实施16年保护性耕作下黑土土壤结构功能变化特征

郭孟洁，李建业，李健宇，齐佳睿，张兴义,

实施16年保护性耕作下黑土土壤结构功能变化特征

郭孟洁1，李建业2，李健宇1，齐佳睿1，张兴义1,2※

（1. 东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2. 中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土区农业生态院重点实验室，哈尔滨 150081）

通过东北典型黑土区旱作平地连续16 a保护性耕作田间长期定位试验，研究保护性耕作实施后对土壤结构功能的影响，分析土壤结构功能的生育期动态特征及其与土壤有机碳的相关关系，探究作物产量变化的原因。以玉米-大豆轮作黑土农田为研究对象，设置4个耕作处理：秸秆覆盖免耕（No-tillage with straw returning，NT）和少耕（Reduced-tillage，RT）保护性耕作；平翻（Moldboard-tillage，MT）和旋耕（Rotary-tillage，Rot）传统耕作，探讨大豆幼苗期（Seeding-stage，SS）、开花期（Flowing-stage，FlS）、鼓粒期（Filling-stage，FiS）和成熟期（Maturing-stage，MS）耕层0～20 cm土壤容重、孔隙度、水分状况以及水稳性团聚体含量对耕作方式的响应。在大豆收获后取样测定不同耕作处理土壤有机碳的垂直分布和地表土壤水分入渗速率。结果表明：1）NT改善并稳定土壤结构。NT可以保持容重在生育期内的相对稳定；NT可以有效克服机械压实作用；表层土壤NT水稳性大团聚体（>0.25 mm）含量最多，平均重量直径（Mean Weight Diameter，MWD）高于其他耕作处理。2）NT提高土壤持水蓄水能力。NT增加表层0～5 cm土壤田间持水量；NT改善地表土壤水分入渗，整体初始入渗速率为其他处理的1.26～1.63倍，非种植带处稳定入渗速率为其他处理的2.24～6.63倍。3）NT显著增加土壤表层0～5 cm有机碳的积累，NT分别比MT、RT和Rot处理高32.59%、30.28%和25.79%。4）NT不会导致作物减产。长期连续保护性耕作尤其是秸秆覆盖免耕在改善土壤的结构功能，并显著增加表层土壤有机碳积累的同时，维持土地生产力，有效克服保护性耕作短期不良效应，提升黑土质量的作用明显。

土壤；有机碳；团聚体；保护性耕作；结构功能；作物产量；生育期

0 引 言

黑土是世界上最肥沃的土壤之一[1]，有机质含量高，适宜农耕，具有较高的作物生产潜力。作为世界四大片黑土区之一的中国东北黑土区，是中国重要的商品粮生产基地[2]，生产了全国四分之一的粮食和三分之一的商品粮，是中国粮食安全的压舱石，黑土地被誉为“耕地中的大熊猫”，对保障国家粮食安全和生态安全具有重要意义。但东北黑土地自开垦以来，连续种植高产作物，采用重用地轻养地的掠夺式生产方式，耕作方式单一，长期采用平翻、旋耕等传统垄作方式，对耕层土壤产生强烈扰动，加速耕层土壤有机质的矿化和养分的损耗，导致土壤肥力和土壤有机质含量迅速下降，加之严重的机械压实作用，导致黑土出现严重退化，黑土层变薄，结构功能变差[3-5]，阻碍黑土农田的可持续利用与发展。

