肥沃耕层构建对东北黑土区旱地土壤肥力和玉米产量的影响

导  读

本研究通过对有机物料深混还田构建肥沃耕层后土壤有机质、速效养分含量和玉米产量的分析，明确了黑土区不同土壤类型旱地土壤肥力指标和玉米产量对肥沃耕层构建方式的响应特征，以期为实现东北黑土区旱地保护性利用和农业可持续发展提供科学依据。

作者：邹文秀1  韩晓增 *  陆欣春1  陈 旭1  严 君1  宋宝辉2  杨 宁3  林青华4  贺 宇5（1中国科学院东北地理与农业生态研究所；2辽宁省现代农业生产基地建设工程中心；3农业农村部耕地质量监测保护中心；4爱辉区农业技术推广中心；5公主岭市农业技术推广中心）

来源：应用生态学报, 2020, 31(12)

东北黑土以其肥沃而著称，是国家重要的商品粮生产基地，在保障国家粮食安全中具有重要作用。但是自黑土开垦以来，由于过渡垦殖和长期高强度利用导致耕地土壤自然肥力逐年下降[1]，表现为黑土表层土壤有机质锐减，耕作层变浅，犁底层增厚，土壤物理、化学和生物学等性质恶化[2]，加之东北区域内部分土壤类型存在原生障碍，例如白浆土的白浆层等，严重影响了东北黑土区粮食生产的可持续性。对东北黑土地实施保护性利用，全面提升黑土肥力已经成为当前急需解决的重大问题[3]。为此，我国农业农村部于2017年出台了《东北黑土地保护规划纲要（2017—2030）》（http://journal.crnews.net/nybgb/2017n/dqq/xygh/86820

_20180131023745.html)），旨在有效遏制黑土地退化，持续提升黑土耕地质量；其规定中东北黑土地主要包括黑土、黑钙土、棕壤、暗棕壤、白浆土和草甸土所分布的地区。在我国农业生产中每年产生大量的秸秆和畜禽粪尿[4-5]，如果处理不当将带来一系列的生态环境问题，例如秸秆田间焚烧释放大量的温室气体和颗粒污染物[6]，畜禽粪尿已经成为面源污染的主要来源[5]；同时，作为有机物料，秸秆和畜禽粪尿中富含有机质和营养元素[7-8]，还田后具有培肥土壤的功能[9-10]。实践已经证明，有机物料（秸秆和来源于畜禽粪便的有机肥）还田已经是一种环境友好型和低成本的利用方式[8,11]。因此，探讨有机物料还田对东北黑土地主要土壤类型旱地土壤肥力和玉米产量的影响，对实现东北黑土地保护性利用及有机物料合理利用具有重要的应用价值。关于土壤耕层构造和培肥的相关研究前人已经进行了大量的工作[12-13]，结果表明，全虚耕层（采用全方位深松机深松0～35 cm土层构建的耕层结构）能够提高土壤蓄水能力、玉米产量和水分利用效率[14]，但是这种耕作方式对耕层结构影响的时效性较短[15]，同时仅改善了耕层结构并未进行培肥。以改善耕层结构和提高耕层肥力为目标，学者们开展了结合深耕利用有机物料进行亚耕层（20～35 cm）培肥的相关工作[16]，这种方式能够显著降低亚耕层土壤容重，增加土壤饱和导水率[18]和有机质含量[15,18]，促进作物对亚耕层中水分和养分的利用[19]，进而提高作物产量，但是这种方式仅对亚耕层进行培肥。从0～35 cm全土层培肥角度出发，韩晓增等[20-21]提出了将秸秆和有机肥等有机物料深混于0～35 cm土层的肥沃耕层构建方法，它能够打破犁底层，加厚耕作层和提高0~35 cm土层的土壤肥力。田间试验结果表明，肥沃耕层构建的时效是3~6年[3]，是一种有效的全耕层（0～35 cm）培肥新技术，对东北黑土地保护性利用具有重要指导性作用[3,22]。东北黑土地主要类型耕地中除了草甸土以外均属于地带性土壤，从北到南依次是暗棕壤、黑土、黑钙土、白浆土、棕壤和褐土，它们在生态气候、土壤质地和土壤肥力等方面均存在较大差异。目前，肥沃耕层构建方法集中在中厚黑土上[21]，关于肥沃耕层构建方法对不同黑土类型旱地土壤肥力和作物产量的影响还鲜有报道。因此，本研究采用田间小区试验和大面积示范相结合的方法，探查了不同肥沃耕层构建方法对东北黑土旱地土壤肥力和玉米产量的影响，明确了不同土壤类型最佳的肥沃耕层构建方法，以期为东北黑土地保护性利用和有机物料合理还田提供理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 试验区概况

