黃淮海北部農(nóng)田犁底層現(xiàn)狀及其特征

翟　振，李玉義，逄煥成，王　婧，張　莉，董國豪，郭建軍，郭智慧

（1中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2山東省德州市農(nóng)業(yè)科學研究院，山東德州 253000）

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黃淮海北部農(nóng)田犁底層現(xiàn)狀及其特征

翟振1，李玉義1，逄煥成1，王婧1，張莉1，董國豪2，郭建軍2，郭智慧2

（1中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2山東省德州市農(nóng)業(yè)科學研究院，山東德州 253000）

摘要：【目的】研究黃淮海北部地區(qū)犁底層分布現(xiàn)狀及特征?！痉椒ā坎捎貌键c取樣方法，根據(jù)黃淮海北部區(qū)土壤質(zhì)地分布圖結(jié)合第二次土壤普查點位選取山東陵縣、河北吳橋縣共108個點位，于2014年冬小麥拔節(jié)期進行剖面取樣調(diào)查，測定0—45 cm不同層次土壤水分含量、土壤容重及穿透阻力?！窘Y(jié)果】（1）黃淮海北部地區(qū)耕層平均厚度在14.74 cm，約有76％的被調(diào)研點存在明顯的犁底層，犁底層主要分布在 15—30 cm；（2）黃淮海北部區(qū)農(nóng)田剖面各層次土壤容重及穿透阻力存在顯著差異，犁底層容重最大，平均容重在1.54 g·cm-3左右，顯著大于耕層和心土層，在冬小麥拔節(jié)期犁底層穿透阻力為1 371.00—4 256.00 kPa，顯著大于耕層及心土層穿透阻力；（3）冬小麥整個生育期犁底層穿透阻力均大于2 000 kPa，阻礙了小麥根系的深扎，造成小麥根系分布淺層化，這在冬小麥生長缺水的地區(qū)，易造成作物水分脅迫，同時不利于根系吸收深層養(yǎng)分；（4）土壤穿透阻力土壤與含水量及容重之間有著極顯著相關(guān)關(guān)系，土壤穿透阻力有隨著容重的增加而增加的趨勢，二者之間回歸方程為：y= 3 854.09x+3 891.99（y為穿透阻力，x為土壤容重，r =0.84）；當容重低于1.4 g·cm-3時，土壤穿透阻力均低于2 000 kPa，穿透阻力不會對作物根系生長產(chǎn)生障礙，而當土壤容重在1.4 g·cm-3以上時，穿透阻力對作物的影響同時取決于土壤含水量，穿透阻力隨著土壤水分的增加而降低，對應線性回歸方程為：y = -75.93 x + 3 153.83 （y為穿透阻力，x為土壤質(zhì)量含水量，r=0.82）?！窘Y(jié)論】在現(xiàn)行以旋耕為主的傳統(tǒng)耕作模式下，黃淮海北部地區(qū)農(nóng)田犁底層是普遍存在的，不利于作物根系生長及作物對土壤養(yǎng)分的充分利用，需要適度打破犁底層，構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：黃淮海平原；犁底層；容重；穿透阻力；土壤水分

