2024, Vol. 61
表1(Table 1)
近年来，随着土地流转、农业种植结构调整，我国耕地“非粮化”现象突出[1]。据统计2021年我国耕地“非粮化”率约为33.2%，其中，大量经济作物如苗木、花卉在售卖时常采用带土移苗的措施，直接造成土壤耕层变浅、甚至剥离消失[2]，这类耕层剥离型“非粮化”土壤会造成土壤结构破坏、养分失衡、肥力衰退[3]，严重威胁国家粮食安全根基和农业健康发展。优质耕层缺失是耕层剥离型“非粮化”土壤存在的主要问题，如何重构优质耕层以满足作物基础需要是此类土壤复耕的关键，但是，目前缺乏相关研究。因此“非粮化”土壤优质耕层的快速构建技术亟待研发，也是实现“藏粮于地、藏粮于技”的迫切需要。
传统的耕层构建技术主要包括表土剥离和定向培肥[4]。前者指剥离适宜耕种的表层土壤覆盖于贫瘠土层以实现耕层重构，但价格昂贵，工程量大，不利于推广应用。后者指人工对贫瘠土壤进行培育改造[5]，如增施有机肥、种植绿肥、秸秆还田、增施微生物肥、深耕改土等，但耗时长、见效慢[6]。近年来应用耕层重构材料因其可以实现原位改良耕层，同时促进土壤快速熟化以缩短优质耕层重新构建时间而受到广泛关注。以往的耕层重建材料主要针对矿区、丘陵等立地条件差、基础养分贫瘠的新垦土壤[3]，常用的材料主要是天然有机物料及矿物材料，这些材料有利于提高土壤有机质含量，但是对土壤结构及微生态环境改善效果不明显，并不适用于耕层扰动或缺失的土壤。因此，亟需寻找能协同改善土壤物理、化学、生物学性质的新型耕层重建材料。
泥炭由于质地疏松、有机碳含量丰富在土壤培肥领域受到广泛关注，如以木本泥炭、腐熟秸秆复配的耕层重构材料，对土壤肥力提升、结构改善成效显著[7]，但木本泥炭资源紧缺，同时泥炭添加至土壤中容易引发激发效应，加剧CO2排放。也有研究表明泥炭腐殖质组分胡敏素远低于水稻土和黑土，这种差异势必阻碍耕层的培肥效果[8]，亟需寻找合适的替代原料。生物炭作为另一种富碳材料，有利于改善土壤质量，在实现农业废弃物资源化利用的同时还能增强土壤负激发效应，被视为增强固碳封存的重要环境策略[9]。因此本研究应用生物炭部分替代泥炭创制一种新型复合耕层重建材料，旨在短期内耦合两类材料优点，协同实现优质耕层构建、农业废弃物资源化利用以及固碳减排效益提升的目标。
综上，本研究选取资源分布相对广泛兼具高有机碳含量的草本泥炭、苔藓泥炭，搭配生物炭材料，创制一种兼具固碳增汇功能的新型耕层重构材料，探究将优质耕层形成的冗长培育过程简化为一次性工程作业的实际可行性。同时，选取传统土壤质量评价指标体系中常见理化指标，建立针对耕层重构材料的综合质量评价体系，进一步完成优质材料的筛选工作，为“非粮化”土壤耕层快速构建提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 供试材料与土壤长效有机类材料：草本泥炭（Herbal peat，H），购自敦化吉祥泥炭开发有限公司；苔藓泥炭（Moss peat，M），购自俄罗斯远东泥炭有限公司；稻壳生物炭（Rice husk biochar，R）和木屑生物炭（Sawdust biochar，S），购自浙江长三角聚农科技开发有限公司。活性有机类材料：蔬菜玉米壳（Vegetable corn husk，C），购自杭州市三墩街道农贸市场。微生物菌剂：枯草芽孢杆菌，有效活菌数含量≥1 000亿·g–1（Bacillus，B），购自强兴生物科技工厂。供试材料基本理化性质见表 1，结构见图 1。
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表 1 供试材料的基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of the raw materials |
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图 1 供试材料的扫描电镜图 Fig. 1 Scanning electron microscope image of the test material. |