为防治土壤退化，中国早在20世纪60年代，黑龙江国营农场开始试验小麦免耕播种[6]；20世纪80年代，陕西省农业科学院研发了“旱地小麦高留茬少耕全程覆盖技术”[7]；20世纪90年代，山西省农业科学院研发了“旱地玉米免耕整秆覆盖技术”[8]，2005年，中央一号文件提出“改革传统耕作方法，发展保护性耕作”，将发展保护性耕作上升为国家政策[9]。但保护性耕作在东北黑土区的初步推广结果表明，实施秸秆覆盖免耕会导致作物减产[10-12]。Chen等[10]在东北黑土区平地进行了5 a的耕作试验，研究得出相对于传统耕作，玉米减产28.4%；郭晓霞等[11]在内蒙古栗褐土上发现，实施免耕后2年，作物出现产量不稳定甚至减产现象。其中，秸秆覆盖导致土壤温度降低，影响出苗率，在典型黑土冷凉区，温度是限制作物生长的主要影响因子，秸秆覆盖降低温度对于该地区影响更为敏感，被认为是导致作物减产的主要原因[13]，很大程度限制了保护性耕作在黑土区的推广应用。由于保护性耕作具有改善土壤质量，增加土壤有机质的作用，在部分区域通过长期秸秆覆盖免耕，甚至出现作物产量较传统耕作增加的情况，Hussain等[14]在美国的伊利诺斯州进行了8 a的免耕试验认为，玉米与大豆轮作实施免耕，大豆产量可以提高15%；高燕等[15]在东北黑土区进行了16 a的保护性耕作试验，发现玉米产量免耕显著高于传统耕作。但上述试验均布置在非典型黑土冷凉区，而在典型黑土冷凉区尚缺乏长期定位试验数据支撑。

因此，本文基于长期黑土地田间定位试验，对比分析实施16 a保护性耕作后，保护性耕作与其他耕作措施对土壤结构和功能的生育期动态及有机碳含量的影响，揭示长期保护性耕作措施后黑土结构和功能的季节变化，探究连续保护性耕作后作物产量变化的原因，旨在探究保护性耕作在东北黑土生产潜力的长期效应机制，为选择适合东北黑土区的保护性耕作方式，保证黑土生产力的可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验设在中国科学院海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站（47°26′N，126°38′E）试验田，地面平整，无水土流失。研究区属北温带大陆性季风气候，多年平均气温1.5 ℃，年平均降雨量530 mm，主要集中在7—9月，无霜期125 d[10]，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，雨热同季。土壤为典型黑土，是在第四纪形成的黄土状母质上发育起来的地带性土壤，质地较黏重，渗透能力弱，毛管水运移速率较慢，土壤持水和保水能力较强，储水库容较大，2004年耕层（0～20 cm）土壤基本理化性状如下：容重为1.15 g/cm3，土壤含水率为20.20%，有机碳含量为24.42 g/kg，砂粒（2～0.02 mm）、粉粒（<0.02～0.002 mm）和黏粒（<0.002 mm）3个粒级的占比分别为29.92%、29.41%和40.67%。

1.2 长期田间定位试验

2004年秋开展长期田间定位试验，设有2种保护性耕作措施（秸秆覆盖免耕和少耕）和2种传统耕作措施（平翻和旋耕）。试验小区采取随机区组布设，每个处理3次重复，共计12个试验小区，小区面积为336 m2（40.0 m×8.4 m，12垄），每个小区间留有4 m机耕路，各小区均实施玉米—大豆轮作。偶数年种植作物为大豆，品种为东生1号，奇数年种植作物为玉米，品种为龙玉10号。

根据习惯性操作方式，除免耕措施外，其他3种耕作方式均移除秸秆并实施垄作，垄台高出地面15～20 cm，相邻2个垄台之间距离70 cm。具体耕作措施实施情况如下：

1）秸秆覆盖免耕（NT）：秋收后将秸秆粉碎全部覆盖于地表，第二年春季使用免耕播种机进行播种和施肥，人工施用除草剂进行化学除草，不进行任何中耕作业和秋平地。

2）少耕（RT）：大豆茬原垄越冬，春季直接播种；玉米茬秸秆移除后秋旋耕起垄，使用播种机传统播种。

3）平翻（MT）：秋收后秸秆移出，秋翻耕20 cm，耙平后起垄。

4）旋耕（Rot）：秋收后秸秆移出，直接旋耕起垄。

所有小区均按照农民常规施肥方式实施相同的施肥措施。大豆于5月初进行人工点播纯氮肥20.25 kg/hm2（以N计）、纯磷肥51.75 kg/ hm2（以P计）、纯钾肥15 kg/hm2（以K计）；玉米于5月初进行人工点播纯氮肥69 kg/hm2（以N计）、纯磷肥51.75 kg/hm2（以P计）、纯钾肥15 kg/hm2（以K计），6月末追施纯氮肥69 kg/hm2（以N计）。

