適宜的生物炭添加量的研究尚未有明確定論，尤其是針對長期覆膜農(nóng)田生物炭不同添加量對土壤團(tuán)聚特性、有機(jī)碳等的影響尚不明確。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究基于長期地膜覆蓋試驗(yàn)（2012年開始），以傳統(tǒng)平作為對照，以當(dāng)?shù)剞r(nóng)田秸稈生產(chǎn)量為依據(jù)，設(shè)置0、3、6和9 t·hm-24種生物炭添加量，研究不同添加量對覆膜農(nóng)田土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機(jī)碳含量的影響，結(jié)合玉米產(chǎn)量，闡明生物炭不同添加量對于旱作覆膜農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)及對作物產(chǎn)量的影響，以期為北方旱作農(nóng)區(qū)覆膜條件下提升土壤地力、作物的可持續(xù)生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于寧夏回族自治區(qū)彭陽縣長城旱地農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站（106°48′E、35°51′N），為典型黃土高原丘陵溝壑地貌區(qū)，海拔1 800 m，多年平均降雨量為430 mm，年蒸發(fā)量1 753 mm，年平均氣溫8.1℃，無霜期155 d，屬典型的溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，試驗(yàn)地2019—2020年降雨量和氣溫如圖1。試驗(yàn)田為旱平地，土壤類型為黃綿土，其中砂粒含量為14%（0.05—2.0 mm），粉粒為26%（0.002—0.05 mm），黏粒為60%（＜0.002 mm），屬中低等肥力水平，試驗(yàn)地0—60 cm土層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

圖1 試驗(yàn)地2019—2020年玉米生育期日降雨量和日均氣溫

表1 試驗(yàn)地0—60 cm土層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為全膜雙壟溝覆蓋（D）和傳統(tǒng)平作不覆膜（F）2個處理，副區(qū)分別設(shè)置4個生物炭添加水平（不添加（N）、低量添加（L）：3 t·hm-2、中量添加（M）：6 t·hm-2和高量添加（H）：9 t·hm-2），共組成雙壟溝覆膜添加高量（DH）、中量（DM）、低量（DL）和不添加生物炭（DN）；傳統(tǒng)平作添加高量（FH）、中量（FM）、低量（FL）和不添加生物炭（FN）共8個處理，重復(fù)3次。小區(qū)面積為28.8 m2（3.6 m×8 m），小區(qū)間設(shè)置 1 m 寬隔離帶，防止小區(qū)間互相影響。

雙壟溝種植：在田間大小兩壟相間，大壟寬70 cm、高15 cm，小壟寬50 cm、高10 cm，大小壟上全部覆蓋生物降解地膜（地膜寬120 cm，山東清田塑工有限公司生產(chǎn)，降解時(shí)間120—180 d），大小壟相接處播種玉米。試驗(yàn)用生物炭是玉米秸稈在450—500℃無氧條件下熱解產(chǎn)生（寧夏榮華生物質(zhì)新材料科技有限公司），有機(jī)碳含量≥40%，pH 10.5，全氮含量8.5 g·kg-1。生物炭于2019年開始添加，每年于覆膜前全部機(jī)械翻入耕層土壤，然后進(jìn)行起壟，在壟上覆膜。傳統(tǒng)平作田間不覆膜。種植方式見圖2。

圖2 兩種植方式示意圖

供試作物為春玉米，品種為大豐30，于每年4月中下旬播種，9月底或10月初收獲。種植密度為75 000株/hm2。用鷹嘴播種器人工播種，播種深度為4—5 cm。播種時(shí)各處理施用基肥：N 150 kg·hm-2和P2O5120 kg·hm-2，在大喇叭口期用鷹嘴施肥器在玉米株間追施氮肥150 kgN·hm-2，施肥深度為4—5 cm。作物生育期不灌水，并根據(jù)情況進(jìn)行人工除草。其他田間管理同當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶。

