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第 33 卷 第 11 期 农 业 工 程 学 报 Vol.33 No.11 2017 年 6 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun. 2017 115 耕深对土壤物理性质及小麦-玉米产量的影响 翟 振 1，李玉义1，郭建军2，王 婧1，董国豪2，郭智慧2，逄焕成1 （1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.德州市农业科学研究院，德州 253000） 摘 要：为了解不同犁底层破除程度对黄淮海平原农田土壤蓄水保墒、穿透阻力动态变化及作物产量的影响，在山东德 州试验基地以冬小麦-夏玉米轮作农田为研究对象，设置 4 个犁底层厚度处理，分别为犁底层不破除（RT15） 、犁底层破 除 1/3（DL20） 、犁底层破除 2/3（DL25）和犁底层完全破除（DL40） 。结果表明：1）完全或者部分破除犁底层均能够显 著降低 1030 cm 土层容重和穿透阻力， 各处理降低幅度具体表现为 DL40DL25DL20RT15。 2） DL20、 DL25 和 DL40 处理有利于增加降水或灌溉后水分入渗，冬小麦苗期 2070 cm 土壤平均含水率分别较 RT15 处理提高 5.3%、15.9%和 23.6%， 且冬小麦季耗水量分别较 RT15 处理提高 4.9%、 10.2%和 11.6%； DL20、 DL25 和 DL40 处理夏玉米苗期 2070 cm 土壤平均含水率分别较 RT15 处理提高 7.7%、14.2%和 15.8%，但夏玉米季耗水量分别较 RT15 处理降低 5.8%、7.6%和 10.5%。3）冬小麦季 015 和1530 cm 土层穿透阻力均表现为双峰型，且 2 土层受冻融作用影响各处理在越冬期达到 穿透阻力峰值 1 489.22 128.1 和 1 925.44 423.7 kPa；3045 cm 土层各处理穿透阻力变化规律在两季作物生长后期差 异较大，冬小麦生长后期表现为 DL40DL25DL20RT155，而夏玉米后期表现为 DL401020 cm 土层容重以 RT15 最高，为 1.43 g/cm3， 显著高于DL20、 DL25 和 DL40 处理 （P0.05）；各处理2030 cm 土 层容重差异最大，表现为 DL403040 cm 土层容重显著低于其他处理， DL20、 DL25 及 RT15 处理之间无显著差异（P0.05）；由于各处 理耕层构建方式均未对4050 cm 深层土壤造成干扰，因 此各处理4050 cm 容重无显著差异（P0.05）。 图 4 所示为 4 种耕层构造 045 cm 土壤剖面穿透阻 力变化情况。由于长期受到小型农机具机械碾压及旋耕 犁具的挤压作用，传统耕作方式下形成的耕层构造 （RT15）存在明显的分层现象，形成了明显的犁底层 （1530 cm），各层次穿透阻力存在显著差异，其中表 层015 cm及心土层3045 cm穿透阻力分别为456.3 和 2 593.2 kPa，均显著低于犁底层穿透阻力 3 064.5 kPa （P0.05） ， 而1530 cm 穿透阻力分别为 2081.5、 1380.7 及888.8 kPa， 分别较RT15处理降低32.1%、 55.0%和71%， 且差异均达到显著水平（P0.05）， 且均显著高于 DL40 处理（PDL25DL40，即随 着犁底层破除程度越大，020 cm 土层含水率越低，其 中冬小麦苗期 DL25 和 DL40 处理表层含水率显著低于 RT15 和 DL20 处理（P DL25DL40， 其中 RT15 处理显著高于 DL25 和 DL40 处 理（P0.05）； 随着冬小麦生育期进程推进，各处理仅在成熟期出现穿 透阻力峰值，成熟期（2015 年 6 月 22 日）DL25 和 DL40 处理3045 cm 穿透阻力较 RT15 处理显著提高 （P3045 cm 土层穿透阻力变化规律与冬小麦季差 异较大，具体表现为：RT15DL20DL25DL40。 