付 威，雍晨旭，馬東豪，樊 軍，張佳寶 ，魏宏安， 馮小龍，魏潤哲，劉霄飛，王光東，譚 鈞

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，楊凌712100；3. 中共白水縣委辦公室，渭南 715600；4. 中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008；5. 陜西省土地整治中心，西安 710075；6. 延安市治溝造地領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，延安 716000； 7. 北京中向利豐科技有限公司，北京100024）

0 引 言

土壤退化與城鎮(zhèn)化建設(shè)對耕地的占用，嚴重威脅了中國耕地質(zhì)量與數(shù)量[1]。其中，在黃土高原出現(xiàn)大量耕地質(zhì)量逐漸退化的趨勢[2]。為守住18 億畝耕地紅線不動搖，增加耕地面積與優(yōu)質(zhì)耕地數(shù)量迫在眉睫。新墾土地是快速增加耕地面積的最有效措施之一，如“治溝造地”工程是針對黃土丘陵溝壑區(qū)特殊地貌，集壩系建設(shè)、舊壩修復(fù)、鹽堿地改造、荒溝閑置土地開發(fā)利用和生態(tài)建設(shè)為一體的一種溝道治理新模式，通過閘溝造地、打壩修渠、墊溝覆 土等措施，實施溝、谷造地增良田，梁、峁退耕還林保生態(tài)，實現(xiàn)小流域壩系工程提前利用受益，是一項惠民生的系統(tǒng)工程[3]。截至目前，該工程建設(shè)規(guī)模3.36×104hm2，新增耕地3.1×103hm2，耕地面積提升9.2%，耕地農(nóng)業(yè)機械化可操作程度顯著增加。但新構(gòu)造的壩地和梯田剝離了以往農(nóng)田熟化的耕層土壤，而溝道填方土壤主要來源于梁、峁平整時的余土，導(dǎo)致土壤貧瘠、養(yǎng)分不均問題突出；同時，在重機械的來回碾壓過程中，土壤緊實、結(jié)構(gòu)性變差，不利于作物的正常生長。因此，提升該區(qū)域新墾耕地的土壤肥力與生產(chǎn)力，可為該區(qū)域或類似區(qū)域培肥土壤，快速構(gòu)建優(yōu)質(zhì)耕作層提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

