魯西南褐土土壤容重對(duì)冬小麥生長發(fā)育及養(yǎng)分吸收的影響

孫澤強(qiáng) 韓成衛(wèi) 孔曉民 楊光 劉盛林 石寧 王學(xué)君

摘要：采用盆栽試驗(yàn)方法，以原狀土壤不打破犁底層為對(duì)照（CK），設(shè)置土壤容重1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 g/cm3共5個(gè)水平處理，研究山東省褐土不同土壤容重對(duì)冬小麥生長發(fā)育及養(yǎng)分吸收的影響。結(jié)果表明：隨著土壤容重增加，冬小麥株高、植株干物質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量、地上部養(yǎng)分吸收量均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，土壤容重1.4 g/cm3時(shí)達(dá)到最高值，增至1.5 g/cm3和1.6 g/cm3時(shí)生長發(fā)育受到明顯抑制，且容重越大降幅越顯著。與對(duì)照相比，土壤容重1.6 g/cm3處理的株高、植株干物質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量和籽粒養(yǎng)分吸收量分別降低11.55%、13.61%、37.86%和39.46%。處理間的產(chǎn)量差異主要是由穗粒數(shù)變化所致，容重1.5、1.6 g/cm3處理的穗粒數(shù)比對(duì)照分別下降27.37%和36.79%。原狀土結(jié)構(gòu)緊實(shí)，下層土壤容重過大嚴(yán)重制約冬小麥產(chǎn)量提高，與CK相比，容重1.2、1.3、1.4 g/cm3處理分別增產(chǎn)12.85%、21.49%、31.01%。通過深松等耕作技術(shù)打破犁底層，降低20～40 cm深層土壤容重，促進(jìn)植株生長和后期干物質(zhì)積累，是冬小麥增產(chǎn)的重要途徑。

關(guān)鍵詞：褐土;土壤容重;冬小麥;生長發(fā)育;產(chǎn)量;養(yǎng)分吸收;魯西南

中圖分類號(hào)：S152.1+10.61：S155.2+3? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A? 文章編號(hào)：1001-4942（2020）11-0069-06

Effect of Cinnamon Soil Bulk Density on Growth，

Development and Nutrient Uptake of Wheat

in Southwest of Shandong Province

Sun Zeqiang1， Han Chengwei2， Kong Xiaomin2， Yang Guang1，

Liu Shenglin1， Shi Ning1， Wang Xuejun1

（1. Institute of Agricultural Resources and Environment， Shandong Academy of

Agricultural Sciences/Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation

（Shandong）， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Jinan 250100， China;

2. Jining Academy of Agricultural Sciences/Jining Comprehensive Experimental

Station of National Corn Industry Technology System， Jining 272031， China）

Abstract A study on the growth and development and nutrient uptake of Jimai 22 in the soil with different bulk density was conducted using pot test. Six treatments were set as undisturbed soil without breaking the plough layer （CK） and the soil with bulk density at 1.2， 1.3， 1.4， 1.5 and 1.6 g/cm3 respectively. The results showed that plant height， dry matter， grain yield and nutrient uptake of wheat increased firstly and then decreased with the increase of soil bulk density. The value of these indicators reached the highest at 1.4 g/cm3， but the growth and development of winter wheat were obviously inhibited at 1.5 and 1.6 g/cm3 and decreased more with the increase of bulk density. Compared to CK， the plant height， dry matter， grain yield and nutrient uptake of grains at 1.6 g/cm3 decreased by 11.55%， 13.61%， 37.86% and 39.46%， respectively. The yield difference between treatments was mainly caused by kernel number per spike. The kernel number per spike under 1.5 and 1.6 g/cm3 treatments decreased by 27.37% and 36.79% compared with CK. The tight structure of CK soil with higher bulk density restricted the improvement of winter wheat yield. The grain yield under 1.2， 1.3 and 1.4 g/cm3 treatments increased by 12.85%，21.49% and 31.01% compared to CK. Breaking plough layer by subsoiling to decrease the soil bulk density in 20～40-cm layer could promote wheat growth and dry matter accumulation at later growth stages， which was an important way to increase yield of winter wheat.

