心土間隔混層技術改善白漿土理化性質提高大豆產量

朱寶國，張春峰，賈會彬，孟慶英，王囡囡，匡恩俊，張立波，高雪冬，王慶勝，劉俊剛，王宇先

心土間隔混層技術改善白漿土理化性質提高大豆產量

朱寶國1,2，張春峰1,2※，賈會彬1,2，孟慶英1,2，王囡囡1,2，匡恩俊3，張立波1,2，高雪冬1，王慶勝1，劉俊剛1，王宇先4

（1. 黑龍江省農業科學院佳木斯分院，佳木斯 154007； 2. 黑龍江省白漿土改良工程中心，佳木斯 154007；3. 黑龍江省農業科學院土壤肥料與環境資源研究所，哈爾濱 150086； 4. 黑龍江省農業科學院齊齊哈爾分院，齊齊哈爾 161006）

為了提高改土效率，打破白漿土障礙層次白漿層，改善貧瘠的心土層創造有利條件，該文設計了將白漿土“上翻20 cm，下混30 cm，同時間隔62 cm不混拌”的心土間隔混層犁。2016－2017年在黑龍江省八五四農場設置心土間隔混層區和淺翻深松區大區對比試驗，研究改土作業后土壤理化性質、大豆產量及其農藝性狀變化，明確改土機械作業效果與作物增產機理。結果表明：與淺翻深松相比，心土間隔處理改土2 a內：改善白漿土心土層土壤物理性質，提高土壤含水率，>20～40 cm土層土壤含水率提高幅度為2.13～3.20個百分點；降低心土層土壤硬度，硬度值降低40%～50%，且在>20～40 cm心土層沒有出現峰值，改善土壤三相比例，固相值降低5.06個百分點，液相值增加3.17個百分點，氣相值增加1.89個百分點。改善心土層化學性質，>20～40 cm土層堿解氮提高33.77%，有效磷提高39.25%，速效鉀提高4.16%，有機質提高15.85%，同時提高心土層全量養分含量，降低土壤pH值，但效果不明顯。連續調查兩年大豆產量，心土間隔混層區比淺翻深松區增產12.66%～13.28%，一次改土后效時間長，增產效果顯著。該研究結果可為旱地白漿土及其同類低產土壤的改良提供技術支撐。

土壤；作物；白漿土；心土間隔混層；物理特性；化學特性；土壤改良

0 引 言

白漿土主要分布在黑龍江和吉林兩省的東北部[1]，是中國東北平原20世紀50年代末期大面積拓墾的主要土壤資源，在兩省的耕地資源中占有重要位置，在黑龍江省總面積約為331.2萬hm2。該省東部三江平原地區是白漿土集中分布區，耕地面積達到88.4萬hm2，約占該區總耕地面積的25.4%[2]。白漿土分布于中國東北黑土地帶，與黑土、草甸土呈復區分布，但其黑土層在相鄰土壤中最薄，平均為12.8cm，厚度范圍6～20 cm[3]，其獨特的成土條件不僅限制了黑土層的發育，還在黏化淀積層之上、黑土層之下形成了一個板結、緊實，阻礙植物根系生長、厚度范圍在20 cm左右的白漿層[4-5]。這層土壤不僅養分貧瘠，而且通透性能極差，引起黑土層水分變動劇烈，土壤表旱、表澇頻繁，長期耕作土壤偏酸嚴重[6]。因此，改良和利用好這類土壤資源，對于改變白漿土區低產面貌，提高中國糧食總產具有重要意義。

由于白漿土開發歷史較晚，土壤成因特殊，生產問題獨特，白漿土一直受到廣泛關注，中國科學院沈陽應用生態研究所最早開展白漿土資源詳查、成土學說以及綜合治理等系統研究[7-8]，黑龍江八一農墾大學相繼開展白漿土成因、地力評價以及綜合改土措施方面的研究[9-10]，黑龍江省農業科學院佳木斯分院根據白漿土在機械組成上呈現兩層性的特點，提出了以淀積層的“黏”來治白漿層的“砂”的改土路線[11-13]，經過多年試驗研究，明確了“上翻20 cm，下混30～40 cm”的改土原理，成功地研制出三段式心土混層犁[14-16]，該機械把白漿層和淀積層進行隨機混拌，打破堅硬的白漿層，耕作深度可達50 cm以上，作業后顯著土壤通透性和儲水能力[17]。對白漿土物理性質的改良效果十分明顯，一次改土后效可持續5年以上[18-19]。

