淮北平原砂姜黑土玉米產量與土壤性質的區域分析①

熊 鵬，郭自春，李 瑋，張中彬，王玥凱，周 虎，曹承富，彭新華*

(1中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；2 中國科學院大學，北京 100049；3 安徽省農業科學院作物研究所，合肥 230031)

砂姜黑土主要分布在我國安徽、河南、山東、江蘇4個省份的120多個縣市區，總面積達400多萬公頃。其中，淮北平原70% 以上為砂姜黑土，在全國具有廣泛的代表性。淮北平原地勢平坦、水熱資源豐富，是我國重要的糧食生產基地之一。砂姜黑土富含黏粒，黏土礦物以膨脹性2:1型蒙脫石為主，漲縮性強，干時堅硬，濕時黏閉，土壤結構性差，難耕難耙，適耕期短，以致砂姜黑土生產潛能難以充分發揮出來[1-2]。因此，發揮地域自然資源優勢，有效改良砂姜黑土，充分挖掘砂姜黑土生產潛力，對維護我國的糧食安全具有非常重要的理論與現實意義。

砂姜黑土有效水容量小、供水能力差[2]，且有機質含量低，養分缺乏，水穩性團聚體含量也較低，嚴重阻礙了作物的正常生長[1]。土壤含水量過高時，耕作容易導致土壤壓實，造成土壤板結和結構退化；而土壤含水量過低時，土壤緊實度增加，也不利于幼苗的生長[3]。有研究表明，土壤緊實度與作物根系之間存在顯著的負相關關系，土壤緊實度和容重的增加會明顯地降低根長密度[4]。土壤結構過于緊實不僅會延緩根系的生長速率、限制根系的伸長范圍，而且導致根系主要集中在土壤表層，影響根系對水分的吸收和利用[5-6]。當土壤穿透阻力和容重分別高于1 MPa 和1.4 g/cm3時，作物根系的生長速度開始受到抑制；當土壤穿透阻力大于5 MPa 時，根系的生長幾乎停止[7-8]。

近年來，由于當地小型農機具的廣泛使用加之連年淺旋耕作業，致使該區域的犁底層加速上移、耕層變薄、結構緊實和作物根系分布變淺的現象日益突出，嚴重制約了農作物的生長和水肥利用效率[1,9]。韓上等[10]在淮北平原中部的濉溪縣開展了連續3 a耕層增減模擬試驗，研究發現與原始耕層相比，如果砂姜黑土耕層厚度減少5 cm，會顯著降低土壤養分含量和作物養分吸收能力，甚至會導致作物平均產量下降5.61%。如何構建肥沃的耕層結構以適宜農作物的生長是砂姜黑土改良的重要任務。因此，迫切需要對淮北平原玉米產量及耕層土壤性質進行全面的調查分析，篩選出影響淮北平原砂姜黑土作物產量的關鍵因子，以期為淮北平原砂姜黑土區合理耕層構建和糧食豐產增效提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究選取淮北平原懷遠縣(32°43′ ~ 33°19′N、116°45′ ~ 117°09′E)、蒙城縣(32°56′ ~ 33°29′N、116°15′ ~ 116°49′E)和渦陽縣(33°27′ ~ 33°47′N、115°53′ ~ 116°33′E)3個典型縣作為調研對象，對砂姜黑土區48個樣點的0 ~ 20 cm 耕層土壤性質和作物產量進行調查(圖1)。懷遠縣、蒙城縣和渦陽縣屬暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均溫度為14.9 ~ 16.1 ℃，年平均降水量為812 ~ 912 mm。土壤類型為河湖相石灰性沉積物發育的砂姜黑土。該區除懷遠縣東南部為小麥-水稻輪作外，其他地區主要為小麥-玉米輪作制。

1.2 測定指標及方法

2015—2017年玉米季收獲時進行調查采樣，采樣深度為0 ~ 20 cm。

土壤穿透阻力：在每個樣點隨機選擇8 ~ 10個點，利用 SC-900數顯式緊實度儀(Spectrum Technologies Inc., USA)測定0 ~ 45 cm土層土壤穿透阻力，每隔2.5 cm 土層測定。SC-900土壤緊實度儀的測定單位為 kPa。為了避免所測穿透阻力數據變異較大，最后將所測幾個點求平均值。

