全 文 ：中国生态农业学报 2015年 10月 第 23卷 第 10期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Oct. 2015, 23(10): 12281235


* 中国科学院战略性先导科技专项课题(XDA0505050203, XDB15030302)、国家自然科学基金面上项目(41471182)、中国科学院科技服
务网络计划(KFJ-EW-STS-055-4)和中国科学院知识创新工程项目(ISSASIP1118)资助
** 通讯作者: 张佳宝, 主要从事土壤地力提升研究。E-mail: jbzhang@issas.ac.cn
赵占辉, 主要从事土壤改良和地力提升等方面的研究。E-mail: zhanhuizhao@126.com
收稿日期: 20150510 接受日期: 20150803
http://www.ecoagri.ac.cn
DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.150546
不同稳定性有机物料对砂姜黑土理化性质及
玉米产量的影响*
赵占辉1,2 张丛志2 蔡太义2 刘昌华1 张佳宝2**
(1. 河南理工大学测绘学院 焦作 454000; 2. 封丘农田生态系统国家试验站/土壤与农业可持续发展国家重点实验室/
中国科学院南京土壤研究所 南京 210008)
摘 要 针对黄淮海平原广泛分布的砂姜黑土结构性差、有机质含量偏低的特征, 通过中国科学院封丘农田
生态系统国家试验站 2年砂姜黑土不同外源有机物料施用处理盆栽试验[共设 8个处理, 分别为空白(CK)、施
秸秆(S)、施有机肥(M)、施 1/2秸秆+1/2有机肥(SM)、施生物炭(C)、施 1/2生物炭+1/2秸秆(CS)、施 1/2生物
炭+1/2有机肥(CM)和施 1/3生物炭+1/3有机肥+1/3秸秆(CSM)], 研究了等C、N输入下不同稳定性有机物料(生
物炭、秸秆、有机肥)对砂姜黑土理化性质及玉米产量的影响。结果表明, 与 CK 处理相比, 施用外源有机物
料能显著降低土壤容重 19.60%~32.23%, 增加饱和含水量 7.91%~28.99%、田间持水量 10.47%~30.76%, 提高
耕层土壤总孔隙度 10.36%~28.21%, 提升全量有机质 11.00%~37.00%; 并对活性有机质组分(低活性有机质、
中活性有机质、高活性有机质)产生显著影响, 其中高活性有机质增加幅度高达 39.22%~83.83%。从有机物料
的配比效果来看, CSM处理土壤容重最低, 为 1.28 gcm1, C、S处理土壤容重分别为 1.30 gcm1、1.36 gcm1。
CSM处理土壤总孔隙度最大, 为 58.53%; S、CS、SM处理次之, 分别为 55.62%、56.90%、54.38%; C、M处
理最小, 分别为 53.18%、50.38%。CS、CM、CSM处理土壤总有机质含量较高, 分别为 30.76 gkg1、32.99 gkg1、
31.45 gkg1; C、S处理相对较低, 分别为 25.36 gkg1、26.16 gkg1。CS、SM、CSM处理玉米产量最高, 分
别为 463.67 g盆1、376.31 g盆1、471.77 g盆1, 且差异性显著。可见不同稳定性有机物料施入能够改善土壤
理化性质, 提高玉米产量, 生物炭配合秸秆、有机肥还田处理改良土壤及增产效果最佳。
关键词 有机物料 稳定性 砂姜黑土 理化性质 玉米产量 生物炭 秸秆 有机肥
中图分类号: S156.3 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2015)10-1228-08
Effects of different stable organic matters on physicochemical properties
of lime concretion black soil and maize yield
ZHAO Zhanhui1,2, ZHANG Congzhi2, CAI Taiyi2, LIU Changhua1, ZHANG Jiabao2
(1. School of Surveying and Land Information Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 2. State
Experimental Station of Agro-Ecosystem in Fengqiu / State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture / Institute of Soil
Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)
Abstract With poor physical properties and low organic matter content, lime concretion black soil is one of the lowest
productive soils and is widely distributed in the Huang-Huai-Hai Plain in China. Although the physical and chemical
properties of lime concretion black soil influenced by exogenous organic matter have been widely reported, few studies have
focused on the effects of synchronous application of organic materials with different stabilities in lime concretion black soil.
