閆 雷，喇樂(lè)鵬，董天浩，劉鳴一，孫小賀，孟慶堯，張鈺瑩，張乃文，孟慶峰

耕作方式對(duì)東北黑土坡耕地土壤物理性狀及根系垂直分布的影響

閆 雷，喇樂(lè)鵬，董天浩，劉鳴一，孫小賀，孟慶堯，張鈺瑩，張乃文，孟慶峰※

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

為了明確耕作方式對(duì)東北薄層黑土坡耕地土壤物理性狀以及玉米根系垂直分布的影響，該研究以東北薄層黑土坡耕地土壤為研究對(duì)象，設(shè)置免耕和翻耕2種耕作方式，研究耕作方式對(duì)不同坡位土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布與穩(wěn)定性、土壤容重、土壤孔隙度、土壤貫入阻力以及玉米根系在垂直方向主要分布深度的影響，并進(jìn)一步探究各指標(biāo)間的相互關(guān)系。結(jié)果表明，與免耕相比，翻耕處理通過(guò)增加土壤>1～2 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，降低0～20 cm土層土壤容重，改善0～20 cm土層土壤孔隙度，降低>10～20 cm土層土壤貫入阻力，增加玉米根系在垂直方向主要分布深度；但同時(shí)翻耕處理?xiàng)l件下>5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量平均減少59.1%，平均重量直徑平均降低31.9%。翻耕處理下，坡位對(duì)土壤孔隙度、>5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量以及平均重量直徑的影響都呈現(xiàn)坡中位與坡下位優(yōu)于坡上位。研究結(jié)果表明，對(duì)于東北薄層黑土坡耕地，在坡中位和坡下位采用翻耕有利于降低土壤緊實(shí)度，促進(jìn)玉米根系下扎；在坡上位可采用免耕改善土壤結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性。該研究可為促進(jìn)黑土可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)與參考。

土壤；耕作；孔隙度；團(tuán)聚體；貫入阻力；坡位

0 引 言

東北黑土區(qū)是世界三大黑土區(qū)之一，也是中國(guó)重要的玉米商品糧產(chǎn)地。坡耕地是東北黑土區(qū)的主要耕地類(lèi)型，面積約占黑土區(qū)耕地面積的60%[1]。東北黑土區(qū)坡耕地坡緩且長(zhǎng)，長(zhǎng)期的不合理耕作導(dǎo)致其土壤結(jié)構(gòu)惡化，耕層變淺，水土流失加劇。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，土壤團(tuán)聚體的粒徑分布和穩(wěn)定性對(duì)土壤抗侵蝕能力有著重要影響[2-3]。不同粒級(jí)團(tuán)聚體和原生初級(jí)顆粒的空間排列形成土壤孔隙，土壤孔隙度直接影響著水、熱、氣以及作物根系發(fā)育[4-5]。土壤孔隙度與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤孔隙度越大，土壤固相越小，土壤容重和土壤貫入阻力降低，有利于根系下扎[6-7]。

適宜的耕作方式通過(guò)機(jī)械作用改善土壤結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)土壤空氣、水分、養(yǎng)分、熱量的關(guān)系，為作物生長(zhǎng)發(fā)育提供良好條件，提高作物產(chǎn)量[8-9]。目前，東北地區(qū)常見(jiàn)的耕作方式有翻耕和旋耕，而免耕因?yàn)榫哂薪?jīng)濟(jì)成本低，保墑和固碳減排等優(yōu)點(diǎn)正在被大范圍推廣。戴玨等[10]對(duì)潮土的研究表明，免耕減少了對(duì)土層的擾動(dòng)，可增加土壤大團(tuán)聚體含量，降低土壤有機(jī)碳礦化，增強(qiáng)膠結(jié)作用，有利于大團(tuán)聚體形成。李婧妤等[11]發(fā)現(xiàn)，由于播種機(jī)的壓實(shí)作用，導(dǎo)致免耕條件下黏質(zhì)黑土土壤緊實(shí)度顯著增加。免耕條件下，土壤緊實(shí)度增加，玉米根系下扎受阻，10～20 cm土層根系生物量密度減小，導(dǎo)致玉米產(chǎn)量顯著降低[12]。翻耕處理有利于增加土壤孔隙度，降低土壤貫入阻力[13]，但翻耕措施對(duì)土壤擾動(dòng)較大，導(dǎo)致土壤大團(tuán)聚體含量減少，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低[14-15]，導(dǎo)致土壤抗侵蝕能力減弱。

