1.2 有机物料改良沙化土壤的研究进展

1.2.1沙漠化逆转与水分及土壤有机碳间的关系

土地生产性能与其健康水平密切相关。土壤健康水平或者说土壤质量指的是在自然的或管理的生态系统中，土壤维持动植物生产、保持或提高水资源和空气质量以及支持人类健康和居住的一种特定功能（Doran and Zeiss,2000）。可见，只有健康的土壤才能维持生态系统的健康运行，才能满足人类的生存需要。然而，健康的土壤在自然条件恶化的情况下会向不健康的方向（如沙漠化方向）发展，而不健康的土壤（包括沙化土壤）在一定的条件下也可以向健康的方向发育。但研究表明，只要土壤沙化的状况尚未超过恢复的阈限，在自然条件允许的情况下，在潜在、轻度和中度沙漠化地区，通过约束人类的不合理活动以及采取有效的治理措施，沙化土壤具有自我调控的自组织能力，实现沙漠化逆转是有可能的（崔旺诚，2003；王涛，2007）。“沙漠化逆转”是指具有生态学“弹性（自我调控）”特征的沙漠化地区，由于社会经济条件的改善，人为活动的调节和减弱或者自然条件的改善，促使植被恢复、流沙面积减小、土壤质量改善、土地生产力提高和生态平衡逐渐恢复的过程（陈小红等，2014）。中国北方60%的沙漠化土地由于处在潜在、轻度以及中度沙漠化状态下，属于具有生态学“弹性”特征的沙漠化地区，只要加以人为治理，都有可能在短时间内发生好转和恢复（张玉兰和陈利军，2010）。当然，逆转的周期与所处环境特别是降雨条件是密不可分的，一般在500 mm左右降雨量的地区，沙漠化逆转过程3～5年即可有序化，而在200 mm左右的地区则需要更长的时间（崔旺诚，1990）。如在干旱气候条件下进行人工的正向干预措施下，沙漠化发生逆转过程，初期为新月形沙丘沙垄为主的严重沙漠化土地，随着形成流动性弱的可以积累水分的连片复合沙丘，再逐渐出现植物的定居与演替（崔旺诚，2003）。

综上可以看出，水分条件是决定沙漠化逆转及逆转周期的主要生态因子，因为土壤水分是干旱地区植物生长最主要的限制因素，是生态系统中能量和物质循环的主要载体，是决定生态系统结构和功能的关键因子，也是影响系统生产力的重要生态因子（马全林等，2010），特别是干旱区沙地，水分直接影响到沙地退化生态系统的恢复与重建（Berndtsson and Chen,1994），如果水分循环出现严重的不平衡则会导致大面积沙地植被的退化（董学军等，1994）。虽然发生沙漠化的干旱地区降雨资源稀少，但是如果能够通过人工干预措施提高沙化土壤对雨水的蓄持能力，这无疑将加快沙漠化逆转的进程。然而，沙化土壤最突出的问题是土壤持水能力低、土壤瘠薄（Andry et al.,2009; Karami et al.,2012）。因此，如何提高沙化土壤对有限降雨的蓄持能力，以促进沙漠化逆转是需要解决的一个科学问题。目前，国内利用覆盖措施提高土壤水分的研究已受到广泛关注和应用。但是，土壤持水能力的提高还与土壤质量的提高直接相关，而土壤有机碳已被广泛地认为在土壤物理、化学及生物学过程中具有极其关键的作用，而且认为土壤有机碳是影响土壤质量最主要的决定因素，它会影响到土壤水分、土壤养分和植物的生长等（Zhou et al.,2008; Ghosh et al.,2012; Thangarajan et al.,2013），是土壤生物生产力和生物对环境适应性的决定因素（Post and Kwon,2000）。因此，土壤有机碳通常被认为是反映土地退化的重要指标之一（程淑兰等，2004）。特别是有机碳含量低的沙化土壤，其低持水力不仅会造成水分的迅速损失，同时也带走了可溶性的养分，而增加土壤有机碳则会提高沙化持水力，改善土壤结构（Mulcahy et al.,2013）。在干旱、半干旱地区，提高或维持土地生产力的一个关键过程就是提高土壤有机碳的含量（有机碳含量高时，这种土壤通常被称为黑土），因为这种土壤除了能提高植物生长的养分外，更重要的是能够高效地吸纳和贮存稀少的降雨，这对植物的生长更重要。然而值得注意的是，由于这些区域的草地植被的破坏、长期的过度放牧和土地耕作造成了土壤有机碳、土壤粉粒和粘粒的持续流失，这对保持土壤水分十分不利，即使有条件增加灌溉用水也会造成水资源的大量损失和浪费（Chesworth,2008; Andry et al.,2009）。另外据统计，全球土壤侵蚀和碳损失量达到了42~72 Gt（Lal et al.,2004）。对科尔沁沙质草地的研究也表明，随着草地沙漠化的进程，草地碳、氮含量和储量明显下降（赵哈林等，2007）。陈小红等（2009）对宁夏盐池沙漠化逆转过程的研究也发现，沙漠化逆转过程中土壤养分因子的权重大于粒度因子，而且养分因子中有机碳和速效养分含量对土壤质量的提高较为重要，说明有机碳含量最能反映土壤沙漠化状况。这就说明，沙漠化过程实质上也就是土壤碳库衰减的生物学过程（潘依依等，2011），沙漠化逆转则伴随着土壤有机碳含量的增加，土壤物理、化学特性及生物学特性也得以改善，同时土地生产力的提高（Cheng,2004; Allington et al.,2010; Sousa et al.,2012; Fernández-Gálvez et al.,2012）。如程淑兰等（2004）研究结果显示，在沙漠化重建地区，有机碳含量与土壤粗砂粒显著负相关，与粘粒显著正相关，说明有机碳含量的增加会进一步促进沙化土壤向粘粒化方向发展，改善了土壤的物理结构，李玉强等（2005）的研究也发现了类似的结果。当然，也有学者认为土壤有机碳和全氮的损失主要源于风蚀所引起的土壤粘粉粒的减少（赵哈林等，2007；赵哈林等，2008）。但无论如何，提高土壤有机碳含量是沙漠化逆转的一个重要途径，因为它与土壤水分密切相关，二者互相促进，对改善土壤性质乃至沙地植被恢复具有重要意义。

