条带耕作（ST）整合常规耕作（CT）与免耕（NT）的土壤大孔隙结构及水热特征——东北黑土保护与利用机制研究

《Frontiers in Soil Science》：Strip tillage combines the characteristics of conventional tillage and no-tillage in terms of soil macropore structures and hydrothermal conditions

　　

摘要：实现东北黑土可持续利用的关键在于平衡开发与保护。常规耕作（conventional tillage，CT）会随时间推移导致土壤退化，而免耕（no-tillage，NT）虽可保护土壤，但常降低产量。条带耕作（strip tillage，ST）在播种行区内进行土壤耕作（within the seed row zone，ST-IR），同时在播种行间区保持免耕并覆盖秸秆（between seed rows zone，ST-BR），似乎整合了CT和NT的优势。然而，ST-IR和ST-BR对该地区土壤大孔隙结构和水热特性的影响仍不清楚。本研究中，研究人员采用X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography，X-CT）和时域反射仪（time domain reflectometry，TDR）比较NT、CT、ST-IR和ST-BR的土壤大孔隙特征及水热条件。结果表明，ST-IR的土壤水热条件、容重（bulk density，BD）、穿透阻力（penetration resistance，PR）、空气容量（air capacity，AC）、空气渗透率（air permeability，AP）和有效水容量（available water capacity，AWC）与CT相似（P > 0.05）。然而，ST-BR的水热条件与NT相似（P > 0.05）。此外，ST形成了两种截然不同的大孔隙结构。ST-IR在大孔隙粒径分布、孔隙形态和连通性方面与CT一致（P > 0.05），表现出高的大孔隙度和连通性。ST-IR的大孔隙以不规则、大体积的非生物孔隙为主，具有较高的紧实度（compactness，CP，1978）、比表面积（specific surface area，SA，0.50）和分形维数（fractal dimension，FD，2.62），但各向异性程度（degree of anisotropy，DA，0.26）较低。相反，ST-BR与NT趋同（P > 0.05），其大孔隙度和连通性显著低于ST-IR和CT（P < 0.05）。ST-BR和NT中的优势孔隙类型为管状生物孔隙，其CP（97）、SA（0.11）和FD（2.38）均显著低于ST-IR和CT（P < 0.05），而DA（0.42）显著较高（P < 0.05）。总体而言，ST在土壤大孔隙结构和水热条件上整合了CT和NT，为理解其在黑土保护与利用中的作用提供了有价值的启示。

论文解读：条带耕作对东北黑土土壤大孔隙结构与水热条件的影响

东北黑土区是我国主要农业生产基地和重要“粮仓”。长期高强度农业活动导致土壤水蚀和风蚀、土壤有机质损失及土壤压实等退化形式，对区域农业可持续性构成挑战。为兼顾粮食需求与黑土质量保持，优化耕作管理策略十分必要。常规耕作（conventional tillage，CT；通常为浅旋耕）广泛用于松表土和平整土地，但长期CT使耕层变浅、犁底层增厚变硬，加剧水土流失和肥力下降。以免耕（no-tillage，NT；不耕作并保留残茬）为代表的保护性耕作虽可减少侵蚀、增加表土有机质和生物多样性，但存在表土压实、养分分层、残茬或土传病害、抗除草剂杂草等问题；在冷凉、低洼或黏重土壤上，NT还会延迟春季土壤升温，影响出苗和产量，降低农民采纳意愿。因此，如何整合CT与NT优势，在保证春季播种质量和土壤温度的同时减轻黑土退化，成为需要解决的问题。条带耕作（strip tillage，ST）将土壤分为播种行内耕作区（within the seed rows，ST-IR；耕作至10—15 cm）和播种行间免耕覆盖区（between seed rows，ST-BR；保留残茬覆盖），被认为可能整合CT和NT的主要优势。然而，以往研究多只关注ST的某一部位，缺乏对ST-IR与ST-BR土壤大孔隙结构和水热条件的系统比较。基于此，研究人员比较NT、CT、ST-IR和ST-BR的土壤水热条件、关键物理指标和大孔隙特征，以明确ST是否以及如何整合CT与NT特性，为黑土保护与利用提供依据。