聯(lián)系方式：翟振，E-mail：zhaizhentab@163.com。通信作者逄煥成，E-mail：panghuancheng@caas.cn

0 引言

【研究意義】黃淮海作為中國重要的綜合性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，在保障國家糧食安全中占有舉足輕重的地位［1-2］。20世紀70年代后期，隨著國外旋耕機具的引進和旋耕耕作法的逐步推廣，大大提高了耕作效率，與犁耕和耙耕作業(yè)相比，旋耕作業(yè)具有碎土性能好，適應性強，作業(yè)效率高的優(yōu)點［3］。但長期以旋代耕、以耙代耕，也造成了一定弊端，現(xiàn)行的旋耕深度一般在15 cm左右，比過去的機械耕翻深度淺8—10 cm，造成耕層變淺［4］；同時連年旋耕，由于犁刀的擠壓作用致使在耕作層與心土層之間形成了一層堅硬、封閉的犁底層［5-7］。對耕作土壤來說，具有適當厚度的犁底層對保持養(yǎng)分，保存水分還是非常有益的；但是犁底層過厚、堅實，不僅阻礙作物根系的穿插，同時阻礙了耕作層與心土層之間水、肥、氣、熱的連通性［4， 8-10］，同時對作物生長、物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和能量的傳遞也非常不利。但目前關(guān)于該區(qū)域犁底層分布狀況及其特點缺乏總體認識，研究結(jié)果并不統(tǒng)一，出現(xiàn)各種觀點［11-12］，因此摸清區(qū)域犁底層的分布狀況及其特點，對指導該地區(qū)合理耕層構(gòu)建、充分挖掘耕層潛力具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】目前國內(nèi)關(guān)于犁底層的研究主要側(cè)重于其對水分入滲過程、土壤蓄水量、作物生長等方面。例如，花偉東等［13］研究發(fā)現(xiàn)完全打破犁底層情況下，水分穩(wěn)定入滲率是有犁底層存在時的2倍，產(chǎn)流時間也較有犁底層情況延長 100％，徑流量卻僅相當于有犁底層情況的30％；犁底層同樣會影響作物根系的生長，齊華等［14］研究發(fā)現(xiàn)打破犁底層后，各層土壤中根量分布都有明顯的下移趨勢。目前關(guān)于犁底層現(xiàn)狀及特征的系統(tǒng)研究較少，鄭存德等［15］對遼寧棕壤農(nóng)田調(diào)查顯示產(chǎn)量大于11.25 t·hm-2的玉米田，有90％的地塊耕層、犁底層厚度分別在20—25 cm、7—10 cm之間，而產(chǎn)量在6.75—11.25 t·hm-2的玉米田，有90％的地塊耕層、犁底層厚度分別在16—19 cm、10—16 cm之間。而針對黃淮海地區(qū)普遍存在調(diào)研取樣點較少、各指標取樣并不在同一時期等問題，且多數(shù)針對犁底層的改造方法及作用過程的研究，并未明確指出犁底層的分布、特征及各種參數(shù)之間的關(guān)系?！颈狙芯壳腥朦c】犁底層作為耕層重要障礙因子，目前對其分布狀況及特征尚缺乏統(tǒng)一的認識，明確區(qū)域犁底層特征是充分挖掘耕層潛力、減少農(nóng)田環(huán)境污染的前提?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過廣泛調(diào)研，對黃淮海北部地區(qū)農(nóng)田犁底層分布狀況，土壤容重、穿透阻力和水分剖面分布特征及三者間相互關(guān)系做系統(tǒng)分析，以期為黃淮海地區(qū)合理耕層構(gòu)建提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究以黃淮海平原的河北吳橋縣（井灌區(qū)）和德州陵縣（河灌區(qū)）兩個典型縣為對象，對黃淮海不同類型灌區(qū)進行了田間耕層情況調(diào)查。德州陵縣位于東經(jīng)116°27′—116°57′，北緯37°13′—37°36′，屬黃淮平原，多年平均氣溫12.7 ℃，平均年降雨量為570.2 mm，降水主要分布在6—8月份，以黃河水灌溉，水源充沛，耕作制度為一年兩熟的冬小麥-夏玉米輪作；河北吳橋地處東經(jīng)116°19′—116°24′，北緯37°29′—37°47′，位于海河平原黑龍港流域中部，屬暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫12.9 ℃，平均年降雨量為552.7 mm，水資源嚴重匱乏是本區(qū)作物生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的最大資源障礙因素，以地下水灌溉為主，農(nóng)田種植制度以一年兩熟的冬小麥-夏玉米輪作為主，兼有夏玉米-冬小麥-棉花/春玉米輪作方式。兩地農(nóng)田土壤均以壤質(zhì)潮土為主，耕作方式主要是旋耕，于每年小麥收獲后旋耕，以小四輪拖拉機為主要動力，旋耕深度15 cm左右；小麥季灌溉2—3次，玉米季灌溉2—3次，灌溉方式均為畦灌。本研究根據(jù)當?shù)赝寥蕾|(zhì)地分布圖同時結(jié)合第二次土壤普查點位數(shù)據(jù)，選取吳橋50個點位、陵縣58個點位進行剖面取樣調(diào)查（圖1）。

