短期翻耕和有机物还田对东北暗棕壤物理性质和玉米产量的影响

李 娜，龙静泓，韩晓增，张凤琴，雷琬莹，盛 明，韩智勇

（1. 中国科学院黑土区农业生态重点实验室，中国科学院东北地理与农业生态研究所，哈尔滨 150081；2. 中国科学院大学，北京100049；3. 黑河市爱辉区农业技术推广站，黑河 164300；4. 国家环境保护水土污染协同控制与联合修复重点实验室，成都理工大学生态环境学院，成都 610059）

0 引 言

东北黑土地肥力高，结构良好，适宜作物生长，是“耕地中的大熊猫”。东北黑土区也是中国的粮食主产区，粮食产量占全国粮食产量的五分之一以上，是国家粮食安全的“压舱石”。但是，近年来，黑土大规模、高强度的开垦利用，化肥施用量剧增，而秸秆和有机肥还田量很少，这导致黑土地资源退化明显，量在减少、质在退化，土壤养分流失严重；同时，由于黑土质地一般较黏重，为节约成本而长期采用连年浅耕的耕作措施，土壤物理结构更差，土壤紧实，犁底层增厚，耕层变浅，造成土壤的水、肥、气、热性质传导和运移转化受阻，作物生长受限，致使玉米产量降低[1]。因此，改善耕层土壤物理结构，打破犁底层，增加耕层水分和养分有效库容[2]，是解决粮食稳产增产技术瓶颈，保证黑土地战略地位和黑土区农业可持续发展的重要举措。

暗棕壤是东北黑土区主要的土壤类型之一，主要分布于黑龙江省、吉林省及内蒙古自治区东部山区、半山区及低山丘陵区，根据第二次土壤普查结果，暗棕壤总面积约3 200 万hm2[3]，是东北主要粮食产区。暗棕壤表层的肥沃土层较薄，一般25～28 cm，在28～35 cm深度出现一个明显的分层现象，下层的养分含量和土壤结构性质显著降低。长期不合理耕作，也使得暗棕壤15～20 cm土层存在明显的犁底层，是制约作物生产和粮食产量增加的主要限制因子。

作物秸秆或有机物还田是目前被广泛采用的高成效低成本的培肥土壤的农艺措施，减少环境污染的同时还能有效改善土壤结构[4]，降低土壤容重、增加土壤孔隙度，为微生物和作物根系提供良好的生长环境[5]，促进土壤水肥气热的传导和输送[6]，同时还田的有机物料通过微生物的分解，释放出供作物生长需要的营养元素，为土壤微生物和作物根系增加了食物来源，进一步反馈增强土壤养分库容，培肥土壤[7]，提高作物产量[8]。目前常用的有机物还田方式主要包括免耕覆盖、浅翻混入、深翻混入和深埋等，还田有机物的种类主要为作物秸秆和有机粪肥。将作物秸秆翻埋还田（埋入地表下20～35 cm土层内），仅是改善了该土层的土壤容重和提高了有机质含量[7,9]，短期内对全耕层的土壤性质并未改善。前人研究发现深翻和有机物全耕层深混还田是构建适宜作物生长的肥沃耕层的主要农艺措施[3,10-12]。深翻可打破土壤犁底层，配合秸秆或有机肥深混还田已被证实在沙性土壤[10]、黑土[13]、褐土[12,14]和潮棕壤[15]中均可改善土壤物理结构，优化土壤三相比，进而培肥土壤，提高作物产量。但在暗棕壤地区是否也能采取深翻打破犁底层，通过向土壤中深混秸秆或有机肥来改善土壤物理属性、培肥土壤、提升土壤产能，尚不清楚。特别是同时对比研究浅翻和深翻、有机物是否还田下土壤物理性质、作物产量及产量构成因素，进一步优化耕作和有机物还田措施方面的研究更少。

