引黄灌区灰钙土水浇地犁底层厚度对土壤紧实度及玉米生长的影响

姜万礼 王成宝 杨思存 霍琳 温美娟

摘要：针对甘肃引黄灌区灰钙土水浇地普遍存在的土壤耕层逐年变浅、犁底层逐渐变厚、有效土壤少的问题，在甘肃省农业科学院白银沿黄灌区农业试验站以未扰动的自然土壤为对照，设置0、5、10、15、20 cm共5个犁底层厚度，对比分析了各处理对玉米籽粒产量、生物产量、株高，以及土壤紧实度的影响。结果表明，犁底层厚度为0 cm时，玉米收获后籽粒产量和生物产量均最高，较未扰动的自然土壤显著增产15.92%、6.02%，株高增加4.36%；犁底层厚度为5 cm时，玉米株高增加2.17%。0～7.5 cm土层深度，各处理的土壤紧实度均高于未扰动的自然土壤，10.0～35.0 cm土层深度，各处理的土壤紧实度均低于未扰动的自然土壤。综上认为，犁底层厚度小于10 cm且紧实度在700 kPa左右时的土壤适宜玉米生长。

关键词：灰钙土；犁底层厚度；土壤紧实度；玉米；水浇地

中图分类号：S513              文献标志码：A              文章编号：2097-2172（2023）12-1146-004

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2023.12.011

Effects of the Thickness Threshold of Plow Pan on Soil Compaction and

Maize Growth in Grey-calcium Soil of Yellow River Irrigation Area

JIANG Wanli， WANG Chengbao， YANG Sicun， HUO Lin， WEN Meijuan

（Institute of Soil Fertilizer and Water-saving Agriculture， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract： Issues in grey-calcium soil of Gansu yellow river irrigation area， such as soil tillage layer becoming shallow， plow pan becoming thicker and the effective soil tillage layer becoming thinner， have seriously affected crop growth. A simulation experiment was conducted at the Agricultural Experiment Station of Baiyin along the Yellow Irrigation Area， Gansu Academy of Agricultural Sciences. The experiment treatments included CK（undisturbed natural soil） and 5 plow pan thicknesses： 0 cm， 5 cm， 10 cm， 15 cm， and 20 cm， and effects of each treatment on grain yield， biomass， plant height， and soil compactness were analyzed. The results showed that the highest grain yield， biomass and plant height were achieved by 0 cm plow pan thickness， with an increase of 15.92% and 6.02% and 4.36%， respectively， compared to that of CK. Plant height was increased by 2.17% under 5 cm plow pan thickness. Soil compactness in all treatments under 0 to 7.5 cm plow pan thickness were higher than that of the CK， whereas soil compactness in all treatments under 10.0 to 35.0 cm plow pan thickness were lower than that of the CK. In conclusion， the plow pan thickness less than 10 cm and compactness around 700 kPa is suitable for maize growth.

Key words： Grey-calcium Soil; Thickness of plow pan; Soil compactness; Maize; Irrigated land

收稿日期：2023 - 06 - 16

基金项目：农业部公益性行业（农业）科研专项（201503117）。

作者简介：姜万礼（1985  — ），男，甘肃兰州人，助理研究员，主要从事盐碱地改良与农田面源污染控制研究。Email： 416543735@qq.com。

通信作者：楊思存（1971  — ），男，甘肃靖远人，主要从事盐碱地改良方面的研究。Email： 908824199@qq.com。

甘肃引黄灌区是甘肃省重要的综合农业商品生产基地之一，由于有黄河及其众多支流水源，自20世纪60年代，该区相继建成了景电、兴电、刘川等电力提灌工程，农田实际灌溉面积达38.45万hm2，极大地改善了这一区域的农业生产条件［1 - 2 ］。但随着农业机械化水平的提高和小型耕作机具的普及，长期单一的旋耕和浅耕作业导致耕层逐渐变浅及上层土壤粉化［3 ］，小型农机具的反复碾压及大水漫灌加剧了下层土壤沉积压实，犁底层不断加厚，耕层深度平均仅为16.5 cm，土壤容重普遍在1.4 g/cm3左右，紧实度超过1 000 kPa［4 - 5 ］。这种“浅、实、少”的耕层结构严重阻碍了作物根系的深层分布及其水肥吸收功能，致使水肥资源利用率降低［6 - 9 ］，抗逆减灾能力和产出能力变弱，制约了该地区作物高产稳产和耕地的可持续利用。为此，我们研究了不同犁底层厚度对甘肃引黄灌区耕地土壤紧实度、作物生物量及产量的影响，以期为该区水浇地土壤管理和合理耕层构建提供参考。