圖1　調(diào)研點分布Fig. 1 Distribution of investigation sites

1.2 調(diào)研方法

本研究于2014年4月小麥拔節(jié)期進行（4月1日至4月13日，期間無降水），選取了河北的吳橋縣、山東的陵縣作為調(diào)研對象，根據(jù)當?shù)赝寥蕾|(zhì)地分布狀況結(jié)合第二次土壤普查定位數(shù)據(jù)，選取了108個點位（陵縣58個，吳橋50個），利用GPS定位并記錄點位經(jīng)緯度，采用剖面取樣調(diào)查手段，具體監(jiān)測項目有：

（1）耕層厚度：采用直接觀察法，記錄耕層厚度及小麥根系主要分布深度。

（2）剖面容重、水分：在測量緊實度所選取5個樣點中，選取3個樣點，挖0—60 cm剖面，在取樣前對剖面容重分布狀況不明確前提下，采用環(huán)刀法，測量0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm 4個層次容重，采用烘干法測定對應不同層次土壤質(zhì)量含水量；測量位置分別在各層次的中間位置，即5 cm、15 cm、25 cm和35 cm，考慮到環(huán)刀自身直徑5.05 cm，因此在統(tǒng)計分析中，將0—10 cm容重近似0—15 cm土壤容重，將20—30 cm容重近似15—30 cm土壤容重。

（3）土壤穿透阻力測定：在每個點位，采用 5點取樣法，選取5個樣點，采用SC900土壤緊實度測定儀，測定土壤剖面 0—45 cm穿透阻力分布狀況。SC900數(shù)字式土壤緊實度測定儀測定單位為kPa，空間分辨率為 2.5 cm，壓力分辨率為35 kPa（精確度為35 kPa），最大量程為45 cm，測量壓力范圍為0—7 000 kPa。

（4）有機質(zhì)、土壤質(zhì)地：與剖面容重及土壤剖面水分測定同步，選取同一剖面對應0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm 4個層次土壤樣品，實驗室分析測定有機質(zhì)含量及土壤質(zhì)地。

（5）背景資料：包括調(diào)查地塊近30年的耕作方式、耕作年限、作物產(chǎn)量、土地利用類型變化等項目。

2 結(jié)果

2.1 農(nóng)田剖面容重特征分析

如圖2所示，兩調(diào)研區(qū)域土壤剖面容重變化范圍在1.30—1.57 g·cm-3，并且容重在垂直方向均存在相似的變化趨勢，即容重先增大后降低，并均在20—30 cm范圍內(nèi)達到最大，兩區(qū)域土體結(jié)構(gòu)中均出現(xiàn)一個容重較大的“特殊層”——犁底層。其中陵縣20—30 cm處容重達到1.57 g·cm-3，極顯著大于0—10 cm土層和30—40 cm土層容重，較0—10 cm土層容重大19％，較30—40 cm土層容重大4％；吳橋縣土壤剖面容重亦顯示出同樣規(guī)律，20—30 cm處平均容重約為1.51 g·cm-3，極顯著大于0—10 cm土層和30—40 cm土層容重，較0—10 cm土層容重大16％，較30—40 cm土層容重大4％（表1）。

圖2　農(nóng)田土壤剖面容重平均分布狀況（a為陵縣，b為吳橋縣）Fig. 2 Vertical distribution of bulk density in the field （a is Ling County， b is Wuqiao County）

