生物炭改良结合亏缺灌溉通过调节土壤的物理化学性质和酶活性来提高青贮玉米的产量

《Industrial Crops and Products》：Biochar amendment coupled with deficit irrigation enhance silage maize yield by modulating soil physico-chemical properties and enzyme activities

　　张宏娟|张瑞|李彦军|张振荣|高艳婷|董波|马家丽
甘肃农业大学水利与水电工程学院，中国甘肃省兰州市730070

**摘要**
如何通过优化生物炭施用和灌溉计划来提高作物生产力对于实现农业高产至关重要，尤其是在中国西北地区。然而，相关结论因地理和气候区域而异，需要大量的田间实验来全面理解其机制。本研究选择了中国西北地区一个典型的水资源匮乏和干旱区域作为研究区域，并对青贮玉米（Zea mays L，一种主要的饲料作物）进行了为期两年（2023-2024年）的田间实验。我们设计了六种处理方案，包括两种灌溉制度（全灌溉（FI）和亏缺灌溉（DI）以及三种生物炭施用量（0吨/公顷（TB）、15吨/公顷（MB）和30吨/公顷（HB））。结果表明，生物炭施用使青贮玉米根区的土壤压实程度降低了20.45%-46.49%，土壤容重降低了2.84%-4.87%。与全灌溉处理相比，亏缺灌溉加15吨/公顷生物炭处理显著增加了土壤硝酸盐氮（NO3--N）含量4.18%-9.41%、铵氮（NH4+-N）含量15.35%-20.87%和土壤有机质（SOM）含量40.67%-92.60%（P<0.05）。灌溉与生物炭施用之间的相互作用对土壤酶活性影响较小，而生物炭施用显著增强了脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶的活性（P<0.05）。在亏缺灌溉加15吨/公顷生物炭处理下，青贮玉米地上生物量和籽粒产量分别增加了7.55%和18.71%（P<0.05）。因此，亏缺灌溉与15吨/公顷生物炭的联合施用是一种有效的管理策略，可以增强当地土壤肥力、改善土壤环境，并最终提高青贮玉米的地上生物量和籽粒产量。这些结果为中国西北地区可持续农业用水管理和生物炭施用提供了宝贵的参考。

**1. 引言**
青贮玉米（Zea mays L.）是一种关键的饲料作物，在保障全球畜牧业生产中起着重要作用（Gamble等，2021；Karnatam等，2023）。作为一种耗水量大的作物，它也是干旱和半干旱地区农业和畜牧业发展的重要经济作物（Jiang等，2024；Cui等，2025a；Cui等，2025b），尤其是在中国西北地区。该地区的青贮玉米种植面积每年几乎增长4%，目前达到170万公顷（Li等，2025）。然而，对于典型的半干旱地区——中国西北部来说，维持如此大规模的青贮玉米生产变得越来越困难（Tortajada和Arreguín，2023；Liu等，2024；Nogrady，2024）。重要的是，需求的增加导致了农业水资源短缺（D’Odorico等，2020），这不仅可能抑制作物生长和减少生物量积累（Dinar等，2019），还可能导致土壤退化，包括沙漠化（Scanlon等，2007）、盐碱化（Cui等，2025a；Cui等，2025b）和生态系统退化（Huo等，2024）。因此，在减少农业用水的同时保持或提高青贮玉米生产力已成为中国西北地区可持续农业发展的关键问题。
一种有前景的解决方案是亏缺灌溉（DI），这是一种高效的节水灌溉技术，在作物生长和蒸腾作用对水分不足不太敏感的时期施加可控的水分胁迫（Gheysari等，2017）。通过调节作物生理代谢，亏缺灌溉不仅显著节省了灌溉用水量，还能维持甚至提高作物产量（Jacobsen等，2012；Teshome等，2023）。然而，尽管具有节水效益，亏缺灌溉也可能导致土壤退化（Chai等，2016）、养分淋溶（Abdelfattah和Mostafa，2024）以及土壤微环境失衡（Bhandari等，2022）。因此，探索能够改善土壤质量并增强水分和养分保持能力的最佳亏缺灌溉策略至关重要，特别是对于中国西北地区的青贮玉米生产而言。
生物炭是一种富含碳且高度稳定的材料，通过在有限氧气条件下热解农作物秸秆和木屑等有机残渣制成（Weber和Quicker，2018；Lehmann等，2021），正成为一种有前景的土壤改良剂。其较大的表面积、丰富的孔结构和多样的功能基团为土壤改良带来了显著的好处（Blanco-Canqui等，2024）。先前的研究表明，生物炭施用可以显著改善土壤物理结构（Singh等，2022）——例如，通过降低容重和增加孔隙度，从而提高土壤持水能力（Kang等，2022）。这些改进对于缓冲与亏缺灌溉相关的周期性水分波动尤为重要。除了这些物理效益外，生物炭还可以通过增加阳离子交换能力（Wei等，2023）、增强养分离子和减少养分淋溶来改善土壤化学性质（Hagemann等，2017；Song等，2018），从而提高肥料利用效率。土壤物理化学和生物特性的综合提升为根系生长和养分吸收创造了有利的环境，促进了作物的整体生长和产量（Han等，2023；Zhang等，2024a；Zhang等，2024b；Zhang等，2024b）。此外，越来越多的证据表明生物炭施用与水分管理实践之间存在协同作用（Liu等，2021；Huang等，2022）。然而，生物炭施用与亏缺灌溉结合使用的耦合效应、潜在机制及优化模式在中国西北地区的青贮玉米生产系统中的具体表现仍不够清楚。
为应对这些挑战，中国西北地区进行了一项为期两年（2023-2024年）的青贮玉米种植田间实验，以研究生物炭施用和灌溉制度对土壤和作物表现的联合影响。实验包括两种灌溉制度和三种生物炭施用量（0、15和30吨/公顷）。我们假设添加生物炭可以缓解亏缺灌溉对土壤结构和养分有效性的负面影响，从而提高青贮玉米的生长和产量。本研究的具体目标是：（1）分析亏缺灌溉和不同生物炭施用量对土壤物理性质的影响；（2）研究它们对土壤化学性质的影响；（3）阐明在不同灌溉和生物炭处理条件下土壤物理化学特性与作物生物量和产量之间的关联机制。为期两年的连续田间实验有助于验证季节性变化，从而更全面地评估生物炭施用和灌溉管理对土壤-作物系统的持续累积改进效果。