土壤基本性質[11]：土壤容重采用環刀法測定，土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定，全氮采用半微量凱氏定氮法測定，全磷采用硫酸-高氯酸-鉬銻抗比色法測定，全鉀采用硫酸-高氯酸-火焰光度計法測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀用乙酸銨浸提-火焰光度計法測定。

玉米產量調查：在每個樣點測10行的長度，并計算行距。選取有代表性的雙行(長20 m)，記錄株數和穗數，并計算畝穗數。在選定的區域內隨機收獲20穗作為樣本帶回實驗室，自然風干后，人工脫粒稱重，并計算產量。

1.3 數據處理

玉米產量和土壤理化性質采用 Microsoft Excel 2010和 Origin 2016進行數據分析與作圖，相關性分析則在 SPSS 22.0統計軟件中完成。為反映玉米產量與土壤理化性質的整體變化趨勢和空間分布格局，利用 ArcGIS 軟件中 Spatial Analyst 工具下的插值組件基于反距離權重法對玉米產量和0 ~ 20 cm 垂直分布的土壤理化性質進行插值分析，得到淮北平原渦陽、蒙城和懷遠3個縣的玉米產量與土壤理化性質空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 玉米產量

圖2為淮北平原渦陽、蒙城和懷遠3個縣調查采樣點玉米產量基本情況。渦陽縣所有采樣點中玉米產量介于5.28 ~ 11.7 t/hm2，平均產量為8.55 t/hm2，較懷遠縣增加了4%，較蒙城縣增加了14%。按照區域玉米產量的平均值(8.25 t/hm2)上下浮動20% 作為高中低產田的劃分閾值，即<6.6 t/hm2、6.6 ~ 9.9 t/hm2和 >9.9 t/hm2劃分為低產田、中產田和高產田3個等級，其中產量<6.6 t/hm2的田塊占所有采樣點總數的21%，產量在6.6 ~ 9.9 t/hm2的田塊占所有采樣點總數的60%，產量>9.9 t/hm2的田塊占所有采樣點總數的19%。由此可見，目前淮北平原砂姜黑土區中低產田的比例仍然占絕大多數(81%)。

2.2 玉米產量與土壤理化性質的空間分布

從圖3A中發現，玉米產量在每個縣都有高值分布，如渦陽縣東西部、蒙城縣南部和懷遠縣北部，這些地區的玉米產量多在8.7 t/hm2以上，低值主要分布在蒙城縣北部，玉米產量多在7 t/hm2以下(圖3A)。從土壤容重的空間分布圖可以看出，蒙城縣北部的土壤容重最大，平均達到1.6 g/cm3以上；而渦陽縣東部的土壤容重最小，平均值為1.3 g/cm3左右(圖3B)。土壤有機碳的空間變化趨勢則與土壤容重相反，渦陽縣的土壤有機碳含量較多，介于11.3 ~ 19.6 g/kg，平均值為15.4 g/kg，較懷遠縣增加了28.3%，較蒙城縣增加了55.9%(圖3C)。土壤全氮在渦陽縣和蒙城縣之間的差異不大，但往東到懷遠縣時，全氮含量下降明顯，平均值僅為0.77 g/kg(圖3D)。土壤全磷則呈現出由中心(蒙城)向兩側(渦陽、懷遠)逐漸減少的趨勢，其中渦陽縣的全磷含量要大于懷遠縣，其平均值分別為0.73 g/kg 和0.47 g/kg(圖3E)。土壤全鉀和速效鉀的變化趨勢相似，由西向中逐漸減少，由中向東逐漸增加，其含量表現為渦陽高于懷遠，懷遠高于蒙城(圖3F、3I)。土壤堿解氮在渦陽縣和蒙城縣之間的差異不大，但往東到懷遠縣時，堿解氮含量上升明顯，平均值達到134 mg/kg(圖3G)。土壤有效磷在渦陽縣含量最高，達到了29.6 mg/kg；在蒙城縣的含量最低，平均值僅為8.4 mg/kg(圖3H)。

將玉米產量和土壤理化性質進行綜合分析，可以看出：玉米產量分布較高的區域，土壤容重普遍較小；此外，渦陽縣東部玉米產量較高，同時該區有機碳、全氮、全鉀、有效磷和速效鉀含量也較高；蒙城縣北部玉米產量較低，有機碳、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量也較低，但該區土壤容重較高。

