生物炭不同添加量对旱作覆膜农田土壤团聚体特性及有机碳含量的影响

庞津雯，王钰皓，陶宏扬，卫婷，高飞，刘恩科，贾志宽，张鹏

生物炭不同添加量对旱作覆膜农田土壤团聚体特性及有机碳含量的影响

1西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100；2农业农村部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室，陕西杨凌 712100；3甘肃省耕地质量建设保护总站，兰州 730020；4中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081

【目的】研究西北旱作区长期地膜覆盖农田添加不同量生物炭对土壤团聚体稳定性和有机碳含量的影响，为旱作覆膜农田地力提升、作物的可持续生产提供科学依据。【方法】在连续多年双垄沟覆膜农田基础上，采用裂区设计，主区为全膜双垄沟覆盖种植和传统平作不覆膜种植2个处理，副区为生物炭添加水平，分别为不添加（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。测定生物炭不同添加量对覆膜农田不同粒级土壤团聚体含量、团聚体稳定性、团聚体有机碳含量及玉米产量的影响。【结果】生物炭连续添加两年后，各覆膜处理能显著提高0—60 cm土层土壤大粒级（＞0.25 mm）团聚体的机械稳定性（6.1%—8.7%）及水稳性团聚体的百分含量（15.9%—83.6%），玉米产量可显著（＜0.05）提高35.0%—41.8%。在覆膜条件下，添加生物炭能显著提高土壤大粒级团聚体百分含量及其稳定性，干筛＞0.25 mm粒级团聚体含量（MR0.25）和湿筛＞0.25 mm粒级团聚体含量（WR0.25）分别平均提高6.8%和29.6%，且随生物炭添加量的增加增幅逐渐增大。此外，生物炭添加提高了覆膜农田土壤有机碳及团聚体有机碳含量，其中以高量添加（9 t·hm-2）效果最好，分别提高13.9%和25.9%。玉米产量与生物炭添加量显著相关（λ=0.42，＜0.001），且在覆膜条件下产量最大（12.8 t·hm-2）。【结论】生物炭添加可提高覆膜农田土壤团聚体含量及稳定性，增加玉米产量，还可以显著增加土壤有机碳含量，促进有机碳固存，且添加量为9 t·hm-2时效果较好。

