李 娜，龍靜泓，韓曉增，張鳳琴，雷琬瑩，盛 明，韓智勇

（1. 中國(guó)科學(xué)院黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱 150081；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3. 黑河市愛輝區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，黑河 164300；4. 國(guó)家環(huán)境保護(hù)水土污染協(xié)同控制與聯(lián)合修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都理工大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，成都 610059）

0 引 言

東北黑土地肥力高，結(jié)構(gòu)良好，適宜作物生長(zhǎng)，是“耕地中的大熊貓”。東北黑土區(qū)也是中國(guó)的糧食主產(chǎn)區(qū)，糧食產(chǎn)量占全國(guó)糧食產(chǎn)量的五分之一以上，是國(guó)家糧食安全的“壓艙石”。但是，近年來，黑土大規(guī)模、高強(qiáng)度的開墾利用，化肥施用量劇增，而秸稈和有機(jī)肥還田量很少，這導(dǎo)致黑土地資源退化明顯，量在減少、質(zhì)在退化，土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重；同時(shí)，由于黑土質(zhì)地一般較黏重，為節(jié)約成本而長(zhǎng)期采用連年淺耕的耕作措施，土壤物理結(jié)構(gòu)更差，土壤緊實(shí)，犁底層增厚，耕層變淺，造成土壤的水、肥、氣、熱性質(zhì)傳導(dǎo)和運(yùn)移轉(zhuǎn)化受阻，作物生長(zhǎng)受限，致使玉米產(chǎn)量降低[1]。因此，改善耕層土壤物理結(jié)構(gòu)，打破犁底層，增加耕層水分和養(yǎng)分有效庫容[2]，是解決糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)技術(shù)瓶頸，保證黑土地戰(zhàn)略地位和黑土區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。

暗棕壤是東北黑土區(qū)主要的土壤類型之一，主要分布于黑龍江省、吉林省及內(nèi)蒙古自治區(qū)東部山區(qū)、半山區(qū)及低山丘陵區(qū)，根據(jù)第二次土壤普查結(jié)果，暗棕壤總面積約3 200 萬hm2[3]，是東北主要糧食產(chǎn)區(qū)。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(xiàn)一個(gè)明顯的分層現(xiàn)象，下層的養(yǎng)分含量和土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)顯著降低。長(zhǎng)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(chǎn)和糧食產(chǎn)量增加的主要限制因子。