1.3 试验过程及指标获取

1.3.1 耕作措施对土壤结构功能的影响

2020年开展试验研究不同耕作措施对土壤结构功能的影响。2020年种植大豆，分别在幼苗期（Seeding-stage，SS）、开花期（Flowing-stage，FlS）、鼓粒期（Filling-stage，FiS）和成熟期（Maturing-stage，MS）取样测定和计算土壤相关指标。待测定和计算的土壤结构功能指标包含容重、非毛管孔隙度、孔隙度、含水率、土壤三相比（固相∶液相∶气相）、水稳性大团聚体含量、团聚体平均重量直径（Mean Weight Diameter，MWD）、田间持水量、入渗速率、土壤有机碳。

1）容重和含水率：使用高5 cm，体积100 cm3的环刀分别于每个小区中部的垄台和垄沟处取样，NT在种植带和非种植带取样，采集深度为0～20 cm，每5 cm分层取样。烘干法[16]测定并计算容重和含水率。

2）田间持水量、孔隙度和非毛管孔隙度：与土壤容重同步用环刀采集土壤样品，室内采用环刀浸泡法[17]测定和计算田间持水量、孔隙度及非毛管孔隙度。

3）水稳性大团聚体含量和平均重量直径：使用五点法分别于每个小区的垄沟和垄台处通过剖面法采集深度为0～5、>5～10、>10～15、>15～20和>20～40 cm的土壤样品。室内风干后混匀称取自然风干土样50 g，真空慢速浸提法[18]测定，利用土壤团粒分析仪（DIK-2001，日本）进行湿筛测定，套筛自上而下孔径分别为5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm。用于计算水稳性大团聚体含量和平均重量直径。

4）入渗速率：双环法[19]测定。分别测定垄台和垄沟地表土壤入渗，记录初始加水量，分别记录1、2、3、4、5、7、9、11、13、15、20、25、30、35、40、50和60 min时的入渗水量。

5）土壤有机碳：秋收后在每个小区垄沟和垄台中间位置通过土钻法分层采用，0～20 cm每5 cm采一次样，20～100 cm每20 cm采一次样，每个土壤样品200 g左右，自然风干研磨过筛后采用全自动元素分析仪（EA3000，意大利）进行测定。

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

非毛管孔隙度（Non-Capillary Porosity，NCP）计算公式为NCP=（1-2）/×100%；孔隙度（Porosity，P）计算公式为=（1-3）/×100%；含水率（Moisture Content，MC）计算公式为MC=（0-3）/×100%；田间持水量（Field Capacity，FC）计算公式为FC=（2-3）/3×100%，其中，0为环刀内原状土鲜质量，1为原状土吸水饱和质量，2为1去重力水后质量，3为烘干至恒质量后土壤质量，g；为环刀体积，cm3。

土壤大团聚体含量（WR0.25）[21]计算公式为

土壤水稳性团聚体团聚体平均重量直径（Mean Weight Diameter，MWD）[21]计算公式为

式中x为级别团聚体的平均直径，mm；w为级别团聚体的质量百分含量，为总粒径级别数量；为≥0.25 mm粒径级别数量。

1.3.2 耕作措施对作物产量的影响

为了分析长期耕作措施对产量的影响，于2017年10月—2020年10月（2017年—2020年平均气温分别为2.7、2.9、3.9、3.6 ℃，年降雨量分别为352.8、627.4、568.0、699.8 mm）作物成熟后分别于每个小区随机采集5个1 m2样方内所有作物籽粒，测定每种处理下1 m2的平均籽粒鲜质量。每个样方所收籽粒中取100粒利用烘干法[12]测定其含水率。用于计算不同处理下作物籽实产量。大豆和玉米测产方式相同。