目前，國(guó)內(nèi)外研究多集中在耕作方式對(duì)不同類(lèi)型土壤物理性狀的影響[4,9]，在坡耕地的研究中往往忽視坡位的影響[16]。本文基于東北薄層黑土區(qū)坡耕地田間定位試驗(yàn)，探討耕作方式對(duì)不同坡位土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布、水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性、容重、土壤孔隙度、土壤貫入阻力及玉米根系在垂直方向主要分布深度的影響，以期為改善東北薄層黑土區(qū)坡耕地土壤物理性狀，因地制宜、科學(xué)合理地選擇適宜的耕作方式，緩解水土流失，促進(jìn)黑土可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

東北黑土區(qū)保護(hù)性耕作長(zhǎng)期定位試驗(yàn)設(shè)置于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)試驗(yàn)基地（44°04′N(xiāo)，125°42′E ）。該地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，試驗(yàn)期間年平均降水量為500 mm，年平均氣溫為3.9 ℃，年均光照時(shí)間為2 500 h，無(wú)霜期為140 d。試驗(yàn)地坡向?yàn)闁|坡，坡長(zhǎng)150 m，坡度為2.5°。供試土壤為典型黑土，質(zhì)地為粉壤土（質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：砂粒5.3%，粉粒68.5%，黏粒28.9%）。供試土壤理化性質(zhì)為：容重1.13 g/cm3，有機(jī)質(zhì)34.5 g/kg，銨態(tài)氮32.5 mg/kg，硝態(tài)氮14.3 mg/kg，速效鉀 100 mg/kg，有效磷 20.5 mg/kg，pH值6.03。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2015年9月至2018年10月實(shí)施，從長(zhǎng)期定位試驗(yàn)基地中選取平衡施肥處理下2個(gè)耕作處理：1）免耕（No Tillage，NT）：全年不耕作，播種時(shí)使用東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的2MB-2免耕播種機(jī)一次性完成播種；2）翻耕（Conventional Tillage，CT）：秋季收獲后，采用挪威格蘭KVERNELAND懸掛式翻轉(zhuǎn)犁完成翻耕，耕深約20 cm，是東北地區(qū)傳統(tǒng)的耕作方式。依據(jù)海拔從高到低縱向?qū)⑵聞澐譃樯?、中、?個(gè)坡位（表1），每個(gè)小區(qū)面積為104 m2（20 m×5.2 m），每個(gè)處理重復(fù)3次。每年秋季收獲后，人工移除秸稈。試驗(yàn)采用順坡壟作和玉米連作的種植方式，供試玉米品種為合眾11號(hào)，玉米株距為25 cm。播種時(shí)施入穩(wěn)定性復(fù)合肥（N:P2O5:K2O= 27:10:13) 480 kg/hm2為底肥。田間管理與當(dāng)?shù)卮筇锕芾硐嗤?/p>

表1 試驗(yàn)區(qū)坡位基本信息

1.3 樣品采集

在不同土壤耕作處理連續(xù)4a定位試驗(yàn)后，于2018年10月玉米收獲后進(jìn)行取樣。每個(gè)處理按0～10、>10～20、>20～30 cm土層采集原狀土樣，每個(gè)小區(qū)按“S”形布點(diǎn)法采集5個(gè)點(diǎn)樣品。帶回實(shí)驗(yàn)室后，將大土塊按自然裂痕剝離為體積1 cm3的小塊，待自然風(fēng)干后將土樣混勻，以供土壤團(tuán)聚體室內(nèi)測(cè)定。利用環(huán)刀分層采集0～30 cm 土層原狀土壤樣品，每10 cm一層，每個(gè)小區(qū)測(cè)定3次重復(fù)，用于測(cè)定土壤容重。

