黄土保护性耕作对农田土壤结构、水分及玉米产量的影响

Effects of Conservation Tillage in Loess Soil on Farmland Soil Structure， Water Content， and Maize Yield

摘要

目的 通过6 a田间定点定位试验，探究不同保护性耕作处理对土壤结构、水分贮蓄、玉米产量、降水及水分利用效率的影响，揭示不同处理下土壤结构、作物水分利用和产量间的内在关联。 方法 试验共设置传统旋耕（TR）、旋耕+秸秆机械粉碎还田（TRS）、深松+秸秆机械粉碎还田（DLS）和免耕+秸秆机械粉碎留茬覆盖（NTC）4种处理。 结果 与TR相比，DLS和TRS均减小表层至30 cm的土壤体积质量及紧实度，NTC提升表层0~20 cm土层土壤体积质量和紧实度。相比之下，DLS增加深层20~40 cm土层土壤毛管孔隙度，更有利于降水的入渗和保持。3种保护性耕作处理均较传统旋耕提高土壤力稳性和水稳性团聚体的平均重量直径、几何平均直径和>0.25 mm团聚体含量，提高其稳定性，降低团聚体破坏率。与传统旋耕相比，TRS、DLS和NTC处理的0~200 cm休闲期蓄水量分别增加7.7、12.8、12.0 mm，蓄水效率分别提高9.3%、17.5%和17.2%。尽管受不同年份休闲期降雨量的影响，土壤含水量波动变化，3种保护性耕作下播前土壤含水量均得到有效提升，0~20 cm土层表现为NTC>DLS>TRS>TR，20~40 cm土层表现为DLS>TRS>NTC>TR。DLS处理提高深层土壤含水量，更优于其他2种保护性耕作，6 a平均较传统旋耕显著增产9.3%，PUE提高10.2%，WUE提高11.2%，尤其在2019年极度干旱年份增强抗旱韧性，增产增效幅度更大。相关性分析表明，产量与播前土壤含水量及降水利用效率呈显著正相关，而与体积质量、孔隙度及土壤团粒结构无显著相关。休闲期土壤蓄水和>0.25 mm的水稳性团聚体及播前0~20 cm土层土壤含水量呈显著正相关，而播前0~20 cm土层土壤含水量又与土壤团粒稳定性指标MWD、GMD和>0.25 mm水稳性团聚体含量均呈显著正相关，而与团聚体破坏率则呈显著负相关。 结论 保护性耕作能有效改善耕层土壤结构特性，提高休闲期蓄水效率，增加播前土壤含水量，提高玉米产量、降水和水分利用效率，尤其深松+秸秆机械粉碎还田能最大化实现土壤结构优化与作物产量增长的协同效应，是一种最为有效的耕作措施，研究结果可为黄土高原半干旱区推广实施保护性耕作提供理论依据。

Abstract

Objective Through a 6-year fixed-site field experiment， this study investigates the effects of different conservation tillage treatments on soil structure， water storage， maize yield， precipitation， and water use efficiency， thereby revealing the intrinsic relationships between soil structure， crop water use， and yield under different treatments. Methods Four tillage treatments were set up： traditional rotary tillage （TR）， rotary tillage+ mechanically crushed straw incorporation （TRS）， deep loosening+ mechanically crushed straw incorporation （DLS）， and no tillage+ mechanically crushed straw stubble mulching （NTC）. Results Compared with TR， both DLS and TRS reduced soil bulk density and compaction in the 0~30 cm surface layer， while NTC increased soil bulk density and compaction in the 0~20 cm surface layer. DLS increased soil capillary porosity in the 20~40 cm subsoil layer， which was more conducive to rainfall infiltration and retention. Compared to TR， three conservation tillage treatments all improved mean weight diameter （MWD）， geometric mean diameter （GMD）， and the content of >0.25 mm aggregates， thereby enhancing their stability and reducing aggregate breakdown rate. Compared with TR， TRS， DLS， and NTC treatments increased soil water storage in the 0~200 cm layer during the fallow period by 7.7， 12.8， and 12.0 mm， respectively， while improving water storage efficiency by 9.3%， 17.5%， and 17.2%， respectively. Despite fluctuations in soil water content due to varying precipitation during the fallow period in different years， the soil water content before sowing under the three conservation tillage treatments was effectively enhanced. In the 0~20 cm soil layer， the ranking was NTC > DLS > TRS > TR， and in the 20~40 cm soil layer， the ranking was DLS > TRS > NTC > TR. The DLS treatment increased the subsoil-layer water content， outperforming the other two conservation tillage practices. Over six years， it significantly increased average yield by 9.3%， precipitation use efficiency by 10.2%， and water use efficiency by 11.2% compared with TR. Especially in the extremely dry year of 2019， DLS enhanced drought resistance resilience， resulting in greater yield gain and efficiency improvement. Correlation analysis showed that maize yield was significantly positively correlated with soil water content before sowing and precipitation use efficiency， but not significantly correlated with bulk density， porosity， or soil aggregate structure. Soil water storage during the fallow period and the content of >0.25 mm water-stable aggregates were significantly positively correlated with soil water content before sowing in the 0~20 cm soil layer. Furthermore， soil water content before sowing in the 0~20 cm layer showed significant positive correlations with the soil aggregate stability indicators， including MWD， GMD， and the content of >0.25 mm， water-stable aggregates while showing a significant negative correlation with the aggregate breakdown rate. Conclusion Conservation tillage can effectively improve the structural properties of topsoil， enhance water storage efficiency during the fallow period， and increase soil water content before sowing， thereby improving maize yield， precipitation use efficiency， and water use efficiency. In particular， DLS can maximize the synergistic effects of soil structure optimization and crop yield increase， proving to be the most effective tillage practice. These findings provide a theoretical basis for promoting and implementing conservation tillage in the semi-arid regions of the Loess Plateau.

