秸秆分解通过改善土壤结构（这一过程受到养分的影响）以及促进作物生长，来调节退化农田中土壤水力特性的季节性变化

《Soil and Tillage Research》：Straw decomposition regulates seasonal variations of soil hydraulic properties via nutrient-mediated soil structure improvement and crop growth in degraded croplands

秸秆还田显著提升东北黑土区不同退化程度农田的土壤水力性质（Ks、SWS、FC、SSWC），其中非退化和轻度退化农田增幅达36.2%，且有效降低季节波动，其机制通过秸秆分解改善土壤结构、孔隙分布及作物根系发育，增强养分循环与保水能力。

　　

王成树|张光辉|陈世琪

河海大学水土保持学院，南京211100，中国

摘要

尽管秸秆还田在退化耕地中得到广泛应用，但其对不同退化程度下土壤水力特性（SHP）季节性动态的调节作用仍不甚明了。退化程度改变的秸秆分解机制如何影响SHP尚未完全阐明。本研究量化了东北黑土地区非退化、轻度退化和重度退化耕地中SHP的季节性变化，并确定了其主要驱动因素。结果表明，所有退化耕地中的SHP都存在显著的季节性波动。与对照组相比，秸秆还田使土壤饱和水力传导率、饱和含水量、田间持水量和土壤水分储存量在生长季增加了8.1–36.2%。其中，非退化和轻度退化耕地的改善效果更为显著。值得注意的是，秸秆还田减少了SHP的季节性变化，从而增强了水分稳定性。冗余分析表明，容重、土壤有机质、水稳聚集体、总孔隙度和根系质量密度是影响SHP季节性变化的主要因素。结构方程模型进一步揭示，秸秆分解带来的养分改善在调节SHP中起核心作用，主要通过增强聚集体稳定性、孔隙结构和根系发育实现。这一机制表明，秸秆还田对SHP的改善主要通过分解诱导的土壤结构和作物生长改善来实现。此外，这些结果表明，通过秸秆还田改善SHP可能有助于降低退化耕地的土壤侵蚀风险并促进养分保持。总体而言，本研究为SHP的改善提供了机制上的见解，并为半湿润、易退化的农业区域提供了提升土壤健康和抗侵蚀性的可持续方法。

引言

土壤水力特性（SHP）对地表水文过程和环境变化至关重要，为有效的环境管理、可持续水资源利用和生态系统可持续性提供了基础（Yang等人，2022年；Dugan等人，2024年；Liu等人，2025年）。作为控制土壤剖面中水分保持和传输的关键参数（Lv等人，2022年；Xu等人，2024年），SHP直接影响径流产生、地下水补给、沉积物输送以及养分和污染物的排放（Dai等人，2023年；Liu等人，2025年；Fallah等人，2024年）。它们介导了土壤环境条件与更广泛的水文响应之间的耦合，因此在陆气界面和地球关键带内的物质和能量交换中起着核心作用（Vereecken等人，2015年；Fallah等人，2024年）。由于土地利用、气候和管理实践会动态改变土壤结构、孔隙度和持水能力，SHP预计会表现出显著的季节性变化（Moret-Fernández等人，2024年；Liu等人，2025年；Tian等人，2025年）。了解不同条件下的SHP季节性动态对于揭示水文和侵蚀机制以及减少坡地耕地的养分流失至关重要。

全球范围内已有大量研究在局部和区域尺度上探讨了SHP的变化及其影响因素（Qiu等人，2022年；Zhu等人，2022年；Pan等人，2023年；Xu等人，2024年；Fallah等人，2024年；Tian等人，2025年）。大量证据表明，SHP对土地利用、土壤结构和管理变化反应强烈，尤其是在集约化耕作的耕地中（Qiu等人，2022年；Li等人，2023年；Chakraborty等人，2024年）。在坡地耕地中，SHP的季节性变化不可避免地受到耕作和田间管理引起的土壤性质变化的影响（Blanco-Canqui等人，2017年；Patra等人，2019年）。作物特性的变化，如根系和凋落物，也会影响生长季内的SHP（Vereecken等人，2015年；Qiu等人，2022年；Zhu等人，2022年）。集约化耕作和水蚀引起的土壤退化会加剧结构恶化，使SHP对土壤管理措施特别敏感（Blanco-Canqui等人，2017年；Fallah等人，2024年；Wang等人，2024a）。

