郭孟潔，李建業(yè)，李健宇，齊佳睿，張興義,

實(shí)施16年保護(hù)性耕作下黑土土壤結(jié)構(gòu)功能變化特征

郭孟潔1，李建業(yè)2，李健宇1，齊佳睿1，張興義1,2※

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2. 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150081）

通過(guò)東北典型黑土區(qū)旱作平地連續(xù)16 a保護(hù)性耕作田間長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，研究保護(hù)性耕作實(shí)施后對(duì)土壤結(jié)構(gòu)功能的影響，分析土壤結(jié)構(gòu)功能的生育期動(dòng)態(tài)特征及其與土壤有機(jī)碳的相關(guān)關(guān)系，探究作物產(chǎn)量變化的原因。以玉米-大豆輪作黑土農(nóng)田為研究對(duì)象，設(shè)置4個(gè)耕作處理：秸稈覆蓋免耕（No-tillage with straw returning，NT）和少耕（Reduced-tillage，RT）保護(hù)性耕作；平翻（Moldboard-tillage，MT）和旋耕（Rotary-tillage，Rot）傳統(tǒng)耕作，探討大豆幼苗期（Seeding-stage，SS）、開(kāi)花期（Flowing-stage，F(xiàn)lS）、鼓粒期（Filling-stage，F(xiàn)iS）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(wěn)性團(tuán)聚體含量對(duì)耕作方式的響應(yīng)。在大豆收獲后取樣測(cè)定不同耕作處理土壤有機(jī)碳的垂直分布和地表土壤水分入滲速率。結(jié)果表明：1）NT改善并穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)。NT可以保持容重在生育期內(nèi)的相對(duì)穩(wěn)定；NT可以有效克服機(jī)械壓實(shí)作用；表層土壤NT水穩(wěn)性大團(tuán)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(wěn)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(jī)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(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)。長(zhǎng)期連續(xù)保護(hù)性耕作尤其是秸稈覆蓋免耕在改善土壤的結(jié)構(gòu)功能，并顯著增加表層土壤有機(jī)碳積累的同時(shí)，維持土地生產(chǎn)力，有效克服保護(hù)性耕作短期不良效應(yīng)，提升黑土質(zhì)量的作用明顯。

土壤；有機(jī)碳；團(tuán)聚體；保護(hù)性耕作；結(jié)構(gòu)功能；作物產(chǎn)量；生育期

0 引 言

黑土是世界上最肥沃的土壤之一[1]，有機(jī)質(zhì)含量高，適宜農(nóng)耕，具有較高的作物生產(chǎn)潛力。作為世界四大片黑土區(qū)之一的中國(guó)東北黑土區(qū)，是中國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地[2]，生產(chǎn)了全國(guó)四分之一的糧食和三分之一的商品糧，是中國(guó)糧食安全的壓艙石，黑土地被譽(yù)為“耕地中的大熊貓”，對(duì)保障國(guó)家糧食安全和生態(tài)安全具有重要意義。但東北黑土地自開(kāi)墾以來(lái)，連續(xù)種植高產(chǎn)作物，采用重用地輕養(yǎng)地的掠奪式生產(chǎn)方式，耕作方式單一，長(zhǎng)期采用平翻、旋耕等傳統(tǒng)壟作方式，對(duì)耕層土壤產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，加速耕層土壤有機(jī)質(zhì)的礦化和養(yǎng)分的損耗，導(dǎo)致土壤肥力和土壤有機(jī)質(zhì)含量迅速下降，加之嚴(yán)重的機(jī)械壓實(shí)作用，導(dǎo)致黑土出現(xiàn)嚴(yán)重退化，黑土層變薄，結(jié)構(gòu)功能變差[3-5]，阻礙黑土農(nóng)田的可持續(xù)利用與發(fā)展。

為防治土壤退化，中國(guó)早在20世紀(jì)60年代，黑龍江國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)開(kāi)始試驗(yàn)小麥免耕播種[6]；20世紀(jì)80年代，陜西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院研發(fā)了“旱地小麥高留茬少耕全程覆蓋技術(shù)”[7]；20世紀(jì)90年代，山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院研發(fā)了“旱地玉米免耕整稈覆蓋技術(shù)”[8]，2005年，中央一號(hào)文件提出“改革傳統(tǒng)耕作方法，發(fā)展保護(hù)性耕作”，將發(fā)展保護(hù)性耕作上升為國(guó)家政策[9]。但保護(hù)性耕作在東北黑土區(qū)的初步推廣結(jié)果表明，實(shí)施秸稈覆蓋免耕會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)[10-12]。Chen等[10]在東北黑土區(qū)平地進(jìn)行了5 a的耕作試驗(yàn)，研究得出相對(duì)于傳統(tǒng)耕作，玉米減產(chǎn)28.4%；郭曉霞等[11]在內(nèi)蒙古栗褐土上發(fā)現(xiàn)，實(shí)施免耕后2年，作物出現(xiàn)產(chǎn)量不穩(wěn)定甚至減產(chǎn)現(xiàn)象。其中，秸稈覆蓋導(dǎo)致土壤溫度降低，影響出苗率，在典型黑土冷涼區(qū)，溫度是限制作物生長(zhǎng)的主要影響因子，秸稈覆蓋降低溫度對(duì)于該地區(qū)影響更為敏感，被認(rèn)為是導(dǎo)致作物減產(chǎn)的主要原因[13]，很大程度限制了保護(hù)性耕作在黑土區(qū)的推廣應(yīng)用。由于保護(hù)性耕作具有改善土壤質(zhì)量，增加土壤有機(jī)質(zhì)的作用，在部分區(qū)域通過(guò)長(zhǎng)期秸稈覆蓋免耕，甚至出現(xiàn)作物產(chǎn)量較傳統(tǒng)耕作增加的情況，Hussain等[14]在美國(guó)的伊利諾斯州進(jìn)行了8 a的免耕試驗(yàn)認(rèn)為，玉米與大豆輪作實(shí)施免耕，大豆產(chǎn)量可以提高15%；高燕等[15]在東北黑土區(qū)進(jìn)行了16 a的保護(hù)性耕作試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)玉米產(chǎn)量免耕顯著高于傳統(tǒng)耕作。但上述試驗(yàn)均布置在非典型黑土冷涼區(qū)，而在典型黑土冷涼區(qū)尚缺乏長(zhǎng)期定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

