灌耕灰钙土耕层物理性质及其对玉米产量的影响

王成宝 霍琳 温美娟 杨思存

摘要：在調查甘肃引黄灌区玉米产量、施肥量和土壤理化性状基础上，2015年确定60个地块作为研究对象，分层采集0～40 cm土层土壤样品，研究土壤三相比、紧实度、水稳性团聚体含量和有机质含量的变异规律及其与玉米产量、化肥偏生产力的关系。结果表明，0～40 cm土层土壤三相比δ值、土壤紧实度、土壤> 0.25 mm水稳性团聚体含量和有机质含量均呈中等变异特征。土壤紧实度随土层加深而显著增加，土壤三相比δ值、> 0.25 mm水稳性团聚体含量和有机质含量均有随着土层加深而降低的趋势。玉米产量与0～40 cm土层土壤三相比δ值和土壤紧实度呈极显著负相关，与土壤> 0.25 mm水稳性团聚体含量和土壤有机质含量呈极显著正相关;磷肥偏生产力与0～40 cm土层土壤三相比δ值呈极显著正相关，与土壤紧实度呈显著正相关，与土壤> 0.25 mm水稳性团聚体含量和土壤有机质含量呈极显著负相关;氮肥偏生产力与4个指标之间均达不到差异显著水平。玉米产量与土壤紧实度、土壤三相比δ值的关系可用一元二次方程来拟合，与土壤> 0.25 mm水稳性团聚体含量、土壤有机质含量的关系可用一元线性方程来拟合。多元逐步回归分析表明，玉米产量最终取决于土壤> 0.25 mm水稳性团聚体含量和土壤有机质含量两个关键因素。

关键词：耕层物理性状;玉米产量;偏生产力;灌耕灰钙土;甘肃引黄灌区

中图分类号：S158;S513   文献标志码：A   文章编号：1001-1463（2021）07-0024-09

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2021.07.005

Abstract：Based on the investigations of corn yields，fertilizer application rates and soil physical and chemical properties in Gansu Yellow River irrigation district in 2015， the layered 0～40 cm soil samples were collected as the research object in 60 corn fields for the variability of soil three-phase，compaction，water-stable aggregate， organic matter content and their partial correlations with corn yield and partial factor productivity. The results showed that the averages of soil three-phase δ value，soil compaction， > 0.25 mm water-stable aggregate and organic matter content in 0-40 cm soil showed moderate variability. The soil compaction significantly increased with the increase of soil depth， but the soil three-phase δ value， > 0.25 mm water-stable aggregate and organic matter content decreased with the increase of soil depth. Corn yields were extremely negative correlated with 0～40 cm soil three-phase δ value and soil compaction， but extremely positive correlated with > 0.25 mm water-stable aggregate and organic matter content， significantly. Phosphate partial factor productivity were extremely positive correlated with three-phase δ value， positive correlated with soil compaction， but extremely negative correlated with > 0.25 mm water-stable aggregate and organic matter content 0～40 cm soil depth. There were no significant difference between nitrogen partial factor productivity and the four indexes. The relationships between corn yield and soil compaction， soil three-phase δ value could be fitted by quadratic unary equation， and that of  > 0.25 mm water-stable aggregate and organic matter content could be fitted by unary linear equation. The results of multivariate stepwise regression analysis showed that > 0.25 mm water-stable aggregate and organic matter content were the key factors to decide corn yield.

Key words：Soil physical properties; Corn yield; Partial factor productivity; Irrigated farming sierozem; Gansu Yellow River irrigation district