1.4 指標(biāo)測(cè)定

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定。土壤貫入阻力測(cè)定：在玉米收獲期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取6個(gè)點(diǎn)，用SC-900土壤硬度計(jì)測(cè)定（SPECTRUM公司，美國(guó)），測(cè)定0～30 cm的土壤貫入阻力，每2.5 cm為1層測(cè)定1個(gè)數(shù)據(jù)，并計(jì)算每10 cm土層的平均貫入阻力。玉米根系垂直方向主要分布深度測(cè)定：收獲期，每個(gè)小區(qū)選取3株長(zhǎng)勢(shì)相同的玉米，垂直于壟的方向挖長(zhǎng)50 cm深30 cm的剖面。在剖面上放置2 cm×2 cm的網(wǎng)格，確定玉米根系在0～30 cm土層根系主要分布區(qū)域，并用直尺測(cè)量其深度。采用濕篩法[17]測(cè)定土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體（>5 mm、>2～5 mm、>1～2 mm、>0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、<0.25 mm）含量。

土壤孔隙度計(jì)算公式為

式中為土壤孔隙度，%；ρ為土壤容重，g/cm3；ρ為土粒密度，取2.65 g/cm3[18]。

各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量計(jì)算公式為

式中Ai為各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，%；M為各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量，g；為土壤樣品總質(zhì)量，g。

團(tuán)聚體平均重量直徑（Mean Weight Diameter，MWD）計(jì)算公式為

式中MWD為團(tuán)聚體平均重量直徑，mm；X為各粒級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑，mm。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin 8.5進(jìn)行繪圖，利用SPSS 22系統(tǒng)軟件進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析及多元回歸性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方式對(duì)土壤孔隙度的影響

不同耕作方式和坡位下，0～30 cm土層土壤孔隙度的分布情況如圖1所示。從整體上看，在相同坡位，翻耕處理下的土壤孔隙度大于免耕處理。在坡上位、坡中位和坡下位0～20 cm土層，翻耕處理下土壤孔隙度顯著高于免耕處理（<0.05）。在坡下位>20～30 cm土層，與免耕處理相比，翻耕處理下土壤孔隙度顯著增加5.01%（<0.05）。

在相同坡位、同種耕作方式下，土壤孔隙度隨土層深度的增加呈減小趨勢(shì)。同種耕作方式下，坡位對(duì)相同土層土壤孔隙度的影響存在差異。從整體上看，同種耕作方式下，相同土層土壤孔隙度隨坡位的降低呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。免耕處理下，在0～10 cm土層，坡上位和坡中位土壤孔隙度比坡下位分別減少7.14%和4.28%，并達(dá)到顯著差異（<0.05）。翻耕處理下，與坡下位相比，坡上位0～30 cm土層土壤孔隙度平均減少5.86%，其中在0～10 cm土層和>10～20 cm土層差異達(dá)到顯著（<0.05）。

2.2 耕作方式對(duì)土壤容重和土壤貫入阻力的影響

由表2可知，在相同坡位、同種耕作方式下，土壤貫入阻力在0～30 cm土層深度范圍內(nèi)隨土層深度增加而增大。翻耕處理下，在相同土層深度，坡位對(duì)土壤貫入阻力無(wú)顯著影響。免耕處理下，在>20～30 cm土層，與坡上位相比，坡中位土壤貫入阻力顯著增加39.8%（<0.05）。在相同坡位和土層深度下，耕作方式對(duì)土壤貫入阻力的影響存在差異：0～10 cm土層，在相同坡位下，與免耕處理相比，翻耕處理可以降低土壤貫入阻力，但差異不顯著（>0.05）。>10～20 cm土層，翻耕處理下坡上位、坡中位、坡下位土壤貫入阻力與免耕處理相比，分別降低38.8%、34.5%和44.8%，并達(dá)到顯著差異（<0.05）。>20～30 cm土層，在坡中位和坡下位，與免耕處理相比，翻耕處理可以顯著降低土壤貫入阻力；在坡上位，與免耕處理相比，翻耕處理下土壤貫入阻力增加8.2%，但差異不顯著（>0.05）。

