农田机械碾压对土壤物理特性及玉米生长和产量的影响

齐红志 余天雨 刘天学

摘要：【目的】研究实际生产中大型农业机械碾压对土壤物理特性及玉米生长和产量的影响程度，为改善耕作措施、实现作物壮根高产和土壤的可持续生产提供依据。【方法】选取小麦—玉米两熟制中前茬小麦收获时节受谷物联合收割机反复碾压的地块（JS处理）和常规收割未经反复碾压地块（CK），以玉米品种登海605（DH605）和登海3号（DH3）为试验材料，测定并分析玉米播种前的土壤容重和含水量及玉米的农艺性状、光合特性、干物质积累与分配、果穗性状及产量等指标。【结果】JS处理地块0～50 cm土层土壤容重和土壤含水量均较CK增加，其中0～10和10～20 cm土层土壤容重均显著大于CK（P<0.05，下同），即大型农机反复碾压对土壤容重的影响主要集中在0～20 cm耕层。耕层土壤紧实进一步造成玉米根系发根数量减少，根干质量降低，根冠发育失调，茎、叶分化受阻，单株叶片数量和茎节数量减少，叶面积指数下降，株高降低，光合速率降低，干物质积累量减少，穗粒数和百粒质量下降。2个品种比较，DH3根系生长受紧实胁迫影响较大，根层数、根条数、根干质量、根冠比较CK分别显著减少17.9%、26.9%、45.2%和32.9%，而DH605分别下降0、14.4%、31.7%和12.7%，仅根干质量达到显著差异;JS处理下DH605的叶面积指数和穗位叶SPAD较CK分别显著降低36.9%和14.4%，穗位系数显著增加，茎粗、百粒质量显著降低;虽然DH3根系生长受紧实胁迫影响较大，JS处理下DH3的叶面积指数较CK显著降低21.8%，但穗位叶SPAD值、穗位系数、茎粗、百粒质量则与CK差异不显著（P>0.05），且干物质向叶片、籽粒的分配比例增加，最終减产幅度（20.8%）与DH605（24.4%）差异不大。【结论】当前生产中大型农机反复碾压造成的耕层土壤紧实现象已十分严重，使免耕直播的玉米生长受到明显抑制，产量显著降低;不同玉米品种对土壤紧实胁迫的响应存在差异，生产中可通过深松深耕、秸秆还田、选用抗土壤紧实品种等措施消减土壤紧实对作物生长的不良影响。

关键词： 机械碾压;土壤紧实;土壤容重;玉米;生长发育;产量

中图分类号： S513                             文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2021）04-0951-08

Effects of mechanical compaction on soil physical properties，maize growth and yield in farmland

QI Hong-zhi1，2， YU Tian-yu2， LIU Tian-xue2*

（1Institute of Agricultural Economics and Information， Henan Academy of Agricultural Sciences， Zhengzhou  450002，China; 2Agronomy College， Henan Agricultural University， Zhengzhou  450046， China）

