水蚀、风蚀和冻融侵蚀是东北黑土区水土流失的主要形式，其中水蚀面积最大为18万km²，占总侵蚀面积的65.2%^[1]。坡耕地是产生水土流失的主要策源地，东北黑土区坡耕地面积1 280万hm²，占耕地总面积的60%，且多分布在3°~15°坡面上^[2]。坡耕地水土流失发生的自然因素包括漫川漫岗波状起伏地形、坡缓、坡长（500~2 000 m），导致坡耕地集雨面积大、径流集中、冲刷力增强^[3]。而长期翻耕、秸秆焚烧或离田、重用轻养等人为因素导致表土流失、耕层浅薄、土壤渗透和抗蚀能力削弱，在降雨集中的夏季，加剧了地表径流和土壤水蚀现象的发生^[4]。因此，针对坡耕地的水土流失问题，因地制宜开展地力提升与水土流失阻控与防控技术，对于推动坡耕地的持续利用具有重要意义。

保护性耕作是将最小的土壤扰动（免耕、少耕）、土壤覆盖与轮耕相结合的耕作系统。通过轮耕能改善土壤结构，丰富土壤毛管体系，提高土壤蓄水量^[5-6]，促进作物的出苗与生长。在作物生长旺盛时期，地下水通过毛管上升水的输送，满足作物产量需求^[7]。秸秆覆盖还田是秸秆有效利用的重要途径之一。秸秆覆盖可减少地表蒸发，减缓地表结皮，增加土壤孔隙度和入渗能力^[8]。通过秸秆覆盖还可避免雨滴直接击打地面，延长产流时间，对雨水具有拦截和蓄存作用^[3]。本文通过在低山丘陵坡耕地上开展秸秆覆盖轮耕技术研究，分析秸秆覆盖还田休闲与耕作对土壤结构、水热变化及养分的影响，探索坡耕地适宜的耕作技术，为今后黑土区坡耕地因地制宜开展恢复和提升耕地质量的保护性耕作技术提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验区位于黑龙江省牡丹江市海林镇卜家村（44°60′N，129°58′E），半湿润中温带大陆性季风气候，年平均气温5.7 ℃，年平均降水量550 mm，平均活动积温2 400~2 600 ℃。土壤类型为砂土质暗棕壤，地形坡度5°~15°，试验地坡度为8°。

试验区1981—2010年30年间平均降水量为530.5 mm，降雨集中分布在7—8月，占全年降水量的46.2%，冬季和春季平均降水量和总降水量均较低。2020年全年降水量为650.4 mm，高于历年平均水平，但降雨分配不均现象明显。最高降雨时段出现在8月和9月，降雨量分别达到180 mm和142.3 mm，占全年降水量的49.6 %。1—4月和11—12月降水量仅为42.5 mm、30.5 mm，冬季少雪、春季干旱是当地显著的气候特征。

1.2 试验设计

田间试验以6行为1个试验小区，小区面积6行×0.60 m×200 m，设5次重复。试验小区内分为玉米种植区（4行，当季移除秸秆并旋耕）和秸秆覆盖区（2行，覆盖且当季休闲）。其中，秸秆覆盖还田于每年春季进行，将秸秆用集行机（9GHJ-H（4），长春）归行后直接覆盖地表；玉米种植区采用常规的根茬耙茬旋耕方式。

试验于2019年3月—2021年3月进行。2019年将4行种植区秸秆全部集行至2行秸秆覆盖区，该覆盖区当季为休耕模式，下一年度种植玉米。4行种植区2019年种植玉米，2020年将4行区中的2行与上一年度的2行秸秆覆盖区组合成新的种植区，而另外2行作为新的秸秆覆盖休闲区。至2021年4月取样期，试验小区由3个部分组成（每部分2行）：（1）覆盖休闲处理（SFT）：上年种植玉米、本年秸秆覆盖；（2）覆盖旋耕处理（SRT）：上年秸秆覆盖、本年种植玉米；（3）常规旋耕处理（CRT）：连续2年种植玉米、且无秸秆覆盖（表 1）。选择早熟、较耐密植的玉米品种，生育期120~130 d，种植密度为每公顷5 000株。施肥总量N- P₂O₅-K₂O为150- 100-50 kg·hm^–2，其中追施氮肥量为纯N 100 kg·hm^–2，田间管理措施保持一致。

