半干旱区耕作模式对砂质土壤结构及玉米生长的影响

Impact of Tillage Practices on Sandy Soil Structure and Maize Growth in Semi-Arid Regions

摘要

目的 为研究不同耕作模式对半干旱区砂质土壤结构与旱作玉米生长的影响，明确不同耕作模式通过改变土壤结构、土壤持水能力和根系生长性状进而影响作物产量。 方法 以陕西定边砂黄土为研究对象，设置翻耕（深度30 cm）、旋耕（深度15 cm）和免耕＋秸秆覆盖3种耕作模式，研究其对土壤物理性质及玉米生长的影响。 结果 1）不同耕作模式显著改变土体穿透阻力垂直构型，翻耕模式土壤穿透阻力通体较小，无明显犁底层，而旋耕与免耕条件下存在明显的亚表层压实；2）0~20 cm土层土壤体积质量表现为翻耕和旋耕<免耕，而20~40 cm为旋耕、免耕>翻耕，40~60 cm则表现为免耕<翻耕；3）土壤持水能力0~20 cm为免耕>旋耕>翻耕，20~40 cm翻耕持水能力最大，而玉米生长季0~40 cm土壤储水量免耕条件下最大；4）翻耕降低耕层穿透阻力，改善土壤通气性，促进玉米根系生长，地上生物量、穗干重分别为旋耕的1.33、2.10倍，免耕的1.94、3.39倍。 结论 翻耕通过优化耕层土壤结构和根系生长环境提高玉米产量，而免耕在深层土壤保水方面有优势，但短期而言存在表层土壤紧实度高的问题。

Abstract

Objective This study aims to investigate the effects of different tillage practices on soil structure and rainfed maize growth in sandy soil in semi-arid regions， and to clarify how different tillage practices affect crop yield by altering soil structure， soil water-holding capacity， and root growth characteristics. Methods Taking sandy loess in Dingbian County， Shaanxi Province as the research object， three tillage practices were set up： ploughing （depth 30 cm）， rotary tillage （depth 15 cm）， and no-tillage + straw mulching， to investigate their effects on soil physical properties and maize growth. Results 1） Different tillage practices significantly changed the vertical profile of soil penetration resistance. The soil penetration resistance under ploughing was generally low， with no obvious plow pan， while pronounced subsurface compaction was observed under both rotary tillage and no-tillage. 2） Soil bulk density in the 0-20 cm soil layer was lower under ploughing and rotary tillage than under no-tillage. In the 20-40 cm layer， rotary tillage and no-tillage had higher bulk density than ploughing. In the 40-60 cm layer， no-tillage showed lower bulk density than ploughing. 3） Soil water-holding capacity in the 0-20 cm layer followed the order： no-tillage > rotary tillage > ploughing. In the 20-40 cm layer， ploughing had the highest water-holding capacity. During the maize growing season， soil water storage in the 0-40 cm layer was highest under no-tillage. 4） Ploughing reduced penetration resistance in the ploughing layer， improved soil aeration， and promoted maize root growth. Aboveground biomass and ear dry weight were 1.33 and 2.10 times greater than those under rotary tillage， and 1.94 and 3.39 times greater than those under no-tillage， respectively. Conclusion Ploughing improves maize yield by optimizing the soil structure of the ploughing layer and root growth environment， while no-tillage has advantages in water conservation in deep soil but suffers from high surface soil compaction in the short term.

Graphical abstract

关键词

耕作模式 / 土壤结构 / 土壤穿透阻力 / 根系构型 / 玉米产量

Key words

tillage practices / soil structure / soil penetration resistance / root architecture / maize yield

黄土高原是我国典型的生态脆弱区，且是中国水土流失最严峻的区域之一^［1］。该区域年平均降水量少，且年内降水分配极不均匀，超过60%集中于6—8月汛期，导致短时强降雨事件频发。有研究^［2］表明，降雨集中且主要以暴雨形式降落是造成水土流失严重的原因之一。传统农业对土地的不合理利用造成土壤翻动次数多，且休闲期地表裸露，导致土壤水蚀和风蚀加剧^［3］。在土壤理化特性方面，该区广泛分布的黄土母质发育土壤表现出质地偏粗、结构性差、团聚体稳定性低等特征^［4］，严重制约土壤的持水与入渗能力。这种气候-土壤系统的互馈机制形成“降水偏少-土壤蓄持能力弱-径流流失加剧”的恶性循环^［1］，不仅限制作物生产力的提升，也对区域粮食安全构成持续威胁。因此，通过改善土壤结构，增强土壤蓄水与保水能力，已成为突破该地区生态恢复与农业可持续发展双重困境的关键途径，具有重要的理论价值与实践意义。

