保护性耕作对黑土农田土壤质量和玉米产量相关性状的影响

Effects of conservation tillage on soil quality and related traits of maize yield in black soil farmland

摘要

为探究保护性耕作对黑土农田土壤质量和玉米产量的影响。依托连续8年田间耕作定位试验，研究传统耕作（CT）、秸秆覆盖免耕（NTS）、秸秆覆盖深松（STS）和秸秆耙混还田（HTS）对0~40 cm土层土壤理化、生物学特性、玉米抗倒伏与产量及其构成因素的影响。结果表明：与CT相比，NTS、STS和HTS处理显著提高0~40 cm土层土壤田间持水量、饱和含水量、有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷含量、β-葡萄糖苷酶、乙酰葡糖胺糖苷酶、木质素过氧化物酶、多酚氧化酶活性和微生物生物量氮含量（P<0.05），NTS和STS处理显著降低土壤容重和三相R值（P<0.05）、提高几何平均直径和微生物生物量磷含量。NTS、STS和HTS均较CT处理显著提高0~40 cm土层土壤质量指数（P<0.05），前两者从土壤物理、化学和生物学3个维度提高，而后者主要增加土壤化学和生物学2个维度。STS和HTS均较CT处理显著降低穗位高、增加茎粗和压折强度、提高茎秆抗倒伏指数（P<0.05）。STS较CT和NTS处理显著提高多雨年份百粒重和玉米产量，其年际间平均玉米产量较其他处理提高7.10%~11.86%（P<0.05）。相关分析和冗余分析发现，20~40 cm土层理化指标质量指数和0~10 cm土层生物学指标质量指数是影响产量及其构成因素的重要因子。综上，在松嫩平原南部黑土区，秸秆覆盖深松是能实现黑土耕地质量多维度协同优化与玉米单产提升的保护性耕作技术模式。

Abstract

To explore the effects of conservation tillage on soil quality and maize yield in black soil farmland， a continuous 8-year field tillage positioning experiment was conducted. The study examined the impacts of conventional tillage （CT）， straw mulching with no-tillage （NTS）， straw mulching with subsoiling tillage （STS）， and straw incorporation with harrowing tillage （HTS） on the physical， chemical， and biological properties of the soil in the 0-40 cm layer， as well as on maize lodging resistance， yield， and its contributing factors. The results indicated that， compared with CT， NTS， STS， and HTS treatments significantly increased the field capacity， saturated moisture content， organic carbon， total nitrogen， total phosphorus， alkaline-hydrolyzable nitrogen， available phosphorus content， β-glucosidase， N-acetyl-glucosaminidase， lignin peroxidase， polyphenol oxidase activity， and microbial biomass nitrogen in the 0-40 cm soil layer （P<0.05）. Moreover， NTS and STS treatments significantly reduced soil bulk density and three-phase R value（P<0.05）， and enhanced the geometric mean diameter and microbial biomass phosphorus content. NTS， STS， and HTS all significantly improved the soil quality index in the 0-40 cm layer compared to CT（P<0.05）， with the first two enhancing it from the physical， chemical， and biological dimensions， while the latter primarily increased from two dimensions of soil chemistry and biology. Both STS and HTS significantly reduced spike height， increased stem thickness and bending strength， thereby improving the lodging resistance index of the stem compared to CT （P<0.05）. STS significantly increased 100 grain weight and maize yield in wet years compared to CT and NTS， with the interannual average maize yield improving by 7.10% to 11.86% compared to other treatments （P<0.05）. Correlation analysis and redundancy analysis revealed that the quality index of physical and chemical indicators in the 20-40 cm layer and the quality index of biological indicators in the 0-10 cm layer were important factors influencing yield and its components. In conclusion， in the southern black soil area of the Songnen Plain， straw mulching with subsoiling tillage is a conservation tillage technology model that can achieve multidimensional coordinated optimization of black soil farmland quality and enhance maize yield.