作物产量计算公式为

=4/5·×10 000 （3）

式中为作物产量，kg/hm2；为1 m2内籽粒鲜质量，4为百粒鲜质量，5为百粒干质量，kg。

1.4 数据处理

用Excel 2016进行数据处理，用SigmaPlot12.5软件进行图表处理，用Spss22.0软件进行数据分析，用最小显著差法（Least-significant Difference，LSD）进行平均数之间的差异分析。

2 结果与分析

2.1 土壤结构功能变化

表1为连续16 a耕作处理前后0～20 cm耕层土壤的结构功能差异。由表可知，经过连续16 a不同耕作处理后，各处理下耕层土壤容重较2004年均显著增加（<0.05），增幅为5.22%～7.83%，其中以NT处理增幅最小（5.22%）。各处理下耕层土壤田间持水量较2004年也均有所增加（<0.05），其中以NT处理增幅最大（15.26%）。与2004年相比，NT增加耕层土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）含量15.11%（<0.05），且经过连续16 a不同耕作处理后，NT处理下的耕层SOC含量显著高于其他3种处理（<0.05）。

2.2 土壤物理结构生育期动态及其差异

2.2.1 容重、孔隙度和三相比生育期动态

图1为不同耕作方式下土壤容重的季节变化。分析结果得出，在垄台处，SS阶段，NT处理下>5～10 cm土层的容重显著高于其他3种耕作处理（<0.05），分别比MT、RT和Rot处理高13.89%、17.14%和13.89%；FlS阶段，NT处理下0～5 cm土壤的平均容重较SS阶段下降18.10%，其他3种处理之间与SS阶段无明显差异；FiS阶段，NT处理下垄台0～10 cm的平均容重比MT处理下的平均容重大14.49%；MS时期，垄台0～10 cm表现出Rot处理下的容重显著低于其他3种处理（<0.05）。

表1 2004年和2020年耕层土壤结构功能对比

注：CT，传统耕作；MT，平翻；RT，少耕；NT，秸秆覆盖免耕；Rot，旋耕; 不同小写字母表示不同处理的差异（<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).

在垄沟处，SS阶段，由于机械压实作用，NT处理下的平均容重在>10～15 cm土层显著低于MT处理（<0.05）；在FlS阶段，NT处理下的0～10 cm容重与其他处理差异不显著。FiS阶段，容重则表现出除>10～15 cm土层外，NT处理下的容重小于Rot（<0.05）。到MS阶段，NT处理下的容重在0～5 cm和>15～20 cm土层中均显著低于Rot（<0.05）。

在整个生育期内，NT处理下的容重变异系数（0.4）小于其他3种处理（0.5～0.7），表明秸秆覆盖免耕保持了容重在作物生育期内的相对稳定。同时减小FiS阶段垄沟处表层土壤容重，有效克服了机械压实作用。

图2为不同耕作方式对非毛管孔隙度的影响。结果表明，垄台处，SS阶段，NT处理下0～5 cm土壤的非毛管孔隙度为12.98%，显著低于其他耕作处理（<0.05），而其他3种处理下土壤的非毛管孔隙度均大于19%。同一时期>5～10 cm土壤也表现出NT处理下的非毛管孔隙度显著低于RT和Rot。

垄沟处由于机械作业对土壤的压实作用，则表现出NT处理下平均非毛管孔隙度在FiS时期的0～5 cm大于Rot（<0.05），且在>10～15 cm处NT处理下的非毛管孔隙度大于其他3种耕作处理（<0.05）。

整体来看，土壤非毛管孔隙度随大豆生育期整体呈下降趋势，FlS阶段各处理下的非毛管孔隙度较SS阶段平均下降42%～64%，而MS阶段较FiS阶段无明显差异，说明非毛管孔隙度随大豆生育期下降幅度逐渐减小。其中，垄沟处非毛管孔隙度以NT下降幅度最大，在每个土层降幅达到39.49%～67.42%。

表2为不同耕作方式下土壤在4个生育期的平均三相比。结果表明，相比于Rot，NT增加垄台0～5 cm液相比65.22%，降低0～5 cm气相比45.16%（<0.05），表明秸秆覆盖免耕相比于传统旋耕可显著提高垄台表层土壤保水能力，但随着土层的加深，耕作措施对土壤三相比的影响逐渐减弱，不同处理间三相比差异不显著。

