在黄土高原半干旱雨养农业区,垄沟覆膜背景下土壤有机碳含量低下和长期施用化肥给农田生态系统可持续管理带来了严重挑战,开展土壤增碳和减施化肥的基础问题探索是农业生态学领域的重要使命。近年来,生物炭材料凭借着其特殊理化性质在土壤改良领域展示了较好潜力,研究证实生物炭对土壤肥力、水分状况和植物生长具有改良促进作用。同时,丛枝菌根真菌（AMF）对宿主植物的生长和干旱适应性发挥着积极作用,所制成的菌肥具有一定的改善土壤质量的功能。然而,在垄沟覆膜条件下同时施加生物炭和AM真菌很少见报道,两者对土壤肥力和作物生产力的单一和整体效应尚不清楚,探究其影响和机理是农业生态学领域的前沿科学问题。本研究以旱地夏玉米为试验材料,设置垄沟覆膜和不覆膜两个主要处理组,每个处理组包含施加生物炭和AM真菌两个关键变量,设置了8个处理,具体包括:一)垄沟覆膜处理组包含,1)不施加生物炭不接菌处理RF,2)AM真菌接菌处理RFA,3)施加生物炭处理RFC,4)施加生物炭同时AM真菌接菌处理RFAC;二)垄沟不覆膜处理组包含,5)不施加生物炭不接菌处理R,6)AM真菌接菌处理RA,7)施加生物炭处理RC,8)施加生物炭同时AM真菌接菌处理RAC。上述试验得出的主要结果如下:1、在垄沟覆膜条件下,生物炭还田显著增加了玉米地上生物量和根系生物量,AM真菌接菌处理对玉米地上生物量无显著影响,但显著增加了根系生物量。2018年RFA、RFC和RFAC处理较对照RF处理地上生物量分别增加了0.63%,11.93%和16.61%,根系生物量分别增加了13.46%,18.15%和14.74%,2019年趋势相同。2019年生物炭施加处理增加了玉米的穗长、穗粗、穗粒数和百粒重,RFC处理较对照RF处理分别增加了7.76%,13.36%、11.89%和10.89%。AM真菌接菌处理和生物炭施用都显著增加了玉米籽粒产量,且AM真菌接菌处理和生物炭施用对玉米籽粒产量的交互作用显著,2019年RFA、RFC和RFAC处理较对照RF处理籽粒产量分别增加了4.24%,16.13%和25.81%。2、本试验中,生物炭施加和AM真菌接菌有利于增加土壤含水量但相较于对照RF处理差异不显著。垄沟覆膜措施对保持表层土壤水分的效果要优于生物炭和AM真菌。2018年成熟期0-20 cm土层的土壤含水量,垄沟覆膜处理RF较不覆膜条件下添加生物炭处理RC和不覆膜条件下接菌处理RA分别高61.42%和75.21%。2018年RFC处理土壤含水量显著低于RF,而2019年成熟期RFC土壤含水量高于RF,这说明生物炭还田对土壤水分的影响需要较长的作用时间来体现,较长时间维度下才能准确反映生物炭对土壤持水能力的影响。3、生物炭施加显著降低了土壤容重。本试验条件下,0-20 cm土层中,添加生物炭的处理RFC、RFAC、RC、RAC容重分别减小13.54%,11.78%,5.41%,7.69%。垄沟覆膜措施也有利于减小土壤容重增加的趋势,降雨等外力对土壤表层的机械压实作用,导致了不覆膜下容重增加幅度大于覆膜。整体来看土壤容重的减小,除了覆膜措施的优势外,综合了生物炭混掺后的稀释效应。4、当生物炭和土壤的pH值有显著差异时,生物炭施用后会因为物理的掺混作用和稀释效应使土壤pH值发生改变。本试验中使用pH值为7.91的生物炭使pH值为8.15的表层土壤pH下降0.14-0.16。pH值较低的生物炭还田使高pH值的土壤pH下降,为作物和AM真菌的生长发育提供良好条件。