耕翻和秸稈還田深度對東北黑土物理性質的影響

鄒文秀，韓曉增，嚴 君，陳 旭，陸欣春，邱 琛,2，郝翔翔

耕翻和秸稈還田深度對東北黑土物理性質的影響

鄒文秀1，韓曉增1，嚴 君1，陳 旭1，陸欣春1※，邱 琛1,2，郝翔翔1

（1. 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）

為了明確耕翻和秸稈還田深度對土壤物理性質的影響，在東北黑土區中部進行了6 a的耕翻和秸稈還田定位試驗，設置了免耕（D0）、淺耕翻（0～20 cm）（D20）、淺耕翻+秸稈（D20S）、深耕翻（0～35 cm）（D35）、深耕翻+秸稈（D35S）、超深耕翻（0～50 cm）（D50）和超深耕翻+秸稈（D50S）7個處理開展研究，秸稈還田處理將10 000 kg/hm2秸稈均勻地還入相應的耕翻土層。結果表明，耕翻和秸稈還田深度是影響土壤物理性質的重要農藝措施。與初始土壤相比，免耕顯著增加了0～20 cm土層土壤容重，減少了孔隙度、持水量、飽和導水率和>0.25 mm水穩性團聚體的含量（WAS>0.25）（<0.05），而對20～50 cm土層沒有顯著影響（>0.05）。在0～20 cm土層，除了D50處理顯著降低了WAS>0.25含量以外，D20，D35和D50處理對各項土壤物理指標均沒有顯著影響；而D20S和D35S處理則顯著改善了該層各項土壤物理指標。在>20～35 cm土層，D35、D35S、D50和D50S處理顯著改善了該土層各項土壤物理指標（除了2014年的容重）。在>35～50 cm土層，D50和D50S處理對各項土壤物理指標改善效果顯著，特別是相應土層通氣孔隙度和飽和導水率顯著增加。研究結果表明耕翻配合秸稈對土壤物理指標的改善效果優于僅耕翻處理。綜合評分結果也表明D35S和D50S處理分別對>20～35 cm和>35～50 cm土層土壤物理性質的改善效果最好，說明在質地黏重的黑土上深翻耕或者超深翻耕配合秸稈還田通過土層翻轉秸稈全層混合施用能夠顯著改善全耕作層土壤的物理性質，增加耕層厚度，擴充土壤的水分庫容，提高黑土的水分調節能力。

土壤；耕作；秸稈還田；飽和導水率；孔隙度；土壤持水量；>0.25 mm水穩性團聚體

0 引 言

土壤物理性質通過影響土壤中水分、空氣和熱量的傳導[1]，養分的遷移和轉化[2-3]，微生物的豐富度及多樣性[4]等土壤性質而影響作物生長，是農業生產中制定合理耕作和灌排等管理措施的重要依據。黑土的黏粒含量在40%以上[5]，土壤質地較為黏重，導致土壤物理性質較差，在農業生產中存在導水性能差、通氣不暢，易造成土壤內澇、冷涼等問題，限制了區域內糧食生產能力[6]。尤其是黑土開墾以后，經過長期高強度利用和不合理耕作，導致土壤物理性質惡化[7]，表現為土壤總孔隙度和田間持水量下降和犁底層出現等。犁底層的存在增加了亞耕層的土壤容重、減小了孔隙度，阻隔了降水的入滲進而影響土壤蓄積大氣降水的能力[8]，同時增加了地表徑流和土壤侵蝕的風險[9]。因此改善黏重黑土的土壤物理性質，打破犁底層，增加耕作層厚度對東北黑土區的農業可持續發展具有重要的意義。

