土壤物理性质的好坏源于土壤结构，并最终影响到土壤物理质量^[1]。大量研究表明^{[2, 3, 4, 5, 6]}，以少免耕和秸秆还田为代表的各种保护性耕作措施在增加土壤有机质、改善土壤结构、提高土壤各级水稳性团聚体含量、增加土壤持水性和通透性等方面具有明显效果；而且，秸秆还田能够增加地表糙度，减少土壤水侵蚀，从而更有利于土壤物理质量的维持和提高，防治土壤质量退化^{[7, 8]}。土壤容重、孔隙度和紧实度是重要的土壤物理因子，其大小不仅影响着土壤的持水和溶解矿质元素的性能，而且影响着植物的扎根和根系的吸水性能，进而影响土壤肥力状况和植物的生长^[9]。Russell^[10]认为，作物根系的穿透率同土壤的容重密切相关。Trouse 等^[11]也指出，植物根系可以穿透粘土的最高容重为1.46 g·cm^-3。

光合作用是绿色植物吸收光能，把CO₂ 和H₂O转化成有机物，同时释放O₂的过程。光合作用是作物产量形成的基础。近年来国内外对作物光合速率、蒸腾速率和水分利用效率的研究十分活跃^{[12, 13]}。随着光合性状测定仪器的不断改进，越来越多不同领域的学者把光合生理指标的研究与产量提高联系起来。其中不乏把光合速率、气孔导度等光合生理指标与土壤施肥、培肥等各种措施进行相关性分析^[14]。光合速率与气孔导度、蒸腾速率的相关性较大，它们是影响光合速率的重要因素，光合与蒸腾分别是CO₂和H₂O 通过叶片气孔的内外物质交换过程，叶片的气孔行为对光合与蒸腾都产生直接影响^{[15, 16, 17, 18]}。为此在黑土地区研究不同有机物料还田条件下对土壤结构和玉米生育时期叶片光合速率的影响，以期为东北黑土土壤结构改善和玉米的再增产提供一定理论依据。 1 材料与方法 1.1 研究区概况

试验地点位于哈尔滨市道外区民主乡黑龙江省农科院现代农业科技示范园区。地理坐标为东经126°48′~126°51′，北纬45°49′~45°51′，属于寒温带大陆季风气候，土壤类型为黑土。其土壤基本物理性状土壤容重为1.25 g·cm^-3；田间持水量为27.34%，孔隙度为34.34%，土壤固相率较高，造成土壤比较紧实，物理性状相对较差（表 1）。

表 1 试验示范区土壤物理性状 Table 1 Soil physical properties of experimental and demonstration zone

表选项

2011年共设计5个技术模式：（1）测土施肥+深松+生物肥（600 kg·hm^-2）；（2）测土施肥+深松+有机肥（22500 kg·hm^-2）；（3）测土施肥+深松+秸秆还田（7500kg·hm^-2）；（4）测土施肥+深松+翻压绿肥（30000 kg·hm^-2）；（5 ）当地常规施肥方式（对照），采用大区对比试验无重复，每个处理面积10 垄×0.7 m×45 m=315m²，种植作物为玉米。常规施肥方式为：基肥施磷酸二铵250 kg·hm^-2、尿素75 kg·hm^-2、硫酸钾100 kg·hm^-2，拔节至孕穗期每667 m²追施300 kg·hm^-2尿素。模式（1）、（2）、（3）的玉米的施肥量为玉米常规施肥量减掉各自其他措施带入的养分量。