作物秸稈或有機(jī)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(nóng)藝措施，減少環(huán)境污染的同時(shí)還能有效改善土壤結(jié)構(gòu)[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(zhǎng)環(huán)境[5]，促進(jìn)土壤水肥氣熱的傳導(dǎo)和輸送[6]，同時(shí)還田的有機(jī)物料通過微生物的分解，釋放出供作物生長(zhǎng)需要的營(yíng)養(yǎng)元素，為土壤微生物和作物根系增加了食物來源，進(jìn)一步反饋增強(qiáng)土壤養(yǎng)分庫容，培肥土壤[7]，提高作物產(chǎn)量[8]。目前常用的有機(jī)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(jī)物的種類主要為作物秸稈和有機(jī)糞肥。將作物秸稈翻埋還田（埋入地表下20～35 cm土層內(nèi)），僅是改善了該土層的土壤容重和提高了有機(jī)質(zhì)含量[7,9]，短期內(nèi)對(duì)全耕層的土壤性質(zhì)并未改善。前人研究發(fā)現(xiàn)深翻和有機(jī)物全耕層深混還田是構(gòu)建適宜作物生長(zhǎng)的肥沃耕層的主要農(nóng)藝措施[3,10-12]。深翻可打破土壤犁底層，配合秸稈或有機(jī)肥深混還田已被證實(shí)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(jié)構(gòu)，優(yōu)化土壤三相比，進(jìn)而培肥土壤，提高作物產(chǎn)量。但在暗棕壤地區(qū)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(jī)肥來改善土壤物理屬性、培肥土壤、提升土壤產(chǎn)能，尚不清楚。特別是同時(shí)對(duì)比研究淺翻和深翻、有機(jī)物是否還田下土壤物理性質(zhì)、作物產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素，進(jìn)一步優(yōu)化耕作和有機(jī)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(fā)育的暗棕壤為研究對(duì)象，基于不同的翻耕深度和有機(jī)物還田田間對(duì)比試驗(yàn)，將已在典型中厚黑土區(qū)的耕層構(gòu)建技術(shù)[3,13]應(yīng)用于暗棕壤地區(qū)，通過打破犁底層，分析不同翻耕和有機(jī)物還田方式組合對(duì)土壤物理性質(zhì)，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(wěn)性團(tuán)聚體比例的影響，闡明短期不同耕作培肥措施對(duì)暗棕壤土壤物理性質(zhì)的影響，探討不同翻耕和有機(jī)物還田對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響，以期指導(dǎo)構(gòu)建適合當(dāng)?shù)胤N植模式的沃土培肥黑土技術(shù)模式，為東北農(nóng)田黑土區(qū)構(gòu)建適宜的耕層提供理論和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)置于黑龍江省黑河市愛輝區(qū)農(nóng)業(yè)示范園區(qū)內(nèi)（50°15′ N，127°27′ E），海拔600 m，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季氣溫不穩(wěn)定，干旱多風(fēng)，夏季溫?zé)岫嘤?，秋季涼爽舒適，冬季嚴(yán)寒、漫長(zhǎng)而干燥，冬長(zhǎng)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(dòng)積溫1 950～2 300 ℃，日照時(shí)數(shù)為2 560～2 700 h。觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，黑河市愛輝區(qū)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(qū)。0～50 cm剖面土壤基本肥力指標(biāo)見表1，屬于肥力較高的土壤；土壤質(zhì)地為壤土，整個(gè)土壤剖面在28～35 cm處呈現(xiàn)較明顯的分層現(xiàn)象，表層為富含腐殖質(zhì)的暗灰色黏壤土，略有團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，表層以下為AB層，呈灰棕或灰色，團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，再向下為棕黃色的B層，在此層中常出現(xiàn)有鐵銹、鐵錳結(jié)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(dāng)?shù)胤N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(yè)深度10～15 cm。

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

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置8種不同耕層構(gòu)建模式田間處理，如表2所示。本試驗(yàn)中腐熟牛糞和玉米秸稈的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為14.5%和44.2%，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(yàn)考慮因素，有機(jī)物在田間處理中與土壤均勻混勻。每個(gè)小區(qū)6 m×4 m，種6壟，4次重復(fù)，隨機(jī)排列，處理重復(fù)間留有1 m的保護(hù)行，試驗(yàn)區(qū)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(hào)，種植密度為7萬株/hm2，行距為65 cm，株距為20 cm。每個(gè)小區(qū)施化肥量：播種時(shí)施N、P2O5和K2O量分別為80、70和60 kg/hm2作為種肥，拔節(jié)期追施N量65 kg/hm2；作物生長(zhǎng)期無灌溉。

表2 翻耕和有機(jī)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(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀

在玉米收獲時(shí)，從每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選取具有代表性的2壟，連續(xù)10株玉米進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，測(cè)定水分后，折合成公頃產(chǎn)量。在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選10株玉米果穗和3株玉米植株，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定玉米產(chǎn)量性狀和生物量。玉米果穗按照常規(guī)方法測(cè)定穗長(zhǎng)、穗粗、禿頂長(zhǎng)、穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒質(zhì)量等玉米產(chǎn)量性狀。地上植株貼地表切斷后全部裝入尼龍網(wǎng)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(shí)驗(yàn)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(zhì)量，計(jì)算植株地上和地下生物量分配。