**2. 材料与方法**
**2.1. 实验地点描述**
田间实验于2023年4月至2024年10月在甘肃省兰州市银达市水资源利用中心试验站（北纬36°12′，东经102°36′）进行（图1）。该研究区域属于半干旱大陆性季风气候，年平均气温为6.9℃，年平均降水量为300-350毫米，年平均日照时间为1700-2700小时。图2A展示了实验期间（2023年4月至2024年10月）的温度和降水量变化情况。根据美国农业部土壤分类系统，实验区域的土壤类型为沙质粘壤土。在田间实验种植前，0-20厘米和20-40厘米土层的物理化学性质如下表所示。

**表1. 实验地点的土壤物理化学性质**
| 土层深度（厘米） | 容重（g/cm3） | 总孔隙度（%） | NH4+-N（mg/kg） | NO3--N（mg/kg） | SOC（g/kg） | SOM（g/kg） | AP（mg/kg） | FP（mg/kg） |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 0-20 | 1.35 | 49.03 | 32.43 | 59.29 | 1.05 | 42.29 | 106.29 |
| 20-40 | 1.40 | 46.80 | 32.43 | 29.83 | 1.05 | 36.67 | 79.93 |

**2.2. 生物炭**
实验中使用的生物炭是由小麦秸秆在600℃下热解制成的，购自河南禹中农业科技有限公司。该生物炭的物理化学性质为：pH值10.24，总孔隙度67.03%，容重0.19 g/cm3，固定碳650 g/kg，速效磷10.20 g/kg，速效钾55.65 g/kg，阳离子交换容量60.80 cmol/kg。

**2.3. 实验设计与田间管理**
实验使用了当地常见的青贮玉米品种“Longqingzhu NO.1”，种植密度为80,000株/公顷，株距30厘米，行距50厘米（图2B），分为两个生长季节进行（分别于2023年5月1日和2024年4月23日播种，2023年10月1日和2024年10月6日收获）。实验采用裂区设计，包括两个因素：两种灌溉制度和三种生物炭施用量，共六个处理组。每个处理组有三个重复，共计18个试验小区，每个小区面积为20平方米（2米×10米，图2C）。两种灌溉制度为：全灌溉（FI）和亏缺灌溉（DI），整个生长期间均持续实施。全灌溉（FI）基于田间持水量（θf）的80-95%，亏缺灌溉为65-80%。三种生物炭的施用量分别为：不施用生物炭（TB，0吨/公顷）、低剂量生物炭（MB，15吨/公顷）和高剂量生物炭（HB，30吨/公顷）。根据当地土壤特性和以往研究的综合结果，施用量在10-30吨/公顷之间可以有效提高谷物产量（Farhangi-Abriz等，2021；Bai等，2022）。因此，本研究确定了三个施用量：0、15和30吨/公顷。播种前施用的基肥包括尿素（氮≥46%，350公斤/公顷）、磷酸二铵（N-P-K 18-54-20，267公斤/公顷）和硫酸钾（钾>52%，280公斤/公顷），并在拔节期追施尿素（375公斤/公顷）。当平均土壤含水量（0-80厘米深度）达到处理特定的下限时，通过地下滴灌进行灌溉，固定施用量为270立方米/公顷，其他田间管理措施均遵循当地常规规程。

