长期玉米连作下不同产量水平0—100 cm土层黑土与淡黑钙土理化性状差异

袁静超，刘剑钊，程 松，张水梅，张洪喜，刘松涛，任 军，梁 尧，蔡红光

（吉林省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部东北植物营养与农业环境重点实验室，吉林长春 130033）

吉林省玉米种植区主要分布于中部和西部，其玉米播种面积和产量贡献占全省玉米总产量的88%以上[1]，对保障区域农业的可持续发展和国家粮食安全具有重要作用。东北黑土区未来实现增产潜力的主要途径之一是提高土壤肥力、改善土壤质量[2-3]。然而，本区域种植模式主要采用玉米连作，随着种植年限的增加，以土壤有机质下降、耕层结构劣化、养分供应失衡及土壤酸化等为主要特征的土壤质量和功能退化日益凸显[4-6]，极大地限制了玉米产量潜力的进一步提高。耕层土壤理化性状是影响作物生长发育的重要因素[7-8]，前人对土壤肥力的研究多侧重于耕层[9-11]。然而，深层土壤理化性质的变化对作物产量的影响也是不容忽视的。任军等[12]提出玉米高产土壤与一般土壤肥力在体型、体质方面均有一定的差别，尤其表现在20—60 cm土层；梁斌等[13]针对北京山区大田0—60 cm土壤养分空间变化进行了分析，发现随土层深度增加，土壤养分含量逐渐降低；李卫东等[14]研究表明，耕地表层受施肥、灌溉、耕作等影响较大，40 cm以上土层的土壤有机碳含量显著高于下层土壤。目前，关于深层土壤肥力的探讨多集中于对土壤养分、物理结构等空间变化的描述，而关于不同产量水平深层土壤理化性状差异及其与作物产量间关系的研究仍鲜有报道。本研究以吉林省中部黑土区和西部淡黑钙土区不同产量水平下0—100 cm土壤为研究对象，解析玉米不同产量水平深层土壤理化性状的差异，明确影响产量的关键土层及其核心指标，以期为黑土地保护与利用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验设计

黑土样点分布在吉林省中部的公主岭、榆树、农安市，玉米高、中、低3个产量水平依次为＞12000 kg/hm2、9000～9750 kg/hm2、＜7500 kg/hm2。淡黑钙土样点分布在西部的乾安、长岭、前郭市，高、中、低 3个玉米籽粒产量水平依次为＞10500 kg/hm2、7500～8250 kg/hm2、＜6000 kg/hm2。共选取36块玉米连作期超过15年的代表性地块，黑土区和淡黑钙土区各18个 (图1)。每个采样点当年玉米生长季降水量见图2。

图 1 取样区域在吉林省的分布Fig.1 Distribution of sampling area in Jilin Province

图 2 采样区玉米生育期降水量分布Fig.2 Precipitation in the experiment field during maize growth season in 2011

1.2 样品采集与测定方法

样品采集于2011年秋季玉米收获后进行，每个采样区域随机选取3点，将0—100 cm土体划分为0—10、10—20、20—30、30—50、50—70和70—100 cm进行样品采集。在采集土样的同时，用容积为100 cm3的环刀分层采集原状土样品，用于土壤容重与三相比的测定。土壤容重、含水量、有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾含量和pH等指标的测定参照常规方法[15]，土壤固、液、气三相比例采用土壤三相测量仪 (DIK-1130，日本) 测定。土壤铵态氮和硝态氮含量采用0.01 mol/L CaCl2浸提—连续流动分析仪 (TRACCS2000，美国)测定。

1.3 相关指标计算方法

1.3.1 广义土壤结构指数 (generalized soil structure index，GSSI)[16]通常情况下，旱作土壤理想三相比为2∶1∶1，将土壤结构最优时的函数可取最大值设为100，广义土壤结构指数为：