秸稈作為富含有機質及各類營養元素的農業副產物，已經被廣泛地應用到了土壤培肥實踐中，并取得了顯著的效果[10-11]，但是其效果取決于秸稈還田的深度[12-13]。免耕由于缺乏對土壤的擾動增加了表層土壤的容重，降低了總孔隙度[14]。韓曉增和白偉等研究發現耕作和秸稈還田是構建土壤肥沃耕層的核心[15-16]。秸稈還田過程中由于秸稈歸還和增加了對土壤的擾動，顯著提高土壤的導水導氣性[1]，改善土壤孔隙結構[17]，促進土壤團聚體的形成[18]，增加土壤持水量[11]。目前很多研究學者開展了秸稈深層還田（包括翻埋還田和亞耕層混合還田）[16,19-20]對土壤物理性質影響的研究。王秋菊等研究發現秸稈翻埋還田（將秸稈埋入地表下>30～35 cm土層內）后具有減小30～40 cm土層土壤容重，增加土壤持水量的作用，但是僅顯著提高了該土層的土壤大孔隙含量[19]；當秸稈混合施入亞耕層后20～35 cm土層土壤容重顯著下降了11.3%[12]，說明秸稈還入土壤中某一層后不能夠改善全耕作層的土壤物理性質。研究已經報道了秸稈混合施入不同深度土層后能夠顯著增加全耕作層的土壤肥力，提高土壤蓄水、供水能力及水分利用效率和產量[6,21]，但是秸稈不同混合還田深度對土壤物理性質的影響缺少系統的研究，同時黑土區關于耕翻深度和秸稈混合還田深度對土壤物理性質的綜合評價還鮮有報道。本研究基于耕翻深度和秸稈混合還田深度的田間對比試驗，探討了其對土壤容重、孔隙度及組成、持水量、飽和導水率及>0.25 mm水穩性團聚體的影響，明確了土壤物理性質對耕翻和秸稈混合還田的響應；并基于主成分分析獲取改善黑土物理性質效果最優的農藝措施，以期為東北黑土區建立以“土壤質量提升、秸稈高效利用”為核心的秸稈還田模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗于2008－2014年在東北黑土區黑龍江省海倫市勝利村進行。海倫市勝利村地處暖溫帶大陸性季風氣候區，冬季寒冷干燥、夏季高溫多雨，雨熱同季，年均氣溫1.5 ℃，近50 a大氣降水平均值為550 mm，70%以上集中在7－9月份，無霜期125 d。土壤類型為中厚黑土，土壤質地為壤黏土[5]。2008年試驗區基礎土壤物理性質見表1。

表1 2008年試驗區土壤物理性質

1.2 試驗設計

試驗始于2008年秋季，采用裂區設計。主區為5個耕翻深度，包括免耕（D0）、淺耕翻20 cm（D20）、深耕翻35 cm（D35）、超深耕翻50 cm（D50）；副區為秸稈管理方式，秸稈還田和無秸稈還田（免耕除外）。每年秋季作物收獲后對相應的處理進行秸稈還田，即將粉碎長度約10 cm的秸稈均勻混入0～20 cm土層（D20S），0～35 cm土層（D35S）和0～50 cm土層（D50S），秸稈還田量均為10 000 kg/hm2。在秸稈還田小區，首先使用鐵鍬挖相應深度的一條“塹溝”，然后將粉碎后的秸稈平鋪在“塹溝”的橫截面上，再用鐵鍬挖土蓋在鋪了秸稈的橫截面上，最后將秸稈和土壤進行充分混勻，以此類推，完成整個小區的秸稈還田工作。小區面積為52 m2（10 m×5.2 m），每個處理3次重復。供試玉米品種為海玉6，密度為6.5萬株/hm2。施肥量：氮肥（N）150.0 kg/hm2，磷肥（P2O5）70.0 kg/hm2，鉀肥（K2O）50.0 kg/hm2。田間管理與當地相同。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 土壤樣品采集

在2008年秋季試驗開始前，2010年、2012年和2014年秋季收獲后采集土壤樣品，樣品采集方法：每個處理分0～20、>20～35和>35～50 cm 3個土層深度進行取樣，每個小區隨機選取3個點。采用體積為100 cm3的環刀分層采集原狀土土壤，然后使用環刀的蓋子蓋住兩端，再用膠帶密封后帶回實驗室備用；同時分層采集原狀土放入取樣盒，用于土壤團聚體的測定，在采集和運輸過程中減少對土壤樣品的擾動，減少對土壤團聚體的破壞。

1.3.2 測定方法

土壤容重、田間持水量、飽和持水量采用環刀法測定，土粒密度采用比重瓶法測定[22]，土壤飽和導水率采用TST-55型滲透儀測定[23]，土壤水穩性團聚體采用濕篩法[20]，凋萎含水量采用生物法測定[24]。

1.3.3 土壤孔隙度計算方法[25]