地膜覆盖；生物炭；团聚体特性；土壤有机碳；旱作农田

0 引言

【研究意义】我国北方旱作区光热资源丰富、生产潜力大[1]，但该区降水少且季节分布不均，导致作物产量低而不稳[2]。地膜覆盖通过增温保墒抑蒸可显著提高作物产量和水分利用效率，已成为旱作区重要的栽培措施之一[3]。然而，大量研究发现，在水肥不能充分保证的旱地上，长期地膜覆盖使作物增产的同时会造成土壤水分、有机质和养分的下降，导致地力耗竭，不利于农田土壤生产的可持续性[4-5]。因此，如何在长期地膜覆盖下提升土壤地力已成为近年来的研究热点之一。【前人研究进展】生物炭拥有理化性质稳定、含碳率高及孔隙结构丰富等特点，在农业和环境等领域有广泛的应用价值。目前已有许多研究发现，生物炭在短期内能够有效改善黄土高原土壤理化性质、减少水土流失并增加作物产量[6-8]，对土壤地力的保护有着积极的影响。土壤团聚体作为土壤养分的重要载体，是评价土壤是否具有良好物理结构的重要指标，其数量、大小的分布以及稳定性直接影响着土壤质量[9]。同时，团聚体也是土壤有机碳赋存与固持的载体，其形成及稳定性与土壤有机碳密切相关[10-11]。大量研究表明，生物炭作为土壤改良剂施入土壤后不仅可以增加养分含量，而且对促进植物根系的生长及微生物的繁殖均有积极作用，从而可促进大团聚体形成并增加其有机碳含量[12-14]，其增幅会随施用量和施用年限的增加而变化[15-17]。王富华等[18]的研究表明，施加生物炭对紫色土总有机碳和各粒级团聚体有机碳含量均有显著提高，但对土壤团聚体稳定性影响较小，且随施用量的增加效果越好，以施加8 t·hm-2的生物炭效果最优。张星等[19]发现，施用9 t·hm-2比4.5 t·hm-2生物炭更有利于维持较高的微生物活性和较稳定的土壤环境。而安宁等[20]在长期定位试验中发现，长期施用适量生物炭可增强土壤固碳能力、改善土壤孔隙结构，而过量施用可能会降低土壤大孔隙度和土壤孔隙的通气导水能力。【本研究切入点】目前关于生物炭添加的研究较多，多集中在对土壤性状和培肥效应方面，已基本明确生物炭添加影响作物的生长发育和产量，以及生物炭具有改良土壤的重要作用[8,21]，然而对于旱作区适宜的生物炭添加量的研究尚未有明确定论，尤其是针对长期覆膜农田生物炭不同添加量对土壤团聚特性、有机碳等的影响尚不明确。【拟解决的关键问题】本研究基于长期地膜覆盖试验（2012年开始），以传统平作为对照，以当地农田秸秆生产量为依据，设置0、3、6和9 t·hm-24种生物炭添加量，研究不同添加量对覆膜农田土壤团聚体稳定性及有机碳含量的影响，结合玉米产量，阐明生物炭不同添加量对于旱作覆膜农田土壤结构及对作物产量的影响，以期为北方旱作农区覆膜条件下提升土壤地力、作物的可持续生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于宁夏回族自治区彭阳县长城旱地农业试验站（106°48′E、35°51′N），为典型黄土高原丘陵沟壑地貌区，海拔1 800 m，多年平均降雨量为430 mm，年蒸发量1 753 mm，年平均气温8.1℃，无霜期155 d，属典型的温带半干旱大陆性季风气候，试验地2019—2020年降雨量和气温如图1。试验田为旱平地，土壤类型为黄绵土，其中砂粒含量为14%（0.05—2.0 mm），粉粒为26%（0.002—0.05 mm），黏粒为60%（＜0.002 mm），属中低等肥力水平，试验地0—60 cm土层土壤基础理化性质见表1。

图1 试验地2019—2020年玉米生育期日降雨量和日均气温

表1 试验地0—60 cm土层土壤基础理化性质

1.2 试验设计

试验为裂区设计，主区为全膜双垄沟覆盖（D）和传统平作不覆膜（F）2个处理，副区分别设置4个生物炭添加水平（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），共组成双垄沟覆膜添加高量（DH）、中量（DM）、低量（DL）和不添加生物炭（DN）；传统平作添加高量（FH）、中量（FM）、低量（FL）和不添加生物炭（FN）共8个处理，重复3次。小区面积为28.8 m2（3.6 m×8 m），小区间设置 1 m 宽隔离带，防止小区间互相影响。

双垄沟种植：在田间大小两垄相间，大垄宽70 cm、高15 cm，小垄宽50 cm、高10 cm，大小垄上全部覆盖生物降解地膜（地膜宽120 cm，山东清田塑工有限公司生产，降解时间120—180 d），大小垄相接处播种玉米。试验用生物炭是玉米秸秆在450—500℃无氧条件下热解产生（宁夏荣华生物质新材料科技有限公司），有机碳含量≥40%，pH 10.5，全氮含量8.5 g·kg-1。生物炭于2019年开始添加，每年于覆膜前全部机械翻入耕层土壤，然后进行起垄，在垄上覆膜。传统平作田间不覆膜。种植方式见图2。

图2 两种植方式示意图

供试作物为春玉米，品种为大丰30，于每年4月中下旬播种，9月底或10月初收获。种植密度为75 000株/hm2。用鹰嘴播种器人工播种，播种深度为4—5 cm。播种时各处理施用基肥：N 150 kg·hm-2和P2O5120 kg·hm-2，在大喇叭口期用鹰嘴施肥器在玉米株间追施氮肥150 kgN·hm-2，施肥深度为4—5 cm。作物生育期不灌水，并根据情况进行人工除草。其他田间管理同当地农户。

