實施16年保護性耕作下黑土土壤結構功能變化特征

郭孟潔，李建業，李健宇，齊佳睿，張興義,

實施16年保護性耕作下黑土土壤結構功能變化特征

郭孟潔1，李建業2，李健宇1，齊佳睿1，張興義1,2※

（1. 東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150030；2. 中國科學院東北地理與農業生態研究所黑土區農業生態院重點實驗室，哈爾濱 150081）

通過東北典型黑土區旱作平地連續16 a保護性耕作田間長期定位試驗，研究保護性耕作實施后對土壤結構功能的影響，分析土壤結構功能的生育期動態特征及其與土壤有機碳的相關關系，探究作物產量變化的原因。以玉米-大豆輪作黑土農田為研究對象，設置4個耕作處理：秸稈覆蓋免耕（No-tillage with straw returning，NT）和少耕（Reduced-tillage，RT）保護性耕作；平翻（Moldboard-tillage，MT）和旋耕（Rotary-tillage，Rot）傳統耕作，探討大豆幼苗期（Seeding-stage，SS）、開花期（Flowing-stage，FlS）、鼓粒期（Filling-stage，FiS）和成熟期（Maturing-stage，MS）耕層0～20 cm土壤容重、孔隙度、水分狀況以及水穩性團聚體含量對耕作方式的響應。在大豆收獲后取樣測定不同耕作處理土壤有機碳的垂直分布和地表土壤水分入滲速率。結果表明：1）NT改善并穩定土壤結構。NT可以保持容重在生育期內的相對穩定；NT可以有效克服機械壓實作用；表層土壤NT水穩性大團聚體（>0.25 mm）含量最多，平均重量直徑（Mean Weight Diameter，MWD）高于其他耕作處理。2）NT提高土壤持水蓄水能力。NT增加表層0～5 cm土壤田間持水量；NT改善地表土壤水分入滲，整體初始入滲速率為其他處理的1.26～1.63倍，非種植帶處穩定入滲速率為其他處理的2.24～6.63倍。3）NT顯著增加土壤表層0～5 cm有機碳的積累，NT分別比MT、RT和Rot處理高32.59%、30.28%和25.79%。4）NT不會導致作物減產。長期連續保護性耕作尤其是秸稈覆蓋免耕在改善土壤的結構功能，并顯著增加表層土壤有機碳積累的同時，維持土地生產力，有效克服保護性耕作短期不良效應，提升黑土質量的作用明顯。

土壤；有機碳；團聚體；保護性耕作；結構功能；作物產量；生育期

0 引 言

黑土是世界上最肥沃的土壤之一[1]，有機質含量高，適宜農耕，具有較高的作物生產潛力。作為世界四大片黑土區之一的中國東北黑土區，是中國重要的商品糧生產基地[2]，生產了全國四分之一的糧食和三分之一的商品糧，是中國糧食安全的壓艙石，黑土地被譽為“耕地中的大熊貓”，對保障國家糧食安全和生態安全具有重要意義。但東北黑土地自開墾以來，連續種植高產作物，采用重用地輕養地的掠奪式生產方式，耕作方式單一，長期采用平翻、旋耕等傳統壟作方式，對耕層土壤產生強烈擾動，加速耕層土壤有機質的礦化和養分的損耗，導致土壤肥力和土壤有機質含量迅速下降，加之嚴重的機械壓實作用，導致黑土出現嚴重退化，黑土層變薄，結構功能變差[3-5]，阻礙黑土農田的可持續利用與發展。

為防治土壤退化，中國早在20世紀60年代，黑龍江國營農場開始試驗小麥免耕播種[6]；20世紀80年代，陜西省農業科學院研發了“旱地小麥高留茬少耕全程覆蓋技術”[7]；20世紀90年代，山西省農業科學院研發了“旱地玉米免耕整稈覆蓋技術”[8]，2005年，中央一號文件提出“改革傳統耕作方法，發展保護性耕作”，將發展保護性耕作上升為國家政策[9]。但保護性耕作在東北黑土區的初步推廣結果表明，實施秸稈覆蓋免耕會導致作物減產[10-12]。Chen等[10]在東北黑土區平地進行了5 a的耕作試驗，研究得出相對于傳統耕作，玉米減產28.4%；郭曉霞等[11]在內蒙古栗褐土上發現，實施免耕后2年，作物出現產量不穩定甚至減產現象。其中，秸稈覆蓋導致土壤溫度降低，影響出苗率，在典型黑土冷涼區，溫度是限制作物生長的主要影響因子，秸稈覆蓋降低溫度對于該地區影響更為敏感，被認為是導致作物減產的主要原因[13]，很大程度限制了保護性耕作在黑土區的推廣應用。由于保護性耕作具有改善土壤質量，增加土壤有機質的作用，在部分區域通過長期秸稈覆蓋免耕，甚至出現作物產量較傳統耕作增加的情況，Hussain等[14]在美國的伊利諾斯州進行了8 a的免耕試驗認為，玉米與大豆輪作實施免耕，大豆產量可以提高15%；高燕等[15]在東北黑土區進行了16 a的保護性耕作試驗，發現玉米產量免耕顯著高于傳統耕作。但上述試驗均布置在非典型黑土冷涼區，而在典型黑土冷涼區尚缺乏長期定位試驗數據支撐。

