我国东北黑土区是重要的商品粮生产基地，但由于特殊的自然条件和人为因素的共同作用，使土壤侵蚀退化日趋严重。土壤侵蚀导致容易吸附养分的细颗粒流失，不易吸附养分的粗颗粒沉积^[1]，土壤通气透水性和持水性变差，有机质含量下降，造成严重的土地退化，成为东北黑土区亟待解决的问题。因此，研究改善土壤通气透水性，提高土壤持水能力和有机质固持能力的措施对减缓东北黑土区土壤侵蚀退化具有重要意义。大量研究表明，有机质和黏粒含量会影响土壤结构和持水性能。土壤有机质和黏粒之间的相互作用使土壤团聚体趋于稳定，同时有助于有机质在土壤中固定^[2]。Abdollahi等^[3]研究显示，土壤有机质可以缓解机械耕作引起的土壤压实作用的不利影响。Ankenbauer和Loheide ^[4]通过测定草甸土壤在不同有机质含量下的土壤含水量和水分特征曲线，发现van Genuchten模型参数θ_s（饱和体积含水量）和α（进气吸力参数）随着有机质含量的变化而变化。有机质含量低的土壤饱和时水分较少，且随吸力的增大，水分释放更充分，有机质较多的土壤在饱和时具有更多的水分，并且在增加吸力的情况下会保持更多的水分。Olness和Archer ^[5]利用美国土壤调查数据库数据运用GEMLS模型对土壤有机碳含量和黏粒含量与土壤有效水含量的关系进行了拟合，结果显示：添加有机碳对土壤有效水含量的影响取决于土壤质地和初始有机碳含量，在有机碳含量低于25 g·kg^–1，黏粒含量低于40%的土壤中，有机碳含量每增加10 g·kg^–1，土壤有效水的增加幅度约为2.5%至5%。向土壤中添加改良剂可以改善土壤理化性质，激发土壤微生物活性，从而提高土地的生产力^[6]。木本泥炭是在湿地条件下，死亡植物残体不完全碳化形成的产物，具有通气性好、容重小、有机质和腐殖酸含量高、疏松多孔、比表面积大、吸附能力强等特点。研究表明，农田土壤中添加木本泥炭可以改善土壤性质和作物产量及品质^[7-8]。木本泥炭用于提高土壤有机碳含量，相比于秸秆和有机肥，其不易造成农田土壤病虫害等负面影响，具有更好的适用性。膨润土是以蒙脱石为主要成分的黏土矿物，其黏粒含量较高，具有很强的吸湿性和膨胀性，可吸附8~15倍于自身体积的水量，体积膨胀可达数倍。添加膨润土可以增加土壤黏粒含量，改善土壤结构^[9]。前人有关改良土壤的研究，其措施大多集中在增施有机肥、合理使用化肥、种植绿肥作物等，有关添加木本泥炭和膨润土对土壤理化性质影响的研究较少。本研究选取东北黑土区典型的侵蚀退化农地为试验地，向土壤中添加木本泥炭和膨润土，通过分析土壤的物理性质如水气传输特性和持水性，以及化学性质如有机碳含量的改变，探究木本泥炭和膨润土对土壤性质的影响，并最终影响作物产量，旨在为东北黑土区农田土壤肥力快速提升提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验样地位于黑龙江省农垦总局九三管理局鹤山农场鹤北小流域（48°59'~49°03'N，125°16'~125°21'E），该流域在黑土区具有典型代表性。流域面积约为28 km²，海拔310~390 m，地处小兴安岭向嫩江谷地的过渡区，地形属丘陵漫岗地带，坡度大多在1°~3°，坡长一般为800~1500 m，土样采集工作也在该流域完成。所选试验区属寒温带大陆性季风气候，年降水量534 mm，6—8月降水占年降水量的66.8%。土壤以黑土为主，自然植被属于温带半湿润草甸草原，主要种植作物为玉米（Zea mays L.）和大豆（Glycine max），种植模式为起垄耕作，其作物种类和种植模式在该区域具有典型代表性。由于地形为漫川漫岗，坡缓坡长，夏季降雨集中，黑土质地黏重，水分来不及下渗，加之未采取有效的水土保持措施，极易形成地表径流，导致该区土壤水力侵蚀日趋严重，侵蚀形态以面蚀和沟蚀为主。