三相比、紧实度和团聚体是重要的土壤物理因子，它们直接或间接影响着土壤水肥气热的协调供应和土壤养分、水分的运移，对维持土壤肥力、保证作物高产稳产有重要意义[1 - 2 ]。土壤三相比是容重、孔隙度和含水量的综合反映[3 ]，紧实度反映了土壤阻礙作物根系穿透的能力[4 ]，水稳性团聚体反映了土壤的结构状况和养分存储与供应、持水性、通透性等能力的高低[5 - 6 ]，并通过对土壤水、通气性、温度等的影响而直接影响作物生产力[7 ]。这些指标直观反映了土壤固、液、气三相组成的相对比例关系以及固、液两态相互作用时的性质，是评价土壤物理性状的重要指标，其重要性越来越得到学者重视。近年来，由于小型农机具的推广普及和旋耕、免耕作业的大量应用，导致土壤耕层逐渐变浅、上层土壤粉化、下层土壤沉积压实、犁底层不断加厚，严重影响了土壤蓄水保墒能力和供肥能力[8 - 10 ]。因此，研究摸清耕层主要物理性质变化及其对作物产量的影响，对合理耕层构建而言显得尤为重要。

灌耕灰钙土是暖温带荒漠边缘典型干旱土壤，主要分布于黄河中上游的一、二级阶地，具有土层深厚、耕性好、钙积层不明显等特点，但由于干旱缺水，作物产量一般都不高。从20世纪60年代开始，甘肃黄河段相继建成了景电、兴电、刘川、靖会等几十处电力提灌工程，约有30万hm2灰钙土旱作农田变成了水浇地，极大地改善了这一区域的农业生产条件[11 ]。但在这一过程中，由于不合理灌溉、小型农机具反复碾压、长期单一浅耕作业和秸秆还田利用率低等因素，导致一些农田土壤出现了耕层薄化、犁底层压实、结构变劣等问题，严重影响作物根系深层分布和肥水资源高效利用。我们通过在甘肃引黄灌区大范围调查采样分析，研究了灌耕灰钙土0～40 cm土层土壤三相比？啄值、紧实度、> 0.25 mm水稳性团聚体含量和有机质含量状况，并分析了其与玉米产量、化肥偏生产力等的关系，以期为构建灰钙土水浇地合理耕层提供参考。

1   材料与方法

1.1   研究区概况

研究区位于甘肃省白银市的景电、兴电、刘川、靖会灌区（E103° 42′ 18″～105° 10′ 25″，N36° 21′ 29″～37° 36′ 32″），分别隶属于景泰、靖远、会宁3个县，海拔1 408～1 792 m。年降水量200～300 mm，蒸发量2 000 mm以上，土壤类型主要是灰钙土。主要采用大水漫灌和串灌等方式，耕作方式有翻耕、旋耕、免耕、深松等，耕作机械以66 kW以下的小型农机具为主[12 ]。

1.2   采样方法

1.2.1   调查地点   调查采样时间为2015年秋季玉米收获时，共筛选了60个代表性地块，其中景电灌区30个、兴电灌区20个、刘川灌区5个、靖会灌区5个。玉米品种以先玉335为主，灌溉量和施肥量相近，耕作方式兼有翻耕、旋耕、免耕、深松等。化肥施用量以每个地块的调查数据为准。

1.2.2   玉米产量   采用农业农村部高产创建玉米测产方法[13 ]，即每个地块在远离边际位置取有代表性的样点4行15 m，准确丈量实际面积;收获全部果穗，计算果穗数目，称取所有果穗鲜重;按平均穗重法选取20个果穗，测定鲜穗出籽率和籽粒含水率，最后计算实测产量。

1.2.3   土壤容重   每个地块选择3个代表性区域，用环刀法测定0～10、10～20、20～40 cm土层土壤容重并计算土壤孔隙度，同时用烘干法测定各土层土壤含水量，最后计算土壤三相比？啄值。

1.2.4   土壤紧实度   每个地块选择10个代表性区域，用美国产SC900土壤紧实度仪测定0～45 cm土壤紧实度，每隔2.5 cm 1个读数，以相同层次10个点的平均值代表该地块的土壤紧实度。

1.2.5   水稳性团聚体   每个地块选择3个代表性区域，用湿筛法测定0～10、10～20、20～40 cm土层土壤> 0.25 mm水稳性团聚体含量，以相同层次3个点的平均值代表该地块的水稳性团聚体含量。

1.2.6   土壤有机质   每个地块选择3个代表性区域，采集0～20 cm耕层土壤样品，用重铬酸钾外加热容量法测定，以3个点的平均值代表该地块的土壤有机质含量。

