东北黑土区位于世界四大黑土区之一，因其高肥力和有机质含量而闻名。作为我国主要的粮食生产基地之一，在保障国家粮食安全方面具有重要地位。然而，随着东北黑土地的开垦，养分的失调导致了黑土物理特性的变化和功能的退化，从而使得黑土肥力下降，威胁着该地区的粮食安全和生态安全。黑土物理特性发生变化，主要体现在黑土层土壤容重增加，孔隙度降低，水稳性团聚体减少，田间持水量下降等。采用合理的耕作方式和施肥制度能在不同程度上改善土壤物理特性，从而遏制土壤肥力的不断下降。本文总结了自黑土开垦以来土壤容重、水稳性团聚体、田间持水量和饱和导水率的变化，分析了耕作和有机物料等对土壤物理特性的重要调节作用，讨论了不同保护途径如何通过改善土壤物理特性达到提升土壤肥力的目的，最后从制定合理的耕作体系和有机培肥机制，优化作物种植模式等展望了未来黑土重点研究的方向。

免耕秸秆覆盖的耕作模式能够影响土壤微生物生物量和活性，增加土壤有机质含量，是提高土壤综合生态效益的保护性耕作核心措施之一。为探究免耕结合不同秸秆覆盖量下土壤酶活性变化及调控机制，本研究依托中国科学院沈阳应用生态研究所保护性耕作研发基地进行田间试验，以传统耕作（翻耕+无秸秆覆盖，CT）为对照，研究免耕结合无（免耕+无秸秆覆盖，NT0）、低量（免耕+1/3秸秆覆盖，NT1/3）、中量（免耕+2/3秸秆覆盖，NT2/3）、高量（免耕+全量秸秆覆盖，NT3/3）秸秆覆盖处理下不同土层（0～5、5～10、10～20 cm）的土壤酶活性、微生物生物量和有机碳含量变化。结果表明，免耕结合秸秆覆盖主要影响了表层0～5 cm土壤酶活性。与CT相比，免耕结合秸秆覆盖显著影响纤维二糖酶（CB）、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）和过氧化物酶（PER）活性。免耕结合低量（NT1/3）和高量（NT3/3）秸秆覆盖处理下的CB活性显著高于CT处理1.24倍和1.53倍。所有免耕处理下NAG活性显著高于CT处理78.1%～124.4%，且NAG活性有随不同秸秆覆盖量由低到高呈上升趋势（NT1/3NT2/3>NT3/3）。免耕结合秸秆覆盖对5～10 cm和10～20 cm土壤酶活性影响很小。研究还发现，土壤酶活性受土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、可溶性有机碳（DOC）、可溶性有机氮（DON）、铵态氮（NH_4~+-N）、硝态氮（NO_3~--N）、pH以及含水量等理化因素的影响，同时还受微生物生物量以及微生物群落组成的显著影响。与CT相比，NT3/3能够使0～5 cm土层中总体酶活性、SOC含量和微生物熵分别提高了60.5%、35.6%和21.6%。土壤总体酶活性与SOC和微生物熵均呈显著正相关关系，说明微生物酶活性的增加更有利于SOC积累。免耕结合高量秸秆覆盖（NT3/3）处理下微生物可利用性碳源更充足，更有利于土壤微生物活性增加，进而促进SOC固存。

东北黑土是珍贵的土壤资源，由于长期的重用轻养，农田黑土退化问题已是一个不争的事实。施肥是保持/提高黑土农田生产力、保障作物产量的一项重要的农艺措施。本文综述了长期施用有机肥、无机肥、有机无机肥配施，以及无机肥氮（N）、磷（P）、钾（K）及其不同的组合施肥对黑土农田土壤细菌、真菌、固氮菌、反硝化细菌等微生物的数量、群落alpha多样性和beta多样性等方面影响的最新研究进展。发现研究结果因试验地点、季节气候、试验处理、目标微生物种类、甚至研究者的采样年限而不同。多数研究发现，长期施用化肥，特别是氮肥显著地降低了细菌丰度和alpha多样性指数，但对真菌丰度和alpha多样性指数影响不显著。不同施肥明显改变了黑土微生物beta多样性，但这种改变是有限的，相同施肥处理没有驱动不同试验地点土壤微生物群落结构同质化演替，表明东北黑土微生物分布具有很强的地域性。对长期施用不同的无机肥研究发现，N素较P素和K素在驱动黑土农田土壤微生物群落变化上作用更为明显。在论述长期施用有机肥改变土壤微生物群落结构的同时，也阐述了有机肥施用带来潜在的抗生素抗性基因污染的生态风险及对抗性基因的阻控措施。文章最后总结了目前施肥影响黑土农田微生物研究中存在的不足之处，并提出5点未来应加强的研究建议。

