2024, Vol. 61
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
2. Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Farming in Northwest Loess Plateau, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling, Shaanxi 712100, China;
3. Gansu Cultivated Land Quality Construction and Protection Station, Lanzhou 730020, China;
4. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
我国北方旱作区受干旱缺水和土壤供肥不足等资源条件限制[1]，作物产量长期低而不稳[2]。近年来大面积使用的地膜覆盖栽培措施在增产的同时导致作物秸秆的大量移除[3]，减少了有机物料的投入，使进入土壤的碳源减少，致使农田土壤结构与养分退化，影响作物生长[4]。因此，改进现有地膜栽培措施，提升旱作覆膜农田土壤肥力、缓解覆膜导致的土壤质量退化对旱作覆膜农田生产可持续性具有重要意义[5]。
土壤有机碳作为表征土壤质量的重要指标[6]，直接影响并决定着土壤结构及其肥力状况。大量研究表明，作物秸秆作为粮田土壤最重要的有机肥源，还田后具有明显的增碳、固碳作用[7-8]，是提高土壤肥力及稳定生产力极为有效的途径[9-10]。Yu等[11]的研究指出，长期秸秆还田可显著提高土壤有机碳含量，平均增幅达23.9%。张明伟等[12]研究也表明，秸秆还田在提高土壤有机碳含量的同时可显著提高农田土壤团聚体含量及其稳定性。然而也有研究指出，秸秆直接还田可能会腐熟不充分，在土壤中积累一定的酸性产物，进而影响作物的出苗及生产力[13]，因而将秸秆炭化后加以利用已逐渐成为重要的农艺措施。秸秆炭化后变成一类高度芳香化、稳定性高的富碳有机物料，施入田间可明显改善农田土壤理化性质，有效固持土壤养分，为作物生长提供良好环境[14]。Liu等[15]在稻田中研究发现，施加秸秆炭通过促进土壤有机碳的积累，提高有机碳的利用率来改善土壤肥力状况，显著增加了作物产量。Agbede和Adekiya [16]的研究也发现，生物炭还田可通过提高土壤耕层团聚体的稳定性，改善土壤结构，使作物产量平均增加40%以上。然而Liu和Zhang [17]在砂壤土的研究却发现，施加生物炭对土壤团聚体的形成和稳定性均无显著影响。Wang等[18]的研究也表明，添加生物炭会促进砂质土壤有机碳矿化，从而降低土壤有机碳含量。
秸秆碳投入对农田土壤地力的影响与不同土壤类型及气候特点有关，然而目前对于旱作农田下不同秸秆碳投入对土壤结构及作物产量的研究较少，尤其针对旱作区长期覆膜农田的研究更是鲜有报道。因此，本研究以开始于2012年的长期定位旱作玉米双垄沟覆膜农田为研究对象，以传统平作不覆盖为对照，研究长期地膜覆盖下不同秸秆碳投入（秸秆直接还田和秸秆炭化还田）对农田土壤有机碳、团聚体组成及稳定性特征的影响，并结合玉米产量变化，探究不同形式秸秆碳投入对旱作覆膜农田土壤结构、肥力及作物生产力的影响，从而为实现旱作覆膜农田农业生产可持续发展提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验在宁夏回族自治区固原市彭阳县长城村（106°48′E，35°52′N，海拔1 658 m）进行（图 1）。该地区属典型黄土高原丘陵地貌，年均降雨量约430 mm（图 2），其中70%的降雨集中在7~9月份，年平均气温8.0℃，年平均日照时数2 518 h，年蒸发量1 753 mm，干燥度（≥0℃的蒸发量）为1.21~1.99，无霜期140~160 d，土壤类型为黄绵土。试验开始时（2012年）0~60 cm土壤有机碳含量为6.22 g·kg–1，全氮为1.19 g·kg–1，碱解氮为63.6 mg·kg–1，有效磷为12.6 mg·kg–1，速效钾为161.2 mg·kg–1。
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图 1 试验地位置 Fig. 1 Experimental site |
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图 2 2020年玉米生育期降水和日平均气温 Fig. 2 Precipitation and daily average temperature during the maize growth period of 2022 |