經過多年的試驗研究發現，心土全層混拌，機械效率低下，如遇春季多雨季節，容易造成心土過宣，影響機械播種。因此本項研究在三段犁的基礎上，通過心土間隔混層技術，把白漿土白漿層和淀積層進行間隔混拌，形成虛實并存的土體構型，既達到改善土壤通透性，提高心土層養分含量，又解決了土壤過宣問題，同時與原有三段式心土混層犁[20]相比作業效率提高1倍。因此本研究設置心土間隔混層區和淺翻深松區田間對比試驗，調查心土間隔混層犁作業后土壤理化性質變化，指示作物產量及其農藝性狀變化，明確心土間隔混層技術改土增產效果，進一步拓寬白漿土改良新途徑，為心土混層改土技術的廣泛應用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗在黑龍江省八五四農場旱田試驗站進行（東經132°55'21''，北緯46°02'52''），試驗于2016年5月開始，至2017年10月結束，試驗采取連續定位測定，供試土壤類型為崗地白漿土，耕層土壤含有機質26.23 g/kg、全氮1.29 g/kg、全磷1.76 g/kg、全鉀22.54 g/kg、堿解氮215.4 mg/kg、有效磷32.4 mg/kg、速效鉀137.0 mg/kg。土壤pH 6.12，試驗區地勢平坦，無灌溉條件。

1.2 氣象條件

2016年降雨量545.4 mm，2017年降雨量433.1 mm，具體5－9月降雨量如下（表1）所示。

表1 2016－2017年八五四農場降雨量

1.3 試驗設計

試驗采用大區對比試驗，設2個處理，3次重復，每個處理面積1.0 hm2。具體處理如下：

1）淺翻深松區(CK)，采用普通翻地犁進行作業，作業深度為0～20 cm；

2）心土間隔混層區（SIML）：采用自主研發的心土間隔混層犁作業，該犁為間隔混拌作業模式，即上翻黑土層20cm，其下白漿層和淀積層水平30 cm隨機混拌、62 cm未混拌，作業深度 50～60 cm。

供試品種：2016年、2017年均為“墾農30號大豆”。2016年5月7日播種，10月1日收獲；2017年5月10日播種，10月5日收獲。壟距0.65 m，雙行單粒，株距0.1 m，密度為30萬株/hm2。施肥量：尿素65 kg/hm2，二銨180 kg/hm2，氯化鉀50 kg/hm2。不同處理施肥量和田間除草與當地一般生產田一致。

1.4 工作原理

心土間隔混層犁是一種新型改土機械，該改土機械主要由4個主體機械部件構成：新增的和原有的第一犁為表土犁，第二犁為白漿層破碎器，第三犁為淀積層破碎器，這些部件順次安裝在主犁架上（圖1a），作業時，原有的第一犁作業幅寬46 cm，其下心土混拌幅寬30 cm，心土未混拌幅寬16 cm；新增的第一犁作業幅寬亦為46 cm，其下心土未混拌幅寬46 cm，從而實現30 cm混拌、62 cm未混拌的心土間隔混拌（圖1b）。

注：Ap：耕層；Aw：白漿層；B 層：淀積層。(1)-(7)為犁作業步驟。

作業參數：耕作幅寬：92 cm；耕作深度：50～60 cm；牽引阻力：45 kN；作業效率：0.6～1 hm2/h；作業成本：700～1 000元/hm2。

1.5 調查項目與方法

1.5.1 土壤含水率測定

土壤含水率采樣深度為60 cm，按10 cm一層分層取樣，共取6層，每層取3點，采用土鉆取土室內烘干法測定，取樣時間是2016年7月大豆花期采樣1次，2017年的8月大豆結莢期采樣1次。

1.5.2 土壤硬度測定

土壤硬度測定深度為60 cm，按5 cm一層測定，每點測12 層，每小區連續測定10點，每點水平距離10 cm，采用日本大起理工制DIK-5521貫入式土壤硬度計測定，圓錐底面2 cm2，測定時間與土壤含水率取樣時間一致。

1.5.3 土壤三相測定

選擇每小區對角線交叉點為取樣點，采取人工方式挖土壤剖面，剖面規格為100 cm×100 cm×120 cm，用環刀取原狀土樣，環刀規格為高5 cm，容積100 cm3，取樣深度為60 cm，按20 cm一層分層取樣，每層取6點，環刀樣扣蓋，密封后備用，采用日本DIK-1120土壤三相儀器測定。測定時間2017年8月與含水量測定時間一致。