1.2.2有机物料外源碳输入对沙化土壤改良效果的研究进展

由于国内外利用林木废弃物改良退化土壤的研究并不常见，因此本研究借鉴了与其相关的其他有机物料改良退化土壤的类似研究（如秸秆还田）以探索林木废弃物改良沙化土壤的可能性，并做如下论述。

1.2.2.1有机物料改良对土壤水分保持能力的影响

雨水资源是影响农业生产的主要限制因子，在降雨稀少的干旱半干旱地区水资源显得尤为重要。我国是农业大国，耕地均摊水量只有世界平均数的3/4，目前农业每年缺水量约300亿m3，受旱农田有1.33×107～2.00×107hm2，随着人口和经济社会发展，水资源短缺，成为制约农业和农村经济持续稳定发展、危及我国粮食安全的最重要因素之一（刘文，2007）。据统计，我国由于干旱引起的粮食产量损失量约占总损失量的一半，其主要原因一方面是降水量少，另一方面则是降水以径流、蒸发等形式损失，降水资源的利用率不高（王改玲等，2003）。在降雨稀少的干旱地区，降雨模式由于受大气环流大尺度的影响，人为无法改变，但人为可以通过影响土壤水分状态以改善作物和植物生长所需的水分。土壤蒸发是土壤水分在作物生长早期向大气中损失的一个重要途径（Yunusa et al.,1993），作物总耗水量（即蒸散）的30%～60%是由于土壤蒸发而损失（Cooper et al.,1983）。因此，抑制土壤蒸发的节水技术是为作物保存生长节约必需的水分，提高作物产量的一个重要措施，而且土壤对雨水的蓄积是各种节水技术发挥效果的前提，只有将最多的雨水蓄积到土壤中以后，节水技术才能发挥效果（林超文等，2010）。