Graphical abstract

关键词

保护性耕作 / 玉米 / 土壤结构 / 产量 / 水分利用

Key words

conservation tillage / maize / soil structure / yield / water use

山西地处黄土高原东部，全省总耕地面积40 586 km²，其中中产田占比为27.54%；低产田占比为47.10%，旱地面积占全省总耕地面积的79.4%^［1］，土壤瘠薄和水资源匮乏是制约黄土高原山西农业可持续发展的两大因素。然而，山西传统的一年一熟春玉米耕作制度中常盛行传统的旋耕耕作方式，致使土壤耕层变浅、结构破坏、通透性变差，土壤保墒蓄水力下降^［2-3］，且休闲期常常地表裸露，加速土壤水分流失，加剧土壤质量及生态环境恶化，严重限制作物产量的形成。因此，改良土壤质量，合理高效地利用黄土地水土资源，最大限度地提升耕地生产力，是黄土高原山西半干旱区农田生态可持续发展亟待解决的难题。

已有研究^［4］表明，合理耕作可改良土壤耕层质量，增加降水入渗，提高土壤水分保蓄率；不合理耕作及频繁扰动土壤致使结构破坏、水土流失，土壤生产力不断下降^［5-6］。近年来，保护性耕作作为一种可持续的土壤耕作方式，通过秸秆还田于土壤并减少扰动为核心，在保水固土、培肥地力、改善土壤孔隙和结构特性等方面发挥着重要作用。团聚体作为土壤结构的核心组成，其数量与质量的优劣直接决定土壤质量及肥力水平，影响土壤的孔隙性、持水性和抗蚀性。已有研究^［7-9］表明，保护性耕作通过降低机械作业扰动，优化表层土壤结构，增强土壤团聚体稳定性，而水稳定团聚体增加也进一步提高土壤的储水能力。还有研究^［10］表明，保护性耕作通过改善土壤孔隙特征及结构特性，为作物生长创造良好的土壤环境。刘萌等^［11］研究表明，秸秆覆盖免耕保护性耕作可降低黄土塬区玉米田耕层土壤体积质量，增加总孔隙度，增强土壤的蓄水保墒能力，但长期免耕会导致土壤体积质量增加，孔隙度降低^［12］。此外，保护性耕作对作物产量的影响也并不总是一致的。VIZIOLI等^［13］研究指出，相较于传统耕作，保护性耕作在土壤特性改善、水资源节约及作物产量提升方面表现出显著优势。但王峻等^［14］研究指出，随着保护性耕作年限的增加，表层土壤体积质量增加，一定程度上抑制了作物出苗及生长发育，最终导致产量降低。可见，尽管前人对保护性耕作做了大量的探索研究，但由于受土壤、气候、环境及对土壤扰动程度的不同，不同区域保护性耕作的影响也存在差异。

因此，本研究通过连续6 a的田间耕作定点定位试验，对比分析不同保护性耕作对土壤结构、产量与水分的综合影响，研究3种保护性耕作如何影响土壤结构和水分运移，揭示不同耕作下土壤结构-水分利用-作物产量间的相互关系，以期为黄土高原半干旱区耕层土壤特性优化与作物高效增产提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究自2016年10月至2022年9月，在山西农业大学榆次东阳试验示范基地（37°55′08″N，112°67′44″E）内实施。研究区域海拔791 m，属于典型的温带大陆性季风气候，年平均气温为9.7 ℃，年平均降水量440 mm，年平均日照时间2 639 h，>10 ℃有效积温约3 700 ℃，全年无霜期158 d。试验区土壤母质为黄土，供试的玉米品种为中晚熟品种“大丰30”。试验期间降水量见图1，年际间差异较大，年内季节分布不均匀。2016年10月至2022年9月试验期间玉米休闲期降水量分别为105.6、174.4、83.7、90.0、118.4、108.6 mm，玉米生育期降水量分别为339.8、309.3、209.8、392.0、420.2、358.5 mm。

1.2 试验设计

试验开始于2016年10月，持续进行6 a，采用单因素随机区组设计，设置4种耕作处理：1）传统旋耕（TR）；2）旋耕+秸秆机械粉碎还田（TRS）；3）深松+秸秆机械粉碎还田（DLS）；4）免耕+秸秆机械粉碎留茬覆盖（NTC）。所有耕作处理均在秋季玉米收获后进行，田间秸秆粉碎或覆盖还田，采用传统旋耕作为对照，各处理设置3次重复，各小区面积为30 m×5 m=150 m²。播种前基施N为225 kg/hm²，P₂O₅为105 kg/hm²，K₂O 为45 kg/hm²，所施肥料在翌年播种时随免耕施肥精量播种机一次性混合施入，喷施除草剂。试验设定等行距60 cm种植，株距为26.7 cm。生育期间统一按当地大田生产管理，具体耕作设计见表1。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤体积质量及孔隙度

土样采集于2022年秋季玉米收获后进行。采用环刀（容积100 cm³）分土层取0~5、5~10、10~20、20~30 cm的土样用于测定土壤体积质量、总孔隙度和毛管孔隙度。计算公式为：

