深松配施有机物料还田对黑土区坡耕地土壤物理性质的改良效应

丛 聪，王天舒，岳龙凯，周 璇，李玉明，尧水红*

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.黑龙江北大荒农业股份有限公司291 分公司农业技术推广中心，黑龙江 佳木斯 150090）

坡耕地是东北黑土区一种典型的土地类型，占黑土区总耕地面积的60%［1-2］，因此东北坡耕地的可持续利用对黑土区乃至全国粮食生产安全起着十分重要的作用。近年来由于土地的分散经营，大动力及大型农机具在生产上的应用急剧下降，机械化深翻、深松（耕）面积越来越少，农民经常采用浅层旋耕的耕作方式，造成东北坡耕地土壤耕层变浅，犁底层加厚，土壤紧实层上移，土壤蓄水能力变差，作物根系下扎受阻，严重影响作物产量形成［3-4］。因此，亟需采用合理的耕作措施，保障东北坡耕地的可持续利用。

深松能够打破犁底层，降低土壤容重，增加土壤含水量和通透性，在一定程度上改善土壤保水保墒能力；而且深松有利于作物根系生长和养分吸收，与传统耕作相比有一定的增产效果。Feng 等［5］研究得出，深松显著增加玉米根长、根密度及产量，与传统旋耕相比，玉米根密度增加13.0%，产量提高3.7%。但Liu 等［6］和Botta 等［7］的研究指出，深松后土壤结构不稳定，土壤强度较低，易被再次压实，且多年连续深松会增加深层土壤压实的风险。因此，在实际生产中，仅采用深松不足以满足坡耕地可持续利用的需求。

有机物的施用一方面可以减少焚烧、避免有机物资源的浪费，另一方面可以提高土壤有机质、改善土壤结构，是农业生产中改良土壤性质的有效措施之一［8］。Rasool 等［9］和Singh 等［10］研究表明，秸秆直接还田和过腹还田均可稳定土壤孔隙结构，促进水分入渗。此外，赵红等［11］研究表明，有机物料还田还可提高土壤有机质含量，稳定土壤团粒结构，与施用无机肥相比，施用有机肥后土壤有机碳含量增加171.1%，土壤团聚体稳定性增加63.16%。因此，通过适当深松并结合不同有机物料还田的耕作措施，既能增加耕层土壤厚度，又能提高耕层土壤有机质含量，避免深层土壤压实，改善土壤结构，为坡耕地的可持续利用提供可能。

目前仅有少量关于深松结合有机物料还田的研究，且这些研究多关注采用不同措施后土壤和作物产量的差异［12-14］，极少探讨不同土壤耕作及有机物料还田方式对农田土壤性状及水分利用效率等的交互作用。由于耕作方式对土壤的扰动程度和作业深度不同，使输入的秸秆等有机物料在土壤中的分解转化过程也存在很大的差异。为了解深松与有机物料组合还田对剖面土壤物理性质的改变，并探明其在玉米生长季对改土效果的持续时间，本研究选取典型黑土区坡耕地农田为试验对象，测定3 年深松配合有机物料还田处理后，土壤含水量、饱和导水率和团聚体稳定性等物理性质在玉米生长季的变化，研究适于黑土坡耕地的合理农田管理措施，为黑土区农业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点为黑龙江省海伦市中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土水土流失监测站（47°21′N，126°50′E），试验地块为东北典型的漫岗坡耕地，坡度约为3°，海拔210 m，处于温带大陆性季风气候区，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年均气温1.5℃，年均降水量530 mm，有效积温2450℃，日照时间2600～2800 h，无霜期约120 d。土壤类型为黄土母质发育的典型黑土，2015 年试验开始前0～20 cm 土壤的理化性质为pH 5.92、有机质20.16 g/kg、全氮1.53 g/kg、速效钾226.2 mg/kg、有效磷31.3 mg/kg。

1.2 试验设计

试验从2015 年开始，于2017 年采样分析。试验采用裂区设计，耕作方式为主处理（旋耕和深松），有机物料还田为副处理（无还田、秸秆还田和牛粪还田），包括：旋耕+无还田（RT0），深松+无还田（SS0），旋耕+秸秆还田（RT1），深松+秸秆还田（SS1），旋耕+牛粪还田（RT2），深松+牛粪还田（SS2）6 个处理。其中，RT0 为当地农户最常见的农田管理方式，将其作为其他5个处理的对照。每个处理设3 次重复，共18 个小区，每个小区面积为55 m2。

