翟 振，李玉義，郭建軍，王 婧，董國(guó)豪，郭智慧，逄煥成※

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2.德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，德州 253000）

耕深對(duì)土壤物理性質(zhì)及小麥-玉米產(chǎn)量的影響

翟 振1，李玉義1，郭建軍2，王 婧1，董國(guó)豪2，郭智慧2，逄煥成1※

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2.德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，德州 253000）

為了解不同犁底層破除程度對(duì)黃淮海平原農(nóng)田土壤蓄水保墑、穿透阻力動(dòng)態(tài)變化及作物產(chǎn)量的影響，在山東德州試驗(yàn)基地以冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田為研究對(duì)象，設(shè)置4個(gè)犁底層厚度處理，分別為犁底層不破除（RT15）、犁底層破除1/3（DL20）、犁底層破除2/3（DL25）和犁底層完全破除（DL40）。結(jié)果表明：1）完全或者部分破除犁底層均能夠顯著降低10～30 cm土層容重和穿透阻力，各處理降低幅度具體表現(xiàn)為DL40>DL25>DL20>RT15。2）DL20、DL25和DL40處理有利于增加降水或灌溉后水分入滲，冬小麥苗期20～70 cm土壤平均含水率分別較RT15處理提高5.3%、15.9%和23.6%，且冬小麥季耗水量分別較RT15處理提高4.9%、10.2%和11.6%；DL20、DL25和DL40處理夏玉米苗期20～70 cm土壤平均含水率分別較RT15處理提高7.7%、14.2%和15.8%，但夏玉米季耗水量分別較RT15處理降低5.8%、7.6%和10.5%。3）冬小麥季0～15和>15～30 cm土層穿透阻力均表現(xiàn)為雙峰型，且2土層受凍融作用影響各處理在越冬期達(dá)到穿透阻力峰值1 489.2～2 128.1和1 925.4～4 423.7 kPa；30～45 cm土層各處理穿透阻力變化規(guī)律在兩季作物生長(zhǎng)后期差異較大，冬小麥生長(zhǎng)后期表現(xiàn)為DL40>DL25>DL20>RT155，而夏玉米后期表現(xiàn)為DL40

土壤；作物；土壤水分；犁底層；土壤容重；穿透阻力；水分利用率

0 引 言

黃淮海作為中國(guó)重要的綜合性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，在保障國(guó)家糧食安全中占有舉足輕重的地位[1-2]。同時(shí)黃淮海平原又是嚴(yán)重缺水區(qū)域，傳統(tǒng)“冬小麥-夏玉米”種植模式下灌溉方式粗放，作物水分利用效率低下，導(dǎo)致該區(qū)地下水位持續(xù)下降。而不合理的耕層結(jié)構(gòu)更是加劇了這種狀況，由于土地分散經(jīng)營(yíng)，小型農(nóng)機(jī)具在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位，長(zhǎng)期以旋代耕造成土壤緊實(shí)、耕層變淺[3]，嚴(yán)重影響作物生長(zhǎng)[4]。有研究表明黃淮海平原傳統(tǒng)旋耕耕作方式下，土壤耕層不足15 cm，且75%的農(nóng)田存在犁底層，犁底層厚度達(dá)15 cm左右。犁底層的存在阻礙耕作層與心土層之間水、肥、氣、熱的連通性，水分入滲時(shí)間延長(zhǎng)，增加了水分無效耗散，作物水分利用效率較低[4-5]。在作物耗水高峰期，犁底層穿透阻力甚至達(dá)到4 700 kPa，嚴(yán)重影響作物生長(zhǎng)[6]。

構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)是改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤蓄水能力和作物水分利用效率的重要途徑，而解決犁底層的問題是構(gòu)建合理耕層所要面對(duì)的首要問題之一。有學(xué)者[7-8]認(rèn)為采用深松、粉壟等耕作措施完全打破犁底層，能夠降低耕層土壤容重，增加耕層土壤孔隙度，提高土壤蓄水能力，最終提高作物產(chǎn)量，花偉東等[9]研究發(fā)現(xiàn)完全打破犁底層情況下，水分穩(wěn)定入滲率是有犁底層存在時(shí)的2倍，產(chǎn)流時(shí)間也較有犁底層情況延長(zhǎng)100%；但王立春等[10]提出了苗帶緊行間松、松緊兼?zhèn)湄Q向分布的耕層構(gòu)造，認(rèn)為部分破除犁底層，構(gòu)造虛實(shí)并存的耕層構(gòu)造可以在確保通氣良好的前提下，防止作物倒伏，同時(shí)可以解決耕層透水與提墑矛盾，較常規(guī)耕層構(gòu)造增產(chǎn)6.6%～31.2%?？傮w來看，目前針對(duì)犁底層的改良尚未形成統(tǒng)一觀點(diǎn)，不同厚度犁底層對(duì)土壤水分變化特征及作物產(chǎn)量的影響并不明確。