Graphical abstract

关键词

秸秆覆盖 / 少免耕 / 土壤质量 / 玉米 / 黑土

Key words

straw mulching / minimum tillage and no-tillage / soil quality / maize / black soil

中国东北黑土区总面积109万km²，约占全球黑土区总面积的12%，是中国最大的粮食生产基地和商品粮调出地，是保障国家粮食安全的“压舱石”。然而，长期不合理耕作和高强度利用导致黑土“薄、瘦、硬”加剧，土壤结构劣化，有机质数量减少，质量退化。如何保护和利用好黑土地成为亟待解决的关键议题。保护性耕作通过秸秆还田和降低土壤扰动能优化土壤结构、促进有机质培育，是加强黑土地保护和实现农业可持续发展的重要措施^［1］。

保护性耕作有效降低土壤侵蚀，在薄层黑土区效果显著，可防止土壤流失，最高可减少水土流失80 t/（hm²·年），使风蚀导致的土壤跃移量降低13.1%^［2-3］。保护性耕作较传统耕作增加土壤容重和紧实度，促进黑土大团聚体形成^［4-5］，提高大孔隙数量和水分入渗速率，改善土壤蓄水保墒能力^［6-7］。此外，保护性耕作能提升黑土固碳能力。长期定位试验发现，秸秆覆盖免耕15年后0~20 cm土层黑土有机碳储量提高30%，新增有机碳70%储存在大团聚体中；该技术不仅增加轻组有机碳组分，对黏粉粒结合碳的提升也有显著作用，同时增加的有机碳储量中有近50%为微生物残体碳的增加，其中真菌残体碳比例是细菌残体碳的2倍^［8］。随着保护性耕作年限增加，耕层土壤氮磷钾养分含量提高5%~30%^［9-10］。黑土区长期保护性耕作形成“复杂”的土壤食物网结构，提高生物群落多样性^［11］，增加蚯蚓数量和个体质量^［12］。

保护性耕作对作物产量的影响受气候条件、地形和土壤类型等多因素控制，其减少土壤扰动，一定程度上造成土壤板结、水分流动不畅、作物水肥利用难^［1］。秸秆覆盖地表在湿润冷凉区会降低土壤温度影响春播和出苗，进而降低保苗率和延后生育进程，导致减产^［13-15］。对吉林省实施保护性耕作的50个合作社和家庭农场调研发现，保护性耕作能获得与传统耕作相似或稍高的玉米产量^［16］，在抗台风方面有优势，降低倒伏率^［1］；同时在极端干旱年份，保护性耕作播种至出苗耕层土壤含水量比传统耕作高7.8%~30.4%，可缓解干旱胁迫的危害^［14］，提高年际间作物的稳产性。

目前，多数研究集中在保护性耕作对黑土物理、化学和生物学特性的影响，或保护性耕作对作物生长发育的影响，对不同维度土壤质量变化及其对作物生长发育影响的研究相对较少。本研究依托8年田间定位试验探索保护性耕作对黑土地农田土壤质量和玉米产量的影响，旨在明确不同保护性耕作方式下土壤质量提升和稳产增产效果。

1　材料与方法

1.1　研究区域概况

试验于2023—2024年在吉林省公主岭市范家屯镇香山村（43°45' N， 125°01' E）进行。该地区属于寒温带大陆性气候，雨热同季，年均降水量567 mm左右，无霜期约140 d，年均气温4.5 ℃，≥10 ℃积温在3 200℃~3 300℃。2023和2024年5~9月累计降雨量分别为416.5 mm和719.0 mm（图1（a）和（b）），土壤类型为黑土。定位试验前0~20 cm土层的基本肥力水平为：有机质29.9 g/kg、全氮1.5 g/kg、全磷0.5 g/kg、全钾19.0 g/kg、碱解氮124.8 mg/kg、速效磷29.2 mg/kg、速效钾196.9 mg/kg，pH=6.1。试验区域为一年一熟制，玉米连作。