耕作模式作为调控土壤质量与作物生产力的核心农艺措施^［5］，可通过改变土壤物理性质（如土壤体积质量、孔隙分布、穿透阻力等）显著影响作物生长。现有研究^［6］表明，免耕模式因减少机械扰动，能促进土壤团聚体的形成与稳定，提升总孔隙度并优化通气透水性。免耕配合秸秆还田可显著提高0~20 cm耕层土壤有机碳含量，且效果优于传统耕作与单一免耕处理^［7］。此外，免耕还能减少土壤水分蒸发，提高耕层含水量以促进根系生长，并可降低对土壤结构的干扰，进而有抑制侵蚀、改善表层水热微环境的效果。但长期免耕易导致土壤紧实度升高，阻碍养分垂直迁移，抑制根系下扎与养分吸收^［8］，且其适应性因区域环境条件差异而不同。相比之下，翻耕能有效打破犁底层，降低土壤压实度，短期内可显著促进作物增产^［9］。研究^［10］证实，深翻处理通过降低土壤体积质量，较常规耕作和少耕免耕更利于根系生长扩散与分枝发育，农艺效益更优。翻耕处理较免耕贴茬播种能显著降低表层土壤过饱和含水量，缓解涝害胁迫，进而促进夏玉米中后期株高与叶面积增长；翻耕处理还可提高作物水分利用效率与光合速率，促进光合产物积累及向籽粒的定向分配，为持续增产提供支撑^［11］。但长期单一翻耕也存在明显弊端，如费用昂贵、土壤结构退化、水土流失风险增加等^［12］。

旋耕减小耕作深度，降低机械能耗与农户投入费用，同时其碎土效果好，播种质量高，近年来使用面积逐渐扩大，但极易在浅层形成紧实的“旋耕层”，阻碍下水下渗和根系下扎，导致作物中后期易旱、易倒伏^［13］。免耕秸秆覆盖近年来由于其低成本与环境友好特征受到广泛关注，但二者在黄土高原半干旱区砂质土壤下的效果缺少量化，使该技术在本区域推广缺少理论依据。本研究针对黄土高原半干旱区砂质土壤旱作农业区现有耕作模式效应不明的问题，重点探究现有不同耕作模式对土壤-作物系统的调控机制与产量效应。研究选取翻耕、旋耕和免耕3种耕作模式，揭示耕作模式对土壤垂直构型（包括土壤体积质量、穿透阻力、孔隙结构及水热特征）、玉米根系构型和产量形成的级联效应。通过在陕西定边设置定位试验，采用分层采样与动态监测相结合的方法，重点研究“耕作模式-土壤结构-水热动态-根系响应-产量形成”的传递效应，为构建适合砂黄土旱作区的高效耕作模式提供理论依据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2024年5—10月在陕西省定边县（37.59°N，107.62°E）进行。定边地处毛乌素沙地南缘，属于典型的大陆性气候，年平均气温8.5 ℃，年平均降水量323.6 mm，大部分集中在秋季。无霜期平均141 d，年日照时间2 743 h。该地区处于风砂土与黄绵土过渡地区，土质较粗，保水性弱，其机械组成砂粒质量分数57.93%，粉粒质量分数36.26%，黏粒质量分数5.81%。种植类型以玉米、马铃薯和杂粮为主。

1.2 试验设计

试验共设3种耕作模式：翻耕（深度30 cm）、旋耕（深度15 cm）和免耕＋秸秆覆盖（1 200 kg/hm²），每个耕作模式设置3个重复，共9个小区。每小区长11 m，宽6 m，小区面积66 m²，小区之间设置2 m保护行道。供试材料为当地常规栽培玉米品种“五谷168”。所有耕作模式均于2024年5月耕作作业完成后统一采用机械播种，并于当年10月进行收割测产。试验期间，各小区田间管理措施（包括施肥、病虫害防治等）均参照当地玉米高产栽培技术规程实施，并确保各小区田间管理措施完全一致，以排除其他农艺措施对试验结果的影响。

