引黃灌區(qū)灰鈣土水澆地犁底層厚度對土壤緊實(shí)度及玉米生長的影響

姜萬禮 王成寶 楊思存 霍琳 溫美娟

摘要：針對甘肅引黃灌區(qū)灰鈣土水澆地普遍存在的土壤耕層逐年變淺、犁底層逐漸變厚、有效土壤少的問題，在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院白銀沿黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站以未擾動(dòng)的自然土壤為對照，設(shè)置0、5、10、15、20 cm共5個(gè)犁底層厚度，對比分析了各處理對玉米籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量、株高，以及土壤緊實(shí)度的影響。結(jié)果表明，犁底層厚度為0 cm時(shí)，玉米收獲后籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量均最高，較未擾動(dòng)的自然土壤顯著增產(chǎn)15.92%、6.02%，株高增加4.36%；犁底層厚度為5 cm時(shí)，玉米株高增加2.17%。0～7.5 cm土層深度，各處理的土壤緊實(shí)度均高于未擾動(dòng)的自然土壤，10.0～35.0 cm土層深度，各處理的土壤緊實(shí)度均低于未擾動(dòng)的自然土壤。綜上認(rèn)為，犁底層厚度小于10 cm且緊實(shí)度在700 kPa左右時(shí)的土壤適宜玉米生長。

關(guān)鍵詞：灰鈣土；犁底層厚度；土壤緊實(shí)度；玉米；水澆地

中圖分類號：S513? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2097-2172（2023）12-1146-004

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2023.12.011

Effects of the Thickness Threshold of Plow Pan on Soil Compaction and

Maize Growth in Grey-calcium Soil of Yellow River Irrigation Area

JIANG Wanli， WANG Chengbao， YANG Sicun， HUO Lin， WEN Meijuan

（Institute of Soil Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract： Issues in grey-calcium soil of Gansu yellow river irrigation area， such as soil tillage layer becoming shallow， plow pan becoming thicker and the effective soil tillage layer becoming thinner， have seriously affected crop growth. A simulation experiment was conducted at the Agricultural Experiment Station of Baiyin along the Yellow Irrigation Area， Gansu Academy of Agricultural Sciences. The experiment treatments included CK（undisturbed natural soil） and 5 plow pan thicknesses： 0 cm， 5 cm， 10 cm， 15 cm， and 20 cm， and effects of each treatment on grain yield， biomass， plant height， and soil compactness were analyzed. The results showed that the highest grain yield， biomass and plant height were achieved by 0 cm plow pan thickness， with an increase of 15.92% and 6.02% and 4.36%， respectively， compared to that of CK. Plant height was increased by 2.17% under 5 cm plow pan thickness. Soil compactness in all treatments under 0 to 7.5 cm plow pan thickness were higher than that of the CK， whereas soil compactness in all treatments under 10.0 to 35.0 cm plow pan thickness were lower than that of the CK. In conclusion， the plow pan thickness less than 10 cm and compactness around 700 kPa is suitable for maize growth.

Key words： Grey-calcium Soil; Thickness of plow pan; Soil compactness; Maize; Irrigated land

收稿日期：2023 - 06 - 16

基金項(xiàng)目：農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201503117）。

作者簡介：姜萬禮（1985? — ），男，甘肅蘭州人，助理研究員，主要從事鹽堿地改良與農(nóng)田面源污染控制研究。Email： 416543735@qq.com。