**2.4. 采样与测量**
土壤和作物变量的采样集中在乳熟期（R3）和生理成熟期（R6），地上生物量在R3阶段测定，籽粒产量在最终收获时评估。这些采样阶段对应于籽粒灌浆高峰和生理成熟终点，从而能够准确反映生物炭施用如何调节土壤养分有效性和作物养分吸收之间的协同作用。

**2.4.1. 土壤物理性质（土壤压实程度（SC）和土壤容重（SBD）**
在R3阶段和R6阶段采集青贮玉米的土壤样本。在每个玉米生长季节，使用环刀法（体积=100立方厘米）和SC900数字土壤压实仪（Spectrum, Inc.（美国）分别测量根区（0-30厘米，0-10厘米、10-20厘米、20-30厘米深度）的土壤容重（SBD）和土壤压实程度（SC）。0-30厘米土层内的SC和SBD均作为0-10厘米、10-20厘米和20-30厘米土层测量值的加权平均值计算得出。

**2.4.2. 土壤化学性质（土壤硝酸盐氮（NO3--N）、土壤铵氮（NH4+-N）和土壤有机质（SOM）**
在青贮玉米的R3和R6阶段，使用土壤钻从根系浓度为95%的土层（0-20厘米、20-40厘米）采集土壤样本，每个处理重复三次。土壤样本经过研磨后通过2毫米筛网过滤以供测试。土壤硝酸盐氮（NO3--N）和铵氮（NH4+-N）采用酚二磺酸比色法和靛酚蓝比色法测定（Zhang等，2024a；Zhang等，2024b；Zhang等，2024b；Liu等，2021）。土壤有机质（SOM）采用重铬酸盐氧化和滴定法测定（Yan等，2022）。

**2.4.3. 土壤酶活性**
在青贮玉米的R3阶段，使用土壤钻从根系浓度为95%的土层（0-20厘米）采集土壤酶活性样本，每个处理重复三次。土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定，方法是将5.0克风干土壤与尿素溶液和柠檬酸缓冲液（pH 6.7）在37°C下孵育24小时，然后通过分光光度法测定释放的铵含量，并表示为mg g?1 24 h?1（Zhang等，2024a；Zhang等，2024b；Zhang等，2024b）。土壤过氧化氢酶活性是通过测量过氧化氢的分解来确定的，其中2.0克风干土壤与已知浓度的H2O2在25°C下孵育24小时，然后量化消耗的H2O2量，并以mg g?1 24 h?1表示（Liu等人，2017年）。土壤蔗糖酶活性是使用3,5-二硝基水杨酸（DNS）方法测定的，其中5.0克风干土壤与8%蔗糖溶液和磷酸盐缓冲液（pH 5.5）在37°C下孵育24小时，然后通过分光光度法量化产生的还原糖（葡萄糖当量）量，并以mg g?1 24 h?1表示（Shen等人，2019年）。

2.4.4. 地上生物量和籽粒产量
在青贮玉米的R3阶段，从每个地块中选择三株生长均匀的植物，带回实验室，在105°C下烫漂0.5小时，然后在80°C下干燥24小时，之后测量其地上生物量。在玉米收获期间（2023年10月1日和2024年10月6日），选择每个地块的5平方米进行完全收获，并测量青贮玉米的籽粒产量。籽粒产量是通过人工脱粒、自然晾干、称重并将其转换为每公顷产量来确定的。

2.5. 统计分析
数据分析使用Microsoft Office Excel 2016和IBM SPSS Statistics（版本27.0）进行数据处理，使用Origin 2019（OriginLab Corp，美国）进行图表制作。计算每组数据的平均值和标准差，以确保它们符合生态分布。采用双因素方差分析（ANOVA）来研究生物炭施用量（TB、HB、MB）和灌溉梯度（FI、DI）对土壤容重、压实度、土壤养分含量、土壤酶活性、作物生物量和产量的影响。使用随机森林模型对土壤指标（土壤物理性质、土壤化学性质和酶活性，这些对青贮玉米籽粒产量有重大影响）的重要性进行排序。部分最小二乘路径模型（PLS-PM）使用RStudio软件分析土壤物理和化学性质与作物产量之间的影响路径和驱动因素，通过“plspm”和“qgraph”包执行模型。