1.3 土壤樣品采集及測定方法

在生物炭連續(xù)添加兩年后，于2020年玉米收獲后第2天在各小區(qū)內(nèi)用直徑為5 cm的土鉆按“S”型5點(diǎn)取土法進(jìn)行取樣，分別在0—10、10—20、20—40、40—60 cm土層取土樣，各試驗(yàn)小區(qū)每點(diǎn)土樣同層混合，作為1次重復(fù)（約500 g），每個小區(qū)重復(fù)3次。將挑出石塊及動植物殘?bào)w等雜質(zhì)后的土樣，放在陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，再粉碎、過篩，測定土壤有機(jī)碳含量。在各試驗(yàn)小區(qū)按照“S”型5點(diǎn)取樣法在 0—10、10—20、20—40、40—60 cm各土層采集原狀土樣，將自然風(fēng)干的原狀土土塊按自然紋理剝離為 1 cm3左右的小土塊，其間去除粗根和小石塊，作為測量土壤團(tuán)聚體的樣品。

采用重鉻酸鉀氧化法測定全土和不同粒級團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量[22]。土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的組成采用干篩法[23]測定：將孔徑分別為 5、2、1、0.5和0.25 mm的土篩按孔徑由大到小疊放成一組套篩，稱取100 g風(fēng)干土樣3份并放置于土篩上，篩分成不同粒級團(tuán)聚體，稱重并計(jì)算其重量占比，最后算出平均值。

土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體參考CAMBARDELLA等[24]的方法，用濕篩法分級測定。使用的套篩篩孔直徑分別為5、2、1、0.5、0.25 mm。稱取風(fēng)干土樣100 g置于5 mm篩內(nèi)，套篩放在沉降筒內(nèi)蒸餾水中浸潤5 min后，以30次/min速度、上下30 mm的振幅在水中振蕩10 min，再將套篩取出，把不同孔徑篩內(nèi)的團(tuán)聚體沖洗到鋁盒中，獲得＞5、2—5、1—2、0.25—1和＜0.25 mm各粒級的團(tuán)聚體。將盛有各級團(tuán)聚體的鋁盒置于烘箱內(nèi)50℃烘干后，稱重，計(jì)算各粒級團(tuán)聚體的百分含量。在此過程中，遇有懸浮秸稈殘?bào)w采用自制濾網(wǎng)撈出。

1.4 有關(guān)指標(biāo)計(jì)算

利用干篩法和濕篩法所得到的各粒級團(tuán)聚體數(shù)據(jù)，計(jì)算各粒級團(tuán)聚體含量、＞0.25 mm團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚體平均重量直徑（mean weight diameter，MWD），計(jì)算公式如下：

WSAi（%）= Wi/WT×100；

R0.25（%）= Mr＞0.25/MT×100；

PAD0.25（%）= (Wd-Ws)/Wd×100。

式中，WSAi為i粒級機(jī)械穩(wěn)定性或水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量（%），Wi為i粒級機(jī)械穩(wěn)定性或水穩(wěn)性團(tuán)聚體重量（g），WT為供試土壤總重量（g）。R0.25為粒級＞0.25 mm團(tuán)聚體含量（%），Mr＞0.25為粒級＞0.25 mm團(tuán)聚體重量（g），MT為團(tuán)聚體的總重量（g）。MWD為團(tuán)聚體平均重量直徑（mm），Xi為i粒級組分的平均直徑（mm），n為粒徑分組的組數(shù)。PAD0.25為粒級＞0.25 mm團(tuán)聚體破壞率（%），Wd為粒級＞0.25 mm的機(jī)械穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Ws為粒級＞0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行前期處理，使用SPSS 23.0軟件進(jìn)行顯著性差異分析、單因素方差分析等。不同處理間進(jìn)行多重比較（LSD法），設(shè)置顯著水平＜0.05，采用Origin 2021進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果

2.1 生物炭不同添加量對土壤團(tuán)聚體分布的影響

各處理玉米收獲后土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布特征在0—60 cm各土層相似（圖3），＞5 mm團(tuán)聚體占比最大，平均為40.9%，＜0.25、1—0.25和5—2 mm次之，2—1 mm團(tuán)聚體占比最小，平均僅占比12.8%。

在生物炭同一添加量下，各覆膜處理在0—60 cm各土層＞5 mm團(tuán)聚體占比均顯著（＜0.05）高于不覆膜處理，DH、DM、DL、DN處理分別較對應(yīng)FH、FM、FL、FN平均提高7.6%、8.4%、8.7%和6.1%，其余粒級團(tuán)聚體占比無顯著差異。在相同種植模式下，各生物炭添加處理＞0.25 mm各粒級團(tuán)聚體占比均隨生物炭用量的增加逐漸增大，在0—60 cm土層，DH、DM、DL處理＞5、5—2、2—1 和1—0.25 mm粒級團(tuán)聚體的占比分別較DN處理平均提高11.4%（＜0.05）、5.6%、4.7%和3.4%，F(xiàn)H、FM、FL較FN處理分別平均提高9.0%（＜0.05）、2.8%、6.1%和4.3%，生物炭添加高量（DH和FH）和中量（DM和FM）處理在各土層團(tuán)聚體的占比均顯著（＜0.05）高于低添加量處理（DL和FL），而中量與高量間均無顯著差異。