因此，本文基于長(zhǎng)期黑土地田間定位試驗(yàn)，對(duì)比分析實(shí)施16 a保護(hù)性耕作后，保護(hù)性耕作與其他耕作措施對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和功能的生育期動(dòng)態(tài)及有機(jī)碳含量的影響，揭示長(zhǎng)期保護(hù)性耕作措施后黑土結(jié)構(gòu)和功能的季節(jié)變化，探究連續(xù)保護(hù)性耕作后作物產(chǎn)量變化的原因，旨在探究保護(hù)性耕作在東北黑土生產(chǎn)潛力的長(zhǎng)期效應(yīng)機(jī)制，為選擇適合東北黑土區(qū)的保護(hù)性耕作方式，保證黑土生產(chǎn)力的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站（47°26′N，126°38′E）試驗(yàn)田，地面平整，無(wú)水土流失。研究區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)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(wú)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(jì)形成的黃土狀母質(zhì)上發(fā)育起來(lái)的地帶性土壤，質(zhì)地較黏重，滲透能力弱，毛管水運(yùn)移速率較慢，土壤持水和保水能力較強(qiáng)，儲(chǔ)水庫(kù)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(jī)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(gè)粒級(jí)的占比分別為29.92%、29.41%和40.67%。

1.2 長(zhǎng)期田間定位試驗(yàn)

2004年秋開(kāi)展長(zhǎng)期田間定位試驗(yàn)，設(shè)有2種保護(hù)性耕作措施（秸稈覆蓋免耕和少耕）和2種傳統(tǒng)耕作措施（平翻和旋耕）。試驗(yàn)小區(qū)采取隨機(jī)區(qū)組布設(shè)，每個(gè)處理3次重復(fù)，共計(jì)12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)面積為336 m2（40.0 m×8.4 m，12壟），每個(gè)小區(qū)間留有4 m機(jī)耕路，各小區(qū)均實(shí)施玉米—大豆輪作。偶數(shù)年種植作物為大豆，品種為東生1號(hào)，奇數(shù)年種植作物為玉米，品種為龍玉10號(hào)。

根據(jù)習(xí)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(shí)施壟作，壟臺(tái)高出地面15～20 cm，相鄰2個(gè)壟臺(tái)之間距離70 cm。具體耕作措施實(shí)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(jī)進(jìn)行播種和施肥，人工施用除草劑進(jìn)行化學(xué)除草，不進(jìn)行任何中耕作業(yè)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(jī)傳統(tǒng)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(qū)均按照農(nóng)民常規(guī)施肥方式實(shí)施相同的施肥措施。大豆于5月初進(jìn)行人工點(diǎn)播純氮肥20.25 kg/hm2（以N計(jì)）、純磷肥51.75 kg/ hm2（以P計(jì)）、純鉀肥15 kg/hm2（以K計(jì)）；玉米于5月初進(jìn)行人工點(diǎn)播純氮肥69 kg/hm2（以N計(jì)）、純磷肥51.75 kg/hm2（以P計(jì)）、純鉀肥15 kg/hm2（以K計(jì)），6月末追施純氮肥69 kg/hm2（以N計(jì)）。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程及指標(biāo)獲取

1.3.1 耕作措施對(duì)土壤結(jié)構(gòu)功能的影響

2020年開(kāi)展試驗(yàn)研究不同耕作措施對(duì)土壤結(jié)構(gòu)功能的影響。2020年種植大豆，分別在幼苗期（Seeding-stage，SS）、開(kāi)花期（Flowing-stage，F(xiàn)lS）、鼓粒期（Filling-stage，F(xiàn)iS）和成熟期（Maturing-stage，MS）取樣測(cè)定和計(jì)算土壤相關(guān)指標(biāo)。待測(cè)定和計(jì)算的土壤結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)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(wěn)性大團(tuán)聚體含量、團(tuán)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(jī)碳。

1）容重和含水率：使用高5 cm，體積100 cm3的環(huán)刀分別于每個(gè)小區(qū)中部的壟臺(tái)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(cè)定并計(jì)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(huán)刀采集土壤樣品，室內(nèi)采用環(huán)刀浸泡法[17]測(cè)定和計(jì)算田間持水量、孔隙度及非毛管孔隙度。

3）水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量和平均重量直徑：使用五點(diǎn)法分別于每個(gè)小區(qū)的壟溝和壟臺(tái)處通過(guò)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(nèi)風(fēng)干后混勻稱取自然風(fēng)干土樣50 g，真空慢速浸提法[18]測(cè)定，利用土壤團(tuán)粒分析儀（DIK-2001，日本）進(jìn)行濕篩測(cè)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(jì)算水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量和平均重量直徑。

4）入滲速率：雙環(huán)法[19]測(cè)定。分別測(cè)定壟臺(tái)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(shí)的入滲水量。

5）土壤有機(jī)碳：秋收后在每個(gè)小區(qū)壟溝和壟臺(tái)中間位置通過(guò)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(gè)土壤樣品200 g左右，自然風(fēng)干研磨過(guò)篩后采用全自動(dòng)元素分析儀（EA3000，意大利）進(jìn)行測(cè)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(jì)算公式為NCP=（1-2）/×100%；孔隙度（Porosity，P）計(jì)算公式為=（1-3）/×100%；含水率（Moisture Content，MC）計(jì)算公式為MC=（0-3）/×100%；田間持水量（Field Capacity，F(xiàn)C）計(jì)算公式為FC=（2-3）/3×100%，其中，0為環(huán)刀內(nèi)原狀土鮮質(zhì)量，1為原狀土吸水飽和質(zhì)量，2為1去重力水后質(zhì)量，3為烘干至恒質(zhì)量后土壤質(zhì)量，g；為環(huán)刀體積，cm3。