通信作者：楊思存（1971? — ），男，甘肅靖遠(yuǎn)人，主要從事鹽堿地改良方面的研究。Email： 908824199@qq.com。

甘肅引黃灌區(qū)是甘肅省重要的綜合農(nóng)業(yè)商品生產(chǎn)基地之一，由于有黃河及其眾多支流水源，自20世紀(jì)60年代，該區(qū)相繼建成了景電、興電、劉川等電力提灌工程，農(nóng)田實(shí)際灌溉面積達(dá)38.45萬hm2，極大地改善了這一區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件［1 - 2 ］。但隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高和小型耕作機(jī)具的普及，長期單一的旋耕和淺耕作業(yè)導(dǎo)致耕層逐漸變淺及上層土壤粉化［3 ］，小型農(nóng)機(jī)具的反復(fù)碾壓及大水漫灌加劇了下層土壤沉積壓實(shí)，犁底層不斷加厚，耕層深度平均僅為16.5 cm，土壤容重普遍在1.4 g/cm3左右，緊實(shí)度超過1 000 kPa［4 - 5 ］。這種“淺、實(shí)、少”的耕層結(jié)構(gòu)嚴(yán)重阻礙了作物根系的深層分布及其水肥吸收功能，致使水肥資源利用率降低［6 - 9 ］，抗逆減災(zāi)能力和產(chǎn)出能力變?nèi)酰萍s了該地區(qū)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和耕地的可持續(xù)利用。為此，我們研究了不同犁底層厚度對甘肅引黃灌區(qū)耕地土壤緊實(shí)度、作物生物量及產(chǎn)量的影響，以期為該區(qū)水澆地土壤管理和合理耕層構(gòu)建提供參考。

1? ?材料與方法

1.1? ?試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017年在靖遠(yuǎn)縣北灘鄉(xiāng)景灘村進(jìn)行。當(dāng)?shù)睾０? 645 m，年均降水量259 mm，蒸發(fā)量? ?2 369 mm，年平均氣溫6.6 ℃，> 0 ℃的積溫為3 208 ℃，> 10 ℃的積溫為2 622 ℃，無霜期160～170 d，年日照時(shí)數(shù)2 919 h，總輻射量616.2 kJ/cm2。供試土壤為灰鈣土，耕層土壤含有機(jī)質(zhì)8.02 g/kg、全氮0.67 g/kg、全磷1.14 g/kg、堿解氮48.6 mg/kg、速效磷8.4 mg/kg、速效鉀205.0 mg/kg。0～10、10～20、20～40 cm土層含鹽量分別為1.28、1.31、1.06 g/kg，土壤pH分別為8.46、8.54、8.58。

1.2? ? 供試材料

指示玉米品種為先玉335，由敦煌種業(yè)先鋒良種有限公司生產(chǎn)。供試肥料為尿素（含N 46%，甘肅劉化集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)）、磷酸二銨（含P2O5 46%、N 18%，由四川什邡市運(yùn)東化工有限公司生產(chǎn)）。

1.3? ?試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土層總深度50 cm，耕層20 cm，容重1.2 g/cm3。設(shè)5個(gè)犁底層厚度處理，即0 、5、10、15、20 cm，犁底層容重1.5 g/cm3。犁底層處理面積為0.96 m2（1.20 m×0.80 m）。其中0 cm處理人為挖50 cm深坑后回填；5～20 cm處理于20 cm深處人為按試驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)建犁底層厚度，犁底層以下為自然未擾動(dòng)土壤。以未擾動(dòng)的自然土壤為對照（CK）。試驗(yàn)設(shè)4次重復(fù)。試驗(yàn)于2017年4月中旬采用帶狀覆膜方式種植玉米，帶幅1.2 m、行距60 cm、株距25 cm，種植密度67 500株/hm2。肥料用量為當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥量，于播前基施N 375 kg/hm2、P2O5 150 kg/hm2。其他管理同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.4? ?樣品采集與分析

在玉米大喇叭口期（7月5日）、成熟期（10月15日）分別測量株高。成熟后按小區(qū)收獲測產(chǎn)（生物產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量）。收獲后采用SC-900土壤緊實(shí)度儀每2.5 cm土層隨機(jī)取5點(diǎn)測定土壤緊實(shí)度，取平均值。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?不同犁底層厚度對玉米籽粒、 生物產(chǎn)量的影響