Keywords Cinnamon soil; Soil bulk density; Winter wheat; Growth and development; Yield;Nutrient uptake; Southwest of Shandong Province

容重是土壤重要的物理性質(zhì)之一，在很大程度上決定著土壤含水量、通氣性以及礦質(zhì)元素的運(yùn)移，進(jìn)而影響到植物的生長發(fā)育和生理功能，從而表現(xiàn)出容重不同地塊的生產(chǎn)力差異。大量研究表明，疏松的土壤環(huán)境有利于作物根系的伸展和根量積累，從而提高生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。當(dāng)土壤容重增大時(shí)，土壤機(jī)械阻力增加，限制作物根系生長發(fā)育，使水肥利用效率下降，造成作物減產(chǎn)[1-3]。目前玉米上此類研究報(bào)道較多，而對(duì)自然原狀土不同土壤容重條件下的小麥生理生化的系統(tǒng)研究尚缺乏，小麥對(duì)土壤容重所能忍受的極限尚不明確[4-8]。

山東省是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，常年小麥總產(chǎn)量居全國第2位。近年來，生產(chǎn)上長期采用以小型農(nóng)機(jī)具為主的連年旋耕耕作方式，導(dǎo)致耕層變淺、土壤結(jié)構(gòu)緊實(shí)、有效耕層土壤量顯著減少、土壤蓄水保肥能力嚴(yán)重下降，制約大面積糧食高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)[9]。深入研究土壤容重與作物生長發(fā)育的關(guān)系，對(duì)于科學(xué)調(diào)控土壤環(huán)境、促進(jìn)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有重要意義。為此，本試驗(yàn)以山東省主要農(nóng)業(yè)土壤——褐土為著眼點(diǎn)，采用桶栽方法模擬大田不同土層容重狀況，研究不同容重土壤對(duì)小麥生長發(fā)育及養(yǎng)分吸收的影響，以期為山東及華北平原地區(qū)土壤合理耕層構(gòu)建和小麥高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年在國家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系濟(jì)寧試驗(yàn)站進(jìn)行。供試土壤為褐土，質(zhì)地輕壤，0～20 cm耕層土壤容重為1.33 g/cm3，20～40 cm土層土壤容重為1.51 g/cm3;耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量13.1 g/kg、堿解氮58.6 mg/kg、速效磷48.3 mg/kg、速效鉀128.5 mg/kg，pH值為6.98。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)大田耕作前后的調(diào)查結(jié)果，設(shè)置6個(gè)處理，即以原狀土不打破犁底層為對(duì)照（CK），記為T1;設(shè)置打破犁底層后土壤容重分別為1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 g/cm3共5個(gè)水平，分別記為T2、T3、T4、T5、T6。為模擬大田土壤狀況，供試土壤從試驗(yàn)田0～20 cm耕層和20～40 cm犁底層分兩個(gè)層次采集，分別過篩除去雜草和石塊，土壤風(fēng)干至8%水分含量（易壓實(shí)）后粉碎過2.5 mm篩，充分混勻后備用。

采用桶栽試驗(yàn)，通過分層次裝入壓實(shí)土壤方法形成不同容重，然后將制備好的符合各層容重的土壤依次裝入各層（桶中各層次土壤取自供試土壤相應(yīng)層次）。PVC桶容積50 L，直徑38 cm，高45 cm，裝土深度40 cm，預(yù)留5 cm便于灌溉。按照設(shè)計(jì)容重分0～20 cm和20～40 cm兩層裝土，每層土壤保持原位置不變。容重大的處理采用人工機(jī)械壓實(shí)方法達(dá)到處理要求，同時(shí)采用裁紙刀將每個(gè)土層表面劃破，增加土壤粗糙度，降低表面張力，改善土壤滲透性能。然后將各處理的試驗(yàn)桶自然放置1個(gè)月，保證土壤容重的真實(shí)性。每個(gè)水平設(shè)置5個(gè)重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。

供試小麥品種為濟(jì)麥22，10月15日澆水造墑播種，每桶播種量為1.7 g，折合播種量150 kg/hm2（本地常規(guī)播種量），種植2行。結(jié)合灌蒙頭水，每桶施控釋復(fù)合肥（28-6-9）6.8 g（折合600 kg/hm2），澆返青水時(shí)每桶追施尿素3.4 g（折合300 kg/hm2）。整個(gè)生長期內(nèi)灌水4次，分別在播種后、越冬期、返青期、揚(yáng)花挑旗期，通過稱重法保持全生育期內(nèi)土壤含水量為田間持水量的75%～85%。采用噴壺微孔細(xì)噴，降低灌溉對(duì)土壤容重的影響。其它管理同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 冬小麥植株性狀 灌漿后期每處理取20株調(diào)查株高（主莖自分蘗節(jié)至幼穗頂部的高度）。成熟期分別取各處理植株地上部，于烘箱中105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，測(cè)其植株干物質(zhì)量[10]。