Thus a two-year pot experiment was conducted at the State Experimental Station of Agro-Ecosystem in Fengqiu to evaluate the
effects of organic materials with different stabilities (biochar, organic fertilizer and straw) on the physico-chemical properties
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of lime concretion black soil and maize yield. Eight treatments were designed based on applications of different organic
materials with the same inputs of carbon and nitrogen, which were CK (no fertilizer), straw (S), organic manure (M), biochar
(C), 1/2 straw + 1/2 organic manure (SM), 1/2 biochar + 1/2 straw (CS), 1/2 biochar + 1/2 organic manure (CM), and 1/3
biochar + 1/3 organic fertilizer + 1/3 straw (CSM). Compared with CK, the application of different organic materials decreased
soil bulk density by 19.60%32.23% and increased saturated soil moisture, field capacity and total porosity by 7.91%28.99%,
10.47%30.76% and 10.36%28.21%, respectively. There were significant differences in total organic matter and labile
organic matter contents of soil between CK and organic materials application treatments. The trends of increase in different
components of organic matter were similar. On the other hand, the variation range of high labile organic matter was obviously
greater than that of total organic matter. The high labile organic matter content increased by 39.22%8.83%, whereas that of
total organic matter increased by 11.00%37.00% under organic materials treatments. Bulk density of CSM (1.28 gcm1) was
lower than those of C (1.30 gcm1) and S (1.36 gcm1). Total porosity of CSM was highest (58.53%) among all treatments.
Total porosity under CS, SM, S, C and M treatments was 56.90%, 54.38%, 55.62%, 53.18% and 50.38%, respectively. Total
organic matter content of CS, CM, CSM, C and S was 30.76 gkg1, 32.99 gkg1, 31.45 gkg1, 25.36 gkg1 and 26.16 gkg1,
respectively. Maize yield for different treatments were similar in trend to that of total organic matter content. Grain yield for
CS, SM and CSM was respectively 463.67 gpot1, 376.31 gpot1 and 471.77 gpot1; higher than that of C, S and M. Overall,
mixed application of biochar, straw and organic fertilizer was by far better than the application of sole organic material in
terms of improving soil physico-chemical properties and maize yield.
