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土壤耕作是重要的农艺措施,但高强度的耕作会破坏土壤结构,造成农田土壤缓冲性降低、作物产量不稳定等问题。而减少耕作强度、尤其是与秸秆还田相结合的土壤耕作是改善耕层质量、提高作物产量的重要途径。本研究以东北棕壤区旱作农田玉米为研究对象,于2014-2015年研究了短期不同土壤耕作(免耕、旋耕和翻耕)和秸秆处理(还田与不还田)对农田耕层环境(物理性状、化学性状和土壤呼吸)、玉米生长发育(根系形态指标、地上生长性状和生物量)以及产量的影响,探讨了不同土壤耕作和秸秆还田措施对土壤环境及玉米产量的调控机制。主要结果如下:1.土壤耕作和秸秆还田对0-40 cm土层土壤水稳性团聚体含量、土壤含水量(SWC)和0-10 cm土层土壤温度(Temp)均影响显著,且两者的交互作用对各粒级水稳性团聚体影响达到极显著水平。免耕处理显著降低了30-40 cm土壤紧实度(Compaction)和0-20 cm土层水稳性团聚体中粘砂粒,大幅度提高0-10 cm大粒级水稳性团聚体(Macroaggregat R0.25)百分比和团聚体稳定性指数,对整个生育期0-40 cm土壤含水量均有明显的提高作用。旋耕处理显著降低了0-10 cm土层的土壤容重(BD)和土壤紧实度,提高了0-10 cm土层的土壤孔隙度(Porosity)和0.25~2 mm粒级团聚体百分比。秸秆还田降低了0-40 cm土层土壤紧实度和土壤温度,提高了0-40 cm土层土壤空隙度、大团聚体百分比和土壤含水量。2.秸秆还田对土壤全氮(TN)、全钾(TK)、有机碳含量(SOC)和土壤碳氮比(C:N)均影响显著,土壤耕作和两者的交互作用对耕层土壤养分含量均影响不显著。免耕和旋耕处理在土壤表层具有“养分富集”的作用,形成养分分层。免耕显著增加了0-10 cm土层土壤全氮、全钾、有机碳含量和碳氮比。旋耕提高了0-20 cm土壤全氮含量,显著提高0-20 cm土壤全钾和有机碳含量。秸秆还田显著提高了秸秆还田土层土壤全氮量和0-30 cm土层土壤全钾含量,提高了0-30 cm土层土壤有机碳和碳氮比。3.利用静态箱法对土壤呼吸进行拆分测定的研究结果表明,土壤耕作和秸秆还田均可增加土壤呼吸。不同土壤耕作方式间,旋耕土壤呼吸速率最高,翻耕次之,免耕土壤秆还田对根长密度(RLD)、根表面积密度(RSD)和茎粗(SD)也影响显著土壤耕作和秸秆还田两者交互作用对玉米生长指标影响则不显著。免耕处理显著提高了各时期玉米根直径和根表面积密度,但显著减低了根长密度。旋耕处理有提高根直径的趋势,并显著提高了各时期玉米根表面积密度。与秸秆不还田相比,秸秆还田处理玉米根直径、根长密度、根表面积密度在各时期均显著提高,且在生长中后期效果更加显著。与翻耕相比,免耕处理提高了拔节期后的玉米茎粗和灌浆期后的叶面积指数,旋耕处理提高了拔节期后的玉米茎粗。与秸秆不还田相比,秸秆还田提高了拔节期后玉米茎粗和灌浆期后的叶面积指数。5.土壤耕作和秸秆还田对玉米根系生物量(RB)和根冠比(R:S)均影响显著,但两者交互作用对玉米生物量指标均影响不显著。免耕和旋耕处理提高了各时期玉米根系生物量和成熟期的地上生物量(SB),且免耕与翻耕处理间差异达到显著。免耕和旋耕处理提高了玉米总生物量(TB)和根冠比,在成熟期差异达到显著。秸秆还田处理玉米根系生物量和根冠比在各时期均显著高于秸秆不还田处理,地上生物量和总生物量在成熟期显著高于秸秆不还田处理。6.土壤耕作和秸秆还田对玉米穗数、穗粒数和产量(Yield)均影响显著,两者交互作用对玉米穗数影响显著。免耕处理显著提高了玉米穗数、穗粒数和产量,旋耕处理显著提高了玉米穗粒数。与翻耕相比,免耕和旋耕处理玉米产量分别提高30.7%和16.0%。秸秆还田显著提高玉米产量,与秸秆不还田相比,秸秆还田玉米产量提高了7.2%。7.土壤含水量、土壤有机碳含量、土壤碳氮比、根直径、根表面积密度、根系生物量、地上生物量、总生物量和根冠比与玉米产量均呈显著正相关关系,土壤温度与玉米产量呈显著负相关关系。结构方程模型(SEM)分析表明,土壤耕作和秸秆还田处理主要是通过影响土壤含水量,进而影响玉米根系生长和根冠比来间接调控其产量。在东北呼吸速率最低;秸秆还田增加了土壤呼吸强度,秸秆还田较不还田土壤日均呼吸速率提高了40.2%。4.土壤耕作和秸秆还田对玉米根直径(RAD)和叶面积指数(LAI)影响显著,秸棕壤区旱作农田,减少耕作强度和秸秆还田是改善土壤环境、促进玉米根系生长和提高产量的有效措施。