1.5.4 土壤化學指標測定

用土鉆進行取土，取樣深度為60 cm，按20 cm一層分層取樣，每層取3點，回實驗室風干備用。采用美國產原位土壤pH計測定土壤pH值，采用擴散吸收法測定土壤堿解氮；采用碳酸氫鈉提取法測定土壤速效磷；采用鹽酸浸提-AAS法測定土壤速效鉀；采用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質；采用半微量開氏法測定土壤全氮；采用NaOH熔融-鉬銻鈧比色法測定土壤全磷；采用NaOH熔融-火焰光度法測定土壤全鉀[21]。采樣時間為2017年10月10日。

1.5.5 產量指標測定

大豆成熟以后各小區全區收獲測產。每區選有代表性的30株進行產量構成因素測定。

1.6 數據分析

采用DPS 7.05和Excel 2007軟件進行數據處理和分析。

2 結果與分析

2.1 心土間隔混層對土壤水分的影響

心土間隔混層處理土壤后，連續2 a調查土壤含水率變化情況，從圖2中可以看出，0～60 cm土層土壤含水率隨著土層深度的加深，不同層次土壤含水率變化趨勢是先增大后減小，再增大。與對照區相比，>20～40cm土層土壤含水率明顯提高，第1年土壤含水率提高2.52～3.20個百分點，第2年土壤含水率提高2.13～2.30個百分點，差異達到顯著水平；0～20 cm和>40～60 cm 土層土壤含水率與對照相比雖有提高，但變化不明顯。說明心土間隔混層改土處理后，土壤致密的白漿層被間隔破碎和心土層進行隨機混拌，間隔改變土體結構，提高土壤通透性，有利于水分上下運移，增大了>20～40 cm土層土壤儲水庫容，從而提高土壤含水量。

注：SIML為心土間隔混層處理，CK為淺翻深松區，下同。

2.2 心土間隔混層對土壤硬度的影響

心土間隔混層改土后2a內，測定土壤硬度結果表明（圖3），對照區0～60 cm土層土壤硬度值變化趨勢是先增大后減小，在＞20～40 cm土層內出現峰值，硬度最大值在2.5 MPa左右；心土間隔混層犁改土區，隨著土層加深硬度值逐漸變大，后趨于平穩，＞20～40 cm心土層沒有出現峰值，硬度最大值在1.5 MPa左右，明顯降低了白漿土心土層土壤硬度值，較對照區硬度值降低40%～50%，＞0～20 cm和＞40～60 cm土層土壤硬度值雖有降低，但差異不顯著。說明心土間隔混層改土后間隔混拌了白漿層和淀積層，致密的白漿層被打破，硬度降低到了適合作物根系生長范圍內，有利于作物根系生長，結果表明改土2a內土壤硬度沒有恢復原狀，改土效果顯著。

圖3 不同耕作方式下土壤硬度變化

2.3 心土間隔混層對土壤三相的影響

白漿土心土層土壤物理性質差，水分和氣體所占空間少，水分上下運移不良，其主要問題出在障礙層次白漿層，心土間隔混層犁能夠打破白漿層，使白漿層和淀積層進行間隔混拌，從而打破白漿層不良物理特性。心土間隔混層改土2 a后測定土壤三相值，從圖4可以看出，心土間隔混層與對照區相比0～60 cm土層土壤固相減小，液相和氣相增大，特別是＞20～40 cm土層變化明顯，與對照相比固相比例降低5.06個百分點，液相比例提高3.17個百分點，氣相比例提高1.89個百分點。0～20 cm和＞40～60 cm土壤三相雖有變化，但不明顯。說明經過心土間隔混層犁處理過的土壤，2 a內心土層土壤硬度沒有恢復，土壤通透性明顯改善，改土效果持久顯著。

圖4 不同耕作方式下土壤三相變化

2.4 心土間隔混層對土壤養分變化的影響

白漿土耕層養分含量低，很難滿足作物生長需要，利用心土間隔混層犁把白漿層和淀積層進行隨機混拌，同時兩層養分也隨機混拌。表1是心土間隔混層犁改土2a后土壤養分測定結果，從表1中可以看出，0～20 cm土層變化不明顯，原因是耕層土壤只是平移翻轉，沒有混拌，因此對養分影響小。＞20～40 cm土層白漿層和淀積層進行隨機間隔混拌，速效養分得到明顯提高，與對照相比堿解氮提高33.77%，有效磷提高39.25%，速效鉀提高4.16%，同時提高全氮和全磷含量，全鉀變化不明顯；有機質含量提高15.85%，pH值變化不明顯。與＞20～40 cm變化相比，＞40～60 cm土層土壤速效養分和全量養分雖有提高，但變化不明顯。說明心土間隔混層后，兩層土壤養分隨機混合，提高了＞20～40 cm土層養分供給能力。