土壤總孔隙度=(1?(容重/土粒密度))×100%（1）

毛管孔隙度=(田間持水量?凋萎含水量)×容重×100%（2）

通氣孔隙度=總孔隙度?田間持水量×容重×100%（3）

非活性孔隙度=土壤總孔隙度?毛管孔隙度?通氣孔隙度（4）

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2017對試驗數據進行整理，運用SPSS19.0進行統計分析，其中方差分析為單因素方差（One Way-ANOVA），顯著水平為0.05。采用Origin 2019進行畫圖。采用Canoco 5.0軟件對不同處理間土壤物理性質差異進行主成分分析（Principal Component Analysis, PCA），采用SPSS19.0計算不同處理下土壤物理性質的綜合得分，采用Pearson相關分析統計分析了耕翻和秸稈還田深度對土壤物理性的影響。

2 結果與分析

2.1 對土壤容重的影響

耕翻和秸稈還田深度是影響土壤容重的重要因素（圖1）。在0～50 cm土層內土壤容重整體上表現為隨著土層深度的增加而增加。D0處理顯著增加了0～20 cm土層土壤容重，而對>20～35和>35～50 cm土層土壤容重則沒有顯著影響。隨著耕翻和秸稈還田深度的增加，減小了相應土層的土壤容重（圖1）。在0～20 cm土層，與初始土壤相比，D20，D35和D50處理對土壤容重影響差異不顯著，但是D20S和D50S處理土壤容重顯著下降了6.93%～11.14%（<0.05）。在>20～35 cm土層，與初始土壤和其他處理相比，D35和D50處理在2010年和2012年顯著降低了該層容重；D35S和D50S處理在3個取樣年份均顯著降低了該層土壤容重。與其他處理相比，D50和D50S處理>35～50 cm土層土壤容重分別顯著下降了10.39%～12.27%和11.16%～18.41%，其他處理間沒有顯著差異。0～20、>20～35和>35～50 cm土層土壤容重對不同耕翻和秸稈還田深度的時間響應不一致（圖1）。

注：D0、D20、D35和D50分別代表耕翻深度為0、20、35和50 cm，D20S、D35S和D50S分別代表耕翻秸稈混合還入0～20、0～35和0～50 cm土層，Initial V代表起始土壤值。下同。不同小寫字母表示相同年份同一土層不同處理間在P<0.05的水平上差異顯著。

2.2 對土壤孔隙度的影響

圖2為試驗6 a后分析了耕翻和秸稈還田對土壤孔隙度的影響。土壤總孔隙度、通氣孔隙度和毛管孔隙度隨著土層深度的增加而增加，而非活性孔隙度隨著土壤深度的增加而減少。與初始土壤相比，D0處理在0～20 cm土層土壤總孔隙度顯著降低了7.64%，而在>20～35和>35～50 cm土層則沒有顯著差異。與初始土壤相比，僅進行耕翻的處理對0～20 cm土層土壤總孔隙度沒有顯著影響，但是耕翻過程中配合秸稈還田后土壤總孔隙度顯著增加了6.29%～8.31%（<0.05）。隨著耕翻和秸稈還田深度的增加，D35，D50，D35S和D50S處理顯著增加了>20～35 cm土層土壤總孔隙度，D50和D50S處理顯著增加了>35～50 cm土層土壤總孔隙度。

耕翻和秸稈還田能夠影響土壤中的孔隙組成（圖2）。在0～20 cm土層，與初始土壤相比，D0處理土壤通氣孔隙度顯著降低了21.79%，而D20，D35和D50處理則對土壤通氣孔隙度沒有顯著影響。與其他處理相比，D35，D50，D35S和D50S處理>20～35 cm土層土壤通氣孔隙度顯著增加了24.30%～43.00%（<0.05），它們之間沒有顯著差異。D50和D50S處理均顯著增加了>35～50 cm土層土壤通氣孔隙度；其中與D50相比，D50S處理顯著增加了14.66%（<0.05）。與初始土壤相比，D0處理0～20 cm土層土壤毛管孔隙度顯著降低了18.66%，而D20S處理顯著增加了23.30%。與其他處理相比，在>20～35 cm土層，D35S處理土壤毛管孔隙度顯著增加了18.41%～44.13%；在>35～50 cm土層，D50和D50S處理均顯著增加了土壤的通氣孔隙度29.11%～48.03%，其中D50和D50S之間差異顯著。與初始土壤相比，免耕顯著增加了0～20 cm土層土壤的非活性孔隙度，而耕翻和秸稈還田處理則減少了相應土層土壤非活性孔隙度。