1.3   计算方法

玉米产量计算公式为：

Y=W×S÷A×1000×（1-M）÷（1-14%）（1）

式中：Y为玉米产量实测值（kg/hm2），W为收获的鲜穗重（kg），S为鲜穗出籽率（%），A为收获样点实际面积（m2），M为籽粒含水率（%），10 000为面积换算系数，14%为玉米标准含水率。

式中，δ是测定土壤三相比与适宜状态下土壤三相比在空间距离上的差值，X 是土壤固相，Y 是土壤液相，Z 是土壤气相，δ 值越大，土壤三相比越差[14 ]。

0～40 cm土层土壤三相比由加权平均值计算：δ0～40=（h1r1+h2r2+h3r3）/（h1+h2+h3）  （3）

式中：δ0～40代表0～40 cm土壤三相比的加权平均值，h和r分别代表各土层厚度和对应的土壤三相比，1、2、3分别代表0～10、10～20、20～40 cm 3个土层。

土壤> 0.25 mm水稳性团聚体含量计算公式为[15 ]：WSA0.25=Mr> 0.25 / Mr×100%  （4）

式中：WSA0.25为土壤粒径> 0.25 mm团聚体的含量，Mr > 0.25为粒径 > 0.25 mm团聚体的重量，MT 为团聚体的总重量。

0～40 cm土层土壤紧实度、水稳性团聚体的计算同式（3）。

化肥偏生产力（PFP）计算公式为[16 ]：

PFP=Y/F  （5）

式中：Y为玉米产量实测值（kg/hm2）;F为化肥纯养分投入量（N、P2O5，kg/hm2）。

1.4   数据处理

采用Excel 2016和SPSS 18.0统计分析软件进行试验数据分析和绘图，多重比较用 LSD 法。

2   结果与分析

2.1   样地土壤基本物理性质及有机质含量特征

通过表1、表2可以看出，0～10 cm土层的土壤三相比δ值为5.67～20.89，平均为11.52;10～20、20～40 cm土层的土壤三相比平均值分别为10.72、10.93，虽然下层高于上层，但最小值和最大值均为上层高于下层，总体上呈随土层加深而降低的趋势;0～40 cm土层土壤三相比δ值的变异系数介于27.00%～39.43%，变异强度中等，呈随土层加深而增加的趋势。

土壤紧实度在剖面上的变化趋势与土壤三相比δ值不同。随土层加深而显著增加，0～10、10～20、20～40 cm土层土壤紧实度的平均值分别为1 070、1 404、1 655 kPa，变异系数分别为34.58%、31.84%、39.82%，变异强度均为中等。0～40 cm整个土层土壤紧实度为600～2 869 kPa，变异系数为32.93%。

土壤 > 0.25 mm水稳性团聚体含量表现出随土层加深而变小的趋势，0～10、10～20、20～40 cm土层平均值分别为19.44%、10.47%、6.95%，变异系数分别为16.05%、21.11%、25.18%，变异强度均为中等。0～40 cm整个土层土壤 > 0.25 mm水稳性团聚体含量为7.58%～18.79%，变异系数为19.36%。

土壤有机质含量与 > 0.25 mm水稳性团聚体含量的变化趋势相同，也随土层加深而变小，0～10、10～20、20～40 cm土层平均值分别为13.5、11.5、9.0 g/kg，变异系数分别为22.96%、23.48%、24.44%，变异强度均为中等。0～40 cm整个土层有机质含量为7.0～17.5 g/kg，变异系数为23.15%。

2.2   玉米产量、 施肥量及化肥偏生产力

从图1可以看出，甘肃引黄灌耕灰钙土区玉米产量总体较高，为11 250～17 250 kg/hm2，平均为13 867 kg/hm2，高于全省（5 595 kg/hm2）和全国（5 460 kg/hm2），其中大部分样点在13 250 kg/hm2左右，占到了样本总量的52%。从施肥量来看，施氮量（N）为270～450 kg/hm2，平均357 kg/hm2，高于全省（141 kg/hm2）和全国（162 kg/hm2）;施磷量（P2O5）为90～225 kg/hm2，平均157 kg/hm2，