本研究在中国东北地区选取了9个试验点进行肥沃耕层构建试验与示范的设置，南部位于辽宁省瓦房店市（棕壤），北部位于黑龙江省黑河市（暗棕壤），西部位于黑龙江省龙江县（黑钙土），东部位于黑龙江省富锦市（白浆土），各试验示范点在生态气候和土壤类型上具有明显的区域特征（表1）。

1.2 试验设计

本研究中9个试验点分别设立于2015—2019年间（表2）。试验处理包括当地农民常规处理（CK）、玉米秸秆深混构建肥沃耕层（CFI）、玉米秸秆和有机肥深混构建肥沃耕层（CFII）。CK：作物收获后，秸秆移除田块，然后使用旋耕机或者圆盘耙整地至待播种状态，机械作业深度15～20 cm；CFI：玉米收获后秸秆粉碎至≤10 cm，抛撒在田面上，采用机械或者人工将秸秆深混于0～35 cm土层（大区使用螺旋式犁壁犁，小区使用铁锹），晒垡4~5 d后耙地至待播种状态；CFII：玉米收获后秸秆粉碎至≤10 cm，抛撒在田面上，然后再抛撒有机肥，采用机械或者人工将秸秆和有机肥深混于0～35 cm土层（大区使用螺旋式犁壁犁，小区使用铁锹），晒垡4~5 d后耙地至待播种状态。CFI和CFII处理每年秸秆或者秸秆配合有机肥的施用量及施用方式均相同。龙江和富锦试验点为小区试验，小区面积见表2，每个处理间隔0.67 m，每排重复间隔1 m，3次重复，随机排列。黑河、海伦、双城、公主岭、铁岭、阜蒙和瓦房店示范点为大区试验，区域内地势平坦，坡度均小于2°，大区面积见表2，无重复。CFI处理开展小区试验的试验点玉米秸秆还田量为10000 kg•hm-2，开展大区示范的试验点进行玉米秸秆全量还田；CFII处理中有机肥的来源为畜禽粪便，还田量为30000 kg•hm-2（烘干重，有机质含量≥45%），玉米秸秆还田量与CFI处理一致。每个试验点玉米的化肥施用量相同（表2）。60%的氮肥和全部的磷钾肥作为基肥，播种时施入；40%的氮肥作为追肥，拔节时施入。9个试验点作物种植方式为玉米连作，作物生育期内均无灌溉。试验小区和示范区除了秋整地时构建肥沃耕层以外，其他田间管理措施均与当地相同。

1.3 样品采集、处理与分析

各试验点在试验开始前和2019年作物收获后，均在每个小区多点分层采集0～15 cm和15～35 cm、每个大区分层采集0～20 cm和20～35 cm土壤样品，多点混合制样，风干后过筛备用。富锦和龙江试验点，每个小区的采样点为5个；黑河、海伦、双城、公主岭、铁岭、阜蒙和瓦房店示范点，每个大区内部划分为3个小区作为假重复，每个小区内采样点为10个（S形采样）。

土壤有机质和全氮采用元素分析仪测定（Elementar, Germany），pH值、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾的测定参考文献[23]。

1.4 计算方法

为了评价亚耕层的土壤肥力，本研究定义了亚耕层不同肥力指标的丰富度指数如下：亚耕层有机质丰富度指数（ROM）=亚耕层有机质含量（g•kg-1）/耕作层有机质含量（g•kg-1）。亚耕层碱解氮丰富度指数（RAN）、速效磷丰富度指数（RAP）、速效钾丰富度指数（RAK）计算方法与有机质相同。其中，耕作层的深度为0～15 cm（小区试验）或者0～20 cm（大区示范），亚耕层的深度为15～35 cm（小区试验）或者20～35 cm（大区示范）。