（1）覆盖对保持土壤水分能力的影响。土壤表面蒸发是地表水分损失的重要途径，改变土壤表面蒸发条件的最有效的方法之一是进行地表覆盖（崔向新等，2009）。而且地表覆盖技术具有蓄水保墒、培肥地力、减少水土流失、调节微域生态系统环境等生态功能，现已成为世界上许多国家和地区广泛采用的土壤管理调控技术之一（张义等，2010）。因此，利用秸秆还田提高土壤蓄持水分能力一直是学者们的研究热点，而且在作物生长早期秸秆覆盖能够降低太阳辐射和风速，而对土壤中的水分保持效果更好（Amir et al.,1996; Jalota and Prihar,1990），有研究表明秸秆覆盖平均每天能减少0.39 mm 的土壤水分的蒸发损失（Dahiya et al.,2007）; Balwinder等（2011）的研究发现秸秆覆盖在降雨较多和较少的年份可以分别减少35 mm和40 mm的土壤蒸发，且覆盖处理的作物产量有增加趋势。目前，利用作物秸秆（或残茬）和塑料薄膜覆盖是当前用于提高土壤中作物可利用有效水分的最成功的模式之一（Li et al.,2013），其中秸秆覆盖还可以减少地表径流（Bhatt et al.,2006）。但有学者比较了秸秆覆盖和塑料薄膜覆盖对陕西地区土壤水分蒸发的影响，发现覆盖秸秆保存了0～200 cm土壤中106.9 mm的水分，而覆盖塑料薄膜保存了140.6 mm的水分（Li et al.,2013）。孙立涛等（2011）也研究了对照、覆盖秸秆、覆盖地膜和覆盖秸秆+地膜对茶树水分利用效率的影响，发现覆盖秸秆、覆盖秸秆+地膜处理的茶树生长水分利用效率比对照提高43%~48%，产量水分利用效率提高7%~13%。王敏等（2011）在渭北旱塬区对比研究了生物降解膜、塑料地膜、秸秆、液态膜覆盖和裸地对平作种植玉米的土壤水温效应及玉米生长状况，发现秸秆覆盖土壤平均含水量显著高于对照和其他覆盖，可以降低5~25 cm土壤温度3.0℃。林超文等（2010）还发现，秸秆覆盖还能够显著提高雨水的土壤蓄积量，提高降雨有效性；地膜覆盖增加雨水土壤蓄积量的效果不如秸秆覆盖显著，但地膜覆盖在玉米生育前期能提高地温，促进玉米生长，其增产效果较秸秆覆盖好。还有地膜压秸秆双元覆盖、地膜覆盖、秸秆覆盖对土壤水分调控效果的研究，发现双元覆盖能更好地调控果园土壤水分、提高苹果产量（田飞等，2014）。在新疆轻质壤土的试验结果表明，5月份，不同程度的覆膜可使5～25 cm土壤温度增加0.9℃～2.3℃，秸秆覆盖土壤温度比无覆盖情况低3.6℃～6.5℃；秸秆覆盖条件下0～10 cm土壤含水量在试验期间较之裸露提高0.47%～4.55%，效果优于覆膜，但覆盖秸秆在棉花的生长过程中对株高几乎没有提高作用，因为棉花在苗期时土壤温度降低所致（贺欢等，2009）。还有利用生草覆盖（种植白三叶）、地膜覆盖、秸秆覆盖和砂石覆盖研究对土壤水分的影响，发现生草管理模式在土壤表层存在与果树争水现象；地膜覆盖管理模式减少了土面蒸发；秸秆覆盖能够显著降低夏季地温，在冬季低温短日照条件下与对照相比，又能明显增加夜间地温，这有利于缓解极端温度对果树的伤害；砂石覆盖管理模式能够提高果树根层的水分含量，但土壤水分剖面变异程度较大，不利于果树的稳产和果实品质的提高（张义等，2010）。黄金辉等（2009）还发现，秸秆覆盖下土壤水分最高，5月份土壤平均温度也最低，但秸秆覆盖、生草（白三叶）和覆膜的蓄水量与其土壤温度并不都呈负相关，而是由不同覆盖物的保水效果和保温性质共同决定。Sun等（2012）研究结果表明，薄膜覆盖、混泥土覆盖和秸秆覆盖可以分别降低87.6%、80.3%和32.3%的枣园土壤水分蒸发。也有进行不同有机物材料覆盖的研究，如王慧杰等（2009）发现，4种有机物材料覆盖土壤表面对土壤水分蒸发效果依次是阔叶类植物（棉花叶）>条状类植物（小麦秸秆）>茎秆类植物（紫苏秆）>生活废弃物（废纸屑）>对照。还有进行不同秸秆覆盖量对土壤水分影响的研究，如王昕等（2009）在宁夏南部半干旱地区旱作春玉米播前设置了4种不同秸秆覆盖量（0万kg/hm2、0.45万kg/hm2、0.90万kg/hm2、1.35万kg/hm2）处理，两年定点试验表明，0.9万kg/hm2覆盖量处理，在玉米大喇叭口期以前对保持0～40 cm土层的土壤含水量有显著效果，较对照土壤水分含量提高了14.2%；秸秆覆盖量达到1.35万kg/hm2时，土壤含水量不再显著增加。又如不同玉米秸秆覆盖量对渭北旱原春玉米田蓄水保墒及节水效益的影响结果表明：土壤贮水量和玉米产量随覆盖量的增加而明显提高；4500 kg/hm2、9000 kg/hm2和13500 kg/hm2的覆盖量与对照相比，同等产量节水率分别提高5.14%、8.35%和7.44%（蔡太义等，2011）。张俊鹏等（2009）还发现，夏玉米生育期内，10500 kg/hm2、7500 kg/hm2、4500 kg/hm2、1500 kg/hm24种覆盖量处理棵间土壤蒸发比对照依次减少了63.51%、60.98%、52.94%、34.07%,0～20 cm 的地温平均日变幅比对照分别降低了3.14℃、2.93℃、2.32℃、2.02℃。