注：不同小寫字母表示不同處理間在P<0.05水平上差異顯著。下同。

2.3 對土壤田間持水量和飽和持水量的影響

本研究中土壤田間持水量和飽和持水量均表現為隨著土壤深度的增加的減小（圖3）。與初始土壤相比，D0處理0～20 cm土層土壤田間持水量和飽和持水量分別顯著下降了11.80%和7.88%，而>20～35和>35～50 cm土層沒有顯著差異。在0～20 cm土層，耕翻配合秸稈還田處理田間持水量和飽和持水量分別顯著增加了8.70%～15.08%和7.23%～9.51%，不同處理間表現為D20S>D35S>D50S。在>20～35 cm土層，與D0，D20和D20S相比，D35、D35S、D50和D50S處理田間持水量和飽和持水量分別顯著增加了6.59%～17.95%和9.84%～21.12%（<0.05），其中D35S和D50S處理的田間持水量顯著高于D35和D50處理。在>35～50 cm土層，僅D50和D50S處理顯著增加了該層田間持水量和飽和持水量，與其他處理相比分別增加了13.41%～2623%和8.19%～14.69%。

圖3　耕翻和秸稈還田對土壤田間持水量和飽和持水量的影響

2.4 對土壤飽和導水率的影響

耕翻和秸稈還田對土壤飽和導水率的影響見表2。D0處理顯著降低了0～20 cm土層的土壤的飽和導水率（<0.05），與初始土壤相比，顯著下降了12.15%；而對>20～35和>35～50 cm土層飽和導水率沒有顯著影響。耕翻配合秸稈還田處理0～20 cm土層土壤飽和導水率顯著增加了10.91%～12.76%（>0.05）。當耕翻深度達到35和50 cm后，顯著增加了>20～35 cm土層的飽和導水率，當向0～35和0～50 cm土層施用秸稈后，>20～35 cm土層飽和導水率有進一步增加的趨勢，但是D35、D50、D35S和D50S處理間差異不顯著。僅D50和D50S處理顯著增加了>35～50 cm土層的飽和導水率，與其他處理相比顯著增加了9.86%～24.68%。

表2 耕翻和秸稈還田對土壤飽和導水率的影響

注：同一行不同小寫字母表示不同處理間在<0.05的水平上差異顯著。下同。

Note: The different lowercases in one row indicate the significantly different among the treatments in the same soil layer at<0.05 level. The same as below.

2.5 對土壤>0.25 mm水穩性團聚體的影響

>0.25 mm水穩性團聚體（WSA>0.25）是評價土壤結構的重要指標之一，隨著土層深度的增加，WSA>0.25含量逐漸減小（表3）。與初始土壤相比，D0處理0～20 cm土層WSA>0.25含量顯著下降了15.63%（>0.05），在20～35 cm和>35～50 cm土層沒有顯著差異。與初始土壤相比，D50處理顯著降低了0～20 cm土層WSA>0.25含量，但是顯著增加了>35～50 cm土層WSA>0.25含量；D35處理顯著增加了>20～35 cm土層WSA>0.25含量。耕翻配合秸稈還田有增加相應土層WSA>0.25含量的趨勢，與其他處理相比，僅D20S和D35S處理顯著增加0～20 cm土層WSA>0.25含量。與初始土壤相比，D35，D35S和D50S顯著增加了>20～35 cm土層WSA>0.25含量，他們之間差異不顯著；D50和D50S顯著增加了>35～50 cm土層WSA>0.25含量。

表3 耕翻和秸稈還田對>0.25 mm水穩性團聚體的影響

2.6 主成分分析及耕翻和秸稈還田深度對土壤物理性質影響的統計分析

6 a翻耕和秸稈還田后，對土壤物理性質進行主成分（PCA）分析（圖4和表4）。在0～20 cm土層，D0處理的樣本在第一主成分上明顯與其他處理區分開（圖4），D20S處理的樣本在第二主成分上明顯與其他處理的樣本區分開，D20S處理對土壤物理性質綜合得分最高（表4）。在>20～35 cm土層，耕翻與秸稈還田處理的樣本在第一主成分上明顯與D0和初始土壤樣品區分開，其中D35S處理對土壤物理性質綜合得分最高。在>35～50 cm土層，D50和D50S處理的樣本在第一主成分上明顯與其他處理有明顯區分，其中D50S處理對土壤物理性質綜合得分最高。