國內(nèi)外針對土壤培肥或構(gòu)建優(yōu)質(zhì)耕作層技術(shù)進行過大量研究[4-14]。構(gòu)建優(yōu)質(zhì)耕作層，提升新墾土地的土壤肥力，實現(xiàn)貧瘠土壤沃土化，是完成新墾土地或退化土地向優(yōu)質(zhì)耕地轉(zhuǎn)化的核心。但傳統(tǒng)的土壤培肥措施耗時、費力且效果不突出。因此，本研究旨在利用新型外源碳等材料，結(jié)合農(nóng)業(yè)機械化，通過一次標準的技術(shù)操作，快速并有效的構(gòu)建優(yōu)質(zhì)耕作層。在早期傳統(tǒng)農(nóng)耕文明中，焚燒枯枝落葉是一種古老但有效的培肥技術(shù)。一方面，焚燒產(chǎn)生的高溫可殺死土壤中部分病蟲害；另一方面，枯枝落葉焚燒后留下的灰分含有眾多礦質(zhì)營養(yǎng)元素，尤其是鉀元素，提高土壤養(yǎng)分含量。但焚燒過程中會產(chǎn)生大量煙塵與CO2，破壞了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、生物多樣性和根區(qū)微環(huán)境等而被禁止應(yīng)用。在化肥出現(xiàn)之前，農(nóng)民廣泛施用動物糞肥或廄肥來提高土地生產(chǎn)力，在短期內(nèi)取得了顯著的效果。然其易分解、肥效短，難以維持長期高效土地生產(chǎn)力，且大量牲畜糞肥不易批量獲得[9]。近些年來，種植綠肥成為一種常見的土壤培肥方式[8-11]。其中，綠肥作物大都以豆科作物（懷豆、田菁、苜蓿等）為主，其本身具有一定固氮能力[12-13]。但這種固氮效果有限、培肥周期漫長，提升土壤肥力并不顯著。同時，像苜蓿等綠肥作物屬深根系高耗水作物，可能會造成黃土區(qū)深層土壤水分過度消耗，形成干層。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，國內(nèi)外學(xué)者均認為秸稈還田是一種快速培肥土壤的技術(shù)[4-5,7]，不僅可以減少農(nóng)業(yè)廢棄物數(shù)量，變廢為寶，而且對提高土壤有機質(zhì)的含量具有一定意義。但秸稈還田也存在一定的風險，若秸稈不經(jīng)過滅菌處理將攜帶各種病原菌，對下一茬作物生長帶來巨大影響。鑒于此，傳統(tǒng)土壤培肥措施已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展之需要。因此，亟待尋找一種快速、高效的土壤培肥措施或技術(shù)流程。利用一次標準的工程化技術(shù)流程來快速高效地改善黃土區(qū)土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力與生產(chǎn)力，增加作物產(chǎn)量，保證區(qū)域糧食安全。添加新型外源有機物質(zhì)被認為是改善土壤物理性質(zhì)、迅速提高土壤肥力和生物化學(xué)性質(zhì)的重要途徑[13-14]。土壤有機質(zhì)作為土壤肥力最重要的指標之一，其含量多少直接影響土壤肥力的高低[15]。不同的土壤碳組分直接決定其在土壤中的周轉(zhuǎn)速度及土壤肥力的水平和持久性[14]。木本泥炭（woody peat）是經(jīng)過漫長的地球生物化學(xué)循環(huán)過程形成的性質(zhì)穩(wěn)定的有機物質(zhì)，其比表面積大，吸附螯合能力強，并且有較強的離子交換能力和鹽分平衡能力，在培肥土壤和改良土壤中有很好的積極作用[16-18]。生物炭作為另外一種含碳量極高的人工合成外源有機物質(zhì)，近年也被廣泛施用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐[19-20]，其作物秸稈或果木樹枝經(jīng)過高溫裂解形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、比表面積大的功能材料，富含多種礦質(zhì)元素，具有容重小，總孔隙度大等特點，可以快速提升土壤養(yǎng)分含量，改善土壤結(jié)構(gòu)和孔隙分布特征，提升土壤水力學(xué)參數(shù)，從而促進作物生長[16-22]。難氧化碳是保持持久土壤肥力的關(guān)鍵，易氧化碳和溶解性有機碳是土壤中極易變化的部分，是體現(xiàn)當季土壤肥力的重要指標[14]。利用生物激發(fā)調(diào)節(jié)劑刺激土壤微生物和酶活性，調(diào)節(jié)穩(wěn)定外源有機物質(zhì)的周轉(zhuǎn)速率，達到提升當季肥力與持久肥力的效果。結(jié)合腐熟秸稈提升土壤肥力，增加土壤根區(qū)微環(huán)境生物活性，改善根際環(huán)境[4,23-24]。

因此，本研究通過3 a 田間定位試驗。首先，利用一次標準化的技術(shù)流程來改變治溝造地后新墾耕地，以期快速并有效地構(gòu)建能滿足作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)耕作層。其次，添加外源有機物質(zhì)，結(jié)合化肥和腐熟秸稈有機肥，快速提升土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分含量，改善土壤水力學(xué)性質(zhì)及物理性質(zhì)。最后，在生物激發(fā)調(diào)節(jié)劑的作用下，刺激土壤酶活性，增強土壤微生物活性，調(diào)控土壤中的一系列生物化學(xué)過程。本文將從3 種不同構(gòu)建模式下6 種處理，研究其對土壤有機質(zhì)及土壤碳組分差異、土壤物理性質(zhì)中的團聚體分布及其穩(wěn)定性的影響、土壤養(yǎng)分變化特征，土壤重金屬含量和作物產(chǎn)量及生物量等的影響，對人工優(yōu)質(zhì)耕作層快速構(gòu)建模式進行綜合評估，以期為黃土區(qū)土壤快速工程化構(gòu)建優(yōu)質(zhì)耕作層提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2016 年3 月—2018 年10 月在陜西省延安市康坪村（36°44′N，109°35′E）進行，屬典型黃土丘陵溝壑區(qū)。海拔1 040～1 309 m，年平均氣溫8.8 ℃，年平均降雨量500 mm（2006—2017 年），冬春寒冷干燥，夏秋炎熱多雨（圖1）。典型土壤為黃綿土，氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶檯^(qū)向半干旱區(qū)過渡區(qū)。研究區(qū)域是典型的卯、梁地形，于2015—2016 年，通過治溝造地項目工程措施，完成土地平整，建立排水溝，在該區(qū)域新墾土地中具有典型代表性。試驗開始前，耕層（0～15 cm）土壤容重為1.58 g/cm3，有機質(zhì)為5.18 g/kg，全氮、磷和鉀含量為0.23、0.59 和19.1 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀的質(zhì)量分數(shù)分別為16.38、2.27 和59.13 mg/kg，pH 值為8.16，氣象數(shù)據(jù)來源于距離36 km外的安塞水土保持綜合試驗站。本試驗主要材料木本泥炭，產(chǎn)自印度尼西亞露天木本泥炭礦[18,25-26]，含水率為25.0%，有機質(zhì)和灰分質(zhì)量分數(shù)分別為90.3%和9.7%，全氮、全磷和全鉀質(zhì)量分數(shù)分別為6.6、0.025 和0.43 g/kg，pH 值為5.48。生物炭原材料為雜木（楊樹、棗樹、槐樹等）黑炭，購置于商業(yè)公司，其基本理化性質(zhì)如下：容重為0.58 g/cm3，顆粒組成：＜2～0.02 mm 占 86.29%、＜0.02～0.002 mm 占11.93%、＜ 0.002 mm 占1.78%，pH 值為8.96，陽離子交換量為20.73 cmol/kg，總含碳量169.67 g/kg。

