短期翻耕和有機物還田對東北暗棕壤物理性質和玉米產量的影響

李 娜，龍靜泓，韓曉增，張鳳琴，雷琬瑩，盛 明，韓智勇

（1. 中國科學院黑土區農業生態重點實驗室，中國科學院東北地理與農業生態研究所，哈爾濱 150081；2. 中國科學院大學，北京100049；3. 黑河市愛輝區農業技術推廣站，黑河 164300；4. 國家環境保護水土污染協同控制與聯合修復重點實驗室，成都理工大學生態環境學院，成都 610059）

0 引 言

東北黑土地肥力高，結構良好，適宜作物生長，是“耕地中的大熊貓”。東北黑土區也是中國的糧食主產區，糧食產量占全國糧食產量的五分之一以上，是國家糧食安全的“壓艙石”。但是，近年來，黑土大規模、高強度的開墾利用，化肥施用量劇增，而秸稈和有機肥還田量很少，這導致黑土地資源退化明顯，量在減少、質在退化，土壤養分流失嚴重；同時，由于黑土質地一般較黏重，為節約成本而長期采用連年淺耕的耕作措施，土壤物理結構更差，土壤緊實，犁底層增厚，耕層變淺，造成土壤的水、肥、氣、熱性質傳導和運移轉化受阻，作物生長受限，致使玉米產量降低[1]。因此，改善耕層土壤物理結構，打破犁底層，增加耕層水分和養分有效庫容[2]，是解決糧食穩產增產技術瓶頸，保證黑土地戰略地位和黑土區農業可持續發展的重要舉措。

暗棕壤是東北黑土區主要的土壤類型之一，主要分布于黑龍江省、吉林省及內蒙古自治區東部山區、半山區及低山丘陵區，根據第二次土壤普查結果，暗棕壤總面積約3 200 萬hm2[3]，是東北主要糧食產區。暗棕壤表層的肥沃土層較薄，一般25～28 cm，在28～35 cm深度出現一個明顯的分層現象，下層的養分含量和土壤結構性質顯著降低。長期不合理耕作，也使得暗棕壤15～20 cm土層存在明顯的犁底層，是制約作物生產和糧食產量增加的主要限制因子。

作物秸稈或有機物還田是目前被廣泛采用的高成效低成本的培肥土壤的農藝措施，減少環境污染的同時還能有效改善土壤結構[4]，降低土壤容重、增加土壤孔隙度，為微生物和作物根系提供良好的生長環境[5]，促進土壤水肥氣熱的傳導和輸送[6]，同時還田的有機物料通過微生物的分解，釋放出供作物生長需要的營養元素，為土壤微生物和作物根系增加了食物來源，進一步反饋增強土壤養分庫容，培肥土壤[7]，提高作物產量[8]。目前常用的有機物還田方式主要包括免耕覆蓋、淺翻混入、深翻混入和深埋等，還田有機物的種類主要為作物秸稈和有機糞肥。將作物秸稈翻埋還田（埋入地表下20～35 cm土層內），僅是改善了該土層的土壤容重和提高了有機質含量[7,9]，短期內對全耕層的土壤性質并未改善。前人研究發現深翻和有機物全耕層深混還田是構建適宜作物生長的肥沃耕層的主要農藝措施[3,10-12]。深翻可打破土壤犁底層，配合秸稈或有機肥深混還田已被證實在沙性土壤[10]、黑土[13]、褐土[12,14]和潮棕壤[15]中均可改善土壤物理結構，優化土壤三相比，進而培肥土壤，提高作物產量。但在暗棕壤地區是否也能采取深翻打破犁底層，通過向土壤中深混秸稈或有機肥來改善土壤物理屬性、培肥土壤、提升土壤產能，尚不清楚。特別是同時對比研究淺翻和深翻、有機物是否還田下土壤物理性質、作物產量及產量構成因素，進一步優化耕作和有機物還田措施方面的研究更少。