GSSI=[(XS−25)XLXG]0.4769

式中：GSSI为广义土壤结构指数，XS、XL和XG分别为固相、液相和气相体积所占百分比 (%)。

1.3.2 土壤养分储量 采用等深度法计算土壤养分储量。

Mi=ρb,i×Ti×Ci×0.001×100

式中：Mi为第i土层的土壤养分储量 (t/hm2)；Ti为第i层土壤厚度 (m)；ρb,i为第i层土壤容重 (g/cm3)；Ci为第i层土壤养分含量 (g/kg)；0.001与100均为单位转换系数。

1.4 数据统计与分析

所有数据用 Microsoft Excel 2010 软件处理后，用SAS 8.0统计软件进行方差分析和多重比较，采用 Origin 9.0 作图。

2 结果与分析

2.1 土壤结构特征

2.1.1 土壤三相比与广义结构指数 (GSSI) 旱作土壤理想的三相比是固相50%，液相和气相各占25%[16]。由图3可以看出，黑土0—10 cm土层土壤三相比最接近理想值，而10—20和20—30 cm土层三相比远离理想值，30—70 cm各土层的三相比又优于10—30 cm各土层。淡黑钙土30—50 cm土层的三相比优于10—30 cm各土层。从不同玉米产量水平来看，黑土高产田0—100 cm各土层土壤三相分布均接近理想值；中产田0—100 cm各土层的土壤三相比分布与理想值距离较远，高于高产田，但明显低于低产田。黑土低产田及淡黑钙土高、中、低产量水平的各土层土壤三相比均相对偏离理想值。

图 3 不同玉米产量水平0—100 cm土层土壤三相比的二维三系图Fig.3 Two-dimensional three-system diagram of soil three phases in 0–100 cm soil depth at different yield levels of maize

中部黑土各产量水平土壤GSSI值随着土层加深呈先降低后升高的变化趋势 (图4a)，高产田与中产田0—100 cm各土层土壤GSSI值间差异不显著，对低产田而言，10—20、20—30和70—100 cm土层土壤GSSI值显著低于0—10和30—50 cm土层；从同一土层来看，高产田与中产田0—100 cm各土层GSSI间无显著差异，但均高于低产田，且二者50—70和70—100 cm土层土壤GSSI值与低产田相应土层的GSSI值间差异显著。西部淡黑钙土高产田与中产田0—100 cm各土层土壤GSSI值间差异不显著，低产田70—100 cm土层土壤GSSI值显著低于其他土层；高产田与中产田0—100 cm各土层GSSI值间无显著差异，但二者均显著高于低产田(图 4b)。

图 4 不同玉米产量水平0—100 cm土层广义土壤结构指数Fig.4 Generalized soil structure index (GSSI) in 0–100 cm soil depth at different yield levels of maize

2.1.2 土壤容重和含水量 在吉林省中部黑土区和西部淡黑钙土区，土壤容重均随着土层加深呈先增加后降低的趋势 (表1)。高产和中产田黑土土壤容重最大值出现在10—20和20—30 cm，低产田出现在70—100 cm土层。淡黑钙土各产量水平10—100 cm各土层土壤容重间无显著差异。从同一土层的土壤容重来看，黑土各产量水平0—10 cm土层土壤容重间无显著差异，高产田10—100 cm各土层土壤容重低于甚至显著低于低产田，而与中产田多数土层无显著差异。各产量水平下淡黑钙土0—100 cm各土层土壤容重间均未表现出显著差异。

中部黑土和西部淡黑钙土高产田和中产田土壤含水量随着土层加深未表现出明显的变化趋势 (表1)，而低产田土壤含水量表现出明显的层次性变化，黑土以20—30和30—50 cm土层土壤含水量最高，以0—10和70—100 cm土层土壤含水量最低；淡黑钙土以 10—30、30—50 cm 土层最高，70—100 cm 土层最低。黑土区不同产量水平同一土层土壤含水量的变化整体表现为高产田 ≥ 中产田＞低产田，且部分土层高产田与低产田土壤含水量间差异显著。在西部淡黑钙土区，除10—20、20—30和70—100 cm土层外，其他土层土壤含水量的高低均表现为高产田＞中产田＞低产田，且高产田与低产田土壤含水量间差异显著，高产田和中产田各土层土壤含水量间无显著差异。