3. 结果
3.1. 根区（0–30厘米土壤层）土壤物理性质的年度变化
根区的土壤压实度（SC）是土壤肥力的关键指标，在促进作物根系生长和发育中起着至关重要的作用。图3显示了R3（乳熟期）和R6（生理成熟期）阶段0–30厘米根际土壤层内平均SC的变化。不同灌溉和生物炭添加处理下的根际SC年度变化总体上呈现逐渐下降的趋势。值得注意的是，在全灌溉和亏缺灌溉条件下，未添加生物炭（TB）的SC始终高于添加生物炭的情况，尽管这种差异没有统计学意义（P＞0.05）。在2023年和2024年，SC从R3阶段到R6阶段逐渐减少，2023年的平均值为9.96 kg cm?2和7.01 kg cm?2，2024年的平均值为7.32 kg cm?2和6.07 kg cm?2。与FITB处理相比，DIMB和DIHB处理有效地改善了土壤物理条件，2024年R6阶段的SC分别减少了39.33%和46.49%。此外，当平均生物炭处理时，2024年R6阶段的DI地块的SC平均比FI地块低20.35%。

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图3. 2023年（A）和2024年（B）R3和R6生长阶段根际层（0–30厘米）的平均土壤压实度（SC）。R3：乳熟期；R6：生理成熟期；FI：全灌溉；DI：亏缺灌溉；TB：0吨/公顷生物炭；MB：15吨/公顷生物炭；HB：30吨/公顷生物炭。
根区的土壤容重（SBD）是另一个反映土壤肥力和根系生长状况的关键指标。方差分析显示，0–30厘米根际层的平均SBD受到年份、灌溉、生物炭施用以及年份与生物炭之间以及年份、灌溉和生物炭之间的三重交互作用的显著影响（P＜0.05；图4）。值得注意的是，灌溉和年份之间的双向交互作用没有显著性（P＞0.05；图4）。2023年，青贮玉米根区土壤的SBD在R3和R6阶段之间的变化很小，两个阶段的平均值分别为1.30 g cm?3（图4A）。2024年，相应的平均SBD值分别为1.27 g cm?3和1.26 g cm?3（图4B）。2023年，生物炭添加对根区SBD没有显著影响（P＞0.05），而在2024年随着生物炭施用的继续，观察到了显著差异（P＜0.05）。在两种灌溉制度下，生物炭施用使R3和R6阶段的SBD分别降低了3.08%、2.97%、2.84%和4.87%，与相应的无生物炭处理相比。在调节亏缺灌溉（DI）下，中等生物炭施用量（MB）处理下的SBD在R3和R6阶段分别降低了1.32%和1.61%。

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图4. 2023年（A）和2024年（B）R3和R6生长阶段0–30厘米土壤层的平均土壤容重（SBD）变化。R3：乳熟期；R6：生理成熟期；FI：全灌溉；DI：亏缺灌溉；TB：0吨/公顷生物炭；MB：15吨/公顷生物炭；HB：30吨/公顷生物炭。不同字母表示处理之间的显著差异（P＜0.05）（n＝3）。

3.2. 根区（0–20厘米和20–40厘米土壤层）土壤化学性质的年度变化
生物炭施用和调节亏缺灌溉对青贮玉米20厘米和40厘米深度土壤中的硝酸盐氮（NO3--N）和铵氮（NH4+-N）的综合影响显示，从2023年到2024年，R3和R6阶段NO3--N含量总体呈上升趋势，NH4+-N含量呈下降趋势（图5）。此外，年份、灌溉和生物炭施用的主要效应都对土壤NO3--N含量有显著影响（P＜0.05；表2）。2023年，不同灌溉和生物炭处理下的NH??-N含量变化相对较小，两个土壤深度均无显著差异（P＞0.05；图5A，B）。R3和R6阶段的平均NH4+-N含量分别为36.48 mg kg?1和34.69 mg kg?1。2024年，随着生物炭施用的持续，两种灌溉制度下中等生物炭施用量（15吨/公顷，MB）处理下的NH4+-N浓度均较高（图5C，D）。此外，亏缺灌溉下的生物炭施用显著增加了NH4+-N含量。在R3阶段，DIMB和DIHB下的平均NH4+-N含量分别比FIMB和FIHB高9.41%和5.95%，而在R6阶段分别高4.18%和7.09%（P＜0.05）。