圖1 試驗區(qū)氣象條件 Fig.1 Meteorological environment in study area

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置3 種模式，分別是推薦模式，對比模式和對照模式，共計6 個處理（表1），不同處理采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，每個處理3 次重復(fù)，每個小區(qū)面積為450 m2（50 m×9 m），各小區(qū)間用0.5 m 隔離帶隔開。2016—2018年玉米分別于4 月28 日、5 月11 日和5 月7 日播種，收獲時間分別在當年10 月1 日、10 月2 日和10 月1 日。3 a種植密度分別為每公頃45 000、57 000 和57 000 株。其中2017年與2018年不同處理秸稈還田數(shù)量按前一年各處理收獲后秸稈量確定，利用40%量的腐熟秸稈代替還田。施肥量分別是N：225 kg/hm2，P2O5：225 kg/hm2；K2O：225 kg/hm2。其他事宜按照當?shù)剞r(nóng)事日程進行。

表1 優(yōu)質(zhì)耕作層構(gòu)建模式詳細流程 Table 1 Detailed construction mode of high-quality tillage layer of loess soil

1.3 優(yōu)質(zhì)耕作層構(gòu)建模式流程

3 種優(yōu)質(zhì)耕作層構(gòu)建模式下6 個處理具體的工程化構(gòu)建技術(shù)流程見表1。

1.4 土壤樣品與植物樣品采集

1.4.1 土壤樣品

分別于2016 年、2017 年和2018 年玉米收獲期，采集土壤樣品。每個小區(qū)按照“S”型隨機選擇5 個土壤樣點，土樣采用直徑40 mm 的土鉆采集0～15 cm 深度土壤樣品，混合后帶回室內(nèi)，風干研磨過篩，供土壤養(yǎng)分和土壤重金屬指標檢測。

土壤團聚體原狀土土樣于2018 年玉米收獲期采集，每個處理采集6 次重復(fù)，利用不銹鋼盒采集0～15 cm 土層原狀土樣。實驗室內(nèi)將采集的原狀土沿著自然結(jié)構(gòu)掰成小于1 cm 的團塊，過8 mm 篩，去除動植物殘體和礫石，自然風干，備用。

1.4.2 植物樣品

在玉米收獲期，每個小區(qū)每間隔5 株玉米挖取1 株，共挖取30 株玉米，將玉米脫粒，風干計產(chǎn)。測定玉米產(chǎn)量和生物量等相關(guān)指標，將籽粒和秸稈粉碎供養(yǎng)分測定。

1.5 測定指標與方法

稱量過0.25 mm 篩子1.000 g 土壤樣品，采用重鉻酸鉀外加熱法測定其有機質(zhì)含量。25℃下，稱取過2 mm 土壤篩的風干土（約含有機碳15～30 mg）（精確到0.1 mg），裝入100 mL離心管中，加333 mmol/L KMnO4溶液25 mL，密封瓶口，然后在振蕩機上250 r/min 振蕩1 h，測定其易氧化碳的含量。土壤全氮、全磷、鉀和速效磷、鉀等及植物和籽粒養(yǎng)分等指標的測定參考鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》[27]。

機械穩(wěn)定性團聚體利用沙維諾夫干篩法[28]測定。具體操作流程，將不同孔徑分別為2、0.25 和0.053 mm 的篩子按孔徑由大到小疊放成一組套篩，稱取300 g 風干土樣，干篩10 min，分離出2～8mm（宏團聚體）、0.25～2 mm（大團聚體）、0.053～0.25 mm（微團聚體）和＜0.053 mm（粉黏粒）的組分，分別進行稱質(zhì)量，備用。