（2）翻埋/混配对保持土壤水分的影响。Pérez-de-los-Reyes等（2011）发现向土壤中掺加甜菜渣后土壤中的有效水可以从4%提高至34.5%。还有研究表明，粉碎的秸秆施入土壤后提高了土壤饱和含水量、持水及供水能力，而长秸秆对土壤饱和含水量、持水及供水能力的影响较小；粉碎并氨化的秸秆对土壤饱和含水量、持水及供水能力的提高作用更为显著，而且还发现粉碎秸秆及长秸秆处理均易造成早期干旱过程中脱水速度过快，氨化后或当秸秆与无机土壤改良剂混合施入土壤时，土壤低吸力段脱水速度明显减慢，利于土壤有效水的保存（王珍等，2011）。也有利用秸秆和其他保水材料制作成保水剂来保持土壤水分的研究，如以作物秸秆、膨润土和聚丙烯酰胺（PAM）配制的改良材料研究了对重庆市冷沙黄泥土导水率的影响，发现随着施用剂量的增大，土壤饱和导水率逐渐增加，秸秆间的效果为麦秆改良材料＞玉米改良材料＞水稻改良材料（孙荣国等，2011）。还有直接向土壤中翻埋保水剂的研究，如刘慧军等（2012）研究了内蒙古沙地添加以膨润土为主要原料改良剂对土壤水分的影响，发现不同添加量（6000 kg/hm2、12000 kg/hm2、18000 kg/hm2和24000 kg/hm2）的改良剂能够明显提高0～60 cm土层土壤含水量，其中以12000 kg/hm2施用量效果最佳，较对照显著提高土壤水分25.70%。对土壤中翻埋不同量的有机物料以提高土壤保水能力的研究也有报道，如在宁南半干旱区，将小麦秸秆按3000 kg/hm2、6000 kg/hm2和9000 kg/hm2、玉米秸秆按4500 kg/hm2、9000 kg/hm2和13500 kg/hm2粉碎后翻埋至25 cm左右深度的土层，秸秆还田量由高到低，0～200 cm土层土壤贮水量增加量是30.17～32.83 mm，不同还田量之间没有显著差异（高飞等，2011）。同样在宁南半干旱区，谷子秸秆按3000 kg/hm2、6000 kg/hm2、9000 kg/hm2粉碎还田（25 cm深度）后，土壤含水量、作物水分利用效率和作物产量等随着还田量的增加而呈增加趋势（路文涛等，2011）。

虽然学者们在覆盖以及翻埋方式对保持土壤水分能力方面做了不同的尝试，但将二者结合起来的研究并不多。

1.2.2.2有机物料改良对土壤物理性质的影响

表征土壤物理性质的指标较为丰富，学者们根据自己的实际需求开展了改良土壤物理性质方面的多方位研究，但研究较多的为土壤团聚体和粒径组成。土壤团聚体作为土壤结构的基本单位，其含量与土壤的稳定性和有机质含量密切相关（Elliott,1986;Angers,1992），在一定程度上反映土壤供储养分能力的高低。因此，土壤团聚状况和土壤有机碳含量可作为评价土壤肥力的综合指标（杨长明等，2008）。而且土壤的团聚过程也是固碳最重要的途径之一（Lal and Kimble,1997）。研究表明，长期施用有机肥和秸秆还田有利于促进土壤团聚体的形成（蔡晓布等，2003；李爱宗等，2008; Zhang et al., 2008），特别是可显著提高水稳定性大团聚体（>0.25 mm）的含量，改善土壤结构（霍琳等2008；刘恩科等，2010）。但秸秆还田主要发生在土壤表层，所以秸秆在土壤表层显著影响水稳定大团聚体的数量及其稳定性（田慎重等，2013）。孙汉印等（2012）研究还发现，在陕西关中平原同一小麦秸秆还田模式下，玉米秸秆粉碎旋耕直接还田有利于较大团聚体氧化稳定性的提高。还有研究表明，氨化秸秆施入土壤后较未氨化秸秆能显著增加0～15 cm土壤中>0.25 mm土壤团聚体含量（余坤等，2014）。除了秸秆还田改良土壤外，还有利用其他材料改良土壤的研究，如聚丙烯酰胺对黑垆土、黄绵土、风沙土水稳性团聚体的改良效果表明，在浓度为0.05%～0.4%，聚丙烯酰胺均可促进3种土壤＞0.25 mm水稳性团聚体的形成，并有效降低3种土壤团聚体分形维数，改善土壤结构（曹丽花等， 2008）。还如，将聚丙烯酸/凹凸棒黏土有机无机复合保水剂添加至取自腾格里沙漠的土样中，在模拟荒漠环境下，经过18次反复试用后，复合保水剂具有良好的保水性，而且土壤团聚体数量增加（杨逵等，2008）。

