秸秆炭覆盖垄沟集雨种植对土壤结构和紫花苜蓿产量的影响

秸秆炭覆盖垄沟集雨种植对土壤结构和紫花苜蓿
产量的影响
周旭姣，张晓娟，吕陇，徐彦花，柳小妮，王琦*
（甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，甘肃省草业工程实验室，中⁃美草地畜牧业
可持续发展研究中心，甘肃兰州 730070）
摘要：【目的】探寻我国半干旱黄土高原区紫花苜蓿可持续生产的适宜有机覆盖垄沟集雨种植模式。

【方法】采用随机区组设计布置大田试验，以平作（FP）为对照，研究秸秆炭覆盖垄沟集雨连续种植第5年不同秸秆炭覆盖量（0、30和60 t/hm2）和不同垄沟比（垄宽∶沟宽分别为30∶60、45∶60和60∶60（cm∶cm））对种植沟和集雨垄表层土壤结构和紫花苜蓿产量的影响。

【结果】秸秆炭覆盖垄沟集雨种植显著降低沟和垄中表层土壤容重，显著提高同土层土壤孔隙度和改善土壤团聚体稳定性。

随垄沟比增加，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植对土壤结构影响不显著；随秸秆炭覆盖量增加，土壤容重和广义土壤结构系数（TSPI）呈减小趋势，土壤孔隙度呈增加趋势，>0.25 mm水稳性团聚体含量（WR0.25）和紫花苜蓿产量呈先增加后降低趋势。

与FP相比，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植紫花苜蓿全生育期实际干草产量提高3.6%~24.0%。

与0和60 t/hm2秸秆炭覆盖量相比，30 t/hm2秸秆炭覆盖垄沟集雨种植具有较低土壤容重、较高土壤孔隙度和较好土壤团聚体稳定性，其土壤三相结构分布接近理想状态，促使紫花苜蓿产量提升。

【结论】当秸秆炭覆盖量为30 t/hm2和垄沟比为30∶60时，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植紫花苜蓿产量提升效果最佳。

未来生物炭应用长期时间尺度内土壤结构变化规律与紫花苜蓿根系构型间关系需进一步研究。

关键词：紫花苜蓿；垄沟集雨；水稳性团聚体；容重；孔隙度；三相比
中图分类号：S541 文献标志码：A 文章编号：1009-5500（2023）06-0081-13
DOI：10.13817/ki.cyycp.2023.06.012
我国干旱和半干旱黄土高原地区水资源匮缺严重、生态失衡问题突出，对气候变异和人类活动具有高度敏感性。

据统计，该地区占地面积6.24×105 km2，约68%的区域遭受土壤侵蚀，是世界上土壤侵蚀问题最严重的地区［1］。

在我国干旱和半干旱黄土高原地区，高强度降水（占全年总降水量的60%~ 70%，主要发生在7-9月）作为主要诱导因子，显著影响径流、土壤侵蚀的发生和强度［2］，同时，由于地表土壤结皮成型，高强度和连续性降水诱使径流提早产生和径流峰值较高［3］。

蒸散作为大气系统和陆地表面水文循环过程中的重要组分，易受植被动态影响。

已有研究表明，虽然人为植被恢复有助于生态恢复和当地生态系统提升，但是大规模连续再种植将引发生态水文问题（包括土壤干燥化和植被衰退等），有限水资源过度消耗和蒸散增加加重生态环境破碎地区敏感性，严重滞碍土地利用可持续性和土壤-植物-大气连续体（SPAC）系统水循环［4］。

基于当地水资源枯竭和高昂灌溉成本限制，保护性耕作以其保持土壤水分、防治土壤退化、提高土壤养分利用率和控制杂草生长等较好水土保持效益成为保证我国干旱和半干旱黄土高原地区生态安全、经济效益提升和农业可持续发展的有效途径［5］。

收稿日期：2022-07-22；修回日期：2022-11-12
基金项目：国家自然科学基金项目（42061050，41661059）作者简介：周旭姣（1995-），女，甘肃通渭人，博士研究生。

E-mail：1208658417@
*通信作者。

E-mail：wangqigsau@
垄沟集雨覆盖种植技术是我国干旱和半干旱黄土高原雨养农业区一项重要保护性耕作技术。

在垄沟集雨覆盖种植技术中，垄通常多年保持同样的田间位置，仅在翌年春季到来前，被再次修缮。

与平地相比，长久式平行排列垄沟微地形为幼苗萌发和作物生长提供较好的水热环境，该技术能有效收集表面径流，最大化利用轻微降水、减小无效蒸发、提高水分利用效率和作物生产力，同时，覆盖材料降低土壤容重，对作物根系生长产生额外的积极影响。