通過圖1可以看出，犁底層厚度0、5 cm處理的玉米籽粒產(chǎn)量均顯著高于其他處理，10、15、20 cm處理的玉米籽粒產(chǎn)量均與CK無顯著差異。犁底層厚度為0 cm處理的玉米籽粒產(chǎn)量較5、10、15、20 cm處理分別顯著提高8.05%、15.68%、21.02%、22.82%，較CK顯著提高15.92%。犁底層厚度5 cm處理的玉米籽粒產(chǎn)量較10、15、20 cm處理分別顯著提高7.06%、12.01%、13.67%，較CK顯著提高7.28%。

犁底層厚度0 cm處理與5 cm處理的生物產(chǎn)量差異不顯著，但顯著高于其余處理，較犁底層厚度10、15、20 cm處理分別增加了7.44%、11.84%、12.05%，與CK相比顯著增加了6.02%。犁底層厚度5 cm處理的生物產(chǎn)量較15、20 cm處理分別顯著提高了6.21%、6.41%。從籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量看出，犁底層厚度≤5 cm更適宜玉米的生長發(fā)育。

2.2? ?不同犁底層厚度對株高的影響

從圖2可以看出，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的2個(gè)測定時(shí)期，犁底層厚度為0、5 cm處理的玉米株高均高于其他處理。在大喇叭口期，犁底層厚度為0、5 cm處理的玉米株高處于同一水平，均顯著高于其他處理，其中犁底層厚度5 cm處理的玉米株高最高，較CK顯著增加了5.17%，較10、15、20 cm處理分別顯著增加了8.69%、10.03%、11.97%；犁底層厚度0 cm處理的玉米株高次之，較CK顯著增高了3.40%，較10、15、20 cm處理分別顯著增高6.87%、8.19%、10.10%。而10、15、20 cm處理的玉米株高處于同一水平，但20 cm處理顯著低于CK，而10、15 cm處理均與CK差異不顯著。在收獲期，犁底層厚度為0、5 cm處理的玉米株高處于同一水平，均高于其他處理，其中犁底層厚度0 cm處理的玉米株高最高，較CK顯著增高了4.36%，較10、15、20 cm處理分別顯著增高2.87%、3.09%、3.62%；犁底層厚度5 cm處理玉米株高次之，較CK增高了2.17%，較10、15、20 cm處理分別增高0.72%、0.93%、1.45%。而10、15、20 cm處理和CK的玉米株高處于同一水平，且處理間差異均不顯著。可以看出，犁底層厚度小于10 cm時(shí)供試作物生長良好。

2.3? ?不同犁底層厚度對緊實(shí)度的影響

從圖3看出，隨著土層深度加深，各犁底層處理的土壤緊實(shí)度總體呈逐漸增大趨勢。CK土壤緊實(shí)度隨土層深度呈先增后降趨勢，在土層深度為27.5 cm時(shí)最高，達(dá)1 380 kPa。0～7.5 cm土層各犁底層處理的土壤緊實(shí)度為310～530 kPa，均大于CK。10.0～35.0 cm土層各犁底層處理的土壤緊實(shí)度均低于CK，35.0～45.0 cm土層CK的緊實(shí)度又低于各犁底層處理。對比各犁底層處理，20 cm土層內(nèi)，犁底層厚度5 cm處理的土壤緊實(shí)度為430 kPa，小于其他犁底層厚度處理，其中15.0 cm土層深度下，犁底層厚度5 cm處理的土壤緊實(shí)度較0、10、15、20 cm處理分別降低了25.9%、17.1%、5.3%、8.9%。玉米株高、籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量在犁底層厚度小于10 cm時(shí)表現(xiàn)良好，因此土壤緊實(shí)度為700 kPa左右適宜玉米生長，這與前人的研究表明土壤緊實(shí)度為700 kPa左右時(shí)適宜作物生長的結(jié)論一致［10 - 14 ］。