本研究为双因素随机区组试验，因素1为2种不同的种植模式：双垄沟地膜覆盖（P）、传统平作无覆膜（T）；因素2为各种植模式下分别施加秸秆（S）、施加生物炭（C）、不施加（N）。共形成6个处理：覆膜施加秸秆（PS）、覆膜施加生物炭（PC）、覆膜不施加（PN）、无覆膜施加秸秆（TS）、无覆膜不施加生物炭（TC）、无覆膜施加秸秆（TN）。试验在2012年设置的双垄沟覆膜处理基础上，于2019年起每年在玉米收获后进行秸秆及生物炭还田。基于秸秆全量还田原则（每1 kg秸秆可产生0.5 kg生物炭），秸秆直接还田处理秸秆施加量为9 000 kg·hm–2，生物炭还田处理生物炭施加量为4 500 kg·hm–2，其中秸秆和生物炭的有机碳含量分别为36%和40%。各小区重复3次，小区面积为21 m2（3 × 7 m），小区间设置1m宽隔离带，防止小区间互相影响。
春玉米品种为大丰30，播种密度为75 000株·hm–2（60 cm × 25 cm），用鹰嘴播种（施肥）器人工播种，播种深度为4~5 cm。播种时各处理用人工鹰嘴播种（施肥）器施用基肥（N 140 kg·hm–2和P2O5 150 kg·hm–2），玉米播种后69~75 d后在玉米株间进行追肥（N 140 kg·hm–2），施肥深度为4~5 cm，全生育期不灌水。试验期间所有处理未发生病虫害，并根据情况进行人工除草。
1.3 测定项目及方法 1.3.1 土壤样品于2020年10月玉米收获后利用五点法采集各试验小区0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm和40~60 cm土层原状土样（约1 500 g），其中，平作处理于玉米株间取样，双垄沟覆膜处理于大垄上、株间、小垄上分别取样并均匀混合作为一个重复（图 3），取样后将土壤样品沿土壤结构的自然剖面轻轻地用手掰成直径1 cm左右的土块，并避免受到机械压力，去除植物残体和石块，于避光处风干备用。
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注：A、B、C分别表示大垄、株间、小垄的不同采样位置。 Note: A, B and C indicate the different sampling locations on large ridges, inter-plant and small ridges, respectively. 图 3 不同处理取样示意图 Fig. 3 Schematics of the different treatments sampling |
使用的套筛筛孔直径分别为5、2、1、0.25 mm。称取风干土样100 g置于筛内，套筛放在沉降筒内蒸馏水中浸润5 min后，以30次·min –1速度、上下30 mm的振幅在水中振荡2 min，再将套筛取出，把不同孔径筛内的团聚体冲洗到烧杯中；获得 > 5 mm、5~2 mm、2~1 mm、1~0.25 mm和 < 0.25 mm粒径的团聚体。将盛有各级团聚体的烧杯置于烘箱内50℃烘干后，称重，计算可得各粒级团聚体的百分含量。在此过程中，遇有悬浮秸秆残体使用滤网捞出[19]。将分离的各粒级土壤团聚体磨碎后过100目筛，采用高温外加热重铬酸钾氧化容量法测定土壤有机碳及各粒级团聚体有机碳的含量[20]。
团聚体平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和 > 0.25 mm团聚体含量（R0.25）的计算利用MWD平均质量直径（mm）、几何平均直径（GMD）和 > 0.25 mm团聚体含量（R0.25）表征团聚体稳定性。
| $ {\text{MWD}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{{\bar x}_i}{w_i}} $ | (1) |
| $ {\text{GMD}} = {\text{exp}}\left[ {\sum\limits_{i = 1}^n {{w_i}\log {{\bar x}_i}} /\sum\limits_{i = 1}^n {{w_i}} } \right] $ | (2) |
| $ {R_{0.25}}\left( \% \right) = \frac{{{M_{r > 0.25}}}}{{M{\text{T}}}} \times 100\% $ | (3) |
式中，Xi为第i个筛子上团聚体的平均直径，Wi为第i个筛子上团聚体质量百分比。其中，> 5 mm筛上的团聚体平均直径采用7.5 mm。R0.25为粒径 > 0.25 mm团聚体含量（%），Mr > 0.25为粒径 > 0.25 mm团聚体质量（g），MT为团聚体的总质量（g）。
1.4 数据分析采用单因素方差分析法（IBM SPSS Statistics）分析处理之间的差异（显著差异在95%的置信水平下确定），当检测到显著性时（P < 0.05水平），使用最小显著差异法（LSD）进行多重比较。利用Amos软件作结构方程模型（SEM）模拟种植方式、还田方式、团聚体组成、有机碳和玉米产量的关系，基于结构方程，构建种植、还田方式—团聚体组成及有机碳—土壤有机碳和产量之间的驱动与耦合模型，通过构建初始模型、检查模型、模型修改核对预测变量进行参数化，最终获得最佳结构方程模型。Origin 2022b软件进行绘图。