深松的深度为30 cm，采用豪丰1S-250 深松机对土壤进行松动后旋耕起垄；旋耕的深度为15 cm，采用东方红1GQN-280K 旋耕机（农户普及机型）对浅层土壤进行旋耕，同时起垄。旋耕处理中，按区组设计将秸秆和牛粪撒施于地表，然后旋耕混拌于土壤中；深松处理中，将秸秆和牛粪撒施于地表，深松后旋耕起垄。秸秆粉碎成约5 cm，全量还田，还田量为12 t/hm2；牛粪为玉米秸过腹后腐熟肥料，还田量为8 t/hm2。

1.3 样品采集与测定

在玉米生育期内（苗期、拔节期、灌浆期和成熟期）动态采集土壤样品，完成相应的指标测定。苗期根系生长尚浅，深层土壤不受根系影响，仅采集0～20 cm 土壤，拔节期、灌浆期和成熟期采样深度均为0～30 cm。

（1）土壤孔隙度、含水量、饱和导水率：使用标准环刀（直径5 cm、容积100 cm3），在两株玉米之间，以10 cm 为一层采集土样。采样时环刀放置在每层的中间部位，每层每个处理采集6 个环刀，其中3 个用于测定土壤容重和含水量，3 个用于测定饱和导水率。

土壤孔隙度和含水量均通过容重法［15］计算，含水量=100%×（1-容重/2.65）。

饱和导水率采用恒定水头法［16］测定，计算公式：

式中，KS为饱和导水率，cm/min；Q 为出水量，mL；t 为时间，min；L 为环刀中土壤厚度，cm；S 为环刀横截面积，cm2；ΔH 为水头高，cm。

（2）水稳性团聚体及平均重量直径：在每个小区内采用棋盘式五点分层采集土样，每个处理每层每点土样单独装于硬质塑料保鲜盒带回实验室风干。采用湿筛法［17］测定各粒级团聚体含量并计算平均重量直径。团聚体测定分级为＞2、0.25～2、0.053～0.25、＜0.053 mm；平均重量直径（MWD）计算公式：

式中，Bi 为各级团聚体的平均直径，mm；Wi为各级团聚体相应质量占土壤样品干质量的分数。

（3）土壤贯入阻力：使用荷兰Eijkelkamp 公司生产的土壤贯入阻力仪，测定0～50 cm 深度的土壤贯入阻力，每个小区内按棋盘式测定五点数据进行平均。

1.4 数据处理

数据处理使用Excel 2016 软件；不同处理间的差异使用单因素方差分析（One-Way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）进行分析比较，统计软件为SPSS 19.0；使用Orgin 9.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 深松配施有机物料对土壤孔隙度的影响

土壤孔隙度是孔隙体积与土壤总体积的比率，是土壤的重要物理指标之一，影响土壤中水、气、热的交换流通及储存。在0～10 和10～20 cm两个土层的各处理中土壤孔隙度随生育期呈先降低后增加趋势（图1）；此外，土壤孔隙度随土壤剖面深度的增加而降低，本试验6 个处理的土壤孔隙度各生育期平均值均表现为：0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm（表1）。有机物料还田对剖面土壤孔隙度改变效果及可持续时间，因处理方式的不同而存在显著差异。与对照RT0 相比，秸秆还田RT1 处理在灌浆期和成熟期显著增加表层0～10 cm的土壤孔隙度；在亚表层10～20 cm 和深层20～30 cm 中，RT1 对土壤孔隙度的增加效果可由拔节期持续到灌浆期（表2，图1）。牛粪还田RT2 相对于RT0，在苗期、灌浆期和成熟期显著增加表层0～10 cm的土壤孔隙度；在苗期和灌浆期增加10～20 cm 土层的土壤孔隙度；在拔节期和灌浆期增加20～30 cm 土层的土壤孔隙度，但在成熟期却显著降低20～30 cm 土层的土壤孔隙度（表2，图1）。