水蚀引起的土地退化对全球坡地耕地的土壤结构和生态水文功能构成严重威胁（Dalin等人，2017年；Chen等人，2025年）。为了维护粮食安全和减缓土地退化，人们广泛采用了多种秸秆还田方法，包括覆盖、混入和深埋（Dalin等人，2017年；Patra等人，2019年）。然而，在寒冷和高纬度地区，由于分解不良和土壤冷却，这些方法的效果往往不佳。秸秆还田被认为是一种有效的措施，可以克服这些限制，因此在坡地耕地中得到广泛应用（Wang等人，2024b；Wang等人，2025年）。它可以通过改善孔隙结构和连通性直接调节SHP，同时通过分解过程增加土壤有机质和促进微生物活动间接调节SHP（Patra等人，2019年；Zhang等人，2023年）。这些变化改善了土壤的物理、化学和生物性质，刺激了作物根系生长，并加速了生物地球化学循环，从而导致生长季内SHP的变化（Wang等人，2024b；Wang等人，2025年）。然而，人们对秸秆分解所介导的这些间接途径的理解仍然有限，尤其是在不同退化程度下。

在整个生长季中，秸秆还田对SHP的直接影响逐渐减弱，而其通过分解产生的间接影响随时间逐渐增强（Wang等人，2024a；Jiang等人，2024年）。随着秸秆的分解，多糖、有机酸和腐殖质被释放出来，增强了微生物活性，促进了酶促过程并支持了真菌生长（Wang等人，2025年）。这些变化可能有助于聚集体的形成和稳定，改善了孔隙的结构、连通性和大小分布，从而在生长季内调节SHP（Patra等人，2019年；Eze等人，2020年）。同时，秸秆分解产生的养分和微量元素提高了土壤肥力，促进了作物冠层和根系的生长（Wang等人，2025年）。作物与土壤之间的这些相互作用通过增加截留、减少雨滴能量和增强表土的抗侵蚀性进一步控制了SHP（Fan等人，2023年；Zhang等人，2023年）。因此，秸秆还田对SHP的影响可能与秸秆分解过程密切相关。然而，特定类型和数量的秸秆的分解过程受水分、温度和土壤性质的影响。在气候和地形相似的坡地耕地中，这一过程不可避免地受到土地退化引起的土壤性质变化的影响，这可能会改变秸秆还田对SHP的影响（Blanco-Canqui等人，2017年；Chakraborty等人，2024年）。

在退化的坡地耕地中，水蚀引起的土地退化被认为是土壤水文功能的基本威胁。它破坏了土壤结构，减少了养分可用性，并限制了微生物的发展，可能导致不同的地表过程和养分循环，从而抑制了生物地球化学循环（Vereecken等人，2015年；Wang等人，2024b）。由于土壤物理、化学和微生物性质的恶化程度不同，其对土壤过程的影响也相应不同（Fan等人，2023年；Zhang等人，2023年；Wang等人，2025年）。这些变化不可避免地抑制了秸秆分解，极大地限制了秸秆还田对SHP的改善效果（Are等人，2018年；Li等人，2023年；Jiang等人，2024年）。因此，通过秸秆还田改善SHP的效果和季节性变化预计会随退化程度而变化。然而，土地退化如何调节秸秆分解对SHP的季节性变化仍不清楚。现有研究很少探讨秸秆分解、土壤结构改善和水力特性之间的相互作用，导致对退化耕地中秸秆管理生态水文效应的理解存在关键空白。