Keywords Organic material; Stability; Lime concretion black soil; Physio-chemical property; Maize yield; Biochar; Straw;
Organic fertilizer
(Received May 10, 2015; accepted Aug. 3, 2015)
砂姜黑土是在暖温带半湿润气候条件下, 发育
于河湖相沉积物上经脱沼泽作用而形成的半水成土,
以 2︰1型的蒙脱石为主, 表现为质地黏重、干缩湿
胀、易旱易涝、有机质含量低下等不良特征[12]。在
我国, 砂姜黑土是主要的中低产土壤之一, 其总面
积约 40 多万 hm2[3], 由于其结构性差、养分匮乏等
障碍因子的存在, 严重影响了作物的正常生长, 导
致土壤生产率低下。长期以来, 我国对砂姜黑土改
造的理论和实践研究均投入了大量的人力和物力 ,
查理思等[4]通过野外调查与室内分析河南地区低产
农田土壤理化性质表明, 砂姜黑土具有有机质含量
低、质地黏的障碍因素, 并指出该因素可作为对砂
姜黑土改良的重点。研究表明: 增施有机肥可降低
蒙脱石的剪切应力, 抑制其胀缩性, 改善土壤干缩
湿胀性能[56]; 秸秆还田可提高土壤有机质含量, 降
低土壤容重, 增加土壤孔隙度[79]; 有机无机结合
较单一施用秸秆肥或化肥能更有效地提升土壤肥力,
提高作物产量[1012]。有机物料回归土壤能增加土壤
孔隙度, 降低容重, 改善土壤通透性和保水保肥性
能 , 提高土壤的缓冲性 , 同时提供多种有效养分 ,
培肥土壤并增加作物产量[3,10]。关于有机物料改良土
壤和增加产量的报道已有很多[915]。如陈心想等[9]
研究表明, 生物炭可以改善土壤化学性质, 提高土
壤有效养分含量, 但对作物增产效应并不稳定; 侯
晓娜等[13]通过对比分析生物炭与秸秆对砂姜黑土团
聚体和有机碳分布影响, 发现生物炭与秸秆配施是
改善砂姜黑土结构和提升碳水平的最佳培肥措施 ;
李玮等[10]以 32 a定位试验为平台, 研究发现有机肥
能显著降低砂姜黑土容重 , 提升土壤有机质含量 ,
而且有机肥配施无机肥改良效果最佳。这些研究主
要集中于某一种有机物料或者着重于有机物料与无
机肥料对地力提升的对比研究, 然而广泛应用于土
壤改良的有机物料种类多样, 稳定性并不一致, 综
合比较这些不同稳定性外源有机物料(生物炭、秸
秆、有机肥等)还田对砂姜黑土改良效应却少见报
道。由于不同有机物料改良砂姜黑土的原理和机制
并不相同, 因此不同稳定性有机物料混合施入改良
砂姜黑土的机制和效应并不明确[1617]。为此, 本文
基于 2 年盆栽试验, 探讨了等 C、N 输入下不同稳
定性的有机物料对砂姜黑土理化性质及玉米产量的
影响, 旨在为砂姜黑土的改良提供基础数据和理论
基础。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验于 2012 年 10 月—2014 年 10 月在中国科
学院封丘农田生态系统国家试验站进行。该试验站
位于黄河北岸的河南省封丘县(35º01′N, 114º24′E),
地处黄淮海平原 , 属于半干旱半湿润季风气候 ,
多年平均降雨量 615 mm, 且 60%~90%分布在
6—10月, 年平均气温为 13.9 ℃。试验土壤为砂姜
黑土, 取自河南省郸城县丁村乡高小庙村农户耕地
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0~20 cm 耕层(33°38′N, 115°23′E, 海拔 23 m), 其
pH为 7.64, 阳离子交换量 209.91 mmolkg1, 全氮
含量 1.10 gkg1, 全磷含量 0.95 gkg1, 全钾含量
15.33 gkg1, 有机质含量 19.76 gkg1。供试玉米品
种为‘郑单 958’。
1.2 试验设计
盆栽试验用盆高 52 cm, 上部内径为 44 cm,
下部为 30 cm, 底部留一出水孔。每桶装土烘干
重为 70 kg, 填装容重为 1.2 gcm3, 盆栽施肥量
为 240 mg(N)kg1(土)。针对砂姜黑土土壤物理性状
差(土壤黏重、容重高、通气透水性差)的特点[18], 通
过添加不同稳定性的有机物料(生物炭、秸秆、有机
肥)及其组合来消减砂姜黑土相应的障碍因子, 不同
有机物料基本理化性质见表 1。
试验采用的外源有机物料中 , 有机肥活性最
高、矿化速度快, 秸秆降解较慢, 生物炭难以降解。
将这 3种有机物料进行组合, 共设 8个处理, 分别为
空白(CK)、施秸秆(S)、施有机肥(M)、施 1/2秸秆+1/2
有机肥(SM)、施生物炭(C)、施 1/2生物炭+1/2秸秆
(CS)、施 1/2 生物炭+1/2 有机肥(CM)、施 1/3 生物
炭+1/3 有机肥+1/3 秸秆(CSM)。各处理外源有机物
料总 C、N施加量均一致, C输入 313.12 g盆1, N输
入 16.96 g盆1, N 含量不足的有机物料输入处理补
充尿素使得 N 输入一致。试验采用冬小麦夏玉米
轮作制度, 有机物料均于播种时与土壤均匀混合施
入; 小麦、玉米施肥量相同, 肥料分 2次施入, 小麦
为 40%播种施用、60%拔节追施, 玉米为 40%播种施