在相同坡位、同種耕作方式下，土壤容重在0～30 cm土層深度范圍內(nèi)隨土層深度增加而增大。同一土層深度，不同耕作方式下坡位對(duì)土壤容重的影響存在差異。翻耕處理下0～20 cm土層，與坡上位相比，坡下位土壤容重顯著降低（<0.05）。免耕處理下，0～10 cm土層，與坡下位相比，坡上位和坡中位土壤容重顯著增加（<0.05）。在0～20 cm土層，相同坡位下，與免耕相比，翻耕可以顯著降低土壤容重（<0.05）。

表2 耕作方式對(duì)不同坡位容重和土壤貫入阻力的影響

2.3 耕作方式對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布的影響

不同耕作方式和坡位下，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布如表3所示。與免耕相比，長(zhǎng)期翻耕處理下0～30 cm土層>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量平均減少59.1%，且差異顯著（<0.05）。在坡上位，與免耕相比，翻耕處理下>1～2和>0.5～1 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量顯著增加（<0.05）。在坡中位，翻耕處理下>2～5、>1～2和>0.5～1 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量高于免耕。在坡下位，與免耕相比，翻耕可以增加>0.5～1和>0.25～0.5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量。翻耕處理下，與坡下位相比，坡上位0～30土層>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量平均減少30.8%。

表3 不同耕作方式下水穩(wěn)性團(tuán)聚體在不同坡位上的分布

2.4 耕作方式對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）能夠反映土壤團(tuán)聚體的粒徑分布，是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，MWD值越大，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[19]。不同耕作方式下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD值最大值為1.99 mm，最小值為0.95 mm，分別出現(xiàn)在免耕處理下坡上位>10～20 cm土層和翻耕處理下坡上位>10～20 cm土層（圖2）。整體上，與免耕處理相比，翻耕處理下0～20 cm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD值平均減小31.9%，且達(dá)到差異顯著（<0.05）。在坡上位>10～20 cm土層，與翻耕處理相比，免耕處理下MWD值增加幅度最大（109.5%）；在坡中位>20～30 cm土層，與翻耕處理相比，免耕處理下MWD值增加幅度最?。?0.5%）。

相同耕作方式下，坡位對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD值的影響存在差異。從整體上看，免耕處理下，坡中位對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD值的影響較大，坡下位次之；翻耕處理下，不同坡位土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD值從大到小依次為：坡中位、坡下位、坡上位。免耕處理下，>10～30 cm土層，坡上位土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD值顯著高于坡下位（<0.05）。翻耕處理下，0～20 cm土層，坡中位土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD值顯著高于坡上位（<0.05）；>20～30 cm土層，與坡下位相比，坡中位土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD值增加38.4%，并達(dá)到差異顯著（<0.05）。

2.5 耕作方式對(duì)玉米根系垂直分布深度的影響

本試驗(yàn)中，玉米根系在垂直方向主要分布在16.4～20.7 cm之間（圖3）。與免耕處理相比，翻耕處理下玉米根系垂向分布深度在坡上位、坡中位、坡下位分別增加23.2%、15.1%和14.4%，且達(dá)到差異顯著（<0.05）。相同耕作方式下，坡位對(duì)玉米根系垂向分布深度的影響存在差異。免耕處理下，與坡上位相比，坡下位玉米根系在垂直方向主要分布深度增加10.4%，且達(dá)到差異顯著（<0.05）。翻耕處理下，坡位對(duì)玉米根系在垂直方向主要分布深度無(wú)顯著影響。

2.6 土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析

2.6.1 團(tuán)聚體穩(wěn)定性與團(tuán)聚體粒級(jí)組成的關(guān)系

將土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體各粒級(jí)所占比例與MWD以及土壤孔隙度進(jìn)行回歸分析，采用 Stepwise法以選擇最優(yōu)組合建立回歸方程。由表4可以看出，對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD的首要影響因素為WSA>5 mm，其次為WSA>2~5 mm和WSA>1~2 mm，說(shuō)明>1 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體的形成有利于提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。土壤孔隙度的影響因素為WSA>2~5 mm和WSA>1~2 mm。