土壤容重（土壤密度）、孔隙度和持水量也是学者们在进行土壤改良时主要进行的研究指标。因为这些指标表征了土壤通气、透水和植物根系穿透的难易程度，对土壤中水、肥、气、热和生物活性有调节作用。如在新疆塔城盆地老风口生态区深沟秸秆覆盖4年后，土壤容重降低9.7%～24.9%，孔隙度提高11.2%～20.2%，饱和持水率增加13.0%～24.6%（鲁天平等，2015）。另外，粉碎并氨化秸秆施入土壤后，能显著降低耕层（0～15 cm）土壤的容重，增加土壤孔隙度，但对耕层以下（>15～30 cm）土壤体积质量及孔隙度改善效果不明显（余坤等，2014）。也有利用其他有机物料改良土壤的研究，如Jones等（2010）发现，沙土中分别掺加污泥、蘑菇渣、绿色垃圾堆肥和绿色废弃物生物质炭培养6周后，土壤密度降低，孔隙度、持水量和保水力增加，而且其效果与添加量呈正相关。Pérez-de-los-Reyes等（2011）还通过向西班牙中部半干旱区的红土掺加甜菜渣改良土壤的结果表明，添加甜菜渣增加土壤有机质含量、碳酸钙含量和pH值；土壤中砂粒比例降低，土壤密度减小，田间持水量由原来的12%提高至49%。还有向沙土中添加两种来源于生物乙醇加工和造纸厂的生物质精炼残渣发现，可以有效提高土壤持水量，土壤持水量可以提高150%和300%（Wang et al.,2014）。粉煤灰改良土壤也是近年来的研究热点，如通过室内模拟试验，施用粉煤灰能增大沙土容重，降低了孔隙度，但增加了土壤有效水含量（赵亮等，2009a），而且沙质土壤中施加粉煤灰可以有效地减小土壤入渗能力，减小湿润锋的下移速率，增强沙土持水性。粉煤灰土壤改良层中含水率较沙土有明显提高，有效水分滞留时间显著增加（赵亮等，2009b）。生物质炭对土壤的改良也是近年来的一个研究热点。还有将秸秆和生物质炭配比改良石灰性土壤的研究，发现土壤添加生物质炭可以降低土壤密度，增加持水量（Liang et al.,2014）。

1.2.2.3有机物料改良对土壤化学性质的影响

土壤有机质是影响土壤质量最主要的决定因素，也是反映土地退化的重要指标之一（程淑兰等，2004）。土壤有机质一般认为可以抵御外界对土壤的紧实作用（Kay, 1990; Soane,1990; Soane et al.,1980），增加稳定性团聚体的数量（Tisdall et al.,1978），降低机械对土壤的扰动（Schjønning et al.,2007; Holthusen et al.,2012）。韩光中等（2014）对青藏高原地区草地沙漠化的分析发现，草地从潜在沙漠化向重度沙漠化演变过程中有机质与速效养分损失严重。因此，土壤改良（特别是秸秆还田）的目的多集中于提高土壤有机碳含量，进而改善土壤的健康水平。这是因为用于改良土壤的有机物料如秸秆，其主要成分是纤维素和木质素，土壤微生物能够将这些物质部分分解转化成为土壤有机质（李清泉，2008）。大量的研究结果显示，秸秆还田是可以明显增加土壤有机碳含量的（潘剑玲等，2013）。如添加4%的秸秆量0~20 cm、20~40 cm和40~60 cm土层有机质分别增加31.8%、96.4%和171.1%,8%秸秆添加量分别增加了86.2%、193.5%和265.9%（矫丽娜等，2015）。又如白和平等（2011）的研究表明，秸秆还田后土壤的有机质含量与不还田的土壤相比可以提高0.29 g/kg。还有研究发现，在含碳量相等的条件下，秸秆对土壤有机质的保持和提高好于土粪，土粪优于牛粪（武志杰等，2002）。王晓波等（2015）还发现，作物秸秆还田可以增加砂姜黑土有机质，但秸秆焚烧还田不能增加砂姜黑土有机质。在新疆塔城盆地老风口生态区深沟秸秆覆盖4年后土壤有机质质量分数增加24.48%，土壤表层（0～20 cm）盐分也降低了35.7%（鲁天平等，2015）。其他有机物料，如长期的黑麦草秸秆还田也可以明显增加土壤有机质含量（Thomsen et al.,2008）。但也有其他研究表明，秸秆还田条件下，土壤的有机质先呈现增加趋势，之后变化趋势不明显，即存在一个定值（杨松等，2000）。