转录因子是植物生长发育的重要调节因子。侧生器官边界域（LBD,Lateral organ boundaries domain）基因家族是一类植物特有的转录因子，参与植物生长、营养代谢和逆境胁迫响应的调控。本研究采用生物信息学方法，从基因组和转录组水平对大豆LBD基因家族进行了系统鉴定和表达模式分析。系统进化结果显示，大豆LBD基因家族的89个成员可分为2大类、7个亚族。理化性质分析显示，大豆LBD基因家族编码的氨基酸数量范围在50 aa～325 aa，分子量为8 164.16 Da～60 499.65 Da，等电点介于4.69 pl～9.15 pl，不稳定系数为43.46～83.94。Motifs和基因结构分析发现，LBD基因家族成员保守性较高。启动子顺式作用元件分析显示，LBD基因家族成员含有与植物光响应相关的29种顺式作用元件，与植物激素相关的11种元件，以及与非生物和生物胁迫响应相关的6种元件。转录组分析发现，大豆LBD基因在DN50品种的生长节间伸长区（EZ）、成熟区（MZ）和茎尖（ST）的表达模式存在差异。LBD家族成员主要在MZ和ST高表达，其中GmLBD5、GmLBD23、GmLBD38、GmLBD46、GmLBD49、GmLBD71、GmLBD75和GmLBD78在EZ、MZ和ST均高表达，是调控大豆株高的关键候选基因。同时，还发现一些基因在茎组织特异表达，例如GmLBD83在EZ表达量较高，而GmLBD15、 GmLBD59、 GmLBD61和GmLBD84只在MZ高表达，GmLBD14、 GmLBD18、 GmLBD21、 GmLBD27、GmLBD55、GmLBD66和GmLBD70只在ST高表达。研究结果为深入分析LBD基因调节大豆节间生长发育的分子机理提供了靶标基因。

为揭示水田不同搅浆方式对寒区水稻根系形态结构和生理活性的影响及其与产量形成之间的关系，本研究以龙粳31为试验材料，设置旱平免搅浆（HP）、水平地免搅浆（SP）、常规搅浆（CK）3种搅浆方式进行对比试验，对各生育期水稻根系形态结构指标、根系生理活性指标、干物质量及产量进行测定。结果表明：水稻根系形态指标在抽穗扬花期趋于稳定，与CK相比，HP处理下的总根长、根表面积、根体积和平均直径分别显著增加14.1%、8.79%、7.16%和4.06%,SP处理下仅总根长显著增加6.43%。水稻根系生理活性指标在抽穗扬花期达到最大值，与CK相比，HP和SP分别使根系氧化活力显著增加16.1%和5.51%，根系伤流强度显著增加10.2%和5.74%。同时，与CK相比，HP和SP的水稻产量分别显著提高7.65%和4.03%。综上所述，HP能够明显改善根系形态，促进根系生长，提高根系生理活性，进而促进水稻植株地上部生长和产量的增加。

