土壤調理劑對砂姜黑土農田土壤理化性狀和夏玉米生長的影響

李方杰，王海潔，郭好娟，連延浩，任永哲，王志強，辛澤毓，林同保

土壤調理劑對砂姜黑土農田土壤理化性狀和夏玉米生長的影響

李方杰1,2,3，王海潔1,2,3，郭好娟1,2,3，連延浩1,2,3，任永哲1,2,3，王志強1,2,3，辛澤毓1,2,3*，林同保1,2,3*

（1.河南農業大學 農學院，鄭州 450002；2.河南糧食作物協同創新中心，鄭州 450002；3.省部共建小麥玉米作物學國家重點實驗室，鄭州 450002）

砂姜黑土農田由于土壤黏板僵閉，耕層淺薄以及肥力低下等問題，往往導致玉米根系下扎困難，倒伏嚴重，產量下降。利用土壤調理劑改善土壤理化性狀，以提高砂姜黑土農田生產力，促進玉米生長，增加玉米產量。在砂姜黑土農田上以冬小麥播前旋耕（RT）為對照，設置深耕（DP）、旋耕+松土促根劑（RT+RP）、旋耕+土壤修復劑（RT+RA）和旋耕+土壤改良劑（RT+SI）等處理，研究了土壤調理劑對土壤理化性狀、土壤肥力和酶活性以及夏玉米抗倒伏性能和玉米產量的影響，并與深耕（DP）的作用效果進行了比較。RT+RP、RT+RA和RT+SI處理均可提高砂姜黑土農田的土壤含水率，并降低土壤體積質量；顯著提高土壤脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶活性；顯著提高土壤中有效磷、銨態氮和硝態氮量；顯著增加了夏玉米株高和莖粗，提高了夏玉米莖稈抗彎曲力和地上部第三莖節橫折強度，增強抗倒伏性能；RT+RP、RT+RA和RT+SI處理下產量分別較RT處理增加15.73%、9.02%和8.82%，經濟效益分別增加12.05%、5.40%和3.37%。3種土壤調理劑的產量普遍優于深耕和旋耕處理，其中松土促根劑處理下的夏玉米產量最高，經濟效益最好。施用土壤調理劑可以顯著改善砂姜黑土農田的土壤環境，增加土壤含水率，提高土壤養分和土壤酶活性，增強夏玉米抗倒伏能力并實現增產。

砂姜黑土；土壤養分；土壤酶活性；抗倒伏；產量

0 引言

【研究意義】砂姜黑土是典型的中低產農田土壤類型之一，主要分布于黃淮海平原南部，尤以河南南部，安徽北部等地區面積最大[1-3]。河南省內砂姜黑土總面積達126.7萬hm2，約占總耕地面積的1/4[4-5]。砂姜黑土黏粒比例大，具有濕脹干縮的不良特性，有研究表明砂姜黑土耕層土壤體積質量高，土壤水分有效庫容小[6-7]。豫南砂姜黑土區自1990年以來，由于主要使用小麥季旋耕、玉米季免耕秸稈不還田的機械耕作措施，導致耕作層土壤變淺，犁底層變厚，土壤肥力下降，貯肥存水能力降低，加劇了作物水肥供應不足的矛盾，嚴重制約農田生產力[8-10]。土壤調理劑含有高活性物質成分，可以通過與水的媒介作用，增加土壤微生物活性，促進土壤團粒結構形成，進而降低土壤體積質量，提高土壤通透性，增強土壤保水保肥能力[11-12]，因此可用于改良砂姜黑土的土壤環境，提高農田生產力。