试验田土质为砂壤土，耕作层土壤平均体积质量为1.63 g/cm³，耕作前土壤理化性质见表1。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤理化性质测定

土壤颗粒组成经预处理（去除有机质、碳酸钙）后用Mastersizer 2000激光粒度分析仪测定，获取砂粒（2~0.05 mm）、粉粒（0.05~0.002 mm）、黏粒（<0.002 mm）质量占比，依中国土壤质地标准判定质地类型。采用氯化铵-乙酸铵法测定阳离子交换量（CEC）。采用盐酸中和滴定法测定碳酸钙含量；按土水比1∶2.5（m/V）制悬液，振荡30 min静置后，用校准pH计测上清液pH，并经校准电导率仪测定上清液电导率。采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质；采用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提，过滤后加钼锑抗显色剂，700 nm处测吸光度依标准曲线计算得到有效磷。用1 mol/L乙酸铵振荡浸提，过滤后以火焰光度计测钾离子浓度，结合浸提液体积与样品质量计算速效钾。

土壤水分测定利用时域反射法（TDR）水分探针（5TE， Meter）测定，每个处理选择1个典型小区，分别在10、20、40 cm深度处安装水分探针，测量玉米生长期（7—9月）土壤水分动态变化。土壤穿透阻力使用SC900（SC-900， Spectrum Inc Co.， Ltd.，美国）数显式土壤紧实度仪测量，测定深度为0~45 cm，每2.5 cm记录1个数据，每个处理测定10次重复。在玉米灌浆期，采集10、30、50 cm深度原装土壤，每个处理采集3个重复样品，采用离心机法测定土壤水分特征曲线。由于旋耕深度浅，难以对深层土壤水分特征曲线产生影响，因此未对旋耕处理样本测定土壤水分特征曲线。依次测定在10、20、40、60、80、100、200、400、600 kPa吸力下的土壤水体积分数，并使用Van-Genuchten模型^［14］进行拟合。

\theta ={\theta }_{\mathrm{r}}+\frac{{\theta }_{\mathrm{s}}-{\theta }_{\mathrm{r}}}{{\left[\mathrm{1}+{(\alpha h)}^n\right]}^m}（1）

式中：θ为土壤水分体积分数，cm³/cm³；h为土壤基质势，cm；θ_S为土壤饱和体水分体积分数，cm³/cm³；θ_r为土壤残余水分体积分数，cm³/cm³；α为进气值的倒数；m、n为曲线形状参数，且m=1-1/n。

通气孔隙（AC）定义为在-100 cm土壤基质势下土壤中空气孔隙体积，表示在给定条件下土壤中可被空气占据的土壤孔隙^［15］。

\mathrm{A}\mathrm{C}={\theta }_{\mathrm{s}}-{\theta }_{\mathrm{F}\mathrm{C}}（2）

式中：θ_S为土壤饱和水分体积分数，cm³/cm³；θ_FC为田间持水量，cm³/cm³，Ψ=-100 cm。

植物可利用水（PAWC）表示土壤储存和为植物提供水分的最大能力^［15］。

\mathrm{P}\mathrm{A}\mathrm{W}\mathrm{C}={\theta }_{\mathrm{F}\mathrm{C}}-{\theta }_{\mathrm{P}\mathrm{W}\mathrm{P}}（3）

式中：θ_FC为土壤田间持水量，cm³/cm³，Ψ=-100 cm；θ_PWP为在15 000 cm基质吸力下的植物永久萎蔫点土壤水分体积分数，cm³/cm³。

相对田间持水量（RFC）表示土壤相对于总孔隙体积（以θ_S表示）储存水分能力，可降低田间持水量因不同质地带来的影响^［15］。

\mathrm{R}\mathrm{F}\mathrm{C}=\frac{{\theta }_{\mathrm{F}\mathrm{C}}}{{\theta }_{\mathrm{S}}}\mathrm{0}\le \mathrm{R}\mathrm{E}\mathrm{C}\le \mathrm{1}（4）