表 1 不同玉米产量水平0—100 cm土层土壤容重和含水量Table 1 Soil bulk density and water content in 0–100 cm soil depth at different yield levels of maize

2.2 土壤养分的空间分布

2.2.1 土壤有机质和全量养分含量 表2表明，吉林省中部黑土区0—100 cm土层的土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量较西部淡黑钙土区分别高13.5%、11.1%、33.3%和15.7%。黑土区土壤全钾含量在0—70 cm土层内没有显著变化。高产黑土0—30 cm土层全氮和全磷含量高于30 cm以下层次，中产和低产黑土0—20 cm土层全氮含量高于或显著高于20 cm以下层次，全磷含量在0—10 cm土层显著高于10 cm以下层次，高产土壤在0—30 cm土层的氮、磷养分含量多高于中、低产田。西部淡黑钙土高产土壤0—30 cm土层的全氮含量高于或显著高于30 cm以下土层，而全磷含量在0—20 cm土层高于20 cm以下层次，中、低产田全钾含量在10 cm以下土层显著降低。表明黑土和淡黑钙土高产田的肥沃土壤层较中、低产田厚。

表2 不同玉米产量水平0—100 cm土层土壤全量养分含量与pH的变化Table 2 Soil organic matter, total N, P and K contents and pH in 0–100 cm soil depth at different yield levels of maize

高、中和低产黑土0—20 cm土层土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量多无显著差异；高产田30 cm以下土层的全氮含量多显著高于中、低产田；20—30 cm土层全磷含量显著高于低产田。黑土高、中产田与低产田10 cm以下土层土壤有机质含量间多差异显著，高、中、低产量水平淡黑钙土0—10和10—20 cm土层有机质含量无显著差异，但明显高于其他土层。在20 cm以下土层中，高产淡黑钙土土壤有机质及氮磷等全量养分仍保持较高水平，较中产田高7.59%～34.11%，较低产田高13.76%～62.23%。

从同一土层不同产量水平来看，黑土20—100 cm各土层土壤有机质含量均表现为高产田＞中产田＞低产田，除0—20 cm土层外，高产田与低产田20—100 cm各土层土壤有机质含量差异显著，而高产田与中产田、中产田与低产田间仅有部分土层有机质含量差异显著；各产量水平0—20 cm土层土壤全氮和全磷含量间无显著差异，20—100 cm各土层全氮和全磷含量的高低表现为高产田 ≥ 中产田＞低产田；各土层土壤全钾含量间无显著差异；高产田与中产田0—10 cm土层土壤pH显著高于低产田，其他土层均以中产田和低产田较高。淡黑钙土不同产量水平0—100 cm各土层土壤有机质和全氮含量间均无显著差异；高产田0—30 cm土层土壤全磷含量明显高于中产田与低产田，不同产量水平其他各土层土壤全磷含量间差异不显著。

2.2.2 土壤速效养分含量 吉林省中部黑土区0—100 cm土层有效磷和硝态氮含量与西部淡黑钙土区大体持平，而速效钾含量则较西部地区高21.4%(表3)。黑土土壤有效磷、速效钾和硝态氮等速效养分含量总体上表现为0—20 cm较高，而下层逐渐下降；淡黑钙土有效磷含量也表现出同样的趋势，速效钾含量除表层外，其余层次间无显著差异，硝态氮含量则在50 cm以下土层出现明显升高趋势，这主要是因为西部地区缺水而长期采用坐水种及生育期灌溉所造成。

表 3 玉米不同产量水平0—100 cm土层土壤速效养分含量的变化 (mg/kg)Table 3 Soil available nutrient content in 0–100 cm soil depth at different yield levels of maize

