季节性冻融对黑土区机械耕作土壤结构的影响机制

Soil structure is a basic component of soil quality and is fundamental to perform function. Mechanical tillage in black soil region of Northeast China is one of the essential factors to affect soil structure. Previous studies on mechanical tillage in this area mainly focused on soil compaction, ignoring the influence of seasonal freezing-thawing cycles and its interaction with mechanical tillage on soil structure. This fund project aims to (1) proclaim the negative and positive effects of mechanical tillage; (2) clarify the seasonal freeze-thaw cycles characterization under mechanical tillage condition and the interaction relationship between soil structure induced by mechanical tillage and seasonal freeze-thaw cycles; (3) try to interpret the recovery mechanics of compacted soil undergoes seasonal soil freeze-thaw cycles by combining field mechanical tillage method to simulated mechanical tillage method, and combining the method of seasonal freeze-thaw cycles in the field to simulated freeze-thaw cycles in the lab. The final goal is to lay a foundation for understanding the relationship between mechanical tillage and seasonal freeze-thaw cycles in black soil region of China and further instruct mechanical tillage operation.

土壤结构是反映土壤质量、实现土壤功能的基础。耕作，尤其是大机械作业是影响东北黑土区土壤结构的重要因素之一，以往关于机械作业对土壤结构与质量影响的研究主要集中在土壤压实的特征、危害、影响因素等方面，忽略了季节性冻融的作用，特别是将机械作业与季节性冻融相结合，探讨其对土壤结构交互影响的作用机制，国内外尚未见报道。本研究选择黑龙江省克山农场典型黑土机械耕作土壤为研究对象，结合机械作业过程和模拟机械压实试验、季节性冻融以及室内模拟冻融实验，探讨大机械作业对耕地土壤结构影响的正负效益；阐明机械作业条件下典型黑土季节性冻融过程中土壤水分与热量条件的动态变化规律；辨析机械耕作导致土壤结构的变化与季节性冻融过程之间的交互作用关系；探明模拟条件下冻融循环过程和冻融交替次数对压实土壤结构的影响，为揭示季节性冻融对机械压实土壤结构的恢复机制和科学指导机械作业提供理论依据和参考。

东北黑土区机械作业对耕作土壤结构影响存在正负两方面的效应，既可以改善耕作区土壤环境、促进作物生长、提高产量，同时也对下层非耕作区土壤产生了积累压实作用。这种作用由于不在耕作、大型动物的活动范围影响之内，所以一旦形成将长期存在。本项目基于东北黑土区存在着强烈的冻融交替过程，所以季节性冻融交替可能成为缓解、改善下层土壤累积压实的有效驱动因子的假设，通过田间模拟机械压实与土壤剖面调查、水热动态同步监测相结合的方法，研究了机械压实对农田黑土结构的影响规律、压实黑土季节性冻融动态变化、压实-整地与季节性冻融对黑土结构的交互作用、冻融交替对压实黑土结构的恢复机制。研究表明：冻融交替能够对不同土层和不同尺度的耕地黑土结构、大团聚体、微团聚体产生不同程度的影响，甚至能够改变土壤颗粒表面化学特征。季节性冻融对黑土微团聚体组成及稳定性的影响在时间和空间上均存在差异性，空间差异性主要表现为增加表层土壤微团聚体的稳定性，降低亚表层和下层土壤微团聚体的稳定性；时间差异性则在于一季冻融主要显著增加无压实土壤微团聚体的稳定性，而二季冻融却显著降低无压实土壤微团聚体的稳定性。季节性冻融与机械压实的交互作用对土壤微团聚体组成及稳定性的影响主要表现为季节性冻融加剧少次压实土壤微团聚体的破坏、降低其稳定性，而对多次压实土壤微团聚体的组成及稳定性有一定的恢复作用。压实、整地以及季节性冻融的交互作用，即使没有对作物的产量产生显著影响，却可以降低作物的品质。本项目研究成果为全面阐释压实与黑土质量的关系奠定了理论基础、提供了新视角。