2.3 玉米產量與土壤理化性質的相關性分析

利用 SC-900緊實度儀測定了不同深度土壤的穿透阻力。結果如圖4所示，不同玉米產量等級的土壤穿透阻力均隨深度的增加而增大。高產田0 ~ 20 cm 土層穿透阻力介于447 ~ 923 kPa，平均值為633 kPa；中產田0 ~ 20 cm 土層穿透阻力介于276 ~ 1 356 kPa，平均值為794 kPa，較高產田增加了25%；低產田0 ~20 cm 土層穿透阻力介于635 ~ 1 584 kPa，平均值為961 kPa，較高產田增加了52%。

由表1可知，不同玉米產量等級土壤容重和有機碳差異明顯(P<0.05)，其他性質之間差異不明顯。低產田(產量<6.6 t/hm2)的土壤容重介于1.35 ~ 1.64 g/cm3，平均值為1.53 g/cm3；中、高產田(產量為6.6 ~ 9.9 t/hm2和>9.9 t/hm2)的土壤容重較低產田分別減少了5.9% 和9.2%。低產田的土壤有機碳含量平均值為11.1 g/kg，中、高產田有機碳含量較低產田分別增加了17.1%和30.6%。因此，土壤容重和有機碳對玉米產量具有顯著影響。

表1 砂姜黑土不同玉米產量等級土壤基本性質Table 1 Basic properties of Vertisol under different maize yield levels

將土壤理化性質指標與玉米產量進行了相關性分析(表2)。結果表明，玉米產量與耕層土壤穿透阻力呈顯著負相關關系(r= -0.348，P<0.05)，與耕層土壤容重呈極顯著負相關關系(r= -0.484，P<0.01)，與耕層土壤有機碳呈極顯著正相關關系(r= 0.421,P<0.01)。全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀等指標與玉米產量的相關性均沒有達到顯著水平。因此，在所測定的土壤理化性質指標中，砂姜黑土耕層土壤穿透阻力、土壤容重和有機碳含量是影響玉米產量的3個關鍵因子。

表2 玉米產量與土壤理化性質的相關性Table 2 Pearson correlation coefficients between maize yield and soil physicochemical properties

3 討論

作物的生長需要適宜的土壤物理狀況。土壤容重高，導致土壤緊實度大，影響根系對土壤水分、養分的吸收能力，不利于作物生長甚至會造成作物減產[12]。一般認為，土壤穿透阻力超過1 MPa 時，植物根系生長速度變得緩慢；當土壤穿透阻力超過2 MPa 時，會嚴重限制作物根系生長[13]。從3個縣的土壤穿透阻力調查結果來看，土壤穿透阻力從表層到15 cm深度迅速增加，15 ~ 45 cm 土壤穿透阻力多數呈緩慢降低趨勢；總體而言，土壤穿透阻力較大，15 ~ 45 cm土壤穿透阻力多處于1 ~ 2 MPa 之間，不利于作物根系生長，這與前人的研究結果[4]一致。造成砂姜黑土區土壤穿透阻力過大的原因可能有兩個：一是砂姜黑土黏粒含量高，富含膨脹性黏土礦物，脫水時土壤收縮顯著增加土壤容重，從而導致土壤強度大；另一方面是由于該區域普遍采用的是小麥季淺旋耕、玉米季免耕直播為主的耕作方式，這種連年淺旋耕作業導致耕層變淺、犁底層增厚而土壤堅硬。謝迎新等[14]的研究同樣發現，在砂姜黑土小麥區，多年旋耕會導致農田耕層變薄，犁底層變厚、變硬，使得作物產量難以提高。然而，韓上等[10]發現，耕層增加5 cm 雖然能夠改善土壤養分狀況，如提高土壤有機質含量，但由于砂姜黑土仍然存在結構障礙，致使作物難以增產。有研究表明，當土壤容重大于1.4 g/cm3時，作物總根長、根體積和根表面積等根系性狀顯著減小；當土壤容重大于1.6 g/cm3時，這種影響進一步加劇[15]。通過分析玉米產量與土壤容重的空間分布可以看出，玉米產量高的區域，土壤容重較小；而玉米產量較低的區域，土壤容重則很大(圖3)，這充分說明，土壤容重的增加會阻礙根系的生長，減少玉米的產量。關劼兮等[16]的研究結果也表明，土壤緊實度和容重的降低會促進作物根系生長，提高作物產量。在對3個縣的調查中發現，產量<6.6 t/hm2的田塊土壤容重平均值為1.53 g/cm3，其值遠高于1.4 g/cm3，這將極大地增加土壤的機械阻力，致使產量下降。李汝莘等[17]發現機械壓實會使耕層土壤容重超過作物的適宜范圍，同時也會降低耕層土壤的入滲速率和土壤總孔隙度，將對旱地作物生長發育帶來不利影響。因此，土壤容重高和穿透阻力過大是砂姜黑土結構的主要障礙因子。很多研究表明，耕層內的土壤壓實可以通過合理的耕作措施來消除。深松作為一種有效的耕作方式，在一定程度上可以打破堅硬的犁底層，降低土壤容重和緊實度，提高深層土壤含水量，促進作物根系生長，進而提高作物產量[9,18]。考慮到砂姜黑土耕層淺薄、犁底層厚而硬的問題，從深松對耕層土壤物理性質的改善、作物產量提升的效果來看，砂姜黑土區適宜的深松深度為30 ~ 40 cm[9]，適宜的耕作方式為冬小麥深松–夏玉米免耕[19]和冬小麥深耕–夏玉米側位深松[20]的方式。