1   材料与方法

1.1   试验地概况

试验于2017年在靖远县北滩乡景滩村进行。当地海拔1 645 m，年均降水量259 mm，蒸发量   2 369 mm，年平均气温6.6 ℃，> 0 ℃的积温为3 208 ℃，> 10 ℃的积温为2 622 ℃，无霜期160～170 d，年日照时数2 919 h，总辐射量616.2 kJ/cm2。供试土壤为灰钙土，耕层土壤含有机质8.02 g/kg、全氮0.67 g/kg、全磷1.14 g/kg、碱解氮48.6 mg/kg、速效磷8.4 mg/kg、速效钾205.0 mg/kg。0～10、10～20、20～40 cm土层含盐量分别为1.28、1.31、1.06 g/kg，土壤pH分别为8.46、8.54、8.58。

1.2    供試材料

指示玉米品种为先玉335，由敦煌种业先锋良种有限公司生产。供试肥料为尿素（含N 46%，甘肃刘化集团有限责任公司生产）、磷酸二铵（含P2O5 46%、N 18%，由四川什邡市运东化工有限公司生产）。

1.3   试验方法

试验土层总深度50 cm，耕层20 cm，容重1.2 g/cm3。设5个犁底层厚度处理，即0 、5、10、15、20 cm，犁底层容重1.5 g/cm3。犁底层处理面积为0.96 m2（1.20 m×0.80 m）。其中0 cm处理人为挖50 cm深坑后回填；5～20 cm处理于20 cm深处人为按试验设计构建犁底层厚度，犁底层以下为自然未扰动土壤。以未扰动的自然土壤为对照（CK）。试验设4次重复。试验于2017年4月中旬采用带状覆膜方式种植玉米，带幅1.2 m、行距60 cm、株距25 cm，种植密度67 500株/hm2。肥料用量为当地习惯施肥量，于播前基施N 375 kg/hm2、P2O5 150 kg/hm2。其他管理同当地大田。

1.4   样品采集与分析

在玉米大喇叭口期（7月5日）、成熟期（10月15日）分别测量株高。成熟后按小区收获测产（生物产量、籽粒产量）。收获后采用SC-900土壤紧实度仪每2.5 cm土层随机取5点测定土壤紧实度，取平均值。

2   结果与分析

2.1   不同犁底层厚度对玉米籽粒、 生物产量的影响

通过图1可以看出，犁底层厚度0、5 cm处理的玉米籽粒产量均显著高于其他处理，10、15、20 cm处理的玉米籽粒产量均与CK无显著差异。犁底层厚度为0 cm处理的玉米籽粒产量较5、10、15、20 cm处理分别显著提高8.05%、15.68%、21.02%、22.82%，较CK显著提高15.92%。犁底层厚度5 cm处理的玉米籽粒产量较10、15、20 cm处理分别显著提高7.06%、12.01%、13.67%，较CK显著提高7.28%。

犁底层厚度0 cm处理与5 cm处理的生物产量差异不显著，但显著高于其余处理，较犁底层厚度10、15、20 cm处理分别增加了7.44%、11.84%、12.05%，与CK相比显著增加了6.02%。犁底层厚度5 cm处理的生物产量较15、20 cm处理分别显著提高了6.21%、6.41%。从籽粒产量和生物产量看出，犁底层厚度≤5 cm更适宜玉米的生长发育。

2.2   不同犁底层厚度对株高的影响

从图2可以看出，在试验设计的2个测定时期，犁底层厚度为0、5 cm处理的玉米株高均高于其他处理。在大喇叭口期，犁底层厚度为0、5 cm处理的玉米株高处于同一水平，均显著高于其他处理，其中犁底层厚度5 cm处理的玉米株高最高，较CK显著增加了5.17%，较10、15、20 cm处理分别显著增加了8.69%、10.03%、11.97%；犁底层厚度0 cm处理的玉米株高次之，较CK显著增高了3.40%，较10、15、20 cm处理分别显著增高6.87%、8.19%、10.10%。而10、15、20 cm处理的玉米株高处于同一水平，但20 cm处理显著低于CK，而10、15 cm处理均与CK差异不显著。在收获期，犁底层厚度为0、5 cm处理的玉米株高处于同一水平，均高于其他处理，其中犁底层厚度0 cm处理的玉米株高最高，较CK显著增高了4.36%，较10、15、20 cm处理分别显著增高2.87%、3.09%、3.62%；犁底层厚度5 cm处理玉米株高次之，较CK增高了2.17%，较10、15、20 cm处理分别增高0.72%、0.93%、1.45%。而10、15、20 cm处理和CK的玉米株高处于同一水平，且处理间差异均不显著。可以看出，犁底层厚度小于10 cm时供试作物生长良好。