图 8 夏玉米季土壤穿透阻力动态变化 Fig.8 Dynamic change of soil penetration resistance in summer maize season 2.4 不同处理对冬小麦-夏玉米周年产量及水分利用效 率的影响 从表 1 可看出，打破犁底层有利于提高作物产量， 具体表现为 DL25DL40DL20RT15，且 DL40 与 DL25 处理产量均显著大于 RT15 和 DL20 处理（PDL20RT15， DL25 和 DL40 处理冬小麦全生育期耗水量较 RT15 处理显著提高 （P0.05），这说明随着犁底层破除程度的 增加，冬小麦耗水量有增加的趋势也说明打破犁底层有 利于作物生长充分调用土壤深层水分；而夏玉米季各处 理全生育期耗水规律与冬小麦相反，具体表现为： 农业工程学报（） 2017 年 120 RT15DL20DL25DL40，同时夏玉米全生育期降水及灌 水量达435.8 mm，能够玉米生长提供充足水分，说明打破 犁底层有助于土壤深层蓄水，减少水分无效耗散，而 RT15 及DL20 处理条件下，有更多的水分进行了无效耗散。 打破犁底层后，DL40 和 DL25 处理水分供给能力增 强，作物水分利用效率均较 RT15 处理有显著增加 （P0.05），表明打破犁底层 5 cm，并不能显著改善土壤水分条件和作物水分利用效 率，因此 DL20 处理对作物增产效果有限。 表 1 不同耕层结构下冬小麦-夏玉米周年产量及水分利用效率 Table 1 Yield and water use efficiency of winter wheat-summer maize under different plough layer constructions 实际产量 Actual yield/(thm-2) 耗水量 Water consumption/mm 水分利用效率 Water use efficiency/(kghm-2mm-1) 处理 Treatment 冬小麦 Winter wheat 夏玉米 Summer maize 周年产量 Annual grain yield 冬小麦 Winter wheat 夏玉米 Summer maize 冬小麦 Winter wheat 夏玉米 Summer maize 周年 Annual RT15 6.2 c 7.0 b 13.2 b 314.0 b 379.8 a 19.8 ab 18.4 b 19.0 b DL20 6.4 c 7.3 b 13.7 b 329.3 ab 357.7 b 19.3 b 20.4 ab 19.9 b DL25 7.1 a 8.2 a 15.3 a 346.1 a 350.9 bc 20.6 a 23.4 a 22.0 a DL40 6.8 b 8.0 a 14.8 a 350.3 a 339.8 c 19.4 b 23.5 a 21.4 a 3 讨 论 3.1 不同处理对冬小麦-夏玉米农田土壤剖面结构的影响 土壤容重和穿透阻力对作物生长至关重要，对于轻 壤质土到轻粘土范围内，适宜作物生长的最佳容重应当 在 1.001.30 g/cm3，极限容重为 1.60 g/cm318。同样， Marsili 等19、Materechera 等20认为土壤紧实度达到 2 000 kPa 时将严重影响作物生长， 当阻力达到 3 600 kPa 时，作物根系生长完全停滞。本研究中，采用不同深度 行行深松手段，对犁底层进行均匀破除，形成上虚下实 的耕层构造，随着打破犁底层厚度的增加，各耕层构造 1530 cm 容重和穿透阻力均匀降低，表现为 RT15 DL20DL25DL40， 其中 DL40 和 DL25 处理1530 cm 平均容重分别为 1.33 和 1.36 g/cm3，主要生育期（苗期、 灌浆期）平均穿透阻力分别为 1 826.24 和 1 984.60 kPa， 均不会对作物生长构成严重影响。 3.2 不同处理对冬小麦-夏玉米农田土壤水分的影响 犁底层的普遍存在破坏了土壤结构，阻碍了土层内 水、肥、气、热的传输21。佘海铭等22研究发现，与均 质土壤构型相比，犁底层土壤剖面构型入渗能力减弱， 具体表现为入渗量减小，入渗时间延长。孙蓓等23同样 认为较低的犁底层入渗率影响了耕地的入渗特性。本研 究中，RT15 和 DL20 处理犁底层破除程度较小，作物苗 期灌溉后表层土壤水分含量较其他处理有显著提高，水 分入渗速率慢。