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图5. 2023年和2024年R3和R6生长阶段不同土壤层（0–20厘米，20–40厘米）中的铵氮（A-D）和硝酸盐氮（E-H）变化。FI：全灌溉；DI：亏缺灌溉；TB：0吨/公顷生物炭；MB：15吨/公顷生物炭；HB：30吨/公顷生物炭。不同字母表示处理之间的显著差异（P＜0.05）（n＝3），而“ns”表示处理之间无显著差异（P＞0.05）。
表2. 评估年份、灌溉和生物炭对土壤铵氮（NH4?-N）、硝酸盐氮（NO3?-N）和土壤有机质（SOM）动态的交互效应。
生长阶段
ANOVA
NH??-N (mg kg?1)
NO3--N (mg kg?1)
SOM (mg kg?1)
R3 (20厘米)
年份 (Y)
ns
******
灌溉 (I)
*******
生物炭 (B)
ns
*****
Y × I
ns
ns
ns
I × B
ns
ns
ns
I × B
ns
ns
R3 (40厘米)
Y
*********
I
ns
B
ns
ns
Y × I
ns
ns
I × B
ns
ns
R6 (20厘米)
Y
*******
Ins
*****
B
*******
Y × I
ns
ns
Y × B
ns
ns
I × B
ns
ns
R6 (40厘米)
Y
ns
******Ins
***
ns
B
ns
ns
I × B
ns
ns
I × B
ns
ns
R6 (40厘米)
Y
ns
******Ins
***
ns
B
ns
ns
I × B
ns
ns
I × B
ns
ns
注：Y：年份；I：灌溉（全灌溉和亏缺灌溉）；B：生物炭（TB：0吨/公顷生物炭；MB：15吨/公顷生物炭；HB：30吨/公顷生物炭）。数值表示为平均值±标准差（n＝3）。不同小写字母表示处理之间的显著差异（P＜0.05），P＜0.05、P＜0.01和P＜0.001分别用*、**和***表示。ns表示处理之间无显著差异。
对于NO3--N，在2023年和2024年，20厘米深度的浓度始终高于40厘米深度。2023年的平均值分别为38.72 mg kg?1和30.41 mg kg?1（图5E，F），2024年的平均值分别为21.14 mg kg?1和12.69 mg kg?1（图5G，H）。重要的是，年份、灌溉和生物炭施用之间没有观察到显著交互作用（P＞0.05；表2）。2024年，随着生物炭的持续施用，两种灌溉制度下的NO3--N含量均显著高于无生物炭对照（TB）（P＜0.05；图5G，H）。在R3和R6阶段，DIMB处理下的NO3--N含量分别比DITB处理高15.17%和17.15%。生物炭施用和调节亏缺灌溉对青贮玉米20厘米和40厘米深度土壤有机质（SOM）含量的综合影响在2023年和2024年的R3和R6阶段均呈上升趋势，20厘米深度的SOM浓度始终高于40厘米深度（图6）。值得注意的是，年份和生物炭施用的主要效应有非常显著的差异（P＜0.001；表2）。2023年，在全灌溉（FI）和亏缺灌溉（DI）下，灌溉制度对SOM含量的影响很小。在20厘米土壤深度，SOM含量随着生物炭施用量的增加而逐渐增加。与无生物炭处理（TB）相比，MB和HB处理下的平均SOM含量在R3阶段分别增加了11.49%和40.67%，在R6阶段分别增加了64.07%和92.60%（图6A）。同样，40厘米土壤层内的SOM变化模式与20厘米层内的变化一致（图6B）。2024年，20厘米深度的SOM变化模式与2023年一致。生物炭施用显著增加了SOM含量（P＜0.05），DI处理下的土壤SOM水平高于FI处理下的土壤。DIMB和DIHB处理下的平均SOM含量分别为12.01 mg kg?1，而FIMB和FIHB处理下的含量分别为8.24 mg kg?1（图6C）。

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图6. 2023年和2024年R3和R6生长阶段不同土壤层（0–20厘米，20–40厘米）中的土壤有机质（A-D）变化。FI：全灌溉；DI：亏缺灌溉；TB：0吨/公顷生物炭；MB：15吨/公顷生物炭；HB：30吨/公顷生物炭。不同字母表示处理之间的显著差异（P＜0.05）（n＝3）。

3.3. 根区（0–40厘米土壤层）土壤酶活性的年度变化
调节亏缺灌溉和生物炭施用之间的交互作用对土壤酶活性的影响较小，而生物炭施用的影响要大得多（表3）。在两个实验年份中，生物炭施用显著增加了土壤尿素酶、过氧化氢酶和蔗糖酶的活性（P＜0.05），而灌溉制度仅对蔗糖酶活性有显著影响（P＜0.05）。从2023年到2024年，与无生物炭处理（TB）相比，MB和HB处理使尿素酶、过氧化氢酶和蔗糖酶的活性分别增加了21.43%–86.80%、5.31%–28.50%和13.10%–21.43%。灌溉在两年中对尿素酶和过氧化氢酶活性均无显著影响（P＞0.05）。然而，2024年灌溉和生物炭施用之间的交互作用显著影响了尿素酶和过氧化氢酶的活性（P＜0.05）。