\mathrm{D}\mathrm{V}=\left(W_{\mathrm{1}}-W_{\mathrm{2}}\right)/V（1）

式中：DV为土壤体积质量，g/cm³；W₁为环刀+烘干土样重，g；W₂为环刀重，g； V 为环刀容积，100 cm³。

\mathrm{S}\mathrm{C}\mathrm{P}=\left(W_{\mathrm{3}}-W_{\mathrm{1}}\right)/\left(W_{\mathrm{1}}-W_{\mathrm{2}}\right)\times \mathrm{100}\mathrm{\%}\times \mathrm{D}\mathrm{V}（2）

式中：SCP为土壤毛管孔隙度，%；W₃为环刀+饱和湿土重，g。

\mathrm{S}\mathrm{T}\mathrm{P}=\left(\mathrm{1}-\mathrm{D}\mathrm{V}/\rho \right)\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（3）

式中：STP为土壤总孔隙度，%；ρ为土壤比重（取2.65 g/cm³）。

1.3.2 土壤紧实度

采用便携式紧实度仪在田间布置多个测点，匀速推入土壤，仪器自动记录深度变化时的读数，每2.5 cm进行计数1次，采集测定深度至45 cm，重复操作10次后取平均值。

1.3.3 土壤团聚体

2022年秋季玉米收获后，按“S”形5点取土法分层（0~5、5~10、10~20、20~30 cm）采集混合原状土样装入盒中，避免挤压，保持土壤原有的结构。自然风干后去除杂质，将大土块按自然裂痕剥离为1 cm³左右备用。土壤机械稳定性团聚体粒级分布采用干筛法，水稳性团聚体粒级分布采用湿筛法。

干筛法：取200 g风干土样置于套筛顶部（孔径依次为5、2、1、0.5、0.25 mm），底部安放底盒，以收取<0.25 mm的土壤团聚体，套筛顶部有筛盖。采用振荡式机械筛分仪，以30次/min上下振荡5 min，分别得到>5、2~5、1~2、0.5~1、0.25~0.5、<0.25 mm的土团，收集测定各级孔径筛子上土样重量（W_di ），并计算各级别团聚体百分含量。

湿筛法：根据土壤不同孔径大小，从原土中采集混合样品100 g置于恒温式团粒分析仪的套筛顶部，该套筛由大到小配置孔径尺寸为5、2、1、0.5、0.25 mm，随后调整桶内水面至最佳水平位置，确保上层筛网的筛分效果。当团聚体完全浸泡10 min时，启动仪器以 30次/min的频率上下筛5 min后，将每层筛网上的团聚体逐一洗入预先编号的铝盒内，烘干并称重，计为W_wi，计算各占总土样的重量百分比。W_pi 为i粒级团聚体重量所占的比例，干筛和湿筛分别按公式（4）和公式（5）计算。

W_{\mathrm{p}i}=\frac{w_{\mathrm{d}i}}{\mathrm{200}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（4）

或 W_{\mathrm{p}i}=\frac{w_{\mathrm{w}i}}{\mathrm{100}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（5）

利用各粒级团聚体数据，分别计算>0.25 mm团聚体含量R_0.25、平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GWD）。

R_{\mathrm{0.25}}=\frac{M_{\mathrm{r}>\mathrm{0.25}}}{M_{\mathrm{T}}}（6）

\mathrm{M}\mathrm{W}\mathrm{D}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}\left(W_i{X}_i\right)}{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{W}_i}（7）

\mathrm{G}\mathrm{M}\mathrm{D}=\mathrm{E}\mathrm{X}\mathrm{P}\left[\frac{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{W}_i\mathrm{l}\mathrm{n}{X}_i}{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{W}_i}\right]（8）

式中：M_r>0.25为粒径>0.25 mm团聚体的重量之和，g；M_T为土壤各粒径团聚体总重量，g；X_i 为各层团聚体的平均直径，mm；W_i 为对应X_i 的团聚体占比，%。

\mathrm{P}\mathrm{A}\mathrm{D}=\left(W_{\mathrm{d}}-W_{\mathrm{w}}\right)/W_{\mathrm{d}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（9）

式中：PAD为团聚体破坏率，%；W_d为干筛后粒径>0.25 mm团聚体所占比例，%；W_w为湿筛后粒径>0.25 mm团聚体所占比例，%。

1.3.4 休闲期蓄水效率

\mathrm{F}\mathrm{P}\mathrm{W}\mathrm{E}=\mathrm{\Delta }\mathrm{S}\mathrm{W}\mathrm{S}/P\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（10）

式中：FPWE 为休闲期蓄水效率，%；∆SWS为休闲期前后0~200 cm土层贮水量的变化，mm；P为休闲期降水量，mm。

1.3.5 土壤含水量

每年玉米播前、收获后用土钻采集耕层0~20、20~40 cm土层的土壤，放于铝盒称重，随后将其置于105 ℃恒温干燥箱中烘烤8 h，待冷却至室温后称重，并计算各土层的土壤含水量，%。