水穩(wěn)性團聚體采用Yoder 提出的濕篩法[29]測定：按照干篩法不同團聚體比例配100 g 土樣用于濕篩測定。將100 g 土樣置于團聚體分析儀（XY100 型）套篩最上層（套篩孔徑自上而下依次為2、0.25 和0.053 mm），沿桶壁緩慢加入去離子水至水沒過土樣，浸泡10 min，豎直震蕩30 min，30 次/min，振幅為4 cm。依次收集各級篩子中土壤及不銹鋼桶中土樣于100 mL 燒杯中，然后于60℃下烘干至恒質(zhì)量，稱量各粒徑的質(zhì)量，計算出各粒級團聚體的質(zhì)量分數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)計算與處理

1.6.1 土壤團聚體相關(guān)指標計算

土壤團聚體破壞率（ percentage of aggregate destruction，PAD）

式中A＞0.25為＞0.25 mm 機械穩(wěn)定性團聚體的質(zhì)量分數(shù)%，WSA＞0.25為＞0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體的質(zhì)量分數(shù)(%)。

土壤團聚體穩(wěn)定性指標利用平均重量直徑（mean weight diameter，MWD）和幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）來描述，

1.6.2 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016 和Origin 9.3 軟件對數(shù)據(jù)、圖表進行處理，采用SPSS 19.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并使用Duncan 法進行多重比較，顯著性水平為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同模式處理下對土壤有機質(zhì)和土壤碳組分的影響

人工優(yōu)質(zhì)耕作層工程化快速構(gòu)建過程中一次性施用木本泥炭和生物炭等外源有機材料，經(jīng)過1 個玉米生育期后（2016 年10 月），耕層土壤（0～15 cm）有機質(zhì)含量快速提升，經(jīng)過2 個玉米生育期后（2017 年10 月），土壤有機質(zhì)在第一個生育期的基礎(chǔ)上有明顯下降趨勢，經(jīng)過第3 年種植玉米熟化后（2018 年10 月），土壤有機質(zhì)含量再次提升（圖2）。施加木本泥炭和生物炭處理有機質(zhì)含量均高于對照模式，其中木本泥炭施加量越多，有機質(zhì)提升越高。同時，在生物激發(fā)調(diào)節(jié)劑的作用下，第1 年促進有機質(zhì)的分解利用效果最好，有機質(zhì)快速被分解消耗，達到顯著水平（P＜0.05）（圖2）。各處理重復(fù)之間有機質(zhì)和不同碳組分含量存在一定差異，其中以添加外源有機材料處理差異較大，對照處理差異最小。2016 年耕層土壤有機質(zhì)存在顯著差異（P＜0.05），其中推薦模式和對比模式下的4 個處理A1、A2、B1 和B2 較對照模式不施加木本泥炭C1 處理有機質(zhì)含量分別提高了14.2%、127.4%、31.3%和10.7%；較C2 處理分別提高了16.7%、132.5%、34.2%和13.2%。其中，A2 處理提升效果最顯著，B1 處理次之。不同處理之間易氧化碳含量與有機質(zhì)含量趨勢基本保持一致，其中A2 處理有機質(zhì)與易氧化碳含量顯著高于其他處理。2017 年土壤有機質(zhì)含量較2016 年普遍下降，有機質(zhì)含量高低順序為：A2＞B2＞A1＞C1＞B1＞C2。其中推薦模式和對比模式下的4 個處理A1、A2、B1 和B2 較對照模式下不施加木本泥炭C1 處理有機質(zhì)含量分別提高了46.4%、104.6%、31.0%和51.5%；分別較C2 處理提高了31.8%、84.2%、18.0%和36.4%，A2 處理保持效果最顯著，B2 處理次之。易氧化碳與有機質(zhì)含量趨勢一致，其中B2 處理易氧化碳顯著高于其他處理。2017 年有機質(zhì)較2016 年均下降比例分別是：12.6%、38.6%、31.9%、6.6%、31.8%和22.6%；有機質(zhì)分解速率分別為：0.78、4.78、2.28、0.40、1.73 和1.20 g/(kg·a)。2018 年土壤有機質(zhì)含量較2017年有增加趨勢，不同處理較2017 年平均增加了47.4%，僅C1 處理達到了顯著水平（P＜0.05），其中A1 處理增加量最大為4.17 g/kg。A1、A2、B1、B2 和C1 處理較C2 處理分別增加了93.9%、90.1%、25.2%、56.3%和25.8%。

2.2 不同模式下土壤團聚體及穩(wěn)定性差異

優(yōu)質(zhì)耕作層工程化快速構(gòu)建3 a 后，與對照處理相比機械穩(wěn)定性團聚體含量增加，粉黏粒含量顯著下降，水穩(wěn)定團聚體含量增加，團聚體穩(wěn)定性增強，破壞性率下降（圖3）。