1.5 数据处理

数据采用SPSS 17.0进行单因素方差分析（one-way ANOVA），分析肥沃耕层构建方式对玉米产量的影响，多重比较采用Duncan法（P=0.05）。采用SPSS 17.0进行玉米产量增加量与土壤肥力增加值，玉米产量与有效积温、亚耕层土壤肥力指标丰富度的Pearson相关性分析。使用SigmaPlot 14.0画图。

2结果与分析

2.1研究区域的土壤肥力指标

9个试验点耕层土壤有机质和全氮含量从北到南呈现减少的趋势（表3）。耕层土壤有机质和全氮分别为15.1～43.8和0.76～2.15 g•kg-1，平均含量分别为28.1和1.42 g•kg-1；黑河暗棕壤的含量最高，达到了43.8和2.15 g•kg-1，阜蒙褐土的含量最低，仅为15.1和0.76 g•kg-1。土壤全磷含量为0.35～0.73 g•kg-1，平均含量为0.55 g•kg-1；全钾含量为19.2～21.9 g•kg-1，平均含量为20.4 g•kg-1。碱解氮、速效磷和速效钾含量变幅均较大，平均值分别为144.3、22.0和117.4 mg•kg-1。pH值为5.56～7.81，平均值为6.30，除了龙江黑钙土的pH值为7.81外，其他试验点pH值均小于7。所有试验点除了pH值外，其他土壤肥力指标均表现为亚耕层＜耕作层（表3）。亚耕层土壤有机质含量为13.0～35.1 g•kg-1，平均含量为21.3 g kg-1，海伦的含量最高，达到了35.1 g•kg-1，富锦的含量最低，仅为13.0 g•kg-1。土壤全氮含量为0.62～1.48 g•kg-1，平均值为1.07 g kg-1，黑河、海伦和公主岭的含量在1.00 g•kg-1以上。全磷含量为0.31～0.68 g•kg-1，平均含量为0.51 g•kg-1；土壤全钾含量为18.4～24.7 g•kg-1，平均含量为20.40 g•kg-1。土壤速效养分变异均较大，碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为51.5～205.2、7.00～27.7和49～176 mg•kg-1。pH值平均为6.51，除了双城、公主岭和铁岭以外，pH值均在6以上，龙江黑钙土高达8.12。

由表4可知，土壤类型是影响亚耕层土壤肥力丰富度的主要因素。有机质丰富度在公主岭高达0.97，在海伦、铁岭、阜蒙和瓦房店均大于0.86，富锦最小，为0.41。碱解氮丰富度在公主岭和瓦房店均高达0.93，海伦、龙江、铁岭和阜蒙大于0.82，黑河最小，为0.43。速效磷的丰富度均≤0.88，在双城、公主岭、铁岭、阜蒙和瓦房店≥0.81，在黑河和龙江均≤0.57。公主岭、阜蒙和瓦房店的速效钾丰富度在0.93以上，海伦、双城和铁岭为0.86～0.89。铁岭、阜蒙和瓦房店亚耕层肥力指标的丰富度均≥0.83，是因为上述3个试验点0～35 cm土层土壤肥力整体偏低，耕层和亚耕层之间有机质和速效养分含量差异较小（表3）。综合亚耕层有机质和速效养分丰富度（表4）、0～35 cm土层土壤养分含量（表3）和每个土壤的障碍类型[3]，将9个试验点土壤肥力特点划分为4组，海伦中厚黑土和公主岭草甸土的特点是耕作层薄、犁底层厚，龙江黑钙土和双城薄层黑土的特点是耕作层浅、犁底层厚和亚耕层贫瘠，铁岭和瓦房店棕壤、阜蒙褐土的特点是0～35 cm全层相对贫瘠，富锦白浆土和黑河暗棕壤的特点是黑土层薄、存在障碍层（白浆层和犁底层）和亚耕层贫瘠。在肥沃耕层构建过程中建议根据不同土壤类型的特点选择适宜的构建方式。