玉米播种时间：2011年5月3日。玉米品种：阳光1 号。

生物肥的施用：施用黑龙江省科学院微生物所提供的生物肥；养分含量为氮（N）12.21%，磷（P₂O₅）10.65%，钾（K₂O）5.32%。

有机肥的施用：播种前将腐熟的牛粪均匀撒施于垄上，有机质含量为14.4%。

绿肥的翻压：翻压绿肥区于2010 年春种植草木樨，秋季机械翻压至土壤中。养分含量为：氮（N）2.657%，磷（P₂O₅）0.238%，钾（K₂O）2.854%。

玉米秸秆的施用：玉米秸秆采用覆盖方式，养分含量为：氮（N）0.907%，磷（P₂O₅）0.932%，钾（K₂O）1.31%。 1.3 测定方法

土壤紧实度采用美国SC-900 土壤紧实度仪进行田间测定，土壤容重和土壤孔隙度采用环刀法测定（环刀规格是100 cm³），田间持水量采用烘干法测定，土壤三项比采用日本DIK1130 土壤三项仪测定；光合速率（喇叭口期2011-07-02、灌浆期2011-08-12、收获期2011-09-28）采用PP SYSTEMS 公司CIRAS-2 光合测定系统测定，天气均在上午晴朗无云天气情况下测定玉米最上面完全展开叶；样品采用多点取样，土壤容重及硬度采集土壤表层0~20 cm，垄台侧面，数据分析采用Excel 2003 进行处理，统计分析利用DPS 2000，单因素多重比较Duncan 新复极差法进行方差分析。 2 结果与分析 2.1 不同技术模式对土壤物理性质的影响

从图 1可以看出，不同技术模式当年就对土壤物理性质产生一定影响。收获后不同处理与播种前比较除了常规处理外，秸秆还田、有机肥和绿肥处理随着作物的生长土壤容重都有不同程度的下降，收获后秸秆还田和有机肥处理较常规处理，下降了0.13 g·cm^-3和0.09 g·cm^-3，其次是绿肥处理。说明浅翻深松+秸秆还田、有机肥及绿肥翻压和施入微生物肥等改土措施均能降低土壤容重，改善其物理性状。

注释 图 1 不同处理模式土壤容重变化 Figure 1 Changes of soil bulk density in different treatment modes

图选项

土壤的三相比是指土壤固相、液相、气相分别占土壤容积的比例。其中，构成土壤固相部分的主要组成物质比较复杂，包括土壤微生物、动植物的残体、砂石、矿物质和有机质等等。对于某一种土壤，土壤固相率是相对稳定的数值，同一种类土壤，影响固相率大小的主要因素是外力的作用，如耕作、压实等。土壤固相率的大小反映了土壤的紧实程度，影响土壤的透水性能。对于多数旱作土壤来说，适宜的三相比为：固相率40%~50%，液相率25%~30%左右，气相率15%~25%左右。如果气相率低于8%，会妨碍土壤通气而抑制植物根系生长和好气微生物的活动。

图 2 是供试土壤在玉米不同生长阶段的三相比，玉米播种前土壤固相率达65%以上，气相率仅为7.55%，表明土壤硬度较大，土壤的通气透水性能明显低下，作物根系生长会受阻。然而，在大喇叭口期有机肥处理能明显降低土壤固相率，土壤固相率在52%左右，达到了一个合适的范围，气相率增加，土壤紧实状况得到改善；其次是秸秆还田和绿肥处理也相应降低了土壤固相率，导致土壤通透性增加。在玉米灌浆期，4 种有机物料还田处理均较对照固相率呈下降趋势；在玉米收获后测定结果显示，除了常规处理增加了土壤固相率外，其他4 个处理土壤固相率都在50%左右，液相和气相率也在适宜的范围。因此，上述结果表明，深松后秸秆还田、绿肥翻压、施用有机肥和生物肥都能改善土壤紧实状况，增加土壤的通透性，促进作物根系生长。

注释 图 2 各处理土壤三相比状况 Figure 2 Situations of three-phase ratio of soils in treatments

图选项

土壤紧实度是土壤结构的一个重要指标，紧实度值越大，根系几乎不能完全穿透土壤。从图 3 中可以看出，在玉米生长的重要时期喇叭口期，与常规处理比较，有机肥、秸秆还田和生物肥处理土壤紧实度下降32%~46%，土壤疏松程度远大于其他处理，这个时期有利于玉米根系的下扎；绿肥翻压效果不明显。后期各处理间差别越来越小，几乎趋于一致。

