《Soil and Tillage Research》：Tillage systems regulate soil physical properties to influence maize yield in the cold Mollisol region of Northeast China
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•一项为期6年的试验比较了暗棕壤玉米系统中不同耕作强度的差异。•局部低扰动耕作改善了团粒稳定性并提高了产量表现。•垄侧和垄沟处的高穿透阻力（PR）限制了作物产量。•产量稳定性取决于水热条件与土壤穿透阻力的平衡。引言中国东北寒冷暗棕壤区是全国最重要的商品粮生产基地，占全国玉米（
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一项为期6年的试验比较了暗棕壤玉米系统中不同耕作强度的差异。
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局部低扰动耕作改善了团粒稳定性并提高了产量表现。
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垄侧和垄沟处的高穿透阻力（PR）限制了作物产量。
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产量稳定性取决于水热条件与土壤穿透阻力的平衡。
引言
中国东北寒冷暗棕壤区是全国最重要的商品粮生产基地，占全国玉米（Zea mays L.）总产量的32%以上（Dong et al., 2023, Lv et al., 2025）。然而，长期高强度的耕作方式，如反复翻耕和旋耕，导致了严重的土壤结构退化，尤其是在伴随秸秆清除的情况下更为明显（Zheng et al., 2018）。这种退化包括土壤有机碳的流失（Liu et al., 2010）、水稳性团粒结构的破坏（Wang et al., 2015）以及犁底层变得更厚、更紧实（Qian et al., 2025）。土壤物理结构的退化不仅增加了穿透阻力（PR），还改变了土壤水力特性，从而使作物产量更容易受到气候变化的影响（Alaoui et al., 2011, Lynch et al., 2022, Qiao et al., 2022）。
免耕（NT）及其他保护性耕作措施已被广泛推广，作为改善土壤结构和提高资源利用效率的策略（Blanco-Canqui and Ruis, 2018）。已有研究表明，免耕可以促进大团粒的形成并增强土壤有机碳的固存（Liu et al., 2021, Shen et al., 2024）。当免耕与秸秆覆盖相结合时，还可以改善水分入渗和饱和导水率，从而增强土壤的保水能力（Wang et al., 2025）。然而，其农艺表现强烈依赖于环境条件（Pittelkow et al., 2015）。在冷温带地区，免耕可能会延迟生长季初期土壤的增温，从而影响出苗和作物的早期发育（Li et al., 2022）。此外，长时间不进行土壤扰动会导致土壤自然压实，增加表层土壤的容重和穿透阻力，从而限制根系的伸长（Chen et al., 2022, Wang et al., 2023b）。
为克服这些限制，人们提出了将秸秆还田与针对性松土相结合的综合耕作体系，如免耕结合深松、少耕结合秸秆覆盖以及起垄栽培。深松可以破坏紧实的犁底层并降低深层的穿透阻力，而不进行完全的翻土倒置，从而在保留地表秸秆覆盖保护性效益的同时改善土壤结构（Wang et al., 2023a, Zhang et al., 2024）。垄作栽培为寒冷地区的玉米系统提供了另一种农艺策略。在中国东北的旱作玉米系统中，垄沟的设计主要不是为了灌溉。相反，它有助于改善地表排水并减少种子带周围的积水（Shen et al., 2018）。垄面还可以在春季增加土壤温度（Song et al., 2013, Liu et al., 2025）。垄间沟渠便于后续田间作业，包括中耕、垄沟深松和培土。这些功能有助于为玉米生长创造更适宜的早春环境。然而，以往研究大多分别评估土壤物理性质（如团粒稳定性和紧实度）或土壤水热过程（如水分和温度）。因此，我们仍然缺乏对不同耕作强度如何影响土壤紧实度、季节性土壤水分和温度动态以及玉米生产力的综合评估。这一知识缺口在寒冷地区暗棕壤及其他面临秸秆还田、春季土壤增温和缓解紧实度之间权衡的玉米系统中尤为重要。
因此，本研究旨在评估在中国东北暗棕壤长期旱作垄沟玉米系统中，不同耕作方式对土壤紧实度、土壤水热条件、苗数密度和玉米籽粒产量的影响。具体而言，我们评估了结合秸秆还田与垄沟深松或垄侧深松的特定耕作方式是否能够（i）降低位置特定的土壤紧实度（以穿透阻力和容重表示）；（ii）改变早春土壤体积含水量和土壤温度；以及（iii）与免耕和常规耕作相比增加苗数密度和籽粒产量。通过将垄顶、垄侧和垄沟位置的测量数据与苗数密度和玉米产量相结合，本研究为评估能够平衡秸秆还田、春季土壤增温和缓解紧实度的耕作方案提供了证据，这对于寒冷地区的黑土地尤为重要。
各章节摘要
试验场地概况
本试验在中国黑龙江省哈尔滨市香坊区东北农业大学向阳实验基地（126°22′–126°50′E, 45°34′–45°46′N）进行。该地属寒冷温带大陆性气候，年均积温（≥ 10℃）为2700℃，无霜期约为140天，年降水量为500–550 mm。
试验场地的土壤属于典型黑土区土壤
不同耕作方式下土壤体积水分动态
2017年至2022年的监测数据显示，土壤水分状况存在明显的处理效应，且具有显著的季内和年际波动（图1）。总体而言，深松处理（DS）在大多数年份和生长阶段普遍维持较低的土壤体积含水量，而侧深松处理（SS）通常表现为较高值。免耕（NT）和免耕深松（NTS）的年间变异性更大。例如，2020年生长初期，免耕处理的土壤体积含水量高于传统耕作（TT），而免耕深松处理（NTS）维持了相对较高土壤
不同耕作方式对土壤水热条件的影响
我们的研究结果表明，中国东北寒冷暗棕壤区不同耕作方式在土壤水热条件之间存在显著的权衡关系。免耕（NT）和免耕深松（NTS）通常维持较高的土壤体积含水量，但生长初期土壤温度较低。这一规律与此前研究发现一致，即免耕条件下的秸秆还田可以增强土壤水分保持能力，但可能会抑制寒冷地区早春土壤的增温（
结论
我们的研究表明，在寒冷暗棕壤中连续免耕的主要限制因素不仅仅是土壤水分供应，而是多种相互作用效应的综合影响，包括早春土壤增温延迟、垄侧和垄沟局部高穿透阻力以及苗数密度降低。深耕和深松降低了穿透阻力并改善了早春土壤增温，但高强度扰动也增加了土壤水分损失并削弱了水稳性团粒稳定性。其中
作者贡献声明
马春梅： 写作 – 审阅与编辑、指导、获取资金、数据管理、构思。燕超： 写作 – 审阅与编辑、指导、获取资金、数据管理、构思。宋秋来： 写作 – 审阅与编辑、获取资金。纪天娇： 写作 – 审阅与编辑、可视化。张奇健： 写作 – 原稿撰写、方法学、调查、形式分析、构思。龚振平： 写作 – 审阅与编辑、获取资金。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
本工作由国家重点研发计划（2023YFD1501600）资助。
张奇健|燕双双|李明奇|吕晓辰|纪天娇|宋秋来|燕超|马春梅|龚振平