土壤大團(tuán)聚體含量（WR0.25）[21]計(jì)算公式為

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體團(tuán)聚體平均重量直徑（Mean Weight Diameter，MWD）[21]計(jì)算公式為

式中x為級(jí)別團(tuán)聚體的平均直徑，mm；w為級(jí)別團(tuán)聚體的質(zhì)量百分含量，為總粒徑級(jí)別數(shù)量；為≥0.25 mm粒徑級(jí)別數(shù)量。

1.3.2 耕作措施對(duì)作物產(chǎn)量的影響

為了分析長(zhǎng)期耕作措施對(duì)產(chǎn)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(gè)小區(qū)隨機(jī)采集5個(gè)1 m2樣方內(nèi)所有作物籽粒，測(cè)定每種處理下1 m2的平均籽粒鮮質(zhì)量。每個(gè)樣方所收籽粒中取100粒利用烘干法[12]測(cè)定其含水率。用于計(jì)算不同處理下作物籽實(shí)產(chǎn)量。大豆和玉米測(cè)產(chǎn)方式相同。

作物產(chǎn)量計(jì)算公式為

=4/5·×10 000 （3）

式中為作物產(chǎn)量，kg/hm2；為1 m2內(nèi)籽粒鮮質(zhì)量，4為百粒鮮質(zhì)量，5為百粒干質(zhì)量，kg。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用SigmaPlot12.5軟件進(jìn)行圖表處理，用Spss22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用最小顯著差法（Least-significant Difference，LSD）進(jìn)行平均數(shù)之間的差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤結(jié)構(gòu)功能變化

表1為連續(xù)16 a耕作處理前后0～20 cm耕層土壤的結(jié)構(gòu)功能差異。由表可知，經(jīng)過(guò)連續(xù)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(jī)碳（Soil Organic Carbon，SOC）含量15.11%（<0.05），且經(jīng)過(guò)連續(xù)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(jié)構(gòu)生育期動(dòng)態(tài)及其差異

2.2.1 容重、孔隙度和三相比生育期動(dòng)態(tài)

圖1為不同耕作方式下土壤容重的季節(jié)變化。分析結(jié)果得出，在壟臺(tái)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(wú)明顯差異；FiS階段，NT處理下壟臺(tái)0～10 cm的平均容重比MT處理下的平均容重大14.49%；MS時(shí)期，壟臺(tái)0～10 cm表現(xiàn)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(jié)構(gòu)功能對(duì)比

注：CT，傳統(tǒng)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(jī)械壓實(shí)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(xiàn)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(gè)生育期內(nèi)，NT處理下的容重變異系數(shù)（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(nèi)的相對(duì)穩(wěn)定。同時(shí)減小FiS階段壟溝處表層土壤容重，有效克服了機(jī)械壓實(shí)作用。

圖2為不同耕作方式對(duì)非毛管孔隙度的影響。結(jié)果表明，壟臺(tái)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(shí)期>5～10 cm土壤也表現(xiàn)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(jī)械作業(yè)對(duì)土壤的壓實(shí)作用，則表現(xiàn)出NT處理下平均非毛管孔隙度在FiS時(shí)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(lái)看，土壤非毛管孔隙度隨大豆生育期整體呈下降趨勢(shì)，F(xiàn)lS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(wú)明顯差異，說(shuō)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(gè)土層降幅達(dá)到39.49%～67.42%。

表2為不同耕作方式下土壤在4個(gè)生育期的平均三相比。結(jié)果表明，相比于Rot，NT增加壟臺(tái)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(tǒng)旋耕可顯著提高壟臺(tái)表層土壤保水能力，但隨著土層的加深，耕作措施對(duì)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(duì)土壤固、液、氣三相比的影響

2.2.2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的生育期動(dòng)態(tài)

表3為不同耕作措施下各土層水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量（WR0.25）及平均重量直徑（MWD）。在壟臺(tái)處，SS階段，NT處理下0～5 cm土層的WR0.25達(dá)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(nèi)，壟臺(tái)0～5 cm表層土壤中NT處理下WR0.25平均達(dá)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(jié)果表明，秸稈覆蓋免耕（NT）增加作物生育前期表層土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，可以減少養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)的礦化，但對(duì)深層土壤影響較小。

表3 不同耕作措施下各土層水穩(wěn)性大團(tuán)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(zhǎng)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(dòng)態(tài)

2.3.1 土壤田間持水量生育期動(dòng)態(tài)

圖3為不同耕作方式下土壤田間持水量的季節(jié)變化。在壟臺(tái)處，SS階段NT處理下0～5 cm平均田間持水量達(dá)到34.75%。FlS階段，4種處理下平均田間持水量均較上一時(shí)期增加，增加范圍為1.53%～14.05%。耕作措施對(duì)田間持水量的影響隨土層深度的變化在FlS階段表現(xiàn)最劇烈，在其他時(shí)期優(yōu)勢(shì)不顯著，本時(shí)期0～5 cm壟臺(tái)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(duì)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(xiàn)出與壟臺(tái)相同趨勢(shì)，NT在0～5 cm土層中每個(gè)生育期顯著大于MT處理（<0.05）。NT優(yōu)勢(shì)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?jī)?yōu)勢(shì)不明顯。所有處理下的田間持水量均隨土壤深度表現(xiàn)下降趨勢(shì)，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?？梢?jiàn)，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(tái)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(jìn)入穩(wěn)滲階段在25 min，其余耕作處理均在20 min左右進(jìn)入穩(wěn)滲階段，且進(jìn)入穩(wěn)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(wěn)滲階段入滲速率最大，RT和MT的穩(wěn)定入滲速率依然較小。