【研究進展】目前，在經濟作物上關于土壤調理劑施用效果的研究很多，主要集中在花生、煙草、西瓜、蔬菜、馬鈴薯等作物[13-17]。孫學武等[18]研究發現，施用土壤調理劑可以顯著改善土壤，促進花生生長發育，提高花生產量和品質；靳輝勇等[19]研究表明，施用土壤調理劑能改善土壤微生態環境，提高烤煙根系活力；廉曉娟等[20]研究發現，在正常旋耕基礎上蔬菜增施土壤調理劑能夠降低土壤體積質量，提高土壤孔隙度，增加作物產量；王光飛等[14]研究發現，施用生物有機類復合土壤調理劑能降低土壤鹽分，改善土壤生物學性狀，有效緩解連作障礙，進而提高葉菜產量。【切入點】豫南砂姜黑土農田的耕層較淺，土壤僵閉，導致玉米根系下扎困難，植株生長偏弱，并且豫南地區在夏玉米抽雄期到成熟期遇到強風天氣概率較大，植株易發生倒伏，嚴重影響玉米產量。目前，當地加深耕層、疏松土壤的方式依然停留在傳統的深耕或深松等耕作措施上，耗時耗力。關于土壤調理劑在豫南砂姜黑土區夏玉米生產上的應用以及土壤調理劑對玉米抗倒伏性能影響的研究鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】通過施用3種土壤調理劑來探究其對砂姜黑土理化性狀，土壤肥力，夏玉米植株生長和產量效益的影響，明確土壤調理劑在砂姜黑土農田夏玉米生產上的作用效果，并據此提出一種簡單實用的砂姜黑土土壤改良措施。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于河南省駐馬店市西平縣二郎鄉張堯村河南農業大學試驗基地（33°18′49″N，114°01′23″ E），地處黃淮海平原南部，屬于黃淮沖積平原的一部分，地勢平坦，平均海拔49 m。年平均氣溫14.8 ℃，年均日照時間2 157 h，無霜期221 d，降水量852 mm，屬亞濕潤大陸性季風氣候，耕作制度為冬小麥旋耕夏玉米免耕，種植制度為一年二熟。試驗土壤為砂姜黑土，屬黏板土質，0～20 cm耕層土壤基礎養分：土壤有機質量14.73 g/kg，全氮量1.12 g/kg，有效磷量31.95 mg/kg，速效鉀量122.47 mg/kg，pH值5.87。

1.2 供試材料

供試玉米品種為鄭單958。Agri-star松土促根劑購自河南省火車頭農業技術有限公司；土壤修復劑購自北京金賽陽生物技術有限公司，為土壤活力修復劑；土壤改良劑購自山東土木啟生物科技有限公司，為聚谷氨酸蚯蚓蛋白酶土壤改良劑。各土壤調理劑的主要成分見表1。

表1 3種土壤調理劑成分組成

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，在冬小麥季旋耕的基礎上設旋耕（RT）、深耕（DP）、旋耕+松土促根劑（RT+RP）、旋耕+土壤修復劑（RT+RA）和旋耕+土壤改良劑（RT+SI）5個處理，以旋耕（RT）為對照。每個處理設3個重復，小區面積為48 m2（6 m×8 m）。小區內統一播種小麥，待麥收后秸稈殘茬全部粉碎留田。然后點播播種玉米，株距25 cm，行距66.7 cm，種植密度為6萬株/hm2。于玉米苗期施肥，在距幼苗10 cm處地面開溝，深約10 cm，溝內撒施復合肥料（N、P、K質量比為26∶6∶6）750 kg/hm2。土壤調理劑與復合肥混施，根據生產廠家推薦，松土促根劑用量為15kg/hm2；土壤修復劑用量為30kg/hm2；土壤改良劑用量為15kg/hm2。其他田間管理與當地生產習慣保持一致。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤含水率和土壤體積質量

分別于玉米拔節期和成熟期用土鉆取土，每個小區2行玉米中間隨機選3個樣點分別取0～20 cm和20～40 cm的土樣，每個土樣取25 g左右稱質量，置于鋁盒中在105 ℃烘干至恒質量，計算土壤含水率。

