黑土区保护性耕作下农田土壤孔隙结构及其表土水文效应研究

土壤孔隙结构及其表土水文效应研究对于了解土壤关键过程、制定科学的耕作管理措施、提升土壤质量意义重大。本项目针对传统耕作导致的北黑土区农田土壤质量退化问题，拟以保护性耕作（高光效苗带轮换交替休闲耕作、免耕秸秆还田、机械化深松）和传统耕作下的黑土区农田为研究对象，以土壤孔隙结构及其表土水文特性对不同耕作措施的响应为主线，借助长期定位试验站，采用野外原位监测、实验室分析、土壤切片数字化图像处理技术以及分形和多重分形理论等方法和手段，剖析不同耕作措施下黑土物理质量、孔隙形态结构特征及表土水文效应的差异性，探讨土壤孔隙结构参数与表土水文效应的关系，旨在揭示传统耕作致使黑土退化的物理机制，阐明保护性耕作措施改善土壤孔隙结构、防治土壤侵蚀、提升土壤物理质量的机理，为黑土区选择适宜的耕作措施和研究相关土壤过程提供科学参考，为明确长期保护性耕作下土壤质量的演变提供理论依据。

本项目以中国科学院东北地理与农业生态研究所德惠农业科技示范基地保护性耕作（高光效苗带轮换交替休闲耕作、免耕秸秆还田）和传统耕作下的黑土区农田为研究对象，系统研究了新型耕作（高光效苗带轮换交替休闲耕作）、短期免耕秸秆还田（3年免耕）和传统耕作对黑土区土壤有机碳、全氮储量、孔径分布、持水性能、蓄水保墒性能和土壤物理质量的影响，为黑土区选择适宜的耕作措施和研究相关土壤过程提供科学参考，为明确长期保护性耕作下土壤质量的演变提供理论依据，结论如下:. 采取保护性耕作措施能降低土壤容重(P<0.05)，对于0～20cm土层，新型耕作模式土壤容重显著低于传统耕作和3年免耕，而传统耕作和3年免耕之间差异不显著（P>0.05）；保护性耕作提高了土壤含水量，种植前新型耕作土壤含水量比传统耕作高达10%，作物生长期新型耕作0～100cm土壤剖面的平均含水量高于传统耕作33%，作物生长旺季（7～9月）新型耕作休耕1年带、休耕2年带和苗带0～100cm平均蓄水量均高于免耕均匀垄种植，分别比均匀垄平均多蓄积了102.4mm、78.4mm和16.0mm，分别增加了9.2%、7.4%和1.4%；保护性耕作改善了0～30cm土壤孔径的分布，新型耕作和3年免耕与传统耕作相比，导水孔隙分别增加了3.1倍和和2.3倍，贮水孔隙分别增加13%～38%和12%～16%，无效孔隙分别降低了1%～29%和5.9%～13%；与传统耕作相比，新型耕作和3年免耕提高了土壤的入渗率，非饱和导水率分别提高139%和53.73%，差异达到显著水平（P<0.05）。保护性耕作下土壤田间持水量、作物有效水含量和S值均显著增大，表明传统翻耕转变为保护性耕作后土壤物理质量总体上得到改善；保护性耕作增加了土壤0～10cm土层中有机碳和全氮的浓度，导致有机碳和全氮在土壤剖面中高度层化，在0～20cm土层传统耕作有机碳SR值大约为1，而3年免耕SR值变化范围1.05～1.15，新型耕作SR值变化范围为1.07-1.31，在0～20cm土层有机碳SR值较0～30cm土层SR值显著增加，而在30cm土层以下差异不显著。各处理间全氮SR值趋势与机碳SR值类似。以上结果表明新型耕作是东北黑土区比较适宜的耕作方式。