2 结果 2.1 土壤团聚体粒级分布在0~60 cm土层，各处理 > 5、5~2、2~1和1~0.25 mm土壤水稳性团聚体含量均随土层加深不断增加，而 < 0.25 mm土壤水稳性团聚体则不断减少（图 4）。与不还田处理（TN和PN）相比，各还田处理均可显著（P < 0.05）提高 > 0.25 mm土壤水稳性团聚体含量，> 5、5~2、2~1、1~0.25 mm粒级分别平均提高42.77%、27.95%、30.72%和33.40%，且双垄沟覆膜处理增幅均显著（P < 0.05）高于不覆膜处理，其中 > 5、5~2、2~1和1~0.25 mm水稳性团聚体含量平均分别提高32.31%、15.36%、27.80%和81.55%，各双垄沟覆膜处理间PS和PC处理均显著（P < 0.05）高于PN处理，> 5、5~2、2~1和1~0.25 mm粒级分别平均显著（P < 0.05）提高45.45%、28.58%、33.94%和29.96%，PS和PC处理间均无显著差异（P > 0.05）。
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注：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）。 Note: Different letters indicate significant differences at P < 0.05. 图 4 覆膜和不同秸秆碳投入下土壤水稳性团聚体分布 Fig. 4 Distribution of water-stable aggregate size under film mulching and different straw-derived carbons inputs |
方差分析表明，种植方式和秸秆碳投入均能显著（P < 0.05）影响土壤水稳性团聚体稳定性（表 1），但两者交互效应不显著。各处理土壤水稳性团聚体平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）均随土层加深显著增大（P < 0.05），而种植方式、还田形式和土层三者间交互作用不显著（表 1）。与不还田处理（TN和PN）相比，各还田处理均可提高MWD和GMD，平均分别提高9.19%和4.15%，且各双垄沟覆膜处理MWD和GMD较对应不覆膜处理平均显著（P < 0.05）提高9.53%和6.43%，各双垄沟覆膜处理间PS和PC均显著（P < 0.05）高于PN，其中MWD分别提高10.88%和9.52%，GMD平均分别提高4.24%和4.24%，PS和PC处理间在各土层均无显著差异（P > 0.05）。
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表 1 覆膜和不同秸秆碳投入下土壤团聚体平均质量直径和几何平均直径变化 Table 1 The mean weight diameter(MWD)and geometric mean diameter(GMD)under film mulching and different straw-derived carbons inputs |
种植方式及还田形式均能显著影响 > 0.25 mm水稳性团聚体含量（R0.25），但两者交互作用不显著（表 2）。各处理R0.25随土层加深显著（P < 0.05）增大，且同秸秆还田形式显著相关。各还田处理R0.25显著（P < 0.05）高于对应不还田处理，平均提高32.46%，各秸秆直接还田处理（TS、PS）要略高于生物炭还田（TC、PC），平均仅提高1.86%；各双垄沟覆膜处理R0.25较对应无覆膜处理平均显著提高61.87%（P < 0.05），各双垄沟覆膜处理间PS和PC处理在各土层均显著（P < 0.05）高于PN处理，分别平均提高31.44%和30.17%，而PS和PC处理间均无显著差异（P > 0.05）。
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表 2 覆膜和不同秸秆碳投入下 > 0.25 mm土壤团聚体含量（R0.25）变化 Table 2 The > 0.25 mm soil aggregate contents under film mulching and different straw-derived carbons inputs |
玉米收获后各处理0~60 cm土层土壤有机碳含量的变化范围为7.31~9.47 g·kg–1，各处理有机碳含量均在10~20 cm土层最大（图 5）。方差分析表明，种植方式、秸秆还田形式及土层深度均能显著（P < 0.05）影响土壤有机碳含量，但仅土层深度与秸秆还田形式存在显著交互效应。与不还田处理（TN和PN）相比，各还田处理土壤有机碳含量平均显著（P < 0.05）提高8.62%，其中，各生物炭还田处理（TC、PC）增幅大于秸秆直接还田处理（TS、PS），平均提高2.67%。各双垄沟覆膜处理均低于对应不覆膜处理，在耕层0~10和10~20 cm土层分别平均显著降低3.16%和3.04%，而随着土层加深，在20~40和40~60 cm无显著差异；双垄沟覆膜处理间在各土层变化趋势类似，PS和PC处理土壤有机碳含量均显著（P < 0.05）高于PN处理，分别平均提高7.89%和10.70%，而PS和PC处理间在各土层间均无显著差异（P > 0.05）。