2.2肥沃耕层构建对土壤肥力指标的影响

选取试验时长在两年以上的海伦、双城、铁岭、阜蒙和瓦房店为对象，分析了肥沃耕层构建方法对土壤肥力指标的影响（图2）。经过2年以上肥沃耕层构建后，CFI和CFII处理均提高了耕作层和亚耕层土壤的肥力指标（除了铁岭CFI处理耕作层速效磷和速效钾以外）。试验点耕作层土壤有机质含量平均增加了1.85 g•kg-1，海伦增加量达到最大值，CFI和CFII处理分别增加了1.4和6.5 g•kg-1；而CFI处理在瓦房店，CFII处理在双城的增加量是最小的，分别为0.1和1.5 g•kg-1。CFI和CFII处理亚耕层土壤有机质分别增加了0.86～5.3和2.6～9.9 g•kg-1；全土层（0～35 cm）土壤有机质分别增加了0.5～3.1和2.5～8.0 g•kg-1。肥沃耕层构建后耕作层土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量平均分别增加了20.16、1.56和17.2 mg•kg-1；除了CFII处理的速效磷外，海伦碱解氮、速效磷和速效钾增加量最多，CFI处理铁岭速效磷和速效钾含量减少。亚耕层碱解氮、速效磷和速效钾含量平均分别增加了32.2、3.74和21.04 mg•kg-1；海伦碱解氮和速效钾的增加量达到最大值，双城速效磷的增加量达到最大值。从0～35 cm全土层分析，与起始土壤相比，肥沃耕层构建后土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别平均增加了2.81 g•kg-1、25.3 mg•kg-1、2.51 mg•kg-1和19.0 mg•kg-1，除了CFI处理的速效磷以外，海伦的土壤肥力指标的增加量均达到了最大值。

采用配对样本T检验的方法，分析CK与CFI处理、CK与CFII处理对土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量的影响（表5）。与CK相比，CFI处理显著增加了耕作层和亚耕层土壤有机质和速效磷含量，极显著增加了亚耕层速效钾含量；CFII处理显著增加了耕层和亚耕层土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量。

2.3肥沃耕层构建对玉米产量的影响

受土壤类型、水热条件和玉米品种等综合因素的影响，9个试验点玉米产量差异较大，为6622～8952 kg•hm-2，在气候带上从北到南表现出增加的趋势（表6）。肥沃耕层构建处理均显著增加了9个试验点的玉米产量。与CK相比，CFI处理玉米产量增幅为6.7%～19.5%，海伦的增产幅度最大，为19.5%，黑河、富锦、双城和龙江的增产幅度均≤7.9%，其余均在10.3%以上。与CK相比，CFII处理玉米产量增幅为19.0%～26.7%，黑河的增产幅度最大，为26.7%，双城和瓦房店的增产幅度≤19.9%，其余均在20.6%以上。所有试验点CFI和CFII处理间玉米产量差异显著，与CFI处理相比，CFII处理玉米产量增加了4.0%～18.7%，其中黑河、龙江、双城、铁岭和阜蒙的增加幅度在10.0%以上。

通过分析亚耕层土壤肥力相对丰富度、有效积温和降水与玉米产量的关系发现，亚耕层速效磷和速效钾的丰富度、有效积温与玉米产量之间存在P<0.05的水平上显著相关，而土壤有机质和碱解氮的丰富度及降水与玉米产量之间没有相关性（表7）。

根据研究区域的热量分布将海伦中厚黑土和双城薄层黑土划分为一组，把铁岭棕壤、阜蒙褐土和瓦房店棕壤划分为一组，分别进行玉米产量增加量与土壤有机质及速效养分增加量的相关分析（表8）。海伦和双城的相关分析表明，仅0～20 cm土层土壤碱解氮含量的增加量与产量增加量之间呈显著正相关关系（P<0.05），说明对于黑土来说土壤肥力并不是限制玉米产量的唯一因素，以玉米高产为目标的黑土培肥过程中还必须考虑土壤物理及生物性质改善对作物产量的提升作用[1]。铁岭、阜蒙和瓦房店的相关分析表明，玉米产量增加量与耕作层和亚耕层土壤有机质含量增加量之间呈极显著正相关（P<0.01），与碱解氮含量增量呈显著正相关（P<0.05），与亚耕层速效钾含量增加量呈正相关关系（P<0.05）。上述结果说明土壤有机质和碱解氮含量是限制该区域内棕壤和褐土玉米产量的主要因素，同时在培肥过程中还应该注意亚耕层速效钾含量的提升。