1.2 试验设计

本试验分为室内模拟和田间原位观测两部分，共3个试验。

室内模拟试验：为探究添加木本泥炭和膨润土，不经过作物生育期对退化黑土土壤通气透水性的影响，于2020年6月利用2018年在鹤北小流域内多点采集的侵蚀退化黑土进行室内一维条件下土壤饱和导水率（K_s）、导气率（K_a）和相对气体扩散率（D_p/D₀）的测定，各项指标均进行5次重复测定，设置六个处理，分别为空白对照（CK）、添加2%木本泥炭（WP1）、添加4%木本泥炭（WP2）、添加1%膨润土（B）、添加2%木本泥炭和1%膨润土（WP1B）、添加4%木本泥炭和1%膨润土（WP2B）。将土样与添加物混合好后按照容重（1.2 g·cm^–3）装入环刀，放入水中浸泡24 h达到饱和，一部分用于测定土壤K_s。将其余水分饱和的环刀放在装有相同土样未浸泡的环刀上，经过水分再分布过程后，上部环刀水分达到田间持水量，用于测定土壤K_a和D_p/D₀。从该环刀中取一定土样用烘干法测得土样含水量即为各处理田间持水量。

盆栽玉米试验：利用室内模拟试验混合好的六个处理土样进行盆栽玉米实验，玉米品种为“正大12号”。于2020年6月9日将混合好的土样加入底肥（尿素0.5 g·kg^–1、过磷酸钙1.2 g·kg^–1、氧化钾0.2 g·kg^–1）。按照容重（1.2 g·cm^–3）装入直径16 cm，高15 cm的PVC土柱，每个处理设置4个重复，加入水分使土柱含水量达到田间持水量的80%，傍晚时进行播种，每个土柱播种5株。出苗后进行定苗，每个土柱只留一株。玉米生长期间通过盆栽称重计算灌水量来控制每个处理含水量保持在田间持水量的80%左右，于6月每日傍晚浇水，7—9月每日早晚浇水，并进行两次追肥（尿素0.5 g·kg^–1）。在播种时和6—9月月底用土钻在土柱内取样用于测定有机碳含量，玉米收获时测定玉米株高，地上部生物量和产量。

田间原位观测试验：选取典型侵蚀退化坡耕地作为试验样地（表 1），样地面积约为26.7 hm²，在坡耕地中下部选择土壤侵蚀严重且土质相对均匀的区域作为研究区。设置四个样地，分别为空白对照（CK）、添加木本泥炭（WP）、添加膨润土（BE）、添加木本泥炭和膨润土（WPB），每个样地大小为0.3 hm²（161 m×21 m）。2020年春季播种时将木本泥炭（1.5 t·a^–1）和膨润土（0.3 t·a^–1）均匀撒在土地表面，并免耕播种大豆（Glycine max）。试验相关指标于2020年9月在4块样地进行采集测定，在样地内采用梅花形布点法选择5个测点即为5次重复。在每个测点进行表层土壤（0~5 cm）K_s、K_a和D_p/D₀的原位测定，其中土壤K_a和D_p/D₀的测定在土壤含水量为田间持水量时进行。为使土壤含水量达到田间持水量，于傍晚对测点进行充分灌水，当水分下渗很慢几乎停止时用地膜将地表覆盖，第二天上午进行测定。用环刀取样测定样地容重（ρ_b），并采用蛇形布点采集0~5 cm土层土样进行土壤有机碳含量、机械组成和水分特征曲线的测定，原位测定和土样采集均在垄台上完成。大豆成熟后采用收获一定面积（1 m×1 m），重复7次的方式^[10-11]，进行作物地上部生物量和产量的测定。

1.3 相关指标的测定方法和计算

土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法测定。室内土壤饱和导水率采用定水头法测定，利用Modified Philip-Dunne（MPD）入渗仪进行原位土壤饱和导水率测量^[12]。

土壤导气率的测定：将装有土样的环刀放入一维气室，原位测量时将三维气室插入土壤，并连接马氏瓶和压力计，用排出马氏瓶的水流量代替通过土样气体流量（q），利用U型压力计读取土样上表面与大气压差值（Δp），导气率计算公式为^[13]：