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注：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），多因素方差分析中数字为F值，A代表种植方式，B代表还田形式，C代表土层深度，*代表显著（P < 0.05），**代表极显著（P < 0.01），NS代表无显著性。 Note: Different letters indicate significant differences at P < 0.05, The number is the F-value, A represents planting mode, B represents returning form, and C represents soil layers in the multivariate analysis of variance, * represents the significance (P < 0.05), ** represents the extremely significant (P < 0.01), and NS represents no significance. 图 5 覆膜和不同秸秆碳投入下土壤有机碳含量变化 Fig. 5 Soil organic carbon contents under film mulching and different straw-derived carbons inputs |
在0~60 cm各土层，各处理土壤水稳性团聚体有机碳含量均随粒径增大而不断增加，其中 > 5 mm粒径团聚体有机碳含量最高，平均为12.25 g·kg–1，表明土壤有机碳主要富集在水稳性大团聚体中。方差分析表明，种植方式、秸秆还田形式及土层深度均能显著（P < 0.05）影响土壤水稳性团聚体有机碳含量，其中，种植方式与秸秆还田形式、土层深度均存在显著交互效应（图 6）。在耕层（0~20 cm），各还田处理均可显著（P < 0.05）提高各粒级土壤水稳性团聚体有机碳含量，> 5、5~2、2~1、1~0.25和 < 0.25 mm粒级分别平均提高21.11%、19.00%、19.26%、16.91%和18.13%；与不覆膜处理相比，双垄沟覆膜处理 > 5、5~2、2~1和1~0.25 mm粒级土壤水稳性团聚体有机碳含量平均提高5.39%、1.15%、5.20%和6.09%，其中，PS和PC处理各粒径团聚体有机碳含量均显著（P < 0.05）高于PN处理，分别平均提高12.97%和13.27%，而PS和PC处理间均无显著差异（P > 0.05）。随着土层加深，在20~60 cm土层，与不还田处理（TN和PN）相比，各还田处理 > 5、5~2、2~1、1~0.25和 < 0.25mm土壤水稳性团聚体有机碳含量分别平均显著（P < 0.05）提高14.14%、16.42%、16.60%、12.89%和12.72%，而双垄沟覆膜处理土壤水稳性团聚体有机碳含量显著（P < 0.05）低于不覆膜处理，其中各粒径分别平均降低10.64%、10.57%、8.91%、3.41%和11.82%，双垄沟覆膜处理间各粒级大小顺序均为PC > PS > PN，PC和PS间均无显著差异（P > 0.05）。
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注：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），多因素方差分析中数字为F值，A代表种植方式，B代表还田形式，C代表土层深度，*代表显著（P < 0.05），**代表极显著（P < 0.01），NS代表无显著性。 Note: Different letters indicate significant differences at P < 0.05, The number is the F-value, A represents planting mode, B represents returning form, and C represents soil layers in the multivariate analysis of variance, * represents the significance (P < 0.05), * * represents the extremely significant (P < 0.01), and NS represents no significance. 图 6 覆膜和不同秸秆碳投入下水稳性团聚体有机碳含量 Fig. 6 Contents and distributions of organic carbon in water-stable aggregates under film mulching and different straw-derived carbons inputs |