用、60%孕穗追施。小麦每年 10月 10日播种, 6月
1日收获; 玉米每年 6月 10日播种, 10月 10日收获。
每盆播种 8 颗玉米并于苗期(3 叶期)间苗, 每盆留 4
棵长势良好一致的玉米直至生长结束; 每盆播种小
麦 200粒。每个处理设 3次重复。
表 1 试验所用不同稳定性有机物料基本理化性质
Table 1 Basic physicochemical properties of different stable organic matters used in the experiment
有机物料
Organic mater
温度
Temperature
(℃)
产率
Productivity
(%)
全碳
Total C
(gkg1)
全氮
Total N
(gkg1)
全磷
Total P
(gkg1)
全钾
Total K
(gkg1)
pH
生物炭 Biochar 500.00 39.00 602.70 5.70 0.89 48.93 10.12
小麦秸秆 Wheat straw — — 415.90 5.75 1.48 91.94 —
有机肥 Organic fertilizer — — 350.15 9.31 4.76 9.95 —

1.3 样品采集
土壤样品于每年玉米收获后采集, 小麦收获期
不采样。用体积为 100 cm3的环刀取土壤原状土, 取
样深度为 0 ~20 cm; 另取 0~20 cm的土样, 每个处理
均为多点采集混合而成, 然后用四分法取出足够的
样品, 风干后过筛备用。
1.4 指标测定
采集 0~20 cm 原状土壤样品, 环刀法测定土壤
容重[1819], 公式如下:
ρb=m/[V(1+θm)] (1)
式中: ρb表示土壤容重, gcm3; m表示环刀内湿样重
量, g; V表示环刀体积, cm3; θm表示样品含水量, %。
土壤孔隙度通过土壤容重和密度计算得到, 公
式如下:
Pt=(1ρb/ds)100 (2)
式中: Pt表示土壤总孔隙度, %; ρb表示土壤容重, gcm3;
ds表示土壤密度, 通常采用密度值为 2.65 gcm3。
土壤毛管孔隙度通过毛管含水量和土壤体积得
到, 公式如下:
Pc=Wc(ρb/v)100 (3)
式中: Pc表示土壤毛管孔隙度, %; Wc表示土壤毛管
含水量, 为单位质量土壤饱和状态下含水量与自然
含水量的差值, %; v表示土壤体积, 本试验中以环刀
体积 100 cm3为待测定土壤体积。
土壤非毛管孔隙度通过土壤总孔隙度和毛管孔
隙度得到, 公式如下:
Pn=PtPc (4)
式中: Pn表示土壤非毛管孔隙度, %; Pt表示土壤总
孔隙度, %; Pc表示土壤毛管孔隙度, %。
采用 KMnO4 氧化法测定活性有机质[2021], 分
别用不同浓度 KMnO4(33 mmolL1、167 mmolL1、
333 mmolL1)氧化土壤有机质的数量, 将易氧化有
机质分成高活性有机质、中活性有机质、低活性有
机质 3种不同的级别; 采用K2Cr2O7氧化法测定全量
有机质[19]。
玉米成熟后实收每盆产量。
1.5 数据分析
试验数据采用 SPSS 19.0 软件平台进行统计分
析, 单因素方差多重比较分析采用最小显著差异法
(LSD, Least significant difference), 相关性分析采用
双变量皮尔逊单侧显著检验。
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2 结果与分析
2.1 不同稳定性有机物料对土壤容重、含水量和孔
隙度的影响
2.1.1 对土壤容重和含水量的影响
不同处理对玉米收获期 0~20 cm土层的土壤容
重、饱和含水量、田间持水量均产生了显著影响
(表 2)。与 CK 相比, C、S、M 处理土壤容重降低
32.23%、29.21%、19.60%, C和 S处理土壤容重无显
著差异, M处理土壤容重显著高于 C、S处理; CS、
CM、SM 处理土壤容重分别比 CK 降低 31.98%、
28.66%、24.62%, CS、CM 处理较 SM 效果较明显;
CSM 处理对土壤容重降低幅度最大 , 降幅高达
33.58%。不同处理对土壤饱和含水量、田间持水量
影响规律具有一致性, S、C处理及其组合 CS处理相
对 CK 处理保水能力较高, 保水能力具体表现为 CS
处理>S处理>C处理>CM处理>CSM处理>SM处理>
M 处理。可见, 添加外源有机物料能够改善土壤结
构, 可以作为降低砂姜黑土土质黏重障碍的重要措
施[3]。詹其厚等[6]通过田间定位试验探讨了秸秆、秸
秆堆肥、牛粪对低产砂姜黑土的改良效果, 发现有
机物料还田后土壤不良通透性和僵硬性状有明显改
善, 容重降低, 田间饱和持水量提高。可见生物炭、
秸秆、有机肥能起到疏松土壤、降低容重的作用, 这
可能由于生物黑炭中含有丰富的有机大分子和孔隙
结构, 具有孔隙度好、比表面积大、吸附能力强的
特点, 施入土壤后易形成较大团聚体 [22], 改良了砂
姜黑土黏重缺陷, 而且生物炭施入土壤后其颗粒表
面氧化及羧基基团增多, 逐渐增强生物炭的亲水性
而表现出保水效应 ; 秸秆进入土壤在矿化过程中 ,
秸秆纤维腐解体与土壤团粒结合能够吸附水分, 从
而降低蒸发, 增强土壤保水性能 [18,23]; 有机肥在土
壤中能够快速降解促进土壤团粒形成, 使大小团粒