2.5 心土間隔混層對作物產量的影響

土壤處理后，連續調查2年作物農藝性狀及產量，從表2中看出，心土間隔混層犁改土處理區與對照區相比，都不同程度提高了大豆的單株株高、節數、莢數，增加大豆單株粒數和百粒質量，特別是株高、莢數和粒數差異達到了顯著水平。心土間隔混層處理后提高了大豆產量，與淺翻深松區相比第1年大豆產量增產13.28%，第2年大豆產量增產12.66%。說明心土間隔混層改土后2個作物生育期內大豆能夠持續增產10%以上，改土后效顯著。

表1 不同耕作方式下土壤養分變化

注：同列數值后不同小寫字母代表0.05水平差異顯著。下同，

Note: Values in the same column followed by different lowercase letters were significant difference at 0.05 probability level. The same below.

表2 大豆產量性狀及產量

3 討 論

白漿土的土體構型和土壤肥力的關系十分密切。心土間隔混層措施雖未給土壤帶來新的肥力物質，但卻提高了作物的產量，其關鍵就在于調節了土層間的適當配合，創造了一種有利于土壤水、肥、氣、熱的保持與協調的新的土體構型。白漿土白漿層土壤粉砂含量高，養分含量低[22-23]，容易沉實，造成土壤板結、緊實，水分上下溝通困難，土層間的適當配合受到阻礙，是白漿土低產的癥結所在。要改變這種狀況，要么大量施入有機肥，增加土壤有機質含量[24-25]，活化不良心土層[26-27]，提高耕層土壤養分[28-29]；要么進行土層改造。第一種措施在目前有機質來源尚不能保證耕層培肥的情況下是難以實施的。第二種措施根據白漿土在土壤機械組成上具有兩層性[30]，白漿層與淀積層具有上沙下黏的特點，這就為創造一種沙黏適中的土體構型提供了有利條件。

心土間隔混層后，土壤物理性質明顯改善。淀積層和白漿層隨機混拌，土壤機械組成由原來的兩層性變為三層性，即耕層、混拌層和淀積層，且各自擁有不同的沙黏比，土壤形成了新的土體構型。在這種土體構型下，保證耕層土壤養分不變的情況下，明顯改善了心土層土壤的物理性質[31-32]，顯著降低了白漿土心土層土壤的硬度，硬度可降低2倍左右，且在整個土層中硬度沒有出現峰值。增大儲水庫容，提高土壤含水量，改善土壤三相值，土壤水氣協調，提高土壤通透性，既決了白漿土區土壤表旱表澇的嚴重問題，又防止土壤板結現象。

心土間隔混層后，化學性質得到明顯改善。心土間隔混層雖沒有添加任何肥力物質，但把淀積層和白漿層進行隨機混拌，提高土壤通透性，有利于耕層水分養分運移，同時把兩層營養物質也隨機混拌，所以20～40 cm心土層速效養分含量與原來貧瘠的白漿層相比明顯提高，土壤質量得到明顯改善，同時作物根系能夠下扎到心土層，有利于根系吸收營養，促進大豆生長發育，持續提高作物產量，連續測定兩年作物平均產量提高10%左右。

4 結 論

在保持表土層位置不變的情況下，心土間隔混層技術實現了“上翻20 cm，下混30 cm，同時間隔62 cm不混拌”的新農藝參數，心土層物理性質和化學性質得到明顯改善，同時提高改土效率和作物產量。

1）心土間隔混層技術改善白漿土物理性質。＞20～40 cm土層各項指標變化幅度明顯，土壤含水量提高2.13～3.20個百分點；固相降低5.06個百分點，液相增加3.17個百分點，氣相增加1.89個百分點；硬度降低40%～50%。

2）心土間隔混層技術改善白漿土化學性質。提高＞20～40 cm心土層養分含量，土層堿解氮提高33.77%，有效磷提高39.25%，速效鉀提高4.16%，有機質提高15.85%。

3）心土間隔混層技術提高大豆產量及其農藝性狀。增加大豆株高、節數、莢數、粒數和百粒重，連續2 a調查大豆產量，心土間隔混層區比對照區增產12.66%～13.68%，一次改土后效持續時間長。