S指数表征土壤结构质量的一个综合性参数^［16］。S指数基于土壤水势为纵坐标、重量含水量为横坐标的土壤特征曲线获取，其中特征曲线通过van Genuchten模型^［14］进行拟合：

{\theta }_{\mathrm{g}}=({\theta }_{\mathrm{g}\mathrm{s}}-{\theta }_{\mathrm{g}\mathrm{r}})\times {\left[\mathrm{1}+{(\alpha \times \psi )}^n\right]}^{-m}+{\theta }_{\mathrm{g}}（5）

式中：α、n和m为模型拟合参数；Ψ为基质势，kPa；θ_g为重力含水量，g/g；θ_gs、θ_gr分别为饱和重力含水量和残余重力含水量，g/g。

S指数计算公式为：

S=-n\times \left({\theta }_{\mathrm{g}\mathrm{s}}-{\theta }_{\mathrm{g}\mathrm{r}}\right)\times {\left(\frac{\mathrm{2}n-\mathrm{1}}{n-\mathrm{1}}\right)}^{\left(\frac{\mathrm{1}}{n}-\mathrm{2}\right)}（6）

1.3.2 玉米指标测定

在玉米灌浆期测定玉米根系形态特征。每个处理选取3株代表性玉米，去除地上部分，利用铁锹采集玉米根系，将根系土壤清洗干净后，获取根系图像。图像处理采用自动化高通量计算平台（DIRT，http：//dirt.iplantcollaborative.org/）^［17］获取根系构型参数，主要包括根面积、根系密度、最大根系宽度、根系顶角和主根直径。在玉米成熟期测定玉米地上生物量和玉米穗重。每个处理随机选取10株玉米，测定鲜重后置于75 ℃烘箱干燥48 h至恒重并测定干重。

1.4 数据分析

原始数据经Microsoft Excel 2007软件整理后，运用Origin 2024软件进行可视化作图。所有统计分析均在SPSS Statistics 26软件中完成。数据首先通过单因素方差分析（ANOVA，一般线性模型）进行检验，若结果显著，则随后采用最小显著差法（LSD）进行事后多重比较。统计分析均以p<0.05为差异有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 耕作模式对土体垂直构型影响

不同耕作模式显著改变砂黄土土壤穿透阻力垂直分布特征（图1）。

翻耕模式下，土壤穿透阻力随土层深度呈平稳线性增长，45 cm深度处达2 111 kPa，且剖面无明显犁底层，为根系下扎提供无障碍环境；旋耕模式表现出显著的分层差异，22.5 cm深度出现穿透阻力峰值（3 841 kPa），约为表层（226 kPa）的17倍，形成阻碍根系垂直扩展的物理屏障；免耕模式则呈现表层高、深层低的规律，0~20 cm土层穿透阻力普遍较高，15 cm深度达最大值4 266 kPa，为表层的8倍，20 cm以下穿透阻力骤降并低于翻耕与旋耕处理，深层土壤通透性优势显著。

土壤体积质量的垂直分布趋势与穿透阻力一致（图2），进一步印证耕作模式对土壤紧实度的调控效应。在0~20 cm表层土壤中，翻耕［（1.60±0.03）g/cm³］与旋耕［（1.62±0.08）g/cm³］的土壤体积质量无显著差异，但均显著低于免耕［（1.78±0.08）g/cm³］，表明免耕表层土壤紧实度更高；20~40 cm土层中，旋耕土壤体积质量持续升高至（1.80±0.05）g/cm³，显著高于翻耕处理，亚表层压实问题突出；免耕则表现出表层紧实、深层疏松的特征，40~60 cm土层土壤体积质量降至（1.55±0.05）g/cm³，为3种模式中最低，略低于翻耕处理，体现出深层土壤结构优势。