利用環刀法測定0～20、20～40 cm土壤的體積質量。

1.4.2 土壤酶活性

于玉米開花期用土鉆取土，每個小區2行玉米中間隨機選3個樣點分別取0～20 cm和20～40 cm的土樣，每個土樣混合均勻后，風干，過1 mm篩備用。土壤蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；土壤脲酶采用靛藍比色法測定；土壤中性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定，詳細測定方法見參考文獻[21]。

1.4.3 土壤養分量

于玉米開花期用土鉆取土，每個小區2行玉米中間隨機選3個樣點分別取0～20 cm和20～40 cm的土樣，每份新鮮土樣混合均勻后放入-20 ℃冰箱保存備用。土壤銨態氮測定采用靛藍比色法；土壤硝態氮測定采用雙波長比色法；土壤有效磷測定采用鉬銻抗比色法，詳細測定方法見參考文獻[22]。

1.4.4 玉米根系傷流量、植株性狀和抗倒伏性狀

在夏玉米大口期、開花期和乳熟期，于每個小區隨機選取3株，在離地10 cm處切斷，于切口處用脫脂棉收集18:00至第2天06:00共12 h的傷流液，稱質量，測定計算根系傷流量。

于開花期在每小區內隨機選取3株代表性植株，田間測定莖稈抗彎曲力。以穗下節間中部為支點用YYD-1型莖稈強度測定儀緩緩用力推，直至植株與地面成45°角，記錄數值。然后沿基部將玉米砍下測定株高、穗位高、重心高、莖粗，截取基部第3伸長節間，使用YYD-1型莖稈強度測定儀測定橫折強度。依下式計算莖稈抗倒伏指數：抗倒伏指數=莖稈橫折強度/植株重心高度。

1.4.5 產量及產量構成要素

玉米收獲后，每個小區隨機取10穗進行考種，測定玉米穗長、穗粗、穗行數、行粒數、百粒質量等指標，并計算單位面積產量。

1.5 數據統計分析

利用Microsoft Excel 2010進行數據計算分析和繪圖；SPSS20.0軟件進行方差分析（ANOVA）和處理間顯著性檢驗（Duncan’s）和配對樣本T檢分析。

2 結果與分析

2.1 土壤調理劑對土壤物理性狀的影響

施用土壤調理劑的處理，其0～20 cm和20～40 cm耕層的土壤含水率呈現出不同程度的增加趨勢，而土壤體積質量呈下降趨勢（表2）。0～20 cm和20～40 cm的土壤含水率在拔節期，DP、RT+RP、RT+RA和RT+SI處理分別較RT處理增加了0.81%、3.02%、3.94%、2.16%和10.76%、2.50%、2.40%、3.46%；體積質量分別較RT處理降低了0.11、0.01、0.02、0.01和0.04、0.03、0、0 g/cm3；在成熟期，DP、RT+RP、RT+RA和RT+SI處理的0～20 cm和20～40 cm耕層土壤含水率分別較RT處理增加了7.55%、9.56%、6.64%、5.92%和6.18%、9.10%、5.17%、4.04%；體積質量分別較RT處理降低了0.06、0.09、0.03、0.02和0.05、0.06、0.05、0.04 g/cm3。其中，RT+RP、RT+RA和RT+SI處理在成熟期，其0～20 cm耕層土壤的含水率均顯著高于RT處理，體積質量顯著低于RT處理，且3種土壤調理劑的作用效果均好于DP和RT處理，其中以RT+RP處理表現最優。

表2 不同處理下土壤物理性狀

注 同一列數字后不同小寫字母表示不同處理間差異達 0.05 顯著水平，下同。

2.2 土壤調理劑對土壤酶活性的影響

DP、RT+RP、RT+RA和RT+SI處理的0～20 cm和20～40 cm耕層中，土壤脲酶活性分別較RT處理增加了16.10%、33.27%、17.79%、22.96%和19.79%、29.24%、23.61%、24.62%；土壤蔗糖酶活性分別較RT處理增加了10.79%、27.50%、16.05%、18.00%和17.68%、40.71%、25.36%、32.95%；土壤中性磷酸酶活性分別較RT處理增加了11.11%、25.40%、15.87%、19.05%和9.52%、19.05%、14.29%、14.29%（表3）。說明土壤調理劑和深耕均能提高土壤酶活性，改善土壤生化性質，其中松土促根劑的作用效果最顯著。