壟溝處土壤入滲速率較壟臺(tái)處進(jìn)入穩(wěn)滲時(shí)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(jìn)入穩(wěn)滲階段，其余處理均在10 min左右進(jìn)入穩(wěn)滲階段，NT處理下的穩(wěn)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(wěn)定入滲階段入滲速率無(wú)顯著差異。說(shuō)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(jī)碳含量差異

圖5為不同耕作方式下不同土層的土壤有機(jī)碳含量，結(jié)果表明，0～5 cm表層土壤中，NT處理下的平均有機(jī)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(jī)碳高32.59%、30.28%和25.79%。其他耕作處理下土壤有機(jī)碳含量無(wú)顯著性差異。>5～10 cm土壤中，NT處理下的土壤有機(jī)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(jī)碳含量并未減少。NT處理下土壤有機(jī)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(jī)碳含量，隨著土層的加深，土壤有機(jī)碳含量下降，且不同耕作措施對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響減小。

2.5 作物產(chǎn)量差異

作物產(chǎn)量是土壤理化指標(biāo)的綜合體現(xiàn)。表4為2017年—2020年間的作物產(chǎn)量。2017年NT處理下的玉米平均產(chǎn)量為10 081 kg/hm2，Rot處理下的玉米平均產(chǎn)量?jī)H為9 248 kg/hm2；2017年和2019年NT處理下的玉米產(chǎn)量均未減產(chǎn)。2018年，NT處理下的大豆平均產(chǎn)量達(dá)到3 403 kg/hm2，2020年，東北遭遇臺(tái)風(fēng)入侵，各處理大豆產(chǎn)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(chǎn)。

雖然4種處理下的作物產(chǎn)量在2017年—2020年沒(méi)有達(dá)到顯著差異，但無(wú)論種植作物為玉米和大豆，相比于其他耕作處理，在黑土實(shí)施長(zhǎng)期連續(xù)秸稈覆蓋免耕后均未減產(chǎn)。說(shuō)明長(zhǎng)期連續(xù)秸稈覆蓋免耕可以克服短期減產(chǎn)的缺點(diǎn)，在促進(jìn)農(nóng)田土壤可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)維持土地生產(chǎn)力。

表4 2017—2020年不同耕作方式下的作物產(chǎn)量

3 討 論

3.1 長(zhǎng)期保護(hù)性耕作對(duì)土壤結(jié)構(gòu)功能的動(dòng)態(tài)影響

土壤容重、含水率和孔隙度是土壤的基本結(jié)構(gòu)，共同協(xié)調(diào)土壤的水、肥、氣、熱，影響作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育。機(jī)械作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的壓實(shí)作用會(huì)增大土壤容重[22]，加上作物根系對(duì)壟臺(tái)處土壤有一定的疏松作用[23]，導(dǎo)致0～10 cm土層壟溝處的容重大于壟臺(tái)處，而秸稈覆蓋免耕處理下由于人為擾動(dòng)較少，壟臺(tái)壟溝處容重則無(wú)明顯差異。Fernández等[24]的研究結(jié)果也表明秸稈覆蓋免耕相對(duì)于傳統(tǒng)耕作顯著增大0～10 cm土壤容重，但對(duì)深層容重則無(wú)明顯的增加效果，與本研究結(jié)果一致。同時(shí)，一年內(nèi)同一作物不同生長(zhǎng)期之間的土壤結(jié)構(gòu)也有一定的變化規(guī)律，相比于傳統(tǒng)耕作，長(zhǎng)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(jīng)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(jié)論與王巖等[16]對(duì)冀西北栗鈣土研究得出的結(jié)論一致。本研究結(jié)果顯示長(zhǎng)期秸稈覆蓋免耕能保持作物全生育期內(nèi)容重的穩(wěn)定，有效克服機(jī)械壓實(shí)作用。Tomasz等[25]研究表明，相較于動(dòng)土量大的傳統(tǒng)耕作和少耕來(lái)說(shuō)，秸稈覆蓋免耕短期內(nèi)增加土壤容重。但本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(jī)碳，進(jìn)而增加土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，增加土壤大孔隙數(shù)量[26]，另一方面則是由于長(zhǎng)期秸稈覆蓋免耕可以增加土壤動(dòng)物數(shù)量[27]，起到了疏松土壤的作用。

在東北黑土區(qū)，機(jī)械翻耕和凍融作用是影響土壤通氣孔隙的兩個(gè)主要因素。作物生育前期，機(jī)械翻耕在增加壟臺(tái)土壤孔隙數(shù)量的同時(shí)，對(duì)壟溝土壤的壓實(shí)作用減少壟溝處的土壤孔隙數(shù)量，本研究結(jié)果表明秸稈覆蓋免耕可以克服機(jī)械壓實(shí)作用對(duì)表層土壤孔隙度的影響。結(jié)果還表明，土壤孔隙度在整個(gè)作物生育期內(nèi)整體呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明凍融作用會(huì)增大土壤孔隙度以保持土壤在來(lái)年作物生育前期的孔隙數(shù)量。這就表明，秸稈覆蓋免耕在減少人為擾動(dòng)的前提下依舊可以恢復(fù)地力，促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

相比于傳統(tǒng)耕作，秸稈覆蓋免耕處理顯著增加了土壤表層的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，其原因主要有兩個(gè)方面：一方面，保護(hù)性耕作通過(guò)秸稈還田的方式，增加了土壤有機(jī)碳的輸入來(lái)源，增加了表層土壤有機(jī)碳[28]，促進(jìn)了水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成[29]；另一方面，秸稈覆蓋免耕減少了人為擾動(dòng)，避免了對(duì)土壤團(tuán)聚體的干擾導(dǎo)致大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)被破壞[30]，并且保護(hù)性耕作對(duì)表層土壤作用顯著，而對(duì)于10 cm以下的土壤影響較小。結(jié)果還顯示，土壤壟臺(tái)表層秸稈覆蓋免耕處理下的土壤大團(tuán)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(dǎo)致土壤表層未穩(wěn)定的大團(tuán)聚體崩解，而壟溝表層其他處理下大團(tuán)聚體含量隨大豆生長(zhǎng)期有所增加，但始終表現(xiàn)出秸稈覆蓋免耕優(yōu)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(tuán)聚體的穩(wěn)定性[31]。

