砂姜黑土主要分布在黄淮海平原南部，总面积达400多万公顷，是我国重要的粮食主产区之一。砂姜黑土富含粘粒和膨胀性黏土矿物，具有胀缩性强、粘闭僵硬等障碍性结构特征，导致易早易涝、难耕难耙，严重限制了作物生长和水肥资源高效利用。合理的耕作方式能够快速改善耕层土壤结构，提高土壤物理质量，促进作物生长。因此，明确砂姜黑土不同耕作方式下土壤物理质量和其演变规律，以及与作物生长间的关系，对指导砂姜黑土结构改良及提升该地区农业生产力具有重要意义。
　　本研究以黄淮海平原典型的砂姜黑土为研究对象，依托安徽省龙亢农场耕作定位试验区，设置免耕、旋耕、深松、深翻等4种处理，作物体系为冬小麦-夏玉米，小麦和玉米秸秆全量还田，研究2017-2019年4季作物生长期内各耕作处理下0-10cm、10-20cm和20-40cm土层土壤物理性质及其动态变化，筛选适合评价砂姜黑土小麦-玉米种植模式下的土壤物理质量参数，并提出适宜该地区作物生长的土壤物理条件。本研究主要结果如下:
　　(1)与其他耕作方式相比，免耕显著提高了0-10cm土壤容重(1.48g·cm-3);深翻则显著降低10-20cm土壤容重(1.39g·cm-3)和穿透阻力(764kPa)，增加土壤大孔隙及持水孔隙的比例，而对其他两个土层无显著影响。与免耕和旋耕处理相比，深松和深翻处理下饱和导水率（4.15×10-2mm·min-1、1.09×10-3mm·min-1）提高1-3个数量级，土壤有效水分库容（0.17cm3·cm-3、0.18cm3·cm-3）提高5％-7％。
　　(2)砂姜黑土具有较强的收缩性，线性收缩系数在0.04-0.07之间。土壤容重除在深翻处理下出现短暂的落实现象外，随土壤含水量变化表现出显著的湿胀干缩的波动趋势，变化幅度最大可以达到0.15g·cm-3。不同耕作方式仅改变土壤大孔隙，而不改变土壤收缩行为。深松和深翻处理对土壤扰动较大，大孔隙含量增多进而促进土壤水分下渗，但在反复的干湿循环过程中导致结构稳定性降低，亚表层土壤孔隙分布变化较免耕和旋耕处理更显著。
　　(3)深翻处理下15N则能够有效迁移至60cm深度，0-10cm土层玉米根系密度较其他处理显著提升35.4％-73.9％，玉米氮素吸收率较免耕和旋耕分别提高8.2％和2.9％。而免耕和旋耕处理下养分聚集于地表，根系难以下扎，氮素损失较大、养分同化能力低，进而影响作物产量的形成。但不同耕作方式对小麦根系生长的影响不明显。2016-2019年7季作物产量总体表现为深松和深翻处理高于免耕和旋耕处理。深松较免耕和旋耕处理作物产量平均分别提高20.1％和2.39％，深翻较免耕和旋耕处理作物产量平均分别提高27.6％和6.87％，深翻增产效果优于深松，小麦增产幅度高于玉米。
　　(4)砂姜黑土0-20cm土层S指数均低于0.035。深松较深翻处理显著提高了0-10cm土层S指数，而不同耕作处理对10-20cm土层S指数无明显影响。各处理最小限制水分范围(LLWR)在0-10cm土层无显著差异，但深松和深翻显著提升了10-20cm土层LLWR。S指数与小麦和玉米产量均无显著相关性。LLWR和土壤容重与小麦产量间均具有显著相关性(r=-0.61*，r=0.59*，P＜0.05)，考虑到容重较LLWR更容易获得，土壤容重可以作为评价影响该地区小麦产量的关键指标。本研究提出“土壤水分胁迫时间占比(WSP)”作为评价土壤物理质量的新参数，定义为土壤含水量超过田间持水量，或低于萎蔫系数的时间占整个作物生长季的百分比。玉米产量与WSP，特别是与土壤涝渍胁迫时间占比(WLP)间具有极显著的负相关关系（0-40cm土层r=-0.77**～-0.87**;P＜0.01）。当0-10cm土层涝渍时间达到16.5％，玉米产量将降低约50％。因此，涝渍胁迫时间可以作为评价影响该地区玉米产量的关键指标。
　　本论文通过两年田间试验系统研究了不同耕作方式下土壤物理质量及其与作物生长之间的关系，发现深翻能够有效降低土壤紧实程度，促进水分下渗和深层土壤蓄水，提高作物根系密度及作物产量，为适宜于砂姜黑土的耕作方式。土壤容重(或者LLWR)和涝渍胁迫时间可分别作为砂姜黑土区小麦与玉米产量的关键土壤物理质量指标。这些研究结果为砂姜黑土结构改良提供科学理论。