试验所需土壤采自浙江省杭州市萧山良江苗木基地，供试土壤为苗木移除后的残余土壤（耕作层被破坏、剥离的土壤），土壤质地为壤质黏土（< 0.002 mm黏粒占28.23%，0.02~0.002 mm粉粒占33.27%，> 0.02 mm砂粒占38.51%）。化学性质：pH为4.57，电导率EC为1.06 μS·cm–1，土壤有机碳SOC为6.75 g·kg–1，全氮TN为0.4 g·kg–1，全磷TP为0.15g·kg–1，碱解氮AN为17.49mg·kg–1，有效磷AP为9.22 mg·kg–1，速效钾AK为87.71mg·kg–1。
1.2 新型耕层重构材料的创制为探究耕层重构材料中生物炭对泥炭的替代效应，将2种泥炭与2种生物炭按质量比1︰1、2︰1、3︰1进行混合，再按质量比10︰1比例与蔬菜玉米壳（C）混合。在此基础上将所选枯草芽孢杆菌菌剂溶于1 000倍水中，喷施到上述有机类材料中，同时控制水分保持在60%左右，搅拌均匀，配置形成12种以天然有机材料为核心的新型耕层重构材料。具体：（1）草本泥炭（H）-稻壳生物炭（R）型：（H+R）10C1、（2H+R）10C1、（3H+R）10C1，（2）草本泥炭（H）-木屑生物炭（S）型：（H+S）10C1、（2H+S）10C1、（3H+S）10C1，（3）苔藓泥炭（M）-稻壳生物炭（R）型：（M+R）10C1、（2M+R）10C1、（3M+R）10C1，（4）苔藓泥炭（M）-木屑生物炭（S）型：（M+S）10C1、（2M+S）10C1、（3M+S）10C1。
1.3 新型耕层重构材料的筛选 1.3.1 建立评价指标体系评价材料质量的理化指标众多，应用全部指标进行质量评价将增加工作难度。因此，有必要构建一个最小数据集（Minimum Data Set，MDS），用有限的指标快速准确地评价材料质量。聚类分析和主成分分析法是建立MDS过程中应用最广泛的数理统计方法，前者在无先验知识的前提下按数据亲疏程度自动分类，后者在数据信息损失较小的前提下进行降维划分，两种方法均能够克服传统指标筛选的主观性，客观准确地筛选土壤属性的变异性[10]。
具体方法如下：基于R型欧氏距离的聚类分析（Cluster Analysis，CA）对全部质量评价指标进行分类。若同组内指标之间存在显著相关性，则根据土壤质量评估经验，选择更具代表性的指标进入MDS；若相关性低且冗余时，使用主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）对指标进行重新分类，选择特征值≥1的主成分，将每个主成分中旋转因子载荷绝对值≥0.5的指标划分为同组，若某指标同时在多个主成分上载荷绝对值≥0.5，则将该指标划分至与其他指标相关性较低的那一组。选择每组中Norm值最高的指标直接进入MDS，再保留与最高Norm值相差10%范围内的指标进行相关性分析，若相关性较高则舍弃，若相关性较低则选入MDS。Norm值作为某指标在主成分组成的多维空间的矢量常模长度，值越大则表明该信息对主成分的综合荷载越高，解释综合信息能力越强。Norm值计算公式如下[11]：
| Nik=√∑ki=1Uikλk |
式中，Nik为第i个变量在特征值≥1的前k个主成分上的综合荷载；Uik为第i个变量在第k个主成分上的荷载；λk为第k个主成分的特征值。
1.3.2 建立材料质量评价体系材料质量指数（Material Quality Index，MQI）能够通过指标定量的方法对耕层材料进行综合评价。MQI的范围为0~1，值越大则表明质量越好。计算公式如下[12]：
| MQI=∑ni=1FiWi |
式中，n为参评指标的数量；Fi为第i个指标的隶属度；Wi为第i个因子的权重。