為此，本研究以第四季溫帶上廣泛發育的暗棕壤為研究對象，基于不同的翻耕深度和有機物還田田間對比試驗，將已在典型中厚黑土區的耕層構建技術[3,13]應用于暗棕壤地區，通過打破犁底層，分析不同翻耕和有機物還田方式組合對土壤物理性質，包括容重、孔隙度、飽和含水量、田間持水量、土壤三相比、>0.25 mm水穩性團聚體比例的影響，闡明短期不同耕作培肥措施對暗棕壤土壤物理性質的影響，探討不同翻耕和有機物還田對農作物產量及產量構成要素的影響，以期指導構建適合當地種植模式的沃土培肥黑土技術模式，為東北農田黑土區構建適宜的耕層提供理論和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗設置于黑龍江省黑河市愛輝區農業示范園區內（50°15′ N，127°27′ E），海拔600 m，屬寒溫帶大陸性季風氣候，春季氣溫不穩定，干旱多風，夏季溫熱多雨，秋季涼爽舒適，冬季嚴寒、漫長而干燥，冬長夏短、四季分明。年均氣溫-1.3～0.4 ℃，多年平均降水量為500～600 mm，無霜期110～120 d，有效活動積溫1 950～2 300 ℃，日照時數為2 560～2 700 h。觀測數據顯示，黑河市愛輝區2019年和2020年降水量分別為533和885 mm，分別為降水正常年和豐水年。土壤類型屬于草甸暗棕壤，分布在低山和丘陵區。0～50 cm剖面土壤基本肥力指標見表1，屬于肥力較高的土壤；土壤質地為壤土，整個土壤剖面在28～35 cm處呈現較明顯的分層現象，表層為富含腐殖質的暗灰色黏壤土，略有團粒結構，表層以下為AB層，呈灰棕或灰色，團塊結構，再向下為棕黃色的B層，在此層中常出現有鐵銹、鐵錳結核或灰色條紋，具有草甸化過程的特征。黏土礦物以水云母為主，伴有蛭石和高嶺石，蒙脫石較少。當地種植制度主要以一年一熟的玉米或大豆為主，土壤耕作多采用淺旋耕，作業深度10～15 cm。

表1 試驗地暗棕壤基本性質Table 1 Basic soil properties of Dark Brown soil in studied area

1.2 試驗設計

采用隨機區組設計，設置8種不同耕層構建模式田間處理，如表2所示。本試驗中腐熟牛糞和玉米秸稈的有機質質量分數分別為14.5%和44.2%，全氮質量分數分別為0.38%和0.65%。為保證所有處理等碳量還田，氮素不作為本試驗考慮因素，有機物在田間處理中與土壤均勻混勻。每個小區6 m×4 m，種6壟，4次重復，隨機排列，處理重復間留有1 m的保護行，試驗區總面積896 m2。2019年5月11日坐水播種，以保證出苗率，10月4日收獲；2020年5月11日未坐水播種，10月15日收獲。玉米品種為鑫科玉1號，種植密度為7萬株/hm2，行距為65 cm，株距為20 cm。每個小區施化肥量：播種時施N、P2O5和K2O量分別為80、70和60 kg/hm2作為種肥，拔節期追施N量65 kg/hm2；作物生長期無灌溉。

表2 翻耕和有機物還田田間處理Table 2 Field treatments under different combinations of plowing and organic amendments

1.3 田間取樣、測定指標及方法

1.3.1 玉米產量及產量性狀

在玉米收獲時，從每個試驗小區隨機選取具有代表性的2壟，連續10株玉米進行測產，測定水分后，折合成公頃產量。在每個試驗小區選10株玉米果穗和3株玉米植株，帶回實驗室測定玉米產量性狀和生物量。玉米果穗按照常規方法測定穗長、穗粗、禿頂長、穗行數、行粒數、百粒質量等玉米產量性狀。地上植株貼地表切斷后全部裝入尼龍網帶；用取樣鍬挖取20 cm×20 cm×35 cm的根土混合體，盡可能抖落根上的土，裝入塑料袋全部帶回實驗室，置于0.25 mm篩中，清水洗掉泥土，和地上植株均在85 ℃下烘干稱質量，計算植株地上和地下生物量分配。