有机物料改良土壤，不仅可以提高土壤有机质的含量，同时还可以提高土壤其他养分特别是氮素的含量。如矿化的秸秆组分能促进土壤氮循环和矿化，提高氮素有效性（肖伟伟等，2009；潘剑玲等，2013）；秸秆中还含有农作物生长需要的氮、磷、钾、镁、钙和硫等营养元素，在微生物的作用下也会持续分解释放，利于作物的生长（潘剑玲等， 2013）。如新鲜的玉米秸秆中有机质的含量约为15.0%，钾含量约为2.3%，氮含量约为0.6%，磷含量约为0.3%（刘富萍，2005）。因此，秸秆还田通常具有提高土壤肥力的效果。当然，土壤有机质和养分的提高还应与其分解速率有关，有研究表明，地膜覆盖下秸秆还田有效加速了还田秸秆的腐解与养分释放，第二年土壤有机质、土壤全N、P、K以及土壤速效N、P、K平均含量均显著增加（杨封科等，2015）。山东省黄河冲积平原低肥力潮土为供试土壤14年的秸秆还田的结果也表明，土壤有机质、速效氮、锌、铁、锰与秸秆还田量呈显著正相关（劳秀荣等，2002）。但陈曦等（2015）6年的田间试验表明，秸秆还田提高了土壤有机氮，降低了土壤无机氮。另外，秸秆的来源不同可能也会对土壤养分含量的影响也不同，如玉米秸秆和小麦秸秆覆盖下，土壤有机质、全氮、速效钾随覆盖厚度的增加而增加，有效磷在9 cm处理时出现下降；棉花秸秆覆盖下，有机质和全氮随覆盖厚度的增加而减小，有效磷和有效钾先增加后减小（时连辉等，2010）。Stark等（2008）将不同量的羽扇豆全株翻埋至农田土壤后发现，当翻埋4 t/hm2的羽扇豆时土壤中微生物数量增加，酶活性增强，氮素的矿化也增强；但8 t/hm2的处理下这些指标的增量不大。利用工业废弃物改良土壤的研究也不少见，如沙土中添加两种来源于生物乙醇加工和造纸厂的生物质精炼残渣发现，处理的土壤可以有效防止氮和磷的流失，发现有添加物的土壤其沥出液中铵盐和磷酸盐的浓度与对照相比减少99%，且随着施加量的增加效果更加明显（Wang et al.,2014）。需要注意的是，在利用有机物料特别高C∶N比的材料进行土壤改良时，可能会激发土壤微生物对土壤中氮素的大量积累，而导致微生物和植物/作物竞争氮素，使得植物/作物因缺氮而生长不良（Tu et al.,2006；唐玉霞等， 2007）。因此，利用有机物料改良土壤需要调节土壤C∶N，如小麦秸秆的C∶N约为80∶1，水稻秸秆的C∶N在60∶1左右，而土壤微生物分解有机物较合适的C∶N为25∶1（安丰华等，2015），这就需要向土壤中施入一定的氮肥以调节C∶N。

1.2.2.4有机物料改良对土壤生物学性质的影响

土壤微生物是土壤中有机质和其他养分的转化与循环的动力，调控着土壤能量与物质过程的各个环节（薛菁芳等，2007）。更重要的是，土壤微生物对外界环境的变化反应敏感，能及时地反映出土壤质量和健康状况的变化，是研究土壤生态系统变化的重要预警因子（赵丽莉等，2013；萨如拉等，2013），也是土壤改良研究中常常需要研究的因子。由于利用有机物料直接改良草地土壤的研究较少，可供参考的研究实例则是草地凋落物返还草地后对土壤微生物的影响。因为草地凋落物返还到土壤之后，会激发微生物的活性，加快了草地凋落物的分解，从而促进草地养分的循环（王苗苗和侯扶江， 2012）。对科尔沁沙质草地土壤中纤维素分解菌的研究表明，伪弯头曲霉（Aspergillus Pseudodeflectus）和尖孢镰刀菌（Fusariumoxysporum）中的纤维素酶活性显著高于其生存的土壤环境，两种菌对沙化草地凋落物分解和土壤有效养分输入促进作用最强（王少昆等，2015）。虽然利用有机物料改良草地土壤及其对土壤微生物活性的研究不多，但是其他相关研究相对丰富。如秸秆还田作为目前农田土壤改良的主要方式对提高土壤微生物活性是具有积极作用的（伍玉鹏等，2014），这是因为作物秸秆含有大量土壤微生物生命活动的碳源、氮源（安丰华等，2015）。蔡晓布等（2004）还发现，秸秆翻埋、覆盖和留高茬均能提高微生物的数量，但不同还田方式对土壤微生物主要生理类群方面影响有所不同。张电学等（2005）秸秆还田试验表明，秸秆还田条件下土壤表层过氧化氢酶、转化酶、脲酶和磷酸酶活性均表现为秸秆还田处理高于对照。李晓莎等（2015）还研究了秸秆还田结合保护性耕作对土壤微生物的影响，发现秸秆还田能明显提高土壤微生物生物量碳和微生物活性，降低呼吸熵，在苗期和开花期提高土壤呼吸，而在灌浆期、腊熟期和收获期降低土壤呼吸；秸秆还田结合保护性耕作对提高微生物生物量碳和微生物活性方面的作用更明显。秸秆还田后土壤pH值也会明显降低，有机酸含量增加，土壤中脲酶、过氧化氢酶及碱性磷酸酶活性增强，使得养分含量也有所升高（徐国伟等，2009）。