1.3.2 產(chǎn)量及穗部性狀 成熟期收獲全部麥穗稱重計(jì)產(chǎn)，并進(jìn)行室內(nèi)考種，調(diào)查總穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重。

1.3.3 養(yǎng)分含量及養(yǎng)分吸收量 成熟期分別取適量小麥籽粒和秸稈，磨碎烘干過篩。氮磷鉀養(yǎng)分含量分別用凱氏定氮法、鉬藍(lán)分光光度法和火焰光度法測(cè)定[11]。養(yǎng)分吸收量由養(yǎng)分含量和產(chǎn)量或干物質(zhì)量相乘計(jì)算得出。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，DPS 9.50軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重對(duì)冬小麥生長發(fā)育的影響

2.1.1 對(duì)株高的影響 由圖1可以看出，隨著土壤容重的增加，冬小麥株高呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，即拋物線型變化，模擬關(guān)系方程為：y=-1.7071x2+8.3929x+62.08，R2=0.969。土壤容重由1.2 g/cm3增加到1.4 g/cm3時(shí)，株高漸增且達(dá)到最高值，增至1.5 g/cm3時(shí)生長發(fā)育受到明顯抑制，且容重越大降幅越顯著。與原狀土對(duì)照（CK）相比，容重1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 g/cm3處理小麥株高分別增加-2.01%、2.64%、4.83%、-2.99%、-11.55%。可見，打破犁底層適度降低土壤容重，利于增加小麥株高;而土壤容重過高對(duì)冬小麥生長造成不利影響，嚴(yán)重限制株高。

2.1.2 對(duì)植株干物質(zhì)量的影響 如圖2所示，不同土壤容重條件下冬小麥地上部植株干物質(zhì)量的變化趨勢(shì)與株高一致，即隨著土壤容重增加呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)：土壤容重1.4 g/cm3時(shí)達(dá)到最高值，容重1.5、1.6 g/cm3處理較其分別降低6.8%和16.9%;與CK相比，容重1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 g/cm3處理分別增加-11.20%、-9.60%、3.92%、-3.19%、-13.61%。可見，適宜的土壤容重是冬小麥干物質(zhì)量形成的重要條件，容重太小或太大都不利于冬小麥干物質(zhì)量的積累，適宜土壤容重為1.4～1.5 g/cm3。

2.2 土壤容重對(duì)冬小麥產(chǎn)量形成的影響

由表1可以看出，不同處理的小麥產(chǎn)量隨著土壤容重的增加呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，模擬關(guān)系方程為：y=-4533.3x2+11993x-7277.2，R2=0.9247。與CK相比，容重1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 g/cm3處理分別增產(chǎn)12.85%、21.49%、31.01%、-11.62%、-37.91%。不同處理間的產(chǎn)量差異主要是由穗粒數(shù)和千粒重的變化所致。對(duì)照以及容重1.5、1.6 g/cm3處理的總穗數(shù)均高于1.2～1.4 g/cm3等低容重處理，平均增幅為19.8%，但其穗粒數(shù)和千粒重則分別平均下降32.6%和3.2%。這可能與高容重土壤下小麥根系發(fā)育不良、吸收功能降低、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和供應(yīng)較慢而致籽粒發(fā)育受到限制有關(guān)。

2.3 土壤容重對(duì)冬小麥養(yǎng)分吸收的影響

2.3.1 對(duì)冬小麥氮吸收的影響 由圖3可以看出，與對(duì)照相比，土壤容重1.2～1.6 g/cm3各處理冬小麥籽粒氮吸收量分別增加5.37%、13.08%、25.84%、-10.81%和-34.40%，即隨著土壤容重的增加，籽粒氮吸收量呈先增加后降低趨勢(shì)：土壤容重1.4 g/cm3時(shí)籽粒氮吸收量最高、1.5 g/cm3時(shí)顯著下降、1.6 g/cm3時(shí)降幅更大。