收獲指數按式（1）計算為

式中HI為收獲指數；GY為籽粒產量，kg/hm2；BY為生物產量（作物地上生物量），kg/hm2。

1.3.2 土壤理化性狀

2019年春季在試驗開始前取樣測定0～50 cm剖面的土壤基本理化性質，見表1。2019年秋季作物收獲后在每個試驗小區按照0～15、15～35 cm分層取樣，每層取土壤樣品約1 kg，風干，過篩，備用。取土樣同時用環刀取樣測定各土層土壤容重（Bulk Density，BD）、總孔隙度（Total Porosity，TP）、田間持水量和飽和含水量，每個小區測定3次重復，每個處理共9個重復。鋁盒烘干法測定土壤含水率（Water Content，WC）。2020年由于雨水太大，秋收時無法采集試驗土樣，故只測定了玉米穗部性狀和產量土壤TP、三相比等計算如下：

式中Xg為固相體積百分比（>25%），Xy為液相體積百分比（>0），Xq為氣相體積百分比（>0）；STPSD（Soil Three-phase Structure Distance）代表土壤三相結構距離，土壤三相結構越接近理想狀態STPSD越接近0；GSSI（Generalized Soil Structure Index）代表廣義土壤結構指數，土壤結構越接近理想狀態，GSSI越接近100[14,16]。

土壤水穩性團聚體分級，將風干土樣利用濕篩法[17]獲得>2 mm和2～0.25 mm水穩性大團聚體，計算各粒級團聚體的質量分數。

1.4 數據處理

文中數據采用SPSS 15.0和Origin 18.0軟件進行數據處理和制圖，不同處理以及剖面不同層次之間數據的差異顯著性采用Duncan法（新復極差法）進行比較。

2 結果與分析

2.1 肥沃耕層構建對土壤水分物理性質的影響

2.1.1 土壤容重和總孔隙度

土壤容重能反映土壤緊實度，是評價土壤質量的主要指標之一。短期不同翻耕和有機物還田在不同程度上降低了暗棕壤土壤容重（表3）。與淺翻有機物不還田對照（T15）相比，NT+SM1和NT+SM2處理0～35 cm土壤容重未顯著變化（P>0.05），T15+S顯著降低了0～15 cm耕層土壤容重，降低了15.0%（P<0.05）。土壤深翻35 cm配合有機物還田顯著降低了0～15 cm耕層和15～35 cm亞耕層土壤容重。與T15處理相比，T35+S、T35+OM和T35+S+OM處理在0～15 cm耕層土壤容重分別減少了10.0%、8.7%和15.0%，均與T15處理差異顯著（P<0.05）；隨土層深度增加，0～35 cm土層翻耕和有機物還田由于打破了犁底層，與T15處理相比，T35+S、T35+OM和T35+S+OM處理在15～35 cm亞耕層的容重分別減少9.6%、9.3%和15.7%，且差異顯著（P<0.05）。

表3 短期翻耕和有機物還田對土壤容重、總孔隙度、飽和含水量和田間持水量的影響Table. 3 Effects of short-term plowing and organic amendments on soil bulk density, total porosity, saturation water capacity and water holding capacity

2.1.2 土壤總孔隙度

根據土壤容重計算了土壤總孔隙度，翻耕和有機物還田對土壤總孔隙度的影響如表3。與土壤容重的變化趨勢相反，翻耕和有機物還田不同程度增加了土壤總孔隙度。與T15處理相比，T15+S顯著提高了0～15 cm耕層土壤總孔隙度，提高了20.3%（P<0.05），但NT+SM1和NT+SM2處理0～35 cm土壤容重均未顯著增加（P>0.05）；土壤深翻35 cm配合有機物還田顯著提高了0～15 cm耕層和15～35 cm亞耕層土壤總孔隙度。與T15處理相比，T15+S、T35+S、T35+OM和T35+S+OM處理在0～15 cm耕層總孔隙度分別增加了15.7%、13.6%、11.8%和20.4%（P<0.05）；深翻和有機物還田使15～35 cm亞耕層的土壤總孔隙度也增加，T35+S、T35+OM和T35+S+OM處理土壤總孔隙度分別增加了14.3%、14.0%和23.4%（P<0.05）。