1.3.6 产量、降水利用效率及水分利用效率

玉米成熟后统计各小区实收的穗数，并称量鲜穗重，根据大小穗比例及平均鲜穗重取10穗用于考种，并测其籽粒含水量，依据14%的籽粒含水量折算产量。

\mathrm{P}\mathrm{U}\mathrm{E}=Y/P_{\mathrm{g}}（11）

式中：PUE为降水利用效率，kg/（hm²·mm）；Y为产量，kg/hm²；P_g为生育期降水量，mm。

\mathrm{W}\mathrm{U}\mathrm{E}=Y/\mathrm{E}\mathrm{T}（12）

式中：WUE为水分利用效率，kg/（hm²·mm）；Y为产量，kg/hm²；ET为生育期耗水量，mm。其中，ET为播前土壤贮水量-收获后土壤贮水量+P_g。

1.4 数据分析

采用WPS Office 2023软件进行数据处理，DPS 19.05软件进行方差分析和多重比较，Origin 2021软件绘图并做相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同保护性耕作下耕层土壤体积质量及孔隙度的变化

不同处理对耕层0~30 cm土层的土壤体积质量的影响见图2a。与TR相比，DLS和TRS处理均降低0~30 cm土层土壤体积质量，而NTC处理增加≤20 cm土层土壤体积质量。0~5、5~10、10~20 cm土层土壤体积质量的大小顺序为NTC>TR>TRS DLS，>20~30 cm土层土壤体积质量的大小顺序为TR>NTC>TRS>DLS。0~5 cm土层，与TR处理比较，TRS、DLS处理的体积质量分别下降4.10%和4.66%，但与TR处理差异不显著，NTC的体积质量显著增加6.89%。5~10 cm土层，与TR处理比较，TRS处理后的体积质量降低1.89%，二者差异未达显著水平，DLS处理的体积质量显著降低7.27%，NTC的体积质量则显著上升18.22%。10~20 cm土层中，TR、TRS和NTC 3种处理对体积质量的影响不显著，DLS处理相较TR、TRS与NTC处理体积质量分别显著减小11.48%、11.12%、16.05%。20~30 cm土层，与TR相比较，DLS、TRS与NTC的体积质量均出现下降趋势，降幅分别为12.51%、10.31%、9.67%。因此，TRS较TR能有效减少土壤体积质量，其中DLS处理的体积质量最小，NTC处理在表层0~20 cm体积质量增大，而且随土层深度的增加，各处理体积质量均呈逐渐增加趋势。

不同处理对耕层0~30 cm土壤总孔隙度和土壤毛管孔隙度的影响见图2b和图2c。与TR相比，DLS处理0~30 cm各土层均使土壤总孔隙度降低，但毛管孔隙度却提升。0~5 cm土层内，与TR、TRS和NTC处理相比，DLS的土壤总孔隙度分别降低11.57%、14.43%、6.29%，其中TR与TRS处理间无显著差异。5~10 cm的土层，与TR和TRS的处理相比，DLS的总孔隙度分别下降10.78%、12.36%，TR与TRS处理间无显著差异，而NTC处理土壤总孔隙度则显著提升7.99%。10~20 cm土层中，与TR、TRS和NTC处理相比，DLS的土壤总孔隙度减少0.86%~7.70%，各处理间没有显著差异。20~30 cm土层中，与TR、TRS和NTC处理相比，DLS处理的总孔隙度分别降低7.76%、21.23%、20.51%。在0~30 cm土层，TRS处理的总孔隙度最大，可见秸秆还田后较其不还田处理增加土壤的总孔隙度。0~5 cm土层中，相较于TR、TRS及NTC处理，DLS的毛管孔隙度分别提升7.03%、3.97%、13.59%，然而与TRS处理之间没有显著差异。5~10 cm土层中，DLS处理的毛管孔隙度较TR、TRS和NTC处理也分别提升3.96%、13.11%、13.87%，然而各处理间无显著差异。10~20 cm土层DLS处理的毛管孔隙度相比TR、TRS和NTC处理分别提升4.39%、0.20%、8.84%，但与TRS处理间无显著差异。20~30 cm土层中，DLS和NTC处理的毛管孔隙度分别比TR处理提升11.62%、12.67%，相较于TRS处理也分别提升6.78%、7.78%，然而DLS和NTC处理间无显著差异。

2.2 不同保护性耕作下土壤紧实度的动态响应

各耕作处理对0~45 cm土层的土壤紧实度的响应见图3。由图3可知，在土层深度<22.5 cm时，NTC的紧实度较其他耕作处理显著增加；而土层深度大于25.0 cm时，TR处理均较其他处理显著增加了土壤的紧实度，TR处理下土壤紧实度在32.5 cm处达到最大，且最大值为1.313 6 kPa。与TR处理相比，DLS处理0~45 cm各土层中土壤紧实度降低，降幅为8.21%~73.89%。与不还田TR处理相比，TRS处理的土壤紧实度降低2.22%~24.80%，在25~45 cm土层处表现尤为明显。

2.3 不同保护性耕作下不同粒级团聚体的分布特征

不同处理在0~5、5~10、10~20、20~30 cm土层中干筛与湿筛处理后各粒级团聚体的分布情况见图4。其中，不同土层力稳性团聚体（干筛法）均在>5、2~5、1~2 mm粒径团粒含量所占比例较大，为10.8%~54.9%，<0.25 mm粒径团粒含量所占比例较低；而不同土层水稳性团聚体（湿筛法）各粒径团粒含量所占比例与力稳性团聚体趋势正好相反，<0.25 mm粒径团粒含量所占比例较高（59.7%~76.9%），其次为0.25~0.5 mm粒径。在0~5、5~10、10~20 cm土层，各处理间差异显著，20~30 cm土层差异不显著。