1.3 测定项目与方法 1.3.1 调查方法

2020年在玉米播种后第15、30、35、45、60、70、75天用手持式土壤水分、温度测定仪（LTS，杭州绿博仪器有限公司），测定0~20 cm、20~40 cm土壤温度和含水量（%），并记录当日大气最高、最低温度及降雨量（mm），降雨量采用气象站（TRM-ZS2型，辽宁锦州）现场自动记录。

1.3.2 样品采集与测定

2020年秋季玉米成熟期每小区选取代表性3点，每点5 m²取样测产。采用高效玉米测产机（DSTDB，铁岭旭日农业技术开发有限公司）和金农星谷物小区测产系统（DSCA-1，铁岭东升京研高科）测产。按照（收获籽粒重÷收获样点实际面积）×[1–籽粒含水率（%）] ÷（1–14%）× 10 000（kg·hm^–2）计算产量。

2021年春季用环刀、土钻采集0~10 cm、10~20 cm和20~40 cm土样，每小区采集5点均匀混合为1个样品，3次重复。土壤含水量、土壤容重采用环刀法测定；采集0~20 cm土层土壤样品，自然风干后，测定土壤全量氮、磷、钾、有机碳等指标，参照常规方法^[9]。

1.4 数据处理

$ 有机碳储量{\rm{（SOCs）=C×P×T×0.1}} $

(1)

$ 全氮储量{\rm{（TNs）= TN×P×T }} $

(2)

式中，SOCs为某深度的土壤有机碳储量，t·hm^–2；TNs为某深度的土壤全氮储量，t·hm^–2；C为土壤有机碳含量，g·kg^–1；TN为土壤全氮含量，g·kg^–1；P为土壤容重，g·cm^–3；T为土壤厚度，cm。

试验数据用Excel 2013处理，SPSS 19.0软件邓肯（Duncan）法进行显著性检验。

2 结果 2.1 秸秆覆盖轮耕对土壤容重和含水量的影响

秸秆不还田条件下，长期翻耕作业通过机械的夯实作用易形成紧实的犁底层，耕层变浅，土体紧实、持水能力下降^[10]。由图 1a可见，常规旋耕和覆盖休闲处理土壤容重随土层深度呈增加趋势，0~10 cm土层容重分别为1.07 g·cm^–1和1.15 g·cm^–1，至20~40 cm土层分别达到1.56 g·cm^–1和1.41 g·cm^–1。覆盖旋耕处理显著降低了20~40 cm土层容重，较常规旋耕和覆盖休闲处理分别降低6.52 %和13.04 %。与容重变化趋势相反，常规旋耕处理土壤含水量随土层深度增加呈降低趋势（图 1b），20~40 cm土层含水量较0~10 cm表土层降低了31.39 %，较覆盖休闲与覆盖旋耕处理分别降低26.02 %和37.49 %，差异显著P（＜0.05）。无论是上季秸秆覆盖还是本季秸秆覆盖，对0~20 cm土层平均含水量影响差异均不显著，但覆盖旋耕后明显增加了20~40 cm土层含水量，较覆盖休闲与常规旋耕分别增加了8.35 %和27.27 %。

2.2 秸秆覆盖轮耕下玉米生育期内土壤温度的动态变化

秸秆覆盖对玉米生育期土壤温度变化有一定的影响。由图 2可见，0~40 cm土层以覆盖休闲处理土壤平均温度最低，0~20 cm和20~40 cm土层平均温度为15.85 ℃和13.93 ℃，较覆盖旋耕处理降低1.63 ℃和1.57 ℃，较常规旋耕处理降低1.6 ℃和1.82 ℃。随深度增加土壤温度降低，0~20 cm与20~40 cm土层温差覆盖休闲处理为1.92 ℃，覆盖旋耕与常规旋耕处理分别为1.96 ℃和1.67 ℃，差异不显著。随玉米生育期延长，覆盖休闲处理土温逐渐升高，秸秆覆盖的“降温”效应小于外界的“升温”变化^[11]。总体而言，随气温升高土壤温度升高，覆盖旋耕与常规旋耕处理间土壤温差变化趋势基本一致，高于覆盖休闲处理。