因此，本文基于長期黑土地田間定位試驗，對比分析實施16 a保護性耕作后，保護性耕作與其他耕作措施對土壤結構和功能的生育期動態及有機碳含量的影響，揭示長期保護性耕作措施后黑土結構和功能的季節變化，探究連續保護性耕作后作物產量變化的原因，旨在探究保護性耕作在東北黑土生產潛力的長期效應機制，為選擇適合東北黑土區的保護性耕作方式，保證黑土生產力的可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗設在中國科學院海倫農田生態系統國家野外科學觀測研究站（47°26′N，126°38′E）試驗田，地面平整，無水土流失。研究區屬北溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫1.5 ℃，年平均降雨量530 mm，主要集中在7—9月，無霜期125 d[10]，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同季。土壤為典型黑土，是在第四紀形成的黃土狀母質上發育起來的地帶性土壤，質地較黏重，滲透能力弱，毛管水運移速率較慢，土壤持水和保水能力較強，儲水庫容較大，2004年耕層（0～20 cm）土壤基本理化性狀如下：容重為1.15 g/cm3，土壤含水率為20.20%，有機碳含量為24.42 g/kg，砂粒（2～0.02 mm）、粉粒（<0.02～0.002 mm）和黏粒（<0.002 mm）3個粒級的占比分別為29.92%、29.41%和40.67%。

1.2 長期田間定位試驗

2004年秋開展長期田間定位試驗，設有2種保護性耕作措施（秸稈覆蓋免耕和少耕）和2種傳統耕作措施（平翻和旋耕）。試驗小區采取隨機區組布設，每個處理3次重復，共計12個試驗小區，小區面積為336 m2（40.0 m×8.4 m，12壟），每個小區間留有4 m機耕路，各小區均實施玉米—大豆輪作。偶數年種植作物為大豆，品種為東生1號，奇數年種植作物為玉米，品種為龍玉10號。

根據習慣性操作方式，除免耕措施外，其他3種耕作方式均移除秸稈并實施壟作，壟臺高出地面15～20 cm，相鄰2個壟臺之間距離70 cm。具體耕作措施實施情況如下：

1）秸稈覆蓋免耕（NT）：秋收后將秸稈粉碎全部覆蓋于地表，第二年春季使用免耕播種機進行播種和施肥，人工施用除草劑進行化學除草，不進行任何中耕作業和秋平地。

2）少耕（RT）：大豆茬原壟越冬，春季直接播種；玉米茬秸稈移除后秋旋耕起壟，使用播種機傳統播種。

3）平翻（MT）：秋收后秸稈移出，秋翻耕20 cm，耙平后起壟。

4）旋耕（Rot）：秋收后秸稈移出，直接旋耕起壟。

所有小區均按照農民常規施肥方式實施相同的施肥措施。大豆于5月初進行人工點播純氮肥20.25 kg/hm2（以N計）、純磷肥51.75 kg/ hm2（以P計）、純鉀肥15 kg/hm2（以K計）；玉米于5月初進行人工點播純氮肥69 kg/hm2（以N計）、純磷肥51.75 kg/hm2（以P計）、純鉀肥15 kg/hm2（以K計），6月末追施純氮肥69 kg/hm2（以N計）。

1.3 試驗過程及指標獲取

1.3.1 耕作措施對土壤結構功能的影響

2020年開展試驗研究不同耕作措施對土壤結構功能的影響。2020年種植大豆，分別在幼苗期（Seeding-stage，SS）、開花期（Flowing-stage，FlS）、鼓粒期（Filling-stage，FiS）和成熟期（Maturing-stage，MS）取樣測定和計算土壤相關指標。待測定和計算的土壤結構功能指標包含容重、非毛管孔隙度、孔隙度、含水率、土壤三相比（固相∶液相∶氣相）、水穩性大團聚體含量、團聚體平均重量直徑（Mean Weight Diameter，MWD）、田間持水量、入滲速率、土壤有機碳。