表1 各处理下不同土层的土壤孔隙度在各生育期平均值

表2 旋耕条件下有机物料还田对剖面各指标在不同生育期的影响

深松与旋耕相比对表层0～10 cm 土壤孔隙度，除无物料还田SS0 比RT0 在成熟期有显著增加外，秸秆还田SS1 和牛粪还田SS2 与相对应有机物料还田条件的旋耕相比，各生育期上均无显著差异（图1 左）。深松增加亚表层10～20 cm 和深层20～30 cm 土壤孔隙度，且这一增加效果因配施不同物料而有所差异。亚表层10～20 cm 各生育期平均土壤孔隙度，无物料还田的SS0 与RT0相比增加7.07%，秸秆还田的SS1 与RT1 相比增加4.01%，且SS0 和SS1 对土壤孔隙度的增加效果均从拔节期持续到成熟期；牛粪还田的SS2 与RT2相比增加2.76%，而SS2 增加效果仅由苗期持续到灌浆期（图1 中）。在深层20～30 cm，无物料还田的SS0 与RT0 相比增加6.96%，SS0 对土壤孔隙度的增加效果由拔节期持续到灌浆期；秸秆还田的SS1 与RT1 相比增加2.95%，而SS1 仅在拔节期和成熟期对土壤孔隙度有增加效果；牛粪还田的SS2与RT2 相比增加3.44%，但SS2 对深层20～30 cm土壤孔隙度的增加效果由拔节期持续到成熟期（图1 右）。

2.2 深松配施有机物料对土壤含水量的影响

土壤含水量能够反映土壤保水持水能力，对养分运移和作物生长有重要作用。土壤含水量受试验点的气候影响显著，拔节期为试验点的干旱期，因而各处理各土层拔节期土壤含水量均最低（图2）。此外，本试验中各处理的土壤含水量在不同土层间无明显规律（表1）。秸秆还田RT1 处理相对于RT0，在苗期、拔节期和成熟期显著增加表层0～10 cm 和亚表层10～20 cm的土壤含水量，增加幅度为7.32%～11.54%；对深层20～30 cm土壤含水量无显著影响（表2，图2）。牛粪还田RT2 相对于RT0，在灌浆期增加亚表层10～20 cm的土壤含水量，但在拔节期显著降低20～30 cm土层的土壤含水量（表2，图2）。

深松与旋耕相比，对表层0～10 cm 土壤含水量，除无物料还田的苗期、秸秆还田的灌浆期和牛粪还田的拔节期外，其余各处理各生育期无显著影响（图2 左）。在亚表层10～20 cm 中，无物料还田的SS0 与RT0 相比，各生育期平均土壤含水量增加9.30%，且增加效果由苗期持续到灌浆期，而深松配施秸秆还田的SS1 和牛粪还田的SS2分别与旋耕的RT1 和RT2 相比，除拔节期外，各生育期土壤含水量差异均不显著（图2 中）。在深层20～30 cm，各生育期平均土壤含水量，无物料还田的SS0 与RT0 相比增加6.4%，增加效果由拔节期持续到灌浆期；秸秆还田的SS1 与RT1 相比，各生育期平均土壤含水量增加3.96%，增加效果由灌浆期持续到成熟期；牛粪还田的SS2 与RT2 相比，仅在拔节期土壤含水量显著增加7.39%（图2 右）。

2.3 深松配施有机物料对土壤饱和导水率的影响

土壤饱和导水率（Ks）是反映土壤水分入渗快慢的指标，影响土壤水分的运移和储存。土壤Ks随生育期无明显变化规律；但各处理的土壤Ks 随土壤剖面深度的增加而降低，本试验6 个处理的土壤Ks 各生育期平均值均表现为0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm（表1）。有机物料还田对剖面土壤Ks 改变效果，因还田物料不同而存在显著差异。与对照RT0 相比，秸秆还田的RT1 处理在成熟期增加深层20～30 cm 土壤Ks；而牛粪还田的RT2 在灌浆期增加表层0～10 cm 土壤Ks，在苗期增加10～20 cm 土层的土壤Ks，但在成熟期却降低深层20～30 cm 土层的土壤Ks（表2，图3）。

深松与旋耕相比，表层0～10 cm 除秸秆还田的苗期和牛粪还田的拔节期外，其余土壤Ks 无显著差异（图3 左）。在亚表层10～20 cm 中，无物料还田的SS0 与RT0 相比，各生育期土壤Ks 平均增加60.1%，增加效应由苗期持续到拔节期；秸秆还田SS1 与RT1 相比平均增加87.6%，增加效应持续整个玉米生育季；牛粪还田SS2 与RT2 相比平均增加92.5%，增加效果由拔节期持续到成熟期（图3 中）。在深层20～30 cm，各生育期平均土壤Ks，无物料还田的SS0 与RT0 相比增加126.2%，SS2与RT2 相比平均增加125.2%，这两种有机物配施条件下深松对土壤Ks的增加效应均由拔节期持续到成熟期；秸秆还田的SS1 与RT1 相比，各生育期土壤Ks 差异不显著（图3 右）。