0~5 cm土层，与TR相比，TRS、DLS和NTC处理2~5 mm粒径的力稳性团聚体含量分别显著提高11.53%、68.90%、38.10% （p<0.05），1~2 mm粒径的力稳性团聚体含量分别显著提高4.51%、20.71%、43.70% （p<0.05）；5~10 cm土层，与TR相比，TRS、DLS和NTC处理2~5 mm粒径的力稳性团聚体含量分别显著提高16.12%、21.49%、11.47% （p<0.05），但三者差异不显著；10~20 cm土层，与TR相比，TRS和NTC处理>5 mm粒径的力稳性团聚体含量分别显著提高16.98%、40.26% （p<0.05），与DLS差异不显著。

0~5 cm土层，与TR相比，DLS和NTC处理均显著提高1~2、0.5~1、0.25~0.5 mm不同粒径的水稳性团聚体；在5~10 cm土层，与TR相比，TRS、DLS和NTC处理虽分别显著提高2~5，1~2 mm粒径下水稳性团聚体的含量，但三者的差异并不显著，DLS较其他处理显著提高0.5~1 mm粒径的水稳性团聚体含量59.92%~119.41%；10~20 cm土层，与TR相比，NTC处理显著提高>5、2~5、0.25~0.5 mm水稳性团聚体含量，分别提高31.42%~54.02% （p<0.05）。与TR相比，DLS和NTC处理在0~5、5~10 cm土层均显著降低<0.25 mm的粒级水稳性团聚体的含量，大团聚体比例明显提升，而20~30 cm土层各处理间差异并不显著。

在3种保护性耕作处理下，土壤的力稳性及水稳性团聚体的平均重量直径、几何平均直径和>0.25 mm团聚体含量均受到显著影响。由表2可知，经过6 a耕作处理后，0~5 cm土层，DLS处理的MWD_D、GMD_D和R_0.25D较对照TR处理分别显著提高14.29%、30.22%、4.31% （p<0.05）；在5~10 cm土层，3种保护性耕作均比对照TR显著提高土壤MWD_D、GMD_D和R_0.25D含量，与TR处理相比，TRS、DLS和NTC处理的MWD_D分别提高12.78%、20.30%、22.56%，GMD_D分别提高23.60%、37.64%、37.08%，R_0.25D分别提高2.90%、4.60%、2.79%；10~20 cm土层，与TR处理相比，TRS、DLS和NTC处理的土壤MWD_D分别提高8.77%、9.09%、20.45%，GMD_D分别提高12.83%、15.04%、33.19%，R_0.25D分别提高0.11%、1.60%、1.27%；20~30 cm土层，与TR处理相比，TRS、DLS和NTC处理的土壤MWD_D分别提高6.31%、2.21%、9.78%，GMD_D分别提高8.40%、3.36%、15.97%，R_0.25D分别提高0.34%、0.94%、0.61%。

0~5 cm土层，与TR处理相比，TRS、DLS和NTC处理的MWD_W分别提高40.00%、45.71%、85.71%，R_0.25W分别提高39.17%、101.21%、143.27%，DLS和NTC处理的GMD_W分别提高6.06%、21.21%；5~10 cm土层，与TR处理比较，TRS、DLS和NTC的MWD_W分别提高105.88%、114.71%、167.65%，GMD_W分别提高21.88%、31.25%、40.63%，R_0.25W分别提高55.12%、86.72%、89.22%；10~20 cm土层，与TR处理相比，TRS、DLS和NTC的MWD_W分别提高21.05%、10.53%、59.65%，R_0.25W分别提高22.36%、16.48%、46.29%。TRS、NTC处理的GMD_W分别提高5.41%、21.62%；20~30 cm土层，与TR处理相比，NTC处理的MWD_W、GMD_W分别提高15.87%、8.11%，TRS、DLS和NTC处理的R_0.25W分别提高11.98%、12.09%、19.05%。

在0~5 cm土层，与TR处理相比，保护性耕作TRS、DLS和NTC处理的PAD呈现下降趋势，分别减少9.01%、21.16%、31.17%；在5~10 cm土层，与TR处理相比，3种保护性耕作TRS、DLS和NTC处理的PAD分别显著降低10.65%、20.20%、21.66%；在10~20 cm土层，相比于TR处理，TRS、DLS及NTC处理分别使PAD降低9.81%、5.39%、16.33%；而在20~30 cm土层，与TR处理比较，TRS处理的PAD下降幅度达6.93%，但和DLS、NTC处理相比没有显著差异。

2.4 不同保护性耕作下冬春休闲期土壤蓄水及蓄水效率

由表3可知，2016—2017年（休闲1 a）3种保护性耕作较TR处理均不同程度地提高休闲期0~200 cm蓄水量及蓄水效率。与TR相比，TRS、DLS和NTC处理的休闲期蓄水量分别增加10.0、0.9、16.3 mm，蓄水效率相应地提高23.0%、2.1%、37.5%，除NTC处理外，其他处理差异不显著；2017—2018年，与TR相比，DLS和NTC处理的休闲期蓄水量分别显著下降10.8、13.6 mm，蓄水效率显著降低9.6%、12.1%，但与TRS处理差异不显著；2018—2019年，与TR相比，DLS和NTC处理均增加休闲期蓄水量，蓄水效率分别提高6.3%、13.9%，与TRS处理差异不显著；2019—2020年，与TR相比，DLS、NTC分别使休闲期蓄水量显著增长34.4、36.1 mm，对应的蓄水效率分别提升98.3%、103.1%，而TRS处理的休闲期蓄水量增长幅度仅为7.2 mm，蓄水效率则提升20.6%，但其和TR处理无显著差异；2020—2021年，与TR相比，TRS、DLS和NTC各处理的休闲期蓄水量分别显著提升7.7、27.5、7.8 mm，蓄水效率也相应地提升7.0%、25.1%、7.1%，TRS和NTC处理间没有显著差异；2021—2022年，与TR相比，TRS、DLS和NTC处理的休闲期蓄水量也分别显著增加24.3、18.2、11.5 mm，蓄水效率分别显著提高20.3%、15.2%、9.6%。综合6 a的平均试验结果显示，3种保护性耕作均提高休闲期0~200 cm的蓄水量和蓄水效率，DLS、NTC处理下的休闲期蓄水量相比TR处理分别提升12.8、12.0 mm，蓄水效率也显著提升17.5%、17.2%，而TRS处理下休闲期蓄水量增长7.7 mm，蓄水效率相应提升9.3%，然而和TR处理差异并不显著。