表3. 2023年和2024年灌溉和生物炭施用量对青贮玉米0–40厘米土壤层中尿素酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性的影响。
年份
灌溉梯度
生物炭施用
尿素酶 (mg g?1 24 h?1)
过氧化氢酶 (mg g?1 24 h?1)
蔗糖酶 (mg g?1 24 h?1)
2023年
FITB
6.44 ± 0.31 b
6.57 ± 0.25 b
11.03 ± 0.35 d
MB
12.04 ± 0.43 a
7.52 ± 0.16 a
11.52 ± 0.19 c
HB
12.03 ± 0.08 a
7.33 ± 0.18 a
13.43 ± 0.72 b
DITB
6.69 ± 0.32 b
6.20 ± 0.17 b
12.53 ± 0.30 bc
MB
12.13 ± 0.09 a
7.33 ± 0.07 a
13.72 ± 0.24 b
HB
12.42 ± 0.05 a
7.37 ± 0.27 a
16.70 ± 0.75 a
2024年
FITB
10.78 ± 0.35 d
6.67 ± 0.12 d
15.08 ± 0.98
c
MB
13.29 ± 0.55 bc
7.03 ± 0.12 bc
17.58 ± 0.74 b
HB
13.53 ± 0.29 ab
7.17 ± 0.07 abc
18.72 ± 0.72 ab
DITB
12.07 ± 0.58 cd
6.90 ± 0.06 cd
17.36 ± 0.63 b
MB
14.48 ± 0.58 ab
7.20 ± 0.06 ab
19.74 ± 0.30 a
HB
14.83 ± 0.34 a
7.33 ± 0.12 a
20.25 ± 0.53 a
ANOVA
年份 (Y)
***
灌溉 (I)
ns
ns
**
生物炭 (B)
*******
Y × I
ns
ns
Y × B
ns
ns
ns
I × B
ns
ns
*
Y × I
× B
ns
ns
*
Y × I
× B
ns
ns
*
R3 (40厘米)
Y
*********
I
ns
B
ns
ns
Y × I
ns
ns
Y × B
ns
ns
I × B
ns
ns
R6 (20厘米)
Y
*******
Ins
*****
B
*******
Y × I
ns
ns
Y × B
ns
ns
I × B
ns
ns
I × B
ns
ns
R6 (40厘米)
Y
ns
******Ins
***
ns
B
ns
ns
Y × I
ns
ns
I × B
ns
ns
I × B
ns
ns
R6 (40厘米)
Y
ns
******Ins
***
ns
B
ns
ns
I × B
ns
ns
I × B地上生物量和产量
在不同调控亏缺灌溉和生物炭处理下，当生物炭施用量为15吨/公顷（MB）时，青贮玉米的地上生物量和产量最高（图7A、B）。此外，虽然年份的主效应对地上生物量和产量均无显著影响（P > 0.05），但灌溉和生物炭的应用均导致了显著差异（P < 0.05）。与全灌溉（FIMB和FIHB）相比，亏缺灌溉（DIMB和DIHB）在2023年和2024年分别使地上生物量和产量平均增加了5.48%和9.33%，以及18.65%和19.32%。在这两年中，DIMB处理下的地上生物量和产量均显著高于其他所有处理（P < 0.05），2023年和2024年的地上生物量分别为96.20吨/公顷和103.46吨/公顷，产量分别为15.15吨/公顷和17.98吨/公顷。与DITB处理相比，DIMB下的生物炭应用使地上生物量和产量分别增加了10.05%和35.76%。年际比较中，与2023年相比，2024年的地上生物量和产量分别增加了7.55%和18.71%。
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图7. 2023年和2024年不同灌溉和生物炭应用处理下生物量（A）和产量（B）的变化。FI：全灌溉；DI：亏缺灌溉；TB：0吨/公顷生物炭；MB：15吨/公顷生物炭；HB：30吨/公顷生物炭。不同字母表示处理之间的显著差异（P < 0.05）（n = 3），其中P < 0.05、P < 0.01和P < 0.001分别用*、**和***表示。ns表示处理之间无显著差异。

3.5. 土壤物理和化学性质、酶活性及玉米产量的归因分析
偏最小二乘路径模型（PLS-PM，GOF = 0.57）解释了灌溉和生物炭管理下产量方差的64%（R2 = 0.64）（图8A）。结果表明，灌溉对产量有显著的正向影响（P < 0.01；路径系数 = 0.253），而生物炭则产生了显著的负向影响（P < 0.05；路径系数 = ?0.034）。灌溉对土壤物理性质或土壤酶活性无显著影响（P > 0.05），但显著影响了土壤化学性质，进而影响了产量（P < 0.01）。生物炭对土壤物理性质（路径系数 = ?0.335，P < 0.01）、土壤化学性质（路径系数 = 0.515，P < 0.001）和酶活性（路径系数 = ?0.220，P < 0.01）有显著影响。值得注意的是，灌溉直接影响产量，而生物炭通过其对土壤物理化学性质和酶活性的影响间接影响产量（图8B）。总体而言，PLS-PM分析显示，在生物炭应用条件下，土壤酶活性对青贮玉米产量有显著的正向影响（路径系数 = 0.266，P < 0.01）。
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图8. 偏最小二乘路径模型（PLS-PM）展示了土壤物理化学性质和酶活性影响青贮玉米产量的途径。（A）实线箭头表示正向途径，虚线箭头表示负向途径。线条的宽度与路径关系的强度成正比，数字表示标准化路径系数。P < 0.05用*表示，P < 0.01用**表示，P < 0.001用***表示。GOF表示拟合优度，R2表示解释的方差比例。（B）标准化效应包括标准化直接效应（绿色）、间接效应（红色）和总效应（蓝色）。