表2 耕作方式对土壤固、液、气三相比的影响

2.2.2 土壤水稳性团聚体的生育期动态

表3为不同耕作措施下各土层水稳性大团聚体含量（WR0.25）及平均重量直径（MWD）。在垄台处，SS阶段，NT处理下0～5 cm土层的WR0.25达到61.59%，显著高于Rot。NT处理下0～5 cm土层的MWD分别比MT和Rot高34.29%和51.61%。在大豆全生育期内，垄台0～5 cm表层土壤中NT处理下WR0.25平均达到62.10%±3.52%。

在垄沟处，SS阶段0～5 cm土层的WR0.25显示NT最大，分别比MT、RT和Rot高12.22%、19.63%和12.20%，并且在SS阶段表层土壤MWD也显示NT效果最好。FiS阶段，NT处理下0～5 cm土层的WR0.25分别比RT和Rot高出13.33%和14.7%，NT处理下0～5 cm土层的MWD也高于其他3种处理。结果表明，秸秆覆盖免耕（NT）增加作物生育前期表层土壤水稳性大团聚体含量，可以减少养分及有机质的矿化，但对深层土壤影响较小。

表3 不同耕作措施下各土层水稳性大团聚体含量及平均重量直径

注：不同小写字母表示大豆同一生长期同一深度不同处理的差异（<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动态

2.3.1 土壤田间持水量生育期动态

图3为不同耕作方式下土壤田间持水量的季节变化。在垄台处，SS阶段NT处理下0～5 cm平均田间持水量达到34.75%。FlS阶段，4种处理下平均田间持水量均较上一时期增加，增加范围为1.53%～14.05%。耕作措施对田间持水量的影响随土层深度的变化在FlS阶段表现最剧烈，在其他时期优势不显著，本时期0～5 cm垄台土壤在NT处理下的田间持水量（46.30%）显著高于RT处理（<0.05）。FiS阶段各耕作处理下的田间持水量差异不显著。到MS阶段，0～5 cm土壤田间持水量NT处理显著高于Rot处理（<0.05）。

NT对垄沟田间持水量的影响仅限于表层土壤，且垄沟受耕作措施影响较大。垄沟处表现出与垄台相同趋势，NT在0～5 cm土层中每个生育期显著大于MT处理（<0.05）。NT优势随土层加深逐渐减小，土层深度>5 cm的土壤中，NT处理下的田间持水量优势不明显。所有处理下的田间持水量均随土壤深度表现下降趋势，且NT处理下土壤田间持水量随深度的下降幅度（12.76%）高于其他处理。可见，NT增加土壤的田间持水量，提高土壤的蓄水能力，且只作用于表层土壤。

2.3.2 土壤入渗速率

图4为不同耕作方式下土壤水分入渗速率。在初始入渗阶段，秸秆覆盖免耕（NT）处理下的垄台土壤水分入渗速率（22.25 mm/min）显著高于其他3种处理（<0.05），分别是MT、RT和Rot的1.63倍、1.44倍和1.38倍。但是其进入稳渗阶段在25 min，其余耕作处理均在20 min左右进入稳渗阶段，且进入稳渗阶段后，NT处理下平均入渗速率（2.23 mm/min）小于Rot处理，Rot在稳渗阶段入渗速率最大，RT和MT的稳定入渗速率依然较小。

垄沟处土壤入渗速率较垄台处进入稳渗时间更短。垄沟处NT处理下的初渗速率最大，为16.25 mm/min，分别是MT、RT和Rot的1.32倍、1.26倍和1.43倍。NT在15 min后进入稳渗阶段，其余处理均在10 min左右进入稳渗阶段，NT处理下的稳渗速率为1.99 mm/min，是其他处理的2.24～6.63倍。MT、RT和Rot在垄沟处稳定入渗阶段入渗速率无显著差异。说明秸秆覆盖免耕增加土壤初始入渗速率和垄沟处整体入渗速率。土壤入渗速率增大可以增加耕层土壤蓄水能力，提高水分利用效率。