圖4 耕翻和秸稈還田處理下土壤物理性質的主成分分析

表4 耕翻和秸稈還田對土壤物理性質影響的綜合得分

基于Pearson相關分析，統計了耕翻和秸稈還田深度對土壤物理性質的影響（表5）。在0～20 cm土層土壤物理指標與秸稈還田深度極顯著相關，容重和飽和導水率與耕翻深度極顯著相關。在>20～35 cm土層容重、田間持水量和WAS>0.25與秸稈還田深度極顯著相關，總孔隙度和飽和導水率與秸稈還田深度顯著相關；除了WAS>0.25以外的土壤物理指標與耕翻深度極顯著相關。在>35～50 cm土層WAS>0.25與秸稈還田深度極顯著相關，容重、總孔隙度和田間持水量與秸稈還田深度顯著相關；土壤物理指標均與耕翻深度極顯著相關。

表5 耕翻和秸稈還田深度對土壤物理性質影響的統計分析

注：*表示顯著相關，**極顯著相關。

Note: * indicates significant correlation, ** indicates highly significantly correlation.

3 討 論

大量研究已經證明耕翻和秸稈還田是影響物理性質的重要因素[26]。與傳統耕作相比，免耕雖然對土壤不產生擾動，但是土壤自身下沉而引起土壤顆粒間排列比較緊實，加之播種和收獲環節的機械壓實增加了表層土壤的容重[27]，但是對20 cm以下土層沒有顯著影響。與免耕相比，耕翻處理由于對相應土層進行了翻轉作業從而導致土壤疏松，減少土壤容重[28]；但是，不同耕翻深度處理對0～20 cm土層土壤容重沒有顯著影響（圖1）。黑土由于長期不合理耕作導致約20 cm以下存在一個土壤容重較大的犁底層[15]，限制了作物根系的下扎和土壤中的水分傳導[29]。本研究中隨著耕翻深度的增加，D35和D50處理能夠打破了犁底層，顯著降低了>20～35 cm土層的土壤容重，改善土壤結構。在土層翻轉作業的同時將秸稈均勻地混入相應的土層對改善土壤容重的效果優于單獨的耕翻作業（圖1）。秸稈在土壤中起到了“楔子”的作用[7]，能夠有效改善土壤的三相比，進一步降低相應土層的土壤容重，說明翻耕過程中配合秸稈還田是有效改善深層土壤結構的途徑。在0～20 cm土層秸稈還田處理對土壤容重的影響表現為D20S35～50 cm土層土壤容重顯著小于2010年，表現出了秸稈深層混合施用的時間累積效應。秸稈累計輸入量的增加和>35～50 cm土層秸稈腐解慢是產生上述現象的主要原因[12]。鄒文秀等研究發現在0～50 cm土層范圍內，隨著秸稈還田深度增加，秸稈殘留率呈增加的趨勢；殘留在土壤中的秸稈對持續改善土壤結構具有重要的作用[7,21]。

土壤孔隙度是衡量土壤物理質量的重要指標，對作物根系生長、通氣、排水、微生物及土壤動物活動至關重要[30-31]。免耕處理由于土壤自身下沉而導致土壤顆粒排列緊密，降低了土壤總孔隙度，特別是降低了土壤中的通氣孔隙度[32]。蘇麗麗等的研究發現，與傳統旋耕相比，耕翻處理>20～30 cm土層土壤總孔隙度顯著增加了5.7%[2]，本研究得到了相似的結果。D35和D50處理顯著增加了20 cm以下相應土層的總孔隙度，改善了土壤中的孔隙分布，特別是增加了土壤的通氣孔隙和毛管孔隙度的含量，這對土壤蓄水和保水功能的提升至關重要[6]。秸稈還田是增加土壤孔隙度，改善土壤孔隙結構的有效措施[33]。相關研究已經報道了有機物料還田能夠促進土壤中已有孔隙向大孔隙發育，在10 cm以下土層效果尤為顯著[1]。本研究發現土壤翻耕過程中配合秸稈還田，較不進行秸稈還田的處理進一步增加了相應土層的土壤總孔隙度、通氣孔隙度和毛管孔隙度，尤其是增加了有效孔隙的比例（圖2）。深耕翻和超深耕翻秸稈還田后能夠顯著增加深層土壤的有機質含量[12,21]，促進土壤中團聚體的形成（圖5），因次，更有效地增加了土壤中的總孔隙度，明顯改善了深層土壤的通氣性和持水能力[34]。