1）容重和含水率：使用高5 cm，體積100 cm3的環刀分別于每個小區中部的壟臺和壟溝處取樣，NT在種植帶和非種植帶取樣，采集深度為0～20 cm，每5 cm分層取樣。烘干法[16]測定并計算容重和含水率。

2）田間持水量、孔隙度和非毛管孔隙度：與土壤容重同步用環刀采集土壤樣品，室內采用環刀浸泡法[17]測定和計算田間持水量、孔隙度及非毛管孔隙度。

3）水穩性大團聚體含量和平均重量直徑：使用五點法分別于每個小區的壟溝和壟臺處通過剖面法采集深度為0～5、>5～10、>10～15、>15～20和>20～40 cm的土壤樣品。室內風干后混勻稱取自然風干土樣50 g，真空慢速浸提法[18]測定，利用土壤團粒分析儀（DIK-2001，日本）進行濕篩測定，套篩自上而下孔徑分別為5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm。用于計算水穩性大團聚體含量和平均重量直徑。

4）入滲速率：雙環法[19]測定。分別測定壟臺和壟溝地表土壤入滲，記錄初始加水量，分別記錄1、2、3、4、5、7、9、11、13、15、20、25、30、35、40、50和60 min時的入滲水量。

5）土壤有機碳：秋收后在每個小區壟溝和壟臺中間位置通過土鉆法分層采用，0～20 cm每5 cm采一次樣，20～100 cm每20 cm采一次樣，每個土壤樣品200 g左右，自然風干研磨過篩后采用全自動元素分析儀（EA3000，意大利）進行測定。

土壤三相比（固相∶液相∶氣相）=（1-孔隙度）∶含水率∶（孔隙度-含水率）[20]

非毛管孔隙度（Non-Capillary Porosity，NCP）計算公式為NCP=（1-2）/×100%；孔隙度（Porosity，P）計算公式為=（1-3）/×100%；含水率（Moisture Content，MC）計算公式為MC=（0-3）/×100%；田間持水量（Field Capacity，FC）計算公式為FC=（2-3）/3×100%，其中，0為環刀內原狀土鮮質量，1為原狀土吸水飽和質量，2為1去重力水后質量，3為烘干至恒質量后土壤質量，g；為環刀體積，cm3。

土壤大團聚體含量（WR0.25）[21]計算公式為

土壤水穩性團聚體團聚體平均重量直徑（Mean Weight Diameter，MWD）[21]計算公式為

式中x為級別團聚體的平均直徑，mm；w為級別團聚體的質量百分含量，為總粒徑級別數量；為≥0.25 mm粒徑級別數量。

1.3.2 耕作措施對作物產量的影響

為了分析長期耕作措施對產量的影響，于2017年10月—2020年10月（2017年—2020年平均氣溫分別為2.7、2.9、3.9、3.6 ℃，年降雨量分別為352.8、627.4、568.0、699.8 mm）作物成熟后分別于每個小區隨機采集5個1 m2樣方內所有作物籽粒，測定每種處理下1 m2的平均籽粒鮮質量。每個樣方所收籽粒中取100粒利用烘干法[12]測定其含水率。用于計算不同處理下作物籽實產量。大豆和玉米測產方式相同。

作物產量計算公式為

=4/5·×10 000 （3）

式中為作物產量，kg/hm2；為1 m2內籽粒鮮質量，4為百粒鮮質量，5為百粒干質量，kg。

1.4 數據處理

用Excel 2016進行數據處理，用SigmaPlot12.5軟件進行圖表處理，用Spss22.0軟件進行數據分析，用最小顯著差法（Least-significant Difference，LSD）進行平均數之間的差異分析。

2 結果與分析

2.1 土壤結構功能變化

表1為連續16 a耕作處理前后0～20 cm耕層土壤的結構功能差異。由表可知，經過連續16 a不同耕作處理后，各處理下耕層土壤容重較2004年均顯著增加（<0.05），增幅為5.22%～7.83%，其中以NT處理增幅最小（5.22%）。各處理下耕層土壤田間持水量較2004年也均有所增加（<0.05），其中以NT處理增幅最大（15.26%）。與2004年相比，NT增加耕層土壤有機碳（Soil Organic Carbon，SOC）含量15.11%（<0.05），且經過連續16 a不同耕作處理后，NT處理下的耕層SOC含量顯著高于其他3種處理（<0.05）。