通过分析5个两年以上试验点的土壤有机质及速效养分增加量对玉米增产的贡献发现（表9），对于0~35 cm土层，有机质含量的增加量对玉米增产的贡献率最大，而0~20 cm土层碱解氮含量的增加量对玉米增产的贡献率最大，20~35 cm土层速效钾含量的增加量对玉米增产的贡献率最大。此结果说明，不同土层的土壤肥力指标对玉米增产的贡献率存在差异，在以提高玉米产量为核心的土壤培肥实践中建议调控相应土层的土壤肥力指标，以达到最佳玉米产量。

3讨论

3.1有机物料还田对土壤有机质的影响

有机物料还田（秸秆和有机肥）能够显著提高土壤有机质含量，促进有机质在土壤中积累和转化[10, 24]，但是不同还田方式对土壤有机质的影响存在较大差异[10,25]。大量研究表明秸秆覆盖能够显著增加土壤有机质含量[25,26]，但是Zhao等通过meta-analysis分析发现，与免耕秸秆覆盖相比，传统耕作下秸秆还田对土壤有机质的增加更为显著[27]，其原因可能是免耕秸秆覆盖仅增加了0～5 cm或者0～10 cm土层有机质含量[28]，但是该研究中综合考虑了0～20 cm土层中的土壤有机质含量，而传统耕作中秸秆还田增加了0～20 cm土层的有机质含量[29]。本研究中将有机物料深混进入0～35 cm土层后，耕作层（0～15 cm或0～20 cm）和亚耕层（15～35 cm或20～35 cm）土壤有机质含量分别增加了0.1～1.4 g•kg-1和0.86～5.3 g•kg-1（图1），说明有机物料深混还田不仅能够提高耕作层土壤有机质含量[24,29]，同时显著增加亚耕层有机质含量，其主要原因是有机物料深混过程中首先打破了犁底层[30]，通过土层翻转作业使有机质含量较高的表层土壤下移，同时促进根系下扎，通过根系残茬归还到土壤中的有机质增多[21]，更重要的原因是有机物料深混过程中向0～35 cm土层带入了大量的玉米秸秆或者玉米秸秆和有机肥，其在微生物的作用形成土壤有机质在土壤深层次进行积累[17,21]。肥沃耕层构建后CFI处理耕作层和亚耕层土壤有机质分别增加了0.6%～3.6%和5.8%～25.5%，CFII处理耕作层和亚耕层土壤有机质增加了5.3%～16.5%和17.5%～28.2%，表明肥沃耕层构建后，与耕作层相比，亚耕层土壤有机质增加的幅度相对较大（表3和图1）。0～20 cm耕作层土壤的孔隙和微生物丰富度均优于20～35 cm亚耕层，使得该土层土壤的通气条件良好，有利于提高微生物和酶的活性，促进0～20 cm土层中有机物料的分解，而20～35 cm土层恰好相反，有利于土壤有机质的积累[17]。