其中，Fi隶属度由指标所属的隶属度函数确定[13]，划分为两种函数：（1）递增型函数，对土壤质量起到促进作用的指标。（2）递减型函数，对土壤有限制作用的指标，在本研究中选择容重和灰分，其余指标均为递增型函数。隶属度计算：递增型：F（Xi）=（Xi－Xmin）/（Xmax－Xmin）；递减型：F（Xi）=1－（Xi－Xmin）/（Xmax－Xmin）。式中，Xi为指标实测值，Xmin为指标测定最小值，Xmax为指标测定最大值；Wi因子权重为各指标公因子方差与总公因子方差之比。
1.3.3 最小数据集的可靠性验证本研究通过计算全体数据集（Total Data Set，TDS）指标和最小数据集两种指标体系下不同配方耕层重构材料的质量指数，再通过MQI-TDS与MQI-MDS两者相关分析，以及样品间聚类分析验证最小数据集指标体系对材料综合质量评价的可靠性，从而建立耕层重构材料的质量评价体系。
1.4 耕层土壤重构的有效性验证经筛选，选择MQI较高的3种优质耕层重构材料（M+R）10C1、（2M+R）10C1、（3M+R）10C1，以4%（w/w）添加量混入耕层剥离型“非粮化”土壤，同时以未添加材料的土壤作为CK开展盆栽验证试验（2.5 kg·盆–1），各处理重复三次，共计培养56 d，培养期间水份控制在60%。培养结束后通过测定土壤物理结构、有机质及活性养分含量及固碳指标来验证耕层重构材料及其评价体系的有效性。
在此基础上，本研究以（3M+R）10C1材料为例，探究此类材料对耕层剥离型“非粮化”土壤复耕的现实可行性。为了在构建优质耕层的同时最大程度提高经济效益，对作物种植体系下对材料添加量进行调整，以提高1.5%土壤有机质为目标，设置2%添加量进行复耕试验。具体如下：以2%（w/w）添加量混入耕层剥离型“非粮化”土壤，同时以未添加材料的土壤作为CK开展粮食作物小麦盆栽种植试验（3 kg·盆–1），各处理重复三次，每盆6株小麦，常规水分管理。培养结束后测定土壤养分、固碳指标及小麦生长指标。
1.5 指标测定基础理化指标具体操作参考《土壤农化分析》[14]。供试原料C、H、N含量采用元素分析仪测定，采用SU8010冷场发射扫面电子显微镜进行微观结构观察。pH采用浸提电位法（材料︰水=1︰15）测定，电导率（EC）采用浸提电导法（材料︰水=1︰15）测定。可溶性有机碳（DOC）采用水浸提-TOC分析法测定。活性碳组分（LabileI C、LabileII C）和难降解碳组分（Recalcitrant C）采用2.5 mol·L–1 H2SO4和13 mol·L–1 H2SO4两步酸水解法[15]测定。微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定；微生物呼吸速率（MR）采用室内培养-气相色谱法测定；微生物代谢熵计算方法：qCO2（h–1）= MR/MBC。
1.6 数据处理试验数据在Microsoft Excel2010中计算处理后通过SPSS 23.0进行指标标准化、聚类分析、主成分分析、相关分析，数据差异均采用单因素方差分析，并进行LSD多重比较，不同字母代表不同处理间性质具有显著性差异（P < 0.05）。图表在Origin18.0进行制作。
2 结果 2.1 耕层重构材料物理指标统计不同类型的耕层重构材料均具备容重低、孔隙丰富的特点（表 2）。本试验所创制的材料容重（Bulk density，BD）介于0.1 298~0.1 488 g·cm–3之间，毛管孔隙度（Capillary porosity，CP）介于47.02%~67.82%之间，以苔藓泥炭配置的（M+S）10C1容重显著低于其他材料，为0.1 298 g·cm–3，M+R类及M+S类材料的毛管孔隙度均显著高于草本泥炭构成的H+R类、H+S类，即苔藓泥炭类材料在结构上具有更优质的通气透水特性，有利于土壤耕层结构的塑造。此外，不同材料的pH为5.26~6.54、电导率为2.51~3.99 mS·cm–1，均处于适宜范围，符合耕层重构材料基本要求。
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表 2 不同耕层重构材料的物理性质 Table 2 Physical properties of different plough layer reconstruction materials |