方法概括（不超过250字）：研究地点为吉林省公主岭（GZL，43°36′ N，124°47′ E）典型薄层黑土，2021年秋玉米收获后设置NT、CT和ST处理，2022—2024年开展田间试验。主要技术包括：在播种行内布设土壤水分与温度传感器（ST另在行间布设），结合TDR连续监测土壤体积含水量和温度；采集原状土芯测定BD、PR、AC、AP、AWC及产量；2024年9月采集0—20 cm原状土柱，以X-CT（65 μm分辨率）扫描，并用Fiji、VG StudioMAX、ilastik、SoilJ和Bone-J等软件定量大孔隙结构；采用方差分析（ANOVA）和最小显著差数法（LSD，P < 0.05）进行统计比较。

结果部分如下。3.1 土壤体积含水量与温度：两年田间原位监测表明，10 cm表土含水量以ST-BR和NT较高，生长早期更明显；两年平均10 cm含水量顺序为ST-BR（40.1 cm³ cm^-3）> NT（38.7 cm³ cm^-3）> ST-IR（33.4 cm³ cm^-3）> CT（29.8 cm³ cm^-3）；30 cm处处理间差异减小，CT略高，ST-IR最低。温度差异主要集中在玉米生长早期；播后30 d内10 cm平均温度顺序为ST-IR（17.15 °C）> CT（16.54 °C）> NT（16.17 °C）> ST-BR（16.16 °C），ST-IR与CT耕层温度相近，ST-BR与NT相近且低于CT；30 cm处NT在早期明显较低。3.2 关键土壤物理指标：土壤物理指标测定表明，BD和PR差异主要集中在0—20 cm；0—10 cm层ST-BR的BD最高，NT次之，ST-IR和CT较低，20—40 cm各处理BD无显著差异。0—10 cm层ST-BR的AC、AP和AWC显著低于其他三处理（P < 0.05），ST-IR与CT相当（P > 0.05）；10—20 cm层ST-BR的AC和AP显著低于NT（P < 0.05）。3.3 土壤三维大孔隙结构：X-CT三维成像显示，ST-IR与CT相似，表土（2—10 cm）以大体积、不规则、高连通性的非生物孔隙为主；亚表层（10—19 cm）含密集小体积球形孔隙及细长管状生物孔隙。ST-BR与NT相似，表土孔隙较小且密集，亚表层含丰富连续管状生物孔隙、形态规则，斑点状孔密度明显低于ST-IR和CT。3.4 土壤大孔隙度和大孔隙数量随深度的变化：定量分析表明，ST-IR与CT在2—10 cm层的大孔隙度和孔数显著高于ST-BR和NT（P < 0.05），并随深度增加明显下降；ST-BR和NT的分布基本相似，大孔隙度随深度较稳定（除NT-1外均<10%），孔数由表层约800降至底土<400；NT样本空间变异较大，NT-1在8—14 cm出现大孔隙度峰值。3.5 土壤大孔隙粒径分布：孔径分布分析表明，总累积大孔隙度顺序为ST-IR > CT > NT > ST-BR；2—19 cm层ST-IR（7.55%）和CT（4.86%）分别比ST-BR（1.35%）高4.6倍和2.6倍，2—10 cm层ST-IR（5.61%）和CT（3.85%）分别比ST-BR（0.74%）高6.6倍和4.2倍（P < 0.05）；10—19 cm层处理间无显著差异（P > 0.05），ST-BR与NT无显著差异（P > 0.05）。各处理孔径主要集中于<1.5 mm，以0.2—1.0 mm范围处理间差异最明显，顺序为ST-IR > CT > NT > ST-BR。3.6 土壤大孔隙特征：大孔隙形态和连通性分析表明，ST-IR和CT的CP、SA、FD显著高于ST-BR和NT（P < 0.05），ST-BR和NT三者相当（P > 0.05）；DA呈相反趋势，ST-BR和NT显著高于ST-IR和CT（P < 0.05）。ST-IR的与顶部连通的大孔隙度（macroporosity connected to top，MCT）和全局连通性（global connectivity，Γ）最高，显著高于ST-BR和NT（P < 0.05），与CT无显著差异（P > 0.05）；ST-BR与NT的MCT和Γ相当（P > 0.05）。