有机物料来源和输入量是影响土壤有机质积累与稳定的最重要因素[10]。研究表明不同有机物料对土壤有机质的影响表现为秸秆>厩肥>堆肥>绿肥[31]。梁尧等在黑土上的研究表明在提高土壤有机碳储量方面，秸秆还田的效果优于有机肥还田[32]。本研究中设置了单独玉米秸秆深混还田处理（CFI）和玉米秸秆配合有机肥深混还田处理（CFII），9个试验点的研究结果表明CFII处理对土壤有机质的提升效果均优于CFI处理（图1）。与CFI相比，CFII的耕作层和亚耕层土壤有机质含量分别增加了1.4%～15.9%和1.5%～11.9%。最主要的原因是CFII处理肥沃耕层构建过程中增加了有机物料的投入量，促进了土壤中有机质的积累。研究已经证实土壤总有机碳与有机物料输入量之间呈极显著正相关关系[32]。虽然随着有机物料输入的不断增加，土壤有机碳会达到动态平衡，并在保持相对稳定[33]，但是只要继续增施有机肥就能提高土壤有机碳的平衡点[34]，因此，加大有机物料的投入是提升黑土地有机质的有效途径[35]。肥沃耕层构建后不同试验地点间土壤有机质增加量差异较大，可能与起始土壤有机质含量、pH和C/N，试验年限及气候条件等密切相关[29,36]。不同试验点温度之间的差异能够影响土壤中微生物的群落组成和结构，进而影响秸秆的分解速率[37]，导致土壤有机质含量出现差异。试验年限相同的铁岭、阜蒙和瓦房店的CFI处理土壤有机质增加量随着从北到南的地理位置逐渐减小（图1），与Sun等发现一致，气候条件特别是地理位置是影响秸秆分解、有机质积累的主要因素[37]。海伦由于试验年限最长，有机物料累计输入量高于其他试验点，所以海伦有机质的增加量是最多了，而其他试验点由于试验年限较短，有机物料累计输入相对较少，土壤有机质的增加量小于海伦。CFI处理试验点从北到南每年土壤有机质的增加量呈逐渐减少趋势，耕层在0.05～0.37 g•kg-1之间，亚耕层在0.43～1.73 g•kg-1之间，秸秆和有机肥配合还田增进一步提高了土壤有机质每年的增加量。

3.2有机物料还田对土壤养分的影响

有机物料还田不仅是土壤中养分的重要来源，也是提高土壤中养分有效性的有效途径[10]。大量研究已经证明有机物料还田能够提高土壤肥力，作物产量提高1.7%～145.8%[9]。秸秆和有机肥中含有大量的氮、磷、钾及中、微量营养元素[38]，进入土壤后在微生物分解过程中释放出速效养分供给作物直接吸收利用[39]，同时秸秆在分解过程中通过影响土壤pH、酶活性、微生物群落结构及丰富度等，增加土壤中溶磷菌数量，活化土壤中的氮、磷和钾养分，使其转化为能够被作物吸收利用的速效养分[40]。本研究中海伦、双城、铁岭、阜蒙和瓦房店通过2—6年连续进行玉米秸秆深混还田和玉米秸秆配施有机肥深混还田构建肥沃耕层构建后，与起始土壤相比，碱解氮、速效磷和速效钾含量分别增加了1.9～41.1 mg•kg-1、0.6～3.9 mg•kg-1和8.3～28.0 mg•kg-1（图1）。玉米秸秆全量还田能够提供作物生长需要的全部K2O，大部分P2O5和少部分N[41]。但是本中研究玉米秸秆深混还田条件下铁岭速效磷和速效钾含量均表现为略有下降，可能与试验年限短、累计通过玉米秸秆还田带入土壤中的速效磷和速效钾未能补充被作物吸收利用的部分[27]。一个29年的长期定位试验研究结果表明长期秸秆还田配合钾肥施用能够缓解0～30 cm土层中钾的消耗[42]。耕作深度能够影响土壤养分在剖面分布[10]。本研究中通过玉米秸秆和玉米秸秆配合有机肥深混进入0～35 cm土层，不仅增加了耕作层中的速效养分含量，也增加了亚耕层中速效养分含量（图1），而且整体上速效养分的增加量表现为亚耕层>耕作层。一个连续3年秸秆还田试验的研究结果表明，与对照相比，耕作层碱解氮、速效磷和速效钾含量分别增加了1.8%～8.4%、5.5%～14.7%和1.8～5.3%，亚耕层分别增加了6.2%～30.8%、1.7%～3.0%和4.3%～14.0%[16]，说明秸秆深混进入深层土壤有利于提高土壤中养分积累[21]，与本研究结果相一致。本研究结果表明，通过将机物料深混进入0～35 cm土层，能够全面提高耕作层和亚耕层的土壤肥力，实现构建肥沃深厚耕作层的目标。我国有机物料资源每年约57亿t，其中包括38亿t畜禽粪尿、8亿t人粪尿和10亿t作物秸秆[8]。目前作物秸秆氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）养分还田量分别为304.6万t、175.6万t和966.7万t，占秸秆养分资源量的比例分别为39.3%，70.5%和72.0%[7]；通过有机肥归还到土壤中的养分仅占有机肥养分资源总量的34.0%[8]，这表明秸秆和有机肥还田比例及养分还田比例仍然有很大的提升空间，通过增加秸秆和有机肥还田量提升耕地地力是可以实现的。

