土壤结构控制土壤中一切过程,影响土壤水分养分保持及供应的调控能力,土壤有机质是土壤结构的重要构成物质,土壤有机质长期变化和输入有机物分解过程驱动土壤结构的形成和演变。有机物还田方式影响初始土壤结构,进而影响外源有机物分解过程和土壤团聚结构变化过程,输入有机物的数量和种类不同,其在土壤中矿化损失过程不同,影响土壤有机质长期变化过程以及外源有机物的分解过程,进而控制土壤结构的形成和演变,使土壤肥力产生差异。本文以典型黑土区海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站长期定位实验为平台,系统研究了黑土连续14年施用不同数量有机肥(0、7.5、15和22.5吨/公顷;对应的处理为OM0、OM7.5、OM15和OM22.5)后土壤有机碳组分变化和土壤结构性质的变化,以此来揭示长期施用不同数量有机肥对土壤有机碳库、土壤团聚体、孔隙以及导水性质的长期影响;同时在作物生长季内每个月观测土壤有机碳组分变化和土壤结构性质变化规律,揭示土壤有机碳库季节性变化对土壤土壤团聚体、孔隙以及导水性质动态变化的影响;另外在每个试验小区内设置无作物生长区域,研究作物根系作用对生长季内土壤结构性质动态变化的影响;本文还研究了不同玉米秸秆还田量和还田方式(不还田、半量还田、全量还田和全量深翻还田)下土壤物理性质季节性变化规律,探讨秸秆还田量和还田方式对土壤结构周转过程以及土壤肥力特征的响应。主要研究结果如下:(一)长期施用不同数量有机肥后,随着有机肥施用量的增加,土壤总有机碳含量、各密度组分有机碳储量以及>0.25 mm团聚体中有机碳储量均显著增加,而对<0.25mm团聚体中有机碳储存量无显著影响。说明黑土区土壤仍有很大的固碳潜力,只要有机物输入量足够大,土壤可以通过土壤矿物结合态有机碳的增加和大团聚体保护机制将更多的外源有机物固定到土壤中。随着土壤有机碳含量增加,土壤团聚体稳定性、饱和导水率或>1.0 mm有效孔隙含量均显著增加。(二)在作物生长季内,土壤重组有机碳储量变化不明显,游离态轻组有机碳储量随时间变化逐渐降低,同时>0.25mm团聚中有机碳储量逐渐增加,土壤团聚体的稳定性也逐渐增加,随着颗粒态有机碳的继续分解,土壤团聚体稳定性降低。土壤饱和导水率和>1 mm有效孔隙只在OM15和OM22.5处理中动态变化显著,且在7月和9月份显著高于其他时期。同时相关性分析显示,增加有机肥料施用量可以通过增加土壤有机碳含量和促进有机质向大团聚体内转化来增强土壤团聚体的稳定性和>1 mm有效孔隙的恢复。我们的研究结果表明,在东北黑土区应在土壤中加入足够数量的有机物质(相当于一年生作物秸秆总生物量),才能保持土壤结构的恢复力以及保水排水能力。这些过程在调节土壤保水和排水能力方面发挥着重要作用,同时对提高作物产量也至关重要。(三)大豆根系生长显著增加了土壤结构的恢复能力,在种植大豆区域土壤结构的恢复能力显著高于不种大豆区域。另外有机肥施用量和根系对土壤结构周转有明显的交互作用,有机肥施用量越大,大豆根系发育越好,对土壤结构的恢复越显著。在东北黑土区,由于土壤耕作和冻融作用显著增加了5月份土壤总孔隙度,但这些孔隙结构非常不稳定,随着时间的推移和土壤内外因素的影响,这些孔隙逐渐消失,增加有机肥料施用量和作物生长通过增加土壤结构稳定性的恢复增加了土壤的抗性,从而减少土壤收缩。(四)秸秆还田显著降低了土壤容重、贯穿阻力,增加了土壤毛管孔隙和微孔隙,同时也增加了土壤饱和导水率,土壤团聚体的稳定性也随着秸秆还田量增加而增加,另外随着秸秆还田量的增加,土壤疏水性也增加。秸秆深埋对表层土壤物理性质改善不显著,但显著增加了深层土壤团聚体的稳定性、毛管孔隙度以及饱和导水率,增加了土壤的保水和透水性,同时秸秆深埋显著降低了深层土壤贯穿阻力,有助于作物的根系发育。秸秆还田不仅增加了实验开始时土壤大团聚体含量,而且使大团聚体含量从5月到6月迅速提升。在不施秸秆处理中土壤团聚体的周转主要发生在微团聚体和粉粘粒中,大团体含量变化较小,而在秸秆还田实验中,土壤团聚体的周转主要发生在大团聚体和微团聚体之间。我们的研究结果表明秸秆还田可以通过增加土壤大团聚体含量并促进大团聚体和微团聚体之间的周转来改善土壤结构,从而影响着土壤的物理性质。