表4 水穩(wěn)性團(tuán)聚體各粒級(jí)含量與MWD及土壤孔隙度回歸分析

注：MWD為土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑；為土壤孔隙度；WSA>5 mm為>5 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量；WSA>2~5 mm為>2~5 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量；WSA>1~2 mm為>1～2 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。*與**分別表示0.05和0.01水平顯著相關(guān)。

Note:MWDis mean weight diameter;is soil porosity; WSA>5 mmis the content of water-stable aggregate >5 mm size; WSA>2-5 mmis the content of water-stable aggregate >2-5 mm size; WSA>1-2 mmis the content of water-stable aggregate > 1-2 mm size. * and ** mean significant correlation at the level of 0.05 and 0.01, respectively.

2.6.2 土壤孔隙度與土壤貫入阻力的關(guān)系

由圖4可知，土壤孔隙度與土壤貫入阻力呈線(xiàn)性負(fù)相關(guān)，2=0.72，達(dá)極顯著（<0.01）。土壤孔隙度越大，土壤貫入阻力越小。

2.6.3 土壤物理性質(zhì)與玉米根系土層垂直分布深度的關(guān)系

通過(guò)對(duì)成熟期玉米根系在垂直方向主要分布深度與土壤物理性質(zhì)的相關(guān)性分析可以看出（表 5），玉米根系在垂直方向主要分布深度與0～10 cm土層和>10～20 cm土層土壤孔隙度呈顯著正相關(guān)，與>10～20 cm土層土壤貫入阻力呈顯著負(fù)相關(guān)。這表明耕作方式主要通過(guò)影響土壤0～20 cm土層土壤孔隙度和>10～20 cm土層土壤貫入阻力，最終影響玉米根系在垂直方向主要分布深度。

表5 土壤物理性質(zhì)與玉米根系垂向主要分布深度相關(guān)性分析

注：*表示0.05水平顯著相關(guān)。

Note:* Means significant correlation at the level of 0.05.

3 討 論

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，也是土壤的重要組成部分。本研究中，與免耕處理相比，翻耕處理顯著降低>5 mm粒級(jí)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，并增加>1～2 mm粒級(jí)和>0.5～1 mm粒級(jí)聚體含量，這與Komissarov等[20]的研究結(jié)果相似。免耕減少了機(jī)械因素和人為因素對(duì)土壤的擾動(dòng)，促進(jìn)了>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的形成。翻耕處理下，坡中位和坡下位>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量高于坡上位，這可能是由于頻繁耕作造成耕作侵蝕，農(nóng)機(jī)將>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體從坡上位搬運(yùn)至坡中位和坡下位所致[21]。

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，MWD值越大，表示土壤團(tuán)聚體團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)[19]。本研究結(jié)果顯示，在0～30 cm土層，免耕處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD顯著高于翻耕處理。利用多元逐步回歸分析研究平均重量直徑與不同粒徑團(tuán)聚體含量間關(guān)系（表4），發(fā)現(xiàn)平均重量直徑和>5、>2～5、>1～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量呈極顯著正相關(guān)。翻耕通過(guò)破壞>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體，導(dǎo)致土壤大團(tuán)聚體碳礦化，從而降低了土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。這表明耕作方式通過(guò)影響不同粒徑土壤團(tuán)聚體的含量，從而影響土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。坡位是影響坡耕地土壤理化性狀的重要因素之一。翻耕處理下，坡上位土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD值小于坡中位和坡下位，說(shuō)明坡上位土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，土壤更易受到侵蝕。這與翻耕處理下，坡上位>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量低于坡中位和坡下位的結(jié)果是一致的。免耕處理能夠顯著增加坡上位土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD值。