选取黑钙土、黑土（薄层）、黑土（厚层）、风沙土4种不同类型的土壤剖面，探究土壤有机碳（SOC）、胡敏酸（HA）、富里酸（FA）和胡敏素（HM）在不同类型土壤剖面中的分布规律，对于科学评价不同土壤质量、土壤固碳能力的差异有重要意义。与表层（0～20 cm）相比，黑钙土、黑土（薄层）、黑土（厚层）、风沙土深层（80～100 cm）的SOC含量分别显著降低了21.7%、26.9%、41.4%、23.6%(P<0.05),pH分别由5.2、5.9、6.1、4.8升高至7.5、7.2、8.4、7.6,HA含量分别降低了34.9%、40.4%、46.6%、11.4%,FA含量分别降低了52.2%、36.2%、73.3%、59.0%,HM含量分别降低了32.2%、18.3%、37.2%、30.7%(P<0.05)。HA/FA随土层加深而逐渐升高，黑钙土、黑土（厚层）、风沙土从0～20 cm至80～100 cm分别显著提高了42.9%、161%、101%(P<0.05)。而80～100 cm黑钙土、黑土（薄层）、黑土（厚层）、风沙土中HA和FA色调系数（△lgK）比0～20 cm土层分别显著降低了20.6%、29.9%、34.9%、40.3%和21.8%、17.1%、21.8%、18.9%(P<0.05)。在剖面垂直尺度上，有机质和腐殖质含量均呈下降趋势，厚层黑土剖面平均SOC、pH、腐殖物质含量及色调系数均高于其他3种类型土壤，剖面土壤质量较高，但HA与FA结构较简单。

土壤冻融循环广泛存在于中、高纬度及高海拔地区，对土壤微生物、土壤酶活性、土壤养分转化及农业生产产生重要影响。本文基于国内外冻融模拟与野外原位试验研究结果，从冻融强度和频次角度阐述了冻融循环对土壤微生物群落结构、组成和土壤酶活性的影响，并分析了秸秆还田后土壤微生物及土壤酶活性对冻融循环的响应机制，提出了未来的研究应注重利用野外实测与室内模拟相互佐证的方法，加强对生长季和非生长季土壤碳库、微生物多样性及土壤酶活性的系统研究。

黄土旱区土壤有机质含量偏低，有限水肥资源难以高效利用。生物炭具有调节土壤孔隙环境和水肥有效性的潜力。有关生物炭调节黄土旱区土壤水肥运移，提升特色作物谷子产量的关联机制值得深入分析。为明确生物炭添加对陕北黄土旱区土壤水肥环境和谷子产量形成的影响，探讨生物炭在该地区的增产增效潜力，本研究以“晋谷21号”为材料，设置CK(0 t·hm~(-2))、C1(2 t·hm~(-2))、C2(4 t·hm~(-2))、C3(8 t·hm~(-2))、C4(16 t·hm~(-2))5个梯度的施炭处理，连续等量施炭2年，开展大田定位试验。结果表明：（1）添加适量生物炭能有效提升土壤含水量，但高施炭量不利于土壤水分的储存利用。连续施炭2年，谷子拔节期和成熟期C3土壤含水量较CK分别显著提升21.4%、30.5%,C4较C3分别降低8.83%、7.25%，但无显著差异。（2）连续2年增施生物炭，C4处理土壤pH值、有机质、氨态氮、硝态氮和速效钾含量较CK提升4.28%～29.4%；土壤速效磷含量随增施生物炭的剂量先增后减，C4速效磷含量较CK显著下降7.27%。（3）添加生物炭能有效提升谷子生物量和产量，C3施炭条件下，谷子成熟期地上部生物量较CK显著提升17.8%，谷子产量相较于CK显著提升16.9%。综上，添加适量生物炭能有效改善陕北黄土旱区土壤水肥环境，调节谷子生物量积累，促进碳水化合物转化，提升谷子产量。

氮肥利用效率的科学评估对指导农业生产至关重要。传统氮肥评估方案仅能反映当季肥料的利用效率，而忽视了氮肥的残留效应。本文综述了肥料氮的转运、氮肥残留数量、分布、利用及其影响因素，基于当前研究进展提出未来研究方向及相关研究对农业管理实践的启示。农田输入的肥料氮，除了可以被当季作物吸收利用外，残留在土壤中的氮也可以继续被后续作物吸收利用，即评估肥效时，应该考虑氮肥的后效，而残留氮肥的回收利用受自身迁移和转化、作物种类、地力条件、气候环境、耕作管理等多个因素耦合影响。生产实践中，对决定残留氮肥回收效率的外部因素进行优化调控，诸如在长期浅根系/氮吸收低效作物种植后，轮作深根系/氮高效吸收型作物，合理密植，在干旱区适时灌溉保墒。针对作物氮肥喜好合理定制肥料类型，结合水肥一体化技术实施分次施肥，施氮同时配施微生物氮转化联合抑制剂均可有效提高氮肥总体利用率。利用15N同位素示踪技术，整合残留肥效和土壤氮素矿化等动态监测数据，配合作物类型、预期管理、目标产量等多要素数据，建立一套氮肥残留肥效的预测评估及氮肥减施的决策支持模型，对于指导未来的氮肥精准减施和提升农业生产效益具有重要科学意义。