注释 图 3 各处理土壤紧实度状况 Figure 3 Situations of soil compaction in treatments

图选项

研究结果显示，在供试5 个处理中，不同有机物料还田方式对提高作物光合生理指标都有明显的作用。图 4 表明，在玉米重要的2 个生育时期喇叭口期和灌浆期与常规处理比较，除绿肥处理外其他3 个处理都能明显提高玉米的光合速率，较常规处理提高2.1~7.6 μmol·m^-2·s^-1，尤其是有机肥处理最高为9.13 μmol·m^-2·s^-1，喇叭口期有机肥与常规施肥处理5%区间差异显著，灌浆期有机肥和秸秆还田处理与常规施肥处理差异明显。蒸腾速率和叶片水分散失有关，在本研究中，常规处理蒸腾速率最高为7.42 mmol·m^-2·s^-1，其他4 个处理中，喇叭口期秸秆还田和生物肥处理较常规处理降低57%和56%，灌浆期与喇叭口期蒸腾速率趋势相同，但差异明显减小。

注释 图 4 各种技术模式处理对作物光合速率和蒸腾速率的影响 Figure 4 Effects of crop photosynthetic rate and transpiration rate in various technical pattern treatments

图选项

从图 5 中可以看出，在玉米喇叭口期，常规和有机肥气孔导度较高为639.67 mmol·m^-2·s^-1、523.67mmol·m^-2·s^-1，所以叶片胞间CO₂浓度较其他处理低；而在灌浆期秸秆还田处理气孔导度较高为341.67mmol·m^-2·s^-1，叶片胞间CO₂浓度较其他处理下降，说明气孔阻力的降低导致叶片胞间CO₂浓度降低，并且常规施肥处理气孔导度在玉米喇叭口期与秸秆还田和生物肥处理之间5%区间内差异显著，叶片胞间CO₂浓度与气孔导度成负相关。

注释 图 5 各种技术模式处理对作物气孔导度和胞间CO2的影响 Figure 5 Effects of crop stomatal conductance and Intercellular CO2 in various technical pattern treatments

图选项

浅翻深松+秸秆还田、有机肥等改土措施对降低土壤容重、保持土壤水分和改善土壤的物理性状都有很好的效果，秸秆还田在降低土壤容重方面好于其他处理。有机肥处理能明显降低土壤固相率，使其达到了一个合适的范围；其次是秸秆还田和绿肥处理也能降低土壤的固相率，增加土壤通透性。与常规处理比较，有机肥、秸秆还田和生物肥处理土壤紧实度下降较快，土壤疏松程度好于其他处理。

近年来的研究表明，作物残茬覆盖可以增加反照率和空气动力学阻力，减少潜热能量和水气传输，改变地表层小气候，进而对作物叶片气体交换产生影响，提高作物的净光和速率^[19]。本研究中施入有机肥、秸秆还田和生物肥处理玉米喇叭口期光合速率较高，较常规处理提高2.1~7.6 滋mol·m^-2·s^-1，与以往的研究结果相一致；另外各处理蒸腾速率较对照降低，这是因为气孔导度较低，气孔阻力增加水汽散出阻力增加，导致蒸腾速率下降。

宫秀杰等^[20]研究不同间作方式对玉米/辣椒光和速率影响表明：单作种植光合速率较高，但是蒸腾速率偏低，这是因为单作处理的气孔导度较低，气孔阻力增加水汽散出阻力增加，导致蒸腾速率的下降。随着气孔阻力的增加，CO₂ 进入叶片的阻力也增加，但因其胞间CO₂浓度过高，所以光合速率仍然很高。这与本研究在玉米喇叭口期，常规和有机肥处理气孔导度高于其他处理，因此叶片胞间CO₂浓度较其他处理低，灌浆期秸秆还田处理随着气孔导度增加较快，叶片胞间CO₂浓度较其他处理呈现下降趋势，光合速率较高结果相一致。说明施用有机肥和秸秆还田处理可以改善土壤物理结构和提高作物光合速率，促进作物干物质积累，增加作物产量。 4 结论

土壤深松+有机物料还田后可以降低土壤容重、紧实度；土壤三项比达到合理范围，并且可以提高玉米的光合速率，降低蒸腾速率，尤其是秸秆还田和有机肥处理好于其他处理。表明保护性耕作和有机物料还田对于提高土壤肥力、改善土壤物理特性，提高作物光合速率，增加作物产量均起到积极促进作用。