1.2　试验设计

定位试验始于2017年，包括4种耕作模式：传统耕作（CT）、秸秆覆盖免耕（NTS）、秸秆覆盖深松（STS）和秸秆耙混还田（MTS）。随机区组试验设计，每个小区的面积为130 m×8 m （1 040 m²），3次重复，种植方式为玉米连作，供试玉米品种为富民‘985’，种植密度为6.75万株/hm²，行距65 cm。施肥量分别为N 224 kg/hm²、P₂O₅ 96 kg/hm²、K₂O 112 kg/hm²。传统耕作在春季灭茬起垄时一次性施入肥料，秸秆覆盖免耕、秸秆覆盖深松和秸秆耙混还田免耕播种时肥料侧深施。每年5月10日左右播种，10月5日左右收获。不同处理的耕作方式详见表1。

1.3　样品采集及指标测定

2024年，在玉米收获后按“S”型取土法在0~40 cm土层采集土壤样品，其中传统耕作分别以垄顶、垄侧和垄沟为起点向下采集0~40 cm土层土壤样品。混合样品分成2份，一份过2 mm筛后存储在-80 ℃下用于生物特性测定；一份自然风干，过筛研磨后用于土壤化学性质测定。

采用SC-900土壤硬度计测定土壤紧实度；采集的土壤环刀样品用土壤三相仪（DIK-1150）测定气相占比，土壤三相R值计算参考周思琪等^［17］；用室内环刀法测定环刀样品饱和含水量和田间持水量；用烘干法测定土壤容重。取50 g原状土样，采用湿筛法测定土壤水稳性团聚体，土壤几何平均直径计算参考隋鹏祥等^［5］。土壤基本理化性质测定参照《土壤农化分析》^［18］：土壤酸碱度采用土水比1∶1电极法，有机碳采用高温外加热重铬酸钾氧化容量法、全氮用凯氏定氮法、全磷使用钼锑抗比色法、全钾采用NaOH熔融-火焰光度法、碱解氮采用碱解扩散法、土壤速效磷采用碳酸氢钠浸提-比色法测定，土壤速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定。微生物生物量碳、氮、磷含量采用氯仿熏蒸浸提法测定^［19］。采用酶标法测定β-葡萄糖苷酶、乙酰葡糖胺糖苷酶、亮氨酸氨肽酶、酸性磷酸酶、木质素过氧化物酶和多酚氧化酶活性^［20］。

2024年，在玉米成熟期，用精度为1 mm的卷尺测量株高和穗位高，计算穗高系数，穗高系数=穗位高/株高。每个处理采集9棵玉米植株，确定每个茎秆（带穗、叶和鞘）的平衡支点，量取茎秆基部至平衡支点的距离作为中心高度。玉米茎节选取基部向上第三伸长节间，用茎秆强度仪测定节间力学参数（包括穿刺强度、压碎强度和压折强度）。计算茎秆抗倒伏指数，茎秆抗倒伏指数=基部第三节压碎强度/植株重心高度。

在2023和2024年玉米成熟期时，每个处理取3株植株，将植株分为叶片、茎鞘、苞叶+轴、籽粒和根系，分别装入牛皮纸袋中于烘箱内105 ℃进行杀青30 min，再75 ℃烘至恒重，冷却至室温后用1/1 000天平分别称量，并记录数据。秋季测产面积为20 m²，测定有效穗数和鲜重，选取折算重量相等的10穗，自然风干后于室内考种；测定行数和粒数、10穗籽粒重量、百粒重、籽粒含水量；最后计算公顷穗数、穗粒数、14%含水量百粒重和产量。

1.4　土壤质量指数计算

采用线性评分方法将土壤物理、化学和生物指标转化为无量纲值，范围为（0，1）^［21-22］。如果指标值的增加有利于土壤质量，则采用“越大越好”的评分曲线（式1），反之则采用“越小越好”的评分曲线（式2）（本研究中容重、三相R值和紧实度采用该曲线计算）。对于有最佳范围的指标，可根据需要使用式（1）或（2）进行转换，并将最佳范围内的指标值等同于1。