目前，垄沟集雨覆盖种植技术已被广泛应用于谷物、豆类、蔬菜和牧草种植［6-7］。

Wang等［8］研究表明，与平作相比，5°和10°坡地垄沟集雨覆盖种植紫花苜蓿产量分别提高40.1%~45.6%和16.0%~17.5%，水分利用效率分别提高3.66~5.99和1.35~2.50 kg/（hm2·mm）。

然而，有研究表明，多年生高耗水牧草紫花苜蓿（Medi⁃cago sativa）连续种植，易造成土壤表面特征和水资源动态变化，限制土壤表层和地下水间的水分交换，威胁土壤水分年际间平衡［9］。

如何通过耕作模式改善土壤物理性质，提高作物生产力和土壤水分有效利用率，成为当前我国干旱和半干旱黄土高原雨养农业区紫花苜蓿可持续性生产的一个重要问题。

垄沟集雨覆盖种植系统中，覆盖的主要目的包括保持水分、控制温度、防治板结、减少径流侵蚀、改良土壤结构和抑制杂草等。

其中，有机覆盖原料来源于有机材料或农业植物残体，被证实有益于土壤健康，在生产方面，有机覆盖减少蒸发，增加降水入渗，同时，为植物提供矿质元素和增加土壤肥力；在生态方面，有机覆盖控制土壤侵蚀，减少土壤养分淋滤，改善土壤结构和土壤水-气条件，增加土壤微生态系统生物多样性［10］。

有机覆盖保护性耕作主要用于疏松土壤、投入植物残余物（或其他土壤修复剂）、修缮土壤微气候和保持水土等方面。

生物炭作为有机覆盖的一种类型，具有不规则孔隙结构、高比表面积和粗糙表面，富含碳和含氧功能组。

前期研究者证实生物炭可改善土壤团聚体结构和相关土壤结构稳定性，稳固土壤三相比例，提高作物产量和维持高产稳产。

魏永霞等［11］在东北黑土区的研究表明，生物炭降低土壤容重，增加土壤孔隙度，且随生物炭施加量增加，黑土土壤固相体积分数减少，气相体积分数增加。

吴昱等［12］
研究发现，生物炭有效改善黑土区土壤结构，提高土壤饱和含水率、田间持水量和土壤储水能力，与对照相比，生物炭处理土壤孔隙度、土壤田间持水量和有效水最大含量分别提高12.90%、10.48%和10.36%。

目前，多数生物炭对土壤结构影响的研究以室内模拟或短期观测形式为主，由于自身结构稳定特性，生物炭对土壤结构特征的影响长期存在，生物炭结合多年垄沟集雨覆盖种植技术对土壤结构和作物生产力的影响尚需明晰。

本研究以秸秆炭覆盖垄沟集雨连续种植5 a的紫花苜蓿作为研究对象，研究秸秆炭覆盖垄沟集雨种植对土壤容重、孔隙度、团聚体稳定性、三相比例和紫花苜蓿干草产量等的影响，科学假设图如图1所示，以期为生物炭在垄沟集雨覆盖种植技术中的推广应用提供理论支撑。

1　材料和方法
1.1　试验区概况
试验于2021年4-10月在中国气象局兰州干旱气象研究所定西干旱气象与生态环境试验基地进行，该试验基地位于甘肃省定西市西川农业科技园区（E 35°33'22.92''，N 104° 35' 37.77''），海拔1 896.7 m，气候类型属半干旱大陆性季风气候，干燥少雨，冬冷夏热，大陆性强。

根据气象观测资料，该区多年（1971-2020年）平均降水量为392 mm，集中于5-9月（占79.19%的年均降水量），年均气温8.0 ℃，无霜期约140 d。

试验区土质为黄绵土，土壤凋萎系数为6.70% （w/w），田间持水量为25.60%（w/w），平均土壤容重为1.38 g/cm3。

玉米（Zea mays）、春小麦（Triticum aestivum）和马铃薯（Solanum tuberosum）等为当地主要粮食作物，红豆草（Onobrychisviciaefolia）和紫花苜蓿等为当地主要饲料作物。

1.2　试验设计
试验采用随机区组设计，共设10个处理（3个沟垄宽比× 3个秸秆炭覆盖量 + 1平作），重复3次。

3个垄沟比分别为30（窄垄Narrow ridge，NR）∶60、45（中等宽垄Medium wide ridge，MR）∶60和60（宽垄Wide ridge，WR）∶60（cm∶cm）。