與對(duì)照相比，容重1.2～1.6 g/cm3各處理冬小麥植株氮吸收量分別增加-8.12%、-2.34%、6.80%、0.58%和-10.14%。土壤容重1.4 g/cm3時(shí)植株氮吸收量最高，1.2、1.6 g/cm3時(shí)降幅在8%以上。

各處理冬小麥籽粒氮吸收量占植株氮吸收量的比例分別為66.88%、76.70%、77.45%、78.81%、59.31%和48.83%。該比例隨土壤容重增加同樣呈先增加后降低趨勢(shì)。適宜的土壤容重有利于冬小麥籽粒氮的吸收，提高籽粒氮的吸收比例。土壤容重1.2～1.4 g/cm3時(shí)籽粒氮吸收量占植株氮吸收量的比例平均為77.65%?？梢?，冬小麥籽粒是氮吸收的重要部位。

2.3.2 對(duì)冬小麥磷吸收的影響 由圖4以看出，與對(duì)照相比，土壤容重1.2～1.6 g/cm3各處理冬小麥籽粒磷吸收量分別增加18.97%、23.43%、31.48%、-9.30%和-40.60%，即隨著土壤容重的增加，籽粒磷吸收量呈先增加后降低趨勢(shì)，土壤容重1.4 g/cm3時(shí)籽粒磷吸收量最高、1.5 g/cm3時(shí)顯著下降、1.6 g/cm3時(shí)降幅更大。可見，土壤容重超過1.5 g/cm3會(huì)嚴(yán)重影響冬小麥籽粒磷的吸收。

與對(duì)照相比，土壤容重1.2～1.6 g/cm3各處理冬小麥植株磷吸收量分別增加2.71%、2.78%、12.20%、-6.78%和-32.06%，即土壤容重1.4 g/cm3時(shí)植株磷吸收量最高、1.5、1.6 g/cm3時(shí)降幅在6%以上。

各處理冬小麥籽粒磷吸收量占植株磷吸收量的比例分別為60.82%、70.44%、73.04%、71.27%、59.17%和53.18%。該比例隨土壤容重增加同樣呈先增加后降低趨勢(shì)。適宜的土壤容重有利于冬小麥籽粒磷的吸收，提高籽粒磷的吸收比例。土壤容重1.2～1.4 g/cm3時(shí)籽粒磷吸收量占植株磷吸收量的比例平均為71.58%。可見，冬小麥籽粒是磷吸收的重要部位。

2.3.3 對(duì)冬小麥鉀吸收的影響 由圖5可以看出，與對(duì)照相比，土壤容重1.2～1.6 g/cm3各處理冬小麥籽粒鉀吸收量分別增加14.43%、22.88%、29.95%、-15.78%和-43.38%，即隨著土壤容重的增加，冬小麥籽粒鉀吸收量呈先增加后降低趨勢(shì)，土壤容重1.4 g/cm3時(shí)籽粒鉀吸收量最高、1.5 g/cm3時(shí)顯著下降、1.6 g/cm3時(shí)降幅更大?？梢姡寥廊葜爻^1.5 g/cm3會(huì)嚴(yán)重影響冬小麥籽粒鉀的吸收。

與對(duì)照相比，容重1.2～1.6 g/cm3各處理冬小麥植株鉀吸收量分別增加-7.59%、-8.12%、0.51%、-2.70%和-27.52%，可以看出，土壤容重1.4、1.5 g/cm3兩處理與對(duì)照沒有明顯差異。

各處理冬小麥籽粒鉀吸收量占植株磷吸收量的比例分別為9.72%、12.04%、13.00%、12.57%、8.41%和7.59%。該比例隨土壤容重增加同樣呈先增加后降低趨勢(shì)。適宜的土壤容重有利于冬小麥籽粒鉀的吸收，提高籽粒鉀的吸收比例。土壤容重1.2～1.4 g/cm3時(shí)冬小麥籽粒鉀吸收量占植株鉀吸收量的比例平均為12.53%?？梢?，冬小麥籽粒不是鉀吸收的主要部位，而秸稈是鉀吸收的重要部位。