S_{\mathrm{L}}=\frac{X}{X_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}（1）

S_{\mathrm{L}}=\frac{X_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}{X}（2）

式中：S_L为土壤指标的线性得分；X为测量值；X_max和X_min分别为本研究中4个处理的土壤指标测量值的最大值和最小值^［23］。

通过面积法计算土壤质量指数^［24］，计算公式如下：

\mathrm{S}\mathrm{Q}\mathrm{I}=\mathrm{0.5}\times {\sum }_i^n{s_{\mathrm{L}}}^{\mathrm{2}}\times \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\frac{\mathrm{2}\times \mathrm{\pi }}{n}\right)（3）

式中：SQI为土壤质量指数；n为指标总数，个；π=3.14。

1.5　数据处理及分析

在SPSS 22.0软件中利用单因素方差分析土壤理化、生物性质和植株指标在不同耕作措施中的差异，采用Duncan法进行多重显著性比较（P<0.05）。采用皮尔森相关分析法和线性拟合进行土壤质量和植株指标相关性分析，用Canoco 4.5软件中冗余分析（Redun dancy anlysis， RDA）解析土壤质量与植株指标的相关性，采用Origin 9.0进行制图。

2　结果与分析

2.1　不同耕作方式对土壤物理性质的影响

不同耕作方式对土壤物理性质的影响见图2。与CT处理相比，在0~10 cm土层，NT处理显著降低土壤容重（BD），NTS、STS和HTS处理增加土壤紧实度（PR）、几何平均直径（GMD）与田间持水量（FC），NTS和STS处理提高土壤饱和含水量（SMC） （P<0.05）；在10~20 cm土层，NTS、STS和HTS处理显著降低BD、提高FC和SMC，NTS处理增加PR，STS和HTS处理显著降低三相R值（P<0.05）；在20~40 cm土层，STS处理显著降低PR，NTS和STS处理提高GMD和降低SMC，NTS处理降低FC（P<0.05）。

2.2　不同耕作方式对土壤化学性质的影响

不同耕作方式对土壤化学性质的影响见图3。与CT处理相比，在0~10 cm土层，NTS和STS处理显著提高土壤有机碳（SOC）和碱解氮（AN）含量，NTS、STS和HTS处理增加土壤全氮（TN）、可溶性有机碳（DOC）和速效磷（AP）含量，NTS和HTS处理提高土壤全磷（TP）含量，NTS较其他处理增加土壤速效钾（AK）含量（P<0.05）；在10~20 cm土层，NTS、STS和HTS处理显著提高TP和DOC含量、降低AK含量，NTS和HTS处理增加AN含量，HTS较其他处理增加TN和AP含量，NTS较其他处理提高pH（P<0.05）；在20~40 cm土层，NTS、STS和HTS处理提高TN含量、降低DOC和AK含量，NTS和HTS处理增加SOC含量，NTS和STS处理提高AP含量，STS较其他处理增加TP含量，HTS处理提高AN含量（P<0.05）。

2.3　不同耕作方式对土壤生物学性质的影响

图4为不同耕作方式对土壤生物学性质的影响。与CT处理相比，在0~10 cm土层，NTS和STS处理显著提高乙酰葡糖胺糖苷酶（NAG）和多酚氧化酶（PPO）活性，NTS和HTS处理提高木质素过氧化物酶（LiP）活性，STS和HTS处理增加微生物生物量氮（MBN）含量，HTS较其他处理提高β-葡萄糖苷酶（BG）活性，NTS较其他处理增加亮氨酸氨肽酶（LAP）、酸性磷酸酶（ACP）和微生物生物量磷（MBP）含量（P<0.05）。在10~20 cm土层，NTS、STS和HTS处理显著提高BG、NAG、PPO活性和MBN含量，NTS和HTS处理增加LAP和LiP活性，STS和HTS处理提高MBP含量，STS较其他处理提高ACP活性（P<0.05）。在20~40 cm土层，NTS、STS和HTS处理增加BG、NAG、LiP、PPO活性和MBN含量，降低MBP含量；STS和HTS处理提高ACP活性；HTS较其他处理提高LAP活性和微生物生物量碳（MBC）含量（P<0.05）。