研究结果表明有机肥在养分供应和改善土壤理化性质方面优于根茬及秸秆还田[43]。本研究中CFI处理仅施用了玉米秸秆，CFII处理则为玉米秸秆和有机肥配合施用。有机肥在CFII处理中除了分解后能够释放大量的养分以外，还具有激发玉米秸秆快速转化的功能[44]。有机肥中含有大量的生物活性物质，微生物的活动可以加速玉米秸秆和土壤有机物质的分解并释放养分[45]。王丽娜研究表明秸秆还田配施有机肥有利于增加土壤微生物数量和酶活性，显著改善土壤肥力[46]。本研究中CFII比CFI处理土壤速效养分含量的增加量在耕作层增加了44.1%、1.7倍和1.7倍，亚耕层增加了20.1%、2.8倍和1.2倍（图1）。薛卫杰等研究表明与单独秸秆还田相比，秸秆配施有机肥还田能够显著增加土壤中微生物量氮、矿质态氮和速效钾含量等[47]。同时，有机肥含有的速效养分含量也是CFII处理土壤速效养分高于CFI处理的原因之一[47]。因此，通过深混的方式将有机物料还入0～35 cm土层，能够有效地提高全层土壤的肥力水平，实现构建肥沃耕层的目标。

3.3区域条件和农业管理措施对玉米产量的影响

不同区域玉米产量受品种、降水、积温、耕作栽培方式及有机和无机肥施用等综合因素的影响[48]。研究区域从北到南年降水量没有明显的变化规律，在400～650 mm之间，但是≥10℃有效积温和无霜期呈现增加的趋势（表1）。玉米产量与≥10℃有效积温之间呈显著的正相关关系（P<0.05）（表7），说明热量是驱动作物产量的一个重要因素[27,49]。通过相关分析还发现玉米产量与亚耕层速效磷和速效钾的丰富度呈显著正相关（P<0.05），说明亚耕层土壤速效磷和速效钾的养分状况是影响不同试验点间玉米产量的因素之一，可以通过深耕结合有机物料深还的方式提升亚耕层土壤养分含量，进而提高玉米产量[15]。本研究表明，通过有机物料深混的方式进行土壤0～35 cm全层培肥，能够提高土壤全层的有机质含量和养分（图1）。