间孔隙配合适当, 降低土壤容重 [24], 同时改善土壤
保水性状。与各有机物料的单一施入相比, 生物炭
配合秸秆、有机肥施入效果更好, 这可能由于混合
施入土壤后可消除生物炭初期疏水性的不足, 高稳
定性生物炭又可以产生互补或协同作用[25]。
2.1.2 对土壤孔隙度的影响
3 种不同稳定性的有机物料处理后, 土壤总孔
隙度、毛管孔隙度显著提高(P<0.05)(表 2)。各施肥
处理土壤总孔隙度变化范围为 50.38%~58.53%, 较
CK处理增幅为 10.36%~28.21%。其中, CSM处理提
高幅度最大, 增幅为 28.21%, S、CS、SM处理次之,
增幅分别为 21.84%、24.64%、19.12%, C、M 处理
增幅最小, 增幅分别为 16.49%、10.36%。不同稳定
性有机物料对毛管孔隙度与非毛管孔隙度具有相反
的作用, 添加不同有机物料处理毛管孔隙度较对照
增加 29.13%~65.38%, 而非毛管孔隙度有下降趋势,
与 CK 相比, C、S、CS、M、CM、SM 处理分别降
低 26.32%、20.22%、6.61%、16.07%、23.20%、15.49%,
CSM处理则增加 13.00%; 3种有机物料改良后土壤
毛管孔隙度表现为 C>S>M, 非毛管孔隙度与之相
反。生物炭具有质轻和高孔隙度的特点, 能够增加
土壤孔隙数量[22]; 秸秆由于具有大量纤维结构而具
有疏通土壤毛管孔隙、增加毛管空隙数量的作用 ;
有机肥提高土壤孔隙的原因可能是其含有大量疏松
表 2 不同稳定性有机物料处理对土壤物理性质和含水量的影响
Table 2 Effects of different stable organic matters treatments on soil physical properties and water contents
项目 Item CK C S CS M CM SM CSM
容重
Soil bulk density (gcm3) 1.92±0.06a 1.30±0.05de 1.36±0.04d 1.31±0.06de 1.54±0.01b 1.37±0.01d 1.45±0.04c 1.28±0.04e
饱和含水量
Saturated soil moisture
(%)
31.91±1.23e 39.79±10.00c 41.16±0.35b 43.90±1.30a 34.43±0.62d 40.77±0.83b 39.14±0.60c 41.13±1.20b
田间持水量
Field capacity (%)
30.44±1.33d 38.52±3.24b 39.81±0.33a 42.69±3.01ab 33.63±0.53c 39.57±0.91ab 38.19±3.80b 38.72±1.27b
总孔隙度
Total porosity (%)
45.65±2.62c 53.18±3.65b 55.62±3.29ab 56.90±4.09ab 50.38±0.46b 54.94±0.45ab 54.38±3.45ab 58.53±2.41a
毛管孔隙度
Capillary porosity (%)
19.67±1.38e 31.68±0.36ab 32.35±1.43ab 29.66±0.73b 25.90±0.66d 32.53±3.22a 29.72±0.59b 25.40±0.71d
非毛管孔隙度
Noncapillary porosity (%)
29.18±3.48a 21.50±4.01bc 23.28±4.72bc 27.25±4.82b 24.49±0.19c 22.41±2.78c 24.66±4.04c 33.13±3.12b
表中数据为 3次重复平均值, 不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)(LSD法检验); CK: 不施肥对照处理; C: 生物炭处理; S: 秸秆处
理; M: 有机肥处理; CS: 1/2生物炭、1/2秸秆处理; CM: 1/2生物炭、1/2有机肥处理; SM: 1/2秸秆、1/2有机肥处理; CSM: 1/3生物炭、1/3秸
秆、1/3有机肥处理。下同。Each value in the figure is mean of 3 replicates. Values followed by different letters within a line are significantly different
at P < 0.05 according to LSD test. CK: no fertilizer treatment; C: biochar treatment; S: straw treatment; M: organic fertilizer treatment; CS: 1/2
biochar and 1/2 straw treatment; CM: 1/2 biochar and 1/2 organic fertilizer treatment; SM: 1/2 straw and 1/2 organic fertilizer treatment; CSM: 1/3
biochar, 1/3straw and 1/3 organic fertilizer treatment. The same below.