2.4　不同耕作方式对土壤质量的影响

图5为不同耕作方式对土壤质量指数的影响。与CT处理相比，在0~10 cm土层，NTS和STS处理显著提高土壤化学指标质量指数和土壤质量指数，NTS较其他处理增加物理指标质量指数和生物学指标质量指数（P<0.05）；在10~20 cm土层，NTS、STS和HTS处理提高土壤物理指标质量指数、生物学指标质量指数和土壤质量指数，HTS较其他处理增加化学指标质量指数（P<0.05）；在20~40 cm土层，STS和HTS处理提高土壤物理指标质量指数、生物学指标质量指数和土壤质量指数，STS较其他处理增加土壤化学指标质量指数（P<0.05）。与CT处理相比，NTS、STS和HTS处理0~40 cm土层土壤化学指标质量指数、生物学指标质量指数和土壤质量指数分别提高10.5%~23.7%、30.2%~64.2%和18.3%~25.6%，NTS和STS处理土壤物理指标质量指数增加12.7%~13.7%（P<0.05）。

2.5　不同耕作方式对玉米产量及其构成因素的影响

在2023年，各处理籽粒产量、公顷穗数和百粒重差异不显著（表2），NTS处理较其他处理穗粒数显著提高6.8%~8.6%（P<0.05）。在2024年，与CT处理相比，STS处理较CT和NTS处理显著增加籽粒产量和百粒重（P<0.05），增加幅度分别为12.2%~18.8%和9.3%~15.5%，NTS处理穗粒数显著提高9.3%（P<0.05），各处理间公顷穗数差异不显著。与2023年相比，CT、NTS和HTS处理显著降低2024年籽粒产量，降幅为10.4%~15.5%。

2.6　不同耕作方式对植株干物质积累与分配的影响

不同耕作方式对玉米各部分干物质积累与分配的影响如图6所示。在2023年，NTS较其他处理显著提高秸秆和根系干物质积累量，STS和HTS较CT处理显著增加籽粒干物质积累量（P<0.05）。在2024年，与CT处理相比，NTS、STS和HTS处理显著提高秸秆干物质积累量，STS较CT处理显著增加籽粒干物质积累量，NTS较其他处理提高根茬干物质积累量（P<0.05）。在2023年，与CT处理相比，NTS、STS和HTS处理降低籽粒占比和根茬占比，提高秸秆占比（P<0.05）。在2024年，与CT处理相比，NTS、STS和HTS处理降低籽粒占比，STS和HTS处理提高秸秆占比，NTS较其他处理提高根茬占比（P<0.05）。

2.7　不同耕作方式对植株茎秆性状的影响

与CT处理相比，STS和HTS处理显著降低穗位高，增加茎粗；HTS处理较CT和NTS处理显著降低株高，STS处理较CT和NTS处理显著降低穗位系数（P<0.05，表3）。与CT处理相比，NTS和HTS处理显著增加压碎强度，STS和HTS处理提高压折强度，NTS处理提高穿刺强度，NTS、STS和HTS处理茎秆抗倒伏指数增加55.66%~60.52%（P<0.05，表3）。