2.3 秸秆覆盖轮耕下玉米生育期内土壤含水量的动态变化

秸秆覆盖地表可减少地表蒸发、增加降雨入渗、增强土壤抗旱保墒能力。由图 3可见，0~40 cm土层以覆盖休闲处理土壤含水量最高，0~20 cm和20~40 cm土壤平均含水量为25.23%、28.73%，较覆盖旋耕处理分别增加24.41%、15.25%，较常规旋耕处理分别增加31.92%和22.92%。随玉米生育进程至第75天，在降雨量仅有9.6 mm而最高温度达到31.4 ℃条件下，覆盖休闲处理由于未种植作物耗水量减少，0~20 cm土壤蓄水量增加至34.72%，较覆盖旋耕和常规旋耕处理分别增加49.42%和56.5%，差异显著（P＜0.05）。干旱少雨条件下坡耕地地表蒸发量增大，而地表无覆盖蒸发量明显高于覆盖处理^[7-8]。与常规旋耕比较，覆盖旋耕处理0~20 cm和20~40 cm土壤含水量分别提高11.35%和9.95%，一定程度缓解了前期干旱对幼苗生长带来的不利影响。

2.4 秸秆覆盖轮耕对土壤碳氮养分的影响

秸秆不还田土壤有机碳库下降^[12]。通过秸秆覆盖还田能够促进土壤有机质在表层积累，使养分分布状况出现成层现象^[13]。由表 2可见，无论是当季秸秆覆盖的休耕处理，还是上季秸秆覆盖的旋耕处理，0~20 cm土层全氮、有机碳、水溶性碳及其储量均表现为增加趋势。与常规旋耕处理比较，秸秆覆盖处理土壤全氮平均提高9.63%，秸秆有机碳库储量平均增加25.74%。覆盖旋耕处理由于上季秸秆的腐解促进了土壤外源腐殖质的转化和积累，土壤水溶性碳较当季秸秆覆盖休闲处理增加15.61%。

2.5 秸秆覆盖轮耕对玉米产量的影响

由表 3可见，试验区玉米平均产量为10 788 kg·hm^–2，覆盖旋耕与常规旋耕处理玉米产量分别为10 542 kg·hm^–2和11 033 kg·hm^–2。覆盖旋耕处理虽增加了单位面积玉米株数，弥补了覆盖休闲区对产量带来的影响，但植株密度的增加可能通过影响单株结实而影响产量。短期内秸秆覆盖旋耕较无秸秆还田的常规旋耕处理玉米产量略有降低。

3 讨论

黑龙江省东南部低山丘陵区坡耕地面积占总耕地面积的50.35%，占中低产田面积的69.55%。由于表土层薄、砂石层浅、不宜翻耕，导致该地区长期以来以秸秆焚烧、离田、耙茬旋耕为主，造成土壤“跑水、跑肥、跑土”现象严重^[14]。因此，本研究以秸秆全量还田为前提，探索适于坡耕地的保护性耕作技术，研究秸秆覆盖还田耕作技术对土壤结构、水热变化及养分的影响。

3.1 秸秆覆盖轮耕对土壤物理性状的影响

土壤水的含量、运动变化对土壤气、热状况产生直接影响，同时还影响土壤中的生物过程及理化性质，从而影响土壤结构，进而调控退化土壤的恢复^[13，15]。已有研究表明，覆盖、免耕、留茬等保护性耕作技术可以降低蒸发、增加土壤入渗、减少水土流失^{[6，8，16-18]}。秸秆覆盖具有调节农田小气候的特点，在夏季气温较低的上午提高土壤表层温度，在气温较高的下午减缓土壤温度的升高。夏季休闲期免耕覆盖处理可提高播种前期土壤贮水量30.62 mm^[19]。本研究表明，在作物生长前期，秸秆覆盖休闲处理0~20 cm表层土壤温度较常规旋耕降低1.6℃，而土壤含水量提高24.41%（图 2a、3a、1b）。由于覆盖休闲处理未种植作物，所以前期温度虽有降低，但对玉米出苗及前期生长无影响。相反，由于试验区冬季少雪、春季少雨，前期1月—4月降水量仅为42.5 mm的干旱条件下，秸秆覆盖休闲处理土壤水分含量的增加对于缓解前期干旱、促进覆盖旋耕种植区出苗及前期生长创造了有利条件，这一点与李友军等^[20]研究一致。