$ {K_a} = \frac{1}{\mathit{\Lambda }}\frac{{nq}}{{\Delta p}} $

(1)

$ {\mathit{\Lambda }} {\text{ = }}D\left[ {\left( {\frac{\pi }{4} + \frac{D}{H}} \right){{\left( {1 + \frac{D}{H}} \right)}^{ - 1}}ln\left( {1 + \frac{D}{H}} \right)} \right] $

(2)

$ \eta = \left( {1717 + 4.8T} \right) \times {10^{ - 8}} $

(3)

式中，Λ为经验形状因子；η为空气黏滞系数（Pa·s）；q为单位时间通过土样的气体流量（m³·s^–1）；Δp表示土样上表面与大气压的差（Pa）；D为土样直径（m）；H为土样高度（m）；T为气温（℃）^[13]。

土壤相对气体扩散率的测定：当导气率测定完成后在气室顶部装入O₂探头，往气室通入N₂直至数据采集器上记录的O₂浓度降低至0时，停止通入N₂，并迅速将气室两端通气口关闭，使空气经土样向上扩散，测定相对气体扩散率。定义D_P/D₀为土壤相对气体扩散率，其中，D_P代表土壤中气体扩散系数，D₀为大气中的气体扩散系数。D_P为气体相对浓度C_r关于时间t的线性函数的斜率。C_r计算公式如下^[14]：

$ {C_{\text{r}}} = \frac{{{C_{\text{t}}} - {C_{\text{a}}}}}{{{C_0} - {C_{\text{a}}}}} $

(4)

式中，C_t为气室内t时刻O₂浓度（%）；C₀为气室O₂初始浓度（%）；C_a为大气O₂浓度（%）。D₀为关于气压（P）与温度（T）的函数^[14]：

$ {D_{\text{0}}} = {D_s}{\left( {\frac{T}{{{T_{\text{0}}}}}} \right)^{1.75}}\left( {\frac{{{P_0}}}{P}} \right) $

(5)

式中，D_s为D₀在T₀=293.15 K、P₀=1.013×10⁵ Pa时的参考值，其值为1.47×10^–5 m²·s^–1[15]。一般在20℃，D₀取值为2×10^–5 m²·s^–1[15]。

水分特征曲线的拟合：利用压力膜仪与WP4露点水势仪结合测定10组土壤含水量与土壤水吸力对应值，采用Gardner模型对土壤水分特征曲线实测资料进行拟合。Gardner模型如下：

$ \theta = A \cdot {h^{ - B}} $

(6)

式中，θ为土壤体积含水量（cm³·cm^–3）；h为土壤水吸力（MPa）；参数A决定土壤持水能力的大小，A值越大，持水能力越强；参数B决定土壤体积含水量随土壤水吸力变化的快慢程度，B值越大，变化越快^[16]。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0统计分析软件进行单因素方差分析（one-way ANOVA）和Duncan法多重比较（α=0.05），利用Origin（2017）软件制图，图表中数据为平均值±标准差。

2 结果 2.1 添加模式对土壤K_s、K_a和D_p/D₀的影响

添加木本泥炭和膨润土在室内条件下土壤K_s（图 1a）和K_a（图 1b）差异显著，土壤D_p/D₀（图 1c）差异不显著。与空白对照相比，添加2%木本泥炭处理K_s降低14.3%、K_a增加18.9%、D_p/D₀增加15.5%；添加4%木本泥炭处理K_s增加9.9%、K_a增加4.1%、D_p/D₀增加6.6%；添加1%膨润土处理K_s降低63.2%、K_a降低55.3%、D_p/D₀降低7.6%；添加2%木本泥炭和1%膨润土处理K_s降低65.8%、K_a降低33.2%、D_p/D₀增加0.2%；添加4%木本泥炭和1%膨润土处理K_s降低73.1%、K_a降低32.8%、D_p/D₀降低4.7%。除添加2%木本泥炭处理K_s低于空白对照外，其余只添加木本泥炭处理K_s、K_a和D_p/D₀均有所提高；除添加2%木本泥炭和1%膨润土处理D_p/D₀高于空白对照外，其余添加膨润土处理K_s、K_a和D_p/D₀均有所降低。