4. 讨论
4.1. 生物炭与调控亏缺灌溉结合对土壤物理和化学性质的影响
生物炭因其提高土壤肥力的积极作用而广受认可（Ding等人，2016年）。在本研究中，生物炭的应用在全灌溉和亏缺灌溉条件下均显著降低了土壤压实程度（图3）。同样，Zhang等人（2020年）报告称，生物炭的应用使土壤压实程度降低了10.53%，他们的进一步研究表明，在适度亏缺灌溉条件下添加25吨/公顷的生物炭显著缓解了土壤压实问题。这种协同效应主要归因于生物炭独特的物理性质（Burrell等人，2016年）。作为一种多孔材料（Liu等人，2019年），生物炭的加入直接增加了土壤总孔隙度，从而减少了土壤压实（Garg等人，2020年）。因此，生物炭有效改善了土壤结构对周期性干湿循环的抵抗力，否则这些循环可能导致土壤压实（Wang等人，2023年）。在我们的研究中，亏缺灌溉（DI）和生物炭的联合效应在第一年并不显著，而连续施用生物炭单独减少了土壤容重，而灌溉对此参数没有明显影响（图4）。灌溉对容重的有限影响可能归因于土壤矿物成分的固有稳定性和土壤基质结构对短期变化的抵抗力（Nelson和Terry，1996年）。相比之下，持续施用生物炭后观察到的容重下降可能是由于生物炭表面通过热解和氧化反应形成了丰富的含氧功能团（Leng和Huang，2018年；Yuan等人，2017年），从而减轻了土壤基质内的颗粒间压缩应力（Chen等人，2018年）。
亏缺灌溉（DI）与生物炭的应用显著增加了土壤硝酸盐氮（NO3--N）和土壤有机质（SOM）的含量（图5、图6；表2）。与Faloye等人（2019年）的研究结果一致，负电荷硝酸盐离子（Clough和Condron，2010年）的高流动性可以通过生物炭改良得到有效管理，这增强了土壤保水能力并减少了渗透损失，从而降低了硝酸盐淋溶的风险（Chen等人，2021年）。相比之下，带正电荷的铵离子（NH4+）会被土壤胶体强烈吸附。它们的增强保留通常需要一个“老化”过程，在此过程中表面氧化导致含氧功能团的形成，增加了生物炭的阳离子交换能力（Yao等人，2012年；Li等人，2022年）。该研究还发现，在实验的第一年，生物炭的添加并未显著影响土壤中的铵氮（NH4+-N）（P > 0.05，图4 A、B）。这可能是因为生物炭在第二年经历了足够的“风化”，增加了表面含氧功能团，显著提高了其阳离子交换能力，从而增强了其吸附和保留NH4+-N的能力（Nguyen等人，2017年）。此外，在亏缺灌溉的水分管理条件下，生物炭增强了土壤保水能力，可能减少了溶解有机碳的淋溶（Ren等人，2023年）。同时，生物炭减轻了DI引起的潜在过度水分胁迫，促进了根系发育，从而增加了根际碳输入（Hu等人，2025年）。
土壤酶活性作为土壤微生物代谢和生态系统功能的关键指标，在生物炭应用下表现出积极反应（Song等人，2019年；Wang等人，2024年）。在本研究中，土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性的增强主要归因于生物炭的应用效果，生物炭与灌溉之间未观察到显著交互作用（表3）。这表明，生物炭通过其固有性质创造了更有利于微生物活动的微环境，是推动微生物代谢活动增加的主要机制（Curaqueo等人，2021年）。生物炭的高度多孔结构为微生物提供了物理庇护所，保护它们免受干旱胁迫的直接影响（Liao等人，2016年）。此外，其较大的表面积吸附有机分子和营养物质，强烈刺激微生物分泌酶以获取营养物质（Mierzwa-Hersztek等人，2019年）。此外，生物炭出色的保水性能可能减轻了土壤水分波动对微生物群落的抑制作用。在不同的灌溉制度下，生物炭有效稳定了土壤的水分、空气和温度条件，为微生物活动提供了相对最优和稳定的环境（Foster等人，2016年）。因此，生物炭对酶活性的积极影响掩盖了不同水分管理实践引起的差异，导致没有显著的交互作用。