因此本研究利用長(zhǎng)期定位觀測(cè)試驗(yàn)，設(shè)置了不同厚度犁底層對(duì)比試驗(yàn)，旨在明確不同厚度犁底層對(duì)土壤水分變化過程及對(duì)作物產(chǎn)量的影響，以期為黃海海平原構(gòu)建合理耕層提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

定位試驗(yàn)設(shè)在山東省德州市黃河涯村（116°19′46.33″E，37°20′44.53″N），地處黃淮海平原，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，2014年10月－2015年10月周年平均氣溫14.9 ℃，年降雨量為504.9 mm，降水主要分布在6－8月份（圖1），以黃河水灌溉，耕作制度為一年兩熟的冬小麥-夏玉米輪作；當(dāng)?shù)馗鞣绞街饕切诿磕甓←準(zhǔn)斋@后旋耕，以小四輪拖拉機(jī)為主要?jiǎng)恿Γ疃?5 cm左右。

圖1 試驗(yàn)地點(diǎn)周年降雨量和日平均溫度Fig.1 Daily rainfall and mean temperature in growth period of experiment station

試驗(yàn)地土壤類型為潮土，0～20 cm土壤基礎(chǔ)理化性狀為有機(jī)質(zhì)19.5 g/kg、全氮1.2 g/kg、全磷1.1 g/kg、全鉀18.7 g/kg、硝態(tài)氮46.3 mg/kg、銨態(tài)氮0.6 mg/kg、速效磷25.9 mg/kg、速效鉀181.1 mg/kg、pH 8.1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

根據(jù)前期黃淮海平原耕層結(jié)構(gòu)調(diào)研結(jié)果[6]及試驗(yàn)點(diǎn)耕層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并依據(jù)犁底層破除程度設(shè)置4個(gè)耕深處理，為實(shí)現(xiàn)全面深松效果，采用深松機(jī)往返作業(yè)，實(shí)際深松間距10～15 cm，各處理分別于2014年10月21日冬小麥播種前進(jìn)行耕作，夏玉米為貼茬播種，其耕層特點(diǎn)及構(gòu)造方式分別如下：

1）犁底層不破除（RT15）：每年冬小麥播種前，采用旋耕機(jī)具作業(yè)，作業(yè)深度在15 cm，形成耕層厚度15 cm、犁底層厚度15 cm及下部心土層的耕層構(gòu)造，該耕層構(gòu)造為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)耕作方式下形成，本研究以此構(gòu)造作為對(duì)照，在此耕層構(gòu)造條件下，冬小麥和夏玉米根系主要分布層為0~20 cm。

2）犁底層破除1/3(DL20)：冬小麥播種前，采用深松機(jī)具對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行20 cm深度行行深松，同時(shí)配套旋耕犁具進(jìn)行15 cm旋耕，形成耕層20 cm、犁底層10 cm及下部心土層構(gòu)造（圖2）。

3）犁底層破除2/3（DL25）：冬小麥播種前，采用深松機(jī)具對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行25 cm深度行行深松，同時(shí)配套旋耕犁具進(jìn)行15 cm旋耕，形成耕層25 cm、犁底層5 cm及下部心土層的耕層構(gòu)造。

4）犁底層完全破除（DL40）：冬小麥播種前，采用深松機(jī)具對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行40 cm深度行行深松，對(duì)犁底層進(jìn)行完全破除，形成全虛耕層構(gòu)造，同時(shí)配套旋耕犁具進(jìn)行15 cm旋耕。因?yàn)辄S淮海平原犁底層的形成與旋耕耕作方式存在密切關(guān)系，旋耕作業(yè)深度與犁底層的深度一般是一致的，一般為15 cm左右，因此耕作層與犁底層之間的界面也相對(duì)清晰，對(duì)犁底層進(jìn)行部分破除（1/3或者2/3）相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)；但犁底層下部與心土層之間界面并不十分清晰，存在較大的變異性，因此為實(shí)現(xiàn)對(duì)犁底層的完全破除，將犁底層完全破除作業(yè)深度控制在40 cm，而非30 cm。