1.3 土壤样品采集及测定方法

在生物炭连续添加两年后，于2020年玉米收获后第2天在各小区内用直径为5 cm的土钻按“S”型5点取土法进行取样，分别在0—10、10—20、20—40、40—60 cm土层取土样，各试验小区每点土样同层混合，作为1次重复（约500 g），每个小区重复3次。将挑出石块及动植物残体等杂质后的土样，放在阴凉通风处自然风干，再粉碎、过筛，测定土壤有机碳含量。在各试验小区按照“S”型5点取样法在 0—10、10—20、20—40、40—60 cm各土层采集原状土样，将自然风干的原状土土块按自然纹理剥离为 1 cm3左右的小土块，其间去除粗根和小石块，作为测量土壤团聚体的样品。

采用重铬酸钾氧化法测定全土和不同粒级团聚体中有机碳含量[22]。土壤机械稳定性团聚体的组成采用干筛法[23]测定：将孔径分别为 5、2、1、0.5和0.25 mm的土筛按孔径由大到小叠放成一组套筛，称取100 g风干土样3份并放置于土筛上，筛分成不同粒级团聚体，称重并计算其重量占比，最后算出平均值。

土壤水稳定性团聚体参考CAMBARDELLA等[24]的方法，用湿筛法分级测定。使用的套筛筛孔直径分别为5、2、1、0.5、0.25 mm。称取风干土样100 g置于5 mm筛内，套筛放在沉降筒内蒸馏水中浸润5 min后，以30次/min速度、上下30 mm的振幅在水中振荡10 min，再将套筛取出，把不同孔径筛内的团聚体冲洗到铝盒中，获得＞5、2—5、1—2、0.25—1和＜0.25 mm各粒级的团聚体。将盛有各级团聚体的铝盒置于烘箱内50℃烘干后，称重，计算各粒级团聚体的百分含量。在此过程中，遇有悬浮秸秆残体采用自制滤网捞出。

1.4 有关指标计算

利用干筛法和湿筛法所得到的各粒级团聚体数据，计算各粒级团聚体含量、＞0.25 mm团聚体含量、团聚体平均重量直径（mean weight diameter，MWD），计算公式如下：

WSAi（%）= Wi/WT×100；

R0.25（%）= Mr＞0.25/MT×100；

PAD0.25（%）= (Wd-Ws)/Wd×100。

式中，WSAi为i粒级机械稳定性或水稳性团聚体质量百分含量（%），Wi为i粒级机械稳定性或水稳性团聚体重量（g），WT为供试土壤总重量（g）。R0.25为粒级＞0.25 mm团聚体含量（%），Mr＞0.25为粒级＞0.25 mm团聚体重量（g），MT为团聚体的总重量（g）。MWD为团聚体平均重量直径（mm），Xi为i粒级组分的平均直径（mm），n为粒径分组的组数。PAD0.25为粒级＞0.25 mm团聚体破坏率（%），Wd为粒级＞0.25 mm的机械稳性团聚体质量分数，Ws为粒级＞0.25 mm的水稳性团聚体质量分数。

1.5 数据处理

数据采用Excel 2016进行前期处理，使用SPSS 23.0软件进行显著性差异分析、单因素方差分析等。不同处理间进行多重比较（LSD法），设置显著水平＜0.05，采用Origin 2021进行作图。

2 结果

2.1 生物炭不同添加量对土壤团聚体分布的影响

各处理玉米收获后土壤机械稳定性团聚体分布特征在0—60 cm各土层相似（图3），＞5 mm团聚体占比最大，平均为40.9%，＜0.25、1—0.25和5—2 mm次之，2—1 mm团聚体占比最小，平均仅占比12.8%。

在生物炭同一添加量下，各覆膜处理在0—60 cm各土层＞5 mm团聚体占比均显著（＜0.05）高于不覆膜处理，DH、DM、DL、DN处理分别较对应FH、FM、FL、FN平均提高7.6%、8.4%、8.7%和6.1%，其余粒级团聚体占比无显著差异。在相同种植模式下，各生物炭添加处理＞0.25 mm各粒级团聚体占比均随生物炭用量的增加逐渐增大，在0—60 cm土层，DH、DM、DL处理＞5、5—2、2—1 和1—0.25 mm粒级团聚体的占比分别较DN处理平均提高11.4%（＜0.05）、5.6%、4.7%和3.4%，FH、FM、FL较FN处理分别平均提高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）处理在各土层团聚体的占比均显著（＜0.05）高于低添加量处理（DL和FL），而中量与高量间均无显著差异。