为此，本研究以第四季温带上广泛发育的暗棕壤为研究对象，基于不同的翻耕深度和有机物还田田间对比试验，将已在典型中厚黑土区的耕层构建技术[3,13]应用于暗棕壤地区，通过打破犁底层，分析不同翻耕和有机物还田方式组合对土壤物理性质，包括容重、孔隙度、饱和含水量、田间持水量、土壤三相比、>0.25 mm水稳性团聚体比例的影响，阐明短期不同耕作培肥措施对暗棕壤土壤物理性质的影响，探讨不同翻耕和有机物还田对农作物产量及产量构成要素的影响，以期指导构建适合当地种植模式的沃土培肥黑土技术模式，为东北农田黑土区构建适宜的耕层提供理论和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验设置于黑龙江省黑河市爱辉区农业示范园区内（50°15′ N，127°27′ E），海拔600 m，属寒温带大陆性季风气候，春季气温不稳定，干旱多风，夏季温热多雨，秋季凉爽舒适，冬季严寒、漫长而干燥，冬长夏短、四季分明。年均气温-1.3～0.4 ℃，多年平均降水量为500～600 mm，无霜期110～120 d，有效活动积温1 950～2 300 ℃，日照时数为2 560～2 700 h。观测数据显示，黑河市爱辉区2019年和2020年降水量分别为533和885 mm，分别为降水正常年和丰水年。土壤类型属于草甸暗棕壤，分布在低山和丘陵区。0～50 cm剖面土壤基本肥力指标见表1，属于肥力较高的土壤；土壤质地为壤土，整个土壤剖面在28～35 cm处呈现较明显的分层现象，表层为富含腐殖质的暗灰色黏壤土，略有团粒结构，表层以下为AB层，呈灰棕或灰色，团块结构，再向下为棕黄色的B层，在此层中常出现有铁锈、铁锰结核或灰色条纹，具有草甸化过程的特征。黏土矿物以水云母为主，伴有蛭石和高岭石，蒙脱石较少。当地种植制度主要以一年一熟的玉米或大豆为主，土壤耕作多采用浅旋耕，作业深度10～15 cm。

表1 试验地暗棕壤基本性质Table 1 Basic soil properties of Dark Brown soil in studied area

1.2 试验设计

采用随机区组设计，设置8种不同耕层构建模式田间处理，如表2所示。本试验中腐熟牛粪和玉米秸秆的有机质质量分数分别为14.5%和44.2%，全氮质量分数分别为0.38%和0.65%。为保证所有处理等碳量还田，氮素不作为本试验考虑因素，有机物在田间处理中与土壤均匀混匀。每个小区6 m×4 m，种6垄，4次重复，随机排列，处理重复间留有1 m的保护行，试验区总面积896 m2。2019年5月11日坐水播种，以保证出苗率，10月4日收获；2020年5月11日未坐水播种，10月15日收获。玉米品种为鑫科玉1号，种植密度为7万株/hm2，行距为65 cm，株距为20 cm。每个小区施化肥量：播种时施N、P2O5和K2O量分别为80、70和60 kg/hm2作为种肥，拔节期追施N量65 kg/hm2；作物生长期无灌溉。

表2 翻耕和有机物还田田间处理Table 2 Field treatments under different combinations of plowing and organic amendments

1.3 田间取样、测定指标及方法

1.3.1 玉米产量及产量性状

在玉米收获时，从每个试验小区随机选取具有代表性的2垄，连续10株玉米进行测产，测定水分后，折合成公顷产量。在每个试验小区选10株玉米果穗和3株玉米植株，带回实验室测定玉米产量性状和生物量。玉米果穗按照常规方法测定穗长、穗粗、禿顶长、穗行数、行粒数、百粒质量等玉米产量性状。地上植株贴地表切断后全部装入尼龙网带；用取样锹挖取20 cm×20 cm×35 cm的根土混合体，尽可能抖落根上的土，装入塑料袋全部带回实验室，置于0.25 mm筛中，清水洗掉泥土，和地上植株均在85 ℃下烘干称质量，计算植株地上和地下生物量分配。

收获指数按式（1）计算为

式中HI为收获指数；GY为籽粒产量，kg/hm2；BY为生物产量（作物地上生物量），kg/hm2。

1.3.2 土壤理化性状

2019年春季在试验开始前取样测定0～50 cm剖面的土壤基本理化性质，见表1。2019年秋季作物收获后在每个试验小区按照0～15、15～35 cm分层取样，每层取土壤样品约1 kg，风干，过筛，备用。取土样同时用环刀取样测定各土层土壤容重（Bulk Density，BD）、总孔隙度（Total Porosity，TP）、田间持水量和饱和含水量，每个小区测定3次重复，每个处理共9个重复。铝盒烘干法测定土壤含水率（Water Content，WC）。2020年由于雨水太大，秋收时无法采集试验土样，故只测定了玉米穗部性状和产量土壤TP、三相比等计算如下：