圖中誤差棒為標(biāo)準(zhǔn)誤差，不同字母表示處理間差異顯著（P＜0.05）。圖4同

玉米收獲后，與機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體不同，各處理0—60 cm土層以＜0.25 mm粒級水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的占比最大（圖4），平均占比達(dá)88.1%，1—0.25、2—1和5—2 mm次之，＞5 mm粒級占比最小，僅0.4%。在各土層，生物炭同一添加量下各覆膜處理各大團(tuán)聚體（＞5、5—2、2—1、1—0.25 mm）均高于對應(yīng)不覆膜處理，DH、DM、DL、DN處理較對應(yīng)不覆膜處理（FH、FM、FL、FN）分別平均提高38.9%、15.9%、26.2%和83.6%（＜0.05）。在相同種植模式下，隨生物炭用量的增加各粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量逐漸增加，DH、DM、DL處理的＞5、5—2、2—1和1—0.25 mm團(tuán)聚體占比較DN處理分別（＜0.05）平均提高50.3%、28.7%、34.3%和28.0%，F(xiàn)H、FM、FL較FN處理分別（＜0.05）平均提高36.2%、28.1%、28.4%和37.2%，生物炭添加高量（DH和FH）和中量（DM和FM）均顯著（＜0.05）高于低添加量處理（DL和FL），中量與高量間在各土層均無顯著差異。

圖4 生物炭不同添加量下水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布

2.2 生物炭不同添加量對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

覆膜生物炭添加處理對0—60 cm土層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有顯著影響（表2）。在各土層，生物炭同一添加量下各覆膜處理＞0.25 mm團(tuán)聚體含量（MR0.25）均高于對應(yīng)不覆膜處理，DH、DM、DL、DN處理分別較對應(yīng)不覆膜處理（FH、FM、FL、FN）平均提高1.5%、1.6%、1.9%和1.0%。在相同種植模式下，各生物炭添加處理MR0.25隨生物炭用量的增加逐漸增加，DH、DM、DL分別較DN處理平均顯著（＜0.05）提高10.4%、6.9%和3.2%，F(xiàn)H、FM、FL較FN處理分別平均顯著（＜0.05）提高9.8%、6.2%和2.4%，各高量和中量處理間差異顯著。各處理＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體（WR0.25）變化趨勢與MR0.25相似，在0—60 cm各土層，生物炭同一添加量下，各覆膜處理WR0.25均顯著高于對應(yīng)不覆膜處理，平均提高59.7%（＜0.05）；在相同種植模式下，各處理WR0.25隨生物炭添加量的增加逐漸增大，DH、DM、DL分別較DN平均提高48.6%（＜0.05）、31.8%（＜0.05）和8.3%，F(xiàn)H、FM、FL分別較FN平均提高60.8%（＜0.05）、31.4%（＜0.05）和9.5%，各高量和中量處理間差異顯著。

表中同列不同字母表示同一土層差異達(dá)到顯著水平（＜0.05）* 表示顯著影響：*,＜0.05; **,＜0.01; ***,＜0.001。字母P表示種植方式，C表示生物炭添加量。表3同

Different letters indicate significant differences at＜0.05. * represent significant effects: *,＜0.05; **,＜0.01; ***,＜0.001. Letter P represents the planting pattern. And letter C represents different biochar input rates. The same as Table 3

在0—60 cm各土層，生物炭同一添加量下，各覆膜處理團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）均高于不覆膜處理，機(jī)械穩(wěn)定性（MMWD）和水穩(wěn)定性（WMWD）分別平均提高5.0%和9.6%（表2）。在不同種植方式下，各生物炭添加處理MWD均隨生物炭添加量的增加而增大，其中DH、DM、DL處理MMWD較DN處理分別平均提高11.7%、8.3%和4.1%，WMWD較DN處理分別平均提高18.3%、9.5%和2.8%。