表1　農(nóng)田土壤不同層次容重方差分析表Table 1 Analysis of variance for bulk density in different soil layers

2.2 農(nóng)田剖面穿透阻力特征分析

容重是一個離散指標，土壤剖面的穿透阻力變化更能反應出土壤結(jié)構(gòu)的連續(xù)變化過程，圖3所示為兩調(diào)研縣域各調(diào)研樣點0—45 cm剖面的平均土壤穿透阻力分布狀況，兩調(diào)研區(qū)域在0—18 cm土層范圍內(nèi)，土壤穿透阻力隨著深度的增加而逐漸增加，25 cm以下土層，隨著深度增加，土壤穿透阻力有先降低又略有增加的趨勢。也即土壤剖面在大致15—30 cm深處，存在著明顯的犁底層，在犁底層位置，土壤穿透阻力明顯大于其他土層穿透阻力。

對土壤剖面穿透阻力做進一步分析發(fā)現(xiàn)（表2），陵縣耕層土壤（0—15 cm）平均穿透阻力為597.36 kPa，犁底層平均穿透阻力2 420.82 kPa，下部心土層（30 —45 cm）土壤穿透阻力為1 960.84 kPa，犁底層穿透阻力極顯著大于耕層和心土層，超過了阻礙根系下扎臨界值2 000 kPa［16］，是耕層穿透阻力的4倍、心土層的1.3倍。而吳橋縣耕層結(jié)構(gòu)亦有同樣規(guī)律，吳橋耕層土壤平均穿透阻力為658.24 kPa，犁底層穿透阻力為2 691.09 kPa，心土層為2 010.81 kPa，犁底層穿透阻力同樣大于2 000 kPa，并且極顯著大于耕層和心土層穿透阻力，是耕層穿透阻力的 4倍、心土層的1.3倍。

圖3　農(nóng)田土壤剖面穿透阻力平均分布狀況（a為陵縣，b為吳橋縣）Fig. 3 Vertical distribution of penetration resistance in the field （a is Ling County， b is Wuqiao County）

表2　農(nóng)田土壤剖面穿透阻力方差分析表Table 2 Analysis of variance for penetration resistance in different soil layers

2.3 調(diào)研區(qū)域農(nóng)田犁底層深度、厚度分布

根據(jù)對調(diào)研區(qū)域農(nóng)田剖面容重及穿透阻力的統(tǒng)計分析可知，犁底層在農(nóng)田剖面中是存在的。進一步分析發(fā)現(xiàn)，在陵縣58個調(diào)研點中，74％的被調(diào)研點存在明顯的犁底層，對存在明顯犁底層的43個調(diào)研點進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)（圖 4），陵縣農(nóng)田犁底層分布深度在7.5—21.5 cm，其中51.2％的調(diào)研點犁底層深度在14 —18 cm處，過深（18—22 cm）或者過淺（6—10 cm）犁底層不超過7％，陵縣犁底層平均分布深度在14.50 cm，與當?shù)爻Ｒ?guī)旋耕作深度基本一致；陵縣農(nóng)田犁底層厚度在大致7.5—21.5 cm，其平均厚度在13.3 cm，52.4％的調(diào)研點犁底層厚度在 10—14 cm，過厚（18 —22 cm）或者過?。?—10 cm）犁底層比例不超過10％。

圖4　陵縣農(nóng)田犁底層深度及厚度統(tǒng)計分析Fig. 4 Statistical analysis of depth and thickness of plow pan in Ling County

在吳橋縣的調(diào)研結(jié)果中發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律（如圖5），在50個被調(diào)研點中，78％的調(diào)研點存在明顯的犁底層，犁底層分布深度在11.5—22.5 cm，其平均分布深度在14.98 cm，與當?shù)爻Ｒ?guī)旋耕作用深度一致；其厚度在7.5—20 cm，其平均厚度為13.45 cm。