添加木本泥炭和膨润土在原位条件下土壤K_s（图 2a）、K_a（图 2b）和D_p/D₀（图 2c）差异显著。与空白对照相比，添加木本泥炭处理K_s增加75.0%、K_a降低45.2%、D_p/D₀增加32.0%；添加膨润土处理K_s降低39.1%、K_a降低44.4%、D_p/D₀降低44.0%；添加木本泥炭和膨润土处理K_s增加134.4%、K_a降低38.2%、D_p/D₀增加28.0%。添加木本泥炭处理K_s和D_p/D₀均高于空白对照，只添加膨润土处理K_s、K_a和D_p/D₀均低于空白对照。

2.2 添加模式对土壤水分特征曲线的影响

利用Gardner模型对不同添加模式下侵蚀退化黑土和农地土壤水分特征曲线拟合效果较好（表 2、表 3）。不同添加模式下侵蚀退化黑土持水能力大小依次为添加4%木本泥炭和1%膨润土 > 添加2%木本泥炭和1%膨润土 > 添加1%膨润土 > 添加4%木本泥炭 > 添加2%木本泥炭 > 空白对照。土壤体积含水量随土壤水吸力变化的快慢程度依次为空白对照 > 添加1%膨润土 > 添加4%木本泥炭和1%膨润土 > 添加2%木本泥炭和1%膨润土 > 添加2%木本泥炭 > 添加4%木本泥炭。不同添加模式下侵蚀退化农地土壤持水能力大小依次为添加膨润土 > 添加木本泥炭和膨润土=添加木本泥炭 > 空白对照。土壤体积含水量随土壤水吸力变化的快慢程度依次为添加木本泥炭=添加膨润土 > 添加木本泥炭和膨润土 > 空白对照。

2.3 添加模式对土壤有机碳含量和作物产量的影响

不同添加模式下侵蚀退化土壤有机碳含量差异显著，添加膨润土处理有机碳含量下降较慢（图 3）。相比于空白对照，添加2%木本泥炭、添加4%木本泥炭、添加1%膨润土、添加2%木本泥炭和1%膨润土、添加4%木本泥炭和1%膨润土处理有机碳含量分别提高了39.4%、71.5%、1.0%、37.8%和70.6%。玉米从播种到收获，空白对照、添加2%木本泥炭、添加4%木本泥炭、添加1%膨润土、添加2%木本泥炭和1%膨润土、添加4%木本泥炭和1%膨润土处理有机碳减少量依次为2.31 g·kg^–1、2.21 g·kg^–1、1.89 g·kg^–1、1.27 g·kg^–1、1.13 g·kg^–1、1.02 g·kg^–1。对于农地而言，添加木本泥炭、膨润土以及混合添加使土壤有机碳分别提高了36.1%、3.6%和36.0%。

不同添加模式下盆栽玉米和农地大豆产量差异显著（表 4、表 5）。与空白对照相比，添加2%木本泥炭、添加4%木本泥炭、添加1%膨润土、添加2%木本泥炭和1%膨润土、添加4%木本泥炭和1%膨润土处理盆栽玉米地上部生物量分别提高了47.4%、25.3%、3.5%、37.8%、40.4%，产量分别提高了2.0倍、1.9倍、1.1倍、1.9倍、1.5倍。对于农地大豆而言，相比于空白对照，添加木本泥炭、添加膨润土、添加木本泥炭和膨润土处理产量分别提高了43.2%、4.2%、26.3%。除添加木本泥炭和膨润土农地大豆籽粒数与空白对照差异不显著外，其余添加木本泥炭的处理盆栽玉米和农地大豆的测定指标均高于空白对照，且差异显著。盆栽玉米只添加膨润土处理籽粒重和籽粒数与空白对照差异显著，株高和地上部生物量差异不显著，木本泥炭两个添加梯度之间产量差异不显著。农地大豆只添加膨润土处理地上部生物量和产量与空白对照差异不显著。

