豫南砂姜黑土水澆地不同產田土壤理化性狀及其與作物產量的相關性

李成玉，程思賢，馬海彬，劉衛(wèi)玲，張學林，劉天學，李潮海，趙亞麗

（1.河南農業(yè)大學農學院，河南 鄭州 450046；2.中國農業(yè)科學院棉花研究所，河南 安陽 455000；3.杞縣農業(yè)農村局，河南 杞縣 475000）

砂姜黑土是指河湖沉積低平原，經脫潛和長期旱耕形成的土壤，其剖面自上而下有耕作層、亞耕層、殘留黑土層、氧化還原過渡層及砂姜土層。由于其成因和長期耕作的影響，又有“僵土”之稱，其特點表現(xiàn)為土質干硬堅實、濕黏閉、結構差、有機質含量低等，嚴重限制了作物產量的提升[1?2]。砂姜黑土是河南省主要的中低產土壤類型之一，面積約132.9 萬hm2，其中，可以利用灌溉設施進行灌溉的砂姜黑土水澆地占80%以上，且多集中在豫南地區(qū)[3]。由于近些年農田機械化的普及和不合理的灌溉與耕作措施，導致農田普遍存在耕層變淺、犁底層增厚、土壤養(yǎng)分含量降低等耕層問題[4]，砂姜黑土地區(qū)耕層問題尤為突出[5]。因此，在農業(yè)生產過程中對農田耕層進行適宜的耕作是非常重要的[6]，而明確豫南砂姜黑土區(qū)影響作物產量的關鍵限制因子，對選擇適宜的耕作措施，提升該地區(qū)作物產量尤為重要。近年來，學者對甘肅省引黃灌溉區(qū)[7]、關中地區(qū)[8]、東北黑土地區(qū)[9]、紅壤坡地[10]、棕壤土地區(qū)[11]、新疆維吾爾自治區(qū)連作棉地[12]、河南省砂姜黑土區(qū)[13]、河南省潮土區(qū)[14]等不同區(qū)域不同類型土壤結構和理化性狀進行了分析，但已有研究主要集中在對土壤現(xiàn)狀的調查，缺乏基于作物產量水平對砂姜黑土水澆地土壤理化性狀的綜合分析。為此，通過調查砂姜黑土高、中、低產田的土壤現(xiàn)狀，明確豫南砂姜黑土水澆地影響作物產量的關鍵土壤限制因子，為砂姜黑土水澆地合理耕層構建技術的建立奠定基礎。

1 材料和方法

1.1 土壤樣品選取與采集

選擇河南省砂姜黑土水澆地分布面積較大的駐馬店市、南陽市和漯河市，每個市分別選擇20個冬小麥-夏玉米田塊作為調查點，共60 個調查點。2016 年夏玉米收獲后，對土壤剖面結構進行調查，并采用S 形布點，采集0～10、10～20、20～30、30～40 cm 土層土壤，測定土壤理化性狀。調查2015—2016 年冬小麥-夏玉米周年產量，并根據(jù)周年產量劃分低、中、高產田，劃分標準為低產田≤13 000 kg/hm2、13 000 kg/hm2<中產田≤16 200 kg/hm2、高產田>16 200 kg/hm2。根據(jù)劃分標準，低、中、高產田調查點分別占總調查點數(shù)的31.66%、51.67%、16.67%。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 耕層深度和犁底層厚度 每個調查點用鐵鍬挖出一個刨面，用卷尺準確測量耕層深度和犁底層厚度，3次重復，求平均值。

1.2.2 土壤容重 用環(huán)刀對每個調查點剖面土壤進行分層取樣，測定土壤容重[15]。

1.2.3 土壤養(yǎng)分含量 土壤堿解氮含量采用堿解-擴散法測定[16]，速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬藍比色法測定[16]，速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定[16]，有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定[17]。