圖2 犁底層部分破除示意圖Fig.2 Illustration of plow pan broken partly

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，各處理3重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積15 m×12 m，共12小區(qū)，供試冬小麥品種為濟(jì)麥22，行距20 cm，于2014年10月23日播種和2015年6月7日收獲；夏玉米品種為鄭單958，種植密度67 500株/hm2，于2015年6月22日播種，10月10日收獲。

冬小麥季氮肥施用量為210 kg/hm2，磷鉀與鉀肥施用量分別為150和75 kg/hm2，其中43%的氮肥和全部磷、鉀肥作為基肥施入，其余氮肥在冬小麥拔節(jié)期結(jié)合灌溉施入農(nóng)田；夏玉米季氮肥施用量為240 kg/hm2，磷鉀與鉀肥施用量分別為75和120 kg/hm2，其中33.3%氮肥和全部磷鉀肥作基肥施入，其余氮肥在大喇叭口期追施。

試驗(yàn)期內(nèi)灌溉量采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣灌溉量，單次灌水量為60 mm，其中冬小麥季2次（2014年10月24日和2015年3月21日），玉米季1次（2015年6月23日）。其他田間管理措施均一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

1.3.1 土壤容重

冬小麥苗期，采用環(huán)刀法，每10 cm為一層，測(cè)定0～100 cm土層深度的土壤容重，環(huán)刀高度為5 cm，測(cè)定位置為每層次中間位置。

1.3.2 土壤穿透阻力

分別于冬小麥、夏玉米關(guān)鍵生育期，采用5點(diǎn)取樣法，每小區(qū)選取5個(gè)樣點(diǎn)，采用SC900土壤緊實(shí)度測(cè)定儀，測(cè)定土壤剖面0～45 cm穿透阻力分布狀況，耕作、灌溉及降水事件后增加測(cè)定次數(shù)。SC900數(shù)字式土壤緊實(shí)度測(cè)定儀測(cè)定單位為kPa，空間分辨率為2.5 cm，壓力分辨率為35 kPa（精確度為35 kPa），最大量程為45 cm，測(cè)量壓力范圍為0～7 000 kPa。

1.3.3 土壤含水率

采用土鉆取樣烘干法，于冬小麥播種前、苗期、拔節(jié)期、收獲期和夏玉米苗期、大喇叭口期、成熟期測(cè)定0～100 cm土壤含水率，每10 cm一個(gè)層次，3次重復(fù)。

土壤蓄水量計(jì)算公式[3]為

式中W為土壤蓄水量，mm；h為土層厚度，cm；a為土壤容重，g/cm3；b為土壤含水率，%。

1.3.4 產(chǎn)量及構(gòu)成因素

成熟期調(diào)查有效穗數(shù)，每區(qū)選定2.8 m×2.0 m地塊，收割烘干后測(cè)產(chǎn)；每區(qū)隨機(jī)取樣60株，室內(nèi)考種，調(diào)查穗粒數(shù)及千粒重。每小區(qū)夏玉米收獲2 m雙行，果穗脫粒，烘干，稱其質(zhì)量。

1.3.5 水分利用效率

作物耗水量[11]

式中ET為作物耗水量，mm；I為作物生育期灌溉量，mm；R1為作物生育期降水量，mm；U為地下水補(bǔ)給量，mm；R為徑流量，mm；F為土壤水分滲漏量，mm；ΔW為收獲后和播種前土壤根層儲(chǔ)水量的變化，mm，其中土壤儲(chǔ)水量以1 m土層含水率計(jì)算；因?yàn)樵囼?yàn)小區(qū)土地平坦，故地表徑流和土壤水分滲漏量可以忽略不計(jì)；地下水埋深較大，地下水的補(bǔ)充可以忽略不計(jì)；據(jù)此，上式（2）可簡(jiǎn)化為

因此水分利用利率[12-13]為

式中WUE為籽粒產(chǎn)量水分利用效率，t/(hm2·mm)；Y為作物產(chǎn)量，t。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析方法

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并作圖，用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件分析數(shù)據(jù)，方差齊性的顯著性檢驗(yàn)采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥播前不同處理剖面容重和穿透阻力分布特征

通過不同深度的行行深松，打破了犁底層原有的致密結(jié)構(gòu)，提高了孔隙度，形成了不同的耕層構(gòu)造，不同耕層構(gòu)造下土壤物理性狀的最直接表現(xiàn)是剖面容重的變化（圖3）。

圖3 0～50 cm土壤容重垂直變化規(guī)律Fig.3 Vertical distribution of bulk density from 0 to 50 cm in field