2.2 耕作模式对土壤孔隙结构影响

不同耕作模式对土壤持水能力的调控效应存在显著的土层深度差异（图3）。在0~20 cm表层土壤中，无论是低吸力段（<100 hPa，代表大孔隙持水），还是高吸力段（>10 000 hPa，代表毛管孔隙持水），持水能力均呈现翻耕>旋耕>免耕，表明翻耕对表层土壤持水性能的改善效果最优，但翻耕在中吸力段（100~10 000 hPa）的持水能力明显低于旋耕与免耕；20~40 cm中层土壤中，翻耕在低吸力段的持水能力显著高于旋耕和免耕，但在中高吸力段（>100 hPa）的持水能力明显低于旋耕与免耕，与翻耕导致该层土壤压实、土壤体积质量增大、孔隙连续性降低的结构退化密切相关（图4）；40~60 cm深层土壤中，免耕的持水能力整体优于翻耕，体现出免耕对深层土壤保水的独特优势。值得注意的是，在高吸力段（>10 000 hPa），3种耕作模式的土壤持水能力差异不显著，说明耕作对土壤毛管持水的影响主要集中于低吸力区间的大孔隙范围。

土壤孔隙特征的变化与持水性能呈现高度协同性（表2）。在0~20 cm表层土壤中，翻耕和旋耕的总孔隙度显著高于免耕（p<0.05），与土壤体积质量的分布规律完全相反；20~40 cm中层土壤中，翻耕的总孔隙度仍显著高于旋耕与免耕（p<0.05），进一步解释其低吸力段持水能力更优的原因。在土壤通气性方面，翻耕在0~60 cm全剖面的通气孔隙（AC）均显著高于免耕和旋耕（p<0.05），表明翻耕能有效提升土壤通气孔隙占比，优化土壤通气环境。

从水分有效性来看，植物可利用水含量（PAWC）的分布呈现明显分层：0~20 cm表层以旋耕和免耕较高（均>0.15 m³/m³），翻耕较低（<0.15 m³/m³）；20~40 cm中层各处理间差异缩小；40~60 cm深层则以免耕的PAWC最高，显著优于翻耕。相对田间持水量（RFC）的分析显示，翻耕模式下各土层RFC均<0.6，处于水分受限状态；免耕各土层RFC均>0.7，表现为通气受限；旋耕则呈现表层水分受限、深层通气受限的过渡特征。van-Genuchten模型拟合结果表明，翻耕表层土壤的饱和含水量（θ_s）更高；翻耕的土壤结构质量S指数显著高于免耕和旋耕（p<0.05），从综合物理质量角度证实翻耕对砂黄土结构的改善优势。

2.3 耕作模式对土壤水热影响

不同耕作模式显著改变土壤水分的垂直分布与动态响应特征（图5、图6）。翻耕模式下，土壤含水量随土层深度递增，0~40 cm土层水分体积分数整体低于旋耕与免耕，反映出翻耕表层土壤疏松、水分易蒸发流失的特点；旋耕模式表现出中层富集特征，20 cm土层含水量（9.82 cm³/cm³）显著高于10、40 cm土层，与其中层土壤孔隙结构更利于水分滞留有关；免耕模式的土壤水分体积分数随土层深度显著增加，40 cm土层达17.10%，显著高于翻耕与旋耕，且10 cm表层土壤水分体积分数对降雨响应最敏感，与降雨强度呈显著正相关（p<0.05），体现出秸秆覆盖对表层水分的调控作用。

从降雨响应机制来看，雨季来临前（7月24日前），10 cm表层土壤水分体积分数表现为翻耕>旋耕>免耕；进入雨季前期，翻耕土壤因通气孔隙发达，土壤水分体积分数率先响应降雨并达到峰值（23.91 cm³/cm³）；而雨季中后期，翻耕土壤水分体积分数显著低于旋耕与免耕，反映出其保水能力较弱的弊端。20 cm土层中，旋耕土壤水分体积分数始终保持稳定（约9.82 cm³/cm³），抗降雨波动能力较强；40 cm深层中，免耕土壤水分体积分数平均值（17.10 cm³/cm³）显著高于其他处理，充分验证其深层保水优势。

土壤温度的垂直差异同样受耕作模式调控。0~10 cm表层土壤中，各模式温度平均值相近，为24.80~25.20 ℃，但免耕的最高温度（40.79 ℃）显著高于旋耕（36.90 ℃）和翻耕（36.29 ℃），与秸秆覆盖减少热量散失及提升表层温度有关；20 cm土层温度呈现免耕>翻耕>旋耕的规律；40 cm及以下深层土壤中，免耕温度平均值（21.10 ℃）仍高于翻耕（20.90 ℃）和旋耕（20.70 ℃），且温度波动幅度随土层深度增加而减小，免耕深层土壤的温度稳定性更优，可为根系生长提供更稳定的热环境。