式中Xg为固相体积百分比（>25%），Xy为液相体积百分比（>0），Xq为气相体积百分比（>0）；STPSD（Soil Three-phase Structure Distance）代表土壤三相结构距离，土壤三相结构越接近理想状态STPSD越接近0；GSSI（Generalized Soil Structure Index）代表广义土壤结构指数，土壤结构越接近理想状态，GSSI越接近100[14,16]。

土壤水稳性团聚体分级，将风干土样利用湿筛法[17]获得>2 mm和2～0.25 mm水稳性大团聚体，计算各粒级团聚体的质量分数。

1.4 数据处理

文中数据采用SPSS 15.0和Origin 18.0软件进行数据处理和制图，不同处理以及剖面不同层次之间数据的差异显著性采用Duncan法（新复极差法）进行比较。

2 结果与分析

2.1 肥沃耕层构建对土壤水分物理性质的影响

2.1.1 土壤容重和总孔隙度

土壤容重能反映土壤紧实度，是评价土壤质量的主要指标之一。短期不同翻耕和有机物还田在不同程度上降低了暗棕壤土壤容重（表3）。与浅翻有机物不还田对照（T15）相比，NT+SM1和NT+SM2处理0～35 cm土壤容重未显著变化（P>0.05），T15+S显著降低了0～15 cm耕层土壤容重，降低了15.0%（P<0.05）。土壤深翻35 cm配合有机物还田显著降低了0～15 cm耕层和15～35 cm亚耕层土壤容重。与T15处理相比，T35+S、T35+OM和T35+S+OM处理在0～15 cm耕层土壤容重分别减少了10.0%、8.7%和15.0%，均与T15处理差异显著（P<0.05）；随土层深度增加，0～35 cm土层翻耕和有机物还田由于打破了犁底层，与T15处理相比，T35+S、T35+OM和T35+S+OM处理在15～35 cm亚耕层的容重分别减少9.6%、9.3%和15.7%，且差异显著（P<0.05）。

表3 短期翻耕和有机物还田对土壤容重、总孔隙度、饱和含水量和田间持水量的影响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 土壤总孔隙度

根据土壤容重计算了土壤总孔隙度，翻耕和有机物还田对土壤总孔隙度的影响如表3。与土壤容重的变化趋势相反，翻耕和有机物还田不同程度增加了土壤总孔隙度。与T15处理相比，T15+S显著提高了0～15 cm耕层土壤总孔隙度，提高了20.3%（P<0.05），但NT+SM1和NT+SM2处理0～35 cm土壤容重均未显著增加（P>0.05）；土壤深翻35 cm配合有机物还田显著提高了0～15 cm耕层和15～35 cm亚耕层土壤总孔隙度。与T15处理相比，T15+S、T35+S、T35+OM和T35+S+OM处理在0～15 cm耕层总孔隙度分别增加了15.7%、13.6%、11.8%和20.4%（P<0.05）；深翻和有机物还田使15～35 cm亚耕层的土壤总孔隙度也增加，T35+S、T35+OM和T35+S+OM处理土壤总孔隙度分别增加了14.3%、14.0%和23.4%（P<0.05）。

2.1.3 土壤饱和含水量和田间持水量

短期翻耕和有机物还田对土壤饱和含水量和田间持水量的影响趋势和总孔隙度的变化趋势基本一致，翻耕和有机物还田下土壤饱和含水量和田间持水量不同程度增加（表3）。与T15处理相比，免耕秸秆覆盖处理对0～35 cm整个耕层土壤的饱和含水量和田间持水量的影响不显著（P>0.05），浅翻秸秆还田（T15+S）仅显著提高了0～15 cm耕层土壤饱和含水量（P<0.05）。与T15处理相比，T35处理0～35 cm土壤饱和含水量和田间持水量增加不显著（P>0.05）。在0～15 cm耕层，T35+OM和T35+S+OM处理的饱和含水量显著高于T15和T35处理（P<0.05），特别是T35+OM和T35+S+OM增加幅度显著高于T35+S处理；T35+OM和T35+OM+S处理的田间持水量显著高于T15和T35处理（P<0.05）。在15～35 cm亚耕层，T35+OM和T35+S+OM处理的饱和含水量显著高于T15和T35处理（P<0.05），T35+S，T35+OM和T35+S+OM处理的田间持水量显著高于T15处理，特别是T35+S+OM显著高于T35+S处理（P<0.05）。

