全球农业系统正面临前所未有的挑战，这主要是由于自然过程和不当的土地管理实践导致的土壤肥力和恢复力下降，从而限制了作物生产力，并威胁到生态系统的功能和稳定性（Lal, 2001; Alaoui et al., 2020; Ali et al., 2020）。长期集约化耕作、养分输入不平衡、不合理残茬管理以及气候变化加剧下的严重水蚀，使得约20亿公顷耕地（占全球总量的38%）遭受不同程度的退化（Duflot et al., 2022; Hartmann and Six, 2023）。退化的土壤对农用化学品的依赖性增加，这不仅提高了生产成本，还降低了农业生态系统的可持续性（Dai et al., 2024）。因此，改进农业管理措施，特别是通过适当的秸秆还田方法，已成为全球优先事项，尤其是在坡地农田和粮食需求较高的地区（Barão et al., 2019）。
作物秸秆是农田中收获后最易获得的有机质来源（Turmel et al., 2015）。由于秸秆还田对作物生长动态和产量的深远影响，这一做法受到了越来越多的关注（Liu et al., 2025）。大量研究表明，适当的秸秆还田可以改善土壤结构和水热条件，促进微生物多样性和酶活性，并补充土壤腐殖质和必需养分（Bhattacharyya et al., 2012; Zhao et al., 2016; Siedt et al., 2021）。然而，这些作用在很大程度上取决于秸秆还田的方法（Pittelkow et al., 2015; Li et al., 2022; Ding et al., 2023）。旋耕是最广泛应用的秸秆还田方法之一，因其操作效率高且能耗低。该技术利用旋转刀片切割、抛掷和粉碎土壤块，打破压实层，增加土壤孔隙度并促进秸秆与土壤的充分混合，典型的耕作深度为15–20厘米（Jiang et al., 2022; Wang et al., 2024）。深翻是另一种重要的秸秆还田方法，其中犁刀将土壤翻至更深的层次（25–30厘米），将作物秸秆埋入深层土壤，同时破坏犁底层并有助于土壤下层的水分储存（Ning et al., 2022; Ding et al., 2023）。
与这些基于耕作的方法相比，免耕或条带覆盖等秸秆覆盖方法对土壤的扰动较小（Dou et al., 2024）。在这些方法中，切碎的秸秆残余物留在土壤表面或重新分布在行间，形成一层保护性覆盖层，减少蒸发、减轻土壤侵蚀并调节土壤温度（Xing et al., 2025）。此外，旋耕和深翻通常与垄作系统结合使用，而条带覆盖主要在平地种植条件下进行。不同的秸秆还田方法在土壤扰动过程和秸秆混入深度上存在显著差异，从而对土壤结构和水热特性以及土壤微生态系统（包括微生物群落组成和代谢活动）产生不同的影响，最终影响土壤养分和作物生长（Turmel et al., 2015; Sun et al., 2016; Adimassu et al., 2019; Liu et al., 2025）。许多研究表明，秸秆覆盖显著增加了表土层的有机质和养分含量，而深翻更有效地促进了深层土壤养分的提高（Dikgwatlhe et al., 2014; Ding et al., 2023）。此外，秸秆覆盖可能导致土壤微生物生物量呈现“上层丰富、底层贫乏”的垂直分布，而深翻则使土壤耕作层内的微生物生物量分布相对均匀（Turmel et al., 2015）。
秸秆还田的效益也与土壤退化程度密切相关。许多研究表明，土壤退化会显著改变表土的大多数物理化学性质（Li et al., 2021; Wang et al., 2025; Xing et al., 2025），这不可避免地影响不同秸秆还田方法下的秸秆分解和养分转化效率（Ling et al., 2022; Dai et al., 2024）。Schneider等人（2017）对1530个产量数据集的元分析表明，深翻在全球温带地区使作物产量提高了约6%。然而，对于粘土含量较低的土壤，深翻可能导致结构破坏和由土壤固结引起的次生压实。在内蒙古东北部，Wang等人（2024）也强调了秸秆还田方法的区域特异性效果，并报告称在旱地农业中，深翻导致表土孔隙度过大，从而造成土壤水分流失和较大的昼夜温差。此外，在微生物恢复力较低的退化土壤中，深翻可能会迅速降低微生物丰富度，主要是由于其机械扰动破坏了表层微生物的栖息地，并导致表土养分水平下降（Wang et al., 2020; Juhos et al., 2024）。这些观察表明，秸秆还田方法的有效性紧密依赖于当地土壤条件，而这些条件又受到气候区和土地退化程度的强烈影响。因此，确定不同土壤退化程度下的适宜方法对于最大化秸秆还田的效益至关重要。
中国东北部的黑土区域面积达1.09×10⁶平方公里，是世界上四个主要的黑土分布区之一，是商业粮食种植的重要农业区，也是国家粮食安全的基石（Yang et al., 2022）。然而，长期的耕作扰动、机械压实以及农药和化肥的过度使用，加上集中的降雨和长而缓的坡度，导致这一雨养农业区发生了严重的土壤侵蚀和土地退化（Wang et al., 2024）。据估计，大约33%的耕地经历了不同程度的退化（Tian et al., 2025）。过去几十年中，表黑土层厚度大幅减少，几乎失去了原来的一半。在某些地区，其厚度目前不到20厘米（Dai et al., 2024）。近年来，黑土的保护和可持续利用受到了广泛关注。秸秆还田被广泛认为是缓解侵蚀和提高退化农田土壤肥力的有效方法。每年有超过50%的作物残余物通过旋耕、深翻和表面覆盖等方式返回田地（Xing et al., 2025）。
然而，土壤退化程度的空间差异不仅存在于不同的山坡之间，也存在于不同的坡度位置之间。这些农田对耕作强度的恢复力也存在很大差异（Adimassu et al., 2019; Li et al., 2022）。以往的研究很少探讨侵蚀引起的退化与秸秆还田方法之间的耦合机制，也未探索它们对土壤结构、水热条件、微生物活动、养分动态以及作物生长和产量的协同效应。对于不同退化程度的农田，适宜的秸秆还田方法仍不清楚。因此，本研究旨在定量分析土壤的物理、养分和微生物特性，以及作物生长和产量，以确定受不同程度退化影响的农田的适宜秸秆还田方法，并阐明适宜的还田方法如何提高中国东北部黑土地区的土壤生产力。