與MWD相反，在生物炭同一添加量下，各覆膜處理0—60 cm各土層土壤團(tuán)聚體破壞率（PAD0.25）均低于對應(yīng)不覆膜處理，平均降低6.7%（表2）；在不同種植方式下，各生物炭添加處理PAD均隨生物炭添加量的增加而降低，在0—60 cm土層，DH、DM、DL分別較DN平均降低5.8%、4.0%和0.7%，F(xiàn)H、FM、FL分別較FN平均降低5.1%、2.8%和0.8%，各還田處理間僅DH在40—60 cm顯著低于DL（＜0.05），其余均無顯著差異。

2.3 生物炭不同添加量對水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量及分配的影響

2020年玉米收獲后各處理0—60 cm土層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨團(tuán)聚體粒級增大而增多（圖5），＞5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量平均為12.4 g·kg-1，比＜0.25 mm團(tuán)聚體含量高20.9%。

在0—60 cm土層，生物炭同一添加量下，覆膜處理下各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均低于不覆膜處理，＞5、5—2、2—1、1—0.25和＜0.25 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量分別平均降低1.7%、5.0%、2.8%、0.9%和8.0%。在相同種植模式下，隨生物炭用量的增加各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量逐漸增加，DH、DM、DL較DN處理分別平均提高25.9%（＜0.05）、16.7%和5.3%，F(xiàn)H、FM、FL較FN分別平均提高39.5%（＜0.05）、23.0%（＜0.05）和12.8%，其中高量（DH、FH）處理顯著高于低量（DL和FL）處理（＜0.05），其余處理間無顯著差異。

圖中誤差棒為標(biāo)準(zhǔn)誤差，不同字母表示處理間差異顯著（P＜0.05）。*，表示顯著影響：*, P＜0.05; **, P＜0.01; ***, P＜0.001。字母P表示種植方式，C表示生物炭添加量。圖7同

2.4 生物炭不同添加量對土壤總有機(jī)碳含量的影響

玉米收獲后各處理土壤有機(jī)碳含量在0—60 cm不同土層變化趨勢相似（表3），在生物炭同一添加量下，各覆膜處理均低于對應(yīng)不覆膜處理，平均低3.2%。在相同種植模式下，各處理0—60 cm各土層土壤有機(jī)碳含量均隨生物炭用量的增加逐漸增大（圖6），DH、DM、DL較DN分別平均提高13.9%（＜0.05）、10.6%和3.8%，F(xiàn)H、FM、FL較FN分別平均提高14.6%（＜0.05）、9.3%和2.5%，其中高量（DH、FH）處理在0—40 cm各土層均顯著高于對應(yīng)低量（DL和FL）處理，分別平均顯著（＜0.05）提高17.1%和18.6%，且差異隨著土層加深逐漸降低，在40—60 cm土層各處理間均無顯著差異。

表3 生物炭不同添加量下0—60 cm土層土壤有機(jī)碳含量（g·kg-1）

圖6 生物炭添加量與土壤有機(jī)碳含量相關(guān)關(guān)系

2.5 生物炭不同添加量對覆膜農(nóng)田玉米產(chǎn)量的影響

玉米產(chǎn)量與生物炭添加量和覆蓋方式密切相關(guān)（圖7）。在生物炭同一添加量下，各覆膜處理玉米產(chǎn)量均顯著高于相應(yīng)不覆膜處理，增幅達(dá)35.0%—41.8%。在相同種植模式下，各處理玉米產(chǎn)量隨生物炭添加量的增加而增大，DH、DM、DL分別較DN顯著（＜0.05）提高24.6%、14.2%和7.7%，F(xiàn)H、FM、FL分別較FN顯著（＜0.05）提高20.9%、10.9%和2.5%，覆膜條件下生物炭添加高量（DH）處理玉米產(chǎn)量均高于添加中量（DM）和低量（DL）處理，分別平均提高9.1%和15.7%，而中量和低量處理間無顯著差異。