2.2 土壤物理結構生育期動態及其差異

2.2.1 容重、孔隙度和三相比生育期動態

圖1為不同耕作方式下土壤容重的季節變化。分析結果得出，在壟臺處，SS階段，NT處理下>5～10 cm土層的容重顯著高于其他3種耕作處理（<0.05），分別比MT、RT和Rot處理高13.89%、17.14%和13.89%；FlS階段，NT處理下0～5 cm土壤的平均容重較SS階段下降18.10%，其他3種處理之間與SS階段無明顯差異；FiS階段，NT處理下壟臺0～10 cm的平均容重比MT處理下的平均容重大14.49%；MS時期，壟臺0～10 cm表現出Rot處理下的容重顯著低于其他3種處理（<0.05）。

表1 2004年和2020年耕層土壤結構功能對比

注：CT，傳統耕作；MT，平翻；RT，少耕；NT，秸稈覆蓋免耕；Rot，旋耕; 不同小寫字母表示不同處理的差異（<0.05）。

Note: CT,conventional-tillage; MT, moldboard-tillage; RT, reduced-tillage; NT, no-tillage with straw returning; Rot, rotary-tillage; Different small letters indicate difference between different treatments (<0.05).

在壟溝處，SS階段，由于機械壓實作用，NT處理下的平均容重在>10～15 cm土層顯著低于MT處理（<0.05）；在FlS階段，NT處理下的0～10 cm容重與其他處理差異不顯著。FiS階段，容重則表現出除>10～15 cm土層外，NT處理下的容重小于Rot（<0.05）。到MS階段，NT處理下的容重在0～5 cm和>15～20 cm土層中均顯著低于Rot（<0.05）。

在整個生育期內，NT處理下的容重變異系數（0.4）小于其他3種處理（0.5～0.7），表明秸稈覆蓋免耕保持了容重在作物生育期內的相對穩定。同時減小FiS階段壟溝處表層土壤容重，有效克服了機械壓實作用。

圖2為不同耕作方式對非毛管孔隙度的影響。結果表明，壟臺處，SS階段，NT處理下0～5 cm土壤的非毛管孔隙度為12.98%，顯著低于其他耕作處理（<0.05），而其他3種處理下土壤的非毛管孔隙度均大于19%。同一時期>5～10 cm土壤也表現出NT處理下的非毛管孔隙度顯著低于RT和Rot。

壟溝處由于機械作業對土壤的壓實作用，則表現出NT處理下平均非毛管孔隙度在FiS時期的0～5 cm大于Rot（<0.05），且在>10～15 cm處NT處理下的非毛管孔隙度大于其他3種耕作處理（<0.05）。

整體來看，土壤非毛管孔隙度隨大豆生育期整體呈下降趨勢，FlS階段各處理下的非毛管孔隙度較SS階段平均下降42%～64%，而MS階段較FiS階段無明顯差異，說明非毛管孔隙度隨大豆生育期下降幅度逐漸減小。其中，壟溝處非毛管孔隙度以NT下降幅度最大，在每個土層降幅達到39.49%～67.42%。

表2為不同耕作方式下土壤在4個生育期的平均三相比。結果表明，相比于Rot，NT增加壟臺0～5 cm液相比65.22%，降低0～5 cm氣相比45.16%（<0.05），表明秸稈覆蓋免耕相比于傳統旋耕可顯著提高壟臺表層土壤保水能力，但隨著土層的加深，耕作措施對土壤三相比的影響逐漸減弱，不同處理間三相比差異不顯著。

表2 耕作方式對土壤固、液、氣三相比的影響

2.2.2 土壤水穩性團聚體的生育期動態

表3為不同耕作措施下各土層水穩性大團聚體含量（WR0.25）及平均重量直徑（MWD）。在壟臺處，SS階段，NT處理下0～5 cm土層的WR0.25達到61.59%，顯著高于Rot。NT處理下0～5 cm土層的MWD分別比MT和Rot高34.29%和51.61%。在大豆全生育期內，壟臺0～5 cm表層土壤中NT處理下WR0.25平均達到62.10%±3.52%。

在壟溝處，SS階段0～5 cm土層的WR0.25顯示NT最大，分別比MT、RT和Rot高12.22%、19.63%和12.20%，并且在SS階段表層土壤MWD也顯示NT效果最好。FiS階段，NT處理下0～5 cm土層的WR0.25分別比RT和Rot高出13.33%和14.7%，NT處理下0～5 cm土層的MWD也高于其他3種處理。結果表明，秸稈覆蓋免耕（NT）增加作物生育前期表層土壤水穩性大團聚體含量，可以減少養分及有機質的礦化，但對深層土壤影響較小。

表3 不同耕作措施下各土層水穩性大團聚體含量及平均重量直徑

注：不同小寫字母表示大豆同一生長期同一深度不同處理的差異（<0.05）。

Note: Different small letters indicate the difference between different treatments at the same growth stage and at the same depth (<0.05).