Abstract：【Objective】The effect of large-scale agricultural machinery compaction on soil physical characteristics，and the growth and yield of maize in practical production was studied to provide the basis for improving tillage measures，achieving strong roots and high yields of crops and sustainable production of soil. 【Method】Recompacted plot（JS） by grain combine harvester and conventional harvest without recompacted plot（CK） at wheat harvest time were selected in wheat-corn double cropping system，and using maize varieties Denghai 605（DH605）and Denghai 3（DH3）as materials，bulk density and water content of soil before maize sowing and agronomic traits，photosynthetic characteristics，dry matter accumulation and distribution，ear traits and yield of maize were measured. 【Result】The soil bulk density and water content in the 0-50 cm soil layer of JS treatment were both higher than that of CK，and the soil bulk density of 0-10 and 10-20 cm soil layers were significantly higher than that of CK（P<0.05，the same below）. That was to say，the effect of repeated compaction by large agricultural machinery on the soil bulk density was mainly concentrated in the 0-20 cm arable layer.Arable layer soil compaction resulted in the decrease of maize root number and root dry weight，the developmental dysplasia of root and overground parts，blocked stem and leaf differentiation，and the decrease of leaves number and internodes per plant，the decline ofleaf area index，plant height，photosynthetic rate，dry matter accumulation，the decrease of grains number per ear and 100-grain weight，ultimately led to more than 20% reduction in yield. Compared with two cultivars，the root growth of DH3 was greatly affected by compaction stress. Compared with CK，the root layer number，root number，root dry weight and root-top ratio of DH3 under JS treatment were significantly reduced by 17.9%，26.9%，45.2% and 32.9%，respectively，while DH605 were decreased by 0，14.4%，31.7% and 12.7%，respectively，and only the root dry weight was significantly different. Compared with CK，leaf area index and SPAD of ear leaf of DH605 were significantly decreased by 36.9% and 14.4%，respectively，ear coefficient was significantly increased，stem diameter and 100-grain weight were significantly decreased under JS treatment. Although DH3 root growth were greatly influenced by compaction stress，leaf area index of DH3 was 21.8% lower than CK，and the SPAD of ear leaf，ear coefficient，stem diameter，100-grain weight of DH3 under JS treatment were not significantly different with CK（P>0.05），and the proportion of dry matter allocated to leaves，and grains increased than CK under JS treatment. Eventually，the yield reduction（20.8%）was not greatly different with DH605（24.4%）. 【Conclusion】The phenomenon of surface soil compaction caused by repeated rol-ling of large farm machines in current production has been very serious，which inhibits the growth of no-tillage direct see-ding maize and significantly reduced the yield. Different maize varieties have different responses to soil compaction stress. In production，the adverse effects of soil compaction on crop growth can be reduced by deep loosening（ploughing），straw returning to the field，and selection of soil compaction resistant varieties.

Key words： mechanical compaction; soil compaction; soil bulk density; maize; growth and development; yield

Foundation item： National Key Research and Development Program of China（2018YFD0300704）

0 引言

【研究意义】随着农业机械化水平的发展，大型农业机械的种类、数量及重量均不断增加。农业机械可极大地提高农作效率，减轻农业从业者的劳动强度，但随着大型配套农机具在农业生产中的推广使用，势必会对土壤产生反复碾压而导致土壤负重过大，造成土壤压实，破坏土壤环境（张兴义和隋跃宇，2005a，2005b;王宪良等，2015）。土壤压实后土壤物理结构恶化，土壤孔隙度下降，导致机耕阻力增加，土壤退化，土壤养分有效性降低（杨晓娟和李春俭，2008;周艳丽和卢秉福，2018;闫加亮和赵文智，2019），进而对作物产生不良影响。当前，收获机、转运机和拖拉机等大型配套农机具在作物生产中广泛使用，田间机械作业造成的土壤紧实胁迫，已成为机械化农业生产中面临的重要问题之一，尤其是两熟制下免耕直播的作物所受影响更为严重。因此，明确生产中农业机械碾压对土壤物理性质及作物生长和产量的影响程度，对于改善耕作措施进而实现作物高产和土壤的可持续生产均具有重要的现实意义。【前人研究进展】从20世纪50年代起，人们在使用大型机械进行土壤耕作时发现，有益的耕作通常被土壤压实和侵蚀等副作用所抵消，土壤环境随着机械化耕作的发展被破坏得越来越严重（杨晓娟和李春俭，2008）。前人针对机械压实对土壤物理性质及作物产量的影响开展了大量研究，结果发现，机械碾压增加土壤紧实度，土壤紧实会导致作物根系生长变慢，根长缩短，根直径变粗，根数量减少，根质量下降，根在横向空间有所增加，进而影响作物地上部的生长发育及产量（李毅杰等，2017;王宪良等，2017;肖芬芳等，2020）。关于土壤紧实胁迫对玉米生长的影响，李潮海和周顺利（1994）、Li等（2002）研究表明，玉米地上部生长、产量和穗粒数均与土壤容重呈二次曲线关系，在土壤容重为1.2～1.3 g/cm3时，地上部叶面积、干物质质量、产量和穗粒数最大;王群（2010）、王群等（2010，2011）采用微区桶栽，研究了紧实胁迫对不同土壤类型玉米根系时空分布、活力及玉米养分吸收、分配及产量的影响，结果表明，紧实胁迫严重限制玉米根系生长、分布和吸收功能及产量形成，玉米根干质量、根长度、养分累积量、分配量及产量均下降;徐海等（2011）采用盆栽试验，探讨了土壤紧实度对玉米苗期生长及对钙素吸收的影响，结果表明，根系生长因土壤紧实胁迫而受阻，根系干质量下降、活力减小，地上部分生长速度受到抑制;郑存德等（2012）采用盆栽方法，研究了不同容重对玉米根系生长指标的影响，结果表明，玉米根系生长指标随土壤容重增加而下降;韩成卫等（2017）采用盆栽试验，探索了山东省褐土不同土壤容重条件下玉米生长发育和产量差异，结果表明，随着土壤容重增加，玉米株高、茎粗、单株叶面积、总根量、植株干物质累积和籽粒产量总体呈减少趋势，且容重越大，降幅越显著，容重增加对根系生长的影响明显高于地上部。综上所述，土壤紧实度对玉米地下部和地上部生长、营养生长和生殖生长均有较大影响。【本研究切入点】以往关于玉米紧实胁迫的研究大多采用人工镇压模拟土壤紧实，在一定程度上会夸大或缩小作物对土壤紧实度的响应，与田间紧实土壤存在明显差别（王群，2010），且前人研究多以同一玉米品种为研究对象，鲜有不同玉米品种对土壤紧实胁迫的响应差异分析。【拟解决的关键问题】选择前茬小麦收获时节受谷物联合收割机反复碾压的地块和常规收割未经反复碾压的地块，对比分析实际生产中大型农业机械碾压对土壤物理特性及后茬免耕不同玉米品种生长和产量的影响程度，为改善耕作措施、实现作物壮根高产和土壤的可持续生产提供依据。