2.1.3 土壤飽和含水量和田間持水量

短期翻耕和有機物還田對土壤飽和含水量和田間持水量的影響趨勢和總孔隙度的變化趨勢基本一致，翻耕和有機物還田下土壤飽和含水量和田間持水量不同程度增加（表3）。與T15處理相比，免耕秸稈覆蓋處理對0～35 cm整個耕層土壤的飽和含水量和田間持水量的影響不顯著（P>0.05），淺翻秸稈還田（T15+S）僅顯著提高了0～15 cm耕層土壤飽和含水量（P<0.05）。與T15處理相比，T35處理0～35 cm土壤飽和含水量和田間持水量增加不顯著（P>0.05）。在0～15 cm耕層，T35+OM和T35+S+OM處理的飽和含水量顯著高于T15和T35處理（P<0.05），特別是T35+OM和T35+S+OM增加幅度顯著高于T35+S處理；T35+OM和T35+OM+S處理的田間持水量顯著高于T15和T35處理（P<0.05）。在15～35 cm亞耕層，T35+OM和T35+S+OM處理的飽和含水量顯著高于T15和T35處理（P<0.05），T35+S，T35+OM和T35+S+OM處理的田間持水量顯著高于T15處理，特別是T35+S+OM顯著高于T35+S處理（P<0.05）。

2.1.4 土壤三相比

短期翻耕和有機物還田對暗棕壤三相比影響較大，大致趨勢表現為翻耕和有機物還田使0～15 cm耕層土壤的固相比例降低，液相比例升高，氣相比例在翻耕處理增加，在免耕處理降低；在15～35 cm亞耕層，翻耕和有機物還田使土壤固相和液相比例在翻耕處理降低，免耕處理增加，氣相比例在翻耕處理增加，在免耕處理降低（表4）。在0～15 cm耕層，與T15處理相比，T15+S、T35+S、T35+OM和T35+S+OM的固相比例顯著降低（P<0.05），以T35+S+OM處理固相比例降低幅度最大，降低了13.0%；液相比例在T15+S、NT+SM1、NT+SM2、T35+OM和T35+S+OM處理增加顯著（P<0.05），具體表現為在NT+SM2、T35+OM和T35+S+OM處理最高，其次為T15+S和NT+SM1處理，液相比例最小的是T15、T35和T35+S處理；氣相除T35和T35+S+OM外，T15與其他5個有機物還田處理均差異顯著（P<0.05），氣相比例最大的處理為T15+S和T35+S，其次為T35+S+OM、T15和T35，在NT+SM1、NT+SM2和T35+OM處理中最?。慌cT15處理相比，T15+S、T35+S、T35+OM和T35+S+OM這4個處理的STPSD指標顯著降低（P<0.05），具體大小順序為T35+S+OM、T15+S、T35+S、T35+OM；GSSI指標僅在T15+S和T35+S+OM處理中顯著增加（P<0.05）。T15+S處理0～15 cm耕層秸稈碳的還田量比T35+S和T35+OM處理0～15cm耕層碳還田量多，此時0～15 m耕層，T15+S和T35+S+OM處理的土壤三相結構最接近理想狀態。

表4 短期翻耕和有機物還田對土壤三相比的影響Table 4 Effects of short-term plowing and organic amendments on soil three phase ratio