東北黑土區是雨養農業，大氣降水是土壤水分的主要來源，如何提高土壤對大氣降水的蓄持能力，對區域農業生產至關重要[35]。本研究中免耕處理受較大土壤容重和較小土壤孔隙度的影響，0～20 cm土層田間持水量和飽和持水量均顯著小于其他處理（圖3）。翻耕和秸稈還田通過增加土壤孔隙度，改善土壤中的孔隙分布（圖2），進而擴大土壤中的蓄水空間，接納更多的大氣降水貯存在土壤中[15]。在0～20 cm土層，秸稈還田后不同耕翻深度處理均顯著增加了土壤田間持水量和飽和持水量，與武志杰等研究結果相一致[11]。本研究中對于20 cm以下的土層，通過深翻打破犁底層，能夠有效地增加相應土層土壤的田間持水量和飽和持水量，耕翻的過程中進行秸稈還田效果更佳（圖3）。通過深耕翻和超深耕翻配合秸稈還田增加耕作層厚度，提高田間持水量和飽和持水量，能夠對<143.5 mm的單次大氣降水或者累計大氣降水的進行貯存，有效預防田間徑流的發生[15]，同時提高土壤的儲水量和有效水含量[6,36]，對于緩解研究區域內由年際間降水不均和年內降水分布不均而引起的季節性干旱具有十分重要的作用。

土壤飽和導水率反映了土壤導水性，是土壤水分和溶質運移的重要水力參數[1]。相關研究已經發現翻耕和秸稈還田能夠提高土壤大孔隙含量，改善土壤的孔隙分布[33]，進而增加土壤的飽和導水率，提高土壤水分傳導能力。本研究中土壤深耕翻和超深耕翻過程中對相應土層進行翻轉作業，使上下土層的土壤進行混合，創造了大量的大孔隙，有效改善了土壤緊實的狀態，進而增加了土壤飽和導水率（表2），促進了水分向深層的傳導。秸稈具有較高的纖維素含量和低容重特性[1]，還田以后能夠有效降低容重（圖1），增加土壤中通氣孔隙數量（圖2），顯著改善土壤的導水能力。秸稈還田后在增加土壤有機質含量的同時[7]，促進了土壤中孔隙結構的形成，使土壤中已有孔隙向大孔隙發育[17]，而大孔隙是土壤水分運移的優勢路徑[37]，對土壤飽和導水率具有顯著的增加效果。Kasteel等研究還發現在秸稈還田處理中，秸稈本身就能夠導致土壤水分流態發生變化[38]，即秸稈施入土壤以后，其自身就具有水分通道的作用，增加土壤中水分的入滲和傳導。黑土質地較為黏重，特別亞耕層土壤常年受機械碾壓的影響，土壤飽和導水率普遍較低[7]，影響了土壤中的水分傳導，不利于大氣降水的入滲，部分低洼地塊易產生內澇現象，限制了作物根系的生長及其對水分和養分的吸收[26]。本研究發現在該區域進行深耕翻和超深耕翻同時配合秸稈還田在培肥土壤同時能夠有效解決土壤水分入滲難的問題。