1 材料与方法

1. 1 试验地概况与试验材料

试验于2018年在河南省许昌县史庄村许昌农科种业有限公司流转农田进行。供试土壤类型为潮土，肥力中上等，前茬作物为小麦。试验田块小麦季连年旋耕（深度10～15 cm），玉米季免耕播种，0～20 cm耕层养分含量为有机质11.87 g/kg、速效钾149.19 mg/kg、有效磷12.36 mg/kg、碱解氮70.06 mg/kg。供试玉米品种为登海605（DH605）和登海3号（DH3）。

1. 2 试验设计

试验设农田机械碾壓处理（JS）和对照（CK）2个处理。其中，JS处理为小麦收获时节受自走式谷物联合收割机[中联谷王TE90（4LZ-9BZH），自体质量6900 kg]作业时反复碾压的地块，面积约165 m2，分成6个小区，小区间留1 m走道，小区面积24 m2;CK为邻近常规收割未经反复碾压地块，小区设置同JS处理。共4个处理，分别表示为DH605-JS、DH605-CK、DH3-JS和DH3-CK。

玉米于6月4日播种，每个品种种植3个小区（即3个重复），随机排列。播种方式为人工点播，60 cm等行距种植，留苗密度60000株/ha。拔节期开沟条施氮磷钾复合肥（28-6-6）750 kg/ha，第12片叶展期开沟追施尿素225 kg/ha，其他管理同一般大田。

1. 3 测定项目及方法

1. 3. 1 土壤容重和土壤含水量 玉米播种前每小区随机取3点测定JS处理与CK的0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土层的土壤容重及含水量。

1. 3. 2 根系性状 完熟期每小区取具有代表性的3株玉米测定根条数、根层数、根干质量和根冠比。

1. 3. 3 叶片性状及光合参数 抽雄吐丝期每小区选取具有代表性的3株玉米调查绿叶数量，测定叶面积并计算叶面积指数（LAI），用手持式叶绿素测定仪（Chlorophyll meter SPAD-502 Plus）测定穗位叶SPAD值;并选择晴天于9：00—11：00采用Li-6400光合仪（美国，Li-Cor公司）测定穗位叶的光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度和蒸腾速率等光合参数。