耕层重构材料有机碳含量均处于较高水平，（M+S）10C1最高为408.9 g·kg–1，（2H+R）10C1最低为319.3 g·kg–1。以苔藓泥炭配置的材料有机碳平均含量高于草本泥炭类。以稻壳生物炭配置材料有机碳难降解指数为80.12%~88.78%，高于木屑生物炭类，稳定性更高，输入土壤时有利于提高SOC固存[16]。不同材料均表现出LabileIC含量高于LabileIIC含量（图 2）。
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图 2 不同耕层重构材料碳组分含量和有机碳难降解指数 Fig. 2 Carbon component content and recalcitrance index of different plough layer reconstruction materials |
耕层重构材料有机质含量为550.46~704.93 g·kg–1，DOC含量为1.25~4.49 g·kg–1，总腐殖酸含量为22.17%~45.2%，全氮含量为5.05~12.64 g·kg–1，全磷含量为0.23~1.42 g·kg–1，全钾含量为3.48~8.99 g·kg–1（图 3）。草本泥炭类有机质、DOC含量显著低于苔藓泥炭类，但全氮、全磷含量相对较高，其中（3H+R）10C1和（3H+S）10C1的全氮含量分别为12.64、12.38 g·kg–1，（H+R）10C1全磷含量为1.42 g·kg–1。在苔藓泥炭配置的两类材料中，M+R类全量养分含量总体高于M+S类材料，有利于养分储存，同时其DOC含量介于4.15~4.49 g·kg–1之间，有利于活性养分的释放。
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图 3 不同耕层重构材料养分含量 Fig. 3 Nutrient content of different plough layer reconstruction materials |
基于R型聚类将14项理化指标划分为4类：（1）TK、容重、TP、灰分、EC，代表养分及物理性质；（2）TN、HS，代表养分；（3）LabileI C、LabileII C、DOC、pH、毛管孔隙度，代表碳组分及物理性质；（4）SOC、Recalcitrant C，代表有机碳组分。
通过对同组内相关性分析初步筛选进入MDS的指标。首先对14项指标进行正态分布检验，DOC、容重、EC不符合正态分布，选择Spearman系数进行相关分析。第一类中EC与其余指标均无显著相关性，直接选入MDS；TK与容重高度相关（r=0.982），容重衡量结构特性，TK主要受矿物种类影响，二者无明显实际关联，为避免造成误差同时选入MDS；TK与TP、灰分均高度相关（r=0.800、r=0.761），灰分可表征材料中矿质养分，可用全量养分进行衡量，此时选择相关性之和更高的TK作为养分含量代表；第二类TN、HS无显著相关性，同时选入MDS；第三类SOC与Recalcitrant C显著相关（r=0.853），SOC更能衡量土壤肥力特性，将SOC选入MDS；第四类中LabileI C、LabileII C显著相关（r=0.853），考虑到LabileI C组分更能体现活性碳组分，选择LabileI C进入MDS；毛管孔隙度分别与DOC、pH显著相关（r=0.790、r=0.860），通气透水情况能直接影响水溶态养分，但无法直观反映酸碱度，故选择毛管孔隙度、pH进入MDS。
2.3.2 主成分分析筛选冗余指标由于聚类结果的第一类和第三类备选指标中存在数据冗余，故采用主成分分析进一步筛选代表性指标最终进入MDS。分别对第一类、第三类指标进行KMO与Bartlett’s检验，结果表明KMO值分别为0.624 > 0.5（Sig=0.000）、KMO=0.559 > 0.5（Sig=0.001），均可以进行主成分分析（表 3）。