表3 不同處理土壤酶活性

2.3 土壤調理劑對土壤養分的影響

DP、RT+RP、RT+RA和RT+SI處理的0～20 cm和20～40 cm耕層中，土壤銨態氮量分別較RT處理增加了31.74%、55.66%、34.45%、32.85%和13.16%、45.10%、15.57%、14.13%；土壤硝態氮量分別較RT處理增加了7.52%、5.75%、3.30%、3.61%和11.10%、16.64%、12.80%、13.66%；土壤有效磷量分別較RT處理增加了9.21%、14.86%、9.41%、10.52%和22.27%、31.15%、25.04%、26.78%（表4）。說明土壤調理劑能夠起到培肥地力，能夠提高土壤養分，且松土促根劑最高。

表4 不同處理土壤養分

2.4 土壤調理劑對夏玉米根系傷流量、植株性狀和抗倒伏性狀的影響

DP、RT+RP、RT+RA和RT+SI處理的玉米單株根系傷流量在大口期、開花期和乳熟期均高于RT處理（圖1）。其中，在開花期RT+RP處理的單株根系傷流量比RT處理顯著提高了13.25%；在乳熟期DP、RT+RP、RT+RA處理和RT+SI處理的單株根系傷流量分別較RT處理顯著提高了31.25%、26.81%、25.46%和28.67%。

圖1 不同處理夏玉米單株根系傷流量

表5 不同處理夏玉米植株性狀和抗倒伏性狀

由表5可知，DP、RT+RP、RT+RA和RT+SI處理的夏玉米株高相對RT處理分別增加了3.18%、4.39%、4.17%和3.11%；莖粗分別增加13.76%、6.50%、6.74%和10.33%；各處理植株的穗位高和重心高無明顯差異；DP、RT+RP、RT+RA處理和RT+SI處理的植株抗彎曲力相對RT處理分別增加了13.12%、20.79%、13.90%和11.27%；橫折強度分別增加了18.82%、34.04%、20.43%和21.56%；抗倒伏指數分別增加了25.00%、37.29%、19.07%和31.36%。說明3種土壤調理劑均可顯著增加玉米的株高和莖粗，同時提升玉米的抗倒伏能力。其中，松土促根劑的作用效果最好。

2.5 土壤調理劑對夏玉米產量及產量構成要素的影響

DP、RT+RP、RT+RA處理和RT+SI處理的夏玉米穗長、穗粗、穗粒數、百粒質量和產量均高于RT處理（表6）。其中DP、RT+RP處理和RT+RA處理的玉米穗長分別較RT處理增加了5.77%、12.35%和6.15%；DP、RT+RP、RT+RA處理和RT+SI處理的玉米穗粒數分別較RT處理增加了6.98%、12.91%、7.89%和7.12%；DP、RT+RP、RT+RA處理和RT+SI處理的玉米產量分別較RT處理增加了7.77%、15.73%、9.02%和8.82%，均達到顯著水平，說明施用3種土壤調理劑均可顯著提高玉米產量。其中，松土促根劑的作用效果最好。

表6 不同處理夏玉米產量及產量構成要素

2.6 土壤調理劑對夏玉米經濟效益的影響

DP、RT+RP、RT+RA處理和RT+SI處理的夏玉米產量分別較RT處理增加了592.00、1 198.03、687.00和671.90 kg/hm2，投入成本分別較RT處理增加300.00、870.00、600.00 kg/hm2和870.00元/hm2，比較經濟效益增幅分別較RT處理增加5.81%、12.05%、5.40%和3.37%（表7）。其中RT+RP處理的經濟效益高于RT處理和DP處理，RT+RA處理和RT+SI處理的經濟效益高于RT處理，但低于DP處理。在3種土壤調理劑中，松土促根劑的效益增幅最大。