耕作和有机物料还田深度是影响作物产量的重要因素之一[15,21]，通过有机物料深混还田，加深和调控耕作层，是实现作物增产的有效途径[51]。研究区域内，与常规耕作相比不同肥沃耕层构建方法均显著增加了玉米产量（表6），与已有报道的结论相一致[20]。在粘壤质的黑土上研究发现，玉米产量并没有随着还田深度的增加而增加，而是在深度为0～35 cm时达到了最大值[20]。与传统的旋耕相比，增加有机物料还田深度能够打破犁底层，降低土壤容重，增加蓄水和供水能力，为作物根系创造良好的生长环境[15,51]，增加作物对土壤中水分和养分的吸收利用[52]，进而提高产量。但是在以高产为目标的土壤培肥管理过程中，还应该充分考虑土壤类型及质地等相关立地条件对作物产量的影响[53]。针对不同的土壤类型，因地制宜的采取相应的农艺措施。本研究中海伦中厚黑土和公主岭草甸属于整体肥力较高的土壤类型（表3），在农业利用中的主要问题是土壤耕层薄、犁底层厚等因素限制了土壤中的水热传导和作物根系生长（表4）[3]，进而影响作物产量。本研究中海伦和公主岭仅采用秸秆深混肥沃耕层构建方式，玉米产量分别显著提高了19.5%和15.9%。因此，土壤肥力相对较高土壤类型建议采用玉米秸秆深混还田的方式打破犁底层，加厚耕作层，达到耕层扩库增容的目标。对于双城薄层黑土、龙江黑钙土、阜蒙褐土、铁岭和瓦房店棕壤，其主要问题是亚耕层（双城薄层黑土和龙江黑钙土）或者0～35 cm土层（阜蒙褐土、铁岭和瓦房店棕壤）土壤比较贫瘠（表2），特别是亚耕层土壤有机质含量及养分含量偏低，限制了该层次中养分供给[3,54]。上述土壤类型中玉米产量在秸秆深混肥沃耕层构建技术中增产7.1%～14.6%，但是在秸秆深混时增施有机肥，其产量进一步增加了5.3～11.1个百分点，说明对于此类土壤，采用玉米秸秆和有机肥深混还田增产潜力较大。增施有机肥可以起到增加养分供应和改善土壤结构的双重效果[50]。对于障碍性土壤（富锦白浆土）和黑土层薄（暗棕壤）的土壤类型，农业利用中的主要问题是障碍层的存在和黑土层薄，导致0～35 cm土层整体肥力下降[3]。本研究中白浆土和暗棕壤的亚耕层肥沃度均小于0.68，说明耕层和亚耕层土壤肥力差异较大，因此在土壤培肥过程中应该在打破犁底层的同时增施有机物料，加厚耕作层和增加养分库容同时进行。白浆土和暗棕壤玉米秸秆深混肥沃耕层构建后玉米产量仅增加了6.7%和7.5%，而当采用玉米秸秆和有机肥深混构建肥沃耕层后产量分别进一步增加了20.0和18.2个百分点，同样说明了有机物料的施用特别是有机肥的施用对于增加白浆土和暗棕壤产量具有重要作用。肥沃耕层构建技术对土壤物理性质的改善也是提高作物产量的重要原因之一[15,17]，在未来的工作中将加强这方面的研究。

4结语

东北黑土地不同土壤类型旱地的土壤肥力特点表现为中厚黑土和草甸土耕层、亚耕层肥力水平整体较高，薄层黑土、黑钙土、棕壤和褐土耕层和亚耕层整体肥力水平较低，白浆土和暗棕壤亚耕层肥力水平较低。通过玉米秸秆深混和玉米秸秆配合有机肥深混能够提高上述土壤类型0～35 cm土层土壤有机质及碱解氮、磷和钾的含量，其中玉米秸秆配合有机肥深混还田效果优于玉米秸秆深混还田。肥沃耕层构建方法通过耕层扩库增容、加厚耕作层、调控耕作层肥力进而提高玉米产量，不同处理玉米产量表现为玉米秸秆配合有机肥深混肥沃耕层构建技术＞玉米秸秆深混肥沃耕层构建技术＞农民常规。玉米在不同土壤类型上对肥沃耕层构建技术的响应是不一致的，其中在土壤肥力整体水平较高的黑土和草甸土，玉米秸秆深混还田构建肥沃耕层就能够显著提高玉米的产量；在耕作层和亚耕层整体肥力水平较低（薄层黑土、黑钙土、棕壤和褐土）、亚耕层肥力水平较低同时存在障碍层（白浆土和暗棕壤）的土壤上在玉米秸秆深混还田的同时需要增施有机肥，进一步补充由于耕层和亚耕层混合导致的土壤肥力下降，进而提高玉米产量。因此，在东北黑土区以有机物料深混还田为核心的肥沃耕层构建技术是遏制黑退化、提高土壤肥力和玉米产量的有效途径，建议不同区域根据土壤类型、有机物料来源等采取相应的肥沃耕层构建方法；同时在有机肥源充足的条件下建议采用秸秆配合有机肥深混构建肥沃耕层。

随着农用机械的发展，肥沃耕层构建技术具有广泛的应用前景。但是受机械作业成本和机械整地季节性的影响，在技术应用过程中建议与免耕、少耕等耕作技术进行融合，同时配套玉米和大豆轮作、测土配方施肥等技术，以期实现土壤培肥、黑土地保护性利用和经济效益共赢的目标。

参考文献略

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