1.2.4 作物產量 冬小麥收獲期，每個調查點隨機選取3 個點，選有代表性的2 m×2 m 區(qū)域收獲小麥穗，計產。夏玉米收獲期，每個調查點隨機選取3個點，選有代表性的20 m雙行收獲夏玉米穗，計產。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016 對試驗數(shù)據(jù)進行分析作圖，采用SPSS 26軟件對數(shù)據(jù)進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 豫南砂姜黑土水澆地不同產田土壤理化性狀分析

2.1.1 耕層深度與犁底層厚度 豫南砂姜黑土水澆地的耕層深度為7.25～20.00 cm，平均值為13.67 cm。其中，低、中、高產田土壤耕層深度分別為7.25～17.50、9.50～19.25、13.00～20.00 cm（表1）。耕層深度最大值為20.00 cm，出現(xiàn)在高產田；耕層深度最小值僅為7.25 cm，出現(xiàn)在低產田。高產田平均耕層深度最大，為16.53 cm；低產田平均耕層深度最小，為11.84 cm；產量最高時，土壤耕層深度為18.00 cm。豫南砂姜黑土水澆地的犁底層厚度為4.75～19.50 cm，平均值為10.98 cm。其中，低產田犁底層厚度為7.00～19.50 cm，平均值為12.73 cm，最大；中產田犁底層厚度為5.50～17.75 cm，平均值為10.56 cm，居中；高產田犁底層厚度為4.75～13.90 cm，平均值為8.94 cm，最小。犁底層厚度最大值為19.50 cm，出現(xiàn)在低產田；犁底層厚度最小值為4.75 cm，出現(xiàn)在高產田。

表1 豫南砂姜黑土水澆地不同產田土壤耕層深度與犁底層厚度Tab.1 Topsoil depth and plow sole thickness of different yield fields with irrigated lime concretion black soil in South Henancm

2.1.2 容重 由表2可知，豫南砂姜黑土水澆地中、低產田與高產田的土壤容重差距較大。在0～40 cm土層，所有產田土壤容重為1.16～1.58 g/cm3，平均值為1.45 g/cm3。其中，低產田平均土壤容重為1.47 g/cm3，高產田平均土壤容重為1.41 g/cm3。0～20 cm土層，所有產田土壤容重為1.12～1.53 g/cm3，平均土壤容重為1.38 g/cm3。其中，低產田平均土壤容重為1.41 g/cm3，高產田平均土壤容重為1.33 g/cm3。低產田、中產田及高產田的平均土壤容重總體上均隨著土層深度的增加而增加，但高產田土壤容重隨土層加深增加較緩慢，而中低產田土壤容重隨土層加深增加較快。3 種產田在0～40 cm 和0～20 cm 土層的土壤容重均表現(xiàn)為低產田>中產田>高產田。

表2 豫南砂姜黑土水澆地不同產田土壤容重Tab.2 Soil bulk density of different yield fields with irrigated lime concretion black soil in South Henan g/cm3

2.1.3 養(yǎng)分含量 豫南砂姜黑土水澆地土壤養(yǎng)分含量隨土層加深而降低，在0～40 cm 土層所有產田土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為14.33～23.67 g/kg、58.80～98.02 mg/kg、7.00～26.28 mg/kg 和79.59～171.94 mg/kg，平均值分別為19.81 g/kg、76.09 mg/kg、15.70 mg/kg 和124.47 mg/kg。其中，低產田平均土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為19.24 g/kg、77.93 mg/kg、14.33 mg/kg和116.51 mg/kg，中產田平均土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為19.63 g/kg、74.01 mg/kg、15.88 mg/kg 和126.05 mg/kg，高產田平均土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為21.47 g/kg、79.03 mg/kg、17.74 mg/kg 和134.71 mg/kg（表3）。不同產田土壤養(yǎng)分含量總體表現(xiàn)為高產田>中產田>低產田，其中不同產田土壤有機質、速效磷和速效鉀含量均表現(xiàn)為高產田>中產田>低產田，堿解氮含量表現(xiàn)為高產田>低產田>中產田。

表3 豫南砂姜黑土水澆地不同產田土壤養(yǎng)分含量Tab.3 Soil nutrient content of different yield fields with irrigated lime concretion black soil in Southern Henan