3个秸秆炭覆盖量分别为0 （土垄Ridges with manually compacted soil，B0）、30（单倍秸秆炭垄Ridges with single maize straw biochar application，B30）和60 （双倍秸秆炭垄Ridges
with double maize straw biochar application，B60）t/hm2。

NRB0（NRB30或NRB60）、MRB0 （MRB30或MRB60）和WRB0 （WRB30或WRB60）垄宽分别为30、45和60 cm，秸秆炭覆盖量均为0 t/hm2 （30或60 t/hm2）。

修筑土垄时，采用原地土壤（适宜含水量为14%~21% （w/w））起垄和整形，经农具拍击和雨滴压实作用，集雨垄表面土壤形成土壤结皮。

修筑（单倍或双倍）秸秆炭垄时，同样采用原地土壤进行起垄和整形，随后将秸秆炭-土壤混合物（秸秆炭与原地土壤按1：1均匀混合）铺洒于集雨垄表面，经农具拍击和雨滴压实作用，集雨垄表面秸秆炭-土壤混合物形成（单倍或双倍）秸秆炭-土壤结皮。

秸秆炭由浙江省秸秆炭工程技术研究中心提供。

1.3　种植管理
本试验供试作物为甘农3号紫花苜蓿。

在2017年试验初期（紫花苜蓿播种前），完成整地、划分小区、起垄、整形和覆炭等工作，根据当地常规起垄栽培方法，集雨垄截面形状呈半球形，长10 m，高20 cm，边坡坡度约为34°~45°，采用条播方式播种紫花苜蓿，播种密度为22.5 kg/hm2，紫花苜蓿行距15 cm。

垄沟集雨覆盖种植小区中，每个小区共含3条沟和4条垄，每条沟中种植4行紫花苜蓿，每个小区共计种植12行紫花苜蓿，种植面积均为18 m2（3条沟×单条沟面积（长10 m×宽0.6 m=6 m2））。

对照（传统平作）小区中，每个小区共计种植24行紫花苜蓿，种植面积为36 m2 （长10 m×宽3.6 m）。

在翌年紫花苜蓿返青前10 d，修缮土垄和（单倍和双倍）秸秆炭垄。

在第5年紫花苜蓿全生育期，无灌溉、施肥和病虫害药物防治等措施，杂草采用人工刈割或拔除方法去除。

1.4　样品采集和测定
1.4.1　土壤容重、孔隙度和三相比　采用环刀法测定土壤容重。

为消除前期降水量对土壤容重的影响，确保采样前5 d内无降水。

在各小区沟中和垄中，挖
表1　秸秆炭物理特性
Table 1　Physical properties of maize strawbiochar
比表面积/（m2 ·g-1）
58.4比重
1.68
容重/
（g·cm-3）
0.17
总孔隙
度/%
89.9
粒径分布/%
1≤mm
0.4
0.5~<1 mm
9.6
0.25~<
0.5 mm
29.9
0.074~<
0.25 mm
49.3
0~<0.074
mm
10.
8图1　秸秆炭覆盖垄沟集雨种植紫花苜蓿科学假设图
Fig.1　Hypothesized alternations of alfalfa production in ridge-furrow rainwater harvesting system with maize
straw biochar application
0~40 cm深土壤剖面，采用环刀（容积100 cm3）采集0~20和20~40 cm土层土样，重复3次，同时，采集同层土壤约20 g，烘干（105 ℃）后称重，计算各层土壤质量含水量并换算环刀中烘干土质量，最后计算土壤容重。

土壤孔隙度根据土壤容重和土壤比重计算获得。

土壤容重（ρb，g/cm3）和土壤孔隙度（P t，%）根据以下公式计算［13］：
ρb=m
(1+w)V
×100%
P t=(1-ρbρ
s
)×100%
式中：m为湿土重（g）；w为土壤质量含水量（%）；V为环刀容积（cm3）；ρs为土壤比重（g/cm3）。

土壤三相容积根据以下公式计算［14］：
P s%=1-P t%P l%=w%×ρb
P g%=P t%-P l%
式中：P s为土壤固相容积（%）；P l为土壤液相容积（%）；P g为土壤气相容积（%）。

采用广义土壤结构指数（Three soil phase index，TSPI）量化土壤结构特征［15］。

TSPI=[(P s-25)P l P g]0.4769
式中：TSPI为广义土壤结构指数，取值范围为0~100，当TSPI值越接近100时，表示土壤三相比比率越接近理想状态。