2.4 深松配施有机物料对土壤贯入阻力的影响

土壤贯入阻力是反映耕层土壤紧实程度的指标，对调节作物根系生长和土壤养分吸收具有重要意义。本试验中各处理的土壤贯入阻力均呈现随土壤深度的增加而增加的趋势，且土壤贯入阻力最大值表现为：苗期（1.76 MPa）＜拔节期（1.87 MPa）＜灌浆期（2.13 MPa）＜成熟期（2.87 MPa）。秸秆还田的RT1 和牛粪还田的RT2 处理下土壤贯入阻力在苗期、拔节期、灌浆期和成熟期均显著小于对照RT0（图4）。深松与旋耕相比，无物料还田条件下各生育期土壤贯入阻力SS0 较RT0 平均降低13.7%，且土壤贯入阻力显著降低的土层为5～25 cm；SS1 与RT1 相比贯入阻力平均降低21.6%，土壤贯入阻力显著降低的土层为0～35 cm；SS2 与RT2 相比贯入阻力平均降低24.3%，土壤贯入阻力显著降低的土层为0～45 cm（图4）。

2.5 深松配施有机物料对土壤平均重量直径的影响

平均重量直径（MWD）是土壤团聚体稳定性的指标，反映了土壤结构的优劣，对改善土壤性质有重要的作用。本试验中各处理的土壤团聚体稳定性指标MWD 在不同土层和不同生育期间无明显规律（表1）。秸秆还田的RT1 处理相对于RT0，在拔节期显著增加亚表层10～20 cm的土壤MWD，但显著降低深层20～30 cm的土壤MWD（表2，图5）。牛粪还田的RT2 相对于RT0，在苗期和拔节期增加亚表层10～20 cm的土壤MWD，增加幅度为27.4%～40.8%；但在拔节期显著降低20～30 cm 土层的土壤MWD（表2，图5）。

深松与旋耕的土壤MWD，在表层0～10 cm中，无物料和牛粪还田各生育期间无显著差异；但秸秆还田的SS1 与RT1 相比，平均增加21.3%，且这一增加效应持续整个玉米生长季（图5 左）。在亚表层10～20 cm，无物料和牛粪还田的处理，除拔节期外其余各生育期，深松与旋耕间的土壤MWD无显著差异；但秸秆还田的SS1 与RT1 相比，平均增加23.1%，且这一增加效应也持续整个玉米生育季（图5 中）。20～30 cm 土层，无物料还田的SS0 与RT0 相比，仅在灌浆期土壤MWD 有显著差异；秸秆还田下SS1 与RT1 相比，在灌浆期和成熟期土壤MWD 均有显著差异；牛粪还田下SS2与RT2 相比，各生育期的土壤MWD 均无显著差异（图5 右）。

3 讨论

3.1 深松对土壤物理性质的影响

深松耕作由于比传统旋耕作业深度更深，对深层土壤的扰动程度大，且不翻转土层，因此能够影响深层土壤的物理性质。本试验中玉米采用垄作方式种植，表层0～10 cm 土壤均经过旋耕起垄处理，无物料还田的深松和旋耕处理间，土壤孔隙度、含水量、饱和导水率、团聚体稳定性除个别生育期外均无显著差异。本研究中发现深松显著增加亚表层10～20 cm 和深层20～30 cm的土壤孔隙度和含水量，这是由于旋耕处理作业深度较浅，未影响到10～20 和20～30 cm 土层，并且由于机械压实使其土壤变紧实，土壤孔隙空间变小，持水性降低［18］。杨永辉等［19］研究发现，深松与常规耕作相比更利于土壤水分就地入渗，能够显著提高10～50 cm 土壤饱和导水率。本试验中深松后土壤饱和导水率在各时期亚表层10～20 cm 和深层20～30 cm的土层均显著提高，这是由于深松后增加了深层土壤的透水性大孔隙，因此提高了水分的导水入渗能力。有研究表明深松能够打破坚硬的犁底层，降低土壤紧实程度［20］，本研究结果显示深松显著降低土壤贯入阻力，与前人研究结果一致。