2.5 不同保护性耕作下播前耕层土壤含水量的变化

由图5可知，受不同年份休闲期降雨的影响，不同耕作处理对播前0~20、20~40 cm土壤含水量影响较大，且随土层深度的增加，土壤含水量呈增加的趋势。0~20 cm土层，与TR处理相比，除2019年外，不同年份DLS处理下土壤水分含量提升3.3%~37.9%，NTC增加4.0%~45.1%。在20~40 cm土层，除了2017年外，不同试验年份DLS处理下土壤水分含量和TR处理相比较提升3.7%~18.5%，而在干旱年（2019年和2020年），TRS和NTC处理使土壤含水量较TR均出现不同程度的下降，但其余年份则表现出显著的水分增加趋势，TRS的土壤含水量增加1.3%~18.8%，NTC处理后土壤含水量提升2.4%~12.8%。0~20 cm土层，不同处理土壤含水量表现为NTC>DLS>TRS>TR，而20~40 cm土层，不同处理土壤含水量表现为DLS>TRS>NTC>TR，由6 a平均值可知，与TR处理相比，3种保护性耕作TRS、DLS和NTC处理显著提升土壤水分含量，其中0~20 cm土层的含水量分别增加7.1%、10.6%、16.0%，而20~40 cm层则分别提高4.5%、7.1%、2.4%。

2.6 不同保护性耕作下玉米产量、PUE及WUE的变化

试验从2016年秋季收获后开始耕作，分析2017—2022年的产量、PUE及WUE。由表4可知，不同处理间产量差异显著，不同年份间产量差异也显著，且不同处理和年份间交互作用也显著（p<0.05）。2017年，NTC处理的产量显著高于其他3种处理，较对照TR处理显著提高21.0%；2018年，与TR相比，DLS、NTC处理的产量分别提高14.3%、12.3%，但与TRS处理之间差异不显著；2019年，DLS处理产量优于其他处理，较对照TR显著提高18.7%，NTC处理下产量较低，较TR下降15.2%；2020年，与TR相比，TRS和DLS处理产量分别提高12.9%、5.2%，NTC产量下降幅度为0.8%，各处理间差异未达到显著水平；而2021年，和TR相比，TRS和DLS处理产量分别提高2.2%，4.9%，NTC处理产量下降8.2%，各处理间产量差异均不显著；2022年，与TR相比，TRS和DLS处理产量分别提高10.7%、12.1%，而NTC处理产量下降8.7%，显著低于其他3种处理。由6 a平均值可知，3种保护性耕作均较TR处理提高产量，DLS处理较对照TR显著提高9.3%，TRS、NTC处理下产量与TR处理无显著差异。

同产量表现一致，不同处理之间PUE差异显著，不同年份间PUE差异也显著，且不同处理和年份间交互作用也显著（p<0.05）。2017年，NTC较其他处理的PUE显著提高21.0%；2018年，与TR相比，DLS和NTC处理的PUE分别显著提高14.3%，12.3%；2019年，DLS较TR处理PUE显著提高18.7%，TR、TRS之间差异不显著，NTC处理的PUE较TR显著下降15.2%；2020年和2021年，与TR相比，TRS和DLS处理下PUE均增加，而NTC呈明显下降趋势，4种处理间PUE差异均不显著；2022年，TRS和DLS处理较对照TR处理PUE分别提高1.1%、12.1%，而NTC较TR处理PUE下降8.7%。由6 a平均值可知，3种保护性耕作均较TR处理提高PUE，DLS处理较对照TR显著提高10.2%，TRS和NTC处理与TR之间差异不显著。

不同处理之间WUE差异显著，不同年份之间WUE差异显著，且不同处理和年份间交互作用也显著（p<0.05）。2017年，NTC处理的WUE较TR显著提高24.9%；2018年，与TR处理相比，TRS、DLS和NTC处理的WUE分别提高0.7%、8.5%、3.5%，但4种处理之间无显著差异；2019年，TRS、DLS较TR处理分别提高7.4%、23.5%，但NTC处理的WUE下降21.8%；2020年和2021年，4种处理间WUE差异均不显著；2022年，TRS、DLS处理较对照TR处理WUE显著提高15.2%、16.6%，而NTC较TR处理WUE显著下降13.4%。由6 a平均值可知，DLS处理较其他3种耕作处理WUE显著提升4.0%~13.0%。