2.4 土壤有机碳含量差异

图5为不同耕作方式下不同土层的土壤有机碳含量，结果表明，0～5 cm表层土壤中，NT处理下的平均有机碳含量32.83 g/kg，显著高于其他3种耕作处理（<0.05），分别比MT、RT和Rot处理下的有机碳高32.59%、30.28%和25.79%。其他耕作处理下土壤有机碳含量无显著性差异。>5～10 cm土壤中，NT处理下的土壤有机碳含量虽比0～5 cm土层有所降低，但比MT、RT和Rot处理下的平均有机碳含量并未减少。NT处理下土壤有机碳含量随深度的下降幅度（24.07 g/kg）高于其他处理。整体而言，NT可显著增加土壤表层的有机碳含量，随着土层的加深，土壤有机碳含量下降，且不同耕作措施对土壤有机碳含量的影响减小。

2.5 作物产量差异

作物产量是土壤理化指标的综合体现。表4为2017年—2020年间的作物产量。2017年NT处理下的玉米平均产量为10 081 kg/hm2，Rot处理下的玉米平均产量仅为9 248 kg/hm2；2017年和2019年NT处理下的玉米产量均未减产。2018年，NT处理下的大豆平均产量达到3 403 kg/hm2，2020年，东北遭遇台风入侵，各处理大豆产量均显著低于2018年（<0.05），与其他处理相比，NT处理下的大豆依旧未减产。

虽然4种处理下的作物产量在2017年—2020年没有达到显著差异，但无论种植作物为玉米和大豆，相比于其他耕作处理，在黑土实施长期连续秸秆覆盖免耕后均未减产。说明长期连续秸秆覆盖免耕可以克服短期减产的缺点，在促进农田土壤可持续发展的同时维持土地生产力。

表4 2017—2020年不同耕作方式下的作物产量

3 讨 论

3.1 长期保护性耕作对土壤结构功能的动态影响

土壤容重、含水率和孔隙度是土壤的基本结构，共同协调土壤的水、肥、气、热，影响作物根系的生长发育。机械作业时产生的压实作用会增大土壤容重[22]，加上作物根系对垄台处土壤有一定的疏松作用[23]，导致0～10 cm土层垄沟处的容重大于垄台处，而秸秆覆盖免耕处理下由于人为扰动较少，垄台垄沟处容重则无明显差异。Fernández等[24]的研究结果也表明秸秆覆盖免耕相对于传统耕作显著增大0～10 cm土壤容重，但对深层容重则无明显的增加效果，与本研究结果一致。同时，一年内同一作物不同生长期之间的土壤结构也有一定的变化规律，相比于传统耕作，长期秸秆覆盖免耕能增加生育前期的土壤容重，生育期土壤历经淋溶和自然沉降作用，各处理下的容重在收获期差异显著减小，这一结论与王岩等[16]对冀西北栗钙土研究得出的结论一致。本研究结果显示长期秸秆覆盖免耕能保持作物全生育期内容重的稳定，有效克服机械压实作用。Tomasz等[25]研究表明，相较于动土量大的传统耕作和少耕来说，秸秆覆盖免耕短期内增加土壤容重。但本研究发现，经过长期秸秆覆盖免耕，土壤容重并未增加，一方面是由于秸秆覆盖免耕可以增加土壤表层有机碳，进而增加土壤团聚结构，增加土壤大孔隙数量[26]，另一方面则是由于长期秸秆覆盖免耕可以增加土壤动物数量[27]，起到了疏松土壤的作用。

在东北黑土区，机械翻耕和冻融作用是影响土壤通气孔隙的两个主要因素。作物生育前期，机械翻耕在增加垄台土壤孔隙数量的同时，对垄沟土壤的压实作用减少垄沟处的土壤孔隙数量，本研究结果表明秸秆覆盖免耕可以克服机械压实作用对表层土壤孔隙度的影响。结果还表明，土壤孔隙度在整个作物生育期内整体呈下降趋势，说明冻融作用会增大土壤孔隙度以保持土壤在来年作物生育前期的孔隙数量。这就表明，秸秆覆盖免耕在减少人为扰动的前提下依旧可以恢复地力，促进土壤结构的优化。