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的有机碳, 且其快速矿化释放养分, 促进作物根系
生长, 而土壤经过根系机械穿插作用破坏了土壤黏
重结构, 促进大孔隙产生[2627]。如表 2, 3 种不同稳
定性有机物料具有不同特性, 较单一施入外源有机
物料, 生物炭配合秸秆、有机肥施用更有利于提高
土壤总孔隙度。
2.2 不同稳定性有机物料对土壤有机质及其活性
组分的影响
不同稳定性有机物料处理土壤高、中、低活性
有机质含量依次递增(表 3)。不同有机物料处理能显
著增加高活性有机质含量, 各处理的增加顺序依次
为 CS>CSM>CM>S>SM>C>M, 混合施用不同稳定
性有机物料提升高活性有机质的效果优于单一施用;
对于中活性有机质, M和 S处理则高于 C处理, CSM
处理比单一施用处理效果好; 而对于低活性有机质,
CS、CM、SM处理较 CK显著增加, 而 C、S、M处
理尽管有利于提升低活性有机质含量, 但与 CK比较
未达到显著水平。总体上, 不同稳定性有机物料对活
性有机质、全量有机质影响显著, 其原因是秸秆、有
机肥经矿化作用释放 C、N提升土壤有机质, 而生物
炭虽难以降解, 但由于其多孔疏松性和高比表面积
能够改良土壤结构, 吸附土壤 C、N养分并能够为微
生物活动提供适宜场所, 进而提高微生物量及活性[12],
进一步加快秸秆腐解, 提升土壤有机质[9,22]。生物炭与
秸秆、有机肥配合施入的协同作用还表现在生物炭作
为养分吸收剂能够降低土壤养分淋失, 延长肥料养
分的释放期, 降低养分损失, 反之秸秆、有机肥矿化
作用消除了生物炭养分不足的缺陷[25]。
表 3 不同稳定性有机物料处理对土壤有机质的影响
Table 3 Effects of different stable organic matters treatments on soil organic matter gkg1
项目 Item CK C S CS M CM SM CSM
总有机质
Total organic matter
22.89±0.80d 25.36±0.50c 26.16±0.70b 30.76±0.27a 31.08±1.10a 32.99±0.13a 28.17±0.80b 31.45±10a
低活性有机质
Low labile organic matter
9.16±0.40b 10.75±0.20b 11.24±0.87ab 12.68±0.75a 11.02±0.79ab 12.48±0.46a 12.44±0.48a 11.32±1.21ab
中活性有机质
Middle labile organic
matter
7.13±0.50cd 6.90±0.30d 7.86±0.40c 9.20±0.60b 8.57±1.50ab 8.71±1.20ab 8.73±0.20b 9.37±0.10a
高活性有机质
High labile organic matter
4.64±0.10e 6.64±0.50d 7.13±0.60c 8.53±0.20a 6.46±0.78d 7.34±0.36bc 6.91±1.02cd 7.78±0.30b

2.3 不同稳定性有机物料对玉米产量的影响
C、S和M处理玉米产量范围为281.94~420.37 g盆1,
比 CK 处理提高 36.00%~103.00%, CS和 CSM处理
能显著提高玉米产量(图 1)。总体上, 3种有机物料都
能明显提升玉米年产量, 且均达显著水平, 生物炭
配合秸秆、有机肥混合施入增产幅度最大, 效果最
显著。可见, 有机物料回归土壤有利于改良土壤结
构, 提高土壤养分积累和供应能力, 进而增加作物

图 1 不同稳定性有机物料处理对玉米产量的影响
Fig. 1 Effects of different stable organic matters treatments on
maize yield
产量[5,2428]。单一秸秆还田、施用有机肥能提升作物
产量, 而在此基础上配合施入生物炭能大幅提高产
量, 其原因在于生物炭主要影响土壤 pH, 促进作物
对养分吸收, 达到增产效果; 秸秆、有机肥则以自身
矿化释放 C、N, 同时改善土壤透气、保水、保肥能