從整體來看，隨著土壤深度的增加，RT15和DL20處理土壤容重呈現(xiàn)先增加后降低的“S”型增加趨勢(shì)，而DL25和DL40處理土壤容重呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。各處理0～10 cm土層容重在1.28～1.29 g/cm3左右，無顯著差異（P>0.05），>10～20 cm土層容重以RT15最高，為1.43 g/cm3，顯著高于DL20、DL25和DL40處理（P<0.05），其余處理間無顯著差異（P>0.05）；各處理>20～30 cm土層容重差異最大，表現(xiàn)為DL400.05）；DL40處理>30～40 cm土層容重顯著低于其他處理，DL20、DL25及RT15處理之間無顯著差異（P>0.05）；由于各處理耕層構(gòu)建方式均未對(duì)>40～50 cm深層土壤造成干擾，因此各處理>40～50 cm容重?zé)o顯著差異（P>0.05）。

圖4所示為4種耕層構(gòu)造0～45 cm土壤剖面穿透阻力變化情況。由于長(zhǎng)期受到小型農(nóng)機(jī)具機(jī)械碾壓及旋耕犁具的擠壓作用，傳統(tǒng)耕作方式下形成的耕層構(gòu)造（RT15）存在明顯的分層現(xiàn)象，形成了明顯的犁底層（>15～30 cm），各層次穿透阻力存在顯著差異，其中表層0～15 cm及心土層＞30～45 cm穿透阻力分別為456.3和2 593.2 kPa，均顯著低于犁底層穿透阻力3 064.5 kPa（P<0.05）；采用不同深度行行深松，對(duì)犁底層進(jìn)行部分破除，能夠不同程度降低犁底層穿透阻力，DL20、DL25、DL40處理表層0～15 cm穿透阻力分別為195.3、187.8及155.0 kPa，與RT15處理表層穿透阻力均無顯著差異（P>0.05），而>15～30 cm穿透阻力分別為2081.5、1380.7及888.8 kPa，分別較RT15處理降低32.1%、55.0%和71%，且差異均達(dá)到顯著水平（P<0.05）；由于DL40處理犁底層完全破除，而DL20、DL25處理分別保留不同厚度犁底層，因此DL20和DL25處理＞15～30 cm穿透阻力較DL40處理均有顯著提高（P<0.05），DL20和DL25之間>15～30 cm穿透阻力亦有顯著差異（P<0.05），DL20處理較DL25處理提高了50.8%；RT15、DL20及DL25處理之間>30～40 cm穿透阻力均無顯著差異（P>0.05），且均顯著高于DL40處理（P<0.05）。

圖4 0～45 cm穿透阻力變化Fig.4 Variations of penetration resistance of 0-45 cm

2.2 不同處理對(duì)冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田土壤水分分布的影響

耕層結(jié)構(gòu)的差異決定著水分在土壤剖面中入滲以及作物對(duì)水分吸收利用存在不同，最終影響了土壤水分的剖面分布特征（圖5、6）。從圖可知，隨著作物生育期推進(jìn)，各處理剖面0～100 cm土壤含水率變化趨勢(shì)基本一致；不同耕層構(gòu)造對(duì)土壤水分的影響主要在0～80 cm土層范圍內(nèi)。

圖5 不同耕層構(gòu)造對(duì)冬小麥各生育時(shí)期0～100 cm土壤含水率的影響Fig.5 Effect of plough layer constructions on soil moisture content at different growth stages of winter wheat (0-100 cm)

圖6 不同耕層構(gòu)造對(duì)夏玉米各生育時(shí)期0～100 cm土壤含水率的影響Fig.6 Effect of plough layer constructions on soil moisture content at different growth stages of summer maize (0-100 cm)

冬小麥苗期需水量不大，灌溉后土壤水分去向主要是表層蒸發(fā)和下滲，本研究中，作物苗期表層0～20 cm土壤含水率總體表現(xiàn)為RT15≈DL20>DL25≈DL40，即隨著犁底層破除程度越大，0～20 cm土層含水率越低，其中冬小麥苗期DL25和DL40處理表層含水率顯著低于RT15和DL20處理（P<0.05），但DL25和DL40處理＞20～80 cm土壤平均含水率均顯著高于RT15和DL20處理（P<0.05）。

冬小麥拔節(jié)期土壤表層蒸發(fā)量較大，各處理表層0～20 cm土層水分含量均較低，且彼此間無顯著差異（P>0.05）；作為小麥生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，拔節(jié)期需水量較大，打破犁底層更有利于根系深扎，因此DL25和DL40處理深層水分消耗量較大，＞20～80 cm土層平均含水率較RT15和DL20處理顯著降低（P<0.05）。