收獲指數(shù)按式（1）計(jì)算為

式中HI為收獲指數(shù)；GY為籽粒產(chǎn)量，kg/hm2；BY為生物產(chǎn)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(yàn)開始前取樣測(cè)定0～50 cm剖面的土壤基本理化性質(zhì)，見表1。2019年秋季作物收獲后在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)按照0～15、15～35 cm分層取樣，每層取土壤樣品約1 kg，風(fēng)干，過篩，備用。取土樣同時(shí)用環(huán)刀取樣測(cè)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(gè)小區(qū)測(cè)定3次重復(fù)，每個(gè)處理共9個(gè)重復(fù)。鋁盒烘干法測(cè)定土壤含水率（Water Content，WC）。2020年由于雨水太大，秋收時(shí)無法采集試驗(yàn)土樣，故只測(cè)定了玉米穗部性狀和產(chǎn)量土壤TP、三相比等計(jì)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(jié)構(gòu)距離，土壤三相結(jié)構(gòu)越接近理想狀態(tài)STPSD越接近0；GSSI（Generalized Soil Structure Index）代表廣義土壤結(jié)構(gòu)指數(shù)，土壤結(jié)構(gòu)越接近理想狀態(tài)，GSSI越接近100[14,16]。

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分級(jí)，將風(fēng)干土樣利用濕篩法[17]獲得>2 mm和2～0.25 mm水穩(wěn)性大團(tuán)聚體，計(jì)算各粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

文中數(shù)據(jù)采用SPSS 15.0和Origin 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖，不同處理以及剖面不同層次之間數(shù)據(jù)的差異顯著性采用Duncan法（新復(fù)極差法）進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 肥沃耕層構(gòu)建對(duì)土壤水分物理性質(zhì)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(shí)度，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。短期不同翻耕和有機(jī)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(jī)物不還田對(duì)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(jī)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(jī)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(jī)物還田對(duì)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(jù)土壤容重計(jì)算了土壤總孔隙度，翻耕和有機(jī)物還田對(duì)土壤總孔隙度的影響如表3。與土壤容重的變化趨勢(shì)相反，翻耕和有機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)物還田對(duì)土壤飽和含水量和田間持水量的影響趨勢(shì)和總孔隙度的變化趨勢(shì)基本一致，翻耕和有機(jī)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(duì)0～35 cm整個(gè)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(jī)物還田對(duì)暗棕壤三相比影響較大，大致趨勢(shì)表現(xiàn)為翻耕和有機(jī)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(jī)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(xiàn)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(gè)有機(jī)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處理中最小；與T15處理相比，T15+S、T35+S、T35+OM和T35+S+OM這4個(gè)處理的STPSD指標(biāo)顯著降低（P<0.05），具體大小順序?yàn)門35+S+OM、T15+S、T35+S、T35+OM；GSSI指標(biāo)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(shí)0～15 m耕層，T15+S和T35+S+OM處理的土壤三相結(jié)構(gòu)最接近理想狀態(tài)。

表4 短期翻耕和有機(jī)物還田對(duì)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(biāo)在T35+OM和T35+S+OM顯著降低，GSSI指標(biāo)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(jié)構(gòu)最接近理想狀態(tài)。

2.1.5 土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量

土壤中>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體（WSA>0.25）含量被認(rèn)為是評(píng)價(jià)土壤物理結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)之一，其含量越高，說明土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，抗侵蝕和水土流失能力越強(qiáng)[20]。本研究中，短期翻耕和有機(jī)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(tuán)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(tuán)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(tuán)聚體均無顯著變化，2～0.25 mm團(tuán)聚體含量?jī)H在T35+S、T35+OM和T35+S+OM處理中顯著增加（P<0.05），說明深翻對(duì)亞耕層土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的影響更顯著。