长期频繁翻耕、旋耕和秸秆焚烧、离田是造成坡耕地表土流失、耕地质量下降的主要原因^[21]。与传统耕作处理相比，黑土区免耕加上秸秆覆盖处理可阻止坡耕地的表土流失，减少坡面径流量97.7%，减少侵蚀量98.9% ^[22]。本研究表明，与秸秆不还田的常规旋耕比较，无论当季秸秆覆盖还是上季秸秆覆盖处理均增加了0~20 cm表土层的容重，降低了20~40 cm亚耕层的土壤容重（图 1a）。同时，秸秆覆盖后土壤持水能力增强，播种前期20~40 cm土壤含水量覆盖休闲和覆盖旋耕较常规旋耕分别提高26.02%和37.49%（图 3b），与吴发启等^[13]研究一致。

坡耕地秸秆覆盖轮耕后更易形成“上实下虚”的土体结构，为根系生长提供充足有效的空间，同时促进土壤团聚结构的形成，利于退化土壤的修复。

3.2 秸秆覆盖轮耕对土壤碳氮储量的影响

坡耕地由于水土流失导致黑土层变薄，土壤有机质下降^[23]。有研究认为，实施秸秆覆盖虽然对黑土区土壤流失阻控率超过90%^[24]，但覆盖免耕恢复土壤质量可能所需时间更长^[24]。本研究表明，与秸秆不还田的常规旋耕方式比较，秸秆覆盖旋耕后0~20 cm土壤全氮和有机碳库储量平均提高9.63%和25.74% ^[25]。土壤有机碳增加幅度较大，与单位面积秸秆还田量有关^[26]，秸秆覆盖处理的秸秆还田量为不还田常规旋耕处理的2倍。覆盖旋耕处理对土壤养分库容的增加幅度高于覆盖休闲处理，这与上季腐解的秸秆在增进表层土壤生物多样性、刺激作物根系生长进而增强土壤碳库的积累和转化方面强于当季秸秆腐解的作用效果有关。

3.3 秸秆覆盖轮耕对作物产量的影响

关于保护性耕作对作物产量的影响已有诸多报。旱区坡耕地实施深松覆盖和免耕覆盖后，小麦的水肥利用效率提高，较常规耕作产量增加23.22%和15.38% ^[17]。机械灭茬免耕播种玉米产量也较常规耕作提高9.01%^[8]。也有研究认为，短期保护性耕作可能对产量并未有一定提升，但长期增产效果显著^[27]，其中，“低温效应”是导致保护性耕作对作物增产效果不显著的原因^[28]。保护性耕作带来的前期低温可影响冬小麦苗期生长发育，造成植株偏小，干物质积累迟缓。后期低温虽延长了小麦灌浆时间，但同时因减少蒸发而提供了相对较多的土壤水分，为提高小麦穗粒数和千粒重创造了前提条件^[29]。在东北冷凉地区研究表明，秸秆覆盖处理表现为玉米拔节前“降温”拔节后“增温”，其“降温”影响大于“增温”，导致玉米出苗晚，早期生长缓慢，整体表现为弱苗，拔节后秸秆覆盖处理的玉米虽长势强劲，但仍低于对照^[19]。本研究中，秸秆覆盖轮耕技术由两部分组成，其中覆盖休闲为当季秸秆覆盖且不种植作物，覆盖旋耕为上季秸秆覆盖本季种植作物，所以玉米出苗及前期生长受温度影响不明显；而秸秆覆盖后土壤含水量的增加，可有效缓解试验区春季干旱对出苗及前期生长的不利影响。栽培措施相同条件下，植株密度是决定玉米产量的主要因素之一。秸秆覆盖轮耕区单位面积玉米种植密度相对增加，随着秸秆还田、休闲与耕作的间歇式交替进行，坡耕地地力得以恢复和提升，产量差异会逐渐减小。

4 结论

本研究在坡耕地秸秆全量还田条件下，开展了秸秆覆盖休闲与旋耕相结合的轮耕技术研究。通过秸秆覆盖轮耕降低了20~40 cm土壤容重，播种前期土壤含水量提高26.02%，缓解了春季干旱的不利影响。秸秆覆盖轮耕后0~20 cm土层有机碳和全氮储量较常规耕作有不同程度提高。今后在坡耕地上实施保护性耕作技术时，将作物品种与矮化、促熟等栽培技术优化组合，对于坡耕地产能提升将具有促进作用。