冬小麥經(jīng)過拔節(jié)、開花、灌漿等生育時(shí)期的高速增長(zhǎng)，需水量明顯放大，至成熟期各處理＞20～80 cm土層平均含水率均有明顯降低，但DL20、DL25、DL40處理降低幅度更大，均顯著低于RT15處理20～80 cm平均含水率（P<0.05）。

夏玉米苗期土壤水分分布規(guī)律與冬小麥季基本一致。但與冬小麥不同，夏玉米大喇叭口期降水量較大，達(dá)147.3 mm，打破犁底層更主要起到蓄水保墑的作用，因此DL25和DL40處理＞20～80 cm土層平均含水率顯著高于RT15和DL20處理（P<0.05）。由于夏玉米拔節(jié)期、大喇叭口期及開花期均有較大降水量，能夠?yàn)樽魑锷L(zhǎng)提供充足水分，因此各處理成熟期＞20～80 cm土壤含水率無顯著差異。

2.3 不同處理對(duì)冬小麥-夏玉米輪作農(nóng)田土壤穿透阻力動(dòng)態(tài)變化的影響

根據(jù)前述分析，不同耕層構(gòu)造會(huì)造成土壤水分的剖面分布及季節(jié)動(dòng)態(tài)的差異，而水分與剖面穿透阻力之間存在著極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[6,14-15]，因此不同耕層構(gòu)造下，土壤剖面不同層次穿透阻力的變化特點(diǎn)亦不相同。

如圖7所示，冬小麥季各處理0～15 cm土層平均土壤穿透阻力變化范圍在176.29～2 128.10 kPa之間，并且隨著小麥生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)雙峰型，2014年秋收后，各處理0～15 cm平均穿透阻力達(dá)到1 017.74 kPa，隨后經(jīng)過耕作、灌溉等管理措施后，2014年11月13日表層平均穿透阻力迅速降低到生育期最低點(diǎn)202.02 kPa，隨著表層水分的蒸發(fā)，土壤穿透阻力逐漸增大，同時(shí)進(jìn)入越冬期土壤溫度降低到0 ℃以下，凍融作用使土壤穿透阻力顯著增大（P<0.05），達(dá)到生育期第一個(gè)峰值，RT15處理越冬期（2015年1月17日）穿透阻力最大，達(dá)到2 128.10 kPa，顯著高于其他處理（P<0.05）；進(jìn)入返青期，凍土融化顯著降低各處理穿透阻力，同時(shí)伴隨拔節(jié)期灌溉，各處理穿透阻力達(dá)到生育期第2個(gè)低點(diǎn)，此后，隨著冬小麥拔節(jié)期（2015年4月5日）、開花期（2015年5月2日）、灌漿期（2015年5月27日）耗水量增大，各處理0～15 cm穿透阻力均顯著增大（P<0.05），至成熟期達(dá)到最大值。

RT15、DL20、DL25和DL40處理整個(gè)生育期＞15～30 cm穿透阻力平均值分別為3 922.59、2 805.79、2 260.38和2 070.83 kPa，分別是0～15 cm生育期平均穿透阻力的3.38、2.92、2.50和2.32倍，但由于各處理犁底層破除程度不同，受容重、水分、凍融等因素影響，各處理之間差異明顯增大；由于冬小麥越冬期＞15～30 cm土層也存在凍融現(xiàn)象，因此冬小麥越冬期（2015年1月17日）＞15～30 cm穿透阻力亦顯著增大（P<0.05），呈現(xiàn)雙峰型，此后隨著土壤水分消耗，至成熟期各處理穿透阻力達(dá)到生育期最大值。

各處理＞30～45 cm穿透阻力變化不受凍融交替的影響，差異主要是由于水分入滲和作物生長(zhǎng)耗水規(guī)律的不同造成的[16-17]。受犁底層破除程度差異的影響，各處理灌溉后＞30～45 cm穿透阻力表現(xiàn)為RT15>DL20> DL25>DL40，其中RT15處理顯著高于DL25和DL40處理（P<0.05），但與DL20處理差異不顯著（P>0.05）；隨著冬小麥生育期進(jìn)程推進(jìn)，各處理僅在成熟期出現(xiàn)穿透阻力峰值，成熟期（2015年6月22日）DL25和DL40處理＞30～45 cm穿透阻力較RT15處理顯著提高（P<0.05）。

圖7 冬小麥季土壤穿透阻力動(dòng)態(tài)變化Fig.7 Dynamic change of soil penetration resistance in winter wheat season