圖5　吳橋縣農(nóng)田犁底層深度及厚度統(tǒng)計分析Fig. 5 Statistical analysis of depth and thickness of plow pan in Wuqiao County

表3　調(diào)研區(qū)域不同層次土壤質(zhì)量含水量及其變化范圍Table 3 The range of mass water content in different soil layers in the investigation area

表4　調(diào)研區(qū)域不同層次土壤容重及其變化范圍Table 4 The range of bulk density in different soil layers in the investigation area （g·cm-3）

2.4 農(nóng)田穿透阻力與容重及水分的關(guān)系

從表3、表4中可以看出，兩調(diào)研區(qū)域不同點位不同層次土壤質(zhì)量含水量變化范圍在 5.65％—29.29％，各點位不同層次土壤容重變化范圍在1.05—1.85 g·cm-3，對穿透阻力和土壤容重及含水量之間做偏相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，穿透阻力與土壤容重及土壤質(zhì)量含水量之間偏相關(guān)系數(shù)r分別為0.63和-0.36，均呈現(xiàn)極顯著相關(guān)關(guān)系，這說明土壤穿透阻力同時受土壤含水量及土壤容重兩個因素的影響。同一土壤容重條件下由于土壤含水量不同，對應土壤穿透阻力亦有差異，因此對同一土壤容重條件下土壤質(zhì)量含水量及土壤穿透阻力取平均值，并對土壤容重及對應平均穿透阻力作散點圖（圖 6），從圖中可看出，土壤穿透阻力整體隨著土壤容重的增大而增大，二者呈現(xiàn)極顯著線性正相關(guān)關(guān)系，其線性回歸方程為：y=3 854.09x+3 891.99 （y為穿透阻力，x為土壤容重，r=0.84）；進一步分析發(fā)現(xiàn)，當容重低于1.4 g·cm-3時，土壤穿透阻力均低于 2 000 kPa，此時對應土壤質(zhì)量含水量在 6.86％—24.64％，這說明當土壤容重在1.4 g·cm-3以下時，正常水分條件下，土壤穿透阻力不會對作物根系生長產(chǎn)生障礙，而當土壤容重在1.4 g·cm-3以上時，穿透阻力對作物的影響同時取決于土壤含水量。

在同一水分條件下，土壤穿透阻力并不固定，而是隨著容重的增加而增大（圖 6），因此對同一土壤水分條件下土壤容重及土壤穿透阻力取平均值，并對土壤質(zhì)量含水量及對應平均穿透阻力作散點圖（圖7），從圖中可看出，土壤穿透阻力與土壤含水量之間存在著極顯著線性負相關(guān)關(guān)系，穿透阻力隨著土壤水分的增加而降低，對應線性回歸方程為：y = -75.93 x + 3 153.83（y為穿透阻力，x為土壤質(zhì)量含水量，r=0.82）。

圖6　土壤穿透阻力與土壤容重之間關(guān)系Fig. 6 The relationship between bulk density and soil penetration resistance

圖7　土壤穿透阻力與土壤質(zhì)量含水量之間關(guān)系Fig. 7 The relationship between mass water content of soil and soil penetration resistance