高于全省（57 kg/hm2）和全国（66 kg/hm2）。从化肥偏生产力来看，氮肥（N）偏生产力为36.0～43.2 kg/kg，平均38.8 kg/kg，与全省（40 kg/kg）和全国（39 kg/kg）相当;磷肥（P2O5）偏生产力为76.7～129.7 kg/kg，平均90.3 kg/kg，略低于全省（98 kg/kg）和全国（96 kg/kg）。

2.3   玉米产量和化肥偏生产力与土壤主要理化性质的关系

偏相关分析表明（表3），玉米产量除与0～10 cm土壤紧实度的偏相关系数（0.244）达不到差异显著水平外，与其他土层土壤三相比δ值和土壤紧实度均呈极显著负相关，与各土层土壤 > 0.25 mm水稳性团聚体含量和土壤有机质含量均呈极显著正相关，表明所选择的4个参数与玉米产量均密切相关。氮肥偏生产力与土壤三相比δ值、土壤紧实度、土壤 > 0.25 mm水稳性团聚体含量和土壤有机质含量之间均达不到差异显著水平，即这4个参数不能很好地表征氮肥肥效。磷肥偏生产力与10～20、0～40 cm土层土壤三相比δ值的偏相关系数（0.400、0.329）呈极显著正相关，与各土层土壤有机质含量和10～20、20～40、0～40 cm土层土壤 > 0.25 mm水稳性团聚体含量的偏相关系数（0.351、0.339、0.344）呈极显著负相关，与各土层土壤紧实度和0～10 cm土层土壤三相比δ值的偏相关系数（0.284）呈显著正相关，与0～10 cm土层 > 0.25 mm水稳性团聚体含量的偏相关系数（0.309）呈显著负相关，唯独与20～40 cm土层土壤三相比δ值的偏相关系数（0.245）达不到差异显著水平。

2.4   各因子之间的相互关系

相关分析表明（表4），在0～40 cm土层范围内，各层次土壤紧实度、土壤三相比δ值与土壤 > 0.25 mm水稳性团聚体含量、土壤有机质含量之间均呈极显著负相关，土壤紧实度与土壤三相比δ值之间、土壤 > 0.25 mm水稳性团聚体含量与土壤有机质含量间均呈极显著正相关，其中土壤紧实度、土壤 > 0.25 mm水稳性团聚体含量、土壤有机质含量与土壤三相比δ值之间，以及土壤紧实度与土壤有机质含量之间的Pearson相关系数均随着土層的加深而增加。从各相关系数的绝对值来看，土壤 > 0.25 mm水稳性团聚体含量与土壤有机质含量之间的相关系数最大，其次是土壤三相比δ值与土壤有机质含量和 土壤> 0.25 mm水稳性团聚体含量之间的相关系数，说明这三者之间的关系更加密切。一方面，土壤有机质含量的增加促进了水稳性团聚体的形成，从而降低了土壤三相比;另一方面，疏松土层有利于作物根系发育和分布，进一步促进了土壤有机质含量的增加和 土壤> 0.25 mm水稳性团聚体的形成[17 ]。

为了定量比较各因子对玉米产量影响的相对重要性，采用多元逐步回归分析，得到玉米产量与各土层土壤紧实度、土壤三相比δ值、土壤 > 0.25 mm水稳性团聚体、土壤有机质含量的关系式：