在15～35 cm土壤亞耕層，與T15相比，T35+S、T35+OM、T35+S+OM固相比例顯著降低（P<0.05）；液相比例在NT+SM1和NT+SM2顯著增加，在T35+OM和T35+S+OM顯著降低（P<0.05）；氣相比例在T35+S、T35+OM和T35+S+OM顯著增加，在NT+SM1和NT+SM2顯著降低（P<0.05）；STPSD指標在T35+OM和T35+S+OM顯著降低，GSSI指標亦在T35+OM和T35+S+OM處理顯著增加（P<0.05），說明T35+S+OM和T35+OM處理下土壤結構最接近理想狀態。

2.1.5 土壤>0.25 mm水穩性團聚體含量

土壤中>0.25 mm水穩性團聚體（WSA>0.25）含量被認為是評價土壤物理結構的主要指標之一，其含量越高，說明土壤結構越穩定，抗侵蝕和水土流失能力越強[20]。本研究中，短期翻耕和有機物還田下土壤WSA>0.25含量如圖1。

由圖1可知，在0～15 cm耕層，與T15處理相比，>2 mm團聚體比例在NT+SM1、NT+SM2、T35+OM和T+S+OM處理中增加顯著，2～0.25 mm團聚體比例在T15+S、T35+S、NT+SM2、T35+OM和T35+S+OM處理中增加顯著（P<0.05），在其他處理增加不顯著；15～35 cm亞耕層中WSA>0.25含量均低于耕層土壤中的含量，與T15相比，所有處理>2 mm粒徑大團聚體均無顯著變化，2～0.25 mm團聚體含量僅在T35+S、T35+OM和T35+S+OM處理中顯著增加（P<0.05），說明深翻對亞耕層土壤水穩性大團聚體的影響更顯著。

2.2 短期翻耕和有機物還田對玉米產量及產量構成的影響

2.2.1 玉米產量、收獲指數和產量構成因素

短期翻耕和有機物還田對玉米產量和收獲指數的影響見表5。整體而言，2019年玉米產量和收獲指數均顯著大于2020年，這說明在不同類型降雨年份下深翻和有機物還田對寒地玉米產量有顯著影響。在降水正常年份（2019年），與T15相比，深翻35 cm秸稈或有機肥還田短期內玉米產量差異顯著（P>0.05）；免耕覆蓋處理NT+SM2顯著降低了玉米產量（P<0.05）；T35+OM和T35+S+OM處理的玉米產量顯著高于免耕NT+SM1和NT+SM2處理（P<0.05），可能說明在該地區，免耕秸稈覆蓋在短期內不能提高玉米產量。與T15處理相比，在降水正常年（2019年），T35+S、T35+OM與T35+S+OM處理玉米產量差異不顯著（P>0.05）；在豐水年（2020年），T15+S和T35+S+OM處理玉米產量和收獲指數增加最顯著，分別增加了27.6%～37.0%和22.75%～28.57%（P<0.05）。所有田間處理的收獲指數在2019年和2020年分別在0.47～0.54和0.35～0.45之間，2020年由于降水偏多導致收獲指數較降水正常年份偏低（P<0.05），2019年處理之間差異不顯著（P>0.05）。

表5 短期翻耕和有機物還田對玉米產量構成、產量和收獲指數的影響Table 5 Effects of short-term plowing and organic addition on maize yield components, maize yield and harvest index