2.5 農(nóng)田穿透阻力動態(tài)變化規(guī)律

本次調(diào)研僅是針對小麥拔節(jié)期土壤緊實度狀況進行研究，考慮到耕作措施及作物生育期耗水可顯著改變土壤容重和水分狀況，因此農(nóng)田土壤穿透阻力變化過程更為復雜。本研究對調(diào)研點（E116°19′46.33″，N37°20′44.53″） 2014—2015年冬小麥整個生育期農(nóng)田犁底層（15—30 cm）穿透阻力進行了動態(tài)監(jiān)測（圖8）。從圖中可以看到，在整個小麥生育期內(nèi)，犁底層穿透阻力隨著小麥生育期的推進而發(fā)生有規(guī)律變化，2014年秋收后，犁底層穿透阻力達到4 300.00 kPa，隨后經(jīng)過旋耕、灌溉、播種等，2014年11月13日犁底層穿透阻力迅速降低到2 111.14 kPa，此時犁底層體積含水量達到19.22％，隨著小麥苗期耗水及土壤水分蒸發(fā)，到小麥返青期穿透阻力又逐漸增加至4 362.25 kPa，對應土壤體積含水量降低為14.47％，2015年3 月 21進行第二次灌溉，犁底層穿透阻力驟降至2 074.57 kPa，由于拔節(jié)期后，小麥生長旺盛，耗水量較大，在一個月時間內(nèi)，犁底層穿透阻力達到了生育期最大值4 700.00 kPa。因此在實際生產(chǎn)中，犁底層穿透阻力與耕作、灌溉、降水、作物生育期耗水及土壤蒸發(fā)等因素是相互耦合的。

圖8　土壤穿透阻力與土壤體積含水量動態(tài)變化Fig. 8 Dynamic change of soil penetration resistance and soil volumetric moisture content

3 討論

3.1 黃淮海北部地區(qū)農(nóng)田土壤剖面垂直變化特征

耕層構(gòu)造是由耕作土壤及其覆蓋物所組成，是人類耕作加工后形成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)及覆蓋物的總稱［17］，良好的耕層構(gòu)造狀況決定整個土體與外界水、肥、氣、熱交換能力的高低，良好的耕層構(gòu)造能最大限度地蓄納和協(xié)調(diào)耕層中的水分。本調(diào)研結(jié)果顯示，黃淮海北部地區(qū)常規(guī)旋耕耕作方式下的農(nóng)田存在明顯垂直分層現(xiàn)象，主要分為耕作層（0—15 cm）、犁底層（15—30 cm）、心土層（30—45 cm），在陵縣和吳橋兩調(diào)研區(qū)域中，分別有74％和78％的被調(diào)研點存在明顯的犁底層，考慮到近年來土地利用類型的顯著變化對耕層結(jié)構(gòu)的影響，可以認為犁底層在黃淮海北部區(qū)是普遍存在的。被調(diào)研區(qū)域耕層平均厚度在14.74 cm，略低于《2008年玉米主產(chǎn)區(qū)土壤耕層調(diào)查報告》［18］中黃淮海玉米產(chǎn)區(qū)17.2 cm的耕層厚度，這種差異也可能與兩次調(diào)研選點策略、調(diào)查對象、處理方法等不同有關(guān)，犁底層主要分布在15—30 cm，這與舒鑫等［19］，趙亞麗等［20］，蔡麗君等［21］研究結(jié)果基本一致，但不同地域，由于土壤類型、耕作方式、強度及耕作年限的差異，犁底層厚度也有可能存在差異，鄭存德［15］對遼寧棕壤玉米田調(diào)研發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量大于11.25 t·hm-2的玉米田，90％地塊犁底層厚度在7—10 cm。

同時土壤剖面各層次土壤容重及穿透阻力存在顯著差異，在本研究中發(fā)現(xiàn)犁底層容重最大，平均容重在1.54 g·cm-3左右，顯著大于耕層和心土層容重，這與《2008年玉米主產(chǎn)區(qū)土壤耕層調(diào)查報告》［18］中黃淮海玉米產(chǎn)區(qū)土壤容重為1.52 g·cm-3的調(diào)研結(jié)果一致；同樣犁底層穿透阻力在農(nóng)田不同層次中也是最大的，在本調(diào)研時期，犁底層穿透阻力位于1 371.00—4 256.00 kPa，前人研究同樣表明犁底層部位穿透阻力最大，但犁底層穿透阻力變化區(qū)間不盡相同，這是因為穿透阻力不僅與土壤層次有關(guān)系，還與測量時期所對應土壤含水量，以及土壤質(zhì)地、容重、有機質(zhì)含量等有關(guān)系［22-24］。PASSIOURA 等［16］研究發(fā)現(xiàn)當土壤穿透阻力達到800.00 kPa時，作物根系伸長速率明顯降低，2 000.00 kPa時受到嚴重抑制，5 000.00 kPa時完全停止，阻力解除后2—5 d才能恢復。陳喜鳳等［25］認為在20—40 cm土層中，緊實的犁底層對土壤養(yǎng)分有效性和作物根系生長的限制是當前作物高產(chǎn)栽培的主要限制因子之一。產(chǎn)生犁底層的原因主要是由于長期旋耕造成的機械壓實所致［26］，也可能與長期大水漫灌及降水造成的黏粒沉降的集聚作用有關(guān)。