2.3   不同犁底层厚度对紧实度的影响

从图3看出，随着土层深度加深，各犁底层处理的土壤紧实度总体呈逐渐增大趋势。CK土壤紧实度随土层深度呈先增后降趋势，在土层深度为27.5 cm时最高，达1 380 kPa。0～7.5 cm土层各犁底层处理的土壤紧实度为310～530 kPa，均大于CK。10.0～35.0 cm土层各犁底层处理的土壤紧实度均低于CK，35.0～45.0 cm土层CK的紧实度又低于各犁底层处理。对比各犁底层处理，20 cm土层内，犁底层厚度5 cm处理的土壤紧实度为430 kPa，小于其他犁底层厚度处理，其中15.0 cm土层深度下，犁底层厚度5 cm处理的土壤紧实度较0、10、15、20 cm处理分别降低了25.9%、17.1%、5.3%、8.9%。玉米株高、籽粒产量、生物产量在犁底层厚度小于10 cm时表现良好，因此土壤紧实度为700 kPa左右適宜玉米生长，这与前人的研究表明土壤紧实度为700 kPa左右时适宜作物生长的结论一致［10 - 14 ］。

3   讨论与结论

良好的耕层构造决定了整个土体与外界水、肥、气、热交换能力的高低，构建良好的耕层构造能够充分发挥耕层生产力［15 ］。犁底层相当于耕作层的底板，其深度，厚度都严重影响作物生长发育。破除犁底层可显著降低土壤穿透阻力，提高土壤蓄水保墒能力，促进作物生长发育，提高作物干物质累积，提高作物产量［16 - 17 ］。本研究模拟的5个（0、5、10、15、20 cm）犁底层厚度，无论是籽粒产量、生物产量和株高，均以0、5 cm处理显著高于其他处理，表明无犁底层或者犁底层厚度低于5 cm时有利于玉米的生长发育和产量提升。犁底层厚度的增大，土壤耕层含水量饱和以后下渗降低，贮水量减少，影响作物生长发育。犁底层具有土壤颗粒排列紧密、容重大等特点［18 ］，犁底层改变了土壤结构等物理特性，且主要影响作物根系的生长发育［19 - 21 ］。郑存德［22 ］对辽宁棕壤玉米田调研发现，产量大于 11.25 t/hm2的玉米田，90%地块犁底层厚度为 7～10 cm。本研究表明，随耕层加深，各处理的土壤紧实度逐渐增大，然而，在土层深度20.0 cm时，犁底层厚度5 cm处理的土壤紧实度相对于其他处理小；在土层深度30.0～50.0 cm，犁底层厚度0、5 cm处理的土壤紧实度均小于其他处理。上述结果说明耕层无犁底层或者犁底层厚度小于5 cm的土壤相对疏松，有利于作物根系的穿透，以及汲取水分、矿质营养等资源。

本研究表明，玉米收获后耕层20.0 cm、犁底层厚度5 cm处理的玉米株高较未扰动的自然土壤（CK）显著提高2.17%，犁底层厚度0 cm处理较未扰动的自然土壤显著提高4.36%。说明犁底层厚度小于10 cm有利于玉米生长发育。犁底层厚度0 cm处理的玉米籽粒产量最高，均显著高于其他处理，较未扰动的自然土壤显著增加15.92%；生物产量也最高，较未扰动的自然土壤显著增加6.02%。从籽粒、生物产量看出，犁底层厚度在≤5 cm时更适宜玉米的生长发育。0～7.5 cm土层深度各处理的土壤紧实度均高于未扰动的自然土壤，10.0～35.0 cm土层深度各处理的土壤紧实度均低于未扰动的自然土壤。综合比较，犁底层厚度小于10 cm且紧实度在700 kPa左右的土壤适宜玉米生长。

参考文献：

［1］ 霍   琳，王成宝，杨思存，等.  甘肃引黄灌区玉米茬耕层土壤状况调查［J］.  甘肃农业科技，2019（10）：51-56.