3 讨论 3.1 添加模式对土壤水气传输性质的影响

添加木本泥炭和膨润土显著影响了土壤K_s、K_a和D_p/D₀。添加木本泥炭通过降低土壤容重和增大孔隙度来提高土壤K_s、K_a和D_p/D₀；添加膨润土会降低土壤有效孔隙率，使得土壤K_s、K_a和D_p/D₀降低；混合添加木本泥炭和膨润土可以改善土壤结构，增强土壤的通气透水性能。木本泥炭的添加使土壤容重大大降低^[17]，本研究中侵蚀退化农地结果也是如此，但空白对照处理容重较上一年在此区域的测定值1.4~1.5 g·cm^–3[18]偏高，可能是木本泥炭和膨润土撒施时机械压实所造成的。容重的下降是因为有机物质稀释了土壤基质，更重要的是改善了土壤团聚性，增加了土壤孔隙度^[19]，木本泥炭添加为土壤通气透水创造了良好的条件。膨润土吸湿膨胀会造成土壤孔隙堵塞，导致有效孔隙率降低，是土壤K_s、K_a和D_p/D₀下降的主要原因。本研究田间试验结果显示，添加木本泥炭或混合添加使土壤K_s和D_p/D₀增加，土壤K_a降低。这是由于农地中添加木本泥炭和膨润土改变了土壤孔隙分布，虽然总孔隙度增大，但大孔隙被填充，小孔隙增加。而土壤K_a主要受到土壤大孔隙的影响，因此有所降低。室内条件下混合添加木本泥炭和膨润土的处理，其土壤K_s、K_a和D_p/D₀相比空白对照有所降低，而田间原位条件下混合添加木本泥炭和膨润土的处理，其土壤K_s和D_p/D₀高于空白对照。这是由于室内试验是将混合好的各处理土样按照等容重装入环刀，环刀内土壤孔隙条件大致相同，当水分达到田间持水量时，膨润土膨胀堵塞孔隙，导致土壤K_s、K_a和D_p/D₀有所降低。而田间试验时，向土壤中添加木本泥炭和膨润土后经过了3个月的时间才进行原位测量，有机碳促进了微生物的活动^[20]，同时有机碳和黏粒在微生物的作用下形成了稳定的团粒结构，使土壤容重大大降低，土壤孔隙增多，结构得到改善，因此田间试验中混合添加木本泥炭和膨润土的处理其土壤K_s和D_p/D₀有所提高。Li等^[21]的研究也证实了这一点，将园林废弃物堆肥与膨润土混合施用到盐渍土能够提高土壤总孔隙度、饱和导水率和养分水平。土壤侵蚀导致东北黑土区农地土壤结构变差，向土壤中添加木本泥炭或者混合添加木本泥炭和膨润土可以改善土壤结构，增强土壤水气传输性能，对于减缓土壤侵蚀具有重要作用。

3.2 添加模式对土壤持水能力的影响

添加模式对土壤持水能力的影响在室内和田间试验结果中呈现一致的规律，单独添加木本泥炭或膨润土以及混合添加均可以提高土壤的持水能力，土壤持水能力随着木本泥炭添加量的增加而增加。土壤水分特征曲线是土壤水的能量与数量对应关系，土壤水的能量状态即水势的大小与孔隙尺寸特征密切相关，因而一切影响土壤孔隙状况和水分特性的因素均会对土壤水分特征曲线产生影响。木本泥炭含有大量有机碳，一方面可以与黏土矿物相互作用，形成有机—矿物复合体，从而改变土壤颗粒的表面特性^[22]；另一方面，有机碳又是形成稳定团聚体重要的胶结剂，有助于形成良好的团聚体内和团聚体间孔隙结构^[23]，因此有机碳的改变会影响土壤持水特性^[24]。本研究结果显示，增加土壤中的有机碳含量可以增强土壤的持水性，这与许多学者的研究结果一致。Arthur等^[25]研究发现，生物炭和有机肥的使用扩大了砂壤土的持水范围；Ekwue等^[26]模拟了三种质地土壤（砂壤土、黏壤土、黏土）在不同泥炭和农家肥添加量下的坡面径流冲刷侵蚀实验，结果表明，在坡耕地上加入有机物料可以有效地改善水土保持，大大减少水对土壤的侵蚀；土壤水分保持的湿润范围由不同大小的土壤孔隙的毛细管力所控制^[27]。Zhou等^[28]认为土壤颗粒组成是决定土壤孔隙特性的主要因素，进而会影响土壤水分保持。由于膨润土黏粒含量高，吸湿性强，添加后使得土壤的黏粒含量变大，土壤中细孔隙增多，表面能增大，故能吸持更多的水分。一般而言，土壤质地被认为是土壤持水特性的主要驱动因素^[29]。因此，添加膨润土较添加木本泥炭对土壤持水能力的影响更大。本研究中室内试验提高土壤持水性的效果好于田间试验。这是由于室内试验对于土壤持水性的提高主要来自于木本泥炭和膨润土对水分的吸附，而田间试验经过大豆整个生育期后，木本泥炭和膨润土在微生物分解和水力侵蚀的作用下有所损失，且各处理之间黏粒含量没有显著性差异，其土壤持水性的提高主要来自于容重的降低与孔隙度的提高。向侵蚀退化土壤中添加木本泥炭和膨润土可以增强土壤持水能力，有利于东北黑土区水土资源的保护。