吉林省中部黑土区不同产量水平0—100 cm各土层土壤有效磷含量均随着土层加深呈逐渐下降至平稳的趋势，西部淡黑钙土区亦呈现相同趋势；中部黑土区高产田与中产田0—20 cm土层中速效钾含量明显高于低产田，而随着土层的加深其差异逐渐缩小，这表明不同产量水平土壤间速效钾含量的差异主要表现在表层；中部黑土区0—100 cm各土层土壤硝态氮含量也以高产田和中产田较高，且各土层三者间的差异较为明显；西部淡黑钙土区土壤硝态氮含量在50 cm以下土层出现明显升高趋势，高产田70—100 cm土层硝态氮累积量占0—100 cm土体总量的5.2%，而中、低产田该比例分别为22.3%和22.7%，这可能与西部地区长期灌水有关。

2.2.3 土壤养分储量特征 图5显示，黑土区0—100 cm土层土壤氮和磷素储量分别为12.3和4.8 t/hm2，与淡黑钙土氮、磷储量差异不明显，黑土区0—100 cm土层土壤钾素储量为175.1 t/hm2，明显高于淡黑钙土地区，黑土区氮、磷、钾储量比淡黑钙土区分别高2.4%、13.3%、43.5%，这可能是由于两地成土母质的差异。从不同产量水平来看，黑土区高产田土壤氮储量显著高于低产田，中产田介于二者间，并与二者间差异均未达到显著水平；高产田和中产田磷素储量间无显著差异，但均显著高于低产田；3个产量水平钾素储量没有显著差异。淡黑钙土区3个产量水平土壤的氮、磷、钾素储量间差异均不显著。

图 5 不同玉米产量水平下0—100 cm土层土壤养分储量Fig.5 Soil nutrient storage in 0–100 cm soil depth at different yield levels of maize

2.2.4 不同层次土壤理化性状与产量间相关性分析 Pearson相关性分析结果 (图6)表明，在黑土区，玉米产量与0—20 cm土层土壤有机质、全氮、全钾及硝态氮含量间相关性均不显著，而与20 cm以下土层各指标呈现正相关关系；与10—70 cm土层土壤有效磷含量关系密切；与10 cm以下土层pH呈现显著的负相关关系；与0—70 cm乃至100 cm土层土壤的GSSI、容重、含水量、速效钾含量显著正相关；除10—20 cm土层GSSI与其他土壤理化指标间相关不显著外，其他土层各土壤理化指标间均呈现显著的相关关系。表明影响黑土产量水平的因素主要为20 cm 以下土层的理化性状。

图 6 土壤理化性状与产量相关性 (n=18)Fig.6 Pearson correlation of soil physicochemical properties and maize yield

在西部淡黑钙土区，0—100 cm土层土壤GSSI与玉米产量间呈现显著正相关关系，而土壤容重对玉米产量的积极影响主要表现在20—30 cm土层；土壤有机质、有效磷、速效钾等养分含量与玉米产量间的密切关系主要集中于20—30 cm土层，其他土层未表现出明显的规律性。表明淡黑钙土产量差异主要由20—30 cm 土层理化性状造成。

3 讨论

3.1 不同生态区土壤质量特征

吉林省农田土壤具有明显的地域性[17]，其形成主要由气候、地形、成土母质、植被等自然因素控制，黑土主要集中分布在中部半湿润区，成土母质主要为黄土状堆积物，表层多属粘壤土和壤质黏土，以细砂粒占比较大，其次为粉砂粒及粘粒，粗砂粒含量最少；而淡黑钙土则主要分布在西部半干旱区，颜色较浅，母质为黄土状亚砂土，表层多属砂质粘壤土和砂质土壤，腐殖质层较薄，土壤质地较轻，通层有石灰性反应[8,18]。本研究中，中部黑土区高产田0—100 cm土层土壤固、液、气三相的比例更为理想，西部淡黑钙土区各产量水平土壤三相的比值均相对偏离理想值，这也是两地区玉米产量差异较大的主要原因。此外，中部黑土区0—100 cm土壤容重平均值较西部淡黑钙土区低1.6%～6.2%；且两地均呈现表层0—10 cm容重较低，而下层容重较高的特征，这主要是由于东北多年采用小型动力作业造成，调查表明，东北地区有效耕层平均深度仅为15.1 cm[19]；玉米连作区耕层土壤容重在1.2 g/cm3左右时最佳，随着土壤容重的增加，土壤紧实对作物生长的限制作用受土壤水分影响较大[20]。中部黑土区0—100 cm土壤含水量显著高于西部淡黑钙土区，这主要是由于两地土壤质地及气候条件所致。两地区0—100 cm各土层广义土壤结构指数 (GSSI)和土壤含水量均表现为高产田＞中产田＞低产田，表明高产田土壤具有良好的保水与储水能力，土壤固、液、气三相的比例更趋于合理。两种土壤类型土壤各理化性质与玉米产量间的相关分析，也进一步说明两区域土壤肥力对玉米产量形成的不同影响过程与机制。陈延玲等[21]在梨树超高产田创建中也增加了滴灌技术来实现产量的进一步提升。