2.1.4 土壤三相比

短期翻耕和有机物还田对暗棕壤三相比影响较大，大致趋势表现为翻耕和有机物还田使0～15 cm耕层土壤的固相比例降低，液相比例升高，气相比例在翻耕处理增加，在免耕处理降低；在15～35 cm亚耕层，翻耕和有机物还田使土壤固相和液相比例在翻耕处理降低，免耕处理增加，气相比例在翻耕处理增加，在免耕处理降低（表4）。在0～15 cm耕层，与T15处理相比，T15+S、T35+S、T35+OM和T35+S+OM的固相比例显著降低（P<0.05），以T35+S+OM处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处理增加显著（P<0.05），具体表现为在NT+SM2、T35+OM和T35+S+OM处理最高，其次为T15+S和NT+SM1处理，液相比例最小的是T15、T35和T35+S处理；气相除T35和T35+S+OM外，T15与其他5个有机物还田处理均差异显著（P<0.05），气相比例最大的处理为T15+S和T35+S，其次为T35+S+OM、T15和T35，在NT+SM1、NT+SM2和T35+OM处理中最小；与T15处理相比，T15+S、T35+S、T35+OM和T35+S+OM这4个处理的STPSD指标显著降低（P<0.05），具体大小顺序为T35+S+OM、T15+S、T35+S、T35+OM；GSSI指标仅在T15+S和T35+S+OM处理中显著增加（P<0.05）。T15+S处理0～15 cm耕层秸秆碳的还田量比T35+S和T35+OM处理0～15cm耕层碳还田量多，此时0～15 m耕层，T15+S和T35+S+OM处理的土壤三相结构最接近理想状态。

表4 短期翻耕和有机物还田对土壤三相比的影响Table 4 Effects of short-term plowing and organic amendments on soil three phase ratio

在15～35 cm土壤亚耕层，与T15相比，T35+S、T35+OM、T35+S+OM固相比例显著降低（P<0.05）；液相比例在NT+SM1和NT+SM2显著增加，在T35+OM和T35+S+OM显著降低（P<0.05）；气相比例在T35+S、T35+OM和T35+S+OM显著增加，在NT+SM1和NT+SM2显著降低（P<0.05）；STPSD指标在T35+OM和T35+S+OM显著降低，GSSI指标亦在T35+OM和T35+S+OM处理显著增加（P<0.05），说明T35+S+OM和T35+OM处理下土壤结构最接近理想状态。

2.1.5 土壤>0.25 mm水稳性团聚体含量

土壤中>0.25 mm水稳性团聚体（WSA>0.25）含量被认为是评价土壤物理结构的主要指标之一，其含量越高，说明土壤结构越稳定，抗侵蚀和水土流失能力越强[20]。本研究中，短期翻耕和有机物还田下土壤WSA>0.25含量如图1。

由图1可知，在0～15 cm耕层，与T15处理相比，>2 mm团聚体比例在NT+SM1、NT+SM2、T35+OM和T+S+OM处理中增加显著，2～0.25 mm团聚体比例在T15+S、T35+S、NT+SM2、T35+OM和T35+S+OM处理中增加显著（P<0.05），在其他处理增加不显著；15～35 cm亚耕层中WSA>0.25含量均低于耕层土壤中的含量，与T15相比，所有处理>2 mm粒径大团聚体均无显著变化，2～0.25 mm团聚体含量仅在T35+S、T35+OM和T35+S+OM处理中显著增加（P<0.05），说明深翻对亚耕层土壤水稳性大团聚体的影响更显著。

2.2 短期翻耕和有机物还田对玉米产量及产量构成的影响

2.2.1 玉米产量、收获指数和产量构成因素

短期翻耕和有机物还田对玉米产量和收获指数的影响见表5。整体而言，2019年玉米产量和收获指数均显著大于2020年，这说明在不同类型降雨年份下深翻和有机物还田对寒地玉米产量有显著影响。在降水正常年份（2019年），与T15相比，深翻35 cm秸秆或有机肥还田短期内玉米产量差异显著（P>0.05）；免耕覆盖处理NT+SM2显著降低了玉米产量（P<0.05）；T35+OM和T35+S+OM处理的玉米产量显著高于免耕NT+SM1和NT+SM2处理（P<0.05），可能说明在该地区，免耕秸秆覆盖在短期内不能提高玉米产量。与T15处理相比，在降水正常年（2019年），T35+S、T35+OM与T35+S+OM处理玉米产量差异不显著（P>0.05）；在丰水年（2020年），T15+S和T35+S+OM处理玉米产量和收获指数增加最显著，分别增加了27.6%～37.0%和22.75%～28.57%（P<0.05）。所有田间处理的收获指数在2019年和2020年分别在0.47～0.54和0.35～0.45之间，2020年由于降水偏多导致收获指数较降水正常年份偏低（P<0.05），2019年处理之间差异不显著（P>0.05）。