旱地耕作中，土壤三相比比率理想状态为固相∶液相∶气相=50%∶25%∶25%。

1.4.2　水稳性团聚体　土壤团聚体取样位置包括沟中和垄中，采样深度分别为0~20和20~40 cm，重复3次。

根据干筛法确定的各粒级机械稳定性团聚体含量配比，将风干土样混合成50 g土样，置于根据筛孔孔径从大到小（筛孔孔径从大到小依次为5、2、1、0.5、0.25 mm）依次放置的套筛顶部，浸泡、湿润土样5 min，竖直振荡10 min（采用TTF⁃100 型土壤团聚体分析仪，振幅为3 cm，振荡频率为25~30次/min），筛动完成后，将各粒级孔径筛子中团聚体冲洗至100 mL烧杯，60 ℃烘干至恒重（约48 h）后，称取各粒级孔径筛子中的水稳性团聚体质量，并计算各粒级水稳性团聚体含量。

为较好地分析生物炭对土壤团聚结构的影响，本研究采用土壤团聚体稳定性指数>0.25 mm水稳性
团聚体（>0.25 mm soil water-stable aggregate）（WR0.25，mm）进行评价，计算公式如下［16］：WR0.25=(1-M X<0.25M T
)
式中，M X <0.25为直径<0.25 mm的团聚体质量（g）；M T为团聚体总质量（g）；WR0.25为直径>0.25 mm水稳性团聚体占比（%）。

1.4.3　紫花苜蓿干草产量　在紫花苜蓿初花期（2021年6月14日和7月12日）和生长停止期（2021年10月12日），手工刈割紫花苜蓿，留茬高约4~ 5 cm，采用风干方法测定紫花苜蓿干草产量。

采用净干草产量（NFY）和实际干草产量（AFY）共同评价秸秆炭覆盖垄沟集雨种植紫花苜蓿生产力，其中，净干草产量反映紫花苜蓿单株生长状况，根据小区干草产量除以小区沟面积获得；实际干草产量反映土地生产力，根据小区干草产量除以小区总占地面积（垄面积+沟面积）获得。

1.5　数据处理
数据采用Microsoft Excel 2016和IBM SPSS 21.0软件进行方差分析，方差分析多重比较用Tukey s⁃b （K）法（P<0.05）。

2　结果与分析
2.1　秸秆炭覆盖垄沟集雨种植对土壤容重的影响
秸秆炭覆盖垄沟集雨种植显著（P<0.05）降低集雨垄和种植沟表层（0~40 cm）土壤容重（图2）。

随土层深度增加，土壤容重呈增加趋势。

与平作相比，种植沟中，NRB0、MRB0、WRB0、NRB30、MRB30、WRB30、NRB60、MRB60和WRB60土壤容重分别减小3.3%、4.9%、2.7%、5.5%、1.1%、6.4%、5.1%、5.4%和11.9%，当秸秆炭量分别为0、30和60 t/hm2时，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植平均土壤容重分别减小3.7%、4.3%和7.5%；集雨垄上，NRB0、MRB0、WRB0、NRB30、MRB30、WRB30、NRB60、MRB60和WRB60土壤容重分别减小6.2%、9.1%、12.5%、16.8%、10.7%、12.2%、12.2%、16.9%和23.0%，当秸秆炭量分别为0、30和60 t/hm2时，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植平均土壤容重分别减小9.3%、13.3%和17.4%。

随着垄宽度增加，种植沟和集雨垄表层土壤容重无明显变化规律；垄覆同1秸秆炭量时，不
同垄宽处理的土壤容重差异不显著。

随着秸秆炭量增加，种植沟和集雨垄表层土壤容重减小。

就同一秸秆炭量覆盖垄沟集雨种植不同垄宽处理土壤容重平均值而言，平作（FP）的土壤容重显著高于B60（NRB60、MRB60和WRB60的平均值），B30（NRB30、MRB30和WRB30的平均值）与B0（NRB0、MRB0和WRB0的平均值）之间和B30与B60之间差异不显著。

2.2　秸秆炭覆盖垄沟集雨种植对土壤孔隙度的影响
秸秆炭覆盖垄沟集雨种植显著（P<0.05）显著提高土壤总孔隙度（图3）。

随土层深度增加，土壤总孔隙度呈减少趋势。

与平作相比，种植沟中，NRB0、MRB0、WRB0、NRB30、MRB30、WRB30、NRB60、MRB60和WRB60总孔隙度分别提高6.7%、8.7%、12.2%、7.1%、15.5%、17.7%、16.3%、17.3%和26.4%；当秸秆炭量分别为0、30和60 t/hm2时，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植平均总孔隙度分别提高9.2%、13.4%和20.0%；集雨垄上，NRB0、MRB0、WRB0、NRB30、MRB30、WRB30、NRB60、MRB60和WRB60土壤总孔隙度分别提高5.6%、9.9%、17.4%、16.0%、14.6%、13.3%、22.8%、24.0%和26.5%；当秸秆炭量分别为0、30和60 t/hm2时，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植平均土壤总孔隙度分别提高10.9%、14.6%和24.4%。