2.7 玉米产量、水分利用及土壤结构特性的相关分析

由表5可知，产量与播前0~20、20~40 cm土壤含水量及PUE均呈极显著正相关（p<0.01），而与体积质量、孔隙度及土壤团粒特性无显著相关。土壤体积质量与WUE呈显著负相关（p<0.05），土壤体积质量增加，WUE呈逐渐下降的趋势。毛管孔隙度与PUE则呈显著正相关（p<0.05），毛管孔隙度增大，PUE显著提高。休闲期土壤蓄水量与播前0~20 cm土壤含水量及R_0.25W均呈显著正相关，而与团聚体破坏率PAD则呈显著负相关（p<0.05）。而播前0~20 cm土壤含水量又与土壤团粒稳定性指标MWD_W、GMD_W均呈显著正相关（p<0.05），与R_0.25W呈极显著正相关（p<0.01），而与PAD则呈极显著负相关（p<0.01），且不同团粒稳定性指标之间也存在显著的相关性，MWD_W与GMD_W、R_0.25W均呈显著正相关，与PAD呈显著负相关（p<0.05），R_0.25W与PAD之间也呈显著负相关（p<0.05）。

3 讨 论

3.1 不同保护性耕作对农田土壤结构特性的影响

土壤结构是评价土壤质量的重要指标，保护性耕作减少对土壤的扰动，再加上地表秸秆的覆盖，可以有效改善土壤结构^［15］。土壤体积质量与紧实度是用来衡量土壤的松紧程度，也是土壤结构的核心参数，土壤孔隙的分布与数量直接决定土壤的通透性、持水性、保水性及土壤根系的空间延展性，对作物增产和土壤环境调控起着重要的作用^［10］。王玥凯等^［16］研究表明，长期实行保护性耕作能够有效减小土壤体积质量，降低紧实度。本研究表明，免耕+秸秆机械粉碎留茬覆盖由于减少土壤扰动，增加表层0~20 cm体积质量及紧实度，尤其在5~10 cm处最大，22.5 cm土层下较传统旋耕处理紧实度呈下降趋势。旋耕+秸秆机械粉碎还田与传统旋耕相比，土壤体积质量显著下降4.10%~11.48%，紧实度下降2.22%~24.80%，10~20 cm体积质量下降较大。而深松+秸秆机械粉碎还田显著降低土壤深层的体积质量及紧实度，较传统旋耕处理0~30 cm体积质量降低4.66%~12.51%，20~30 cm的体积质量下降较大，与王春雷等^［17］研究结果一致。李永贤等^［18］研究也表明，深松显著降低表层体积质量，改善土壤紧实度，有利于提高土壤总孔隙度，然而本研究发现，深松+秸秆机械粉碎还田下土壤总孔隙度较传统旋耕降低而土壤毛管孔隙度增加，可能是由于一方面深松虽能打破犁底层，但若耕作时机械压力过大或土壤含水量较高，可能导致部分大孔隙被压缩，从而降低总孔隙度；另一方面，粉碎的秸秆短期内可能填充土壤大孔隙，导致总孔隙度暂时下降，但随着秸秆分解，这一效应会逐渐减弱，且深松+秸秆机械粉碎还田使土壤的毛管孔隙度增大，有效促进深层水分入渗及储留。

土壤团聚体的稳定性潜在影响土壤的通气、透水性及抗侵蚀能力，是评价结构稳定性的重要指标。SONG等^［19］的研究显示，土壤扰动强度是影响团聚体形成的关键因素，免耕与秸秆还田等保护性耕作可显著增加土壤中水稳性大团聚体的数量；吴林甲等^［20］也进一步指出，深松作业能够有效提升土壤中大团聚体的占比，并增强其稳定性。本研究指出，3种保护性耕作处理均提升不同土层的力稳和水稳性的大团聚体含量，并不同程度地提高土壤力稳与水稳性团聚体平均重量直径和几何平均直径，显著降低土壤团聚体的破坏程度。本研究显示，相较于传统旋耕，0~30 cm土层NTC、DLS及TRS处理的团聚体破坏率平均分别减少18.44%、12.81%、9.10%，充分证明免耕+秸秆机械粉碎留茬覆盖对土壤扰动较小，团聚体破坏率最小，其次为深松+秸秆机械粉碎还田。频繁旋耕会破坏土壤结构，对土壤扰动程度大，减弱了土壤团聚体的聚合度，降低团聚体的稳定性，本研究中3种保护性耕作均改善土壤团聚体稳定性，一方面可能因为外源秸秆有机物料的添加，促使土壤微生物活动加强，微生物分泌物如多糖、菌丝等可通过提升土壤中大团聚体及微团聚体的形成，从而增强团聚体结构的稳定性。