3.2 有机物料还田对土壤物理性质的影响

有机物料还田可以改善土壤理化性质，增加土壤养分含量及提高水肥利用效率。研究表明秸秆还田可提高土壤的孔隙空间和持水孔隙，增加土壤贮水量［21］。本研究中发现：秸秆及牛粪还田增加0～30 cm 土壤孔隙度；增加表层0～10 cm 和亚表层10～20 cm 土壤含水量，但降低深层20～30 cm 土壤含水量；在少数生育期改变土壤饱和导水率。可见，秸秆还田能够起到疏松土壤、增强蓄水能力、促进水分入渗的作用，这与温美娟等［22］的研究结果相同。有机物质是良好的有机胶结剂，能够胶结较小的团聚体并促进大团聚体的形成，改善土壤结构［23］，大量研究［24-27］指出，秸秆还田与未还田处理相比可显著提高耕层土壤水稳性团聚体含量及平均重量直径。张丽娜等［28］也研究发现，深松能够提高＞0.25 mm 团聚体含量，增加土壤团聚性。本研究发现，深松在秸秆和牛粪还田条件下，能显著增加亚表层10～20 cm 土壤团聚体平均重量直径，提高团聚体稳定度，形成良好的土壤结构，这与张丽娜等［28］研究结果一致。在整个生育期秸秆及牛粪还田均显著降低土壤的贯入阻力，这是由于有机物料还田后，对土壤起到疏松作用，进而降低土壤紧实性［29］。

3.3 深松配施有机物料还田对土壤物理性质的影响

本研究中，深松配施秸秆和牛粪还田能增加亚表层10～20 cm、深层20～30 cm 土壤的孔隙度和深层土壤的含水量，提高10～30 cm 土壤饱和导水率，这表明深松配施有机物料还田有疏松土壤、增强蓄水和水分入渗的作用［30-31］，且这一效果可持续至成熟期，持续时间长于单独深松或单独有机物料还田的处理。本研究发现深松配施秸秆还田处理可显著增加各生育期0～20 cm 土壤大团聚体含量及平均重量直径；深松配施牛粪还田在拔节期显著增加0～20 cm 土壤平均重量直径；而在灌浆期和成熟期无显著影响，可能是由于牛粪在玉米生育前期完全分解，致使后期无有机质的输入，导致处理间团聚体稳定度无差异，这一结果说明了深松配施秸秆还田对土壤结构的改善效果优于深松配施牛粪还田处理。此外，本研究还发现深松配施秸秆和牛粪还田后土壤贯入阻力降低21.6%～24.3%，所影响的耕层厚度（35～45 cm）大于深松无物料还田的处理（25 cm），且这一耕层增厚效益持续整个玉米生育季。这进一步表明深松配施有机物料还田能在一定程度上增加耕层土壤厚度，改善土壤结构［31-32］。

4 结论

深松配施有机物料技术在维护表层0～10 cm土壤物理性状稳定的情况下，将有机物料还田入亚表层10～20 cm 和深层20～30 cm 土壤，显著地增加10～30 cm的土壤孔隙度、含水量和饱和导水率。在10～30 cm 土层，深松配施有机物料对土壤孔隙度的增加幅度为2.76%～4.01%，对土壤含水量的增加幅度为3.96%～7.39%，对土壤饱和导水率的增加幅度为87.6%～125.2%，均大于无物料还田的深松处理。

深松配施有机物料技术增加耕层深度，且这一耕层增厚效益持续整个玉米生育季。深松配施秸秆和牛粪还田后土壤贯入阻力降低21.6%～24.3%，所影响的耕层厚度（35～45 cm）大于深松无物料还田的处理（25 cm），且这一耕层增厚效益持续整个玉米生育季。

深松配施秸秆还田改善10～30 cm 土壤结构稳定性，且这一改善效应持续整个玉米生育季。在10～30 cm 土层，深松配施秸秆还田对土壤团聚体平均重量直径的增加幅度为21.3%～23.1%，显著高于深松配施牛粪还田和无物料还田的深松处理。

综上所述，深松配施有机物料显著地改善土壤物理性质，增加耕层深度，但在改善土壤结构稳定性方面深松配施秸秆还田优于深松配施牛粪还田，因此深松配施有机物料尤其是配施秸秆还田处理是黑土区坡耕地耕层构建较为适宜的耕作技术，这一技术的推广对黑土区农业可持续发展具有重要的意义。