耕層增減對作物產量、養分吸收和土壤養分狀況的影響①

韓 上，武 際，夏偉光，陳 峰，雷之萌，王允青，郭熙盛，李 敏

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耕層增減對作物產量、養分吸收和土壤養分狀況的影響①

韓 上1, 2, 3，武 際1, 2*，夏偉光3，陳 峰4，雷之萌3，王允青1, 2，郭熙盛1, 2，李 敏1,2

(1 安徽省農業科學院土壤肥料研究所，合肥 230031；2 安徽養分循環與資源環境省級實驗室，合肥 230031；3 安徽農業大學資源與環境學院，合肥 230036；4 濉溪縣五鋪農場，安徽淮北 235118)

試驗于2012—2015年在淮北平原中部的濉溪縣展開，設原始耕層(TS)、在原始耕層厚度上人工削減5 cm (TS-5)和在原始耕層厚度上人工增加5 cm(TS+5) 3個處理。在玉米和小麥成熟期采樣分析和田間測產，在3季小麥收獲后分別采集0 ~ 20 cm土層土樣進行分析，明確耕層厚度變化對玉米–小麥輪作體系作物產量、養分積累的影響和土壤養分含量的變化規律。結果表明，耕層減少5 cm處理明顯降低玉米–小麥輪作體系作物產量和N、P2O5、K2O積累量，與原始耕層處理相比，分別下降了5.61% 和8.31%、5.65%、18.38%；耕層增加5 cm 后作物產量和各養分積累量均未出現顯著變化。第1個輪作周期結束時，耕層減少5 cm處理的土壤有機質、全氮和速效鉀含量明顯低于原始耕層處理；而經過3個輪作周期，土壤有機質含量仍處于較低水平，全氮和速效鉀含量逐漸回升，與原始耕層對應指標已無顯著差異。耕層增加5 cm處理明顯提高了土壤有機質和各養分含量，并在3個輪作周期后仍處于較高水平。綜上，耕層厚度減少5 cm會降低玉米–小麥輪作體系作物產量、各養分積累量和土壤有機質含量，并在短期內難以恢復；增加5 cm耕層雖然能改善土壤養分狀況，但對作物產量和養分積累量的提高沒有明顯效果。

耕層厚度；砂姜黑土；玉米–小麥輪作；產量；養分積累；土壤養分

作為中國第二大平原，華北平原是我國小麥、玉米的集中種植區域，在我國的糧食生產中具有舉足輕重的作用[1]。華北平原當前農業機械化程度較高，各種大型機械參與田間作業時連年碾壓土壤，但生產上卻常年以旋耕為主，導致了該地區出現土壤耕層變淺、犁底層緊實上移、土壤生產能力下降等一系列問題[2-5]。安徽淮北平原位于華北平原南端，土壤類型以砂姜黑土為主[6]，在當前農業生產中除了存在上述問題，以砂姜黑土為主的中低產土壤也是該區域作物產量提高的限制因素[7-8]。為此，明確耕層變化對淮北砂姜黑土區作物和土壤的影響，對保障該區域農業可持續性發展具有重要意義。

針對耕層變淺這一現實問題，學者進行了調查與研究，并取得了一定進展[9-10]。但當前的研究主要集中在原始耕層條件下不同耕作模式[11-17]、秸稈等有機物料還田[18-22]以及二者交互作用[23-27]對作物生長發育和土壤物理、化學、生物學性質的影響。以耕層本身厚度變化為對象的研究多在土壤侵蝕領域展開[28-29]，國內相關研究較少且集中在土壤侵蝕嚴重的區域，研究也以室內模擬試驗為主[30-31]，開展的田間試驗的研究年限也較短[32-33]。當前，淮北平原農田面臨耕層變淺、犁底層緊實上移等現實問題，但針對華北平原耕層變化的田間試驗研究卻鮮見報道[3]。本研究以砂姜黑土為研究對象，在現有耕層厚度的基礎上，模擬耕層減少和增加，通過田間連續多年試驗明確耕層厚度變化對作物產量、養分積累和土壤養分狀況的影響，以期為進一步研究淮北平原砂姜黑土區地力提升和作物高產穩產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2012年6月至2015年6月在安徽省淮北市濉溪縣進行。試驗區位于淮北平原中部，屬于暖溫帶半濕潤氣候，年平均氣溫14.5 °C，降雨量852.4 mm，日照充足，四季分明。試驗采用當地典型的夏玉米-冬小麥輪作制度，在本試驗開始前該田塊已經種植玉米-小麥6 a以上，試驗地基本條件一致。