1. 3. 4 茎秆相关性状 抽雄吐丝期每小区取具有代表性的3株玉米测量株高和穗位高，计算穗位系数，并用游标卡尺测量植株地上部近地面第3节间扁平向茎粗。

1. 3. 5 干物质积累与分配 完熟期每小区取具有代表性的玉米植株3株，将其分为根、茎秆、叶、雄穗、苞叶、穗轴和籽粒，于105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒质量，称干质量。

1. 3. 6 果穗性状及产量 成熟后，每小区取中间行除去两端各3株连续收取10个果穗测定穗长、穗粗、穗轴粗、秃尖长、穗行数、行粒数、穗质量、籽粒质量及含水量等指标，并折算14%含水量的籽粒产量。

1. 4 统计分析

采用Excel 2010和SPSS 18.0对试验数据进行整理和统计分析。

2 结果与分析

2. 1 农田机械碾压对不同土层土壤容重及含水量的影响

由表1可知，供试地块的土壤容重均达1.50 g/cm3以上，大型农机反复碾压造成田块土壤容重增加。其中，2个品种JS处理0～10和10～20 cm土层土壤容重均显著大于其CK（P<0.05，下同），而20～50 cm土层土壤容重在JS处理和CK间差异不显著（P>0.05，下同）。可见，大型农机反复碾压对土壤容重的影响主要集中在0～20 cm土层的耕层土壤。

由表2可知，2个品种受大型农机反复碾压的JS处理土壤0～50 cm土层含水量均高于其CK，其中，0～10和40～50 cm土层含水量差异均达显著水平;除DH3-CK处理外，其他处理土壤均表现为0～30 cm土层含水量小于30～50 cm土层含水量，均以40～50 cm土层含水量最高。

2. 2 农田机械碾压对玉米根系生长的影响

由图1和图2可看出，耕层土壤紧实不利于玉米根系生长，与CK相比，2个品种JS处理玉米根层数、根条数、根干质量和根冠比整体呈下降趋势。其中，DH3品种受紧实胁迫影响较大，DH3-JS处理较DH3-CK处理分别显著减少17.9%、26.9%、45.2%和32.9%;DH605-JS處理较DH605-CK处理分别下降0、14.4%、31.7%和12.7%，其中根层数、根条数和根冠比差异不显著，仅根干质量显著降低。

2. 3 农田机械碾压对玉米叶片生长的影响

2. 3. 1 叶片农艺性状 由图3可看出，耕层土壤紧实不利于玉米叶片的生长，与CK相比，JS处理的玉米绿叶数量、LAI和穗位叶SPAD值均减少。其中，DH605-JS处理绿叶数量、LAI和SPAD值分别较DH605-CK处理显著减少11.6%、36.9%和14.4%;DH3-JS处理绿叶数量和LAI分别较DH3-CK处理显著减少12.9%和21.8%，而穗位叶SPAD值差异不显著。由于玉米第1～5（6）叶在胚中形成，其余叶片在苗期形成，可见，耕层土壤紧实会对玉米苗期叶的分化和发育生长产生较大影响。此外，叶片SPAD值减少提示叶片中叶绿素含量下降，叶片光合效率会随之下降，不利于光合物质生产。

2. 3. 2 穗位叶光合特性 从表3可看出，耕层土壤紧实影响玉米穗位叶的光合特性，与CK相比，JS处理玉米穗位叶光合速率、气孔导度和蒸腾速率均下降，胞间CO2浓度上升。其中，2个品种的光合速率和胞间CO2浓度均与其CK差异不显著;DH605-JS处理气孔导度与DH605-CK处理差异不显著，而DH3-JS处理气孔导度较DH3-CK处理显著降低16.2%;DH605-JS和DH3-JS处理蒸腾速率较其CK分别显著降低17.9%和16.1%。