2.4 耕作模式对作物根系构型和产量的影响

耕作模式通过改变土壤物理环境，显著改善玉米根系构型。在翻耕模式下，玉米的最大根系宽度（32.5 cm）、根系密度（18.2 mg/cm³）及主根直径（2.3 mm）均显著优于其他处理，形成更发达的立体根系网络，为水分和养分的吸收提供更大的空间；旋耕模式的根系表现出表层集中特征，根系顶角较大，但20 cm以下高穿透阻力限制根系下扎，导致深层根系分布稀少；免耕模式受表层土壤紧实影响，0~20 cm表层根系生长受抑，而20 cm以下因土壤疏松，深层根系分布略优于旋耕，但整体根系发育仍弱于翻耕（表3）。

产量及其构成因素的差异与根系构型高度匹配（图7）。翻耕的玉米地上生物量、穗干重分别为旋耕的1.33、2.10倍，为免耕的1.94、3.39倍，产量优势显著；旋耕与免耕的产量表现均较差，且免耕的产量最低。综合来看，在本研究的砂黄土旱作条件下，翻耕通过优化根系生长环境与土壤水热条件，成为提升玉米产量的最优耕作模式。

3 讨 论

3.1 耕作模式对土壤孔隙结构与水分运移的影响

在半干旱区砂黄土农业系统中，土壤结构直接调控土壤水分运移与作物生长^［18］。本研究旨在揭示不同耕作模式对粗质砂黄土土壤孔隙结构及水分特性的影响，并为旱区农业节水增效提供理论数据支撑。不同耕作模式显著重塑砂黄土剖面土壤结构。

翻耕通过30 cm深度机械扰动，打破上层土壤紧实结构，使0~60 cm土层土壤体积质量均维持在1.60 g/cm³。这种结构构建了高效水分传输通道，在低吸力段（<100 hPa）持水能力显著高于旋耕和免耕（图3）。相比之下，免耕因表层缺乏疏松，砂黄土颗粒易胶结形成板结层（0~20 cm土层土壤体积质量为1.78 g/cm³），孔隙度低，限制初期水分入渗^［19］，增加根系穿透阻力。旋耕虽能破碎表层，但耕作深度不足以降低耕层下的高体积质量状态，土壤通气透水性受限。值得注意的是，40~60 cm深层砂黄土中，持水能力反超翻耕，体现出表层板结深层疏松的独特构型优势^［5］，而翻耕可能对耕层以下进一步形成压实隔层。

不同耕作模式下土壤水分对降雨反馈的差异显著。翻耕对降雨初期响应迅速，但砂黄土质地疏松导致后期水分流失快；免耕则表现出深层储水的优势，40~60 cm土层含水量峰值达17%，且对降雨响应敏感，这源于免耕的“零扰动”策略，即表层板结层虽暂时阻碍初期入渗，但40~60 cm孔隙连通性增强，持水能力提升。与长期免耕促进砂黄土团聚体稳定性的结论一致^［20］。秸秆覆盖能够减少土壤水分的蒸发，增强土壤蓄水和供给作物水分的能力^［21］。这种结构使免耕在降水稀少的旱区能维持较高的土壤水分，为作物后期生长提供保障，但其表层板结可能影响出苗与作物根系生长。翻耕使土壤耕层过于疏松，导致土壤表层蓄水保水能力变差，水分蒸发流失较快^［22］。综上可见，相比于翻耕，当下层压实隔层阻碍较小时，免耕秸秆覆盖更有利于旱区作物水分高效利用。

