淮北平原砂姜黑土玉米產(chǎn)量與土壤性質(zhì)的區(qū)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(xué)院南京土壤研究所，南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)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(qū)，總面積達(dá)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?；幢逼皆貏萜教埂⑺疅豳Y源豐富，是我國重要的糧食生產(chǎn)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(jié)構(gòu)性差，難耕難耙，適耕期短，以致砂姜黑土生產(chǎn)潛能難以充分發(fā)揮出來[1-2]。因此，發(fā)揮地域自然資源優(yōu)勢，有效改良砂姜黑土，充分挖掘砂姜黑土生產(chǎn)潛力，對維護我國的糧食安全具有非常重要的理論與現(xiàn)實意義。

砂姜黑土有效水容量小、供水能力差[2]，且有機質(zhì)含量低，養(yǎng)分缺乏，水穩(wěn)性團聚體含量也較低，嚴(yán)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(dǎo)致土壤壓實，造成土壤板結(jié)和結(jié)構(gòu)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(fù)相關(guān)關(guān)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(dāng)?shù)匦⌒娃r(nóng)機具的廣泛使用加之連年淺旋耕作業(yè)，致使該區(qū)域的犁底層加速上移、耕層變薄、結(jié)構(gòu)緊實和作物根系分布變淺的現(xiàn)象日益突出，嚴(yán)重制約了農(nóng)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(xù)3 a耕層增減模擬試驗，研究發(fā)現(xiàn)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(yǎng)分含量和作物養(yǎng)分吸收能力，甚至?xí)?dǎo)致作物平均產(chǎn)量下降5.61%。如何構(gòu)建肥沃的耕層結(jié)構(gòu)以適宜農(nóng)作物的生長是砂姜黑土改良的重要任務(wù)。因此，迫切需要對淮北平原玉米產(chǎn)量及耕層土壤性質(zhì)進(jìn)行全面的調(diào)查分析，篩選出影響淮北平原砂姜黑土作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因子，以期為淮北平原砂姜黑土區(qū)合理耕層構(gòu)建和糧食豐產(chǎn)增效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取淮北平原懷遠(yuǎn)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(diào)研對象，對砂姜黑土區(qū)48個樣點的0 ~ 20 cm 耕層土壤性質(zhì)和作物產(chǎn)量進(jìn)行調(diào)查(圖1)。懷遠(yuǎn)縣、蒙城縣和渦陽縣屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)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(fā)育的砂姜黑土。該區(qū)除懷遠(yuǎn)縣東南部為小麥-水稻輪作外，其他地區(qū)主要為小麥-玉米輪作制。

1.2 測定指標(biāo)及方法

2015—2017年玉米季收獲時進(jìn)行調(diào)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(shù)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(shù)據(jù)變異較大，最后將所測幾個點求平均值。

土壤基本性質(zhì)[11]：土壤容重采用環(huán)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(chǎn)量調(diào)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(shù)和穗數(shù)，并計算畝穗數(shù)。在選定的區(qū)域內(nèi)隨機收獲20穗作為樣本帶回實驗室，自然風(fēng)干后，人工脫粒稱重，并計算產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

玉米產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)采用 Microsoft Excel 2010和 Origin 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與作圖，相關(guān)性分析則在 SPSS 22.0統(tǒng)計軟件中完成。為反映玉米產(chǎn)量與土壤理化性質(zhì)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(quán)重法對玉米產(chǎn)量和0 ~ 20 cm 垂直分布的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行插值分析，得到淮北平原渦陽、蒙城和懷遠(yuǎn)3個縣的玉米產(chǎn)量與土壤理化性質(zhì)空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米產(chǎn)量

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

2.2 玉米產(chǎn)量與土壤理化性質(zhì)的空間分布

從圖3A中發(fā)現(xiàn)，玉米產(chǎn)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(yuǎn)縣北部，這些地區(qū)的玉米產(chǎn)量多在8.7 t/hm2以上，低值主要分布在蒙城縣北部，玉米產(chǎn)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(dá)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(yuǎn)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(yuǎn)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(xiàn)出由中心(蒙城)向兩側(cè)(渦陽、懷遠(yuǎn))逐漸減少的趨勢，其中渦陽縣的全磷含量要大于懷遠(yuǎn)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(xiàn)為渦陽高于懷遠(yuǎn)，懷遠(yuǎn)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(yuǎn)縣時，堿解氮含量上升明顯，平均值達(dá)到134 mg/kg(圖3G)。土壤有效磷在渦陽縣含量最高，達(dá)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(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)進(jìn)行綜合分析，可以看出：玉米產(chǎn)量分布較高的區(qū)域，土壤容重普遍較??；此外，渦陽縣東部玉米產(chǎn)量較高，同時該區(qū)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(chǎn)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(qū)土壤容重較高。

2.3 玉米產(chǎn)量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)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(jié)果如圖4所示，不同玉米產(chǎn)量等級的土壤穿透阻力均隨深度的增加而增大。高產(chǎn)田0 ~ 20 cm 土層穿透阻力介于447 ~ 923 kPa，平均值為633 kPa；中產(chǎn)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(chǎn)田增加了25%；低產(chǎn)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(chǎn)田增加了52%。

由表1可知，不同玉米產(chǎn)量等級土壤容重和有機碳差異明顯(P<0.05)，其他性質(zhì)之間差異不明顯。低產(chǎn)田(產(chǎn)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(chǎn)田(產(chǎn)量為6.6 ~ 9.9 t/hm2和>9.9 t/hm2)的土壤容重較低產(chǎn)田分別減少了5.9% 和9.2%。低產(chǎn)田的土壤有機碳含量平均值為11.1 g/kg，中、高產(chǎn)田有機碳含量較低產(chǎn)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(chǎn)量具有顯著影響。