图中误差棒为标准误差，不同字母表示处理间差异显著（P＜0.05）。图4同

玉米收获后，与机械稳定性团聚体不同，各处理0—60 cm土层以＜0.25 mm粒级水稳定性团聚体的占比最大（图4），平均占比达88.1%，1—0.25、2—1和5—2 mm次之，＞5 mm粒级占比最小，仅0.4%。在各土层，生物炭同一添加量下各覆膜处理各大团聚体（＞5、5—2、2—1、1—0.25 mm）均高于对应不覆膜处理，DH、DM、DL、DN处理较对应不覆膜处理（FH、FM、FL、FN）分别平均提高38.9%、15.9%、26.2%和83.6%（＜0.05）。在相同种植模式下，随生物炭用量的增加各粒级水稳性团聚体含量逐渐增加，DH、DM、DL处理的＞5、5—2、2—1和1—0.25 mm团聚体占比较DN处理分别（＜0.05）平均提高50.3%、28.7%、34.3%和28.0%，FH、FM、FL较FN处理分别（＜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）均显著（＜0.05）高于低添加量处理（DL和FL），中量与高量间在各土层均无显著差异。

图4 生物炭不同添加量下水稳性团聚体分布

2.2 生物炭不同添加量对土壤团聚体稳定性的影响

覆膜生物炭添加处理对0—60 cm土层土壤团聚体稳定性具有显著影响（表2）。在各土层，生物炭同一添加量下各覆膜处理＞0.25 mm团聚体含量（MR0.25）均高于对应不覆膜处理，DH、DM、DL、DN处理分别较对应不覆膜处理（FH、FM、FL、FN）平均提高1.5%、1.6%、1.9%和1.0%。在相同种植模式下，各生物炭添加处理MR0.25随生物炭用量的增加逐渐增加，DH、DM、DL分别较DN处理平均显著（＜0.05）提高10.4%、6.9%和3.2%，FH、FM、FL较FN处理分别平均显著（＜0.05）提高9.8%、6.2%和2.4%，各高量和中量处理间差异显著。各处理＞0.25 mm水稳性团聚体（WR0.25）变化趋势与MR0.25相似，在0—60 cm各土层，生物炭同一添加量下，各覆膜处理WR0.25均显著高于对应不覆膜处理，平均提高59.7%（＜0.05）；在相同种植模式下，各处理WR0.25随生物炭添加量的增加逐渐增大，DH、DM、DL分别较DN平均提高48.6%（＜0.05）、31.8%（＜0.05）和8.3%，FH、FM、FL分别较FN平均提高60.8%（＜0.05）、31.4%（＜0.05）和9.5%，各高量和中量处理间差异显著。

表中同列不同字母表示同一土层差异达到显著水平（＜0.05）* 表示显著影响：*,＜0.05; **,＜0.01; ***,＜0.001。字母P表示种植方式，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各土层，生物炭同一添加量下，各覆膜处理团聚体平均重量直径（MWD）均高于不覆膜处理，机械稳定性（MMWD）和水稳定性（WMWD）分别平均提高5.0%和9.6%（表2）。在不同种植方式下，各生物炭添加处理MWD均随生物炭添加量的增加而增大，其中DH、DM、DL处理MMWD较DN处理分别平均提高11.7%、8.3%和4.1%，WMWD较DN处理分别平均提高18.3%、9.5%和2.8%。

与MWD相反，在生物炭同一添加量下，各覆膜处理0—60 cm各土层土壤团聚体破坏率（PAD0.25）均低于对应不覆膜处理，平均降低6.7%（表2）；在不同种植方式下，各生物炭添加处理PAD均随生物炭添加量的增加而降低，在0—60 cm土层，DH、DM、DL分别较DN平均降低5.8%、4.0%和0.7%，FH、FM、FL分别较FN平均降低5.1%、2.8%和0.8%，各还田处理间仅DH在40—60 cm显著低于DL（＜0.05），其余均无显著差异。