3.2 耕作模式对作物生长的影响

耕作模式通过调控土壤物理性状直接或间接影响根系生长发育，进而影响作物生长^［23］。穿透阻力是影响农作物生长的重要因素，而合理的耕作管理是调控土壤穿透阻力的有效手段。本研究中，翻耕通过降低全层土壤穿透阻力，为根系营造无障碍生长环境，其最大根系宽度（32.5 cm）、根系密度（18.2 mg/cm³）和主根直径（2.3 mm）均优于其他耕作模式（表3）。与表4中穿透阻力整体和作物产量呈负相关的规律一致，主要是由于适宜的土壤紧实度能增加作物根系穿透力和土壤蓄水渗透能力，提高土壤水肥利用率^［24］。而根系构型优势直接转化为地上部生物量优势，即翻耕玉米穗干重（182.5 g/株）分别是旋耕、免耕的2.1、3.4倍，证实在砂黄土区适宜的耕作深度可改善耕层结构，促进根系合理分布与活力提升，为地上部生长及光合特性提供物质保障^［25］。值得注意的是，翻耕土壤通气孔隙（0.28 m³/m³）较免耕提高23.1%，此通气优势在旱作条件下可增强根系呼吸作用，进一步促进养分吸收^［26］，表明深耕能显著增加根系长度和表面积，与本研究结果一致。砂黄土经翻耕后土壤体积质量适宜，孔隙连通性好，为根系渗透生长提供优越条件^［5］，从而促进地上部生长与产量形成^［23］。

免耕因长期无机械扰动，砂黄土表层易板结，造成土壤体积质量变大，土壤通透性变差^［27-28］，土壤体积质量和穿透阻力升高，不利于根系初期生长及水分养分吸收^［29］，导致玉米地上生物量和穗干重最小。但免耕促进的连续孔隙系统（如生物孔）可增强根系垂直渗透^［5］，且40~60 cm深层疏松土壤（土壤体积质量为1.55 g/cm³）为根系提供延伸空间。免耕+秸秆覆盖根面积较高，可能因秸秆覆盖提升砂黄土有机质含量，改善团聚体结构并降低密度，从而促进根系生长^［30］。然而，表层板结导致的出苗率降低和早期水分胁迫，仍是制约免耕产量的关键。在旱作砂黄土区，若能解决表层土壤问题，免耕因其深层保水优势，在干旱年份可展现出稳产潜力。

鉴于本研究持续时间短，为进一步全面了解半干旱区耕作模式对土壤结构和作物产量的影响，搜集了我国干旱区相关的其他研究（表4）。文献分析显示，3种耕作模式因耕作持续年限不同而表现出显著差异，例如，持续4 a的耕作后，免耕和旋耕相比较翻耕处理，土壤穿透阻力和土壤体积质量都出现降低^［24］。表明翻耕虽然能有效降低土壤紧实度，但翻耕存在扰动土壤结构、降低土壤抗压实性能及增加机械压实的风险^［31］。作物产量整体上表现出免耕增产的趋势，但在东北黏壤土区，降雨相对较高的条件下免耕产量相对于翻耕出现降低现象^［5］。同样，本研究区虽然降雨仅有323.6 mm，但是由于本试验田块存在明显的亚表层压实隔层，免耕和旋耕处理的玉米产量不及翻耕处理。

因此，在选择耕作处理时不仅需要考虑区域主要制约因素，同时需要考虑地块尺度可能存在的其他主导性制约因素，进而提出多种耕作措施搭配的轮耕等合理破障措施。

4 结 论

1）翻耕是研究区优化土壤结构、提升玉米产量的较好耕作模式。翻耕通过深度机械扰动，有效打破土体障碍层；0~60 cm全剖面通气孔隙占比最高，为根系生长营造疏松通气的环境。该条件下玉米根系构型最优，最大根系宽度、根系密度及主根直径均显著优于其他处理，最终转化为显著产量优势。但其长期效应仍需进一步探究。

2）免耕+秸秆覆盖具有深层保水优势，但表层土壤紧实问题制约其生产力。免耕+秸秆覆盖对土壤结构的调控呈“表层劣化、深层优化”的显著分层特征，然而表层紧实导致其根系发育整体较弱，玉米产量最低。在砂黄土半干旱区推广免耕+秸秆覆盖，需配套表层浅松等改良措施以破解板结制约。

3）旋耕因耕作深度不足，存在亚表层压实缺陷，综合效应介于二者之间。旋耕虽能降低0~20 cm表层土壤体积质量，与翻耕无显著差异，但15 cm的耕作深度无法改善深层土壤结构，亚表层土壤压实明显，形成阻碍根系下扎的物理屏障。该模式下玉米根系集中于表层，深层分布稀少。旋耕难以满足砂黄土对深层土壤通气性和透水性的需求。

参考文献

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基金资助

国家重点研发计划项目(2023YFD1900300)