對于機械穩(wěn)定性團聚體，A1、A2、B1、B2 和C1 處理的粉黏粒含量（＜0.053 mm）顯著低于對照C2 處理（P＜0.05），且分別降低了56.3%、56.0%、52.2%、68.6%和48.1%。C1 處理宏團聚體（2～8 mm）含量增加，大團聚體（0.25～2 mm）含量顯著降低；A1 與B1 處理下微團聚體（0.053～0.25 mm）含量增加，但大團聚體含量有降低趨勢。B2 處理宏團聚體含量顯著增加（P＜0.05），而微團聚體含量減少。A1 與B1 處理下的MWD 和GMD 基本與對照C2 處理一致，A2、B2 和C1 處理MWD 和GMD 的值高于C2 處理。

圖2 不同處理下土壤有機質(zhì)和土壤碳組分含量比較 Fig. 2 Comparison of soil organic matter content and soil carbon fractions in cultivated layer

水穩(wěn)定性團聚體含量顯著差異主要出現(xiàn)在大團聚體和宏團聚體，其中B2 處理大團聚體質(zhì)量分數(shù)最高為8.4%，A1 質(zhì)量分數(shù)最低為5.1%；A1 處理和B1 處理宏團聚體質(zhì)量分數(shù)最高為23.0%，C2 宏團聚體質(zhì)量分數(shù)最低為14.3%。微團聚體質(zhì)量分數(shù)以A1、B1 和C1 處理高于對照C2 處理，分別提高了91.7%、58.2%和57.6%。不同處理的MWD 的值均高于C2 處理，但GMD 值僅有B2 處理。

不同處理PAD 大小順序為C2＞A2＞B2＞C1＞A1＞B1，不同處理PAD值較C2處理依次降低了6.6%、9.0%、9.8%、16.4%和17.9%。

圖3 2018 年收獲期不同處理下土壤機械穩(wěn)定性團聚體和水穩(wěn)性團聚體含量及穩(wěn)定性比較 Fig. 3 Content and stability of soil mechanical stability aggregates and waterstable aggregates under different treatments at harvest in 2018

2.3 不同模式處理下對土壤養(yǎng)分的影響

各處理耕層土壤氮、磷和鉀等養(yǎng)分存在顯著差異（表2）。土壤全氮含量基本與土壤有機質(zhì)含量變化趨勢一致，2017年較2016 年有略微降低，但在2018 年有了較大提升。對照C2 處理3 a 間變化較小，2018 年A1 和B1 處理全氮含量較2017 年有快速提升。土壤全磷含量不同處理基本呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，但兩個對照C1 和C2 處理在2018 年卻有降低趨勢。2016—2018 年不同處理速效磷含量逐年增加，對照C2處理速效磷含量連續(xù)3 a 均遠低于其他處理。土壤全鉀含量呈現(xiàn)連續(xù)3 a 逐年下降的變化趨勢，除了對照C2 處理外，其他處理表現(xiàn)為全鉀含量降低的趨勢越來越快，而C2 處理則越來越慢。速效鉀含量連續(xù)3 a 逐年增加，其中以A2 和B2 處理含量較高。土壤pH 值連續(xù)3 a 逐年降低，不同處理3 a 平均降低了0.24、0.31、0.34、0.41、0.24 和0.34 個單位。

表2 2016—2018 年不同處理土壤養(yǎng)分含量變化情況 Table 2 Changes of soil nutrient content in different treatments during 2016-2018

2.4 不同模式處理下土壤重金屬含量比較

重金屬在土壤耕作層沒有顯著差異，但均遠低于土壤環(huán)境質(zhì)量標準GB-15618-1995 中重金屬含量（表3）。不同處理0～15 cm 土壤重金屬Hg、As、Pb、Cd 和Cr 的平均質(zhì)量分數(shù)別為0.039、10.28、26.63、0.21 和60.45 mg/kg。

表3 2016 年不同處理下土壤重金屬質(zhì)量分數(shù) Table 3 Soil heavy metal content under different treatments in 2016