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表 3 指标载荷矩阵和Norm值 Table 3 Indicator loading matrix and Norm values |
第一类指标划分1个主成分，累计贡献率为71.993%，选择Norm值最高指标TK（1.743）90%范围以内指标进一步筛选，容重、TP、灰分符合条件，再次进行相关分析表明TK与容重（r=0.941）、TP（r=0.764）、灰分（r=0.783）高度相关，故仅选择Norm值最高的TK进入MDS。第三类指标提取到2个主成分，累积贡献率为92.19%，DOC、毛管孔隙度在主成分1载荷值较高，pH、LabileI C、LabileII C在两个主成分上载荷值均≥0.5，将三指标纳入相关系数和较小的主成分2中。主成分1中最高载荷毛管孔隙度Norm值为1.689，DOC Norm值符合其90%内，相关性分析表明毛管孔隙度与DOC（r=0.790）高度相关，故仅选择毛管孔隙度进入MDS。在主成分2中最高载荷指标LabileI C，Norm值为1.597，剩余指标pH、LabileII C的Norm均值符合90%范围，相关分析表明LabileI C与pH无相关关系（r=0.266）、与LabileII C高度相关（r=0.853），故选择LabileI C、pH进入MDS。
综合以上聚类分析、主成分分析结果，最终从14个质量评价指标中选出SOC、LabileIC、HS、TN、TK、毛管孔隙度、pH共7个指标，作为评价耕层重构材料质量的MDS。
2.4 材料质量综合评价 2.4.1 材料质量指数计算提取全体数据集和最小数据集的指标公因子方差，各指标公因子方差占公因子方差和的比例视为权重值（图 4），利用隶属函数计算各指标隶属度，根据各指标隶属度及权重值计算材料质量指数（表 4）。
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图 4 全体数据集、最小数据集体系下评价指标权重 Fig. 4 TDS and MDS evaluation indicator weights |
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表 4 全体数据集、最小数据集的材料质量指数（MQI）及综合排名 Table 4 MQI and overall ranking for TDS and MDS |
以MQI-TDS为基准进行MQI-MDS精度检验。MQI-TDS范围为0.322~0.628，MQI-MDS范围为0.288~0.678，差距较小。相关分析呈显著正相关1，R2为0.6611，说明建立的MDS能够较全面地反映TDS对耕层重构材料质量评价的信息。主成分分析及聚类分析结果表明（图 5）：耕层重构材料质量与原料种类密切相关，同时12种材料划分为三组，第一组（7、8、9、10、11、12号处理）质量较高、第二组（2、3、4、5、6处理）质量相对较低、第三组（1号处理）质量中等。综合分析以苔藓泥炭、稻壳生物炭为原料配置的（M+R）10C1、（2M+R）10C1、（3M+R）10C1型耕层重构材料效益更好。
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图 5 不同处理主成分分析及聚类分析结果示意图 Fig. 5 The results of principal component analysis and cluster analysis for different treatments |