拔节期 RT15 和 DL20 处理由于较厚犁底 层的存在导致冬小麦根系分布浅层化，深层水分没有被 作物生长充分利用，同时表土层水分不能得到有效补给， 因此3080 cm 土壤水分含量相对较高，而 DL25 和 DL40 处理冬小麦一方面能够接受通过毛管来自深土层 的水分补给，同时由于根系下扎直接利用深层水分，降 低干旱时期水分胁迫，冬小麦拔节期和成熟期 DL25 和 DL40 处理 0100 cm 蓄水量均显著低于 RT15 和 DL20 处理（PDL25 DL20RT15，说明水分供给充足时，DL40 及 DL25 处理 不仅能维持作物高速生长，同时能够含蓄更多水分。提 高了蓄水能力，减少水分的无效耗散，提高了水分利用 效率。 表 2 不同耕层构造对冬小麦-夏玉米各生育时期 0100 cm 土壤蓄水量的影响 Table 2 Effect of plough layer construction on water storage during growth periods of winter wheat and summer maize (0-100 cm soil depth) 冬小麦季蓄水量 Water storage of winter wheat season/mm 夏玉米季蓄水量 Water storage of summer maize/mm 处理 Treatment 苗期 Seedling stage 拔节期 Jointing stage 成熟期 Harvesting stage 苗期 Seedling stage 大喇叭口期 Flare opening stage 成熟期 Harvesting stage RT15 256.8 b 228.9 a 191.6 a 271.0 c 326.9 b 247.9 a DL20 256.3 b 227.9 a 169.2 b 284.6 b 329.1 b 247.8 a DL25 272.2 ab 204.0 b 148.8 c 286.3 ab 328.0 ab 230.9 b DL40 281.4 a 192.6 b 143.6 c 291.0 a 331.3 a 236.1 ab 但目前国内耕层构造改良多是采用间隔深松手段， 对犁底层进行完全破除3， 王立春等10研究发现水平方向 松紧兼备的竖型耕层构造利于水分的渗透，2 h 可接纳 174 mm 的降水，远大于 V 型深松 2 h 内透水量 72 75 mm。但本研究表明犁底层被完全破除，并不利于提高 产量，这可能是由于犁底层完全破除后导致水分入渗速 率明显增大；另一方面会产生大的土壤比表面积和短的 弥散路径，使硝态氮的淋溶量增加24，将硝态氮淋洗到 作物主要根层分布区以下25，这样不仅降低作物养分利 用率，还会对地下水造成污染26，尤其在黄淮海平原漫 灌灌溉方式和季节性集中降水条件下，更是增加了犁底 层被完全破除后养分的深层淋溶风险。 第 11 期 翟 振等：耕深对土壤物理性质及小麦-玉米产量的影响 121 3.3 不同处理对小麦-玉米农田穿透阻力变化的影响 犁底层通过改变水分入渗和作物耗水来影响不同土 壤层次穿透阻力的动态变化27-28，冬小麦越冬期（2015 年 1 月 17 日）RT15 处理 015 cm 土层穿透阻力最大， 达到 2 128.10 kPa，显著高于其他处理（P3045 cm 含水率较低，且穿透阻力较 RT15 处理显著增加。 而夏玉米成熟期 RT15 处理穿透阻力显著 高于 DL25 和 DL40 处理（P1030 cm 土壤容重和穿透阻力（P DL20 RT15, while that of summer maize was DL40 DL25 DL20 RT15. Compared with traditional topsoil structure, breaking plow pan could improve water use efficiency, and eventually promoted crop yield. However, the highest yields of winter wheat and summer maize were found at DL25, and the crop yield of the treatment with plow pan broken thoroughly (DL40) was relatively lower. Considering the yield of winter wheat and summer maize under DL40 treatment decreased by 4.2% and 2.4% respectively compared to