秸秆还田和免耕作为有效的保护性耕作技术,正在越来越受到世界各国广泛的关注。它们一方面能够充分利用秸秆资源,避免秸秆焚烧造成污染,另一方面减低成本,提高农业生产效率。在水旱轮作农田下开展秸秆还田和免耕技术研究,有助于我国农业可持续发展。本文在湖北省武穴市和荆州市水旱轮作(水稻-油菜)的长期定位试验基础上,通过连续两年分析土壤物理性质(容重、总孔隙度、毛管孔隙度和通气孔隙度)和化学性质(p H值、有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾),研究秸秆还田和免耕下农田土壤结构和养分的动态变化特征;运用干筛-湿筛法分离不同粒径土壤水稳性团聚体,探讨秸秆还田和免耕对农田土壤水稳性团聚体稳定性的影响;通过提取分析土壤团聚体腐殖酸组分(腐殖酸,胡敏酸和富里酸),研究秸秆还田后表层土壤团聚体腐殖酸组分含碳量的变化以及腐殖酸和胡敏酸分子结构的变化。结果表明:(1)在武穴市和荆州市,秸秆还田均能够降低表层(0~20 cm)土壤容重(分别降低7.91%和1.34%),增加表层土壤总孔隙度,通气孔隙度和毛管孔隙度,并增强土壤保持水分的能力。在武穴市,免耕处理会增大容重(增加3.74%),降低表层土壤各孔隙度;秸秆还田结合免耕也会降低表层土壤容重(降低3.07%),增加各孔隙度。旱作条件(油菜收获后)下表层土壤容重高于水作条件(水稻收获后),而旱作条件下表层土壤总孔隙度、毛管孔隙度和通气孔隙度要低于水作条件。不同水旱轮作时期,秸秆还田和免耕对表层土壤孔性的影响效果存在差异。(2)秸秆还田和免耕处理均会影响土壤各级团聚体的分布状况。不同粒径水稳性团聚体含量的分布呈现为:<0.25 mm团聚体含量最高,在50%左右;其次为>5 mm和0.25~0.5 mm,分别占20%和15%;而2~5、1~2以及0.5~1.0 mm粒径团聚体百分含量差异不大,约为5%。同时秸秆还田和免耕均会增加农田表层(0~20 cm)土壤>0.25mm团聚体百分含量、平均重量直径(MWD)和平均几何直径(GMD),但是会降低土壤分形维数(PSD)。其中PSD与>0.25 mm团聚体百分含量呈现极显著负相关性(相关系数R分别为,武穴处理:-0.997;荆州处理:-0.993),但是MWD、GMD与>0.25 mm团聚体百分含量存在显著正相关性。这表明秸秆还田和免耕都会增强土壤大团聚体的含量,对于改善土壤结构具有积极影响。(3)在武穴市,秸秆还田处理能够提高表层(0~20 cm)土壤有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量(分别提高8.92%、6.75%、8.10%和69.79%),免耕也能够提高表层(0~20 cm)土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量(分别提高9.84%、5.47%、4.66%和13.51%),秸秆还田结合免耕提升效果最佳(分别提高11.00%、10.24%、8.11%和75.73%)。在荆州市,秸秆还田处理能够提高表层(0~20 cm)土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量(分别提高13.80%、6.66%、10.71%、15.09%和29.68%)。总体上,秸秆还田处理后表层土壤中有机质和各养分提升幅度要高于免耕处理。但是秸秆还田和免耕处理对于20~40 cm土层土壤有机质和养分影响不明显。0~20 cm土层土壤中有机质和各养分含量均显著高于20~40 cm土层。0~20 cm土层土壤中p H值均显著低于20~40 cm土层,而且免耕和秸秆还田处理对于土壤p H值影响较小。不同地区不同水旱轮作时期,秸秆还田和免耕对土壤有机质和养分的影响效果存在一定差异。(4)秸秆还田对于提高土壤碳库管理指数具有积极影响,但是水旱轮作的不同条件下,秸秆还田对于土壤碳库管理指数的影响存在差异。在油菜旱作条件下,相对于对照,秸秆还田处理有助于上下两层(0~20、20~40cm)土壤总有机碳(SOC)、活性有机碳(ROC)和碳库管理指数的提高。但是在水稻水作条件下,秸秆还田显著增加上下两层土壤总有机碳,却显著降低上下土层土壤活性有机碳和碳库管理指数。(5)在对照处理中,随着土壤粒径减小,总有机碳和各腐殖酸组分腐殖酸(HE)、胡敏酸(HA)和富里酸(FA)有机碳含量呈下降趋势。秸秆还田对于不同粒径团聚体的影响效果存在差异。其中秸秆还田更加有利于表层(0~20 cm)土壤及大团聚体(>0.25 mm)总有机碳和胡敏酸含碳量以及胡富比的提高。(6)红外分析表明,在对照处理下,<0.053 mm粒级中的HE和HA,3400/1620值较小,芳香性/脂族性比值较大,结构较复杂,而>5 mm粒级的3400/1620值较大,芳香性/脂族性比值较小,结构较简单。与对照处理相比,秸秆还田处理后会导致土壤团聚体中HE和HA3400/1620值减小,芳香性增强,脂族性下降,结构复杂。