玉米產量構成因素在不同翻耕和有機物還田處理中存在差異（表5），其中，所有處理在2019正常年和2020豐水年玉米的穗粗、穗行數和百粒質量差異不顯著（P>0.05），穗長、禿頂長、行粒數和籽粒產量在田間處理和年份間均存在顯著差異（P<0.05）。具體來講，與T15處理相比，只有T35+OM和T35+S+OM處理的玉米穗長顯著增加（P<0.05）；2020年T15+S處理與T35+OM和T35+S+OM處理的玉米穗長差異顯著（P<0.05），其他處理間差異不顯著。玉米禿頂長的變化規律與穗長有所不同。與T15處理相比，2019正常年，2個免耕處理禿頂長顯著增加（P<0.05），而T15+S、T35+OM和T35+S+OM處理禿頂長顯著減少（P<0.05）；在2020豐水年，各處理玉米禿頂長在T35+S+OM處理中最大，其次為T35+OM，NT+SM1和NT+SM2，均與T15處理差異顯著（P<0.05）。玉米行粒數的變化與穗長和禿頂長度存在必然聯系，穗越長，禿頂長越短，行粒數就越多。行粒數年際間顯著差異（P<0.05），在2019年，T35+OM和T35+S+OM處理的行粒數顯著高于其他處理（P<0.05）；在2020年，T35+OM處理行粒數顯著高于T15+S（P<0.05），其他處理間差異均不顯著。相關分析表明，玉米產量與行粒數和穗長呈極顯著正相關（r=0.892**和0.814**），與禿頂長呈顯著負相關（r=?0.722*）。這表明，翻耕和有機物還田提高暗棕壤玉米產量，在產量構成因素方面主要是穗長增加、禿頂長降低和行粒數顯著提高。

2.2.2 玉米地上地下生物量分配

進一步分析了玉米收獲期地上和地下生物量的分配特征（表6），發現短期翻耕和有機物還田改變了玉米地上和地下生物量分配格局，各處理之間地上生物量無顯著差異，翻耕和有機物還田主要影響了地下根系和籽粒的生物量。深翻35 cm和有機物還田促進了玉米主根系的生長，翻耕后地下根系生物量增加，其中T15+S和T35+S處理根系增加顯著高于T15處理（P<0.05），但未顯著增加籽粒產量；而深翻35 cm和有機物還田提高了籽粒生物量，以T35+OM增加最顯著（P<0.05）。這說明，相比秸稈，腐熟的牛糞還田短期內可更快速提高作物產量，是快速提升土壤產能的主要措施。

表6 短期翻耕和有機物還田對玉米生物量分配的影響Table 6 Effects of short-term plowing and organic addition on biomass allocation

3 討 論

3.1 翻耕耦合有機物還田對土壤物理性質的影響

免耕減少了人類活動對土壤的攪動，土壤碳損失降低，是目前公認比較好的保護土壤的農藝措施[18]。免耕處理由于土壤顆粒的自然沉降，加上春播和秋收的機械壓實，耕層的土壤容重一般高于翻耕處理，總孔隙度低于翻耕處理[18]。本試驗結果發現與T15常規耕作處理相比，免耕1 a后土壤容重、孔隙度、飽和含水量和田間持水量的變化不顯著，這與前人研究結果不一致，可能由于試驗時間短，土壤自然沉降和壓實還不明顯，同時，覆蓋地表的秸稈也會腐解進入土壤，抵消土壤顆粒壓實對土壤容重和孔隙度的影響（表3）。免耕秸稈覆蓋對土壤物理性質的影響仍需要長時間序列的試驗研究來驗證。

翻耕和有機物還田可顯著影響土壤物理屬性，特別是對于比較黏重的黑土，影響更明顯[12]。與15 cm常規淺耕處理相比，深翻35 cm可有效打破犁底層，將全耕層土壤混勻，深翻的同時在全耕層中施入作物秸稈或有機肥，這些秸稈或有機肥在土壤中扮演“楔子”的角色[19]，會顯著降低了耕層和亞耕層土壤容重，增加土壤15～35 cm總孔隙度（表3）。這些外源有機物質一般含有較高的纖維素和可利用養分含量，容重較低[6]，進入土壤后與土壤混合能有效降低土壤容重；同時，秸稈或有機肥的疏松結構會增加土壤通透性，還具有較大的吸水特性，進而增強土壤的導水能力和蓄水能力（表3），顯著改善土壤的固液氣三相比（表4），對改善暗棕壤土壤物理結構的短期效果很明顯。翻耕加有機物還田處理下亞耕層土壤的三相比也更優于常規淺翻有機物不還田處理，這也說明翻耕同時配施秸稈或有機肥是快速有效改善深層土壤結構的技術措施。韓曉增等[10]在內蒙古沙性土中添加腐熟的牛糞，發現添加牛糞可顯著減少土壤容重，增加總孔隙度、田間持水量和飽和持水量，配肥耕層土壤；李曉龍等[16]研究表明，深翻秸稈還田比常規淺翻具有較大的GSSI值和較小的STPSD值，耕層土壤結構更加接近理想狀態，可有效地改善土壤物理結構，特別是20～40 cm土層的GSSI和STPSD均顯著優于對照處理；白偉等[14]在遼西褐土區也發現虛實并存和全虛耕層構造下20～30 cm深層土壤的三相比優于上虛下實耕層和全實耕層構造處理。本研究中，與T15處理相比，翻耕和有機物還田對土壤三相比影響顯著（P<0.05），0～15 cm耕層土壤的三相比以T35+S+OM和T15+S為宜，15～35 cm土壤的三相比以T35+S、T35+OM和T35+S+OM優于其他處理。