ns代表差異不顯著ns: Represents the no significance

2.6 相關(guān)性分析

基于結(jié)構(gòu)方程，構(gòu)建生物炭處理—土壤團(tuán)聚體—土壤有機(jī)碳之間的驅(qū)動與耦合模型，選取相關(guān)變量（種植方式、生物炭添加量、大團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、團(tuán)聚體有機(jī)碳、土壤有機(jī)碳和玉米產(chǎn)量）整合到結(jié)構(gòu)方程模型中，通過構(gòu)建初始模型、檢查模型、模型修改和對預(yù)測變量進(jìn)行參數(shù)化，最終獲得最佳結(jié)構(gòu)方程模型（圖8）。該模型對大團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、團(tuán)聚體有機(jī)碳、土壤有機(jī)碳和玉米產(chǎn)量的總解釋度分別為46.9%、61.3%、87.0%、90.6%和98.8%，模型結(jié)果顯示，生物炭添加的直接作用可對大團(tuán)聚體含量（λ=0.41，＜0.01）、團(tuán)聚體有機(jī)碳（λ=1.06，＜0.001）、土壤有機(jī)碳（λ=0.52，＜0.01）和玉米產(chǎn)量（λ=0.42，＜0.001）產(chǎn)生顯著的正影響。而種植方式直接作用可對團(tuán)聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著的負(fù)影響（λ=-0.56，＜0.001），對大團(tuán)聚體含量（λ=0.55，＜0.001）、團(tuán)聚體有機(jī)碳（λ=0.23，＜0.01）、土壤有機(jī)碳（λ=0.28，＜0.01）和產(chǎn)量（λ=0.89，＜0.001）起一定程度的促進(jìn)作用。

3 討論

3.1 土壤團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)單元，既是土壤肥力的綜合反映，也是決定土壤肥力的最主要因素之一[9]。WANG等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，與不覆膜相比，覆膜處理可顯著提高連續(xù)種植農(nóng)田土壤大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）的形成和穩(wěn)定性。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在生物炭同一添加量下，覆膜均可顯著提高土壤大團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性。因?yàn)樵诎敫珊祬^(qū)，覆蓋地膜能有效改善耕層土壤水溫條件，增強(qiáng)微生物活性，引起土壤物理、化學(xué)和生物變化，從而促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成[25]。另外，覆膜后農(nóng)田土壤干濕交替可改變團(tuán)聚體間或團(tuán)聚體內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)，使團(tuán)聚體收縮和膨脹，進(jìn)而有效提高團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[26-27]。所以當(dāng)生物炭添加進(jìn)覆膜農(nóng)田土壤時(shí)，更有利于其內(nèi)部膠結(jié)物質(zhì)的形成[28]，增加了＞5 mm團(tuán)聚體的含量（平均提高30.9%），進(jìn)一步提高了覆膜農(nóng)田土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。侯曉娜等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭有利于大團(tuán)聚體的形成。本研究也發(fā)現(xiàn)，生物炭不同添加量均能顯著（＜0.05）提高土壤＞0.25 mm大團(tuán)聚體含量（平均增幅達(dá)19.1%）。這可能是因?yàn)樯锾枯^高的陽離子交換量和巨大比表面積等物理性質(zhì)可促進(jìn)作物根系發(fā)育、激發(fā)土壤微生物活性，從而間接提高非穩(wěn)定性膠結(jié)劑（真菌菌絲、根系、植物源的多糖等）的含量，促進(jìn)了小團(tuán)聚體膠結(jié)凝聚形成大團(tuán)聚體，進(jìn)而提升了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[28]。本研究中，與不添加生物炭處理相比，各生物炭處理土壤MWD平均提高9.1%，土壤破壞率（PAD）平均降低3.2%。本研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，在相同種植方式下，隨添加量的增加土壤大團(tuán)聚體含量及團(tuán)聚體穩(wěn)定性也逐漸增加，且對大團(tuán)聚體含量、土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增加效果較好的是高量（9 t·hm-2）處理。可能是因?yàn)榇罅可锾刻砑舆M(jìn)土壤后，可有效促進(jìn)植株根系的生長[19]，使新加入農(nóng)田的有機(jī)物質(zhì)數(shù)量增加，提高了微生物生物量，進(jìn)而增強(qiáng)土壤中有機(jī)物對微生物活性的激活作用，分泌更多的土壤膠結(jié)物促進(jìn)大團(tuán)聚體形成[18,30]。

結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）說明了種植方式、生物炭添加量、大團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、團(tuán)聚體有機(jī)碳、土壤有機(jī)碳和玉米產(chǎn)量的直接及間接影響。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是潛在變量，可用MWD、R0.25和PAD表示。紅色和藍(lán)色箭頭分別表示負(fù)相關(guān)和正相關(guān)。箭頭線上的數(shù)字和箭頭的粗細(xì)表示標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)。藍(lán)色虛線表示兩者之間有正相關(guān)性，紅色虛線表示兩者之間有負(fù)相關(guān)性，但都不顯著。R2是決定系數(shù)。GFI指數(shù)代表擬合優(yōu)度。* 表示顯著影響：*，P＜0.05；**，P＜0.01；***，P＜0.001