3? ?討論與結(jié)論

良好的耕層構(gòu)造決定了整個(gè)土體與外界水、肥、氣、熱交換能力的高低，構(gòu)建良好的耕層構(gòu)造能夠充分發(fā)揮耕層生產(chǎn)力［15 ］。犁底層相當(dāng)于耕作層的底板，其深度，厚度都嚴(yán)重影響作物生長發(fā)育。破除犁底層可顯著降低土壤穿透阻力，提高土壤蓄水保墑能力，促進(jìn)作物生長發(fā)育，提高作物干物質(zhì)累積，提高作物產(chǎn)量［16 - 17 ］。本研究模擬的5個(gè)（0、5、10、15、20 cm）犁底層厚度，無論是籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和株高，均以0、5 cm處理顯著高于其他處理，表明無犁底層或者犁底層厚度低于5 cm時(shí)有利于玉米的生長發(fā)育和產(chǎn)量提升。犁底層厚度的增大，土壤耕層含水量飽和以后下滲降低，貯水量減少，影響作物生長發(fā)育。犁底層具有土壤顆粒排列緊密、容重大等特點(diǎn)［18 ］，犁底層改變了土壤結(jié)構(gòu)等物理特性，且主要影響作物根系的生長發(fā)育［19 - 21 ］。鄭存德［22 ］對遼寧棕壤玉米田調(diào)研發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量大于 11.25 t/hm2的玉米田，90%地塊犁底層厚度為 7～10 cm。本研究表明，隨耕層加深，各處理的土壤緊實(shí)度逐漸增大，然而，在土層深度20.0 cm時(shí)，犁底層厚度5 cm處理的土壤緊實(shí)度相對于其他處理小；在土層深度30.0～50.0 cm，犁底層厚度0、5 cm處理的土壤緊實(shí)度均小于其他處理。上述結(jié)果說明耕層無犁底層或者犁底層厚度小于5 cm的土壤相對疏松，有利于作物根系的穿透，以及汲取水分、礦質(zhì)營養(yǎng)等資源。

本研究表明，玉米收獲后耕層20.0 cm、犁底層厚度5 cm處理的玉米株高較未擾動(dòng)的自然土壤（CK）顯著提高2.17%，犁底層厚度0 cm處理較未擾動(dòng)的自然土壤顯著提高4.36%。說明犁底層厚度小于10 cm有利于玉米生長發(fā)育。犁底層厚度0 cm處理的玉米籽粒產(chǎn)量最高，均顯著高于其他處理，較未擾動(dòng)的自然土壤顯著增加15.92%；生物產(chǎn)量也最高，較未擾動(dòng)的自然土壤顯著增加6.02%。從籽粒、生物產(chǎn)量看出，犁底層厚度在≤5 cm時(shí)更適宜玉米的生長發(fā)育。0～7.5 cm土層深度各處理的土壤緊實(shí)度均高于未擾動(dòng)的自然土壤，10.0～35.0 cm土層深度各處理的土壤緊實(shí)度均低于未擾動(dòng)的自然土壤。綜合比較，犁底層厚度小于10 cm且緊實(shí)度在700 kPa左右的土壤適宜玉米生長。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 霍? ?琳，王成寶，楊思存，等.? 甘肅引黃灌區(qū)玉米茬耕層土壤狀況調(diào)查［J］.? 甘肅農(nóng)業(yè)科技，2019（10）：51-56.

［2］ 霍? ?琳，楊思存，王成寶，等.? 耕作方式對甘肅引黃灌區(qū)灌耕灰鈣土團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的影響［J］.? 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2019，30（10）：3463-3472.

［3］ 劉國利，崔雙雙，孫澤強(qiáng)，等.? 深松深度對魯西南土壤耕層理化性狀和作物產(chǎn)量的影響［J］.? 山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2021，53（2）：71-78.

［4］ 蒲? ?境，史東梅，婁義寶，等.? 不同耕作深度對紅壤坡耕地耕層土壤特性的影響［J］.? 水土保持學(xué)報(bào)，2019，33（5）：8-14.

［5］ 童文杰.? 不同耕作深度對土壤物理性狀及烤煙根系空間分布特征的影響［J］.? 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2016，24（11）：1464-1472.