秸秆还田对溶P微生物群体和高效溶P菌生长也均有促进作用（范丙全等， 2005）。也有进行不同有机物料改良土壤的研究，如绿肥（紫花苕）翻压地分别与麦茬翻压地和冬闲地比较，绿肥翻压在提高微生物活性、酶活性和土壤养分含量方面最佳，麦茬翻压其次，冬闲地最低（陈晓波等，2011）。Bustamante等（2011）将收集的葡萄枝条和酿酒厂各种榨渣和污泥分别做了不同的堆肥（将废弃物混合堆肥不做其他处理，废弃物混合堆肥并加入酒糟，榨渣和牛粪堆肥，榨渣和禽粪堆肥）后，又将4种堆肥和羊粪分别翻埋至沙壤土葡萄园，研究其对沙壤土性质的影响（期间不再施化肥），发现与对照相比施以上有机物料均会明显增加土壤微生物活性，促进养分循环，特别是土壤的无机氮素会慢慢释放，以长期供给植物生长。除此之外，还有其他材料如生物质炭（丁艳丽等， 2013）和聚丙烯酸盐（刘慧军等，2013）等改良土壤后对土壤微生物影响的研究。

1.2.2.5有机物料改良对牧草及作物生长和产量的影响

目前，由于有机肥是改良草地的主要有机物料，因此相关研究也多集中于施用有机肥后对草产量提高的研究。如黄东风等（2015）研究了沼液和商品有机肥对高丹草生长的影响，得出施用几种有机肥料处理均能比单施化肥处理更好地促进高丹草株高、着叶数和茎叶比的增加，并且提高鲜草的产量。占丽平等（2011）发现，氮磷钾肥配合施用和等氮量的有机肥处理均显著促进黑麦草的生长和提高其鲜草产量，且二者处理下的黑麦草生长状况基本一致。欧阳克蕙等（2007）发现，在亚热带红壤地区施用有机肥普遍提高苜蓿鲜草产量。除了有机肥改良草地土壤的研究，也有少量关于植物材料和有机肥及化肥配比促进天然草地牧草产量的研究，如陈科元等（2015）开展了草地施用有机肥、化肥及苦豆子秸秆对紫花苜蓿、草木樨、沙打旺、扁穗冰草、蒙古冰草和披碱草的研究，发现氮磷钾高肥配比+豆子秸秆对种植禾本科牧草的增产效果最明显，而有机肥+氮磷钾高肥配比+豆子秸秆种植豆科牧草的增产效果最明显。虽然有机物料改良草地土壤、促进牧草产量的研究比较少，但是有机物料特别是秸秆类材料改良农田土壤的研究较为丰富，这为草地土壤的改良提供了可借鉴的依据。如高飞等（2011）在宁夏南部干旱区将玉米和小麦秸秆粉碎后，以不同量翻埋至土壤25 cm后发现，随秸秆还田量由高到低，高、中、低3个不同秸秆还田量处理的玉米籽粒产量较对照分别提高了58.3%、36.7%和5.4%。王宁等（2007）研究表明半量秸秆还田处理较全量秸秆还田显著提高了作物产量。但也有研究表明，秸秆还田会造成作物减产，如张峰（2011）发现秸秆还田后小麦产量显著降低。还有将粉碎并氨化秸秆还田发现，秸秆覆盖能显著提高冬小麦有效穗数，且与无机土壤改良剂（硫酸钙）混合施用措施提高冬小麦产量效果最为显著，在冬小麦2个生长季较长秸秆覆盖还田分别增产11.12%和17.85%，较长秸秆翻压还田分别增产7.39%和16.59%（余坤等，2014）。除此之外，也有将秸秆还田与其他措施配合使用达到增产效果的研究，如在覆膜基础上对未施入秸秆以及施入400 kg/hm2、800 kg/hm2、1200 kg/hm2和1600 kg/hm2共5种不同剂量处理秸秆还田的旱地农田土壤墒情及玉米产量进行了比较分析，发现800 kg/hm2的秸秆还田对土壤保墒效果和玉米增产效果最好，当还田量≥800 kg/hm2时，玉米株高、茎粗和产量均逐渐递减（陈富强等，2011）。生物质炭也是近年来用于改良土壤的一个新型材料，有研究发现生物质炭会显著增加冬小麦茎蘖数、有效穗数和产量，水分利用效率由对照的17.06 kg/（hm2·mm）提高到17.69～19.57 kg/（hm2·mm）（李中阳等，2015）。又如Mulcahy等（2013）在沙土中掺入的生物质炭后发现，土壤持水能力显著增加，有效抵御了因为干旱问题而造成番茄幼苗的萎蔫，增加了番茄产量。也有学者尝试利用生物质炭改良退化的葡萄园土壤，3年的试验结果表明表层土壤翻埋生物质炭、有机肥或者生物质炭与有机肥的混合物对土壤肥力水平提高均不显著，对葡萄品质影响也不显著（Schmidt et al.,2014）。也有利用城市固体垃圾堆肥改良沙土的研究，而且发现堆肥处理下的土壤由于氮的矿化速率过快使得部分氮释放到了大气中，而限制了作物的吸收，使作物的产量表现为低于单纯施入化肥的处理（Weber et al.,2014）。近年来，研制高分子化合物改良土壤的研究也越来越多，如用高分子黏结剂（聚醚和TDI 80及其他组合发泡辅助料）将高吸水树脂（P2）和高分子化肥（聚异丁叉二脲）有机地结合起来，制备成多功能高分子复合材料用于沙土的改良，在沙土中施用0.5%的多功能高分子复合材料，即可提高沙地土壤的保水能力和土壤肥力，使种植的植物生产量获得大幅度增加（王勇等，2008）。