供試玉米品種為浚單20，小麥品種為濟麥22。玉米采用點播，行距70 cm，株距24 cm，分別于2012年6月27日、2013年6月22日和2014年6月18日播種，2012年10月13日、2013年10月28日和2014年10月15日收獲。小麥采用條播，行距25 cm，分別于2012年11月2日、2013年10月24日和2014年10月31日播種，2013年6月6日、2014年6月6日和2015年6月8日收獲。供試土壤為砂姜黑土，試驗開始前測定耕作層厚度為15 cm，容重為1.47 g/cm3，0 ~ 20 cm土層土壤養分含量為有機質15.73 g/kg，全氮0.97 g/kg，堿解氮65.50 mg/kg，有效磷7.59 mg/kg，速效鉀163.88 mg/kg，緩效鉀884.24 mg/kg，pH為8.15。

1.2 試驗設計

試驗設3種不同耕層厚度處理，分別為原始耕層(TS)、在原始耕層厚度上人工削減5 cm(TS-5)和在原始耕層厚度上人工增加5 cm(TS+5)。具體操作為：在2012年冬小麥收獲后，先將試驗區按試驗要求劃分試驗小區，以小區為單位進行操作。耕層減少5 cm處理操作時先將小區劃分為14個2 m2小塊，以小塊為單位人工起5 cm表層土壤，并將該土壤運至耕層增加處理小區的對應位置攤平。每處理3次重復，小區面積4 m × 7 m。每季作物收獲后將地上部秸稈全部移出小區，留茬高度小于10 cm；以小區為單位撒施基肥，人工翻耕5 cm后整細耙平。玉米季氮肥(N)用量240 kg/hm2，磷肥(P2O5)90 kg/hm2，鉀肥(K2O)120 kg/hm2。60% 的氮肥和全部磷鉀肥基施，40% 氮肥拔節期追施。小麥季氮肥(N)用量225 kg/hm2，磷肥(P2O5)為90 kg/hm2，鉀肥(K2O)105 kg/hm2。60% 的氮肥和全部磷鉀肥基施，40% 氮肥拔節期追施。供試肥料分別為尿素(含N 46%)，過磷酸鈣(含P2O512%)，氯化鉀(含K2O 60%)。在玉米-小麥整個輪作周期內，其他管理措施完全相同。

1.3 測定項目及方法

在2012年6月小麥收獲后，采集0 ~ 20 cm土層土樣，采用常規方法測定基本理化性質[34]。

在玉米和小麥成熟期，按小區全部收獲，人工脫粒、稱重、測定含水率并計算各小區產量。各小區隨機選取6株玉米或3個1 m2樣方小麥的地上部，風干后按籽粒和秸稈分別計重。樣品烘干、磨碎后，經H2SO4-H2O2消化，半微量開氏法測定全氮含量，鉬銻抗比色法測定全磷含量，火焰光度計法測定全鉀含量[34]。

在2013年6月、2014年6月和2015年6月小麥收獲后，每小區按5點法取0 ~ 20 cm土層土壤，風干過篩后，采用常規方法測定土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀和pH。

1.4 數據分析

采用Excel 2010進行數據分析和圖表處理，SPSS 19.0軟件進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 耕層厚度變化對玉米–小麥輪作體系作物產量的影響

比較6季作物產量可知(表1)，與原始耕層處理相比，耕層減少5 cm處理的平均產量出現了下降，減產率達5.61%；而耕層增加5 cm處理的作物平均產量與原始耕層處理沒有明顯差異，增產率只有0.47%。比較不同耕層厚度對每季作物的產量可以發現，耕層減少5 cm后6季作物的產量均處于最低水平，原始耕層處理的第1季小麥、第2季玉米和第3季小麥產量較高，耕層增加5 cm處理第1季玉米、第2季小麥和第3季玉米產量較高。整體上，原始耕層和耕層增加5 cm處理的6季作物產量均接近，差異均未達顯著水平；耕層減少5 cm處理的第2季小麥產量顯著低于耕層增加5cm處理，第3季小麥產量則顯著低于其他兩個處理。在玉米產量上，3個耕層厚度處理只在第2季表現出了顯著差異，并且第2季玉米的產量整體低于其他兩季，平均產量只有其他兩季產量的53.5% 和57.7%。這可能與試驗區在第2季玉米揚花授粉期間出現的持續極端高溫干旱天氣有關[35]。