随着垄宽度增加，种植沟和集雨垄表层土壤总孔隙度无明显变化规律；垄覆同一秸秆炭量时，不同垄宽处理的土壤总孔隙度差异不显著。

随着秸秆炭量增加，种植沟和集雨垄表层土壤总孔隙度增加。

就同一秸秆炭量覆盖垄沟集雨种植不同垄宽处理土壤总孔隙度平均值而言，平作（FP）的土壤平均总孔隙度显著低于B60，B30与B0之间和B30与B60之间差异不显著。

2.3　秸秆炭覆盖垄沟集雨种植对土壤三相比的影响
随土层深度增加，种植沟和集雨垄表层土壤固相比率增加，气相比率降低，而液相比率无明显变化
规
图2　各处理沟中和垄中土壤容重
Fig.2　Soil bulk densityin furrows and ridges in various treatments.
注：FP平作（对照）；NR 窄垄（30 cm）；MR 中等宽垄（45 cm）；WR 宽垄（60 cm）；B0、B30和B60表示秸秆炭覆盖量分别为0、30和60 t/hm2
律（图4）。

与平作相比，种植沟中，NRB0、MRB0、WRB0、NRB30、MRB30、WRB30、NRB60、MRB60和WRB60表层土壤固相比率分别减小4.9%、6.4%、9.0%、5.2%、11.5%、13.1%、12.0%、12.8%和19.5%，气相比率分别提高2.0%、5.9%、9.1%、8.7%、17.0%、21.8%、20.2%、20.8%和42.6%，当秸秆炭量分别为0、30和60 t/hm 2时，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植表层土壤固相比率分别减小6.8%、9.9%和14.8%，气相比率分别提高5.7%、15.9%和27.9%；集雨垄上，各处理土壤固相比率分别减小9.0%、12.4%、18.3%、17.2%、16.1%、15.1%、22.5%、23.5%和25.4%，气相比率分别提高6.4%、13.5%、35.2%、36.6%、18.2%、17.8%、28.9%、36.8%和48.6%；当秸秆炭量分别为0、30和60 t/hm 2时，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植土壤固相比率分别减小13.2%、16.1%和23.8%，气相比率分别提高18.4%、24.2%和38.1%。

垄覆同一秸秆炭量时，不同垄宽处理土壤三相比率间差异不显著。

就同一秸秆炭量覆盖垄沟集雨种植不同垄宽处理平均值而言，B60的平均土壤气相比率显著高于FP 和B0，而B30和B60之间差异不显著；FP 的平均土壤固相比率显著高于B60，而
B30与B0之间和B30与B60之间差异不显著。

与平作相比，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植系统集雨垄表层土壤三相比比率更接近理想点（固相∶液相∶气相=50∶25∶25）。

与平作相比，种植沟中，NRB0、MRB0、WRB0、NRB30、MRB30、NRB60和MRB60土壤TSPI 分别提高4.4%、2.3%、3.8%、0.9%、1.9%、0.8%和1.0%，WRB30和WRB60分别减少0.2%和9.5%，当秸秆炭量分别为0和30 t/hm 2时，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植平均土壤TSPI 分别提高3.5%和0.9%，当秸秆炭量为60 t/hm 2时，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植平均土壤TSPI 减小2.6%；集雨垄上，NRB0、MRB0、MRB30、WRB30和NRB60土壤TSPI 分别提高 5.8%、3.3%、4.1%、3.9%和 1.1%，WRB0、NRB30、MRB60和WRB60土壤TSPI 分别减少3.9%、7.8%、2.8%和9.0%，当秸秆炭量分别为0和30 t/hm 2时，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植土壤TSPI 分别提高1.8%和0.1%，当秸秆炭量为60 t/hm 2时，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植土壤TSPI 减小3.6%。

随着垄宽度增加，种植沟和集雨垄表层土壤TSPI 无明显变化规律，垄覆同一秸秆炭量时，不同垄宽TSPI 间差异不显著。

随着秸秆炭量增加，
种植沟和集雨垄表层土
图3　各处理沟中和垄中土壤总孔隙度
Fig.3　Soil total porosityin furrows and ridges in various treatments
壤TSPI 减小。