4.2. 生物炭添加和调控亏缺灌溉对土壤质量的增产效果
生物炭添加和RDI已广泛应用于玉米（Danso等人，2019年）、小麦（Wang等人，2025年）、番茄（Agbna等人，2017年）和其他作物。适当的生物炭应用已被证明可以显著提高玉米产量，并经过长期试验验证（Cong等人，2023年）。Faloye等人（2019年）报告称，在80%的灌溉条件下，添加20吨/公顷的生物炭通过改善土壤物理化学性质显著提高了玉米产量，主要原因在于生物炭在保持和增强土壤养分（如氮和磷）的有效性以及其保持土壤水分的能力（Faloye等人，2017年）。在本研究中，亏缺灌溉和添加15吨/公顷的生物炭显著提高了青贮玉米的产量（图7）。当生物炭施用量增加到30吨/公顷时，它抑制了青贮玉米的地上生物量和产量（图7A、B）。这主要是由于生物炭施用量过多，增加了土壤孔隙度，进而抑制了根系生长（Singh等人，2022年）。此外，过量施用生物炭破坏了土壤-微生物-作物平衡，抑制了由土壤酶活性驱动的养分循环，导致生物量和产量下降（Li等人，2024年）。偏最小二乘路径建模（图8A）和标准化效应分析（图8B）显示，灌溉直接影响青贮玉米的产量，而生物炭通过改变土壤物理化学性质间接影响产量。这与其他研究的结果一致（Yadav等人，2018年；Wu等人，2023年）。主要原因是灌溉直接为作物生长提供了必要的水分（Du等人，2018年），支持光合作用和养分运输等正常生理活动（Díaz-González等人，2022年）。生物炭主要改善了土壤物理结构和化学性质，从而为根系发育创造了更有利的环境（Jeffery等人，2011年）。有趣的是，PLS-PM路径分析表明，生物炭引起的土壤物理性质变化对酶活性的影响可以忽略不计，而化学变化是主要驱动因素。其潜在机制涉及生物炭增强SOM的能力，SOM是蔗糖酶和过氧化氢酶的关键底物（Ahmad等人，2023年）。此外，生物炭通过其吸附性能增强了无机氮（NH4+和NO3-）的保留和生物有效性，触发了微生物代谢反应，导致脲酶分泌增加，以满足氮转化的需求（Gao等人，2024年）。尽管生物炭通过改善土壤物理化学性质提高了产量，但我们的研究表明，在全灌溉条件下，生物炭对产量增加的效果不如亏缺灌溉条件下显著（图7）。这可能是因为在充足的水分条件下，土壤原有的养分（如氮和磷）已经满足了作物的生长需求，减少了生物炭在养分吸收增强方面的作用（Faloye等人，2019年）。此外，高水分环境可能降低了生物炭对关键酶（如脲酶和蔗糖酶）的激活效果，从而削弱了其促进养分循环的能力（Ming等人，2016年）。本研究结果表明，在中国西北部，适度亏缺灌溉结合生物炭应用可以显著提高青贮玉米的产量，改善农田土壤环境，并在实现可持续农业和畜牧业发展中发挥关键作用。

5. 结论
生物炭的添加有效提高了亏缺灌溉条件下的土壤肥力，特别是在生物炭施用量为15吨/公顷时，显著降低了土壤容重和压实程度，从而促进了作物生长。结果表明，生物炭的应用改善了土壤容重和压实程度，增强了土壤肥力，进而提高了青贮玉米的产量。特别是，生物炭的应用显著增加了土壤中的硝酸盐、铵和有机质含量，这些都是土壤健康和肥力的关键指标。此外，在亏缺灌溉条件下，适当的生物炭应用有效减少了土壤中氮的积累，并促进了土壤有机质的增加。此外，生物炭的应用增加了土壤酶活性，从而通过增强微生物活动和养分循环改善了根际土壤条件，最终有利于作物生长。增强的土壤酶活性，包括脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶，促进了土壤养分的可用性，提高了青贮玉米的地上生物量和产量。总之，亏缺灌溉与最佳生物炭施用量15吨/公顷的结合应用可以显著提高青贮玉米的生物量和产量。这种方法不仅改善了土壤的物理、化学和生物特性，还为提高干旱和半干旱地区的土壤肥力和促进作物产量提供了一种可持续的策略。本研究的结果为优化农业系统中的灌溉和生物炭管理策略提供了宝贵的见解，尤其是在水资源有限的地区。

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张睿：撰写、审稿与编辑、资金获取。
李彦军：正式分析。
张宏娟：撰写、原始稿撰写、数据管理。
高彦婷：数据管理。
张振荣：方法论、数据管理。
马家丽：数据管理。
董波：方法论。