2.8　植株指标间及其与土壤质量相关性

由产量及其构成因素与植株指标相关性表明（图7），产量与公顷穗数和百粒重呈显著正相关（图7（a）和（b），P<0.05），与穗粒数呈显著负相关（图7（c），P<0.05）。产量构成因素与植株秸秆占比、籽粒占比、根茬占比、穗位高、穗位系数、茎粗、穿刺强度和压碎强度显著相关（图7（d））。土壤质量和玉米指标的相关分析表明（图8），0~10 cm土壤质量指数与根系干物重、根系占比、穿刺强度和压碎强度呈正相关，与百粒重呈负相关；10~20 cm土壤质量指数与秸秆占比和茎秆抗倒伏指数呈正相关，与穿刺强度呈负相关；20~40 cm土壤质量指数与百粒重、秸秆干物重、秸秆占比、茎粗和茎秆抗倒伏指数呈正相关，与根茬比例、株高、穗位高和穿刺强度呈负相关。冗余分析进一步明确土壤物理、化学和生物学指标驱动的质量指数对玉米指标的影响，发现20~40 cm土壤物理和化学指标质量指数和0~10 cm土壤生物学指标质量指数能解释产量及其构成因素变异的71.0%（图9（a）），而20~40 cm土壤生物学指标质量指数、0~10 cm土壤物理、化学和生物指标质量指数能解释玉米植株性状变异的80.7%（图9（b））。

3　讨论与结论

3.1　不同耕作方式对黑土农田土壤质量的影响

本研究表明，与传统耕作相比，8年的秸秆覆盖免耕和深松均降低0~40 cm土层土壤容重和三相R值，提高几何平均直径。主要因为少免耕降低土壤扰动，促进黑土大团聚体形成，提升土壤结构稳定性，改善土壤三相比。同时，轻简化作业减少土壤压实，有效降低10~20 cm土层土壤容重^［9］。长期免耕虽然土壤紧实度增加14.4%，但土壤紧实度值均<1 000 kPa，未对根系生长造成影响^［4］。秸秆耙混还田显著降低0~40 cm土层土壤紧实度，但全耕层扰动破坏大团聚体，降低土壤结构稳定性，对土壤结构的优化作用低于少免耕。此外，秸秆覆盖免耕、深松和秸秆耙混还田均提高土壤田间持水量和饱和含水量，可能是少免耕增加0~20 cm土层土壤大孔隙数量和入渗速率，而圆盘耙整地增加20~40 cm深层土壤非毛管孔隙度，均有利于降雨入渗^［1，14］。

本研究中秸秆覆盖免耕、深松和秸秆耙混还田均增加0~40 cm土层土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮和速效磷含量，降低速效钾含量，秸秆覆盖免耕还较其他处理提高可溶性有机碳含量和pH。可能是秸秆还田增加碳源，有效降低有机质矿化分解，增加土壤有机质和全量氮磷积累^［8］。秸秆还田还促进微生物活动，加速有机氮、磷的矿化，提升养分供应^［11］。钾离子移动性强，2024年为多雨年份，秸秆还田处理导致部分速效钾淋溶到深层土壤^［25］。此外，良好的土壤环境促进根系生长，提高对速效钾的吸收利用^［26］。秸秆覆盖免耕提高可溶性有机碳含量是因为秸秆在地表缓慢分解，深层土壤微生物活动较弱，产生更多小分子可溶性有机物，而深松或耙混可能加速秸秆分解为稳定的大分子有机质^［10］。

本研究中秸秆覆盖免耕、深松和秸秆耙混还田均增加0~40 cm土层土壤β-葡萄糖苷酶、乙酰葡糖胺糖苷酶、木质素过氧化物酶、多酚氧化酶活性和微生物生物量氮，降低微生物生物量碳，秸秆覆盖免耕和深松还增加土壤微生物生物量磷含量。秸秆还田后促进微生物增殖，提高碳循环酶分泌，将秸秆中的纤维素、木质素等分解成可以被植物和微生物利用的葡萄糖和果糖，有利于秸秆残体转化和有机质周转^［27］。大多数研究发现秸秆还田会增加土壤微生物生物量碳含量，本研究趋势相反，可能是因为秸秆量高于10 t/hm²，配施氮磷钾肥的用量不适宜，微生物养分利用受碳限制^{［10，28］}。长期秸秆还田可以通过分泌乙酰氨基葡萄糖苷酶缓解微生物碳限制，促进微生物源氮的产生和固存^［29-30］。此外，秸秆覆盖免耕和深松后土壤全磷和速效磷含量的增加，缓解微生物养分利用的磷限制，提高微生物生物量磷含量^［10］。