2. 4 农田机械碾压对玉米茎秆生长的影响

由表4可见，耕层土壤紧实对玉米茎秆生长具有明显影响，DH605-JS和DH3-JS处理的株高较DH605-CK和DH3-CK分别显著降低26.4%和23.8%;DH605-JS处理基部第3节间茎粗较DH605-CK处理显著减少21.0%，而DH3-JS与DH3-CK处理的茎粗差异不显著;2个品种穗位高表现不一致，JS处理导致DH3的穗位高显著降低，而DH605的穗位高显著增加;DH3-JS与DH3-CK处理的穗位系数无明显差异，而DH605-JS处理的穗位系数较DH605-CK处理显著增加63.4%。由于玉米地上部茎秆的节和节间均是在苗期分化形成，且每个节上着生1片叶，叶片数的减少和节的减少是同步的，所以茎节数量的减少可能是土壤紧实导致玉米株高降低的原因之一。

2. 5 农田机械碾压对玉米干物质积累与分配的影响

由表5可见，耕层土壤紧实对玉米根、茎、叶生长的负面效应最终造成植株干物质积累减少，JS处理下DH605和DH3的总干质量较其CK分别减少22.2%和14.9%。与CK相比，JS处理下2个玉米品种茎秆、叶片和苞叶的干物质积累量均下降，但差异未达显著水平;根和籽粒的干物质积累量较CK明显减少，其中，DH605-JS和DH3-JS处理的根干物质积累量较其CK分别降低31.7%和45.2%，籽粒干物质积累量分别降低25.3%和13.9%。

从干物质在各器官上的分配来看，土壤紧实处理下各器官干物质分配总格局无太大变化，2个品种根干物质分配比例均降低，茎秆、雄穗、苞叶和穗轴干物质分配比例均增加，仅在叶片和籽粒干物质分配比例变化上呈现差异，JS处理造成DH605向叶片和籽粒分配的干物质比例减少，而引起DH3向叶片和籽粒分配的干物质比例增加。

2. 6 农田机械碾压对玉米果穗生长及产量的影响

耕层土壤紧实同样影响着玉米果穗及籽粒的生长。由表6可知，耕层土壤紧实对DH3和DH605的穗行数和秃尖长无显著影响，DH605-JS处理的行粒数、穗粒数、穗粗和穗轴粗均较DH605-CK减少但差异不显著，而穗长、百粒质量、单穗籽粒质量均显著减少，最终折合14%子粒标准含水量的产量较DH605-CK显著减少24.4%;DH3-JS处理的穗粗和百粒质量与DH3-CK差异不显著，而行粒数、穗粒数、穗长、穗轴粗和单穗籽粒质量较DH3-CK处理均显著减少，最终折合14%子粒标准含水量的产量较DH3-CK处理显著减少20.8%。

3 讨论

本研究结果表明，受大型农机反复碾压处理的地块0～50 cm土层土壤容重和土壤含水量均较CK增加，其中0～10和10～20 cm土层土壤容重显著大于CK，20～50 cm土层土壤容重与CK差异不显著，即大型农机碾压主要影响0～20 cm耕层土壤容重。此外，在本研究两熟制免耕直播条件下，未经大型农机反复碾压的地块0～10和10～20 cm土层土壤容重分别达1.52～1.53和1.55～1.56 g/cm3，20～30和30～40 cm土层土壤容重分别达1.61～1.62和1.64～1.68 g/cm3，明显高于前人研究的玉米生长的适宜土壤容重范围（1.2～1.3 g/cm3）（李潮海和周顺利，1994），这可能是由于该试验地块小麦季连年仅进行旋耕，且玉米季免耕播种，多年未进行深翻深耕所致。可见，两熟制免耕直播条件下，土壤紧实胁迫程度十分严重，已成为机械化农业生产中面临的重要问题之一。这与近几年在实际生产过程中发现的土壤紧实胁迫现象愈加严重的现象相互印证。前人研究表明，当20～40 cm土壤容重超过1.4 g/cm3时，玉米的叶片光合速率和产量受到明显抑制，容重为1.6 g/cm3的土壤不仅使玉米根系生长受到严重抑制且极大降低了根系活力，当容重为1.6 g/cm3的土层超过20 cm时根系不能穿透土层（李潮海等，2005）。本研究结果中，虽然未经大型农机反复碾压的地块0～20 cm土层土壤容重均在1.5 g/cm3以上，2个玉米品种的产量仍能达11921.76～11789.04 kg/ha，可能是近年来选育的玉米品种具有更强的环境适应能力（岳龙凯，2019）。