表1 不同耕層厚度下玉米-小麥輪作體系作物產量

注：表中同列數據小寫字母不同表示處理間差異達到<0.05 顯著水平，下表同。

對玉米-小麥輪作體系作物產量變化規律進一步分析(表2)，結果顯示，與原始耕層處理的產量相比，耕層減少5 cm后3季小麥產量的平均減產率達到了6.38%，高于3季玉米的平均減產率5.00%。如果不考慮第2季玉米種植期間極端天氣造成的12.02% 的減產率，耕層減少5 cm對玉米產量的負效應會進一步降低，只有3% 左右；而耕層減少5 cm則使小麥第1 ~ 3季分別減產1.36%、5.36% 和11.39%，減產率逐漸增大。說明耕層減少5 cm會導致玉米和小麥均出現減產，其中對小麥的減產效果更明顯，且減產效果在連續種植3 a時仍然存在。耕層增加5 cm后，與原始耕層處理的產量相比，玉米產量在第2季下降了6.51%，而在第1和第3季有小幅提升，3季平均增產0.10%；小麥產量整體上增產和減產的變幅較小，3季平均增產0.87%。

表2 耕層變化后作物產量變化趨勢

考慮到在相同施肥條件下，如果當季作物產量較高、生物量較大則會帶走較多養分而使下季作物能夠利用的養分相對減少，出現產量可能較低的問題，本研究進一步以玉米-小麥輪作體系為對象，分析每個輪作周期(周年)作物產量的變化規律。結果表明，與原始耕層處理相比，耕層減少5 cm后，玉米-小麥體系的3個周年分別減產341、961和921 kg/hm2，減產率為2.47%、8.28% 和6.47%。耕層增加5 cm后，玉米-小麥體系在第1和第3個周年的分別增產141 kg/hm2和114 kg/hm2，增產率為1.01% 和0.79%；在第2個周年減產了0.60%。綜上所述，耕層減少5 cm后，玉米-小麥輪作體系的作物產量在3個周年均出現一定程度下降；而耕層增加5 cm沒有明顯變化。

2.2 耕層厚度變化對玉米–小麥輪作體系作物養分吸收的影響

不同耕層厚度處理下作物對N、P2O5、K2O的積累存在差異(表3)。與原始耕層處理地上部各養分積累量相比，耕層減少5 cm使玉米的N、P2O5和K2O積累量分別下降了6.06%、2.71% 和15.77%，小麥分別下降了10.90%、8.88% 和21.24%，小麥各養分積累量的下降幅度均大于玉米。對不同養分來說，按下降幅度的大小依次排序為：K＞N＞P。分不同部位比較，玉米的N和P2O5的積累量在籽粒中下降幅度更大，均達到了顯著水平；K2O積累量在秸稈中降低了25.40 kg/hm2，降幅為17.58%；小麥中各養分積累量均以秸稈中下降幅度最大。耕層增加5 cm時，玉米的地上部N、P2O5和K2O積累量分別增加了3.32%、0.20%和5.96%，各養分積累量均有一定程度的增加，表現為K＞N＞P，但均未達到顯著水平；小麥的各養分積累量和原始耕層處理對應指標均接近，差異在1% 以內。

表3 不同耕層厚度下玉米–小麥輪作體系作物養分積累量(kg/hm2)

進一步分析了玉米、小麥的各養分收獲指數，耕層厚度變化對玉米和小麥的氮收獲指數和磷收獲指數均沒有明顯影響；耕層減少5 cm顯著提高了玉米和小麥的鉀收獲指數，而耕層增加5 cm顯著降低了玉米的鉀收獲指數，對小麥的鉀收獲指數沒有影響。說明在耕層減少5 cm導致作物地上部K2O積累量整體降低的條件下，鉀素優先轉運至玉米和小麥的籽粒；而在地上部K2O積累量提高時，增加的鉀素更多地儲存在了玉米秸稈中。對玉米-小麥輪作體系來說，耕層減少5 cm顯著降低了N和K2O的積累量，降幅分別為8.31% 和18.38%，對P2O5的積累也有一定程度的降低，但未達顯著水平，各養分降幅依次為：K＞N＞P；耕層增加5 cm對各養分積累量無明顯影響，與原始耕層相比，增幅分別為1.64%、0.33% 和2.67%。綜上所述，耕層減少5 cm使作物對N、P2O5、K2O的積累量出現不同程度的降低，而耕層增加5 cm后作物對各養分的積累量沒有明顯增加。