就同一秸秆炭量覆盖垄沟集雨种植不同垄宽处理平均值而言，B0的平均TSPI 显著高于B60，而FP 、B0和B30之间和FP 、B30和B60之间差异不显著。

2.4　秸秆炭覆盖垄沟集雨种植对土壤水稳性团聚体的影响
秸秆炭覆盖垄沟集雨种植显著提高集雨垄和种植沟表层土壤>0.25 mm 水稳性团聚体WR 0.25。

与平作相比，种植沟中，NRB30、MRB30、WRB30、NRB60、MRB60和WRB60表层土壤WR 0.25分别提高81.5%、
93.5%、128.0%、97.2%、95.9%和87.9%，当秸秆炭量为30和60 t/hm 2时，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植平均土壤WR 0.25分别提高101%和93.6%，集雨垄上，NRB30、MRB30、WRB30、NRB60、MRB60和WRB60表层土壤WR 0.25分别提高65.5%、85.1%、115.6%、82.6%、90.5%和82.7%，当秸秆炭量分别为30和60 t/hm 2时，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植平均土壤WR 0.25分别提高88.7%和85.3%。

随着垄宽度增加种植沟和集雨垄表层土壤WR 0.25无明显变化规律，
垄覆同一秸
图4　各处理沟中和垄中土壤三相比
Fig.4　Three phase ratio of soil infurrows and ridgesin various treatments
秆炭量时，不同垄宽处理土壤WR0.25间差异不显著。

随着秸秆炭量增加种植沟和集雨垄表层土壤WR0.25增加。

就同一秸秆炭量覆盖垄沟集雨种植不同垄宽处理平均值而言，B30和B60的平均WR0.25显著高于FP 和B0，而FP与B0之间和B30与B60之间差异不显著。

2.5　秸秆炭覆盖垄沟集雨种植对紫花苜蓿产量的影响
与平作相比，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植显著提高紫花苜蓿第1茬、第2茬、第3茬和全生育期净干草产量和实际干草产量（表3）。

各处理第1茬、第2茬和第3茬紫花苜蓿干草产量贡献率（紫花苜蓿单茬净干草产量（或实际干草产量）占全生育期净干草产量（或实际干草产量）的比率）分别为59.6%~64.8%、24.9%~30.7%和9.3%~11.6%。

与FP相比，NRB0、MRB0、WRB0、NRB30、MRB30、WRB30、NRB60、MRB60和WRB60第1茬紫花苜蓿实际干草产量分别提高4.5%、18.2%、7.8%、20.0%、21.2%、9.7%、22.7%、9.1%和16.9%；第2茬紫花苜蓿实际干草产量分别提高2.0%、0.0%、11.4%、26.0%、25.0%、24.3%、20.0%、10.0%和15.7%，第3茬紫花苜蓿实际干草产量分别提高2.0%、15.3%、0.1%、43.1%、26.6%、9.4%、42.8%、20.9%和12.4%，全生育期紫花苜蓿实际干草产量分别提高3.6%、12.8%、8.0%、24.0%、22.8%、13.8%、24.0%、10.5%和16.1%。

在相同秸秆炭量下，随垄沟比增加，紫花苜蓿第1茬、第2茬、第3茬和全生育期净干草产量增加，实际干草产量变化不明显。

随秸秆炭量增加，紫花苜蓿第1茬、第2茬、第3茬和全生育期净干草产量和实际干草产量先增加后降低。

与平作相比，B0、B30和B60第1茬紫花苜蓿实际干草产量分别提高10.2%、17.0%和16.2%；第2茬紫花苜蓿实际干草产量分别提高4.5%、25.1%和15.2%；第3茬紫花苜蓿实际干草产量分别提高5.8%、26.4%和25.4%；全生育期紫花苜蓿实际干草产量分别提高8.1%、20.2%和16.9%。

B0、B30和B60第1茬、第2茬、第3茬和全生育期净干草产量显著高于平作；B30和B60第1茬、第2茬、第3茬和全生育期实际干草产量显著高于平作，而B0与平作间差异不显著。