本研究结果表明，尽管土壤机械压实抑制了土壤水分蒸发，提高了土壤含水量，但由于土壤容重增加，对玉米生长及籽粒产量形成产生了不利影响，主要表现为根系生长受阻，发根数量减少，根干质量降低，甚至造成根冠發育失调;茎、叶分化受阻，单株叶片数量和茎节数量减少，从而造成叶面积减少，群体叶面积指数下降，光合速率降低，株高降低，茎、叶干物质积累量减少。耕层土壤紧实对玉米雄穗生长无明显影响，但对雌穗的生长尤其是子粒的生长发育影响很大，造成穗粒数减少，百粒质量下降，减产较为严重。

土壤紧实造成容重升高，导致土壤理化性质和土壤微生物数量及结构改变，造成作物根系下扎困难，生长受阻，最终使产量降低（李孟霞等，2019），但根系同时具有可塑性，同一作物不同品种的根系对土壤紧实胁迫的反应也存在差异。刘晓等（2020）筛选出10个具有耐压实而不减产潜力大豆品种，这些品种地上部生物性状表现为植株矮化，茎粗加大，主茎节数和地上部生物量不减，地下部根系表现为根系最大宽度、根面积、水平生长空间增加，或侧根数、根尖数增加，说明根系通过针对性的自我调控来适应压实环境，满足逆境下对土壤水肥气的有效吸收，从而维持地下部和地上部的生物量，保障作物的稳产，而玉米较大豆对土壤压实更敏感（岳龙凯，2019）。本研究中，DH3根系生长受紧实胁迫影响较大，根层数、根条数、根干质量和根冠比较CK分别显著减少17.9%、26.9%、45.2%和32.9%，而DH605则分别下降0、14.4%、31.7%和12.7%，仅根干质量达显著差异。可见，不同玉米品种根系特性对土壤紧实胁迫的响应具有一定差异。今后可在玉米生产中开展耐压实而不减产品种选育，作为应对土壤紧实胁迫的一种有效方法。此外，本研究还发现，土壤紧实胁迫下，不同玉米品种地上部生长状况及干物质分配存在差异。与CK相比，紧实处理下DH605的LAI和穗位叶SPAD值分别显著降低36.9%和14.4%，穗位系数显著增加，而茎粗和百粒质量显著降低;虽然DH3根系生长受紧实胁迫影响较大，紧实处理下DH3的LAI较CK显著降低21.8%，但穗位叶SPAD值、穗位系数、茎粗和百粒质量与CK差异不显著，且干物质向叶片和籽粒的分配比例增加，最终其减产幅度（20.8%）与DH605（24.4%）差异不大。

构建合理耕层结构是提高肥料利用率和促进作物良好生长的基础。本研究中，试验地因小麦收割机反复碾压造成的耕层土壤紧实已十分严重，导致免耕直播的玉米生长发育不良和产量降低。随着农业机械化的普及，大型农机操作对农田的反复碾压不可避免，尤其是在土壤含水量较高的情况下，这种碾压造成的耕层土壤紧实更为严重，从而对免耕播种的下茬作物生长产生不利影响。因此，土壤紧实胁迫对农作物产量的威胁已不可忽视。实际生产中对于农机碾压较严重的地块，建议在下茬作物播种前对土壤进行适当翻耕或深松作业后方可播种（周艳丽，2019;聂胜委等，2021），此外还可从施用调理（节）剂（刘慧军等，2013）、秸秆覆盖与秸秆还田（田育天等，2019）、优化种植模式（田育天等，2019）、改进农机具（丁肇等，2020）、选用抗土壤紧实作物品种（刘晓等，2020;孙学武等，2020）等方面消减土壤紧实对作物生长的不良影响，以实现土壤的健康和可持续发展。

4 结论

当前生产中大型农机反复碾压造成的耕层土壤紧实现象已十分严重，使免耕直播的玉米生长受到明显抑制，产量显著降低;不同玉米品种对土壤紧实胁迫的响应具有一定差异，生产中可通过深松深耕、秸秆还田、选用抗土壤紧实品种等消减土壤紧实对作物生长的不良影响。

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（责任编辑 王 晖）