3.3 添加模式对土壤有机质固持和作物产量的影响

添加木本泥炭向土壤中输入了大量有机物质，促进了植物生长，增强了植物代谢活动，从而提高了产量，而添加膨润土增加了土壤黏粒含量，其与有机碳的相互作用可有效减少有机碳的分解。土壤有机质是土地生产力的重要指标之一^[30]，可以使化肥增效，从而刺激作物生长，增强作物抗逆性能，提高作物产量。Li等^[7]研究了泥炭对于砂质土壤性质和马铃薯产量的影响，结果显示，泥炭的应用显著提高了马铃薯块茎产量、干重和块茎氮含量。Vestberg等^[8]对粉砂土进行了泥炭改良，草莓试验的结果显示，泥炭改良对产量没有影响，但可以降低受冬季低温伤害或死亡的草莓植株的比例。本研究盆栽玉米试验中两个木本泥炭添加梯度之间产量没有显著性差异，且高量添加会导致产量有所降低，需要针对不同的土壤设置更多梯度来确定最佳添加量。土壤中的有机质大部分是以有机无机复合的形态存在，这一形态可以通过有机质和黏土矿物的吸附作用形成^[31]。盆栽玉米经过整个生育期后，相同木本泥炭添加量下添加了膨润土的处理有机碳减少量要小于未添加膨润土的处理，且产量的差异不显著，这表明添加膨润土可以减少有机碳的分解和矿化。土壤中的黏粒与有机物质形成了团聚体，这种对有机质的物理保护可以抵抗微生物对其的降解^[32]。Rakhsh等^[33]通过研究紫花苜蓿残渣在石英砂和高岭石组成的人工土壤中的分解情况，进而探讨黏粒含量和组成对土壤有机碳稳定性的影响及其机制，结果显示，随着黏粒含量的增加，有机碳的矿化程度降低。本研究大田每公顷施用木本泥炭的成本为6.75万元，但木本泥炭对土壤的改良作用可以持续多年，一次投入，多年受益。Calver等^[34]的研究证实，将泥炭土作为矿区复垦覆盖土后，泥炭的改良作用在土壤中可以保持至少5年。木本泥炭和膨润土在提高作物产量的同时，也减缓了土壤侵蚀，在退化黑土地力提升和水土资源的保护方面发挥了重要作用。

4 结论

在东北黑土区，向侵蚀退化土壤中添加木本泥炭和膨润土可以缓解土壤侵蚀带来的不利影响。室内模拟试验添加木本泥炭可以使饱和导水率增加9.9%、导气率增加18.9%、相对气体扩散率增加15.5%、有机碳含量增加71.5%、盆栽玉米产量增加2.0倍。大田大豆地添加木本泥炭或混合添加可以使原位土壤饱和导水率分别提高75.0%和134.4%、导气率分别降低45.2%和38.2%、相对气体扩散率分别提高32.0%和28.0%、有机碳含量分别提高36.1%和36.0%、大豆产量分别提高43.2%和26.3%。添加木本泥炭和膨润土均可以提高土壤持水能力，膨润土可以使有机碳在土壤中矿化减慢。总体而言，混合添加木本泥炭和膨润土的效果最好，可以快速改良退化农田土壤，提高地力，未来的研究可以根据不同土壤退化程度优化木本泥炭和膨润土的添加量。