2.3 耕層厚度變化對土壤養分狀況的影響

2.3.1 耕層厚度變化對土壤有機質和全氮含量的影響 在小麥季取土進行養分分析，不同處理對土壤有機質和全氮含量的影響見表4。與原始耕層處理相比，耕層減少5 cm處理明顯降低了土壤有機質含量，在2013—2015年測定時有機質含量分別降低了0.78、0.23和0.84 g/kg；而耕層增加5 cm處理則明顯提高了土壤有機質的含量，在2013年測定時提高了0.98 g/kg，2014年和2015年時分別提高了1.71 g/kg和1.11 g/kg，達到了顯著水平。比較同一處理不同年份間的變化，各處理土壤有機質含量的變化并未出現明顯趨勢，原始耕層處理含量在15.24 ~ 15.74 g/kg，耕層減少5 cm處理在14.70 ~ 15.01 g/kg，耕層增加5 cm處理在16.65 ~ 16.95 g/kg。

表4 2013—2015年不同耕層厚度下土壤有機質和全氮含量變化

不同處理間土壤全氮含量的變化趨勢在2013年和2014年表現為耕層減少5 cm土壤全氮含量分別降低了3.94% 和4.83%，耕層增加5 cm土壤全氮含量分別提高了11.55% 和9.38%。經過3個輪作周期，在2015年測定時耕層減少5 cm處理的土壤全氮含量與原始耕層處理一致，而耕層增加5 cm處理仍處于較高水平，顯著高于其他兩個處理。比較同一處理不同年份間的變化，原始耕層和耕層增加5 cm處理的土壤全氮含量沒有明顯的變化，而耕層減少5 cm處理隨著時間的推移有逐漸升高的趨勢。

2.3.2 耕層厚度變化對土壤有效磷和速效鉀含量的影響 由表5可知，耕層增加5 cm處理提高了土壤有效磷含量，在各年份均顯著高于原始耕層和耕層減少5 cm處理；原始耕層和耕層減少5 cm處理間無顯著差異，二者土壤有效磷含量在6.22 ~ 7.03 mg/kg之間。同一處理的土壤有效磷含量并未隨著試驗年限的增加發生明顯變化。耕層減少5 cm處理在2013年和2014年土壤速效鉀含量分別降低了15.41% 和8.13%，達顯著水平；而在2015年降低了5.40%，未達顯著水平。耕層增加5 cm處理則顯著提高了速效鉀含量，2013—2015年比原始耕層處理分別提高了33.92%、55.76% 和51.74%。2013—2015年，原始耕層處理的土壤速效鉀含量無明顯變化，而耕層減少5 cm處理有升高趨勢。

表5 2013—2015年不同耕層厚度下土壤有效磷和速效鉀含量變化

3 討論

土壤是作物賴以生存的基礎，作物生長發育所需要的大部分養分和水分都來自于土壤耕作層[36]。耕層厚度的減少會導致土壤的理化性質變劣，進而降低作物產量[28,37]。成婧等[33]以渭北旱塬土壤為研究對象，得出剝離表層土壤會使土壤理化性質惡化，人為增加耕層厚度能很好地改善土壤結構和提高土壤有機質及其他養分含量。本研究發現在削減5 cm耕層后，第1個輪作周期結束時0 ~ 20 cm土層土壤有機質、全氮、速效鉀含量均出現明顯下降；經過3個輪作周期，土壤全氮和速效鉀含量逐漸回升，但有機質含量仍處于較低水平。而耕層增加5 cm對土壤有機質和各養分含量均有明顯的提升作用，與原始耕層相比，在第3個輪作周期結束時土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量仍分別提高了1.11 g/kg、0.10 g/kg、2.32 mg/kg和84.50mg/kg，差異均達顯著水平。本研究的結果也證實了耕層厚度的減少或增加會迅速降低或提升土壤有機質和各養分含量，其中耕層減少導致的土壤全氮和速效鉀含量的降低能在傳統耕作模式下逐漸回升，而有機質含量下降后在短期內不能得到恢復。