土壤水分含量及其動(dòng)態(tài)變化直接影響土壤結(jié)構(gòu)功能以及作物的生長(zhǎng)發(fā)育，而耕作措施顯著影響水分狀況。從全生育期來(lái)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(gè)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(shí)，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(shuō)明保護(hù)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(fā)，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(duì)土壤的擾動(dòng)，有效減少土壤表面水分無(wú)效蒸發(fā)，進(jìn)一步加強(qiáng)了土壤涵養(yǎng)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(shì)，尤其是在雨水相對(duì)多的7、8月份，優(yōu)質(zhì)的入滲條件可極大地減少黑土表層的積水，對(duì)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(fù)相關(guān)關(guān)系[39]。短期秸稈覆蓋免耕會(huì)提高土壤含水率[32]，使得土壤溫度下降，影響作物根際環(huán)境，從而導(dǎo)致作物減產(chǎn)。但本研究表明，經(jīng)過(guò)16 a保護(hù)性耕作處理，相比于傳統(tǒng)耕作，秸稈覆蓋免耕處理下的產(chǎn)量并無(wú)下降，說(shuō)明長(zhǎng)期秸稈覆蓋免耕會(huì)通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)和功能有效抑制土壤降溫效應(yīng)。

綜上，長(zhǎng)期保護(hù)性耕作模式改善土壤結(jié)構(gòu)功能，適用于土壤的可持續(xù)發(fā)展。

3.2 長(zhǎng)期保護(hù)性耕作土壤增碳效應(yīng)

土壤有機(jī)碳作為有機(jī)質(zhì)的重要部分，其含量是土壤肥力水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。研究結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)16 a的保護(hù)性耕作，秸稈覆蓋免耕處理下0～5 cm表層土壤的有機(jī)碳含量顯著高于其他耕作，對(duì)黑土表層土壤有機(jī)碳的積累具有促進(jìn)作用。傳統(tǒng)的耕作方式會(huì)導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)遭到破壞[35-37]，使土壤有機(jī)碳失去物理保護(hù)而暴露出來(lái)，加快了土壤有機(jī)碳的礦化分解[40]，而免耕相對(duì)于傳統(tǒng)耕作大量減少人為擾動(dòng)，減少土壤表層有機(jī)碳暴露，不對(duì)土壤翻動(dòng)作業(yè)也會(huì)減少土壤有機(jī)碳的礦化速率[41]，有利于有機(jī)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(jī)碳含量，同時(shí)由于免耕不對(duì)土壤進(jìn)行翻動(dòng)，導(dǎo)致有機(jī)碳集中在淺層土壤無(wú)法進(jìn)入深層，所以隨著土層的加深，秸稈覆蓋免耕積累土壤有機(jī)碳的效果逐漸減小。少耕處理由于減少土壤翻動(dòng)次數(shù)，也會(huì)一定程度上降低土壤有機(jī)碳的分解和流失，而這種條件對(duì)于形成良好的土壤結(jié)構(gòu)具有促進(jìn)作用，為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供養(yǎng)分。隨著土層加深，土壤有機(jī)碳含量減少，且不同耕作處理下的有機(jī)碳含量差異減小，這與Needelman等[42]研究結(jié)果一致。大量研究表明，少耕、秸稈覆蓋免耕等保護(hù)性耕作措施會(huì)顯著增加表層土壤的有機(jī)碳含量，隨著土層加深，耕作處理對(duì)其影響逐漸降低[43-46]。秸稈覆蓋免耕對(duì)于土壤有機(jī)碳具有快速提升作用，在短期內(nèi)土壤表層有機(jī)碳增加明顯[47]，根據(jù)黑土區(qū)已有數(shù)據(jù)顯示，有機(jī)碳短期增加后，其增加趨勢(shì)逐漸變緩[37]，影響該過(guò)程的原因可能與有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制、土壤微生物活動(dòng)等有關(guān)，尚需進(jìn)一步研究確定。

3.3 土壤物理性質(zhì)與碳素的相關(guān)分析

利用土壤各項(xiàng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)與有機(jī)碳含量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，通過(guò)相關(guān)性計(jì)算得到土壤有機(jī)碳含量與其他指標(biāo)均呈極顯著相關(guān)（表5）。其中土壤有機(jī)碳與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為?0.18（<0.01）；土壤有機(jī)碳可以改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤孔隙的形成[48]，導(dǎo)致容重減小。土壤有機(jī)碳與田間持水量呈極顯著正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.30（<0.01）；有機(jī)質(zhì)具有巨大的比表面積和親水基團(tuán)，具有較強(qiáng)的吸水性，同時(shí)增大土壤孔隙，增強(qiáng)土壤的持水能力[49]。土壤有機(jī)碳與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量顯著相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.77（<0.01）；秸稈還田可以促進(jìn)土壤腐殖質(zhì)的形成，促進(jìn)土壤顆粒有機(jī)結(jié)合，進(jìn)而有利于土壤形成大團(tuán)聚體[20]。土壤有機(jī)碳與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性顯著相關(guān)，其為0.24（<0.01）；綜上，土壤有機(jī)碳含量與大團(tuán)聚體含量的相關(guān)性最強(qiáng)并且呈正相關(guān)，提高土壤有機(jī)碳含量是提高土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，改善土壤結(jié)構(gòu)性的關(guān)鍵。