2.2 短期翻耕和有機(jī)物還田對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

2.2.1 玉米產(chǎn)量、收獲指數(shù)和產(chǎn)量構(gòu)成因素

短期翻耕和有機(jī)物還田對(duì)玉米產(chǎn)量和收獲指數(shù)的影響見表5。整體而言，2019年玉米產(chǎn)量和收獲指數(shù)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(jī)物還田對(duì)寒地玉米產(chǎn)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(jī)肥還田短期內(nèi)玉米產(chǎn)量差異顯著（P>0.05）；免耕覆蓋處理NT+SM2顯著降低了玉米產(chǎn)量（P<0.05）；T35+OM和T35+S+OM處理的玉米產(chǎn)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(qū)，免耕秸稈覆蓋在短期內(nèi)不能提高玉米產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量和收獲指數(shù)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(shù)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(dǎo)致收獲指數(shù)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(jī)物還田對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成、產(chǎn)量和收獲指數(shù)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(chǎn)量構(gòu)成因素在不同翻耕和有機(jī)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(shù)和百粒質(zhì)量差異不顯著（P>0.05），穗長(zhǎng)、禿頂長(zhǎng)、行粒數(shù)和籽粒產(chǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)差異顯著（P<0.05），其他處理間差異不顯著。玉米禿頂長(zhǎng)的變化規(guī)律與穗長(zhǎng)有所不同。與T15處理相比，2019正常年，2個(gè)免耕處理禿頂長(zhǎng)顯著增加（P<0.05），而T15+S、T35+OM和T35+S+OM處理禿頂長(zhǎng)顯著減少（P<0.05）；在2020豐水年，各處理玉米禿頂長(zhǎng)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(shù)的變化與穗長(zhǎng)和禿頂長(zhǎng)度存在必然聯(lián)系，穗越長(zhǎng)，禿頂長(zhǎng)越短，行粒數(shù)就越多。行粒數(shù)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(shù)顯著高于其他處理（P<0.05）；在2020年，T35+OM處理行粒數(shù)顯著高于T15+S（P<0.05），其他處理間差異均不顯著。相關(guān)分析表明，玉米產(chǎn)量與行粒數(shù)和穗長(zhǎng)呈極顯著正相關(guān)（r=0.892**和0.814**），與禿頂長(zhǎng)呈顯著負(fù)相關(guān)（r=?0.722*）。這表明，翻耕和有機(jī)物還田提高暗棕壤玉米產(chǎn)量，在產(chǎn)量構(gòu)成因素方面主要是穗長(zhǎng)增加、禿頂長(zhǎng)降低和行粒數(shù)顯著提高。

2.2.2 玉米地上地下生物量分配

進(jìn)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(fā)現(xiàn)短期翻耕和有機(jī)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(jī)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(jī)物還田促進(jìn)了玉米主根系的生長(zhǎng)，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(chǎn)量；而深翻35 cm和有機(jī)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(nèi)可更快速提高作物產(chǎn)量，是快速提升土壤產(chǎn)能的主要措施。

表6 短期翻耕和有機(jī)物還田對(duì)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(jī)物還田對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

免耕減少了人類活動(dòng)對(duì)土壤的攪動(dòng)，土壤碳損失降低，是目前公認(rèn)比較好的保護(hù)土壤的農(nóng)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(jī)械壓實(shí)，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(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)與T15常規(guī)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(jié)果不一致，可能由于試驗(yàn)時(shí)間短，土壤自然沉降和壓實(shí)還不明顯，同時(shí)，覆蓋地表的秸稈也會(huì)腐解進(jìn)入土壤，抵消土壤顆粒壓實(shí)對(duì)土壤容重和孔隙度的影響（表3）。免耕秸稈覆蓋對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響仍需要長(zhǎng)時(shí)間序列的試驗(yàn)研究來驗(yàn)證。