［6］ 楊? ?越，李? ?蕊，李彥生，等.? 黑土不同耕層厚度對玉米根系形態(tài)空間分布及其產(chǎn)量的影響［J］.? 玉米科學(xué)，2019，27（1）：97-103.

［7］ 王成寶，溫美娟，楊思存，等.? 耕作方式對灌耕灰鈣土耕層物理性質(zhì)和玉米產(chǎn)量的影響［J］.? 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2022，40（3）：170-177.

［8］ 溫美娟，楊思存，王成寶，等.? 深松和秸稈還田對灌耕灰鈣土團(tuán)聚體特征的影響［J］.? 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2020，38（2）：78-85.

［9］ 張? ?琦，王? ?浩，王淑蘭，等.? 深松輪耕模式對黃土旱塬春玉米土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量的影響［J］.? 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2020，31（2）：459-466.

［10］ KOUREH K H， ASGARZADEH H， MOSADDEGHI R M， et al. Critical Values of Soil Physical Quality Indicators Based on Vegetative Growth Characteristics of Spring Wheat（Triticum aestivum L.）［J］.? Journal of Soil Science and Plant Nutrition， 2020， 20（3）： 493-506.

［11］ HARASIM E， ANTONKIEWICZ J， KWIATKOWSKI A C.? The Effects of Catch Crops and Tillage Systems on Selected Physical Properties and Enzymatic Activity of Loess Soil in a Spring Wheat Monoculture［J］.? Agronomy， 2020， 10（3）： 334.

［12］ QING S， WU S， ZIXUAN Z， et al. Soil compaction and maize root distribution under subsoiling tillage in a wheat maize double cropping system［J］.? Agronomy， 2023， 13（2）： 394.

［13］ SAIIN S S， ISMAIL F M， ISMAIL R， et al.? Effect of Different Soil Types and Plant Densities on Growth Dynamic and Yield of Sweet Corn（Zea mays L.） in Peninsular Malaysia［J］.? Asian Journal of Soil Science and Plant Nutrition， 2023， 9（1）： 1-20.

［14］ T M G， TOMASZ H， ANNA M， et al.? Effect of soil drought on growth and yield of maize （Zea mays L.） hybrids grown under compacted soil［J］.? Journal of Agronomy and Crop Science， 2022， 209（2）： 300-315.

［15］ 鄭洪兵，鄭金玉，羅? ?洋，等.? 農(nóng)田不同耕層構(gòu)造對玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響［J］.? 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2015，33（5）：41-45.

［16］ 翟? ?振，李玉義，郭建軍，等.? 耕深對土壤物理性質(zhì)及小麥－玉米產(chǎn)量的影響［J］.? 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33（11）：115-123.

［17］ 宋? ?日，吳春勝.? 打破犁底層對玉米根系生長發(fā)育的影響［J］.? 耕作與栽培，2000（5）：6-7.

［18］ 劉緒軍，榮建東.? 深松耕法對土壤結(jié)構(gòu)性能的影響［J］.? 水土保持應(yīng)用技術(shù)，2009（1）：9-11.

［19］ 羅? ?洋，鄭金玉，鄭洪兵，等.? 不同耕層結(jié)構(gòu)對玉米生長發(fā)育的影響［J］.? 玉米科學(xué)，2014，22（2）：113-116.

［20］ 劉? ?爽，嚴(yán)昌榮，何文清，等.? 不同耕作措施下旱地農(nóng)田土壤呼吸及其影響因素［J］.? 生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30（11）：2919-2924.

［21］ 翟? ?振，李玉義，逄煥成，等.? 黃淮海北部農(nóng)田犁底層現(xiàn)狀及其特征［J］.? 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，49（12）：2322-2332.

［22］ 鄭存德.? 土壤物理性質(zhì)對玉米生長影響及高產(chǎn)農(nóng)田土壤物理特征研究［D］.? 沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.