2.3 土壤持水和蓄水能力生育期動態

2.3.1 土壤田間持水量生育期動態

圖3為不同耕作方式下土壤田間持水量的季節變化。在壟臺處，SS階段NT處理下0～5 cm平均田間持水量達到34.75%。FlS階段，4種處理下平均田間持水量均較上一時期增加，增加范圍為1.53%～14.05%。耕作措施對田間持水量的影響隨土層深度的變化在FlS階段表現最劇烈，在其他時期優勢不顯著，本時期0～5 cm壟臺土壤在NT處理下的田間持水量（46.30%）顯著高于RT處理（<0.05）。FiS階段各耕作處理下的田間持水量差異不顯著。到MS階段，0～5 cm土壤田間持水量NT處理顯著高于Rot處理（<0.05）。

NT對壟溝田間持水量的影響僅限于表層土壤，且壟溝受耕作措施影響較大。壟溝處表現出與壟臺相同趨勢，NT在0～5 cm土層中每個生育期顯著大于MT處理（<0.05）。NT優勢隨土層加深逐漸減小，土層深度>5 cm的土壤中，NT處理下的田間持水量優勢不明顯。所有處理下的田間持水量均隨土壤深度表現下降趨勢，且NT處理下土壤田間持水量隨深度的下降幅度（12.76%）高于其他處理。可見，NT增加土壤的田間持水量，提高土壤的蓄水能力，且只作用于表層土壤。

2.3.2 土壤入滲速率

圖4為不同耕作方式下土壤水分入滲速率。在初始入滲階段，秸稈覆蓋免耕（NT）處理下的壟臺土壤水分入滲速率（22.25 mm/min）顯著高于其他3種處理（<0.05），分別是MT、RT和Rot的1.63倍、1.44倍和1.38倍。但是其進入穩滲階段在25 min，其余耕作處理均在20 min左右進入穩滲階段，且進入穩滲階段后，NT處理下平均入滲速率（2.23 mm/min）小于Rot處理，Rot在穩滲階段入滲速率最大，RT和MT的穩定入滲速率依然較小。

壟溝處土壤入滲速率較壟臺處進入穩滲時間更短。壟溝處NT處理下的初滲速率最大，為16.25 mm/min，分別是MT、RT和Rot的1.32倍、1.26倍和1.43倍。NT在15 min后進入穩滲階段，其余處理均在10 min左右進入穩滲階段，NT處理下的穩滲速率為1.99 mm/min，是其他處理的2.24～6.63倍。MT、RT和Rot在壟溝處穩定入滲階段入滲速率無顯著差異。說明秸稈覆蓋免耕增加土壤初始入滲速率和壟溝處整體入滲速率。土壤入滲速率增大可以增加耕層土壤蓄水能力，提高水分利用效率。

2.4 土壤有機碳含量差異

圖5為不同耕作方式下不同土層的土壤有機碳含量，結果表明，0～5 cm表層土壤中，NT處理下的平均有機碳含量32.83 g/kg，顯著高于其他3種耕作處理（<0.05），分別比MT、RT和Rot處理下的有機碳高32.59%、30.28%和25.79%。其他耕作處理下土壤有機碳含量無顯著性差異。>5～10 cm土壤中，NT處理下的土壤有機碳含量雖比0～5 cm土層有所降低，但比MT、RT和Rot處理下的平均有機碳含量并未減少。NT處理下土壤有機碳含量隨深度的下降幅度（24.07 g/kg）高于其他處理。整體而言，NT可顯著增加土壤表層的有機碳含量，隨著土層的加深，土壤有機碳含量下降，且不同耕作措施對土壤有機碳含量的影響減小。

2.5 作物產量差異

作物產量是土壤理化指標的綜合體現。表4為2017年—2020年間的作物產量。2017年NT處理下的玉米平均產量為10 081 kg/hm2，Rot處理下的玉米平均產量僅為9 248 kg/hm2；2017年和2019年NT處理下的玉米產量均未減產。2018年，NT處理下的大豆平均產量達到3 403 kg/hm2，2020年，東北遭遇臺風入侵，各處理大豆產量均顯著低于2018年（<0.05），與其他處理相比，NT處理下的大豆依舊未減產。

雖然4種處理下的作物產量在2017年—2020年沒有達到顯著差異，但無論種植作物為玉米和大豆，相比于其他耕作處理，在黑土實施長期連續秸稈覆蓋免耕后均未減產。說明長期連續秸稈覆蓋免耕可以克服短期減產的缺點，在促進農田土壤可持續發展的同時維持土地生產力。