3.2 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和總有機(jī)碳含量及分布

土壤有機(jī)碳的增加對土壤肥力的提升有積極的影響[10]。研究表明，土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳相互依存，有機(jī)碳含量的增加有利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的改善[31]，團(tuán)聚體則能有效保護(hù)土壤有機(jī)碳，避免其發(fā)生礦化[32]。本研究中，在生物炭同一添加量下，與不覆膜處理相比，各覆膜處理均降低了土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳及土壤有機(jī)碳含量。是因?yàn)楦材な雇寥罍囟壬撸绊懥藖碓刺荚谕寥乐械霓D(zhuǎn)化與固定[33]，改變了土壤原來有機(jī)碳的礦化過程，從而使土壤有機(jī)碳含量降低[25]。覆膜條件下，相對于微團(tuán)聚體，大團(tuán)聚體中微生物會更易于利用新添加的生物炭碳源，產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)，從而使大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量降低[34]。本研究結(jié)果也顯示，相同種植方式下，生物炭添加能顯著提高土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳和土壤有機(jī)碳含量，且有機(jī)碳含量隨團(tuán)聚體粒級的增大而增加。韓貞貴等[35]在試驗(yàn)中也得出了相似結(jié)論。一方面是因?yàn)橛袡C(jī)碳本身作為膠結(jié)物質(zhì)可將微團(tuán)聚體膠結(jié)成大團(tuán)聚體，同時(shí)大團(tuán)聚體中一般較其他粒級團(tuán)聚體含有較多的菌絲，而處于分解狀態(tài)的菌絲可以提高大團(tuán)聚中有機(jī)碳濃度[36]，從而使得＞0.25 mm團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量較高；另一方面，新加入的生物炭可先進(jìn)入大團(tuán)聚體，從而使其有機(jī)碳含量增加[37]。王富華等[18]研究指出，生物炭添加可顯著提高團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量，且隨著添加量的增加呈增加趨勢。本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，相同種植方式下，隨生物炭添加量的增加，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、土壤有機(jī)碳含量均顯著增加。這一方面是因?yàn)樯锾烤哂腥葜匦?、吸附能力?qiáng)和穩(wěn)定性強(qiáng)等特性[38]，添加后可直接提高土壤有機(jī)碳含量，且隨添加量的增大土壤有機(jī)碳含量增幅變大；另一方面是因?yàn)樯锾刻砑雍罂砷g接促進(jìn)土壤腐殖質(zhì)以及土壤碳水化合物和芳烴等有機(jī)大分子的形成，進(jìn)而提高土壤有機(jī)碳含量[39]。

3.3 覆膜添加生物炭提高玉米產(chǎn)量

大量研究表明，地膜覆蓋具有“蓄水保墑、抑蒸集雨”的功能與特點(diǎn)，可有效改善旱作農(nóng)田土壤水溫環(huán)境，提高農(nóng)田降水利用率和作物水分利用效率，增加作物產(chǎn)量[3,40]。本研究表明，在生物炭同一添加量下，各覆膜處理較不覆膜處理可顯著提高玉米產(chǎn)量，平均提高38.8%（＜0.05），且對產(chǎn)量影響效果最顯著（λ=0.89，＜0.001，圖8）。因?yàn)楦材ず笸寥浪疅釛l件改善，有效養(yǎng)分含量增加，可促進(jìn)作物地上和地下部同化產(chǎn)物的合成[41]，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。同時(shí)，當(dāng)生物炭添加進(jìn)覆膜土壤后可顯著增加土壤持水能力，提高土壤含水量，改善作物根系生長環(huán)境，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[38]。MEHMOOD等[42]在長期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，生物炭添加能有效提高玉米產(chǎn)量，且其影響可持續(xù)將近10年。本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，相同種植方式下，生物炭添加能顯著提高玉米產(chǎn)量，平均提高13.5%（＜0.05）。這是由于生物炭自身的多孔性，加入土壤后顯著提高了土壤孔隙度，同時(shí)生物炭能吸持微孔隙中的水分，使土壤吸收更多的水分并保持在根區(qū)[38]，在降低土壤容重，改善土壤水分和養(yǎng)分的狀況下，促進(jìn)作物生長[43]，增加作物產(chǎn)量，尤其在旱作農(nóng)田土壤上增產(chǎn)效果更顯著[44]。研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，相同種植方式下，隨生物炭添加量的增加玉米產(chǎn)量逐漸增大（圖7），生物炭添加量為9 t·hm-2時(shí)效果最為顯著。李偉等[45]在田間定位試驗(yàn)中也得出了相似的結(jié)論。因?yàn)楦吡可锾刻砑雍蟾欣谔岣咄寥缊F(tuán)聚體含量（圖3—4）并增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性（表3），增加有機(jī)碳（表4）及團(tuán)聚體有機(jī)碳（圖5）的固定，改善作物生長環(huán)境，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。然而，隨著還田年限的增加，是否可以減少生物炭還田量，以降低生產(chǎn)成本，從而獲得更高的經(jīng)濟(jì)收益？因此對生物炭還田的長期效應(yīng)還需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