2.3 生物炭不同添加量对水稳性团聚体中有机碳含量及分配的影响

2020年玉米收获后各处理0—60 cm土层土壤团聚体有机碳含量随团聚体粒级增大而增多（图5），＞5 mm团聚体有机碳含量平均为12.4 g·kg-1，比＜0.25 mm团聚体含量高20.9%。

在0—60 cm土层，生物炭同一添加量下，覆膜处理下各粒级团聚体有机碳含量均低于不覆膜处理，＞5、5—2、2—1、1—0.25和＜0.25 mm团聚体中有机碳含量分别平均降低1.7%、5.0%、2.8%、0.9%和8.0%。在相同种植模式下，随生物炭用量的增加各粒级团聚体有机碳含量逐渐增加，DH、DM、DL较DN处理分别平均提高25.9%（＜0.05）、16.7%和5.3%，FH、FM、FL较FN分别平均提高39.5%（＜0.05）、23.0%（＜0.05）和12.8%，其中高量（DH、FH）处理显著高于低量（DL和FL）处理（＜0.05），其余处理间无显著差异。

图中误差棒为标准误差，不同字母表示处理间差异显著（P＜0.05）。*，表示显著影响：*, P＜0.05; **, P＜0.01; ***, P＜0.001。字母P表示种植方式，C表示生物炭添加量。图7同

2.4 生物炭不同添加量对土壤总有机碳含量的影响

玉米收获后各处理土壤有机碳含量在0—60 cm不同土层变化趋势相似（表3），在生物炭同一添加量下，各覆膜处理均低于对应不覆膜处理，平均低3.2%。在相同种植模式下，各处理0—60 cm各土层土壤有机碳含量均随生物炭用量的增加逐渐增大（图6），DH、DM、DL较DN分别平均提高13.9%（＜0.05）、10.6%和3.8%，FH、FM、FL较FN分别平均提高14.6%（＜0.05）、9.3%和2.5%，其中高量（DH、FH）处理在0—40 cm各土层均显著高于对应低量（DL和FL）处理，分别平均显著（＜0.05）提高17.1%和18.6%，且差异随着土层加深逐渐降低，在40—60 cm土层各处理间均无显著差异。

表3 生物炭不同添加量下0—60 cm土层土壤有机碳含量（g·kg-1）

图6 生物炭添加量与土壤有机碳含量相关关系

2.5 生物炭不同添加量对覆膜农田玉米产量的影响

玉米产量与生物炭添加量和覆盖方式密切相关（图7）。在生物炭同一添加量下，各覆膜处理玉米产量均显著高于相应不覆膜处理，增幅达35.0%—41.8%。在相同种植模式下，各处理玉米产量随生物炭添加量的增加而增大，DH、DM、DL分别较DN显著（＜0.05）提高24.6%、14.2%和7.7%，FH、FM、FL分别较FN显著（＜0.05）提高20.9%、10.9%和2.5%，覆膜条件下生物炭添加高量（DH）处理玉米产量均高于添加中量（DM）和低量（DL）处理，分别平均提高9.1%和15.7%，而中量和低量处理间无显著差异。

ns代表差异不显著ns: Represents the no significance

2.6 相关性分析

基于结构方程，构建生物炭处理—土壤团聚体—土壤有机碳之间的驱动与耦合模型，选取相关变量（种植方式、生物炭添加量、大团聚体含量、团聚体稳定性、团聚体有机碳、土壤有机碳和玉米产量）整合到结构方程模型中，通过构建初始模型、检查模型、模型修改和对预测变量进行参数化，最终获得最佳结构方程模型（图8）。该模型对大团聚体含量、团聚体稳定性、团聚体有机碳、土壤有机碳和玉米产量的总解释度分别为46.9%、61.3%、87.0%、90.6%和98.8%，模型结果显示，生物炭添加的直接作用可对大团聚体含量（λ=0.41，＜0.01）、团聚体有机碳（λ=1.06，＜0.001）、土壤有机碳（λ=0.52，＜0.01）和玉米产量（λ=0.42，＜0.001）产生显著的正影响。而种植方式直接作用可对团聚体稳定性产生显著的负影响（λ=-0.56，＜0.001），对大团聚体含量（λ=0.55，＜0.001）、团聚体有机碳（λ=0.23，＜0.01）、土壤有机碳（λ=0.28，＜0.01）和产量（λ=0.89，＜0.001）起一定程度的促进作用。