表4 2017—2020年不同耕作方式下的作物產量

3 討 論

3.1 長期保護性耕作對土壤結構功能的動態影響

土壤容重、含水率和孔隙度是土壤的基本結構，共同協調土壤的水、肥、氣、熱，影響作物根系的生長發育。機械作業時產生的壓實作用會增大土壤容重[22]，加上作物根系對壟臺處土壤有一定的疏松作用[23]，導致0～10 cm土層壟溝處的容重大于壟臺處，而秸稈覆蓋免耕處理下由于人為擾動較少，壟臺壟溝處容重則無明顯差異。Fernández等[24]的研究結果也表明秸稈覆蓋免耕相對于傳統耕作顯著增大0～10 cm土壤容重，但對深層容重則無明顯的增加效果，與本研究結果一致。同時，一年內同一作物不同生長期之間的土壤結構也有一定的變化規律，相比于傳統耕作，長期秸稈覆蓋免耕能增加生育前期的土壤容重，生育期土壤歷經淋溶和自然沉降作用，各處理下的容重在收獲期差異顯著減小，這一結論與王巖等[16]對冀西北栗鈣土研究得出的結論一致。本研究結果顯示長期秸稈覆蓋免耕能保持作物全生育期內容重的穩定，有效克服機械壓實作用。Tomasz等[25]研究表明，相較于動土量大的傳統耕作和少耕來說，秸稈覆蓋免耕短期內增加土壤容重。但本研究發現，經過長期秸稈覆蓋免耕，土壤容重并未增加，一方面是由于秸稈覆蓋免耕可以增加土壤表層有機碳，進而增加土壤團聚結構，增加土壤大孔隙數量[26]，另一方面則是由于長期秸稈覆蓋免耕可以增加土壤動物數量[27]，起到了疏松土壤的作用。

在東北黑土區，機械翻耕和凍融作用是影響土壤通氣孔隙的兩個主要因素。作物生育前期，機械翻耕在增加壟臺土壤孔隙數量的同時，對壟溝土壤的壓實作用減少壟溝處的土壤孔隙數量，本研究結果表明秸稈覆蓋免耕可以克服機械壓實作用對表層土壤孔隙度的影響。結果還表明，土壤孔隙度在整個作物生育期內整體呈下降趨勢，說明凍融作用會增大土壤孔隙度以保持土壤在來年作物生育前期的孔隙數量。這就表明，秸稈覆蓋免耕在減少人為擾動的前提下依舊可以恢復地力，促進土壤結構的優化。

相比于傳統耕作，秸稈覆蓋免耕處理顯著增加了土壤表層的水穩性大團聚體含量，其原因主要有兩個方面：一方面，保護性耕作通過秸稈還田的方式，增加了土壤有機碳的輸入來源，增加了表層土壤有機碳[28]，促進了水穩性團聚體的形成[29]；另一方面，秸稈覆蓋免耕減少了人為擾動，避免了對土壤團聚體的干擾導致大團聚體結構被破壞[30]，并且保護性耕作對表層土壤作用顯著，而對于10 cm以下的土壤影響較小。結果還顯示，土壤壟臺表層秸稈覆蓋免耕處理下的土壤大團聚體含量隨生育期略有下降，原因是降雨及土壤干濕交替作用導致土壤表層未穩定的大團聚體崩解，而壟溝表層其他處理下大團聚體含量隨大豆生長期有所增加，但始終表現出秸稈覆蓋免耕優于其他耕作處理，這主要是由于秸稈覆蓋免耕具有保水作用，保持了部分大團聚體的穩定性[31]。

土壤水分含量及其動態變化直接影響土壤結構功能以及作物的生長發育，而耕作措施顯著影響水分狀況。從全生育期來看，秸稈覆蓋免耕降低了土壤固相和氣相比，增加了土壤液相比。其原因主要包括以下幾個方面：首先，秸稈覆蓋免耕處理增加土壤表層的保水能力，有利于水分蓄存[32]；同時，秸稈覆蓋免耕措施下壟溝處的土壤非毛管孔隙度高于其他處理，所以秸稈覆蓋免耕措施可以提高土壤的通水透氣能力[33]。這就說明保護性耕作不但有利于水的蓄存，而且有利于土壤水分入滲；其次，地表秸稈覆蓋有效減少土壤水分的地表蒸發，提高土壤水分的快速入滲能力[34]；再次，秸稈覆蓋免耕減少作物生育期耗水量，提高土壤水分利用效率[35-36]；最后，秸稈覆蓋免耕措施減少人為對土壤的擾動，有效減少土壤表面水分無效蒸發，進一步加強了土壤涵養水源的功能[37]。在作物全生育期，秸稈覆蓋免耕下的土壤含水率基本呈上升趨勢，尤其是在雨水相對多的7、8月份，優質的入滲條件可極大地減少黑土表層的積水，對改善東北黑土水土流失、提高土壤保水能力起到很大作用[38]。