讨论部分总结：ST对土壤水分和温度具有双重效应。ST-BR呈NT式高水低温柔特征，机制在于少扰动降低耕层空气对流并依靠残茬覆盖抑制蒸发；ST-IR呈CT式低水高温特征，机制在于移除地表秸秆使光照直达土表，耕作增大孔隙度和连通性、降低容重和体积热容量及含水量，使春季升温更快。关键物理指标方面，ST-IR似CT，具有较低BD和PR、较高通气保水能力；但收获期0—10 cm层除ST-BR外BD趋于一致，PR也呈类似趋势，说明耕作降低BD并不稳定，易在降雨和干湿循环中沉降固结；ST-BR因春季条带耕作和播种作业机械压实，BD和PR较高，AC、AP和AWC较低。大孔隙结构方面，ST-IR和CT以不规则非生物大孔隙为主，孔容大、连通性好、网络复杂；ST-BR和NT以管状生物孔隙为主，网络较简单但结构异质性更强。ST-IR因仅行内耕作、破碎更细，其总大孔隙度和连通性高于CT；收获期仍维持较高大孔隙度可能与初始孔隙度较高及行间秸秆覆盖减少降雨直接冲击和干湿循环破坏有关。ST-BR和NT少扰动可保留并逐渐累积由根系穿插、残体分解和土壤动物活动形成的生物孔隙，但其形成较慢，难以补偿机械扰动缺失导致的大孔隙度和网络复杂性下降。意义方面，ST形成ST-IR和ST-BR两个功能带，行内有利于春季增温和出苗，行间有利于稳定土壤和保水，整合了CT与NT优势，为黑土利用与保护平衡提供路径。限制包括：ST-BR表层BD和PR最高提示机械压实风险但未详细评估；ST-IR秸秆移至ST-BR增加覆盖，可能增加秸秆相关病虫害风险但未评估；每处理仅3个土柱用于X-CT扫描，重复有限；PR仅获得苗期和收获期数据，大孔隙结构仅获得收获期数据，限制了对全生育期结构动态及其对产量影响的解析。未来应增加X-CT扫描重复、加强土壤结构动态监测、开展多点多长期定点观测并研究根系性状。

研究结论翻译：本研究考察了播种行内条带耕作（ST-IR）和播种行间条带耕作（ST-BR）的土壤水热条件和大孔隙特征，并与CT和NT比较。结论如下：ST形成了两种不同的土壤水热环境，ST-IR类似CT，春季土温较高但含水量较低，ST-BR类似NT，土温较低但含水量较高。ST产生了两种对比鲜明的土壤结构，ST-IR具有CT式低容重、低穿透阻力和高通气—保水能力，ST-BR呈相反趋势。ST塑造了显著不同的大孔隙结构，ST-IR具有类似CT的三维孔隙形态、孔径分布和连通性，表现为高大孔隙度、高连通性、以不规则非生物孔隙为主和低异质性；ST-BR类似NT，具有显著较低的大孔隙度和连通性、较窄孔径范围、以管状生物孔隙为主和较高异质性。如何平衡黑土利用与保护是其可持续管理的关键。研究结果提供了有价值启示，表明ST整合了CT和NT的优势，可能作为二者的有效替代。未来在更大尺度上探索ST在黑土区的适宜性具有较高价值。