土壤孔隙度是反映土壤緊實(shí)狀況的重要指標(biāo)，它關(guān)系著土壤水、氣、熱的流通和貯存以及對(duì)植物的供應(yīng)是否充分和協(xié)調(diào)[22]。本研究結(jié)果表明，隨著土層深度的增加，土壤孔隙度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。這是由于隨土層深度的增加，土壤越緊實(shí)，土壤通透性越差。與前人研究結(jié)果相似[23]，翻耕處理下0～20 cm土層土壤孔隙度顯著高于免耕處理。土壤團(tuán)聚體的空間排布和各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的組成與土壤孔隙分布密切相關(guān)[24]。利用多元逐步回歸分析研究土壤孔隙度與不同粒徑團(tuán)聚體含量間關(guān)系（表4），發(fā)現(xiàn)土壤孔隙度與>2～5 mm、>1～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量呈顯著正相關(guān)。因此長(zhǎng)期翻耕處理增加了>1～2 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，從而降低0～20 cm土層土壤孔隙度。相同耕作方式下，土壤孔隙度隨坡位的降低呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。這可能是由于長(zhǎng)期耕作下，坡上位土壤受到侵蝕，表層土壤在水流沖刷作用或機(jī)械搬運(yùn)作用下在坡下位沉積，從而導(dǎo)致坡下位土壤孔隙度增加。

研究表明，翻耕可以降低土壤緊實(shí)度[25]。魏燕華等[26]研究表明，耕作能夠影響耕作深度范圍內(nèi)土壤容重。本試驗(yàn)中翻耕的耕作深度為20 cm，因此在本研究中，與免耕處理相比，翻耕可以顯著降低0～20 cm土層土壤容重。本試驗(yàn)中，翻耕處理下>10～20 cm土層土壤貫入阻力顯著低于免耕處理，這與前人研究結(jié)果相似[27-28]。土壤孔隙度與土壤貫入阻力呈極顯著負(fù)相關(guān)（圖4），因此翻耕通過(guò)增加>10～20 cm土層土壤孔隙度從而降低>10～20 cm土層土壤貫入阻力。在坡上位>20～30 cm土層，翻耕處理下土壤貫入阻力高于免耕處理。這可能是由于試驗(yàn)地黑土層較薄，長(zhǎng)期翻耕加劇了坡上位的水土流失，從而導(dǎo)致坡上位土壤耕層變淺，犁底層上移。坡下位>20～30 cm土層，翻耕處理下土壤貫入阻力顯著低于免耕處理。這是由于表土在坡下位沉積，坡下位土壤耕層深度增加引起的。

耕作能通過(guò)改善根系環(huán)境來(lái)促進(jìn)作物根系發(fā)育。本研究中，翻耕處理下玉米根系在垂直方向主要分布深度顯著高于免耕處理，這與王玥凱等[29]的研究結(jié)果相似。翻耕處理下，坡位對(duì)玉米根系在垂直方向主要分布深度無(wú)顯著影響，這可能是由于翻耕處理耕作深度為20 cm，降低了0～20 cm范圍內(nèi)土壤貫入阻力，而玉米根系在垂直方向主要分布在0～20 cm土層內(nèi)[30-31]，因此坡位對(duì)玉米根系無(wú)顯著影響。前人研究表明[32]，全球范圍內(nèi)約50%的玉米根系分布在0～30 cm土層，約90%玉米根系分布在0～200 cm土層。而本研究中剖面深度為30 cm，由于根系取樣深度較淺，所以關(guān)于根系的分布結(jié)果可能具有一定的局限性。

4 結(jié)　論

1）基于4 a田間試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)耕作方式對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布、土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、土壤容重、土壤孔隙度、土壤貫入阻力和玉米根系在垂直方向主要分布深度有顯著影響。與免耕相比，翻耕通過(guò)增加土壤>1～2 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，降低0～20 cm土層土壤容重，改善0～20 cm土層土壤孔隙狀況，顯著降低了>10～20 cm土層土壤貫入阻力，促進(jìn)玉米根系下扎。與免耕相比，長(zhǎng)期翻耕處理0～30 cm土層>5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量平均減少59.1%，平均重量直徑平均降低31.9%，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)惡化，土壤抗侵蝕能力減弱。