表5 土壤物理性質(zhì)與有機(jī)碳的相關(guān)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(zhǎng)期實(shí)施秸稈覆蓋免耕可以增加土壤表層的有機(jī)碳含量，有機(jī)碳含量的增加也會(huì)促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)功能的優(yōu)化，進(jìn)一步改善土壤質(zhì)量。并且在維持土壤質(zhì)量的同時(shí)保證了土地生產(chǎn)力。

4 結(jié) 論

1）長(zhǎng)期秸稈覆蓋免耕可以有效克服機(jī)械壓實(shí)作用，促進(jìn)土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)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(jié)構(gòu)并維持其穩(wěn)定性。

2）長(zhǎng)期秸稈覆蓋免耕可以有效調(diào)節(jié)農(nóng)田土壤水分（增加壟臺(tái)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(jī)碳含量（連續(xù)16 a秸稈覆蓋免耕后耕層土壤有機(jī)碳含量較2004年提高15.11%），對(duì)土壤功能的綜合提升起到積極作用。

3）長(zhǎng)期秸稈覆蓋免耕在改善土壤結(jié)構(gòu)功能的同時(shí)，維持了土地生產(chǎn)力，為黑土生產(chǎn)力的可持續(xù)發(fā)展提供重要支撐。

黑土的保護(hù)性耕作模式目前已有很多相關(guān)報(bào)道，但都存在連續(xù)時(shí)間短，不連續(xù)實(shí)施等問(wèn)題，只有通過(guò)長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)才能更深刻地反映出保護(hù)性耕作對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、功能和作物產(chǎn)量等指標(biāo)的影響過(guò)程。本研究?jī)H對(duì)土壤結(jié)構(gòu)功能等指標(biāo)進(jìn)行初步分析，未來(lái)更需進(jìn)一步研究分析，深入揭示保護(hù)性耕作的長(zhǎng)期效應(yīng)，特別是保護(hù)性耕作措施的區(qū)域適宜性評(píng)價(jià)也是決定保護(hù)性耕作推廣的重點(diǎn)，未來(lái)仍需通過(guò)對(duì)不同模式下保護(hù)性耕作進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，以便為回答保護(hù)性耕作是否適宜大面積推廣提供科學(xué)依據(jù)。

[1] 劉猛. 東北黑土區(qū)土地開(kāi)墾歷史過(guò)程研究[J]. 中國(guó)科技信息，2010(2)：77-78.

[2] 劉興土，閻百興. 東北黑土區(qū)水土流失與糧食安全[J]. 中國(guó)水土保持，2009(1)：17-19.

[3] 張興義，隋躍宇，宋春雨. 農(nóng)田黑土退化過(guò)程[J]. 土壤與作物，2013，2(1)：1-6.

Zhang Xingyi, Sui Yueyu, Song Chunyu. Degradation process of arable Mollisols[J]. Soil and Crop, 2013, 2(1): 1-6. (in Chinese with English abstract)

[4] 馮濤. 淺談保護(hù)性耕作與黑土退化[J]. 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2019(1)：22-23.

[5] 張興義，劉曉冰. 中國(guó)黑土研究的熱點(diǎn)問(wèn)題及水土流失防治對(duì)策[J]. 水土保持通報(bào)，2020，40(4)：340-344.

Zhang Xingyi, Liu Xiaobing. Key issues of Mollisols research and soil erosion control strategies in China[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2020, 40(4): 340-344. (in Chinese with English abstract)

[6] 譚佩全，張廣遠(yuǎn)，王勤學(xué). 東北“糧倉(cāng)”已具雛形[J].瞭望周刊，1987(26): 28-29.

[7] 李立科. 小麥留茬少耕秸稈全程覆蓋新技術(shù)[J]. 陜西農(nóng)業(yè)科學(xué)，1999(4)：41-42，48.

[8] 張乃生，趙全梅. 旱地玉米免耕整秸稈半覆蓋技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果評(píng)價(jià)[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，1994(3)：49-52.

[9] 張寶文. 改革傳統(tǒng)耕作方式大力發(fā)展保護(hù)性耕作[N]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化導(dǎo)報(bào)，2006-06-05(1).

[10] Chen Y, Liu S, Li H, et al. Effects of conservation tillage on corn and soybean yield in the humid continental climate region of Northeast China[J]. Soil & Tillage Research, 2011, 115: 56-61.

[11] 郭曉霞，劉景輝，張星杰，等. 免耕對(duì)土壤物理性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2010，28(5)：38-42.

Guo Xiaoxia, Liu Jinghui, Zhang Xingjie, et al. Effects of no-tillage on soil physical properties and crop yield[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2010, 28(5): 38-42. (in Chinese with English abstract)

[12] 慈恩，王蓮閣，丁長(zhǎng)歡，等. 壟作免耕對(duì)稻田壟埂土壤有機(jī)碳累積和作物產(chǎn)量的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2015，52(3)：576-586.

Ci En, Wang Liange, Ding Changhuan, et al. Effects of no-tillage rideg-cultivation on soil organic carbon accumulation in ridges and crop yields in paddy fields[J]. Acta Pedologica Sinica, 2015, 52(3): 576-586. (in Chinese with English abstract)

[13] 張興義，陳強(qiáng)，陳淵，等. 東北北部冷涼區(qū)免耕土壤的特性及作物效應(yīng)[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，46(11)：2271-2277.

Zhang Xingyi, Chen Qiang, Chen Yuan, et al. Influences of no-tillage on soil and crop Performance in the north cool region of Northeast China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2013, 46(11): 2271-2277. (in Chinese with English abstract)

[14] Hussain I, Olson K R, Ebelhar S A. Impacts of tillage and no-till on production of maize and soybean on an eroded Illinois silt loam soil[J] Soil and Tillage Research, 1999, 52: 37-49.

[15] 高燕，張延，張旸，等. 耕作方式和種植模式對(duì)黑土碳氮含量及玉米產(chǎn)量年際變化的交互效應(yīng)[J]. 土壤與作物，2020，9(4)：323-334.