相比于传统耕作，秸秆覆盖免耕处理显著增加了土壤表层的水稳性大团聚体含量，其原因主要有两个方面：一方面，保护性耕作通过秸秆还田的方式，增加了土壤有机碳的输入来源，增加了表层土壤有机碳[28]，促进了水稳性团聚体的形成[29]；另一方面，秸秆覆盖免耕减少了人为扰动，避免了对土壤团聚体的干扰导致大团聚体结构被破坏[30]，并且保护性耕作对表层土壤作用显著，而对于10 cm以下的土壤影响较小。结果还显示，土壤垄台表层秸秆覆盖免耕处理下的土壤大团聚体含量随生育期略有下降，原因是降雨及土壤干湿交替作用导致土壤表层未稳定的大团聚体崩解，而垄沟表层其他处理下大团聚体含量随大豆生长期有所增加，但始终表现出秸秆覆盖免耕优于其他耕作处理，这主要是由于秸秆覆盖免耕具有保水作用，保持了部分大团聚体的稳定性[31]。

土壤水分含量及其动态变化直接影响土壤结构功能以及作物的生长发育，而耕作措施显著影响水分状况。从全生育期来看，秸秆覆盖免耕降低了土壤固相和气相比，增加了土壤液相比。其原因主要包括以下几个方面：首先，秸秆覆盖免耕处理增加土壤表层的保水能力，有利于水分蓄存[32]；同时，秸秆覆盖免耕措施下垄沟处的土壤非毛管孔隙度高于其他处理，所以秸秆覆盖免耕措施可以提高土壤的通水透气能力[33]。这就说明保护性耕作不但有利于水的蓄存，而且有利于土壤水分入渗；其次，地表秸秆覆盖有效减少土壤水分的地表蒸发，提高土壤水分的快速入渗能力[34]；再次，秸秆覆盖免耕减少作物生育期耗水量，提高土壤水分利用效率[35-36]；最后，秸秆覆盖免耕措施减少人为对土壤的扰动，有效减少土壤表面水分无效蒸发，进一步加强了土壤涵养水源的功能[37]。在作物全生育期，秸秆覆盖免耕下的土壤含水率基本呈上升趋势，尤其是在雨水相对多的7、8月份，优质的入渗条件可极大地减少黑土表层的积水，对改善东北黑土水土流失、提高土壤保水能力起到很大作用[38]。

土壤含水率和土壤温度呈极显著负相关关系[39]。短期秸秆覆盖免耕会提高土壤含水率[32]，使得土壤温度下降，影响作物根际环境，从而导致作物减产。但本研究表明，经过16 a保护性耕作处理，相比于传统耕作，秸秆覆盖免耕处理下的产量并无下降，说明长期秸秆覆盖免耕会通过改善土壤结构和功能有效抑制土壤降温效应。

综上，长期保护性耕作模式改善土壤结构功能，适用于土壤的可持续发展。

3.2 长期保护性耕作土壤增碳效应

土壤有机碳作为有机质的重要部分，其含量是土壤肥力水平的一项重要指标。研究结果显示，经过16 a的保护性耕作，秸秆覆盖免耕处理下0～5 cm表层土壤的有机碳含量显著高于其他耕作，对黑土表层土壤有机碳的积累具有促进作用。传统的耕作方式会导致土壤团聚体结构遭到破坏[35-37]，使土壤有机碳失去物理保护而暴露出来，加快了土壤有机碳的矿化分解[40]，而免耕相对于传统耕作大量减少人为扰动，减少土壤表层有机碳暴露，不对土壤翻动作业也会减少土壤有机碳的矿化速率[41]，有利于有机碳的积累，且地表有大量的秸秆覆盖，秸秆腐烂可以大量增加土壤表层有机碳含量，同时由于免耕不对土壤进行翻动，导致有机碳集中在浅层土壤无法进入深层，所以随着土层的加深，秸秆覆盖免耕积累土壤有机碳的效果逐渐减小。少耕处理由于减少土壤翻动次数，也会一定程度上降低土壤有机碳的分解和流失，而这种条件对于形成良好的土壤结构具有促进作用，为作物生长发育提供养分。随着土层加深，土壤有机碳含量减少，且不同耕作处理下的有机碳含量差异减小，这与Needelman等[42]研究结果一致。大量研究表明，少耕、秸秆覆盖免耕等保护性耕作措施会显著增加表层土壤的有机碳含量，随着土层加深，耕作处理对其影响逐渐降低[43-46]。秸秆覆盖免耕对于土壤有机碳具有快速提升作用，在短期内土壤表层有机碳增加明显[47]，根据黑土区已有数据显示，有机碳短期增加后，其增加趋势逐渐变缓[37]，影响该过程的原因可能与有机碳稳定机制、土壤微生物活动等有关，尚需进一步研究确定。