表5 短期翻耕和有机物还田对玉米产量构成、产量和收获指数的影响Table 5 Effects of short-term plowing and organic addition on maize yield components, maize yield and harvest index

玉米产量构成因素在不同翻耕和有机物还田处理中存在差异（表5），其中，所有处理在2019正常年和2020丰水年玉米的穗粗、穗行数和百粒质量差异不显著（P>0.05），穗长、秃顶长、行粒数和籽粒产量在田间处理和年份间均存在显著差异（P<0.05）。具体来讲，与T15处理相比，只有T35+OM和T35+S+OM处理的玉米穗长显著增加（P<0.05）；2020年T15+S处理与T35+OM和T35+S+OM处理的玉米穗长差异显著（P<0.05），其他处理间差异不显著。玉米秃顶长的变化规律与穗长有所不同。与T15处理相比，2019正常年，2个免耕处理秃顶长显著增加（P<0.05），而T15+S、T35+OM和T35+S+OM处理秃顶长显著减少（P<0.05）；在2020丰水年，各处理玉米秃顶长在T35+S+OM处理中最大，其次为T35+OM，NT+SM1和NT+SM2，均与T15处理差异显著（P<0.05）。玉米行粒数的变化与穗长和秃顶长度存在必然联系，穗越长，秃顶长越短，行粒数就越多。行粒数年际间显著差异（P<0.05），在2019年，T35+OM和T35+S+OM处理的行粒数显著高于其他处理（P<0.05）；在2020年，T35+OM处理行粒数显著高于T15+S（P<0.05），其他处理间差异均不显著。相关分析表明，玉米产量与行粒数和穗长呈极显著正相关（r=0.892**和0.814**），与秃顶长呈显著负相关（r=−0.722*）。这表明，翻耕和有机物还田提高暗棕壤玉米产量，在产量构成因素方面主要是穗长增加、秃顶长降低和行粒数显著提高。

2.2.2 玉米地上地下生物量分配

进一步分析了玉米收获期地上和地下生物量的分配特征（表6），发现短期翻耕和有机物还田改变了玉米地上和地下生物量分配格局，各处理之间地上生物量无显著差异，翻耕和有机物还田主要影响了地下根系和籽粒的生物量。深翻35 cm和有机物还田促进了玉米主根系的生长，翻耕后地下根系生物量增加，其中T15+S和T35+S处理根系增加显著高于T15处理（P<0.05），但未显著增加籽粒产量；而深翻35 cm和有机物还田提高了籽粒生物量，以T35+OM增加最显著（P<0.05）。这说明，相比秸秆，腐熟的牛粪还田短期内可更快速提高作物产量，是快速提升土壤产能的主要措施。

表6 短期翻耕和有机物还田对玉米生物量分配的影响Table 6 Effects of short-term plowing and organic addition on biomass allocation

3 讨 论

3.1 翻耕耦合有机物还田对土壤物理性质的影响

免耕减少了人类活动对土壤的搅动，土壤碳损失降低，是目前公认比较好的保护土壤的农艺措施[18]。免耕处理由于土壤颗粒的自然沉降，加上春播和秋收的机械压实，耕层的土壤容重一般高于翻耕处理，总孔隙度低于翻耕处理[18]。本试验结果发现与T15常规耕作处理相比，免耕1 a后土壤容重、孔隙度、饱和含水量和田间持水量的变化不显著，这与前人研究结果不一致，可能由于试验时间短，土壤自然沉降和压实还不明显，同时，覆盖地表的秸秆也会腐解进入土壤，抵消土壤颗粒压实对土壤容重和孔隙度的影响（表3）。免耕秸秆覆盖对土壤物理性质的影响仍需要长时间序列的试验研究来验证。