3 討論

土壤容重是衡量土壤結(jié)構(gòu)和評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要參數(shù)。適宜的土壤容重可以使冬小麥營養(yǎng)元素含量在生育后期仍然維持在較高水平，有利于延緩植株衰老，促進(jìn)后期光合作用，增加干物質(zhì)積累，從而提高產(chǎn)量。山東省長期采用以小型農(nóng)機(jī)具為主的連年旋耕方式，導(dǎo)致耕層變淺、土壤結(jié)構(gòu)緊實(shí)、容重大，限制了小麥根系生長及對(duì)營養(yǎng)元素的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，影響了小麥產(chǎn)量的提高[1，2，6]。本試驗(yàn)以山東省主要農(nóng)業(yè)土壤——褐土的自然原狀土為著眼點(diǎn)，分析對(duì)比不同土層容重變化對(duì)小麥生長及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，隨著土壤容重的增加，小麥株高、植株干物質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量和籽粒養(yǎng)分吸收量均呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，即土壤容重1.4 g/cm3時(shí)達(dá)到最高值，增至1.5 g/cm3時(shí)生長發(fā)育受到明顯抑制，達(dá)到1.6 g/cm3時(shí)分別較對(duì)照降低11.55%、13.61%、37.86%和39.46%。這與前人結(jié)論一致。

目前關(guān)于小麥適宜的土壤容重的研究結(jié)果不盡相同，有些學(xué)者認(rèn)為一般作物根系生長適宜的土壤容重范圍在1.1～1.3 g/cm3之間[12-15]。而從本試驗(yàn)結(jié)果看，供試土壤褐土的容重拐點(diǎn)為1.4 g/cm3，容重過低或過高均會(huì)對(duì)小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量形成產(chǎn)生影響，這與前人的研究結(jié)果不一致。1.2～1.3 g/cm3低容重處理的效果低于1.4 g/cm3處理，可能是由兩方面原因所致：其一，冬小麥播種后，由于前期氣溫偏高，1.2、1.3 g/cm3低容重條件下的冬小麥長勢(shì)偏旺、分蘗多、群體大，越冬時(shí)突遇低溫、凍害嚴(yán)重，次年冬小麥返青后生長明顯滯后，導(dǎo)致最終干物質(zhì)量降低;其二，土壤容重偏低，土粒與根系無法密切接觸，降低土壤水分和養(yǎng)分向根系的傳導(dǎo)，從而影響根系的生長發(fā)育和生理功能。本試驗(yàn)選取的褐土自然原狀土對(duì)照（CK）在0～20 cm土層的土壤容重為1.33 g/cm3，20～40 cm土層的土壤容重高達(dá)1.51 g/cm3。與CK相比，容重1.2、1.3、1.4 g/cm3處理分別增產(chǎn)12.85%、21.49%、31.01%，表明降低土壤緊實(shí)度可為作物根系創(chuàng)造疏松深厚的土壤環(huán)境[16-20]，提高產(chǎn)量。

本研究將整個(gè)土層設(shè)置為相同的容重，沒有體現(xiàn)出不同土層容重變化對(duì)小麥生長的影響，這與實(shí)際的大田狀況有一定差異。為此，需要在后續(xù)研究中采用桶栽方法模擬大田不同土層容重實(shí)際存在狀況，著重探討下層（20～60 cm）土壤容重對(duì)冬小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響，為合理調(diào)節(jié)土壤環(huán)境、實(shí)現(xiàn)冬小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

土壤容重對(duì)冬小麥生長發(fā)育、產(chǎn)量形成和養(yǎng)分吸收具有重要影響。土壤容重1.4 g/cm3時(shí)，冬小麥株高、植株干物質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量和籽粒養(yǎng)分吸收量達(dá)到最高，增至1.5 g/cm3時(shí)生長發(fā)育受到明顯抑制，且容重越大降幅越顯著。

山東小麥生產(chǎn)上長期沿用的表層旋耕為主的耕作方式使耕層變淺、土壤結(jié)構(gòu)緊實(shí)，已嚴(yán)重制約了冬小麥產(chǎn)量的提高，必須通過深耕或深松等耕作技術(shù)打破犁底層，將20～40 cm深層土壤容重調(diào)控至1.3～1.4 g/cm3，從而促進(jìn)冬小麥生長和后期干物質(zhì)積累，為高產(chǎn)奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。

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