有研究發現，在常規施肥條件下，耕層變淺會使玉米產量降低，剝離10 cm表土后，玉米產量下降了13.9%；而覆蓋10 cm表土后玉米產量上升了12.0%[38]。本研究在耕層減少5 cm時作物產量也出現下降，玉米和小麥3季平均下降了5.00% 和6.38%，降幅小于上述研究結果。這可能與本研究剝離的土層厚度只有5 cm有關，也可能與兩個試驗區土壤肥力水平有關。張興義等[32]對土壤肥力水平較高的黑土區的研究就發現，耕層減少5 cm和10 cm 時，作物只減產了3.1% 和3.2%。同時，耕層減少5 cm后作物對各養分的吸收量出現不同程度的降低，其中氮和鉀積累量的降幅分別為8.31% 和18.38%，大于產量的降幅5.61%，這也從養分吸收的角度解釋了作物減產的原因。本研究結果顯示耕層增加5 cm后玉米和小麥的產量沒有明顯提升，平均增產率只有0.10% 和0.87%，與上述研究[38]得出的作物明顯增產的結論并不一致，這可能與砂姜黑土既不耐旱也不耐澇，耕性和通透性均較差的特性有關[7]。增加5 cm耕層雖然明顯改善了土壤的養分狀況，但可能仍受限于砂姜黑土不良的物理性狀而未能使作物獲得增產，并在3個輪作周期結束時仍無增產效果。上述討論也提示我們在生產中一定要重視保護農田耕作層，耕層結構一旦被破壞則很難恢復如初，而耕層土壤地力提升也絕非朝夕之事。

另外，本研究僅通過3 a的定位試驗對淮北平原砂姜黑土區不同耕層厚度變化下作物產量、養分吸收和土壤養分狀況的變化進行了比較，關于耕層變化對土壤物理性狀、作物根系分布等方面的影響以及針對耕層變淺后不同恢復措施的效果還有待進一步研究。

4 結論

1) 在耕層厚度為15 cm的淮北平原砂姜黑土區，減少5 cm耕層會降低玉米-小麥輪作體系作物產量和N、P2O5、K2O積累量，降幅依次為 5.61% 和8.31%、5.65%、18.38%；而耕層增加5 cm 并未顯著增加作物產量和各養分積累量。

2) 耕層減少5 cm后土壤有機質、全氮和速效鉀的含量在第1個輪作周期結束時明顯低于原始耕層土壤，經過3個輪作周期，土壤全氮和速效鉀含量逐漸回升，有機質含量仍處于較低水平。耕層增加5 cm明顯提高了土壤有機質和各養分含量，并在3個輪作周期后仍處于較高水平。

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Effects of Topsoil Thickness on Crop Yields and Nutrient Uptake as well as Soil Nutrients

HAN Shang1,2,3, WU Ji1,2*, XIA Weiguang3, CHEN Feng4, LEI Zhimeng3, WANG Yunqing1,2, GUO Xisheng1,2, LI Min1,2

(1 Soil and Fertilizer Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230031, China; 2 Anhui Provincial Key Laboratory of Nutrient Recycling, Resources & Environment, Hefei 230031, China; 3College of Resource and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China; 4 Wupu Farm of Suixi County, Huaibei, Anhui 235118, China)

A field experiment was conducted in Suixi County in the middle of Huaibei Plain from 2012 to 2015,three treatments of topsoil thickness were designed: original topsoil (TS), 5 cm topsoil removed artificially (TS-5) and 5 cm topsoil increased artificially (TS+5), plant samples of maize and wheat were collected at the mature stages and soils in 0-20 cm depths were sampled after quarterly wheat harvest. Crop yields of maize-wheat rotation and nutrient accumulation were analyzed, and the variation of soil nutrient contents were discussed. The results showed that compared with TS treatment, TS-5 treatment significantly reduced crop yields and N, P2O5and K2O accumulation in maize-wheat rotation, decreased by 5.61% and 8.31%, 5.65%, 18.38%, respectively, while crop yields and nutrient accumulation of TS+5 treatment showed no significant change. At the end of the first rotation, the contents of SOM, total nitrogen and available potassium of TS-5 treatment wereobviously lower than TS treatment. After the third rotation, the contents of total nitrogen and available potassium increased gradually and had no significant difference with those of TS treatment, while the content of SOM was still at a low level. TS+5 treatment significantly increased SOM and nutrient contents, they were maintained at high levels after the third rotation. In summary, TS-5 treatment can reduce crop yields and nutrient accumulation of maize-wheat rotation and the contents of SOM and nutrients are difficult to recover in the short term. Although TS+5 treatment can improve soil nutrient status, but such improvement has no significant effect in increasing crop yields and nutrient accumulation.

Topsoil thickness; Lime concretion black soil; Maize-wheat rotation; Yield; Nutrient accumulation; Soil nutrients

國家重點研發計劃項目(2018YFD0300901)，安徽省農業科學院院長青年創新基金項目(16B1019)，公益性行業科研專項(201503122)和安徽省重點研究與開發計劃項目(1704e1002237)資助。

(wuji338@163.com)

韓上(1989—)，男，河南信陽人，碩士，助理研究員，主要從事植物營養與作物施肥技術研究。E-mail: hs0059@126.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.05.004

S158.5

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