由图 7可知，种植方式和还田形式均可显著影响玉米产量，但两者间的交互作用不显著。各还田处理玉米产量均高于不还田处理，平均提高14.6%；其中秸秆直接还田处理（TS、PS）增产效果好于生物炭还田处理（TC、PC），平均增产2.69%；与对应不覆膜处理相比，双垄沟覆膜处理玉米产量平均显著提高37.06%（P < 0.05），各覆膜处理间PS和PC均显著（P < 0.05）高于PN，平均分别提高16.86%和14.21%。
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注：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），多因素方差分析中数字为F值，A代表种植方式，B代表还田形式，*代表显著（P < 0.05）**代表极显著（P < 0.01），NS代表无显著性。 Note: Different letters indicate significant differences at P < 0.05, The number is the F-value, A represents planting mode, and B represents returning form, * represents the significance (P < 0.05), ** represents the extremely significant (P < 0.01), and NS represents no significance. 图 7 覆膜和不同秸秆碳投入下玉米产量 Fig. 7 Maize yields under film mulching and different straw-derived carbons inputs |
该模型对玉米产量的总解释度（R2）为0.88。模型结果显示，种植方式的直接作用可对土壤 > 0.25 mm团聚体、土壤有机碳和玉米产量产生显著的促进作用，而对土壤团聚体有机碳产生负影响；还田方式对 > 0.25 mm团聚体、土壤有机碳和团聚体有机碳有显著的促进作用；> 0.25 mm团聚体和土壤有机碳对玉米产量有显著促进作用（图 8）。
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注：CMIN/DF：卡方自由度比，GFI：拟合优度指数；线条上的路径为标准化路径系数（λ），线条的宽度与强度的关系成正比，黑色为正相关，灰色为负相关。 Note: CMIN/DF: chi-square degree of freedom ratio, GFI: goodness of fit index; The path on the line is a standardized path coefficient(λ), The relationship between the width and intensity of the line is proportional, black is positively correlated, grey is negatively correlated. 图 8 种植方式和还田方式对土壤有机碳和玉米产量SEM分析结果 Fig. 8 Results of structural equation model analysis on soil organic carbon and maize yield by planting and returning methods |
土壤团聚体作为土壤养分的重要载体，是评价土壤肥力的重要指标[12]。大量研究表明，秸秆碳投入能够改善土壤团聚体组成及稳定性[3，15]。本研究结果表明，与不还田处理相比，各秸秆和生物炭还田均能提高 > 0.25 mm土壤团聚体含量，并显著（P < 0.05）提高土壤团聚体的稳定性。Mohamed等[21]的研究也得到相似的结果，这可能是由于秸秆还田降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度及有机质含量，进而增强根系及土壤微生物的活动能力，有助于 > 0.25 mm团聚体的形成[22]，从而提高土壤结构的稳定性。本研究中秸秆还田处理对土壤 > 0.25 mm团聚体含量及稳定性的提高效果优于生物炭还田。因为生物炭是作物秸秆在高温条件下制备的惰性固体材料，具有高度羧酸酯化和稳定的芳香化结构，使其相较于秸秆难以被微生物分解利用，因此对 > 0.25 mm团聚体的结合能力相对较弱[23]。