土壤WSA>0.25含量也可反映土壤物理結構[20]。秸稈和有機肥還田通過向土壤中增加外源有機物輸入量，提高了土壤的微生物活性，微生物分泌的多糖等膠結物質更有利于大團聚體的形成，使土壤中WSA>0.25含量增加，土壤結構穩定性更好[21]（圖1）。在本研究中，與T15處理相比，NT+SM1和NT+SM1處理0～15 cm耕層的WSA>0.25含量增加，而15～35 cm亞耕層的WSA>0.25含量降低（圖1），說明免耕秸稈覆蓋降低了對土壤的攪動，能顯著增加表層土壤中WSA>0.25[4,22]。但15 cm淺翻或免耕僅能對耕層土壤團聚體水穩性的提升效果較好，由于未打破犁底層，根系分泌物和外源有機物很難進入到亞耕層或深層土壤，無法影響亞耕層或深層土壤WSA>0.25團聚結構。深翻35 cm有機物不還田處理使深層結構較差的土壤上移，表層結構較好的土壤下移，導致耕層WSA>0.25降低，亞耕層WSA>0.25升高。且由于深翻打破了犁底層，促進了作物根系生長，通過根系沉積碳歸還增加了耕層土壤有機質含量，根系和根系的分泌物也能夠促進WSA>0.25團聚體的形成[8,19,23]。在本試驗中，深翻的同時混入秸稈或者牛糞增加了土壤中的有機質含量，能膠結促進大團聚體的形成，0～35 cm整個耕作層的土壤WSA>0.25的性質均得到了提升，同時亞耕層土壤的孔隙增大，土壤三相結構（STPSD和GSSI）顯著改善，土壤WSA>0.25含量也顯著增加（表4，圖1）。有機物在0～35 cm土層深混過程中將更多的有機物帶入土壤，促進了微生物生長，形成土壤有機質在深層土壤中積累穩定[24]。T35+OM處理中牛糞深混還田處理比T35+S處理中秸稈深混還田處理對耕層和亞耕層土壤WSA>0.25增加幅度更高，主要是因為秸稈還田當年并不能全部腐熟進入土壤，而腐熟的牛糞中半分解或分解后可利用性的養分更高，能直接快速被微生物利用并參與土壤的團聚化過程和養分循環過程，短期內改善土壤物理結構的效果優于秸稈還田。