作为一个典型的例子，中国东北的黑土地区是全球耕作最密集和农业生产力最高的地区之一，但由于长期侵蚀和集约化耕作，该地区经历了广泛的土地退化（Wang等人，2024a；Wang等人，2024b；Wang等人，2025年）。在坡地耕地中，这种退化表现为有机质耗竭、黑土层变薄、土壤质地变粗以及母质暴露，共同威胁着作物产量和区域粮食安全（Wang等人，2024b）。为了缓解这些影响，近几十年来秸秆还田被广泛推广作为土壤保护策略（Wang等人，2025年）。然而，其对SHP（包括入渗、水分保持和水分动态）的影响在不同退化程度下仍不清楚，主要是由于分解过程和土壤-作物反馈的差异。我们假设退化引起的秸秆分解变化改变了土壤和作物性质，从而调节了SHP的季节性动态。尽管这一机制具有生态相关性，但秸秆还田在不同退化梯度上的定量影响及其控制SHP季节性变化的主要因素仍缺乏研究。具体来说，本研究的目标是：（1）量化秸秆还田对不同退化程度耕地中土壤水力特性季节性变化的影响；（2）确定半湿润地区土壤水力特性季节性变化的主要控制因素。

研究区域

本研究在中国东北松嫩平原的河北小流域（北纬48°59′0"-49°3′0"，东经125°16′0"-125°21′0"）进行（图1）。该小流域面积为27.6平方公里，海拔范围为317–399米（Wang等人，2024b）。该地区的气候类型为寒冷温带大陆性季风气候，年平均气温为0.4℃（Wang等人，2025年）。年降水量约为534毫米，主要集中在儒略日206之后（图2）

秸秆还田对退化耕地中土壤和作物性质的季节性影响

在秸秆还田处理及其对照组中，土壤和作物性质均表现出显著的时间变化（p<0.05；表2）。其中，总有机质（TP）显著减少，而其他所有土壤和作物性质在整个生长季均显著增加（p<0.01；表2）。值得注意的是，土壤和作物性质的季节性动态受到退化程度的影响。具体而言，随着退化的加剧，WSA（土壤水稳聚集体）和MWD（最大水稳孔隙度）的相对变化增加

不同退化程度下秸秆还田对SHP的季节性影响

秸秆还田显著影响了土壤水力特性的季节性变化，表现为生长季内WSA、TP、CP（土壤总孔隙度）和MWD（最大水稳孔隙度）的增加趋势（图3，图5；表2）。这种调节通过直接和间接效应实现，因为秸秆还田在整个生长季逐渐改变了土壤结构和作物根系特征（p<0.05；表2）。在早期分解过程中，碳水化合物、蛋白质和有机物质的释放

结论

本研究旨在调查不同退化程度耕地中受秸秆还田影响的土壤水力特性的季节性变化及其驱动因素。结果表明，秸秆还田显著改善了不同退化程度耕地的SHP。与不还田相比，Ks（土壤饱和导水率）、SWS（饱和水含量）、FC（田间持水量）和SSWC（有效水分容量）分别增加了24.2–36.2%、8.1–22.8%、1.07–16.1%和1.25–9.34%（p<0.05）。这些变化

作者贡献声明

陈世琪： 数据整理。王成树： 写作——初稿撰写、可视化、方法学设计、数据整理。张光辉： 写作——审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思。

利益冲突声明

我们声明与任何可能不当影响我们工作的个人或组织没有财务和个人关系，对任何产品、服务和/或公司没有专业或其他形式的个人利益，这些利益可能会影响本文所述内容或手稿的评审。

致谢

本研究得到了江苏省自然科学基金青年基金（BK20251489）、国家重点研发计划（2021YFD1500803）和中央高校基本科研业务费（B250201074）的支持。我们感谢北京师范大学九三水土保持站的成员在实验方面的支持。