翻耕和有機(jī)物還田可顯著影響土壤物理屬性，特別是對(duì)于比較黏重的黑土，影響更明顯[12]。與15 cm常規(guī)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(shí)在全耕層中施入作物秸稈或有機(jī)肥，這些秸稈或有機(jī)肥在土壤中扮演“楔子”的角色[19]，會(huì)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(jī)物質(zhì)一般含有較高的纖維素和可利用養(yǎng)分含量，容重較低[6]，進(jìn)入土壤后與土壤混合能有效降低土壤容重；同時(shí)，秸稈或有機(jī)肥的疏松結(jié)構(gòu)會(huì)增加土壤通透性，還具有較大的吸水特性，進(jìn)而增強(qiáng)土壤的導(dǎo)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(duì)改善暗棕壤土壤物理結(jié)構(gòu)的短期效果很明顯。翻耕加有機(jī)物還田處理下亞耕層土壤的三相比也更優(yōu)于常規(guī)淺翻有機(jī)物不還田處理，這也說明翻耕同時(shí)配施秸稈或有機(jī)肥是快速有效改善深層土壤結(jié)構(gòu)的技術(shù)措施。韓曉增等[10]在內(nèi)蒙古沙性土中添加腐熟的牛糞，發(fā)現(xiàn)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(guī)淺翻具有較大的GSSI值和較小的STPSD值，耕層土壤結(jié)構(gòu)更加接近理想狀態(tài)，可有效地改善土壤物理結(jié)構(gòu)，特別是20～40 cm土層的GSSI和STPSD均顯著優(yōu)于對(duì)照處理；白偉等[14]在遼西褐土區(qū)也發(fā)現(xiàn)虛實(shí)并存和全虛耕層構(gòu)造下20～30 cm深層土壤的三相比優(yōu)于上虛下實(shí)耕層和全實(shí)耕層構(gòu)造處理。本研究中，與T15處理相比，翻耕和有機(jī)物還田對(duì)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(yōu)于其他處理。

土壤WSA>0.25含量也可反映土壤物理結(jié)構(gòu)[20]。秸稈和有機(jī)肥還田通過向土壤中增加外源有機(jī)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(jié)物質(zhì)更有利于大團(tuán)聚體的形成，使土壤中WSA>0.25含量增加，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(duì)土壤的攪動(dòng)，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(duì)耕層土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)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(jī)物很難進(jìn)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(tuán)聚結(jié)構(gòu)。深翻35 cm有機(jī)物不還田處理使深層結(jié)構(gòu)較差的土壤上移，表層結(jié)構(gòu)較好的土壤下移，導(dǎo)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(jìn)了作物根系生長(zhǎng)，通過根系沉積碳?xì)w還增加了耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量，根系和根系的分泌物也能夠促進(jìn)WSA>0.25團(tuán)聚體的形成[8,19,23]。在本試驗(yàn)中，深翻的同時(shí)混入秸稈或者牛糞增加了土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，能膠結(jié)促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，0～35 cm整個(gè)耕作層的土壤WSA>0.25的性質(zhì)均得到了提升，同時(shí)亞耕層土壤的孔隙增大，土壤三相結(jié)構(gòu)（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(jī)物在0～35 cm土層深混過程中將更多的有機(jī)物帶入土壤，促進(jìn)了微生物生長(zhǎng)，形成土壤有機(jī)質(zhì)在深層土壤中積累穩(wěn)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(duì)耕層和亞耕層土壤WSA>0.25增加幅度更高，主要是因?yàn)榻斩掃€田當(dāng)年并不能全部腐熟進(jìn)入土壤，而腐熟的牛糞中半分解或分解后可利用性的養(yǎng)分更高，能直接快速被微生物利用并參與土壤的團(tuán)聚化過程和養(yǎng)分循環(huán)過程，短期內(nèi)改善土壤物理結(jié)構(gòu)的效果優(yōu)于秸稈還田。