3　讨论
在我国半干旱黄土高原地区，富含有机质土壤具有低容重和高孔隙度特征，有助于土壤水分和土壤空气传输，支持作物生长［17］。

生物炭作为一种新型环境功能型土壤改良剂，具有缓解农业生产土壤板结的潜能，在提高土壤特性方面具有良好的应用前景。

前期
表2　各处理土壤广义结构系数（TSPI）
Table 2　Three soil phase index（TSPI） in various treatment
处理FP NRB0 MRB0 WRB0 NRB30 MRB30 WRB30 NRB60 MRB60 WRB60 FP B0 B30 B60
沟
0~20 cm
90.0bc
95.0a
90.5abc
94.0ab
91.0abc
92.1abc
88.5c
91.8abc
89.8bc
80.2d
平均值
90.0ab
93.2a
90.6ab
87.3b
20~40 cm
87.9d
90.8ab
91.6a
90.7ab
88.6cd
89.2bcd
89.0cd
87.5d
89.9bc
80.8e
87.9ab
91.1a
88.9ab
86.1b
平均值
89.3b
93.2a
92.7a
93.0a
90.0b
91.1ab
89.7b
89.9b
90.1b
81.6c
89.3ab
93.0a
90.3ab
87.2b
垄
0~20 cm
90.0ab
94.5a
88.3ab
83.5bc
73.9d
91.2ab
92.0ab
86.0abc
79.7cd
74.9d
90.0a
88.8b
85.7b
80.2c
20~40 cm
87.9bcd
93.8a
95.6a
87.5cd
90.1abcd
94.0a
92.9abc
93.9a
93.3ab
86.9d
87.9a
92.3a
92.4a
91.4a
平均值
89.3bcd
94.2a
93.2ab
85.7de
83.8ef
93.1ab
93.0ab
90.8abc
87.6cde
81.6f
89.3ab
91.0a
90.0ab
86.6b
注：同列数字后标有不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）
表3　紫花苜蓿干草产量
Table 3　Alfalfa forage yield inridge-furrow rainwater harvesting
kg ·hm -2
处理FP NRB0MRB0WRB0NRB30MRB30WRB30NRB60MRB60WRB60
FP B0B30B60
第1茬NFY 6 111g 10 648f 144 44b cd 15 370abc 12 222ef 14 815abc 15 648ab 12 500def 13 333cde 16 667a
平均值
6 111b 13 488a 14 228a 14 167a
AFY 6111b 6 389ab 7 222ab 6 587ab 7 333a 7 407a 6 706ab 7 500a 6 667ab 7 143ab
6 111b 6 733ab
7 149a 7 103a
第2茬
NFY 2 778f 4 722e 5 556d 7 222bc 5 833d 6 944c 8 056a 5 556d 6 111d 7 500b
2 778b 5 833a 6 944a 6 389a
AFY 2 778c 2 833c 2 778c 3 095bc 3 500a 3 472a 3 452a 3 333ab 056bc 3 214ab
2 778c 2 902c
3 475a 3 201b
第3茬
NFY 995c 1 692b 2 293a 2 323a 2 372a 2 518a 2 540a 2 367a 2 406a 2 609a
995b 2 103a 2 477a 2 461a
AFY 995b 1 015b 1 147ab 996b 1 423a 259ab 1 089ab 1 420a 1 203ab 1 118ab
995b 1 052ab 1 257a 1 247a
全生育期
NFY 9 884e 17 062d 22 293bc 24 916a 20 428c 24 278ab 26 244a 20 423c 21 850bc 26 776a
9 884b 21 424a 23 650a 23 016a
AFY 884d 10 237cd 11 147abcd 10 678bcd 12 257a 12 139ab 11 247abcd 12 254a 10 925abcd 11 475abc
9 884c 10 687bc 11 881a 11 551ab
注：NFY 净干草产量；AFY 实际干草产量；FP 平作（对照）；NR 窄垄（30 cm ）；MR 中等宽垄（45 cm ）；WR 宽垄（60 cm ）；B0、B30和B60表示秸秆炭覆盖量分别为0、30和60 t/hm 2。

同列数字后标有不同字母表示处理间差异显著（P <0.05
）
图5　各处理沟中和垄中土壤>0.25 mm 水稳性团聚体占比
Fig.5　Percentage of >0.25 mm water-stable aggregates （WR 0.25） in furrows and ridges in various treatments
研究表明，生物炭显著降低土壤容重和提高土壤孔隙度［18］。

本研究发现类似结果，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植显著降低沟中和垄中0~40 cm土层土壤容重和提高同层土壤总孔隙度，与对照相比，垄沟集雨覆盖种植沟和集雨垄表层土壤容重分别降低1.1%~11.9%和6.2%~23.0%，土壤总孔隙度分别提高6.7%~ 26.4%和5.6%~26.5%。

Liang等［19］研究表明，生物炭有机质含量较高，能冲淡土壤矿物组成成分，减少土壤容重，同时，生物炭作为一种多孔低密度材料，占据并稀释土壤体积，当生物炭随降水或径流入渗到土壤中时，土壤微孔隙被生物炭颗粒迅速堵塞，总体积减少。