3 讨论

3.1 土壤团聚体分布及稳定性

土壤团聚体作为土壤结构的基础单元，既是土壤肥力的综合反映，也是决定土壤肥力的最主要因素之一[9]。WANG等[25]的研究发现，与不覆膜相比，覆膜处理可显著提高连续种植农田土壤大团聚体（＞0.25 mm）的形成和稳定性。本研究结果发现，在生物炭同一添加量下，覆膜均可显著提高土壤大团聚体含量及其稳定性。因为在半干旱区，覆盖地膜能有效改善耕层土壤水温条件，增强微生物活性，引起土壤物理、化学和生物变化，从而促进土壤团聚体的形成[25]。另外，覆膜后农田土壤干湿交替可改变团聚体间或团聚体内的孔隙结构，使团聚体收缩和膨胀，进而有效提高团聚体结构稳定性[26-27]。所以当生物炭添加进覆膜农田土壤时，更有利于其内部胶结物质的形成[28]，增加了＞5 mm团聚体的含量（平均提高30.9%），进一步提高了覆膜农田土壤团聚体稳定性。侯晓娜等[29]的研究发现，添加生物炭有利于大团聚体的形成。本研究也发现，生物炭不同添加量均能显著（＜0.05）提高土壤＞0.25 mm大团聚体含量（平均增幅达19.1%）。这可能是因为生物炭较高的阳离子交换量和巨大比表面积等物理性质可促进作物根系发育、激发土壤微生物活性，从而间接提高非稳定性胶结剂（真菌菌丝、根系、植物源的多糖等）的含量，促进了小团聚体胶结凝聚形成大团聚体，进而提升了团聚体的稳定性[28]。本研究中，与不添加生物炭处理相比，各生物炭处理土壤MWD平均提高9.1%，土壤破坏率（PAD）平均降低3.2%。本研究结果还发现，在相同种植方式下，随添加量的增加土壤大团聚体含量及团聚体稳定性也逐渐增加，且对大团聚体含量、土壤团聚体稳定性增加效果较好的是高量（9 t·hm-2）处理。可能是因为大量生物炭添加进土壤后，可有效促进植株根系的生长[19]，使新加入农田的有机物质数量增加，提高了微生物生物量，进而增强土壤中有机物对微生物活性的激活作用，分泌更多的土壤胶结物促进大团聚体形成[18,30]。

结构方程模型（SEM）说明了种植方式、生物炭添加量、大团聚体含量、团聚体稳定性、团聚体有机碳、土壤有机碳和玉米产量的直接及间接影响。土壤团聚体稳定性是潜在变量，可用MWD、R0.25和PAD表示。红色和蓝色箭头分别表示负相关和正相关。箭头线上的数字和箭头的粗细表示标准化路径系数。蓝色虚线表示两者之间有正相关性，红色虚线表示两者之间有负相关性，但都不显著。R2是决定系数。GFI指数代表拟合优度。* 表示显著影响：*，P＜0.05；**，P＜0.01；***，P＜0.001