力, 最终达到增产效果。
2.4 土壤理化性质与玉米产量相关分析
对各处理玉米产量、有机质含量、容重、饱和
含水量、田间持水量、孔隙度两两之间进行相关性
分析(表 4), 结果表明 , 玉米年产量与高活性有机
质、容重关系最为密切, 年产量与高活性有机质呈
正相关, 与容重呈负相关, 其相关系数分别为 0.828
(P<0.01)、0.797(P<0.01); 与总有机质、低活性有
机质、中活性有机质、高活性有机质、饱和含水量、
田间持水量、毛管孔隙度也有相关性, 相关系数分
别为 0.657(P<0.05)、0.727(P<0.05)、0.659(P<0.05)、
0.828(P<0.05)、0.731(P<0.05)、0.716(P<0.05)、0.640
(P<0.05); 高活性有机质与容重、饱和含水量、田间
持水量具有极显著相关关系(P<0.01), 与孔隙度有
显著相关关系(P<0.05)。由于活性有机质在不同程度
第 10期 赵占辉等: 不同稳定性有机物料对砂姜黑土理化性质及玉米产量的影响 1233


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表 4 土壤各肥力指标与玉米产量的相关系数矩阵
Table 4 Correlation coefficient matrix between the soil properties and maize yield

总有机质
Total
organic
matter
低活性有机质
Low labile
organic matter
中活性有机质
Middle labile
organic matter
高活性有机质
High labile
organic matter
容重
Bulk
density
饱和含水量
Saturated soil
moisture
田间持水量
Field
capacity
毛管孔隙度
Capillary
porosity
非毛管孔隙度
Noncapillary
porosity
玉米产量
Maize
yield
总有机质
Total organic
matter
1.000 0.735* 0.366 0.714* 0.552 0.470 0.474 0.556 0.680* 0.657*
低活性有机质
Low labile
organic matter
1.000 0.557 0.849** 0.713* 0.777* 0.819** 0.786* 0.748* 0.727*
中活性有机质
Middle labile
organic matter
1.000 0.686* 0.467 0.652* 0.603 0.215 0.054 0.659*
高活性有机质
High labile
organic matter
1.000 0.890** 0.927** 0.924** 0.769* 0.632* 0.828**
容重
Bulk density
1.000 0.904** 0.897** 0.903** 0.749* 0.797**
饱和含水量
Saturated soil
moisture
1.000 0.992** 0.768* 0.538 0.731*
田间持水量
Field capacity
1.000 0.808** 0.590 0.716*
毛管孔隙度
Capillary
porosity
1.000 0.934** 0.640*
非毛管孔隙度
Noncapillary
porosity
1.000 0.558
玉米产量
Maize yield
1.000
* 和**分别表示相关性达 0.05和 0.01显著水平。* and ** mean significant correlation at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

反映了有机质的有效性 [29], 综合上述不同处理土
壤理化性质与玉米产量相关性分析结果(表 4)可知,
不同稳定性有机物料在影响土壤结构特征、提升
土壤有机质含量的同时 , 能在一定程度上反映作
物产量。
3 讨论与结论
砂姜黑土是黄淮海平原三大中低产田之一, 通
过添加外源有机物料改良砂姜黑土理化性质已成为