本研究中，随生物炭覆盖量增加，各处理沟中和垄中土壤容重减小，土壤孔隙度增大。

魏永霞等［20］研究施加生物炭对黑土区坡耕地土壤物理性质的影响，结果表明，与对照（无施加）相比，黑土土壤容重降低（最高降低率为7.21%），孔隙度增加（最高提升率为6.4%），且随施加量（0~100 t/hm2）增加，生物炭对土壤容重和孔隙度影响越显著。

生物炭具有纳-微米尺度多孔体系特征，生物炭与土壤作用能改变土壤结构形成和稳定，一方面，生物炭剥落或分散土壤团聚体，造成土壤团聚体间大孔隙增加；另一方面，生物炭引进介于自身颗粒与土壤基质间的适应性孔隙，导致土壤中总孔隙体积增加，土壤容重降低。

土壤是由固体颗粒、液体和空气三相组成的多孔异质性系统。

Zhang等［14］研究表明，土壤三相受灌溉、排水、施肥和耕作方法影响，合理的灌溉系统、适宜的施肥和耕作方式能优化土壤三相组成和提高土壤物理性质。

生物炭多孔体系保持大量可利用水分，以供作物吸收利用和缓解缺水压力，同时，生物炭降低土壤容重，增加土壤孔隙度，降低土壤板结率，生物炭引起土壤结构组成改变，被认为是影响农田土壤物理特性的主要驱动力［21］。

本研究中，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植降低土壤固相比率，同时，土垄提高土壤液相比率，单倍秸秆炭垄和双倍秸秆炭垄提高气相比率，与平作相比，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植提高沟中和垄中表层土壤结构指数TSPI。

土壤三相是一个相互联系、相互制约和不可分割的有机整体，其物质含量决定土壤结构性质。

土壤结构显著影响土壤中水和溶质的传输、土壤-大气间气体交换和根系生长发育，是土壤肥力的基础和作物生产的关键因素。

对于较多作物而言，最适宜的条件是土壤孔隙空间中水分体积等于气体体积，均占土壤总体积的25%。

本研究表明，随秸秆炭覆盖量增加，沟中和垄中土壤结构指数TSPI减小。

尽管秸秆炭覆盖垄沟集雨种植土壤总孔隙度和土壤结构增强，但是该积极影响不完全与生物炭覆盖量成正比。

Fu等［22］得到类似结果，其研究表明，随秸秆炭量（3、6、9和12 kg/m2）增加，土壤TSPI 先增加后减小，当秸秆炭施加量为6 kg/m2时，结冻早期和消融中期阶段土壤TSPI值分别较对照（无生物炭）显著提高6.15%和5.6%。

在本研究区，水资源匮缺，土壤液相比率远低于25%，径流作为垄沟集雨种植系统中额外补给水资源，明显提高沟中土壤液相比率，吴昱等［23］研究表明，与对照（0 t/hm2）相比，施加25、50和75 t/hm2生物炭处理单次降雨（22 mm）径流量分别减少4.71%、6.55%和10.15%。

径流量随生物炭施加量增加逐渐减少，同时，由于土壤气相和液相间相互制约作用，秸秆炭提高沟中和垄中土壤气相比率（高于25%），导致液相比率降低和土壤气-液-固三相间不平衡，造成土壤TSPI值减小。

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，其数量分布特征、结构组成和稳定性是指示土壤结构的重要指标。

已有研究表明，成土母质、耕作制度、种植方式和土壤肥力特征等影响土壤团聚体数量变化［24-25］。

本研究中，秸秆炭增强沟和垄中表层土壤水稳性团聚体的稳定性，与平作相比，秸秆炭覆盖垄沟集雨种植显著增加>0.25 mm大粒径水稳性团聚体含量。

黄欠如等［26］研究指出，生物炭对团聚体稳定性的积极影响与土壤有机质密切相关，土壤有机质含量越高，土壤颗粒凝聚和胶结作用越强，土壤稳定性越好。

土壤微生物在重整土壤颗粒、绑定颗粒和结合粒子形成大团聚体中占主导地位，是造成土壤聚集最活跃的生物因素。

Li等［27］研究指出，生物炭促进有益微生物代谢、微生物活性提高和微生物分泌，其中，微生物分泌物促进土壤团聚体胶结物质形成和土壤团聚体稳定性增强。

土壤团聚体稳定性指数WR0.25值越高，团聚体越稳定。

本研究中，随秸秆炭覆盖量增加，表层土壤WR0.25呈先增加后减小趋势。

生物炭对深层土壤团聚体稳定性影响体现在直接和间接影响2个方面，首先，。