表7 不同處理夏玉米經濟效益

3 討 論

3.1 土壤調理劑對砂姜黑土土壤理化性質的影響

深耕和土壤調理劑均可以有效提高土壤含水率，改良土壤結構，改善砂姜黑土本身和連年旋耕造成的土壤黏閉，耕層淺薄等問題[23-24]，本研究也證明深耕和3種土壤調理劑均能提高土壤含水率，降低土壤體積質量，其中松土促根劑的作用效果最好。謝迎新等[25]和張淑利等[26]研究也證明，相對于20 cm深耕和旋耕，土壤施松土促根劑后降低了土壤體積質量，提升了土壤含水率。

王亞玲等[27]研究發現，土壤調理劑可以顯著增加土壤銨態氮、硝態氮和有效磷量。萬青等[28]對茶園土壤的研究表明，土壤調理劑可以顯著提升土壤的氮磷等土壤養分量。靳輝勇等[19]研究顯示，土壤調理劑可以顯著提高土壤有效磷量。本研究表明，施用3種土壤調理劑均可以顯著提高土壤有效磷量，同時也可以顯著增加土壤銨態氮和硝態氮量。

?ztürk等[29]研究表明，土壤調理劑可以顯著提高土壤酶活性。Sarangi等[30]在水稻土壤上研究發現，粉煤灰土壤調理劑能夠顯著提高水稻土壤蔗糖酶活性。鄧子恒等[31]和趙青云等[32]研究發現，施用土壤調理劑土壤脲酶活性和中性磷酸酶活性顯著升高。本研究表明，施用3種土壤調理劑均可以顯著增加土壤脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶的活性。

綜上，施用土壤調理劑后，增加了土壤含水率，提高了土壤通透性，改善了土壤環境，進而提高了土壤的酶活性，從而增加了土壤養分量。土壤養分的增加，又促進了土壤酶活性的進一步增強，因此有助于改善土壤的環境。

3.2 土壤調理劑對夏玉米生長的影響

植物傷流量代表了根系生理活動的強弱，根系傷流量可作為研判植物根系活力的指標，能比較準確地反映根系活性的變化[33]。本研究表明，DP、RT+RP、RT+RA處理和RT+SI處理的玉米根系傷流量顯著高于RT處理，說明DP、RT+RP、RT+RA處理和RT+SI處理的根系活力更強。特別是在夏玉米生長的大喇叭口期以后，土壤調理劑處理的玉米植株仍然可以保持較高的根系活性，保證了根系吸收水分和養分的能力，滿足生育中后期玉米植株對肥水需求的供應。

玉米的抗倒伏能力主要和株高、穗位高、重心高、抗彎曲力（45°）和莖節橫折強度等植株性狀相關[34]。有研究發現[35]，土壤環境改善可以增加玉米株高和莖粗，降低玉米穗位高和重心高，使玉米抗彎曲力（45°）和莖節橫折強度增加，進而提高玉米的抗倒伏指數，增強玉米的抗倒伏能力。本研究表明，土壤調理劑可以增加玉米的株高和莖粗。這可能是因為施用土壤調理劑后，土壤的理化性狀得到改善，土壤水分和養分的升高有利于玉米根系下扎，根系發育較好，進而使株高和莖粗增加。玉米莖粗的增加使玉米莖稈的抗彎曲力（45°）和莖節橫折強度也隨之增強，因此提高了玉米植株的抗倒伏能力。

合理的栽培耕作措施不但能改善土壤水肥氣熱狀況，同時有利于作物生長發育、養分吸收積累和籽粒產量增加[36-37]。本研究表明，施用土壤調理劑后，玉米的穗長和穗粒數顯著增加，產量顯著提高。這可能是由于施用土壤調理劑后，土壤肥力增加，玉米根系活力增強，植株生長更健壯，后期穗部發育更好，籽粒灌漿能力增強，因此可以獲得更高的產量和經濟效益。