2.5 木本泥炭等處理對玉米產(chǎn)量、生物量及秸稈和籽粒養(yǎng)分的影響

2.5.1 不同處理下玉米籽粒產(chǎn)量與生物量差異

木本泥炭配合生物激發(fā)調(diào)節(jié)劑處理增加了玉米籽粒產(chǎn)量和生物量（圖4）。2016 與2017 年，A1 處理玉米籽粒產(chǎn)量最高，分別為12 169 和14 396 kg/hm2，分別較C2處理增產(chǎn)17.5%和28.6%；2018 年A1 處理產(chǎn)量為15 983 kg/hm2，較C2 增產(chǎn)1.0%。A1 處理玉米籽粒3 a 平均產(chǎn)量較對照C2 處理提高了13.8%，較C1 處理提高了8.2%，生物炭B2 處理3 a 平均籽粒產(chǎn)量較C2 僅提高了2.1%，但A2 處理連續(xù)3 a 均較低，平均產(chǎn)量遠遠低于C2 對照處理。不同處理連續(xù)3 a 玉米籽粒產(chǎn)量逐年增加，不同處理玉米地下部生物量和地上部生物量也逐年增加（圖4）。2018 年大部分處理玉米地下部生物量和地上部生物均顯著高于2016 年和2017 年（P＜0.05）。其中A1 處理和C1處理地上部與地下部生物量較高，連續(xù)3 a 兩個處理地上部生物量和地下部生物量平均分別為25 143、3567 和25 499、3518 kg/hm2，較對照C2處理平均提高了18.2%、20.1%和19.8%、18.4%；B1 和B2 處理也可相應(yīng)增加玉米生物量，但效果不及A1 和處理；A2 處理地上部生物量和地下部生物量均低于C2 處理。同時，各處理3 個重復(fù)之間差異較大，可能是不同小區(qū)的治溝造地過程導(dǎo)致整個地塊土壤存在一定空間異質(zhì)性，加之耕層構(gòu)建過 程施用添加物無法保證很高的均勻度導(dǎo)致。

圖4 不同處理下玉米籽粒產(chǎn)量和生物量對比 Fig.4 Comparison of maize grain yield and biomass under different treatments

2.5.2 不同處理下玉米秸稈與籽粒養(yǎng)分差異

2017—2018 年不同處理籽粒氮、磷、鉀養(yǎng)分和秸稈氮、磷養(yǎng)分差異未達到顯著水平（P＞0.05），但秸稈中全鉀含量差異顯著（P＜0.05）（表4）。B2 處理可顯著增加秸稈中全鉀含量，2017 和2018 年分別較對照C2 處理提高了31.1%和53.1%。2017 年籽粒中全氮、全磷和全鉀含量分別為1.30%、0.34%和0.48%，秸稈中全氮全磷和全鉀平均分別為1.07%、0.12%和1.36%。在平均值的基礎(chǔ)上，A1 處理可以增加籽粒全氮和全鉀含量，降低秸稈中全氮和全鉀含量。2018 年施加木本泥炭的3 個處理A1、A2 和B1 籽粒養(yǎng)分含量高于C2 處理，但僅有A1 處理增加了秸稈中的全氮和全磷含量。

表4 不同處理對玉米秸稈及籽粒養(yǎng)分的影響 Table 4 Effect of different treatments on straw and grain yield nutrients