3.2 翻耕和有機物還田對作物產量的影響

近年來，關于耕層構建與作物產量、作物收獲指數方面的研究更多注重于多元耕作方式上，特別是在干旱半干旱地區開展不同耕層構建方式對作物產量的影響的研究越來越多[10,12,14]。本試驗在暗棕壤上構建不同的肥沃耕層，通過連續2 a的實測數據，發現短期翻耕和有機物還田方式對玉米產量及產量構成因素的影響顯著（P<0.05），2020年深翻35 cm配合秸稈或有機肥還田能夠不同程度增加玉米產量和作物收獲指數，同時，玉米產量與行粒數和穗長呈極顯著正相關（r=0.892**和0.814**），與禿頂長呈顯著負相關（r=?0.722*）。由此表明，翻耕和有機物還田不同程度提高了玉米產量，特別是深翻35 cm牛糞還田和深翻35 cm牛糞合秸稈同時還田處理玉米產量增加顯著，在產量構成因素方面主要是穗長增加、禿頂長降低和行粒數顯著提高（表5）。白偉等[12]在遼西半干旱地區開展的不同耕層構建試驗結果也發現虛實并存耕層（深翻秸稈還田）可顯著增加玉米百粒質量，比上虛下實耕層（淺翻秸稈還田）平均增產16.4%，并提高收獲指數；馮倩倩等[25]研究表明，虛實并存耕層能增加作物有效穗數、穗粒數、千粒質量等產量構成因素，進而增加籽粒產量；免耕下的全實耕層顯著降低穗粒數和千粒質量，不利于作物增產。不同的耕作方式也通過影響作物根系在土壤中的生長發育，間接影響作物產量[12,26-27]。本研究中，也發現免耕秸稈覆蓋處理下的全實耕層短期內降低了暗棕壤的玉米產量（表5）。本文中發現深翻同時秸稈和/或有機肥還田可顯著增加亞耕層土壤孔隙度，改善全耕層土壤物理結構性質，主要原因一是外源有機物還田增加了外源可利用有機物含量，供作物根系吸收利用的營養物質增加；二是為作物根系創造了更加適宜生長的土壤結構系統，促進作物根系的生長，進而提高作物產量。鄒洪濤等[28]研究表明，深松與傳統淺旋耕相比產量提高10.5%；劉武仁等[11]研究表明，行間深松分別比旋耕和全方位深松增產20.1%和4.1%。

不同耕層構造方式對旱作區玉米籽粒產量的影響與作物生育期降雨的數量與分布息息相關，在降水不同的年份表現也不同[12]。由于2020年降水量比歷史降水量偏高，2020年作物產量顯著低于2019年，相比淺翻15 cm秸稈還田處理，深翻35 cm處理減產，深翻增加了亞耕層土壤的孔隙度，作物根系不能扎實生長，體現了深翻處理對產量影響的后效性，與白偉等[12]深翻后全虛耕層在豐水年出現減產的結果相一致，但與正常年份增產作用明顯結果不一致，這是因為影響作物產量的因素很多，區域氣候條件、積溫、土壤類型都可能是導致差別的原因。豐水年份淺翻秸稈還田和深翻配合牛糞還田可提高作物產量。

4 結 論

1）相比淺翻15 cm處理，深翻35 cm可有效打破犁底層，同時輔以全耕層中施入作物秸稈或有機肥，可顯著降低全耕層土壤容重，增加土壤總孔隙度，優化土壤三相比結構、提高土壤>0.25 mm水穩性團聚體含量；在0～15 cm耕層，以T35+S+OM和T15+S處理效果最佳，在>15～35 cm亞耕層以T35+S、T35+OM和T35+S+OM處理效果優于其他處理；

2）作物產量受短期翻耕和有機物還田影響，且在降水正常年和豐水年存在差異。與T15處理相比，在降水正常年，不同的翻耕和有機物還田對作物產量影響不顯著，但在豐水年，T15+S和T35+S+OM處理可顯著增加玉米產量和作物收獲指數；

3）與T15處理相比，短期免耕對土壤容重、孔隙度、飽和含水量和田間持水量的影響不顯著，但顯著降低了全耕層土壤的氣相比例，增加了液相的比例，亞耕層土壤水穩定團聚體含量降低，可導致玉米減產；

4）基于2 a的田間試驗發現深翻配合秸稈或牛糞還田能顯著改善土壤物理結構，優化土壤三相比，通過增加玉米的穗長和行粒數、減少禿頂長使豐水年玉米增產和提高收獲指數，可指導中國東北北部暗棕壤地區肥沃耕層構建技術和效果評價。