長期覆膜條件下，旱作農(nóng)田添加生物炭可顯著增加＞5 mm團(tuán)聚體百分含量以及機(jī)械穩(wěn)定性，增加水穩(wěn)性團(tuán)聚體（＞0.25 mm）含量，降低團(tuán)聚體的破壞率，有效提高土壤有機(jī)碳含量，從而提升土壤肥力，促進(jìn)覆膜條件下玉米的產(chǎn)量的提高，且在試驗(yàn)?zāi)攴菰龇S生物炭添加量的增加而增大。因此，我們建議在北方旱作區(qū)進(jìn)行秸稈全量炭化還田（9 t·hm-2）來改善覆膜農(nóng)田土壤質(zhì)量，進(jìn)而提高玉米產(chǎn)量。

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Effects of Different Biochar Application Rates on Soil Aggregate Characteristics and Organic Carbon Contents for Film-Mulching Field in Semiarid Areas

1College of Agronomy, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shaanxi;2Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Farming in Northwest Loess Plateau, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling 712100, Shaanxi;3Gansu Cultivated Land Quality Construction and Protection Station, Lanzhou 730020;4Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081

【Objective】The aim of this study was to investigate the effects of long-term plastic film mulching farmland combined with different biochar input rates on soil aggregate stability and organic carbon in northwest China, in order to provide a scientific basis for improving the soil fertility and maintaining the sustainability of crop production for film-mulching field in semiarid regions.【Method】Based on continuous years of double ridge furrow film mulching (D), the full film double ridge furrow mulching planting and traditional flat without film mulching planting were set as the main treatment, and four biochar input rates (no returning (N), 3 t·hm-2(L), 6 t·hm-2(M), and 9 t·hm-2(H) ) were set as the secondary treatment respectively to investigate the effects of different biochar input rates on soil aggregate distribution, aggregate stability, aggregate organic carbon and maize yield.【Result】The film mulching could significantly (＜0.05) increase the soil mechanical stable (6.1%-8.7%) and water-stable macro-aggregate contents (15.9%-83.6%) and maize yield (35.0%-41.8%). Under the film mulching planting, biochar inputs treatments could significantly (＜0.05) increase mechanical macro-aggregate and water macro-aggregate by 6.8% and 29.6% on average, respectively, and the effects gradually increased with the increase of biochar inputs rate. In addition, biochar inputs could also increase the soil organic carbon and aggregate organic carbon content in film mulching farmland, and the effects under DH (9 t·hm-2) were better than other treatments, with an average increased by 13.9% and 25.9%, respectively. Maize yield was significantly correlated with biochar addition rates ( λ=0.42,＜0.001 ), and DH had the highest yield with 12.8 t·hm-2. 【Conclusion】Biochar input could significantly improve soil aggregrate characteristics and organic carbon content in plastic film mulching farmland, thus increase the maize yield and promote soil carbon sequestration, especially with 9 t·hm-2.

film mulching; biochar; soil aggregate characteristic; soil organic carbon; dryland

2022-04-12；

2022-06-10

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFE0101302）、國家自然科學(xué)基金（31801314，31901475）、中國博士后科學(xué)基金特別資助項(xiàng)目（2019T120951）

龐津雯，E-mail：jinwen7143@nwafu.edu.cn。通信作者張鵬，E-mail：pengzhang121@nwafu.edu.cn

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.09.010

（責(zé)任編輯 李云霞）