3 討 論

重型機械碾壓導(dǎo)致土壤緊實、導(dǎo)水透氣性差等問題，通過兩次不同方向上30 cm 深翻解決。翻耕后土壤孔隙增加，容重降低。保證了耕層土壤均勻，確保降水可順利入滲補給到土壤剖面，有利于根系下扎。添加不同的外源碳材料（木本泥炭[16]、生物炭[20]），可迅速提高土壤中的有機質(zhì)含量和穩(wěn)定土壤碳組分（難氧化碳）。木本泥炭作為一種自然的有機質(zhì)含量極高的外源土壤培肥材料[16]，具有一定的生物活性，不僅可以增加土壤中易氧化碳組分，而且可增加土壤中難氧化碳組分，最終迅速增加土壤有機質(zhì)與有機碳組分[25]。本研究結(jié)果顯示，當木本泥炭施用量15 t/hm2時，可提高有機質(zhì)34.2%；施用37.5 t/hm2時，土壤有機質(zhì)提高1.33 倍，有機質(zhì)含量隨木本泥炭用量提高而增加。類似研究表明[25]，于河北新墾弱堿性土壤中施用木本泥炭37.5 t/hm2時，一個生育期后，可以將土壤有機質(zhì)含量從5.8 g/kg，提高至16.4 g/kg。在紅壤新墾土地的研究[26]表明，施加木本泥炭15 t/hm2和30 t/hm2時，土壤有機質(zhì)由4.94 g/kg 分別提升至5.07 和6.14 g/kg[26]。這可能與土壤本身的性質(zhì)（質(zhì)地、酸堿性、碳酸鹽含量、黏粒含量和有機質(zhì)含量等）和外界環(huán)境有關(guān)。由于土壤激發(fā)效應(yīng)，將促進有機質(zhì)的分解消耗。此外，木本泥炭容重小、混入0～15 cm 土層，會降低土壤容重，提高土壤總孔隙度，增加水分入滲能力，其也會在一定程度上增加有機質(zhì)與空氣、水分和根系的接觸，促進其分解利用。但是，土壤中存在有機質(zhì)在團聚體中的物理保護機制，有機質(zhì)也可以充當土壤團聚體形成中的膠結(jié)物質(zhì)，促進團聚體形成；而團聚體將有機質(zhì)包裹在內(nèi)部，減少了其與空氣、水分和根系的直接接觸，減緩了有機質(zhì)的分解。且不同粒徑下的團聚體對有機質(zhì)保護機制和強度有差異，但團聚體粒徑越小，其穩(wěn)定性越高，內(nèi)部的有機物質(zhì)越穩(wěn)定。相關(guān)研究表明[30]，顆?；斩挿€(wěn)定性增強，可提高土壤有機質(zhì)含量。但是，當土壤中有外源新鮮有機物質(zhì)加入時，會促進土壤中原有的有機質(zhì)分解[31-32]。由于加入的量遠高于分解的量，最終導(dǎo)致有外源有機物質(zhì)添加到土壤后有機質(zhì)較高。土壤激發(fā)效應(yīng)與有機質(zhì)團聚體物理保護機制同時存在[33]。通過膠結(jié)物質(zhì)將有機物質(zhì)包裹在團聚體中，減少與空氣接觸而降低被土壤微生物或動物分解的速率[34-36]。土壤中類似于有機質(zhì)的膠結(jié)物質(zhì)，如土壤黏粒含量和碳酸鈣等粘土礦物均會對土壤團聚體的周轉(zhuǎn)和破碎過程產(chǎn)生影響[37-39]。本研究結(jié)果也表明，施加木本泥炭處理可以顯著增加土壤中團聚體含量，降低粉黏粒含量。木本泥炭促進土壤粉黏粒在各種膠結(jié)劑的作用下相互膠結(jié)形成團聚體，其團聚體穩(wěn)定性增加，破壞率降低，有利于土壤結(jié)構(gòu)維持和有機質(zhì)保持。在生物激發(fā)調(diào)節(jié)劑作用下，經(jīng)過1 a 的時間，土壤有機質(zhì)分解加速，有機質(zhì)含量顯著降低，其中第一年分解速率遠遠大于不施加處理。第2 年，土壤有機質(zhì)分解速率為0.78 g/(kg·a)，而不施用激發(fā)劑處理為4.78 g/(kg·a)，這種生物激發(fā)調(diào)節(jié)劑效果僅在第一年最顯著。此外，不同處理下3 a 來土壤養(yǎng)分變化規(guī)律基本一致，土壤中大量元素氮、磷和鉀含量基本不存在顯著差異， 其主要原因是：所有處理下氮、磷和鉀肥施肥量均處于較高水平，致使其研究結(jié)果在氮、磷和鉀養(yǎng)分含量結(jié)果差異上并沒有達到顯著水平。但施加木本泥炭養(yǎng)分含量略高于不施加處理，在施加木本泥炭處理下高產(chǎn)量和高生物量輸出情況下，也會導(dǎo)致養(yǎng)分消耗。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》GB 15618-1995，土壤重金屬含量均在安全范圍以內(nèi)，不會引起重金屬超標造成的污染。木本泥炭結(jié)合生物激發(fā)劑和腐熟秸稈施用增加玉米籽粒產(chǎn)量和生物量，耕層良好的導(dǎo)水透氣性，增加降水入滲補給和氧氣濃度，土壤有機質(zhì)含量高促進根系生長。加之，穩(wěn)定的土壤團聚體結(jié)構(gòu)有利于土壤的保水保肥能力，增強植株的抗逆性，為后期玉米籽粒產(chǎn)量的形成提供了良好的土壤物理、化學(xué)等條件。2017 年玉米在生長期內(nèi)遭遇一次蟲害，盡管如此，施加木本泥炭處理的玉米植株抗蟲害效果更強，其籽粒產(chǎn)量依然最高。