>0.25 mm水穩性團聚體（WSA>0.25）含量是評價土壤結構的重要指標[5]。本研究中免耕處理顯著降低了0～20 cm土層的WSA>0.25含量，與已有研究結果不一致[39]，其主要原因取樣深度不同。耕翻處理在耕翻作業過程土壤發生了土層翻轉，使下層土壤與表層土壤進行了充分混合，導致0～20 cm土層WSA>0.25含量表現為下降（表3）。深耕翻和超深耕翻處理在耕翻過程中一方面將WSA>0.25含量較高的表層土壤通過翻轉和混合的方式帶入深層土壤；另一方面通過耕層加厚和土壤結構的改善，促進了作物根系向深層土壤的伸展[40]，根系及根系分泌物能夠促進深層土壤中WSA>0.25的形成[41]。本研究中D35和D50處理增加了>20～35 cm土層WSA>0.25的含量，D50處理增加了>35～50 cm土層WSA>0.25含量（表3）。目前，秸稈還田對土壤團聚體促進作用的研究主要集中在耕作層[18]，但是為了更有效地改善黑土犁底層緊實程度，構建肥沃耕層，促進土壤中的水、熱、氣交換，建議將秸稈與深耕翻或者超深耕翻相結合，能夠實現短期內增加WSA>0.25含量的目標[20]。秸稈還田后能夠增加土壤中的有機質含量，土壤有機質中的長鏈分子能夠有效地束縛和黏結礦質顆粒，促進大團聚體的形成[17]。還田后的秸稈為微生物提供了豐富碳源和氮源，同時由于土壤孔隙結構的改善，增加了土壤中的通氣孔隙（圖2），有利于土壤中真菌的生長[4]；亞耕層秸稈還田后能顯著提高土壤磷脂脂肪酸的總量，特別是真菌的數量[4]。眾所周知，真菌菌絲的纏繞作用是促進團聚體形成的機制之一。秸稈分解過程中產生的膠結物質也是促進WSA>0.25形成的重要因素之一[20]。黑土深層土壤結構的改善對于作物根系的生長及對深層土壤中水分和養分的利用至關重要。

黑土質地較為黏重，長期不合理耕作導致土壤耕層變薄，犁底層增厚，限制了土壤中的水分和養分庫容及有效性[15,21]。本研究發現耕翻和秸稈還田具有改善黑土的物理性質的作用。通過主成分分析對土壤物理性質進行綜合評價，耕翻20、35和50 cm并進行秸稈還田，分別對0～20、>20～35和>35～50 cm土層土壤物理性質的改善效果均達到了最優。因此，相對于單獨的耕翻處理，秸稈還田更能有效地改善土壤的物理性質，其對黏粒含量高的土壤效果尤為明顯[1]。因此，耕翻秸稈還田是改善黑土物理性質的有效途徑。雖然，隨著耕翻深度和秸稈還田深度的增加，能夠有效改善全耕作層土壤的物理性質，但是耕翻深度的增加必將伴隨著機械作業成本的加大，可能造成能源上的浪費和經濟收益上的降低。因此，綜合大量已有的研究結果[20.33]和本研究中的發現，建議粘壤質黑土的耕翻秸稈還田深度為0～35 cm。考慮到耕翻過程中進行秸稈還田對土壤擾動較大，建議在秋季進行秸稈還田操作，以便深厚肥沃的耕作層能夠充分蓄積冬季和春季的降水，保證第二年春季的土壤含水量；規避春季耕翻作業可能帶來的土壤跑墑，影響作物出苗的潛在風險。

4 結 論

基于6a的田間試驗研究發現，耕翻和秸稈還田是改善土壤物理性質的重要農藝措施。免耕雖然對>20～50 cm土層土壤物理性質沒有顯著影響，但是因增加了0～20 cm土層的土壤容重，減小了土壤孔隙度、持水量、飽和導水率和>0.25 mm水穩性團聚體含量，而不利于黏重黑土良好土壤物理性質的形成。除了超深耕翻處理顯著降了0～20 cm土層>0.25mm水穩性團聚體以外，不同耕翻深度對0～20 cm土層土壤物理性質沒有顯著影響，深耕翻和超深耕翻處理改善了>20～35和>35～50 cm土層土壤物理性質。與初始土壤相比，不同耕翻深度配合秸稈還田顯著改善全耕作層的土壤物理性質，特別是深耕翻和超深耕翻配合秸稈還田分別對>20～35和>35～50 cm土層土壤物理性質的改善效果最佳，說明通過深耕翻和超深耕翻進行秸稈混合還田能夠有效地打破犁底層、增加耕作層厚度、擴充土壤的水分庫容，提高黑土的水分調節能力。鑒于深耕翻和超深耕翻配合秸稈還田對黏重土壤物理性質的改善效果和免耕的局限性，綜合考慮機械成本投入和經濟收益，建議在東北黑土區建立深耕翻（深耕翻配合秸稈還田）與免耕相結合的耕作制度。該項技術也適用于土壤黏重的其他區域。