2）翻耕處理下，坡位對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響呈現(xiàn)坡下位、坡中位優(yōu)于坡上位的規(guī)律。與坡下位相比，長(zhǎng)期翻耕導(dǎo)致坡上位0～30 cm土層>5 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量平均減少30.8%，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降，該范圍內(nèi)土壤孔隙度平均減小5.86%。

3）對(duì)于東北薄層黑土坡耕地，在坡中位和坡下位采用翻耕可降低土壤緊實(shí)度，促進(jìn)玉米根系下扎；在坡上位采用免耕可改善土壤結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性，促進(jìn)黑土可持續(xù)發(fā)展。

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Soil physical properties and vertical distribution of root systems affected by tillage methods in black soil slope farmlands in Northeast China

Yan Lei, La Yuepeng, Dong Tianhao, Liu Mingyi, Sun Xiaohe, Meng Qingyao, Zhang Yuying, Zhang Naiwen, Meng Qingfeng※

(,,150030,)

Slope farmland is the main type of farmland in the black soil region of northeastern China, accounting for about 60% in total. Currently, long-term high intensity utilization and irrational farming have led to the deterioration of soil physical properties, particularly on the gentle and long slope. However, it is still unclear on the effect of different tillage on the soil physical properties of slope positions. In this study, a four-year field experiment was conducted at the Xiangyang experimental base of Northeast Agricultural University, in order to clarify the impact of farming modes on the vertical distribution of maize roots, and the soil physical properties in the slope farmland of thin black soil in Northeast of China. Two farming treatments were set as No-Tillage (NT) and Conventional Tillage (CT). The slopes were divided longitudinally into three positions from high to low according to the altitude: upper, middle, and lower layer. Each treatment was repeated three times. The particle size distribution of soil water-stable aggregates was obtained at different slope positions. The indicators were measured, including the stability of water-stable aggregates, soil bulk density, soil porosity, soil penetration resistance, and the distribution of vertical depth in root systems. The results showed that: 1) Compared with NT, the CT significantly increased the soil porosity of 0-20 cm soil layer, and the main distribution depth of maize roots, the vertical direction (<0.05), while significantly reduced the soil layer of 0-20 cm soil bulk density, and soil penetration resistance of 10-20 cm soil layer (<0.05). 2) Compared with NT, the CT significantly reduced the content of water-stable aggregates larger than 5 mm (<0.05), with an average reduction of 59.1%, and the mean weight diameter of soil water-stable aggregates led to the deterioration of soil structure, but increased the content of water-stable aggregates of 1-2 mm. 3) In the CT treatment, the middle and lower slope were better than the upper slope, according to the evaluation on the influence of slope position on the soil porosity, the content of water-stable aggregates larger than 5 mm, and the mean weight diameter. The NT effectively increased the content of water-stable aggregates stability larger than 5 mm in the upper slope soil, and the structural stability in the upper slope soil, thereby to improve the physical properties of the soil. 4) Correlation and regression analysis showed that the plowing can contribute to increase the content of 1-2 mm water-stable aggregates, soil porosity, and the vertical distribution depth of roots, while reduce the soil penetration resistance, the grain size greater than 5 mm the water-stable aggregate content, and the stability of soil structures. The results of the study demonstrated that the plowing can effectively improve the soil compaction and the rooting systems, while lead to the deterioration of soil structure on the slope. Therefore, it is recommended to take conservation measures of water and soil on the upper slope, in order to reduce the soil erosion of slope farmland in the thin black soil area of the Northeast China.

soils; tillage; porosity; aggregate; penetration resistance; slope position

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2020-07-02

2020-12-20

國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)“坡耕地合理耕層構(gòu)建技術(shù)指標(biāo)研究”（201503119-06-01）

閆雷，博士，教授，研究方向?yàn)橥寥拉h(huán)境保護(hù)。Email：yanlei_74@163.com

孟慶峰，博士，副教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)資源與環(huán)境。Email：qfengmeng@yeah.net

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.016

S343.3

A

1002-6819(2021)-01-0125-08