2.2 豫南砂姜黑土水澆地土壤理化性狀與作物產量的相關性分析

作物周年產量與土壤容重、犁底層厚度呈極顯著負相關，與速效磷、速效鉀含量呈顯著正相關，與耕層深度和有機質含量呈極顯著正相關（表4）。豫南砂姜黑土水澆地土壤理化性狀與產量的相關性表現(xiàn)為耕層深度>犁底層厚度>有機質含量>土壤容重>速效鉀含量>速效磷含量>堿解氮含量。土壤容重與土壤養(yǎng)分含量呈顯著或極顯著負相關，表明土壤容重越大，土壤養(yǎng)分含量越低，降低土壤容重可提高土壤養(yǎng)分含量。

表4 豫南砂姜黑土水澆地作物產量與土壤理化性狀的相關性Tab.4 Correlation between crop yield and physicochemical properties of irrigated lime concretion black soil in South Henan

3 結論與討論

3.1 豫南砂姜黑土水澆地制約作物產量的耕層土壤因子

在目前農田耕作方式和耕層結構條件下，河南省農田普遍存在犁底層，主要分布在15～30 cm[18]。本研究結果表明，豫南砂姜黑土水澆地整體耕層深度分布在7.25～20.00 cm，犁底層厚度整體分布在4.75～19.50 cm；低產田耕層深度為7.25～17.50 cm，平均值為11.84 cm，相對較低，犁底層厚度為7.00～19.50 cm，平均值為12.73 cm，相對較高；高產田耕層深度為13.00～20.00 cm，平均值為16.53 cm，相對較高，犁底層厚度為4.75～13.90 cm，平均值為8.94 cm，相對較低，表明產量高的農田有耕層深度高、犁底層厚度低的特點。研究表明，耕層深度增加到25 cm、犁底層適度打破而保留5 cm 更有利于作物產量的提高[19]，而豫南砂姜黑土水澆地的所有產田平均耕層深度為13.67 cm，還遠遠未達到25 cm的理論深度。犁底層過厚會有礙水分入滲，阻礙作物根系生長，導致作物減產[20]，而豫南砂姜黑土水澆地的所有產田平均犁底層厚度為10.98 cm，高于理論應保留的5 cm 犁底層厚度。土壤容重是反映土壤緊實度最直接的物理指標，土壤容重越大，土壤緊實度越大[21]。研究發(fā)現(xiàn)，作物根系生長適宜的土壤（0～20 cm）容重為1.20～1.30 g/cm3，當土壤容重大于1.60 g/cm3時，作物根系生長嚴重受阻[22]。本研究結果表明，豫南砂姜黑土水澆地0～20 cm 土層平均土壤容重為1.38 g/cm3，0～40 cm 土層平均土壤容重為1.45 g/cm3，均高于作物根系生長適宜的土壤容重范圍，一定程度上阻礙了作物的根系生長。此外，受小型耕作機械長期淺耕影響，與20 世紀90 年代初相比，砂姜黑土農田土壤物理性狀不斷劣化。豫南砂姜黑土水澆地土壤質量及主要障礙因子分析結果表明，耕層淺薄、犁底層增厚和土壤容重高等已成為制約該區(qū)糧食增產的主要障礙因素。