4 結 論

1）施用土壤調理劑能夠改善砂姜黑土土壤理化性狀，增加土壤養分，提高土壤酶活性，促進玉米根系活力，增加莖粗，提高莖稈的抗彎曲力（45°）和莖節橫折強度，增強玉米抗倒伏能力。

2）施用土壤調理劑，有助于提高豫南砂姜黑土農田的夏玉米產量，增加經濟效益。在3種土壤調理劑中，施用松土促根劑的效果最好。

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Efficacy of Soil Conditioners in Improving Properties of Lime Concretion Black Soil and Their Consequence for Summer Maize Yield

LI Fangjie1,2,3, WANG Haijie1,2,3, GUO Haojuan1,2,3, LIAN Yanhao1,2,3,REN Yongzhe1,2,3, WANG Zhiqiang1,2,3, XIN Zeyu1,2,3*, LIN Tongbao1,2,3*

(1. College of Agronomy, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Collaborative Innovation Center for Henan Grain Crops, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 3. State Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

【】Lime concretion black soil is widely distributed in central China including Henan and Anhui provinces. Apart from its low fertility, it is also hard and less porous for roots to penetrate. These combine to hinder crop growth and comprise crop yield. Traditional remediation methods including deep tillage to loosen the soil are effective but are tedious and laborious. As an alternative, soil conditioners have been increasingly used over the past years to improve the properties of the black soil to sustain its productivity.【】The objective of this paper is to compare the effectiveness of different soil conditioners in improving soil properties and the consequence for crop growth and yield.【】We took summer maize as an example and the soil was plowed using conventional tillage after maize harvest but before winter wheat was drilled. There were three treatments: rotary tillage + application of root promoter (RT+RP), rotary tillage + application of soil remediating agent (RT+RA), rotary tillage + soil improvement agent (RT+SI). Traditional deep tillage was taken as the control (CK). In each treatment, we measured the changes in soil properties and fertility, enzyme activity, as we as the resistance of the maize against lodging and the eventual yield.【】Compared to CK, all treatments increased soil water content and reduced soil bulk density although the change varied with treatments; they also boosted the activity of soil enzymes including urease, sucrase and neutral phosphatase, and improved the contents of available P, ammonium N and nitrate N in the soils, as well as plant height and stem diameter. All improvements and increases were at significant level (<0.05). These together improved the cross breaking strength of the third shoot node, thereby enhancing the resistance of the maize against bending loading. Compared with CK, RT+RP, RT+RA and RT+SI increased crop yield by 15.73%, 9.02% and 8.82%, respectively, and the economic benefit by 12.05%, 5.40% and 3.37%, respectively.【】Amending the lime concretion black soil with soil conditioners is more effective than deep ploughs in improving soil properties and crop yield. Of the three treatments we studied, rotary tillage combined with root-promoting agent was most effective in improving soil water contents, enzymatic activity and summer maize yield.

lime concretion black soil; soil nutrients; soil enzyme activity; lodging resistance; yield

S513

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020687

1672 – 3317（2021）08 - 0035 - 08

李方杰, 王海潔, 郭好娟, 等. 土壤調理劑對砂姜黑土農田土壤理化性狀和夏玉米生長的影響[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(8): 35-41.

LI Fangjie, WANG Haijie, GUO Haojuan, et al.Efficacy of Soil Conditioners in Improving Properties of Lime Concretion Black Soil and Their Consequence for Summer Maize Yield [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(8): 35-41.

2020-12-09

國家重點研發計劃項目（2018YFD0300706）

李方杰（1991-），男，河南鹿邑人。碩士研究生，主要從事作物生理生化研究。E-mail: 18838917047@163.com。

辛澤毓（1970-），男，河南博愛人。教授，碩士生導師。E-mail: mrxxtz@163.com

林同保（1962-），男，河南武陟人。教授，博士生導師。E-mail: linlab@163.com

責任編輯：趙宇龍