土壤含水率和土壤溫度呈極顯著負相關關系[39]。短期秸稈覆蓋免耕會提高土壤含水率[32]，使得土壤溫度下降，影響作物根際環境，從而導致作物減產。但本研究表明，經過16 a保護性耕作處理，相比于傳統耕作，秸稈覆蓋免耕處理下的產量并無下降，說明長期秸稈覆蓋免耕會通過改善土壤結構和功能有效抑制土壤降溫效應。

綜上，長期保護性耕作模式改善土壤結構功能，適用于土壤的可持續發展。

3.2 長期保護性耕作土壤增碳效應

土壤有機碳作為有機質的重要部分，其含量是土壤肥力水平的一項重要指標。研究結果顯示，經過16 a的保護性耕作，秸稈覆蓋免耕處理下0～5 cm表層土壤的有機碳含量顯著高于其他耕作，對黑土表層土壤有機碳的積累具有促進作用。傳統的耕作方式會導致土壤團聚體結構遭到破壞[35-37]，使土壤有機碳失去物理保護而暴露出來，加快了土壤有機碳的礦化分解[40]，而免耕相對于傳統耕作大量減少人為擾動，減少土壤表層有機碳暴露，不對土壤翻動作業也會減少土壤有機碳的礦化速率[41]，有利于有機碳的積累，且地表有大量的秸稈覆蓋，秸稈腐爛可以大量增加土壤表層有機碳含量，同時由于免耕不對土壤進行翻動，導致有機碳集中在淺層土壤無法進入深層，所以隨著土層的加深，秸稈覆蓋免耕積累土壤有機碳的效果逐漸減小。少耕處理由于減少土壤翻動次數，也會一定程度上降低土壤有機碳的分解和流失，而這種條件對于形成良好的土壤結構具有促進作用，為作物生長發育提供養分。隨著土層加深，土壤有機碳含量減少，且不同耕作處理下的有機碳含量差異減小，這與Needelman等[42]研究結果一致。大量研究表明，少耕、秸稈覆蓋免耕等保護性耕作措施會顯著增加表層土壤的有機碳含量，隨著土層加深，耕作處理對其影響逐漸降低[43-46]。秸稈覆蓋免耕對于土壤有機碳具有快速提升作用，在短期內土壤表層有機碳增加明顯[47]，根據黑土區已有數據顯示，有機碳短期增加后，其增加趨勢逐漸變緩[37]，影響該過程的原因可能與有機碳穩定機制、土壤微生物活動等有關，尚需進一步研究確定。

3.3 土壤物理性質與碳素的相關分析

利用土壤各項結構指標與有機碳含量所得數據進行相關性分析，通過相關性計算得到土壤有機碳含量與其他指標均呈極顯著相關（表5）。其中土壤有機碳與容重呈極顯著負相關，其相關系數為?0.18（<0.01）；土壤有機碳可以改善土壤孔隙結構，促進土壤孔隙的形成[48]，導致容重減小。土壤有機碳與田間持水量呈極顯著正相關，其相關系數為0.30（<0.01）；有機質具有巨大的比表面積和親水基團，具有較強的吸水性，同時增大土壤孔隙，增強土壤的持水能力[49]。土壤有機碳與水穩性大團聚體含量顯著相關，其相關系數為0.77（<0.01）；秸稈還田可以促進土壤腐殖質的形成，促進土壤顆粒有機結合，進而有利于土壤形成大團聚體[20]。土壤有機碳與土壤水穩性團聚體的穩定性顯著相關，其為0.24（<0.01）；綜上，土壤有機碳含量與大團聚體含量的相關性最強并且呈正相關，提高土壤有機碳含量是提高土壤團粒結構，改善土壤結構性的關鍵。

表5 土壤物理性質與有機碳的相關性分析

注：**表示在0.01水平上極顯著；樣本量為288。

Note: **Significance at 0.01 level; Sample size is288.