3.2 翻耕和有機(jī)物還田對(duì)作物產(chǎn)量的影響

近年來，關(guān)于耕層構(gòu)建與作物產(chǎn)量、作物收獲指數(shù)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(qū)開展不同耕層構(gòu)建方式對(duì)作物產(chǎn)量的影響的研究越來越多[10,12,14]。本試驗(yàn)在暗棕壤上構(gòu)建不同的肥沃耕層，通過連續(xù)2 a的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)短期翻耕和有機(jī)物還田方式對(duì)玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響顯著（P<0.05），2020年深翻35 cm配合秸稈或有機(jī)肥還田能夠不同程度增加玉米產(chǎn)量和作物收獲指數(shù)，同時(shí)，玉米產(chǎn)量與行粒數(shù)和穗長(zhǎng)呈極顯著正相關(guān)（r=0.892**和0.814**），與禿頂長(zhǎng)呈顯著負(fù)相關(guān)（r=?0.722*）。由此表明，翻耕和有機(jī)物還田不同程度提高了玉米產(chǎn)量，特別是深翻35 cm牛糞還田和深翻35 cm牛糞合秸稈同時(shí)還田處理玉米產(chǎn)量增加顯著，在產(chǎn)量構(gòu)成因素方面主要是穗長(zhǎng)增加、禿頂長(zhǎng)降低和行粒數(shù)顯著提高（表5）。白偉等[12]在遼西半干旱地區(qū)開展的不同耕層構(gòu)建試驗(yàn)結(jié)果也發(fā)現(xiàn)虛實(shí)并存耕層（深翻秸稈還田）可顯著增加玉米百粒質(zhì)量，比上虛下實(shí)耕層（淺翻秸稈還田）平均增產(chǎn)16.4%，并提高收獲指數(shù)；馮倩倩等[25]研究表明，虛實(shí)并存耕層能增加作物有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等產(chǎn)量構(gòu)成因素，進(jìn)而增加籽粒產(chǎn)量；免耕下的全實(shí)耕層顯著降低穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，不利于作物增產(chǎn)。不同的耕作方式也通過影響作物根系在土壤中的生長(zhǎng)發(fā)育，間接影響作物產(chǎn)量[12,26-27]。本研究中，也發(fā)現(xiàn)免耕秸稈覆蓋處理下的全實(shí)耕層短期內(nèi)降低了暗棕壤的玉米產(chǎn)量（表5）。本文中發(fā)現(xiàn)深翻同時(shí)秸稈和/或有機(jī)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(jié)構(gòu)性質(zhì)，主要原因一是外源有機(jī)物還田增加了外源可利用有機(jī)物含量，供作物根系吸收利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增加；二是為作物根系創(chuàng)造了更加適宜生長(zhǎng)的土壤結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，促進(jìn)作物根系的生長(zhǎng)，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。鄒洪濤等[28]研究表明，深松與傳統(tǒng)淺旋耕相比產(chǎn)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(chǎn)20.1%和4.1%。

不同耕層構(gòu)造方式對(duì)旱作區(qū)玉米籽粒產(chǎn)量的影響與作物生育期降雨的數(shù)量與分布息息相關(guān)，在降水不同的年份表現(xiàn)也不同[12]。由于2020年降水量比歷史降水量偏高，2020年作物產(chǎn)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(chǎn)，深翻增加了亞耕層土壤的孔隙度，作物根系不能扎實(shí)生長(zhǎng)，體現(xiàn)了深翻處理對(duì)產(chǎn)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(xiàn)減產(chǎn)的結(jié)果相一致，但與正常年份增產(chǎn)作用明顯結(jié)果不一致，這是因?yàn)橛绊懽魑锂a(chǎn)量的因素很多，區(qū)域氣候條件、積溫、土壤類型都可能是導(dǎo)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(chǎn)量。

4 結(jié) 論

1）相比淺翻15 cm處理，深翻35 cm可有效打破犁底層，同時(shí)輔以全耕層中施入作物秸稈或有機(jī)肥，可顯著降低全耕層土壤容重，增加土壤總孔隙度，優(yōu)化土壤三相比結(jié)構(gòu)、提高土壤>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)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(yōu)于其他處理；

2）作物產(chǎn)量受短期翻耕和有機(jī)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(jī)物還田對(duì)作物產(chǎn)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(chǎn)量和作物收獲指數(shù)；

3）與T15處理相比，短期免耕對(duì)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(wěn)定團(tuán)聚體含量降低，可導(dǎo)致玉米減產(chǎn)；

4）基于2 a的田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)深翻配合秸稈或牛糞還田能顯著改善土壤物理結(jié)構(gòu)，優(yōu)化土壤三相比，通過增加玉米的穗長(zhǎng)和行粒數(shù)、減少禿頂長(zhǎng)使豐水年玉米增產(chǎn)和提高收獲指數(shù)，可指導(dǎo)中國(guó)東北北部暗棕壤地區(qū)肥沃耕層構(gòu)建技術(shù)和效果評(píng)價(jià)。