3.2 不同保护性耕作对农田降水及水分利用的影响

耕作可通过改变土壤结构，进而影响农田土壤水分的迁移、分布及有效利用^［21］。采用免耕与深松等保护性耕作技术能够高效利用自然降雨，提高土壤水分利用效率^［22-23］。本研究表明，与传统耕作相比，深松+秸秆机械粉碎还田和免耕+秸秆机械粉碎留茬覆盖处理的休闲期蓄水量分别增加12.8、12.0 mm，蓄水效率分别显著提高17.5%、17.2%，且深松+秸秆机械粉碎还田处理降雨利用效率增加9.3%，水分利用效率也提高11.2%，与ZHANG等^［22］研究结果一致。PAGE等^［24］研究显示，实施保护性耕作通过改善土壤结构稳定性，有效提升有机质含量，并进一步增加土壤水分的蓄存能力。本研究中3种保护性耕作均较传统旋耕提高播前土壤含水量，0~20 cm土层，不同处理土壤含水量表现为NTC>DLS>TRS>TR，而20~40 cm土层，不同处理土壤含水量表现为DLS>TRS>NTC>TR，尤其在休闲期降雨较少的2019年（83.7 mm）和2020年（90.0 mm）深松+秸秆机械粉碎还田提高20~40 cm土壤含水量，而免耕+秸秆机械粉碎留茬覆盖和旋耕+秸秆机械粉碎还田均降低土壤含水量。这可能源于不同保护性耕作对耕层土壤结构的改变而影响土壤水分的运移，免耕+秸秆机械粉碎留茬覆盖更有利于表层土壤水分蓄积，但由于多年免耕使得在土壤表层形成特定的结构，尽管免耕下土壤团聚体稳定，但体积质量较大、紧实度增加，水分入渗可能受阻，导致土壤水分滞留在表层或蒸发，尤其在干旱年份田间土壤水分主要依赖之前的储存和可能的少量降水，深层（20~40 cm）可能因为水分无法下渗而致使土壤含水量下降。旋耕+秸秆机械粉碎还田虽翻动土壤，但深度较浅，可能形成细碎的土壤结构，虽较传统旋耕增加表层土壤孔隙度，但同样由于耕作层较浅，水分在表层蒸发较快，且耕作后的土壤结构在干旱条件下形成硬壳，阻碍水分下渗，因而导致土壤深层含水量减少。而深松+秸秆机械粉碎还田改善深层土壤的结构，增加土壤深层毛管孔隙度，促进水分的入渗和保持，因而提高深层土壤含水量，形成“深层蓄水库”，抵御干旱胁迫。本研究显示，土壤的毛管孔隙度和PUE存在显著正相关，主要归因于随着毛管孔隙度增加，土壤的水分保持及蓄积能力也随之增强，减少降雨后的雨水深层渗漏损失，大幅提高降雨利用效率；另一方面，也可增强干旱时的水分持续供应能力。本研究也显示，土壤体积质量与WUE呈显著负相关，免耕+秸秆机械粉碎留茬覆盖下体积质量增加导致WUE下降，可能是由于本研究区域土壤类型为壤土，体积质量增加会导致孔隙度减小，从而影响水分渗透能力。玉米吸收水分的有效范围缩小，从而导致WUE下降。

3.3 不同保护性耕作对玉米产量变化的响应

耕作通过影响土壤结构及水分保蓄和利用，进而影响玉米产量。SUN等^［25］研究发现，保护性耕作能改善土壤质量，提高土壤的有效储水能力，有利于作物生长及产量提高，而传统耕作使田间地表裸露，导致土壤失墒率上升，影响田间土壤的水分保蓄，相较于传统耕作方式，采用深松技术能有效提升作物产量14.4%。本研究表明，由6 a平均产量可知，3种保护性耕作均较对照提高产量，且深松+秸秆机械粉碎还田处理的产量显著提高9.3%，优于其他2种保护性耕作，尤其在干旱年份（2019年）增产幅度较大，相比传统旋耕，玉米产量显著提升18.7%。在2020年和2021年降雨偏多的年份，采用深松+秸秆机械粉碎还田与旋耕+秸秆机械粉碎还田方式，产量虽有小幅提高，但与传统旋耕之间产量未呈现显著性差异，与YANG等^［26］研究结果相吻合，一致认定尽管保护性耕作较传统的耕作处理休闲期土壤蓄水量较高，但是增加的水分并不总能显著提升玉米的产量。另有学者^［27］指出，实施保护性耕作并不总能提升作物产量，长期免耕下前3 a小麦的产量没有显著变化，但后期产量会逐渐下降。本研究也表明，免耕+秸秆机械粉碎留茬覆盖连续实施前2 a较传统旋耕玉米产量显著增长，增幅为12.3%~21.0%，然而从第3 a开始产量较其他耕作处理呈下降趋势，可能是由于连续免耕3 a使得土壤体积质量增大，紧实度增加，阻碍降雨入渗，更严重影响了玉米根系吸收水分和养分，最终使作物减产，这种现象在干旱年的时候表现严重，使产量降低15.2%，降幅较大。

4 结 论

3种保护性耕作处理较传统旋耕能优化土壤结构，提升大团聚体的含量并增强其结构稳定性。尽管由于降水的年际差异，年际间土壤含水量波动变化，但均不同程度地提高了休闲期0~200 cm土壤蓄水量和播前0~40 cm土壤含水量。尽管土壤的体积质量、孔隙度及团粒特性和产量间没有显著相关性，然而却通过显著影响休闲期蓄水或播前土壤含水量间接影响着产量。深松+秸秆机械粉碎还田处理能有效减小体积质量及紧实度，增加土壤毛管孔隙度，促进深层水分的入渗和保持，尤其在休闲期降雨较少的年份，增强抗旱韧性，优于其他2种保护性耕作处理，较传统旋耕显著增产9.3%，水资源利用率也显著提升，使降水利用效率增加10.2%，水分利用效率也提高11.2%，尤其在干旱年份增产效果更好，较传统旋耕产量增加18.7%。可见，深松+秸秆机械粉碎还田是黄土高原半干旱地区一种最为有效的耕作方式，研究为黄土高原的旱作农业可持续发展提供了“以结构蓄水”的解决办法，对类似的水资源不足的干旱半干旱区，同样具有重要的参考价值。后续研究需深入探讨不同保护性耕作的综合效益及其在不同环境条件下的适应性。

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山西省基础研究计划项目(202103021224162)

山西省基础研究计划项目(202403021222102)

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