綜上，長期實施秸稈覆蓋免耕可以增加土壤表層的有機碳含量，有機碳含量的增加也會促進土壤結構功能的優化，進一步改善土壤質量。并且在維持土壤質量的同時保證了土地生產力。

4 結 論

1）長期秸稈覆蓋免耕可以有效克服機械壓實作用，促進土壤水穩性大團聚體結構的形成和穩定（秸稈覆蓋免耕處理下表層土壤平均重量直徑高于其他耕作處理），有效改善土壤結構并維持其穩定性。

2）長期秸稈覆蓋免耕可以有效調節農田土壤水分（增加壟臺表層土壤液相比），有效增加土壤蓄水能力，并且提升土壤表層有機碳含量（連續16 a秸稈覆蓋免耕后耕層土壤有機碳含量較2004年提高15.11%），對土壤功能的綜合提升起到積極作用。

3）長期秸稈覆蓋免耕在改善土壤結構功能的同時，維持了土地生產力，為黑土生產力的可持續發展提供重要支撐。

黑土的保護性耕作模式目前已有很多相關報道，但都存在連續時間短，不連續實施等問題，只有通過長期連續監測才能更深刻地反映出保護性耕作對土壤結構、功能和作物產量等指標的影響過程。本研究僅對土壤結構功能等指標進行初步分析，未來更需進一步研究分析，深入揭示保護性耕作的長期效應，特別是保護性耕作措施的區域適宜性評價也是決定保護性耕作推廣的重點，未來仍需通過對不同模式下保護性耕作進行長期監測，以便為回答保護性耕作是否適宜大面積推廣提供科學依據。

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Changes of soil structure and function after 16-year conservation tillage in black soil

Guo Mengjie1, Li Jianye2, Li Jianyu1, Qi Jiarui1, Zhang Xingyi1,2※

(1.,,150030,;2.,,,150081,)

Black soil rich in organic matter is one of the most fertile soils in Northeast China, one of the four largest black soil regions in the world. However, the structure and function of black soil have seriously deteriorated after long-term cultivation in recent years. Much effort has been made to ensure the sustainable development of black soil. However, most previous studies were focused on the soil structure and nutrients in the year of the experiment. In this study, a systematic investigation was performed on the soil structure and function during the whole growth period of crops, thereby elaborating the dynamic evolution after the long-term conservation tillage. A field test was also conducted in the Hailun Monitoring and Research Station of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences (47°26′N, 126°38′E), located at the Hailun City, Heilongjiang Province, the center of the typical Mollisols zone in Northeast China. Taking the corn-soybean rotation black soil as the research object, four tillage treatments were set (conservation tillage: NT (No-tillage with straw returning), RT (Reduced-tillage); traditional tillage: MT (Moldboard-tillage), Rot (Rotary-tillage)) during the different growth periods of soybean (SS (Seedling stage), FlS (Flowering stage), FiS (Filling stage), and MS (Maturity stage)). Some parameters were measured, including the soil bulk density, porosity, water status, and water-stable aggregate content in response to tillage. Once the soybean matured, the soil samples were collected to quantitatively characterize the soil organic carbon in the vertical direction of different tillage treatments, and the soil moisture infiltration rate in the plow layer. The results showed that: 1) The NT improved to stabilize the soil structure. The soil bulk density under the NT system was more stable than the other three treatments. The soil surface field capacity under the NT treatment was higher than that of conventional tillage during the whole growth period of soybean. The NT treatment increased the content of large aggregates on the soil surface and the Average Weight Diameter (MWD) was higher than the rest. The NT also improved the soil water infiltration, where the initial infiltration rate was 1.26 to 1.63 times that of the rest treatments. 2) The NT significantly increased the accumulation of soil surface organic carbon. Specifically, the organic carbon content of soil surface under the NT treatment was 32.59%, 30.28%, and 25.79% higher than MT, RT, and Rot treatments, respectively. 3) The NT maintained the soil productivity. In short, the long-term no-tillage with the straw returning significantly determined the soil structure and organic carbon accumulation. The NT treatment performed better the structure and organic carbon accumulation in the lower layer soil, thereby promoting the sustainable development of black soil. This finding can provide a strong theoretical basis to explore the long-term effects of conservation tillage in the black soil area of Northeast China.

soils; organic carbon; aggregates; conservation tillage; structure and function; crop yield; growth period

郭孟潔，李建業，李健宇，等.實施16年保護性耕作下黑土土壤結構功能變化特征[J]. 農業工程學報，2021，37(22)：108-118.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.012 http://www.tcsae.org

Guo Mengjie, Li Jianye, Li Jianyu, et al. Changes of soil structure and function after 16-year conservation tillage in black soil [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 108-118. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.012 http://www.tcsae.org

2021-03-31

2021-10-10

國家重點研發計劃項目（2021YFD1500800）

郭孟潔，研究方向為保護性耕作。Email：qiaqiatt@163.com

張興義，博士，研究員，研究方向為黑土生態。Email：zhangxy@iga.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.012

S126

A

1002-6819(2021)-22-0108-11