3.2 土壤团聚体有机碳和总有机碳含量及分布

土壤有机碳的增加对土壤肥力的提升有积极的影响[10]。研究表明，土壤团聚体和有机碳相互依存，有机碳含量的增加有利于土壤团粒结构的改善[31]，团聚体则能有效保护土壤有机碳，避免其发生矿化[32]。本研究中，在生物炭同一添加量下，与不覆膜处理相比，各覆膜处理均降低了土壤大团聚体有机碳及土壤有机碳含量。是因为覆膜使土壤温度升高，影响了来源碳在土壤中的转化与固定[33]，改变了土壤原来有机碳的矿化过程，从而使土壤有机碳含量降低[25]。覆膜条件下，相对于微团聚体，大团聚体中微生物会更易于利用新添加的生物炭碳源，产生激发效应，从而使大团聚体中有机碳含量降低[34]。本研究结果也显示，相同种植方式下，生物炭添加能显著提高土壤大团聚体有机碳和土壤有机碳含量，且有机碳含量随团聚体粒级的增大而增加。韩贞贵等[35]在试验中也得出了相似结论。一方面是因为有机碳本身作为胶结物质可将微团聚体胶结成大团聚体，同时大团聚体中一般较其他粒级团聚体含有较多的菌丝，而处于分解状态的菌丝可以提高大团聚中有机碳浓度[36]，从而使得＞0.25 mm团聚体中的有机碳含量较高；另一方面，新加入的生物炭可先进入大团聚体，从而使其有机碳含量增加[37]。王富华等[18]研究指出，生物炭添加可显著提高团聚体中有机碳含量，且随着添加量的增加呈增加趋势。本研究结果也发现，相同种植方式下，随生物炭添加量的增加，土壤团聚体有机碳、土壤有机碳含量均显著增加。这一方面是因为生物炭具有容重小、吸附能力强和稳定性强等特性[38]，添加后可直接提高土壤有机碳含量，且随添加量的增大土壤有机碳含量增幅变大；另一方面是因为生物炭添加后可间接促进土壤腐殖质以及土壤碳水化合物和芳烃等有机大分子的形成，进而提高土壤有机碳含量[39]。

3.3 覆膜添加生物炭提高玉米产量

大量研究表明，地膜覆盖具有“蓄水保墒、抑蒸集雨”的功能与特点，可有效改善旱作农田土壤水温环境，提高农田降水利用率和作物水分利用效率，增加作物产量[3,40]。本研究表明，在生物炭同一添加量下，各覆膜处理较不覆膜处理可显著提高玉米产量，平均提高38.8%（＜0.05），且对产量影响效果最显著（λ=0.89，＜0.001，图8）。因为覆膜后土壤水热条件改善，有效养分含量增加，可促进作物地上和地下部同化产物的合成[41]，进而提高作物产量。同时，当生物炭添加进覆膜土壤后可显著增加土壤持水能力，提高土壤含水量，改善作物根系生长环境，进而提高作物产量[38]。MEHMOOD等[42]在长期试验中发现，生物炭添加能有效提高玉米产量，且其影响可持续将近10年。本研究结果也发现，相同种植方式下，生物炭添加能显著提高玉米产量，平均提高13.5%（＜0.05）。这是由于生物炭自身的多孔性，加入土壤后显著提高了土壤孔隙度，同时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区[38]，在降低土壤容重，改善土壤水分和养分的状况下，促进作物生长[43]，增加作物产量，尤其在旱作农田土壤上增产效果更显著[44]。研究结果还发现，相同种植方式下，随生物炭添加量的增加玉米产量逐渐增大（图7），生物炭添加量为9 t·hm-2时效果最为显著。李伟等[45]在田间定位试验中也得出了相似的结论。因为高量生物炭添加后更有利于提高土壤团聚体含量（图3—4）并增强土壤团聚体的稳定性（表3），增加有机碳（表4）及团聚体有机碳（图5）的固定，改善作物生长环境，进而提高作物产量。然而，随着还田年限的增加，是否可以减少生物炭还田量，以降低生产成本，从而获得更高的经济收益？因此对生物炭还田的长期效应还需进一步研究。

4 结论

长期覆膜条件下，旱作农田添加生物炭可显著增加＞5 mm团聚体百分含量以及机械稳定性，增加水稳性团聚体（＞0.25 mm）含量，降低团聚体的破坏率，有效提高土壤有机碳含量，从而提升土壤肥力，促进覆膜条件下玉米的产量的提高，且在试验年份增幅随生物炭添加量的增加而增大。因此，我们建议在北方旱作区进行秸秆全量炭化还田（9 t·hm-2）来改善覆膜农田土壤质量，进而提高玉米产量。

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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

国家重点研发计划（2021YFE0101302）、国家自然科学基金（31801314，31901475）、中国博士后科学基金特别资助项目（2019T120951）

庞津雯，E-mail：jinwen7143@nwafu.edu.cn。通信作者张鹏，E-mail：pengzhang121@nwafu.edu.cn

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.09.010

（责任编辑 李云霞）