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

將土壤理化性質(zhì)指標(biāo)與玉米產(chǎn)量進(jìn)行了相關(guān)性分析(表2)。結(jié)果表明，玉米產(chǎn)量與耕層土壤穿透阻力呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r= -0.348，P<0.05)，與耕層土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(r= -0.484，P<0.01)，與耕層土壤有機碳呈極顯著正相關(guān)關(guān)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(biāo)與玉米產(chǎn)量的相關(guān)性均沒有達(dá)到顯著水平。因此，在所測定的土壤理化性質(zhì)指標(biāo)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(chǎn)量的3個關(guān)鍵因子。

表2 玉米產(chǎn)量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)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(dǎo)致土壤緊實度大，影響根系對土壤水分、養(yǎng)分的吸收能力，不利于作物生長甚至?xí)斐勺魑餃p產(chǎn)[12]。一般認(rèn)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(dāng)土壤穿透阻力超過2 MPa 時，會嚴(yán)重限制作物根系生長[13]。從3個縣的土壤穿透阻力調(diào)查結(jié)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(shù)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(jié)果[4]一致。造成砂姜黑土區(qū)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(dǎo)致土壤強度大；另一方面是由于該區(qū)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(yè)導(dǎo)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(fā)現(xiàn)，在砂姜黑土小麥區(qū)，多年旋耕會導(dǎo)致農(nóng)田耕層變薄，犁底層變厚、變硬，使得作物產(chǎn)量難以提高。然而，韓上等[10]發(fā)現(xiàn)，耕層增加5 cm 雖然能夠改善土壤養(yǎng)分狀況，如提高土壤有機質(zhì)含量，但由于砂姜黑土仍然存在結(jié)構(gòu)障礙，致使作物難以增產(chǎn)。有研究表明，當(dāng)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(dāng)土壤容重大于1.6 g/cm3時，這種影響進(jìn)一步加劇[15]。通過分析玉米產(chǎn)量與土壤容重的空間分布可以看出，玉米產(chǎn)量高的區(qū)域，土壤容重較小；而玉米產(chǎn)量較低的區(qū)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(chǎn)量。關(guān)劼兮等[16]的研究結(jié)果也表明，土壤緊實度和容重的降低會促進(jìn)作物根系生長，提高作物產(chǎn)量。在對3個縣的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量<6.6 t/hm2的田塊土壤容重平均值為1.53 g/cm3，其值遠(yuǎn)高于1.4 g/cm3，這將極大地增加土壤的機械阻力，致使產(chǎn)量下降。李汝莘等[17]發(fā)現(xiàn)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(fā)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(jié)構(gòu)的主要障礙因子。很多研究表明，耕層內(nèi)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(jìn)作物根系生長，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[9,18]?？紤]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(zhì)的改善、作物產(chǎn)量提升的效果來看，砂姜黑土區(qū)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(cè)位深松[20]的方式。

土壤有機質(zhì)是團粒結(jié)構(gòu)形成的主要膠結(jié)物質(zhì)，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(fā)現(xiàn)，小麥秸稈長期還田能有效提升土壤有機質(zhì)、養(yǎng)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(jié)果也表明，有機肥的施用能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤質(zhì)量[25]。從調(diào)查結(jié)果來看，中低產(chǎn)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(chǎn)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(fù)相關(guān)(P<0.01)。這充分說明，增加土壤有機碳是改善砂姜黑土結(jié)構(gòu)的主要措施，這與前人研究結(jié)果一致[25]。目前，在農(nóng)事活動中當(dāng)?shù)剞r(nóng)民偏向施用化學(xué)肥料，農(nóng)家肥、綠肥和商品有機肥的投入也嚴(yán)重不足。從3個縣的施肥用量情況來看，基肥主要以復(fù)合肥為主且施用量在0.6 ~ 1.2 t/(hm2·a)不等，秸稈還田率達(dá)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(jīng)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(jìn)作物產(chǎn)量的提高，但大量的秸稈進(jìn)入土壤后也會引起碳氮比失調(diào)，從而導(dǎo)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(yǎng)分釋放，從而提高秸稈資源的利用效率和土地生產(chǎn)力[22,27]。田間試驗的結(jié)果表明，在淮北平原砂姜黑土地區(qū)要實現(xiàn)作物高產(chǎn)，玉米秸稈適宜的還田量為3 t/hm2[28]，但如果要實現(xiàn)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(jié)果表明，相對于秸稈還田而言，施用綠色有機肥是實現(xiàn)土壤有機質(zhì)提高的主要途徑，也是實現(xiàn)作物持續(xù)高產(chǎn)的有效措施[29-30]。

4 結(jié)論

淮北平原砂姜黑土中低產(chǎn)田仍然占絕大多數(shù)。通過對影響淮北平原砂姜黑土玉米產(chǎn)量的因子進(jìn)行分析，篩選出土壤容重、穿透阻力和土壤有機碳3個關(guān)鍵因子。其中，玉米產(chǎn)量與耕層土壤穿透阻力、土壤容重呈負(fù)相關(guān)，而與土壤有機碳含量呈正相關(guān)。由此可知，實現(xiàn)砂姜黑土糧食豐產(chǎn)增效不僅需要改善土壤物理結(jié)構(gòu)，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(nèi)，而且還需要提升土壤有機質(zhì)。因此，合理的耕作方式和有機培肥對于構(gòu)建砂姜黑土肥沃耕層是有效的措施。