明确松嫩平原黑土区畜禽粪肥品质差异，可为其质量提升及合理施用提供理论依据。本研究于黑龙江省松嫩平原黑土区采集猪粪、牛粪、羊粪和鸡粪4种堆肥样品67个，通过测定不同种类畜禽粪肥技术指标、限量指标及有机组分含量，建立畜禽粪肥质量综合得分模型，从而对其质量进行评价。结果表明：（1）猪粪肥、牛粪肥、羊粪肥和鸡粪肥的平均种子发芽指数（GI）分别为44.1%、57.0%、51.9%和41.4%，均接近或大于50%的畜禽粪肥无害化要求，但小于有机肥NY/T525-2021标准70%的要求；（2）4种畜禽粪肥中，牛粪肥各项指标都更接近于NY/T525-2021标准要求，且牛粪肥中较活跃的有机组分可溶性有机质（DOM）、可提取腐殖酸（HE）、胡敏酸（HA）、富里酸（FA）含量均高于其他3种；（3）在畜禽粪肥质量评价综合得分模型中，牛粪肥获得最高得分0.834，其它粪肥得分依次为：羊粪肥0.761、猪粪肥0.732、鸡粪肥0.508。总体来看，4种畜禽粪肥的腐熟度仍需进一步提高，其综合质量排序为：牛粪肥>羊粪肥>猪粪肥>鸡粪肥。

风蚀监测可反映风沙运动规律，集沙仪是风蚀监测的必备仪器，而以往研究大多在沙漠或沙地开展，较少涉及黑土农田。本研究基于BSNE(Big Spring Number Eight)集沙仪，将采沙盒底部阻风结构中的18目孔径筛网改进为逆向百叶窗式的阻风挡板，采用模拟试验对比分析BSNE集沙仪和改进后rBSNE(Revised Spring Number Eight)集沙仪的保沙和集沙能力，并将其应用于野外黑土农田风蚀监测。研究结果表明：与BSNE集沙仪相比，rBSNE集沙仪降低了小粒级颗粒的损失率，当风速低于20 m·s~(-1)时，对<0.25 mm粒径的土壤颗粒的损失率显著降低74.3%～87.1%；当风速达到20 m·s~(-1)时，对所有试验粒径的土壤颗粒的损失率显著降低46.9%～74.3%。与BSNE集沙仪相比，rBSNE集沙仪有助于对小粒级颗粒的收集，当风速低于20 m·s~(-1)时，对粒径为<0.5 mm的集沙量显著增加了9.0%～44.0%；当风速达到20 m·s~(-1)时，对所有试验粒径的集沙量均显著增加7.3%～34.4%。野外监测结果显示风蚀输沙量随高度增加呈指数函数递减趋势，说明rBSNE集沙仪可应用于黑土农田风蚀的监测。

土壤氮转化速率决定着土壤供氮能力，除受到温度的影响，还受到底物有效性的影响。然而，在农田生态系统中，关于土壤氮素有效性和N_2O通量对气候变暖和秸秆还田耦合的响应研究仍不足。本研究在东北黑土区进行增温和秸秆还田试验，采用离子交换树脂膜和静态暗箱法，原位监测0～20 cm土层土壤铵态氮、硝态氮有效性和氧化亚氮（N_2O）通量，探究增温和秸秆还田对农田黑土氮转化的影响。结果表明：增温、秸秆还田没有显著影响土壤氮有效性，但其在不同时期存在显著差异。秸秆还田显著增加了N_2O通量，且7月增温和秸秆还田处理对N_2O通量具有显著交互作用。在不增温条件下，秸秆还田使N_2O显著提升了109%；在增温条件下，秸秆还田使N_2O显著下降了2%。增温、秸秆还田和取样月份对N_2O通量也具有显著交互作用。研究结果有利于评估全球气候变暖背景下秸秆还田对农田生态系统氮周转的调控作用，对研究黑土氮循环过程具有重要参考价值。