夏玉米季不同土層穿透阻力動(dòng)態(tài)變化主要受季節(jié)降水、灌溉和作物耗水影響。其中受季節(jié)性降水不均勻的影響，>30～45 cm土層穿透阻力變化規(guī)律與冬小麥季差異較大，具體表現(xiàn)為：RT15>DL20>DL25>DL40。

圖8 夏玉米季土壤穿透阻力動(dòng)態(tài)變化Fig.8 Dynamic change of soil penetration resistance in summer maize season

2.4 不同處理對(duì)冬小麥-夏玉米周年產(chǎn)量及水分利用效率的影響

從表1可看出，打破犁底層有利于提高作物產(chǎn)量，具體表現(xiàn)為DL25>DL40>DL20≈RT15，且DL40與DL25處理產(chǎn)量均顯著大于RT15和DL20處理（P<0.05），表明打破犁底層10 cm以上有顯著增產(chǎn)效果，然而完全破除犁底層，DL40處理冬小麥和夏玉米產(chǎn)量分別較DL25處理降低4.2%和2.4%，且冬小麥產(chǎn)量達(dá)顯著水平（P<0.05），這說明對(duì)深層土壤的過度擾動(dòng)，完全打破犁底層，并不利于提高產(chǎn)量。

從作物耗水量角度（表1），冬小麥各處理全生育期耗水量表現(xiàn)為：DL40>DL25>DL20>RT15，DL25和DL40處理冬小麥全生育期耗水量較RT15處理顯著提高（P<0.05），DL20處理和RT15處理冬小麥全生育期耗水量無顯著差異（P>0.05），這說明隨著犁底層破除程度的增加，冬小麥耗水量有增加的趨勢(shì)也說明打破犁底層有利于作物生長(zhǎng)充分調(diào)用土壤深層水分；而夏玉米季各處理全生育期耗水規(guī)律與冬小麥相反，具體表現(xiàn)為：RT15>DL20>DL25>DL40，同時(shí)夏玉米全生育期降水及灌水量達(dá)435.8 mm，能夠玉米生長(zhǎng)提供充足水分，說明打破犁底層有助于土壤深層蓄水，減少水分無效耗散，而RT15及DL20處理?xiàng)l件下，有更多的水分進(jìn)行了無效耗散。

打破犁底層后，DL40和DL25處理水分供給能力增強(qiáng)，作物水分利用效率均較RT15處理有顯著增加（P<0.05），具有顯著增產(chǎn)效果；DL20與RT15處理作物水分利用效率并無顯著差異（P>0.05），表明打破犁底層5 cm，并不能顯著改善土壤水分條件和作物水分利用效率，因此DL20處理對(duì)作物增產(chǎn)效果有限。

表1 不同耕層結(jié)構(gòu)下冬小麥-夏玉米周年產(chǎn)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

3 討 論

3.1 不同處理對(duì)冬小麥-夏玉米農(nóng)田土壤剖面結(jié)構(gòu)的影響

土壤容重和穿透阻力對(duì)作物生長(zhǎng)至關(guān)重要，對(duì)于輕壤質(zhì)土到輕粘土范圍內(nèi)，適宜作物生長(zhǎng)的最佳容重應(yīng)當(dāng)在1.00～1.30 g/cm3，極限容重為1.60 g/cm3[18]。同樣，Marsili等[19]、Materechera等[20]認(rèn)為土壤緊實(shí)度達(dá)到2 000 kPa 時(shí)將嚴(yán)重影響作物生長(zhǎng)，當(dāng)阻力達(dá)到3 600 kPa時(shí)，作物根系生長(zhǎng)完全停滯。本研究中，采用不同深度行行深松手段，對(duì)犁底層進(jìn)行均勻破除，形成上虛下實(shí)的耕層構(gòu)造，隨著打破犁底層厚度的增加，各耕層構(gòu)造>15～30 cm容重和穿透阻力均勻降低，表現(xiàn)為RT15> DL20>DL25>DL40，其中DL40和DL25處理>15～30 cm平均容重分別為1.33和1.36 g/cm3，主要生育期（苗期、灌漿期）平均穿透阻力分別為1 826.24和1 984.60 kPa，均不會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)構(gòu)成嚴(yán)重影響。