3.2 穿透阻力與土壤水分及容重的關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)土壤穿透阻力分別與土壤水分及容重之間有著極顯著相關(guān)關(guān)系，土壤穿透阻力有隨著土壤水分的增加而降低，隨著容重的增加而增加的趨勢，類似規(guī)律在前人的研究中亦有發(fā)現(xiàn)，土壤穿透阻力和土壤水分及容重的關(guān)系受諸多因子影響，目前只能用經(jīng)驗公式來描述，但不同研究得到的經(jīng)驗公式不盡相同，一些作者［27］常用冪函數(shù)描述土壤阻力和含水量的關(guān)系，也有些學者采用對數(shù)函數(shù)描述土壤阻力和含水量的關(guān)系，王益等［22］對黃土高原南部地區(qū)3種質(zhì)地類型土壤緊實度變化規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，黃墡土、塿土、黏化層3種不同質(zhì)地類型土壤，土壤穿透阻力的對數(shù)值隨土壤水分的變化均符合一元二次方程，而穿透阻力隨含水量的變化速率（方程求導后曲線斜率）并不相同。Whalley等［28］提出了一個更為復雜的估算土壤穿透阻力的經(jīng)驗關(guān)系式：

式中Q是土壤穿透阻力，ψ是土壤基質(zhì)勢，S是土壤含水量，ρ是容重。

本研究認為簡單的線性方程能更明了地反映土壤穿透阻力與土壤水分及容重之間的相互變化趨勢，這與焦彩強等［29］的結(jié)論一致。

3.3 農(nóng)田穿透阻力動態(tài)變化規(guī)律

本研究發(fā)現(xiàn)，2014—2015年冬小麥整個生育期犁底層穿透阻力均大于2 000 kPa，阻礙了小麥根系的深扎，造成小麥根系分布淺層化，這在冬小麥生長缺水的地區(qū)，易造成作物的水分脅迫，同時不利于根系吸收深層養(yǎng)分，進而造成減產(chǎn)，有研究表明產(chǎn)量越高，中下層根量占比例越高（在耕作層中絕對根量高于低產(chǎn)田），同時，由于犁底層的存在，施肥后大水漫灌，氮肥不能有效往下部土層運移而積聚在耕層，會導致較多的N2O的排放，增加溫室氣體排放［30］；但完全打破犁底層，會導致土壤通透性過大，有漏水漏肥的危險［31］，同時導致養(yǎng)分的深層淋溶而污染地下水，因此有必要適度打破犁底層，構(gòu)造合理的耕層結(jié)構(gòu)。鄭存德［13］認為高產(chǎn)玉米田的土壤物理特征應該滿足耕層厚度在20—30 cm，而目前研究報告中對犁底層的改造方式僅限于作業(yè)深度大于35 cm的間隔深松、翻耕等耕作方式，而這類耕作方式無法做到對農(nóng)田犁底層的均勻部分破除，保留一定厚度的犁底層，在考慮作物根系生長、溫室氣體排放、養(yǎng)分淋溶及剖面穿透阻力的周年變化等前提下，黃淮海平原每年采用作業(yè)深度在25 cm左右的旋耕或深旋松耕作方式似乎更有意義。