土壤有機質是團粒結構形成的主要膠結物質，許多報道表明增施有機肥或者秸稈還田有利于降低土壤容重[21-22]。王擎運等[23]研究發現，小麥秸稈長期還田能有效提升土壤有機質、養分含量，但對土壤容重影響較小，而小麥、玉米秸稈雙季還田能夠明顯降低土壤容重。此外，在土壤中添加有機物還可以緩解機械壓實，增加土壤小孔隙(<6 μm)的比例，提高干旱期的保水性能，為植物和微生物的生長提供更好的土壤物理狀況[24]。通過砂姜黑土32 a 長期定位不同施肥試驗的結果也表明，有機肥的施用能夠改善土壤結構，提高土壤質量[25]。從調查結果來看，中低產田土壤耕層有機碳含量的平均值(分別為13.0、11.1 g/kg)明顯低于高產田(14.5 g/kg)，且土壤有機碳含量與土壤容重和穿透阻力呈顯著負相關(P<0.01)。這充分說明，增加土壤有機碳是改善砂姜黑土結構的主要措施，這與前人研究結果一致[25]。目前，在農事活動中當地農民偏向施用化學肥料，農家肥、綠肥和商品有機肥的投入也嚴重不足。從3個縣的施肥用量情況來看，基肥主要以復合肥為主且施用量在0.6 ~ 1.2 t/(hm2·a)不等，秸稈還田率達到了80% 左右，但是有機肥投入率不到4%。盡管有很多研究已經表明秸稈還田可以有效地增加砂姜黑土有機碳含量[26]和促進作物產量的提高，但大量的秸稈進入土壤后也會引起碳氮比失調，從而導致全量秸稈還田的效果不明顯[27]。因此，可以通過添加秸稈腐解劑和配施一定量的氮肥還田，加快秸稈在土壤中的腐解和養分釋放，從而提高秸稈資源的利用效率和土地生產力[22,27]。田間試驗的結果表明，在淮北平原砂姜黑土地區要實現作物高產，玉米秸稈適宜的還田量為3 t/hm2[28]，但如果要實現玉米干秸稈全量粉碎還田，還需要配施氮肥0.70 t/hm2[22]。砂姜黑土長期定位試驗的結果表明，相對于秸稈還田而言，施用綠色有機肥是實現土壤有機質提高的主要途徑，也是實現作物持續高產的有效措施[29-30]。

4 結論

淮北平原砂姜黑土中低產田仍然占絕大多數。通過對影響淮北平原砂姜黑土玉米產量的因子進行分析，篩選出土壤容重、穿透阻力和土壤有機碳3個關鍵因子。其中，玉米產量與耕層土壤穿透阻力、土壤容重呈負相關，而與土壤有機碳含量呈正相關。由此可知，實現砂姜黑土糧食豐產增效不僅需要改善土壤物理結構，如降低耕層的土壤容重，讓土壤穿透阻力處于適宜作物生長的范圍內，而且還需要提升土壤有機質。因此，合理的耕作方式和有機培肥對于構建砂姜黑土肥沃耕層是有效的措施。