翻耕和有机物还田可显著影响土壤物理属性，特别是对于比较黏重的黑土，影响更明显[12]。与15 cm常规浅耕处理相比，深翻35 cm可有效打破犁底层，将全耕层土壤混匀，深翻的同时在全耕层中施入作物秸秆或有机肥，这些秸秆或有机肥在土壤中扮演“楔子”的角色[19]，会显著降低了耕层和亚耕层土壤容重，增加土壤15～35 cm总孔隙度（表3）。这些外源有机物质一般含有较高的纤维素和可利用养分含量，容重较低[6]，进入土壤后与土壤混合能有效降低土壤容重；同时，秸秆或有机肥的疏松结构会增加土壤通透性，还具有较大的吸水特性，进而增强土壤的导水能力和蓄水能力（表3），显著改善土壤的固液气三相比（表4），对改善暗棕壤土壤物理结构的短期效果很明显。翻耕加有机物还田处理下亚耕层土壤的三相比也更优于常规浅翻有机物不还田处理，这也说明翻耕同时配施秸秆或有机肥是快速有效改善深层土壤结构的技术措施。韩晓增等[10]在内蒙古沙性土中添加腐熟的牛粪，发现添加牛粪可显著减少土壤容重，增加总孔隙度、田间持水量和饱和持水量，配肥耕层土壤；李晓龙等[16]研究表明，深翻秸秆还田比常规浅翻具有较大的GSSI值和较小的STPSD值，耕层土壤结构更加接近理想状态，可有效地改善土壤物理结构，特别是20～40 cm土层的GSSI和STPSD均显著优于对照处理；白伟等[14]在辽西褐土区也发现虚实并存和全虚耕层构造下20～30 cm深层土壤的三相比优于上虚下实耕层和全实耕层构造处理。本研究中，与T15处理相比，翻耕和有机物还田对土壤三相比影响显著（P<0.05），0～15 cm耕层土壤的三相比以T35+S+OM和T15+S为宜，15～35 cm土壤的三相比以T35+S、T35+OM和T35+S+OM优于其他处理。

土壤WSA>0.25含量也可反映土壤物理结构[20]。秸秆和有机肥还田通过向土壤中增加外源有机物输入量，提高了土壤的微生物活性，微生物分泌的多糖等胶结物质更有利于大团聚体的形成，使土壤中WSA>0.25含量增加，土壤结构稳定性更好[21]（图1）。在本研究中，与T15处理相比，NT+SM1和NT+SM1处理0～15 cm耕层的WSA>0.25含量增加，而15～35 cm亚耕层的WSA>0.25含量降低（图1），说明免耕秸秆覆盖降低了对土壤的搅动，能显著增加表层土壤中WSA>0.25[4,22]。但15 cm浅翻或免耕仅能对耕层土壤团聚体水稳性的提升效果较好，由于未打破犁底层，根系分泌物和外源有机物很难进入到亚耕层或深层土壤，无法影响亚耕层或深层土壤WSA>0.25团聚结构。深翻35 cm有机物不还田处理使深层结构较差的土壤上移，表层结构较好的土壤下移，导致耕层WSA>0.25降低，亚耕层WSA>0.25升高。且由于深翻打破了犁底层，促进了作物根系生长，通过根系沉积碳归还增加了耕层土壤有机质含量，根系和根系的分泌物也能够促进WSA>0.25团聚体的形成[8,19,23]。在本试验中，深翻的同时混入秸秆或者牛粪增加了土壤中的有机质含量，能胶结促进大团聚体的形成，0～35 cm整个耕作层的土壤WSA>0.25的性质均得到了提升，同时亚耕层土壤的孔隙增大，土壤三相结构（STPSD和GSSI）显著改善，土壤WSA>0.25含量也显著增加（表4，图1）。有机物在0～35 cm土层深混过程中将更多的有机物带入土壤，促进了微生物生长，形成土壤有机质在深层土壤中积累稳定[24]。T35+OM处理中牛粪深混还田处理比T35+S处理中秸秆深混还田处理对耕层和亚耕层土壤WSA>0.25增加幅度更高，主要是因为秸秆还田当年并不能全部腐熟进入土壤，而腐熟的牛粪中半分解或分解后可利用性的养分更高，能直接快速被微生物利用并参与土壤的团聚化过程和养分循环过程，短期内改善土壤物理结构的效果优于秸秆还田。