1.2.3林木材料改良退化土壤的研究

除利用上述材料改良土壤外，国内外学者也有利用林木类材料覆盖保持土壤水分和提高土壤养分的一些研究。如，王中堂等（2011）发现，不同来源的林木材料（锯末、锯末颗粒、泥炭颗粒、腐熟树皮、半腐熟树皮和未腐熟树皮）覆盖土壤1年后，0～20 cm土壤的有机碳、碱解氮、有效磷和速效钾含量也出现上升趋势。再如，将桃树枝条粉碎至长度≤5 cm还田覆盖2年后对土壤特性具有显著影响，可提高土壤水分，提高大团聚体含量，增加土壤有机质含量，改善桃的品质（李传友等，2016）。还有利用生草与枣树枝覆盖改善果园土壤物理结构、提高土壤孔隙度、降低土壤容重、提高土壤含水量的研究，且发现生草+枣树枝覆盖效果最佳（李洪兵等，2015）。杨直毅等（2010）等还发现，黄土高原丘陵沟壑区将长10 cm的李树枝条覆盖地表，抑制土壤蒸发的效果明显，在土壤含水量大于16%时，可抑制2/3左右的土壤蒸发，树枝覆盖可提高表层土壤含水量达30%。在半干旱黄土丘陵区的试验结果还表明，直接覆盖长的树枝保持土壤水分的效果虽不及覆膜，但是覆盖树枝下土壤水分变化的变异小（周玉红等，2015）。但国外学者发现覆盖林木枝条与覆膜相比，在增加土壤有机质和保持土壤水分方面更有效（Splawski et al.,2016）。甚至将粗木质残体直接堆放在土壤表面也可增加土壤有机质，提高土壤持水性和土壤水分，降低土壤密度（Bulmer et al.,2007; Kwak et al.,2016）。类似的研究还显示，将修剪后的林木枝条直接堆放在土壤表面除了可以降低地表温度、增加土壤水分的作用外，同时也为种子萌发和野生动物提供了庇护所（Morreale and Sullivan,2010）。此外，还有学者尝试在土表直接覆盖一些块状的木质材料，发现也能增加土壤有机质，促进微生物活性，提高养分含量，并最终能提高作物产量（Tiquia et al.,2002）。也有比较粉碎林木材料翻埋至土壤和土表覆盖效果的研究，发现翻埋措施在保持土壤水分和促进微生物活性方面优于覆盖（Biederman and Whisenant,2011），而且翻埋措施可以有效降低土壤密度和增加土壤碳含量，但是地表覆盖林木材料可以有效降低土壤温度，抑制土壤蒸发（Bulmer et al.,2007）。利用林木材料改良草地土壤的研究也有少量报道，如发现翻埋林木材料较覆盖可以降低土壤密度，但是二者对土壤水分的影响并不显著（Biederman and Whisenant,2011）。近年来，利用平茬柠条改良土壤的研究也有报道。如陈林等（2015）在宁夏东部风沙区开展了柠条沟埋保水的研究，但发现此措施不能有效保持土壤水分，然而严正升等人（2016）发现，将柠条平茬直接覆盖（覆盖度约为60%）使土壤降水入渗补给系数由0.50增加至0.70，明显提高了林地次降水补给量和入渗深度，0～260 cm范围内土壤水分条件有明显改善。此外，也有学者们专门做了植物材料分解速率方面的研究，发现林木类材料例如树枝或者木屑通常在土壤中具有低的分解速率（Weedon et al.,2009），但是其周转速率还与温度、土壤水分、土壤类型以及有机物料粒径或长度大小等均有关系（Tejada et al.,2014），分解速率从不足一年到1000年。基于林木类材料这种分解速率慢的特点，利用其改良土壤也可能利于碳截存以应对气候变化（Lal et al.,2004）。