Gao Yan, Zhang Yan, Zhang Yang, et al. Interactive effects of tillage practices and cropping systems on the interannual variation of soil carbon，nitrogen content and corn yield in Mollisols[J]. Soils and Crops, 2020, 9(4): 323-334. (in Chinese with English abstract)

[16] 王巖，劉玉華，張立峰，等. 耕作方式對(duì)冀西北栗鈣土土壤物理性狀及莜麥生長(zhǎng)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(4)：109-117.

Wang Yan, Liu Yuhua, Zhang Lifeng, et al. Effects of tillage mode on chestnut soil’s physical characters and naked oats growth in Northwest Hebei province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(4): 109-117. (in Chinese with English abstract)

[17] 顏永毫，鄭紀(jì)勇，張興昌，等. 生物炭添加對(duì)黃土高原典型土壤田間持水量的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2013，27(4)：120-124，190.

Yan Yonghao, Zheng Jiyong, Zhang Xingchang, et al. Impact of biochar addition into typical soils on field capacity in loess plateau[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(4): 120-124, 190. (in Chinese with English abstract)

[18] Sun T, Chen Q, Chen Y, et al. A novel soil wetting technique for measuring wet stable aggregates[J]. Soil & Tillage Research, 2014, 141: 19-24.

[19] 費(fèi)璐旸. 用雙環(huán)法和單環(huán)土柱法測(cè)定黃土地表土壤入滲的對(duì)比分析[J]. 中國(guó)水土保持，2020，461(8)：47-50.

Fei Luyang. Comparative analysis of double ring method and single ring soil column method in measuring soil infiltration on loess surface[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2020, 461(8): 47-50. (in Chinese with English abstract)

[20] 白偉，孫占祥，張立禎，等. 耕層構(gòu)造對(duì)土壤三相比和春玉米根系形態(tài)的影響[J]. 作物學(xué)報(bào)，2020，46(5)：759-771.

Bai Wei, Sun Zhanxiang, Zhang Lizhen, et al. Effects of plough layer construction on soil three phase rate and root morphology of spring maize in northeast China[J]. Acta Agronomica Sinica, 2020, 46(5): 759-771. (in Chinese with English abstract)

[21] 呂欣欣，丁雪麗，張彬，等. 長(zhǎng)期定位施肥和地膜覆蓋對(duì)棕壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及其有機(jī)碳含量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2018，35(1)：1-10.

Lv Xinxin, Ding Xueli, Zhang Bin, et al. Effects of long -term fertilization and plastic-mulching on the stability and organic carbon contents of brown soil aggregate[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2018, 35(1): 1-10. (in Chinese with English abstract)

[22] 張興義，隋躍宇. 土壤壓實(shí)對(duì)農(nóng)作物影響概述[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36(10)：161-164.

Zhang Xingyi, Sui Yueyu. Summarization on the effect of soil compaction on crops[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2005, 36(10): 161-164. (in Chinese with English abstract)

[23] Sally D L, Douglas L K. Bulk density as a soil quality indicator during conversion to no-tillage[J]. Soil & Tillage Research, 2004, 78(2): 143-149.

[24] Fernández-Ugalde O, Virto I, Bescansa P, et al. No-tillage improvement of soil physical quality in calcareous, degradation-prone, semiarid soils[J]. Soil & Tillage Research, 2009, 106(1): 29-35.

[25] Tomasz G, Bogdan K. Effect of mulch and tillage system on soil porosity under wheat ()[J]. Soil & Tillage Research, 2008, 99:169-178.

[26] 周凌云. 秸稈覆蓋對(duì)農(nóng)田土壤物理?xiàng)l件影響的研究[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，1997(5)：56-58，65.

Zhou Lingyun. Effects of straw mulch on soil physical conditions in field[J]. Research of Agricultural Modernization, 1997, 18(5): 56-58, 65. (in Chinese with English abstract)

[27] Wang J J, Li X Y, Zhu A N, et al. Effects of tillage and residue management on soil microbial communities in north China[J]. Plant and Soil Environment, 2012, 1: 28-33.

[28] 李艷，李玉梅，劉崢宇，等. 秸稈還田對(duì)連作玉米黑土團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機(jī)碳含量的影響[J]. 土壤與作物，2019，8(2)：129-138.

Li Yan, Li Yumei, Liu Zhengyu, et al. Effects of straw incorporation on aggregate stability and organic carbon content of black soil in continuous cropping maize[J]. Soils and Crops, 2019, 8(2): 129-138. (in Chinese with English abstract)

[29] Nuria B M, David M F, Victoria L M. Dynamics of aggregate destabilization by water in soils under long-term conservation tillage in semiarid Spain[J]. Catena, 2012, 99: 34-41.

[30] 李景，吳會(huì)軍，武雪萍，等. 長(zhǎng)期不同耕作措施對(duì)土壤團(tuán)聚體特征及微生物多樣性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，25(8)：2341-2348.

Li Jing, Wu Huijun, Wu Xueping, et al. Effects of long-term tillage measurements on soil aggregate characteristic and microbial diversity[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(8): 2341-2348. (in Chinese with English abstract)

[31] He Y B, Xu C, Gu F, et al. Soil aggregate stability improves greatly in response to soil water dynamics under natural rains in long-term organic fertilization[J]. Soil & Tillage Research, 2018, 184: 281-290.

[32] 劉爽，張興義. 保護(hù)性耕作對(duì)黑土農(nóng)田土壤水熱及作物產(chǎn)量的影響[J]. 大豆科學(xué)，2011，30(1)：56-61.

Liu Shuang, Zhang Xingyi. Effect of conservation tillage on soil temperature, water content and yield in arable black soil[J]. Soybean Science, 2011, 30(1): 56-61. (in Chinese with English abstract)

[33] 趙亞麗，薛志偉，郭海斌，等. 耕作方式與秸稈還田對(duì)冬小麥—夏玉米耗水特性和水分利用效率的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，47(17)：3359-3371.