3.3 土壤物理性质与碳素的相关分析

利用土壤各项结构指标与有机碳含量所得数据进行相关性分析，通过相关性计算得到土壤有机碳含量与其他指标均呈极显著相关（表5）。其中土壤有机碳与容重呈极显著负相关，其相关系数为−0.18（<0.01）；土壤有机碳可以改善土壤孔隙结构，促进土壤孔隙的形成[48]，导致容重减小。土壤有机碳与田间持水量呈极显著正相关，其相关系数为0.30（<0.01）；有机质具有巨大的比表面积和亲水基团，具有较强的吸水性，同时增大土壤孔隙，增强土壤的持水能力[49]。土壤有机碳与水稳性大团聚体含量显著相关，其相关系数为0.77（<0.01）；秸秆还田可以促进土壤腐殖质的形成，促进土壤颗粒有机结合，进而有利于土壤形成大团聚体[20]。土壤有机碳与土壤水稳性团聚体的稳定性显著相关，其为0.24（<0.01）；综上，土壤有机碳含量与大团聚体含量的相关性最强并且呈正相关，提高土壤有机碳含量是提高土壤团粒结构，改善土壤结构性的关键。

表5 土壤物理性质与有机碳的相关性分析

注：**表示在0.01水平上极显著；样本量为288。

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

综上，长期实施秸秆覆盖免耕可以增加土壤表层的有机碳含量，有机碳含量的增加也会促进土壤结构功能的优化，进一步改善土壤质量。并且在维持土壤质量的同时保证了土地生产力。

4 结 论

1）长期秸秆覆盖免耕可以有效克服机械压实作用，促进土壤水稳性大团聚体结构的形成和稳定（秸秆覆盖免耕处理下表层土壤平均重量直径高于其他耕作处理），有效改善土壤结构并维持其稳定性。

2）长期秸秆覆盖免耕可以有效调节农田土壤水分（增加垄台表层土壤液相比），有效增加土壤蓄水能力，并且提升土壤表层有机碳含量（连续16 a秸秆覆盖免耕后耕层土壤有机碳含量较2004年提高15.11%），对土壤功能的综合提升起到积极作用。

3）长期秸秆覆盖免耕在改善土壤结构功能的同时，维持了土地生产力，为黑土生产力的可持续发展提供重要支撑。

黑土的保护性耕作模式目前已有很多相关报道，但都存在连续时间短，不连续实施等问题，只有通过长期连续监测才能更深刻地反映出保护性耕作对土壤结构、功能和作物产量等指标的影响过程。本研究仅对土壤结构功能等指标进行初步分析，未来更需进一步研究分析，深入揭示保护性耕作的长期效应，特别是保护性耕作措施的区域适宜性评价也是决定保护性耕作推广的重点，未来仍需通过对不同模式下保护性耕作进行长期监测，以便为回答保护性耕作是否适宜大面积推广提供科学依据。

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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

郭孟洁，李建业，李健宇，等.实施16年保护性耕作下黑土土壤结构功能变化特征[J]. 农业工程学报，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

国家重点研发计划项目（2021YFD1500800）

郭孟洁，研究方向为保护性耕作。Email：qiaqiatt@163.com

张兴义，博士，研究员，研究方向为黑土生态。Email：zhangxy@iga.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.012

S126

A

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