本研究发现秸秆覆盖免耕、深松和秸秆耙混还田均增加0~40 cm土层土壤质量指数，其中，秸秆覆盖免耕和深松从土壤物理、化学和生物学指标3个维度提升土壤质量指数，而秸秆耙混还田主要从化学和生物学指标2个维度提升土壤质量指数。主要因为秸秆覆盖下少免耕有效改善土壤结构和持水能力，增加有机碳和养分供应，促进酶和微生物活性提高，其中免耕固碳和培肥效果优于深松。秸秆耙混还田虽然破碎团聚体，影响土壤结构稳定性，但显著提高深层土壤养分供应和生物学活性，其对0~40 cm土层土壤质量的提升效果优于秸秆覆盖免耕和深松。

3.2　不同耕作方式对黑土农田玉米产量的影响

在本试验田前4年的定位研究中，秸秆覆盖免耕由于播种至苗期耕层土壤平均温度降低2.6~3.1℃，玉米出苗延迟5~7 d，出苗率降低4.3%，导致植株干物质积累减少，减产7.5%~15.6%，而秸秆覆盖深松和秸秆耙混还田均缓解土壤温度降幅，缩短生育期进程延迟天数，6叶之后干物质积累降低幅度逐渐缩小，产量与传统耕作差异不显著^［14-15］。在定位的第7~8年，秸秆覆盖免耕改善有效穗数和百粒重，显著提高穗粒数，其产量与传统耕作差异不显著。降雨量是影响土壤温度和水分的重要环境因子^［31］，在多雨年份，秸秆覆盖深松和秸秆耙混还田能消减涝害，降低穗位高，增加茎粗，提升茎秆的压折强度和抗倒伏能力，改善百粒重和增产，其产量年际间稳定性优于免耕和传统耕作。该结果与Liu等^［32］关于留高茬深松较免耕增产研究结果相同，抗倒伏能力增强是因为深松后提高茎秆纤维素、半纤维素和木质素含量，茎秆结构性物质组成增加，提高茎秆刺穿强度和压折强度^［33］。增产主要因为秸秆还田和深耕通过改善玉米各阶段的灌浆速率参数，促进籽粒粗脂肪含量的提高，显著提高了粒重^［34］。此外，秸秆覆盖免耕、深松和秸秆耙混还田植株干物质分配时均增加秸秆占比，可能是秸秆还田减少土壤水分蒸发，增加土壤储水量，促进玉米光合作用和干物质积累，降低吐丝后干物质转运量，增加了秸秆比例^［35］。

植株指标与土壤质量相关性分析发现，优化表层养分含量、耕层结构与持水特性及深层生物学特性能改善茎秆抗倒伏能力。因为秸秆覆盖还田免耕、深松和秸秆耙混还田能够调节黑土结构，增加土壤水肥“蓄保供”能力，提高土壤微生物和酶活性，促进玉米根系活力，优化根系构型，加强根土结合能力，增加茎粗，提高茎秆的抗弯曲力和茎节横折强度，增强玉米抗倒伏能力^［36］。此外，产量和百粒重与深层土壤物理和化学指标质量指数呈正相关，与表层生物学指标质量指数呈负相关。主要因为长期深耕较传统耕作和免耕能打破犁底层，增加深层土壤孔隙分形维数、大孔隙度和总孔隙面积，提升深层土壤持水能力，促进深层土壤全量养分积累和速效养分供应，驱动产量变异的64%^［37］。长期秸秆覆盖免耕显著提高表层微生物活性，随着微生物氮素需求增加，会短期内与作物竞争土壤氮素，影响作物前期生长，免耕养分聚集在表层土壤，在多雨年份造成氮磷素淋失增加，均影响作物养分吸收和利用^［38］。

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基金资助

国家重点研发计划项目(2022YFD1500104)

吉林省科技发展计划项目(20230302005NC)