同时添加生物炭的处理2019年土壤pH值高于2018年,但相较于未施用生物炭的处理,pH值没有显著增加,对土壤的次生盐碱化有一定抑制作用。5、在本试验中,生物炭施加显著增加了土壤表层的有机碳含量。2018年,RFC和RFAC处理较对照处理RF增加了28.12%和27.30%;RC和RAC处理较对照处理R增加了10.43%和9.59%。2019年0-20 cm土层,RFC和RFAC处理较对照处理RF增加了17.26%和18.62%;RC和RAC处理较对照处理R增加了6.69%和7.98%。在垄沟覆膜条件下,AM真菌接菌处理增加了0-20 cm土层的土壤有机碳含量。2018年RFA处理较对照RF处理SOC含量增加了19.25%。不覆膜条件下接菌处理的SOC含量增加但不显著,RA处理较对照R处理SOC含量增加了1.16%。生物炭施用与AM真菌接菌处理对SOC含量的交互作用显著。2019年RFAC处理较RFA处理SOC含量增加了18.93%,RFA处理较RA处理SOC含量增加了12.48%。6、生物炭施加有增加土壤全氮和硝态氮含量的趋势。2018年添加生物炭处理的TN含量较对照处理差异并不显著,2019年RFC处理的TN含量显著高于对照处理RF,RC处理显著高于对照处理R,表明两年大田试验时间不足以完全体现生物炭对土壤TN的影响,生物炭施用对土壤理化因子存在长期效应。2018年成熟期土壤0-20 cm土层,RFC处理NO₃^--N含量显著大于RF,RC显著大于R。同时处理RFAC硝态氮含量显著小于RFC,RAC处理硝态氮含量小于RC,可能是AM真菌的存在使得土壤无机氮更多向植物和AM真菌体内转移,帮助宿主植物吸收更多的无机氮,导致土壤无机氮含量减少。7、AM真菌接菌处理和生物炭施用可以提高土壤全磷含量,但两者对土壤全磷含量的交互作用不显著。2019年RFC和RFA处理较对照处理RF全磷含量增加了18.47%和18.36%,RC和RA处理较对照处理R全磷含量增加了19.35%和23.58%。生物炭施用可以显著增加土壤速效磷含量,2018年RFC处理较对照RF处理AP含量增加了29.21%,2019年RFC处理较对照RF处理AP含量增加了16.04%。2018年与2019年生物炭对土壤速效磷含量的影响趋势基本相同但存在差异,因此生物炭对土壤理化因子的影响存在长期效应,需要在较长的时间尺度上去评估。8、在垄沟覆膜和不覆膜条件下,添加生物炭处理对土壤微生物碳和微生物氮含量均有显著影响且处理间交互作用显著。2018年RFA、RFC和RFAC处理较对照RF处理MBC含量分别增加了24.85%,21.94%和43.21%,2019年趋势相同。2018年RFA、RFC和RFAC处理较对照RF处理MBN含量分别增加了42.61%,45.75%和69.18%,2019年趋势同2018年。2019年AM真菌接菌处理和生物炭还田均显著增加了土壤孢子密度以及土壤易提取球囊霉素含量,施加生物炭提高了AM真菌根内侵染率但并不显著。综上所述,在黄土高原半干旱区大田条件下,生物炭施用具有改善土壤结构和固持土壤养分的能力,进而促进了作物生长,有助于增加作物产量。AM真菌接菌处理和生物炭施加处理在保持土壤水分,维持和改善土壤质量方面具有协同作用,验证了生物炭和AM真菌耦合系统增加作物产量的可行性。值得注意的是,生物炭和AM真菌共同施用对土壤质量的影响趋势并不完全一致,不同年限之间的结论存在差异,因此开展多年、多点系列实验非常必要,生物炭和AM真菌共同施用的后效有待进一步评价。