總之，犁底層的存在在一定程度上限制了作物生長及對養(yǎng)分利用，但犁底層對水肥遷移轉(zhuǎn)化的影響機理需要進一步探索，同時如何改造或打破犁底層，也需要進一步的試驗驗證。

4 結(jié)論

在現(xiàn)行以旋耕為主的耕作模式下，黃淮海北部地區(qū)農(nóng)田犁底層是普遍存在的，主要分布在15—30 cm，犁底層容重和穿透阻力遠大于耕層及心土層，犁底層平均容重約為1.54 g·cm-3，冬小麥拔節(jié)期犁底層穿透阻力位于1 371.00—4 256.00 kPa，本研究中土壤穿透阻力分別與土壤水分及容重之間有著極顯著線性相關(guān)關(guān)系，隨著土壤水分增加而降低，隨著土壤容重的增大而變大。目前黃淮海北部地區(qū)犁底層現(xiàn)狀不利于作物根系生長及作物對土壤養(yǎng)分的充分利用，需要適度打破犁底層，構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)。

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（責任編輯 楊鑫浩）

Study on Present Situation and Characteristics of Plow Pan in the Northern Region of Huang Huai Hai Plain

ZHAI Zhen1， LI Yu-yi1， PANG Huan-cheng1， WANG Jing1， ZHANG Li1，DONG Guo-hao2， GUO Jian-jun2， GUO Zhi-hui2（1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081；2Dezhou Academy of Agricultural Sciences， Dezhou 253000， Shandong）

Abstract：【Objective】The objective of this paper is to study the present situation and characteristics of plow pan in the northern region of Huang Huai Hai plain.【Method】 In this study， 108 investigation points distributed in Wuqiao County of Hebei province and Ling County of Shandong province were selected according to the soil texture distribution data and the Second China National Soil Survey. At each investigation point， the soil moisture content， soil bulk density and penetration resistance of different soil levels from top surface to 45 cm during the jointing stage of winter wheat were determined. 【Result】 The average thickness of topsoil in the northern region of Huang Huai Hai plain was 14.74 cm， and the plow pan distributed from 15 to 30 cm existed at about 76％ of all investigated points. It was also found that the bulk density and penetration resistance among each soil layer have significant differences. The bulk density of plow pan was about 1.54 g·cm-3which was the largest in soil profile. Also the penetration resistanceof plow pan during the jointing stage of winter wheat varied from 1 371.00 kPa to 4 256.00 kPa， which was significantly higher than that of top soil and subsoil. During the whole growth period of winter wheat， the penetration resistance of plow pan was always larger than 2 000 kPa which restrained the growth of root， and primarily distributed in shallow soil， and this led to the increased water stress to winter wheat and nutrient uptake from deep soil in water deficient area. A very significant correlation between soil penetration resistance and bulk density， soil water content was observed. In addition， the penetration resistance of soil showed a increasing trend with the increased soil bulk density and the regression equation is y=3 854.09x+3 891.99 （y is penetration resistance，x is the bulk density， r=0.84）. When the bulk density is less than 1.4 g·cm-3， soil penetration resistance was lower than 2 000 kPa，which was not an obstacle for root growth. When the soil bulk density is 1.4 g·cm-3or more， the effect of soil penetration resistance on winter wheat growth mainly depended on the soil moisture， and the regression equation between them is y= -75.93x + 3 153.83 （y is penetration resistance， x is the water content of soil， r= 0.82）. 【Conclusion】 In a whole， plow pan is widespread under the traditional rotary-based tillage mode in the northern Huang Huai Hai， which would be an obstacle for crop root growth and the utilization of soil nutrients. So moderately breaking the plough pan and building a reasonable soil structure is required.

Key words：Huang Huai Hai plain； plow pan； bulk weight； penetration resistance； soil water

收稿日期：2015-11-20；接受日期：2016-02-17

基金項目：國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項經(jīng)費（201303130）