Zhao Yali, Xue Zhiwei, Guo Haibin, et al. Effects of tillage and straw returning on water consumption characteristics and water use efficiency in the winter wheat and summer maize rotation system[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(17): 3359-3371. (in Chinese with English abstract)

[34] 陳強(qiáng)，Yuriy S K，陳帥，等. 不同耕作方式土壤結(jié)構(gòu)季節(jié)變化[J]. 土壤通報(bào)，2015，46(1)：184-191.

Chen Qiang, Yuriy S K, Chen Shuai, et al. Seasonal variations of soil structures under different tillage systems[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2015, 46(1): 184-191. (in Chinese with English abstract)

[35] 劉戰(zhàn)東，秦安振，劉祖貴，等. 深松耕作對(duì)夏玉米生長(zhǎng)生理指標(biāo)和水分利用的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2014，33(4/5)：378-381.

Liu Zhandong, Qin Anzhen, Liu Zugui, et al. Effect of subsoiling on water use efficiency and physiological factors of summer maize[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2014, 33(4/5): 378-381. (in Chinese with English abstract)

[36] Zhang S X, Zhang Z Y, Jiang S W, et al. Effect of different management systems on soil water content in the black soil of Northeast China[J]. Advanced Materials Research, 2013, 2115: 2912-2915.

[37] 王碧勝，蔡典雄，武雪萍，等. 長(zhǎng)期保護(hù)性耕作對(duì)土壤有機(jī)碳和玉米產(chǎn)量及水分利用的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2015，21(6)：1455-1464.

Wang Bisheng, Cai Dianxiong, Wu Xueping, et al. Effects of long-term conservation tillage on soil organic carbon, maize yield and water utilization[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(6): 1455-1464. (in Chinese with English abstract)

[38] 陳強(qiáng). 耕作方式對(duì)黑土理化性狀季節(jié)變化的影響[D]. 長(zhǎng)春，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，2016.

Chen Qiang. Seasonal Variation of the Mollisols Physical and Chemical Properties in Different Tillage Systems[D]. Changchun: University of Chinese Academy of Sciences, 2016. (in Chinese with English abstract)

[39] 李全起，陳雨海，于舜章，等. 灌溉與秸稈覆蓋條件下冬小麥農(nóng)田小氣候特征[J]. 作物學(xué)報(bào)，2006，32(2)：306-309.

Li Quanqi, Chen Yuhai, Yu Shunzhang, et al. Micro-climate of winter wheat field under the conditions of irrigation and straw mulching[J]. Acta Agronomica Sinica, 2006, 32(2): 306-309. (in Chinese with English abstract)

[40] Dao T H. Tillage and crop residue effects on carbon dioxide evolution and carbon storage in a paleustoll[J]. Soil Science Society of America Journal, 1998, 62(1): 250-256.

[41] 宋霄君，吳會(huì)軍，武雪萍，等. 長(zhǎng)期保護(hù)性耕作可提高表層土壤碳氮含量和根際土壤酶活性[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2018，24(6)：1588-1597.

Song Xiaojun, Wu Huijun, Wu Xueping, et al. Long-term conservation tillage improves surface soil carbon and nitrogen content and rhizosphere soil enzyme activities[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2018, 24(6): 1588-1597. (in Chinese with English abstract)

[42] Needelman B A, Wander M M, Bollero G A, et al. Interaction of tillage and soil texture biologically active soil organic matter in Illinois[J]. Soil Science Society of America Journal, 1999, 63(5): 1326-1334.

[43] Cong P, Wang J, Li Y Y, et al. Changes in soil organic carbon and microbial community under varying straw incorporation strategies[J]. Soil & Tillage Research, 2020, 204: 104375.

[44] Martin R I, Mu?oz-Guerra L M, Yunta F, et al. Tillage and crop rotation effects on barley yield and soil nutrients on a calciortidic haploxeralf[J]. Soil & Tillage Research, 2005, 92(1/2): 1-9.

[45] Bin X, Li H, Huang Y N, et al. Roles of soil organic carbon and iron oxides on aggregate formation and stability in two paddy soils[J]. Soil & Tillage Research, 2019, 187: 161-171.

[46] 呂瑞珍，熊瑛，李友軍，等. 保護(hù)性耕作對(duì)農(nóng)田土壤碳庫(kù)特性的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2014，28(4)：206-209，217.

Lv Ruizhen, Xiong Ying, Li Youjun, et al. Effect of conservation tillage on soil carbon pool in farmland[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 28(4): 206-209, 217. (in Chinese with English abstract)

[47] Poeplau C, Don A. Carbon sequestration in agricultural soils via cultivation of cover crops: A meta-analysis[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2015, 200: 33-41.

[48] Strong D T, Wever H, Merckx R, et al. Spatial location of carbon decomposition in the soil pore system [J]. European Journal of Soil Science, 2004, 55(4): 739-750.

[49] 王瑋璐，賀康寧，張?zhí)?，?青海高寒區(qū)水源涵養(yǎng)林土壤機(jī)械組成和理化性質(zhì)對(duì)其飽和導(dǎo)水率和持水能力的影響[J]. 植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2020，29(2)：69-77.

Wang Weilu, He Kangning, Zhang Tan, et al. Effects of mechanical components and physical and chemical properties of soil in water conservation forests in cold highland area of Qinghai on its saturated hydraulic conductivity and water holding capacity[J]. Journal of Plant Resources and Environment. 2020, 29(2): 69-77. (in Chinese with English abstract)

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(yè)，李健宇，等.實(shí)施16年保護(hù)性耕作下黑土土壤結(jié)構(gòu)功能變化特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFD1500800）

郭孟潔，研究方向?yàn)楸Ｗo(hù)性耕作。Email：qiaqiatt@163.com

張興義，博士，研究員，研究方向?yàn)楹谕辽鷳B(tài)。Email：zhangxy@iga.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.012

S126

A

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