0～10 cm土层：Y=10 598.504+242.981X4

（R2=0.214**，F=15.781，P  < 0.01;tX4=3.973**）

10～20 cm土層：Y=10 255.081+344.309X3

（R2=0.218**，F=16.187，P  < 0.01;tX3=4.023**）

20～40 cm土层：Y=10 703.295+349.516X4（R2=0.216**，F=15.987，P < 0.01;tX4=3.998**）

0～40 cm土层：Y=9 904.628+361.580X3（R2=0.224**，F=16.757，P < 0.01;tX3=4.093**）

式中：Y为玉米产量;X3为该土层土壤 > 0.25 mm水稳性团聚体含量，X4为该土层土壤有机质含量;t为自变量的偏回归系数。从上述关系式可以看出，虽然不同土层影响玉米产量的主效因子不同，但总体上与10～20、0～40 cm土层土壤 > 0.25 mm水稳性团聚体含量以及0～10、20～40 cm土层土壤有机质含量的关系最密切，均与玉米产量呈极显著正相关，而其他各土层的土壤紧实度、土壤三相比δ值虽然也直接或间接影响着玉米产量，但关系不密切。

2.5  合理耕层指标的拟合

从表5可以看出，玉米产量与土壤紧实度、土壤三相比δ值的关系可以用一元二次方程来拟合，0～10、10～20、20～40 cm土层土壤三相比δ值的决定系数R2（0.168、0.181、0.137）和10～20、20～40 cm土层土壤紧实度的决定系数R2（0.147、0.194）均达到极显著水平;0～10 cm土层土壤紧实度的决定系数R2（0.085）也达到显著水平。玉米产量与土壤 > 0.25 mm水稳性团聚体含量、土壤有机质含量的关系可以用一元线性方程来拟合，0～10、10～20、20～40 cm土层 土壤 > 0.25 mm水稳性团聚体含量的决定系数R2（0.209、0.218、0.198）和土壤有机质含量的决定系数R2（0.214、0.206、0.216）均达到极显著水平。从玉米产量与土壤紧实度、土壤三相比δ值、土壤 > 0.25 mm水稳性团聚体含量、土壤有机质含量的拟合方程得到，甘肃引黄灌区灌耕灰钙土适宜条件下的玉米产量以15 000 kg/hm2为目标时，0～10、10～20、20～40土层土壤三相比δ值合理耕层指标分别为  6.94、5.43、2.78，土壤紧实度分别为370、909、945 kPa，土壤> 0.25 mm水稳性团聚体分别为24.25%、13.78%、9.68%，土壤有机质含量分别为18.1、15.8、12.3 g/kg。

3   结论

甘肃引黄灌区灌耕灰钙土0～40 cm土壤三相比δ值平均为11.02，土壤紧实度平均为1 412 kPa，土壤> 0.25 mm水稳性团聚体含量平均为10.95%，土壤有机质含量平均为10.8 g/kg，均呈中等变异特征。土壤紧实度随土层加深而显著增加，土壤三相比δ值、土壤> 0.25 mm水稳性团聚体含量和有机质含量均有随着土层加深而降低的趋势。玉米产量与0～40 cm土层土壤三相比δ值和土壤紧实度呈极显著负相关，与土壤> 0.25 mm水稳性团聚体含量和土壤有机质含量呈极显著正相关;磷肥偏生产力与0～40 cm土层土壤三相比δ值呈极显著正相关，与土壤紧实度呈显著正相关，与土壤> 0.25 mm水稳性团聚体含量和土壤有机质含量呈极显著负相关;氮肥偏生产力与4个指标之间均达不到差异显著水平。玉米产量与土壤紧实度、土壤三相比δ值的关系可以用一元二次方程来拟合，与土壤> 0.25 mm水稳性团聚体含量、土壤有机质含量的关系可以用一元线性方程来拟合。目标产量15 000 kg/hm2所对应的0～10、10～20 cm土层土壤三相比δ值分别为6.94、5.43，土壤紧实度分别为370、909 kPa;土壤> 0.25 mm水稳性团聚体含量分别为24.25%、13.78%，土壤有机质含量分别为18.1、15.8 g/kg。

多元逐步回归分析表明，玉米产量最终取决于土壤> 0.25 mm水稳性团聚体含量和土壤有机质含量两个关键因素。因此，通过深松、深翻和秸秆还田等措施来打破犁底 层[18 - 19 ]、提高土壤有机质含量、降低耕层土壤紧实度、促进土壤大团聚体形成是提高甘肃引黄灌区玉米产量的关键。

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（本文责编：陈  伟）