本研究结果发现，双垄沟覆膜可显著（P < 0.05）提高土壤 > 0.25 mm团聚体含量。这可能是由于地膜覆盖降低了农田地面的蒸发，增加了土壤含水量[24]，降低了土壤的干湿交替作用，从而减少了对团聚体结构的破坏[25]。本研究结果还发现，双垄沟覆膜与秸秆碳投入的耦合效应能够进一步提高土壤结构的稳定性。因为双垄沟覆膜条件下投入秸秆碳既能增加外源有机物料投入，又能改善农田土壤水温状况，降低土壤容重的同时显著增强土壤微生物活性、促进作物根系的生长，进而促进 > 0.25 mm团聚体的形成并提高土壤团聚体稳定性[15，22]。在本研究中双垄沟覆膜条件下秸秆还田对土壤 > 0.25 mm团聚体含量及稳定性的提高效果优于生物炭还田，因为生物炭丰富的孔隙结构有利于土壤毛细管孔隙中的闭蓄态空气随着水分的快速进入而被压缩，导致内部空气的扩散，进而破坏土壤团聚体结构[26]，从而降低了土壤的稳定性。
3.2 覆膜和不同秸秆碳投入对土壤有机碳及团聚体有机碳的影响大量研究发现，秸秆直接还田或炭化后还田均能促进土壤有机碳及团聚体有机碳积累[5，15]。本研究结果表明，各秸秆还田处理均能提高土壤有机碳及团聚体有机碳含量。这是因为秸秆还田后向农田输入了外源有机碳，提高土壤微生物活性的同时促进了秸秆中的碳在土壤中积累[27]，再者秸秆还田能够促进土壤团聚体的形成[28]，本研究中各秸秆还田处理显著提高了土壤大团聚体含量（R0.25），而土壤有机碳的固定与土壤团聚过程密不可分[29]；另一方面，秸秆碳还田可促进富里酸和腐殖酸等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，从而提高土壤有机碳含量[30]。同时在本研究中，各生物炭还田处理对土壤有机碳及团聚体有机碳含量的提高效果优于各秸秆还田处理。这可能是由于秸秆在土壤呼吸进行分解的过程中损失了大量新鲜易分解的碳，而生物炭巨大的比表面积及孔隙结构能吸附土壤有机碳，对有机碳的生物活性有隔离或降低的作用，进而抑制土壤中被吸附的有机碳的分解，从而提高土壤有机碳及团聚体有机碳含量[31]。
本研究还发现，双垄沟覆膜处理的土壤有机碳含量均低于不覆膜处理，这与刘秀等[32]在辽宁褐土研究得到的结果相反。可能是由于旱作农田保温能力差，而双垄沟覆膜处理提高土壤温度的同时减少了雨水对土壤的直接拍打，疏松了土壤，进而使微生物活动旺盛[33]，从而加速土壤碳的矿化过程，不利于土壤有机碳积累[34]；同时，双垄沟覆膜处理的增温保墒作用可能会加速秸秆碳投入增加的外源有机物质的激发效应[35]，当激发效应的效果高于外源秸秆碳的积累，则可能会出现本研究中双垄沟覆膜条件下投入秸秆碳处理的土壤有机碳含量低于对应不覆膜处理（图 5）；Mo等[36]通过整合分析数据发现，覆膜促进作物碳输入的同时，也显著提高了CO2的排放，促进了土壤有机碳的周转，因而并未增加土壤有机碳含量。研究还发现，表层土壤的土壤有机碳及团聚体有机碳含量显著高于深土层。这可能由于土壤表层分布大量活力较强的作物根系分泌了大量的根系分泌物，促进了与碳代谢相关的酶及微生物的生长，从而有利于各碳库组分的分解转化[37]。
3.3 覆膜和不同秸秆碳投入对玉米产量的影响作物产量与土壤结构及质量之间具有密不可分的关系，良好的土壤结构及质量有利于作物及根系的生长，提高作物的养分利用率，从而提高作物产量[9，38]。本研究结果表明，不同形式秸秆还田均能显著提高玉米产量，平均提高14.6%（P < 0.05）。因为秸秆还田输入的大量营养物质改善了农田地力，促进了农田土壤微生物及酶活性，为作物生长提供了良好的环境，从而增加了作物产量[39]。各还田处理中，秸秆直接还田处理增幅大于生物炭还田处理。可能是由于相较于生物炭还田，秸秆还田更能促进微生物产生胞外有机聚合物，提高团聚体稳定性，从而增加作物产量[40]。
相关研究表明，覆膜能够通过改善农田土壤水热条件从而促进作物的生长，进而提高作物产量[41]。本研究也发现，与不覆膜处理相比，双垄沟覆膜处理能显著（P < 0.05）提高玉米产量（平均提高37.06%）。这是由于双垄沟覆膜处理能够保墒保温，将水分贮存于土壤并集中入渗于作物根部，具有明显的增产增效作用。双垄沟覆膜条件下投入秸秆碳能够显著提高玉米产量，这可能是由于双垄沟覆膜与秸秆碳投入的耦合效应放大了双垄沟覆膜的保墒保温作用及秸秆碳投入的养分均衡供给作用，优化的水热条件提高了养分的有效性，进而提高了作物生产力[42-43]。同时，因作物提高生产力而产生的秸秆与根系分泌物也随之增加，这些有机物料归还土壤后进一步提高农田地力与土壤的可持续性[44]。但在旱作覆膜农田施入秸秆碳是否能够长期的提高土壤质量，还需要未来长期试验的验证。
4 结论双垄沟覆膜和不同秸秆碳投入显著提高旱作覆膜农田土壤水稳性大团聚体含量及稳定性、土壤有机碳及团聚体有机碳含量，且耕层（0~20 cm）效果较好，同时生物炭还田处理对土壤及团聚体有机碳的略高于秸秆直接还田处理。秸秆碳投入可显著提高玉米产量，且秸秆直接还田处理与生物炭还田处理间增产效果差异不显著。综上，在旱作双垄沟覆膜农田秸秆炭投入能够通过提高土壤有机碳含量和改善土壤结构稳定性实现作物增产，尤其是生物炭还田能够更好提升土壤地力，维持旱作覆膜农田生产可持续性。
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