決定作物產量的重要因素是土壤養(yǎng)分含量。李鵬等[23]2012 年調查顯示，河南省0～20 cm 平均土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為14.68 g/kg、100.62 mg/kg、32.15 mg/kg 和139.95 mg/kg。本研究結果表明，豫南砂姜黑土水澆地0～20 cm 土層平均有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為25.81 g/kg、99.25 mg/kg、25.02 mg/kg和148.19 mg/kg，與較李鵬等[23]研究結果相比，豫南砂姜黑土水澆地土壤有機質含量和速效鉀含量較高，堿解氮含量基本持平，速效磷含量較低。根據(jù)1998 年出版的《中國土壤》[24]對低、中、高、很高產田的土壤養(yǎng)分劃分標準，低、中、高、很高產田土壤有機質含量分別為[0，10.0]、（10.0，20.0]、（20.0，30.0]、（30.0，+∞）g/kg，低、中、高、很高產田土壤堿解氮含量分別為[0，60.0]、（60.0，90.0]、（90.0，120.0]、（120.0，+∞）mg/kg，低、中、高、很高產田土壤速效磷含量分別為[0，5.0]、（5.0，10.0]、（10.0，20.0]、（20.0，+∞）mg/kg，低、中、高、很高產田土壤速效鉀含量分別為[0，50.0]、（50.0，100.0]、（100.0，150.0]、（150.0，+∞）mg/kg，豫南砂姜黑土水澆地的土壤肥力已達到高或很高產田養(yǎng)分標準，肥力低已不再是限制作物產量的主要土壤因素。

通過相關性分析發(fā)現(xiàn)，作物周年產量與耕層深度及土壤有機質、速效磷、速效鉀含量呈顯著或極顯著正相關，與土壤容重、犁底層厚度呈極顯著負相關。因此，豫南砂姜黑土水澆地限制作物產量的關鍵土壤因子為耕層深度、犁底層厚度、土壤有機質含量和土壤容重。

3.2 豫南砂姜黑土水澆地耕層物理調控改良措施

針對豫南砂姜黑土水澆地耕層淺薄、犁底層厚、土壤容重高等問題，可以通過土壤物理調控進行改良。研究發(fā)現(xiàn)，機械深松（耕）可以打破犁底層，加深耕層，改良土壤結構，降低土壤容重，優(yōu)化土壤環(huán)境，進而增加作物的抗逆能力，提高作物產量[25?27]。與傳統(tǒng)旋耕相比，深松（耕）可使耕層厚度增加58.9%[28]，土壤容重降低3.4%～7.2%[29]，土壤孔隙度增加23.4%[30]，同時改善土壤水分狀況，提高水分利用效率，增產幅度為6%～29%[31?33]。但由于砂姜黑土質地特點，宜采取深松與深耕相結合的耕作方式。研究發(fā)現(xiàn)，砂姜黑土區(qū)可以采取深翻和深松相結合的方式對土壤環(huán)境進行改良，以促進作物根系生長，提高作物產量[34]。謝迎新等[35]同樣認為，黃淮海砂姜黑土區(qū)相對適宜的周年耕作模式為秸稈全量還田+深松-旋耕和深松-免耕，這種輪耕模式不僅有利于維持優(yōu)良土壤結構的穩(wěn)定性，而且可以顯著增加作物周年產量。因此，針對耕層物理調控改良，可以有針對性地采取上述措施，對豫南砂姜黑土水澆地耕層進行改善。

3.3 豫南砂姜黑土水澆地耕層養(yǎng)分改良措施

豫南砂姜黑土水澆地土壤有機質含量雖然與李鵬等[23]調查時相比有所提高，但仍需要通過秸稈還田方式進行保持。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可持續(xù)提高土壤養(yǎng)分含量和供肥能力，連續(xù)秸稈還田后0～20 cm 土層土壤有機質含量可增加6%～14%[36?37]。秸稈還田在短時間內可使土壤有機質含量迅速升高，但經過1個生長周期后，土壤有機質含量再次下降[38]。田雪等[39]通過對秸稈還田深度進行研究發(fā)現(xiàn)，秸稈淺還田主要改變0～20 cm 土壤容重、土壤孔隙度，秸稈深還田主要改變較深層（20～40 cm）土壤容重、土壤孔隙度和土壤含水量，而秸稈深還田可以同時增加0～40 cm 土壤有機質含量。此外，秸稈不同還田量還可以使土壤氮、磷、鉀含量分別提高21.4%～25.6%、17.9%～20.5%、25.9%～29.8%，實現(xiàn)培養(yǎng)地力、提高土壤養(yǎng)分含量的目的[40]。因此，秸稈還田可以提高砂姜黑土水澆地土壤養(yǎng)分含量，改善耕層質量。