在土壤养分指标中，除土壤有效磷外，土壤硝态氮、速效钾含量等速效养分以及土壤有机质、全氮、全磷、全钾等均为中部地区高于西部，但从储量上看，氮、磷素差异不明显，仅钾素储量明显高于西部。这主要是因为西部淡黑钙土区原有速效钾含量较低[22]，加之近年来吉林省中西部农户在磷钾肥投入量上无较大差异，均在70 kg/hm2左右[23]。此外，在中部黑土区，0—20 cm表层土壤均出现不同程度的酸化现象，尤其是低产田0—10 cm降至5.0以下，这与长期单施化肥及化肥品种单一有较大关系。贾立辉等[24]研究表明，长期单施化肥导致黑土pH 23年间下降约1.8个单位，未来实施有机培肥或优化肥料品种是阻控土壤酸化的重要技术措施[25-27]。

3.2 不同产量水平土壤质量特征

本研究中，相较于中产田和低产田，高产田土壤固相、液相和气相比例较为理想，具有良好的保水与储水能力，利于作物生长发育。低产田土壤较高产田和中产田相对更加紧实，不利于土壤水气交换和作物根系的生长下扎，影响土壤物质的转化和养分有效性，不同产量水平在0—30 cm土壤随着土层的不断加深容重逐渐增大，这与王寅等[23]研究结果一致。之后30—50 cm容重减小，最后又随土层深度的增加容重逐渐增大直至平缓。高产田与中产田土壤之间在土壤有机质、全量氮磷钾与速效氮磷钾含量上的差异并不明显，但低产田土壤的养分含量与储量要远低于前两者。表明土壤肥力退化造成的供肥能力和作物需求不匹配是低产田的一个重要限制因子，严重制约了玉米产量潜力的发挥[28-29]。

在中部黑土区，30—50 cm土层中几乎所有土壤理化性状均与产量显著相关，而20—30和50—70 cm土层次之，这说明深层土壤质量可能对于产量的贡献更大，20—100 cm土层高产田土壤有机质及全量养分比中产田高7.59%～34.11%，比低产田高13.76%～62.23%。在诸多指标中，土壤物理结构仍是主要贡献者；在西部淡黑钙土区，则以20—30 cm土层中与产量相关的土壤理化指标较多，这表明高产田土壤肥力基础主要表现为20 cm以下的深层全量养分，其土壤肥力的持续供应能力可能是实现高产的主要条件。

4 结论

中部黑土0—100 cm土壤有机质和氮磷钾储量高于西部淡黑钙土，黑土高产田0—10 cm土壤三相比更趋近于理想值，黑土和淡黑钙土高产田和中产田0—100 cm土层土壤含水量未表现出明显的层次间差异，而低产田土壤含水量具有明显的层次性变化。中部黑土区在20—30 cm有一个保水保肥层，30 cm以下土壤的理化性状导致黑土的产量差异，其中30—50 cm对产量的影响最大。淡黑钙土没有明显的保水保肥层，产量差异受20—30 cm土层理化指标的影响较大，因此，培育肥沃深厚的土层是黑土区和淡黑钙土区提高玉米产量与维持土壤肥力的核心技术途径。