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Effects of incorporation depth of tillage and straw returning on soil physical properties of black soil in Northeast China

Zou Wenxiu1, Han Xiaozeng1, Yan Jun1, Chen Xu1, Lu Xinchun1※, Qiu Chen1,2, Hao Xiangxiang1

(1.,,150081,; 2.,100049,)

Black soil in northeast China is well known as high natural fertility for grain production, but the growth and yield of crop can be limited due to the high clay content of black soil can deteriorate physical properties. In this case, both tillage and straw return can be expected to serve as the important agronomic practices, in order to efficiently improve soil physical properties. However, the optimal depth of tillage and straw return into soil for favorable soil physical properties still remained unknown, particularly in black soil region. In this study, a field experiment, referred to the depth of tillage and straw return into soil, was conducted for six years in the black soil region in northeast China, in order to investigate the effects of incorporation depth of tillage and straw return into soil on soil physical properties of black soil. Seven treatments consisted of four replicates and random block design, including no tillage (D0), shallow tillage (0-20 cm) without or with straw return (D20 or D20S), deep tillage (0-35 cm) without or with straw return (D35 or D35S), super deep tillage (0-50 cm) without or with (D50 or D50S) straw return. In the treatments with straw return, a straw rate of 10 000 kg/hm2was set to return into the corresponding tilled soil layer. Bulk density and water holding capacity were measured using cutting ring method, while the hydraulic conductivity was determined using constant head method, and the aggregate was measured using wet sieving method. The results showed that: 1) Compared with initial soil values, D0 treatment significantly increased soil bulk density, while decreased soil porosity, water holding capacity, hydraulic conductivity and >0.25 mm water stability aggregate (WAS>0.25) within 0-20 cm soil layer (<0.05). However, there was no significantly impact on those indicators in soil layer within 20-50 cm (>0.05). 2) In D20, D35 and D50 treatments, there was no obvious impact on the soil physical properties within 0-20 cm soil layer with exception for WAS>0.25in D50 treatment, but D20S and D35S treatments remarkably all indicators of soil physical properties within 0-20 cm soil layer. 3) D35, D35S, D50 and D50S treatments significantly improved soil physical properties within >20-35 cm soil layer with exception of bulk density in 2014, while D50 and D50S treatments dramatically enhanced soil physical properties within in >35-50 cm soil layer (<0.05). Specially, aeration porosity and hydraulic conductivity increased significantly, within the corresponding soil layers, while the higher effect was found in the treatment with straw return, compared with only tilled treatments. The comprehensive evaluation also showed that D35S and D50S treatments reached the best effect for improving soil physical properties. Therefore, the findings demonstrated that deep tillage or super deep tillage with straw return can efficiently improve soil physical properties within the whole tilled soil layers, concurrently to increase the depth of tilled soil layer, and thereby to enhance the water infiltration rate and soil water storage in black soil with heavy clay. In view of the positive effect of deep tillage and super tillage with straw return on soil physical properties and the limit of no tillage, the combined tillage practices of deep tillage (or with straw return) and no tillage were proposed for the black soil with high clay in northeast China and other regions.

soils; tillage; straw return; hydraulic conductivity, soil porosity, water holding capacity; >0.25 mm water stability aggregate

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Zou Wenxiu, Han Xiaozeng, Yan Jun, et al. Effects of incorporation depth of tillage and straw returning on soil physical properties of black soil in Northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(15): 9-18. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.002 http://www.tcsae.org

2020-05-15

2020-07-09

國家自然科學基金（41771327，41807085，41571219）；黑龍江省應用技術研究與開發計劃（GY2017ZB006，GA19B10）；中國科學院野外臺站聯盟項目（KFJ-SW-YW035-4）；現代農業產業技術體系（CARS04）

鄒文秀，博士，副研究員，主要從事土壤物理與水分高效利用方面的研究。Email：zouwenxiu@iga.ac.cn

陸欣春，博士，助理研究員，主要從事土壤肥力方面的研究。Email：luxinchun@iga.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.15.002

S152+1

A

1002-6819(2020)-15-0009-10