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Improving physicochemical properties of planosol and increasing yield of soybean by using subsoil interval mixed layer technology

Zhu Baoguo1,2, Zhang Chunfeng1,2※, Jia Huibin1,2, Meng Qingying1,2, Wang Nannan1,2,Kuang Enjun3, Zhang Libo1,2, Gao Xuedong1, Wang Qingsheng1, Liu Jungang1, Wang Yuxian4

(1.154007,; 2.154007,; 3.,150086;4.,161006,)

Planosol is one of the main agricultural soils in the northeast of China, concentrates in Heilongjiang and Jilin provinces relatively. Its total area is approximately 3.312 million hm2in Heilongjiang Province, centrally distributed in the Sanjiang Plain, its cultivated land area is about 0.88 million hm2, accounting for 25.4% of the total arable land in the area. The subsoil of planosoloften presents the physical and chemical characteristics of “hard, board and thin” during the growing period of crops, which results in serious drought and water logging. According to the characteristics of the two-layer nature of the planosol in its mechanical composition, we proposed a new soil modification route to treat the “sand” of the Aw (planosol layer) horizon with the “clay” of the B horizon (illuvia horizon), clarified the principle of “the Ap horizon in depth of 20 cm undisturbed, while mix the subsoil in depth of 30-40 cm”, and developed a three-stage subsoil mixing plough which could mixed the Aw horizon and the horizon with the ratio of 1:1 under the condition of the black soil layer position unchanged, improved the permeability and the water storage capability of the subsoil. After many years experiment and demonstration, the whole subsoil layer mixed, seriously affect the mechanical seeding. In order to improve the soil modification efficiency, form suitable soil structure and improve barren subsoil, the subsoil interval mixing plough was designed on the basis of the three-stage subsoil mixing plough, which could plough the Ap horizon in depth of 20 cm undisturbed, mix the subsoil in depth of 30cm below, separate 62 cm without mixing. We conducted field experiment in the 854 state farmduring 2016-2017, and investigated the physical and chemical characteristics of soil and the agronomic traits and yield of soybean of subsoil interval mixing area and surface ploughing and deep digging area to definite the yield-increasing mechanism of the interval subsoil mixing plough The result showed that compared with surface ploughing and deep digging area two years after soil modification, the subsoil interval mixing area improved the physical characteristics of the subsoil, during 20-40 cm soil layer, the soil water content increased by 2.13-3.20 percentage point, the hardness reduced by 40%-50%，and there was no peak; improved the soil permeability, the solid phase decreased by 5.06 percentage point, the liquid phase increased by 3.17 percentage point, and the gas phase increased by 1.89 percentage point; improved nutrient content of subsoil, the available nitrogen increased by 33.77%, the available phosphorus increased by 39.25%, the available potassium increased by 4.16% and the organic matter increased by15.85%, improved the total nutrients content of subsoil and alleviated soil acidity meanwhile. The yield of soybean in two years increased by 12.66%-13.28% compared with the CK area, the soil modification effect last long at a time, significant increase in production. The results could provide technical support for improving planosol and the same low yield soil and promoting high crop yields.

soils; crops; planosol; subsoil interval mixing layer; physical characteristics; chemical characteristics; soil improvement

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.013

S223

A

1002-6819(2019)-15-0094-07

2019-03-13

2019-06-18

國家公益性行業（農業）科研專項（201503116-01）資助。

朱寶國，助理研究員，主要從事土壤肥料與低產土壤改良研究。Email：zhubaoguo82@163.com。

張春峰，研究員，博士，主要從事土壤肥料與低產土壤改良研究。Email：chunfeng-1@163.com

中國農業工程學會會員：朱寶國（E040500133M）

朱寶國，張春峰，賈會彬，孟慶英，王囡囡，匡恩俊，張立波，高雪冬，王慶勝，劉俊剛，王宇先. 心土間隔混層技術改善白漿土理化性質提高大豆產量[J]. 農業工程學報，2019，35(15)：94－100. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.013 http://www.tcsae.org

Zhu Baoguo, Zhang Chunfeng, Jia Huibin, Meng Qingying, Wang Nannan, Kuang Enjun, Zhang Libo, Gao Xuedong, Wang Qingsheng, Liu Jungang, Wang Yuxian. Improving physicochemical properties of planosol and increasing yield of soybean by using subsoil interval mixed layer technology [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 94－100. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.013 http://www.tcsae.org