3.2 不同處理對(duì)冬小麥-夏玉米農(nóng)田土壤水分的影響

犁底層的普遍存在破壞了土壤結(jié)構(gòu)，阻礙了土層內(nèi)水、肥、氣、熱的傳輸[21]。佘海銘等[22]研究發(fā)現(xiàn)，與均質(zhì)土壤構(gòu)型相比，犁底層土壤剖面構(gòu)型入滲能力減弱，具體表現(xiàn)為入滲量減小，入滲時(shí)間延長(zhǎng)。孫蓓等[23]同樣認(rèn)為較低的犁底層入滲率影響了耕地的入滲特性。本研究中，RT15和DL20處理犁底層破除程度較小，作物苗期灌溉后表層土壤水分含量較其他處理有顯著提高，水分入滲速率慢。拔節(jié)期RT15和DL20處理由于較厚犁底層的存在導(dǎo)致冬小麥根系分布淺層化，深層水分沒有被作物生長(zhǎng)充分利用，同時(shí)表土層水分不能得到有效補(bǔ)給，因此＞30～80 cm土壤水分含量相對(duì)較高，而DL25和DL40處理冬小麥一方面能夠接受通過毛管來自深土層的水分補(bǔ)給，同時(shí)由于根系下扎直接利用深層水分，降低干旱時(shí)期水分脅迫，冬小麥拔節(jié)期和成熟期DL25和DL40處理0～100 cm蓄水量均顯著低于RT15和DL20處理（P<0.05）（表2），說明作物生長(zhǎng)旺盛且水分供給相對(duì)不足時(shí)期，DL25和DL40處理供水能力更強(qiáng)；而玉米拔節(jié)期至大喇叭口期降水量達(dá)178.4 mm，水分供給充足，各處理0～100 cm蓄水量表現(xiàn)為：DL40>DL25≈DL20>RT15，說明水分供給充足時(shí)，DL40及DL25處理不僅能維持作物高速生長(zhǎng)，同時(shí)能夠含蓄更多水分。提高了蓄水能力，減少水分的無效耗散，提高了水分利用效率。

表2 不同耕層構(gòu)造對(duì)冬小麥-夏玉米各生育時(shí)期0～100 cm土壤蓄水量的影響Table 2 Effect of plough layer construction on water storage during growth periods of winter wheat and summer maize (0-100 cm soil depth)

但目前國(guó)內(nèi)耕層構(gòu)造改良多是采用間隔深松手段，對(duì)犁底層進(jìn)行完全破除[3]，王立春等[10]研究發(fā)現(xiàn)水平方向松緊兼?zhèn)涞呢Q型耕層構(gòu)造利于水分的滲透，2 h可接納174 mm的降水，遠(yuǎn)大于V型深松2 h內(nèi)透水量72～75 mm。但本研究表明犁底層被完全破除，并不利于提高產(chǎn)量，這可能是由于犁底層完全破除后導(dǎo)致水分入滲速率明顯增大；另一方面會(huì)產(chǎn)生大的土壤比表面積和短的彌散路徑，使硝態(tài)氮的淋溶量增加[24]，將硝態(tài)氮淋洗到作物主要根層分布區(qū)以下[25]，這樣不僅降低作物養(yǎng)分利用率，還會(huì)對(duì)地下水造成污染[26]，尤其在黃淮海平原漫灌灌溉方式和季節(jié)性集中降水條件下，更是增加了犁底層被完全破除后養(yǎng)分的深層淋溶風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 不同處理對(duì)小麥-玉米農(nóng)田穿透阻力變化的影響

犁底層通過改變水分入滲和作物耗水來影響不同土壤層次穿透阻力的動(dòng)態(tài)變化[27-28]，冬小麥越冬期（2015年1月17日）RT15處理0～15 cm土層穿透阻力最大，達(dá)到2 128.10 kPa，顯著高于其他處理（P<0.05），其原因可能是RT15處理存在較厚的犁底層，表層水分入滲慢，滯留時(shí)間長(zhǎng)[29]，灌溉后苗期表層含水率較高，受凍融作用影響最大。同樣，在冬小麥和夏玉米生育后期，由于水分狀況的差異，各處理穿透阻力表現(xiàn)迥異：冬小麥生育后期一方面降水較小，沒有有效水分補(bǔ)給；另一方DL25和DL40處理對(duì)犁底層進(jìn)行了有效破除，冬小麥根系深扎，能夠充分利用土壤深層水分，作物深層耗水量增加，而RT15處理小麥根系分布淺層化，水分利用空間有限，深層土壤水分得不到有效利用，因此DL25、DL40處理土壤>30～45 cm含水率較低，且穿透阻力較RT15處理顯著增加。而夏玉米成熟期RT15處理穿透阻力顯著高于DL25和DL40處理（P<0.05），究其原因可能是夏玉米季雨量較大，打破犁底層后，有利于深層蓄水[30]，因此DL25、DL40處理玉米生長(zhǎng)后期，并不受水分脅迫，土壤含水率較高，土壤穿透阻力始終低于RT15處理，并隨著水分消耗而逐漸增大。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，土壤穿透阻力與耕作、作物生長(zhǎng)、灌溉、降水及土壤蒸發(fā)等因素是相互耦合的，其在整個(gè)生育期過程中是不斷變化的，在作物關(guān)鍵生育期合理灌溉，不僅能夠滿足作物生長(zhǎng)需水，同時(shí)還能緩解犁底層對(duì)根系生長(zhǎng)的阻礙。