生物炭作為一種人工合成的重要外源有機物質(zhì)，其具有機質(zhì)含量高、富含各種礦質(zhì)元素、容重小和孔隙度大等諸多優(yōu)點，近年被廣泛用于土壤培肥與改良[19-23]。但其在高溫厭氧條件下裂解而成，生物活性喪失、結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，對土壤中難氧化碳組分影響大，但可以保持持久的土壤肥力。有研究指出，生物炭在土壤中的分解周轉(zhuǎn)時間長達百年甚至上千年，足以說明了生物炭性質(zhì)穩(wěn)定[19-20]。本研究表明，黃綿土中施用生物炭可以增加土壤中有機質(zhì)含量，但易氧化碳含量會顯著降低?？赡苁巧锾吭趨捬醺邷貤l件下裂解制成，其中有機物質(zhì)性質(zhì)穩(wěn)定，富含各種穩(wěn)定的官能團，不易在土壤中分解消耗[19]，致使土壤原有的易氧化碳和生物炭中不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)材料加速分解利用。本研究中生物炭處理第2 年土壤有機質(zhì)分解速率最小，亦可說明其可以穩(wěn)定存在于土壤之中。此外，相關(guān)研究表明，施用生物炭增加土壤養(yǎng)分含量和養(yǎng)分有效性，但不同類型的土壤其影響程度不同[19-20]。生物炭在酸性土壤中對養(yǎng)分影響效果顯著，是生物炭的堿性與酸性土壤中和，降低了土壤酸度，為微生物的生長提供了適宜的pH 值范圍，進一步增加了養(yǎng)分的有效性；而生物炭在堿性土壤中效果不顯著。其中，黃綿土屬弱堿性土壤，盡管其對土壤pH 值影響不大，但由于生物炭本身富含各種礦質(zhì)元素，在對土壤速效磷等養(yǎng)分具有顯著提升作用。玉米在良好土壤養(yǎng)分條件下，會增加對氮、磷和鉀元素的吸收利用，最后增加其籽粒和秸稈中的氮、磷和鉀含量。再之，生物炭是果木等生物質(zhì)制成，本身不存在重金屬富集，亦不會造成土壤重金屬污染。結(jié)果表明，施用生物炭改善了增加了有機質(zhì)及各種養(yǎng)分含量和土壤結(jié)構(gòu)特征，但玉米產(chǎn)量和生物量卻沒有顯著增加。Jones 等通過3 a 的田間試驗也表明，施用生物炭沒有促進玉米的生長，卻促進了田間雜草的生長。這其中的原因可能是玉米和草的根系深度不同，盡管養(yǎng)分充足，但是作物無法完全吸收利用[21]。另一方面生物炭的性質(zhì)會隨著其在土壤中的時間增加而衰退。眾多試驗均表明，生物炭應(yīng)用在試驗前幾年效果突出，后期由于其結(jié)構(gòu)性穩(wěn)定，不易被微生物和根系分解利用[20]。因此，在利用生物炭快速構(gòu)建優(yōu)質(zhì)耕作層時，需要考慮生物炭在性質(zhì)上的優(yōu)點和缺點[40]。

4 結(jié) 論

1）在消除優(yōu)質(zhì)耕作層構(gòu)建的障礙因子基礎(chǔ)上，通過一次性添加木本泥炭增加土壤惰性有機質(zhì)含量，輔以生物激發(fā)調(diào)節(jié)劑來豐富土壤微生物群落并調(diào)節(jié)木本泥炭的分解速率，進行秸稈還田和化肥的施用增加易分解有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量所構(gòu)建的黃綿土優(yōu)質(zhì)耕作層。施用后1 a、2 a和3 a 土壤有機質(zhì)較對照分別可以增加16.7%、31.8%和93.9%，在生物激發(fā)調(diào)節(jié)劑的刺激作用下，土壤易氧化碳含量也提升，土壤團聚體破壞率降低16.4%，土壤團聚體含量及穩(wěn)定性增加，提高了土壤當季肥力，促進作物生長發(fā)育，連續(xù)3a 分別提高產(chǎn)量17.5%、28.6%、1.0%。同時，不會導(dǎo)致土壤重金屬超標。生物炭的添加也可以改善土壤養(yǎng)分狀況，但是會降低土壤中易氧化碳含量，對產(chǎn)量和生物量的作用效果也不顯著，效果不如木本泥炭。

2）木本泥炭在生物激發(fā)劑的作用下，會快速分解而降低其含量，施用后第2 年有機質(zhì)分解速率在0.40～4.78 g/(kg·a)，可能帶來后續(xù)效應(yīng)。此外，外源新鮮有機物質(zhì)添加所帶來的土壤激發(fā)效應(yīng)，也不利于土壤有機質(zhì)保育。因此，研究木本泥炭在黃綿土中的轉(zhuǎn)化過程，闡明其快速分解機制，利用土壤團聚體對有機質(zhì)的保護機理，采取相應(yīng)措施減緩其分解速率，維持土地生產(chǎn)力，對提升與保持土壤肥力持久性具有重要意義，這一方面仍需進一步深入研究。