3.2 翻耕和有机物还田对作物产量的影响

近年来，关于耕层构建与作物产量、作物收获指数方面的研究更多注重于多元耕作方式上，特别是在干旱半干旱地区开展不同耕层构建方式对作物产量的影响的研究越来越多[10,12,14]。本试验在暗棕壤上构建不同的肥沃耕层，通过连续2 a的实测数据，发现短期翻耕和有机物还田方式对玉米产量及产量构成因素的影响显著（P<0.05），2020年深翻35 cm配合秸秆或有机肥还田能够不同程度增加玉米产量和作物收获指数，同时，玉米产量与行粒数和穗长呈极显著正相关（r=0.892**和0.814**），与秃顶长呈显著负相关（r=−0.722*）。由此表明，翻耕和有机物还田不同程度提高了玉米产量，特别是深翻35 cm牛粪还田和深翻35 cm牛粪合秸秆同时还田处理玉米产量增加显著，在产量构成因素方面主要是穗长增加、秃顶长降低和行粒数显著提高（表5）。白伟等[12]在辽西半干旱地区开展的不同耕层构建试验结果也发现虚实并存耕层（深翻秸秆还田）可显著增加玉米百粒质量，比上虚下实耕层（浅翻秸秆还田）平均增产16.4%，并提高收获指数；冯倩倩等[25]研究表明，虚实并存耕层能增加作物有效穗数、穗粒数、千粒质量等产量构成因素，进而增加籽粒产量；免耕下的全实耕层显著降低穗粒数和千粒质量，不利于作物增产。不同的耕作方式也通过影响作物根系在土壤中的生长发育，间接影响作物产量[12,26-27]。本研究中，也发现免耕秸秆覆盖处理下的全实耕层短期内降低了暗棕壤的玉米产量（表5）。本文中发现深翻同时秸秆和/或有机肥还田可显著增加亚耕层土壤孔隙度，改善全耕层土壤物理结构性质，主要原因一是外源有机物还田增加了外源可利用有机物含量，供作物根系吸收利用的营养物质增加；二是为作物根系创造了更加适宜生长的土壤结构系统，促进作物根系的生长，进而提高作物产量。邹洪涛等[28]研究表明，深松与传统浅旋耕相比产量提高10.5%；刘武仁等[11]研究表明，行间深松分别比旋耕和全方位深松增产20.1%和4.1%。

不同耕层构造方式对旱作区玉米籽粒产量的影响与作物生育期降雨的数量与分布息息相关，在降水不同的年份表现也不同[12]。由于2020年降水量比历史降水量偏高，2020年作物产量显著低于2019年，相比浅翻15 cm秸秆还田处理，深翻35 cm处理减产，深翻增加了亚耕层土壤的孔隙度，作物根系不能扎实生长，体现了深翻处理对产量影响的后效性，与白伟等[12]深翻后全虚耕层在丰水年出现减产的结果相一致，但与正常年份增产作用明显结果不一致，这是因为影响作物产量的因素很多，区域气候条件、积温、土壤类型都可能是导致差别的原因。丰水年份浅翻秸秆还田和深翻配合牛粪还田可提高作物产量。

4 结 论

1）相比浅翻15 cm处理，深翻35 cm可有效打破犁底层，同时辅以全耕层中施入作物秸秆或有机肥，可显著降低全耕层土壤容重，增加土壤总孔隙度，优化土壤三相比结构、提高土壤>0.25 mm水稳性团聚体含量；在0～15 cm耕层，以T35+S+OM和T15+S处理效果最佳，在>15～35 cm亚耕层以T35+S、T35+OM和T35+S+OM处理效果优于其他处理；

2）作物产量受短期翻耕和有机物还田影响，且在降水正常年和丰水年存在差异。与T15处理相比，在降水正常年，不同的翻耕和有机物还田对作物产量影响不显著，但在丰水年，T15+S和T35+S+OM处理可显著增加玉米产量和作物收获指数；

3）与T15处理相比，短期免耕对土壤容重、孔隙度、饱和含水量和田间持水量的影响不显著，但显著降低了全耕层土壤的气相比例，增加了液相的比例，亚耕层土壤水稳定团聚体含量降低，可导致玉米减产；

4）基于2 a的田间试验发现深翻配合秸秆或牛粪还田能显著改善土壤物理结构，优化土壤三相比，通过增加玉米的穗长和行粒数、减少秃顶长使丰水年玉米增产和提高收获指数，可指导中国东北北部暗棕壤地区肥沃耕层构建技术和效果评价。