优选的耕层重构材料均可以显著降低土壤容重（表 5），改善耕层剥离型“非粮化”土壤质地紧实的问题，有利于塑造疏松、多孔物理结构。耕层重构后土壤有机质含量与CK相比提高了177.35%~204.31%，土壤活性养分含量均显著提升，即经过短期耕层重构“非粮化”土壤肥力得到显著改善。耕层重构材料明显促进了微生物生长繁殖，与CK相比各处理MBC含量均显著提高。此外，此类材料的固碳功能也在土壤耕层重构过程中加以证实，结果表明经耕层重构后土壤微生物呼吸和代谢熵均显著降低，这说明此类材料可以提高土壤碳利用效率，增强土壤的固碳潜力[17]。
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表 5 应用优选的耕层重构材料后土壤物理、化学、生物学指标 Table 5 Soil physical, chemical, and biological indicators after application of selected plough layer reconstruction materials |
应用耕层重构的“非粮化”土壤进行粮食作物种植后发现土壤有机质及养分含量与CK相比明显提升（表 6），同时土壤MBC含量增加，呼吸速率及qCO2下降，即在种植作物后，此类材料在改善土壤质量以及增强土壤固碳能力方面仍具有巨大优势，与前期土壤培育结果相一致。此外，成熟期作物生长情况与CK相比表现出明显优势，小麦株高、重量、有效穗数、穗长等均高于CK，小麦产量约为CK处理小麦产量的5.6倍。
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表 6 土壤化学、生物学指标及小麦生长情况 Table 6 Soil chemical, biological indicators and crop growth |
以往耕层重构材料质量评价方法主要分为两类：一类是单因子指标直接筛选，即对材料某项特征指标高低或经验判断直接进行选择，但此类方法只适用于具有典型障碍问题土壤，如有学者比较石灰与生物炭对酸性土壤整治效果时，由于石灰pH更高对土壤酸化改善效果更显著[18]，但未考虑两类材料对土壤养分含量的影响，这种单一评价方法无法全面衡量耕层重构材料质量。另一类是将材料施用土壤后，经过盆栽或田间土壤培育过程，通过对土壤质量进行综合比较，间接评价耕层重构材料优劣，是目前普遍应用的评价方法。例如，有研究通过聚类分析对5种有机物料重构新垦红壤耕层进行效果评价，结果表明经木本泥炭+腐熟秸秆+石灰石粉型材料处理后土壤质量水平等级最高，该材料效益最高[7]，但此类方法一般评价周期长、过程相对复杂。本研究将土壤综合质量评价法在耕层重构材料质量评价中加以运用，通过对有利于构建优质耕层的理化指标进行综合分析，略过土壤培育过程，直接比较不同种类材料优劣，极大提高筛选效率。质量指数法是近年来用于土壤综合质量评价的重要方法之一，其最大优势是能够充分考虑评价指标实测值、权重及指标间相互作用对评价结果的共同影响，并通过数值量化方式直接比较不同种类耕层重构材料优劣[19]，该方法已在多种生态系统中加以运用，例如，有学者应用该方法对丘陵区坡耕地耕层土壤[11]和对矿区复垦土壤[10]的质量评价结果均表现较高的准确性。
评价耕层重构材料质量的指标繁多，考虑到耕层剥离型“非粮化”土壤耕层重构材料的应用目的是提高土壤肥力、改善土壤结构。本研究选择了能快速、精准反应养分含量、蓄水保墒能力的14项物理、化学指标，但若采用全部指标进行评价会增加评价难度和工作量，且不一定准确，因此建立一套简单的指标评价体系尤为关键。本研究通过建立评价指标的MDS极大程度减少数据冗余，简化分析过程。经筛选，所构建的MDS中SOC、pH、TN、AK、毛管孔隙度均是以往土壤质量评价MDS中应用频次较高的指标[20]，除此之外，HS、LabileI C也纳入本研究MDS，说明创制耕层重构材料时还要考虑材料的耐降解性及活性养分的供给问题。拟合验证结果表明TDS与MDS两类数据集材料质量指数呈显著正相关，与以往研究中采用最小数据集评价南方冷浸田[21]及人工林地的土壤质量[22]的研究结果中MDS与TDS评价结果呈正相关相一致。进一步说明本构建的评价体系可以较为全面、客观反应耕层重构材料质量水平，为耕层重构材料快速遴选评价以及后续改良提供借鉴意义。