近年来的研究热点。詹其厚等[6]通过长期定位试验
与温室培养试验, 探讨了 3 种有机物料对砂姜黑土
的改良效果及机理, 研究结果表明, 有机物回归土
壤能改善土壤结构, 如降低土壤容重、增加土壤孔
隙度, 提高土壤保水保肥能力, 同时外源有机物料
能够提供多种养分, 增加土壤肥力, 进而提高作物
产量, 其机理可能在于外源有机物物料提供的腐殖
质能够溶解土壤中 CaCO3, 促进土壤复合团聚体形
成, 从而改善土壤结构。武玉等[30]研究表明, 生物炭
对土壤物理、化学性质具有明显的改良作用, 其多
孔特性和比表面特性使之成为改良砂姜黑土障碍因
子的一种理想改良剂。生物炭不仅能明显改善中低
产土壤保水保肥能力差的现状, 其多孔结构还能为
微生物提供栖息场所, 提高土壤微生物数量, 增加
微生物群落多样性 , 促进土壤营养元素循环。
Knicker[31]指出, 生物炭的高芳香烃结构易成为土壤
微生物的栖息地, 给土壤微生物生长提供场所和养
分。这种变化还可能与土壤理化特性改善、养分有
效性增加、生物炭自身提供养分等因素有关[32]。
本研究中生物炭、秸秆、有机肥明显降低土壤
容重 19.60%~32.23%, 增加饱和含水量 7.91%~28.99%、
田间持水量 10.47%~30.76%, 提高耕层土壤总孔隙
度 10.36%~28.21%, 3种不同稳定性有机物料均表现
出疏松土壤、降低土壤容重、增强土壤蓄水能力、
增加孔隙度的作用, 而生物炭与秸秆、有机肥配合
施用改良效果更加突出。这可能由于生物炭以其质
轻多孔特性 , 进入土壤后能够有利于土壤聚集水
分、提高孔隙度、降低容重, 从而改良砂姜黑土土
壤结构, 生物炭的高稳定性还能够延长在土壤中的
存留时间, 持续改良土壤结构。低稳定性秸秆、有
机肥配合生物炭施入土壤 , 改良土壤不良通透性 ,
有利于水分下渗, 降低土壤水分流失, 增强土壤保
水能力。
文炯等[33]研究认为, 活性有机质在养分周转中
起重要作用, 是植物的养分库, 可以提供植物所需
1234 中国生态农业学报 2015 第 23卷


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要的养分如氮、磷、硫等; 活性有机质在土壤中有
效性较高、易被土壤微生物分解矿化、对植物养分
供应有最直接作用; 是微生物利用能源和碳源。另
外还能稳定土壤结构, 对维持团粒结构稳定性有重
要作用。本试验施用不同稳定性有机物料后, 不同
处理全量有机质和活性有机质组分(低活性有机质、
中活性有机质、高活性有机质)显著增加, 高活性有
机质增加幅度高于全量有机质, 说明 3 种有机物料
可以改善有机质质量。单一施用生物炭、秸秆、有
机肥能在一定程度上提升活性有机质及全量有机质
含量, 通过生物炭配合施用秸秆、有机肥提升活性
有机质、全量有机质幅度更大, 效果更明显, 达到显
著水平(P<0.05), 这可能由于生物炭与秸秆、有机肥
配合施入存在互补或协同作用。
不同有机物料处理玉米产量变化与土壤容重、
保水能力、有机质含量具有一致性, 生物炭配合秸
秆、有机肥等 C、N 施入改良、增产效果大于单一
施用生物炭、秸秆、有机肥。各处理土壤理化性质
与玉米年总产量相关性分析结果证明, 不同处理后
土壤理化性质与作物年产量关系密切, 具有极显著
相关性。因此, 施入不同稳定性有机物料后, 改善了
土壤理化性质 , 具有消减砂姜黑土障碍因子效应 ,
生物炭配合秸秆、有机肥施入, 对土壤改良、增产
效果最佳。
本研究中由于生物炭、有机肥、秸秆具有不同
特性, 等 C、N 输入下不同稳定性有机物料处理对
土壤改良效果差异显著, 生物炭配施秸秆、有机肥
具有明显改良砂姜黑土障碍因子效应, 对改良我国
低产土壤具有重要意义。生物炭是在缺氧条件下 ,
经过高温热解而形成的产物 , 国际生物炭协会
(International Biochar Initiative, IBI)指出生物炭施加
到土壤中具有农业应用价值和环境效益, 但研究中
生物炭来源于作物秸秆, 生物炭产出量与生产成本
仍是目前正待解决的问题, 需进一步研究最佳推广
应用方式。
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