长期免耕通过构建垂直孔隙网络和地表覆盖增强黑土区（ Mollisols ）对极端降雨事件的涝渍缓解能力

本研究针对极端降雨事件加剧农田涝渍胁迫的问题，通过11年田间定位试验，结合降雨模拟（40 mm h?1）、染色示踪和X射线计算机断层扫描（CT）技术，揭示了长期免耕（NT）相比传统翻耕（MP）能显著提升土壤水分入渗能力（最大入渗深度增加161%，染色总面积增加65%，地表积水减少95%），其机制在于NT通过秸秆覆盖保护地表结构、促进生物孔隙形成并维持剖面孔隙连通性，为黑土区农业应对气候变化提供了有效的适应性管理策略。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，极端降雨事件正以前所未有的频率和强度冲击着农业生产系统。特别是在我国东北黑土区（Mollisols），这类事件引发的农田涝渍问题不仅直接导致作物根系缺氧胁迫，还会诱发严重的水土流失，对粮食安全构成巨大威胁。土壤能否快速入渗降水，成为决定农田抵御极端降雨能力的关键一环。然而，关于不同耕作方式如何通过改变土壤结构来影响入渗性能，学术界长期存在争议——传统翻耕（MP）虽能短期内提升表层孔隙度，但其对土壤结构的扰动可能破坏深层孔隙的连续性；而免耕（NT）虽有利于生物孔隙的稳定发育，却也可能因表层容重增加而 initially 阻碍水分下渗。更复杂的是，以往研究多在无降雨条件下测量入渗，忽略了雨滴击溅对地表结构的破坏作用，这可能严重低估了免耕系统中秸秆覆盖的保护效应。

为厘清上述问题，中国农业大学土地科学与技术学院的研究团队在吉林省梨树实验站开展了长达11年的田间试验，对比研究了免耕（NT）和传统翻耕（MP）两种耕作方式下的土壤水文过程与孔隙结构特征。相关研究成果发表在土壤科学领域权威期刊《Geoderma》上。

研究者综合运用了模拟降雨实验（强度40 mm h^?1）、染色示踪技术、时域反射仪（TDR）土壤水分监测以及X射线计算机断层扫描（CT）等多项技术手段。通过模拟极端降雨事件，实时监测了土壤水分动态和积水深度；利用亮蓝染色剂可视化了水分在土壤剖面中的运移路径；并采用高分辨率CT扫描定量分析了0-60 cm土层中孔隙的大小、分布和连通性特征，特别关注了生物孔隙的贡献以及雨滴击溅对表层孔隙结构的影响。

3.1. 不同耕作方式下的水分入渗特征

模拟降雨实验表明，NT处理显著提升了土壤的入渗性能。MP小区在降雨开始后10分钟内即出现0.92 cm的地表积水，一小时后积水深度达2.24 cm；而NT小区在整个降雨过程中仅出现0.12 cm的轻微积水。NT下的最大入渗深度（MID）达到60 cm，较MP（40 cm）加深了50%；土壤水供应量（S_t）在NT下为13.67 mm，显著高于MP的6.74 mm。水分传感器数据显示，NT处理下湿润锋的推进速度（V_wf）在20-40 cm土层中显著快于MP，表明其具有更高效的深层水分传输能力。

染色示踪结果进一步证实了上述结论。NT下的总染色面积（TSA）和最大入渗深度（MID）分别是MP的1.7倍和2.6倍。MP处理的水分主要停留在0-15 cm表层（染色覆盖度32.8%），以宽路径的基质流为主；而NT则表现出典型的优先流特征，染色路径在表层（0-5 cm）和深层（>15 cm）更为发达，说明水分通过生物孔隙等优先路径快速下渗至深层土壤。

3.2. 土壤孔隙特征及其在降雨过程中的变化

CT扫描结果显示，MP在0-20 cm土层的总孔隙度（ε_total）和CT可识别的宏孔隙度（ε_X-ray）显著高于NT，尤其在5-10 cm层，MP的ε_X-ray是NT的3.6倍。然而，MP的孔隙分布存在强烈的垂直分层现象：其孔隙度分层比（SR）高达3.04（NT仅为1.37），表明上层孔隙发达而下层急剧减少，这与犁底层的形成密切相关。相反，NT在整个剖面（0-60 cm）保持了更高的生物孔隙度和更好的孔隙连通性。NT中由根系和蚯蚓活动形成的生物孔隙不仅数量多，而且呈连续的垂直分布，为水分快速下渗提供了稳定通道。

雨滴击溅实验揭示了耕作方式对表层孔隙稳定性的重要影响。在0.1-2.4 cm表层，MP处理经降雨后ε_X-ray下降了20.4%，其中0.2-1.0 mm孔隙大量坍塌，转而形成更多的0.04-0.2 mm小孔隙，导致孔隙堵塞率显著升高。而NT则凭借秸秆覆盖的保护作用，有效 dissipate 了雨滴动能，孔隙结构保持稳定，无明显堵塞现象。无覆盖的NT处理（NT-S）则表现出与MP相似的孔隙退化，突显了地表覆盖在维持孔隙功能中的关键作用。

该研究通过结构方程模型（SEM）量化了各因素对入渗性能的贡献路径，证实NT主要通过降低孔隙度的垂直分层性和维持较高的生物孔隙度来促进深层入渗，而MP则因强烈的孔隙分层和雨滴击溅导致的孔隙堵塞而抑制了水分下渗。

本研究证实，长期免耕管理通过两种协同机制显著增强黑土区土壤对极端降雨的适应能力：一是促进生物孔隙形成并维持其垂直连续性，构建了高效的优先流路径；二是通过秸秆覆盖保护地表，有效 mitigating 雨滴击溅对孔隙结构的破坏。相比之下，传统翻耕虽能增加表层孔隙度，但其形成的犁底层阻碍了垂直水流，加之缺乏地表保护，导致孔隙易被破坏，入渗能力下降。这些发现不仅解决了关于免耕与翻耕对入渗影响的理论争议，也为东北黑土区应对气候变化、减轻涝渍风险提供了确凿的科学依据和实践方向。未来研究需进一步量化免耕系统在不同土壤质地和管理历史下的长期演替轨迹，以推动保护性农业的精准实施。