3.2 “非粮化”土壤优质耕层重构材料的创制与效果验证优质耕层重构材料的创制是实现“非粮化”土壤复耕的前提。传统的耕层重构材料重点关注于如何提高耕层有机质含量，但对土壤结构、养分含量等改善效果一般。例如，腐殖酸复配脱硫石膏可以有效改善滨海土壤耕层盐碱问题，但对养分含量提升有限[23]；应用黏土矿物-腐殖酸复合材料能有效促进矿区复垦土壤耕层有机质积累，但对土壤结构优化不明显[24]。而“非粮化”土壤因耕层缺失，普遍存在有机质及养分含量低，土壤结构紧实、微生物缺乏等问题[25]，这对耕层重构材料的创制提出了新要求，既要补充缺乏的养分及微生物，又要增强通气透水性、改善土壤结构。近年来为实现土壤养分与土体结构的协同改善，木本泥炭得到广泛应用[7]，但木本泥炭资源有限且活性养分丰富容易被微生物降解，难以长期稳定提高土壤质量。生物炭作为另一种富碳材料，在提高土壤有机碳及固碳能力上发挥重大作用[9]，然而生物炭制造成本较高会提高土壤改良的成本，因此本研究假设用泥炭和生物炭进行合理搭配可以同时利用两种材料的优势，在降低成本的同时增加土壤固碳增汇效果，本研究结果进一步证实了上述假设的可行性。同时，本研究遵循“相似增效”原则，按土壤有机质组成对耕层重构材料的创制比例进行优化。土壤有机质包括80%~95%难分解腐殖质成分和5%~20%易分解多糖成分[26]，本研究以难、易降解组分10︰1比例进行创制。考虑到土壤微生物在健康耕层的形成过程中尤为关键，本研究辅以微生物菌剂补填耕层剥离型“非粮化”土壤初始土壤微生物缺乏状态。但微生物活性的提高会消耗大量土壤有机碳，需要提供活性碳组分来供给微生物利用[27]，从而避免所添加的难降解碳组分被消耗掉。因此，选择降解速率较快的蔬菜玉米壳来补充土壤活性碳组分，既有利于土壤微生物活性的提升又可以减少微生物对难降解碳组分的矿化，从而提升土壤固碳效果。此外，所选原料天然绿色，容易获取，也有利于保障耕层环境生态安全，在应用时直接机械施入土壤，操作简单，利于推广。
主成分分析结果表明耕层重构材料的综合质量与原料种类密切相关。本研究所建立的材料评价体系表明以苔藓泥炭和稻壳生物炭为原料所创制的耕层重构材料综合质量更好，通过分析原料特性也可以证实上述观点。苔藓泥炭微观孔隙较草本泥炭丰富（图 1），具有更优越的吸水保肥能力，同时苔藓泥炭长期生长于湿冷气候区，植物残体分解度低，稳定性更高[15]。稻壳生物炭H/C为0.046低于木屑生物炭0.056，芳香程度更高，固碳增汇潜力更大，与以往研究从木质素含量较高的原料提取的生物炭在输入土壤时总矿化度最低相一致[16]。因此，本研究认为原料质地疏松、SOC含量高且稳定性高时有利于创制优质耕层重构材料。同时将MQI高的材料施入土壤可以显著降低土壤容重，提高土壤有机质及养分含量，促进微生物活性，降低土壤呼吸速率及代谢熵，本研究所创制的新型耕层重构材料在改善土壤质量及提高土壤固碳能力等方面均具有较好的应用前景，其材料质量评价体系有效性也进一步得到证实。小麦产量在耕层重构后得到显著提升，表明此类耕层重构材料可以有效恢复土壤复耕生产，对于我国“非粮化”耕地快速复耕培肥的理论和实践具有参考意义。
4 结论以有机碳、活性碳组分Ⅰ、总腐殖酸、全氮、全钾、毛管孔隙度、pH构建的最小数据集可以作为耕层重构材料的指标评价体系，依托该指标体系再结合质量指数模型可以建立耕层重构材料的综合质量评价方法。应用本研究的质量评价方法筛选出的最佳耕层重构材料配方为苔藓泥炭、稻壳生物炭按质量比1︰1、2︰1、3︰1，再按质量比10︰1与蔬菜玉米壳混合的（M+R）10C1、（2M+R）10C1、（3M+R）10C1。优质耕层重构材料具备质地疏松、蓄水保墒能力强、有机质含量高且兼具固碳功能的特点，可以显著提高耕层剥离型“非粮化”土壤肥力，促进作物生长。
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