［2］ 霍   琳，杨思存，王成宝，等.  耕作方式对甘肃引黄灌区灌耕灰钙土团聚体分布及稳定性的影响［J］.  应用生态学报，2019，30（10）：3463-3472.

［3］ 刘国利，崔双双，孙泽强，等.  深松深度对鲁西南土壤耕层理化性状和作物产量的影响［J］.  山东农业科学，2021，53（2）：71-78.

［4］ 蒲   境，史东梅，娄义宝，等.  不同耕作深度对红壤坡耕地耕层土壤特性的影响［J］.  水土保持学报，2019，33（5）：8-14.

［5］ 童文杰.  不同耕作深度对土壤物理性状及烤烟根系空间分布特征的影响［J］.  中国生态农业学报，2016，24（11）：1464-1472.

［6］ 杨   越，李   蕊，李彦生，等.  黑土不同耕层厚度对玉米根系形态空间分布及其产量的影响［J］.  玉米科学，2019，27（1）：97-103.

［7］ 王成宝，温美娟，杨思存，等.  耕作方式对灌耕灰钙土耕层物理性质和玉米产量的影响［J］.  干旱地区农业研究，2022，40（3）：170-177.

［8］ 温美娟，杨思存，王成宝，等.  深松和秸秆还田对灌耕灰钙土团聚体特征的影响［J］.  干旱地区农业研究，2020，38（2）：78-85.

［9］ 张   琦，王   浩，王淑兰，等.  深松轮耕模式对黄土旱塬春玉米土壤理化性质和作物产量的影响［J］.  应用生态学报，2020，31（2）：459-466.

［10］ KOUREH K H， ASGARZADEH H， MOSADDEGHI R M， et al. Critical Values of Soil Physical Quality Indicators Based on Vegetative Growth Characteristics of Spring Wheat（Triticum aestivum L.）［J］.  Journal of Soil Science and Plant Nutrition， 2020， 20（3）： 493-506.

［11］ HARASIM E， ANTONKIEWICZ J， KWIATKOWSKI A C.  The Effects of Catch Crops and Tillage Systems on Selected Physical Properties and Enzymatic Activity of Loess Soil in a Spring Wheat Monoculture［J］.  Agronomy， 2020， 10（3）： 334.

［12］ QING S， WU S， ZIXUAN Z， et al. Soil compaction and maize root distribution under subsoiling tillage in a wheat maize double cropping system［J］.  Agronomy， 2023， 13（2）： 394.

［13］ SAIIN S S， ISMAIL F M， ISMAIL R， et al.  Effect of Different Soil Types and Plant Densities on Growth Dynamic and Yield of Sweet Corn（Zea mays L.） in Peninsular Malaysia［J］.  Asian Journal of Soil Science and Plant Nutrition， 2023， 9（1）： 1-20.

［14］ T M G， TOMASZ H， ANNA M， et al.  Effect of soil drought on growth and yield of maize （Zea mays L.） hybrids grown under compacted soil［J］.  Journal of Agronomy and Crop Science， 2022， 209（2）： 300-315.

［15］ 鄭洪兵，郑金玉，罗   洋，等.  农田不同耕层构造对玉米生长发育及产量的影响［J］.  干旱地区农业研究，2015，33（5）：41-45.

［16］ 翟   振，李玉义，郭建军，等.  耕深对土壤物理性质及小麦－玉米产量的影响［J］.  农业工程学报，2017，33（11）：115-123.

［17］ 宋   日，吴春胜.  打破犁底层对玉米根系生长发育的影响［J］.  耕作与栽培，2000（5）：6-7.

［18］ 刘绪军，荣建东.  深松耕法对土壤结构性能的影响［J］.  水土保持应用技术，2009（1）：9-11.

［19］ 罗   洋，郑金玉，郑洪兵，等.  不同耕层结构对玉米生长发育的影响［J］.  玉米科学，2014，22（2）：113-116.

［20］ 刘   爽，严昌荣，何文清，等.  不同耕作措施下旱地农田土壤呼吸及其影响因素［J］.  生态学报，2010，30（11）：2919-2924.

［21］ 翟   振，李玉义，逄焕成，等.  黄淮海北部农田犁底层现状及其特征［J］.  中国农业科学，2016，49（12）：2322-2332.

［22］ 郑存德.  土壤物理性质对玉米生长影响及高产农田土壤物理特征研究［D］.  沈阳：沈阳农业大学，2012.