需要指出的是，本研究是在黃淮海平原特定耕層結(jié)構(gòu)、農(nóng)田管理方式及氣候條件下開展，當(dāng)條件發(fā)生變化后，不同耕層結(jié)構(gòu)下土壤相關(guān)物理性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化，會(huì)對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生影響，因此本研究結(jié)果尚存在一定局限性，并不是各種情況下的普適性結(jié)論。

3 結(jié) 論

與對(duì)照相比，犁底層破除2/3及完全破除犁底層能夠顯著降低>10～30 cm土壤容重和穿透阻力（P<0.05），有利于土壤水分入滲，減少水分的無效耗散，犁底層破除2/3和完全破除犁底層處理冬小麥、夏玉米苗期0～20 cm土層土壤含水率均顯著低于犁底層不破除處理（P<0.05），而>20～80 cm土層土壤含水率顯著高于犁底層不破除處理（P<0.05）；犁底層破除2/3及完全破除犁底層有利于冬小麥拔節(jié)期調(diào)用土壤深層水分并利于夏玉米大喇叭口期土壤蓄存降水。

相對(duì)傳統(tǒng)耕層構(gòu)造，犁底層破除2/3及完全破除犁底層有利于提高作物水分利用率，顯著增加作物產(chǎn)量，但完全打破犁底層，對(duì)深層土壤的過度擾動(dòng)，并不利于提高產(chǎn)量，完全破除犁底層處理冬小麥和夏玉米產(chǎn)量分別較犁底層破除2/3處理降低4.2%和2.4%。

綜合考慮，犁底層破除2/3后，犁底層厚度適當(dāng)，既有利于土壤蓄水保墑，又可顯著提高作物產(chǎn)量，同時(shí)能夠降低農(nóng)機(jī)動(dòng)力消耗，因此是目前相對(duì)較好的犁底層改良方式。

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Effect of tillage depth on soil physical properties and yield of winter wheat-summer maize

Zhai Zhen1, Li Yuyi1, Guo Jianjun2, Wang Jing1, Dong Guohao2, Guo Zhihui2, Pang Huancheng1※
(1. Institute of Agricultura Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 2. Dezhou Academy of Agricultural Sciences, Dezhou 253000, China)

Given the common problem of plow pan which affects the growth of crops in Huang-Huai-Hai Plain (HHHP), agronomists are calling for a management practice to ameliorate plow pan. Little information is currently available on the effects of breaking the plow pan partially or thoroughly on the soil water content, penetration resistance and crop growth in HHHP. In order to better understand the effect of plow pan on soil water retention and crop yield, 4 treatments were conducted including the original plow pan (RT15), breaking the plow pan by 1/3 of thickness (DL20), breaking the plow pan by 2/3 of thickness (DL25) and breaking the plow pan thoroughly (DL40) in the HHHP, aiming to explore the effect of different thickness of plow pan on soil water characteristics, the dynamics of penetration resistance and crop yield. The result showed that breaking the plow pan could reduce the bulk density and penetration resistance for 10-30 cm soil layer significantly, with a trend of DL40 < DL25 < DL20 < RT15. Breaking plow pan could increase water infiltration after irrigation or rainfall, and the average soil water content of 20-70 cm soil layer increased by 5.3%-23.6% and 7.7%-15.8% compared with RT15 treatment at seedling stage of summer maize and winter wheat separately. Because of uneven seasonal distribution of precipitation in HHHP, breaking the plow pan was beneficial for winter wheat to make full use of soil water in the deep soil layers, and could reduce the ineffective dissipation of soil water by promoting the water storage during summer maize season. The water consumption of DL20, DL25 and DL40 treatment increased by 4.9%, 10.2% and 11.6% separately compared with RT15 during winter wheat season, however, the water consumption of DL20, DL25 and DL40 treatment decreased by 5.8%, 7.6% and 10.5% respectively compared with RT15 during summer maize season. Because of the influence of temperature, soil water content, tillage practice and crop growth, the dynamic changes of penetration resistance under different topsoil structures were different from each other. The dynamic changes of penetration resistance of 0-15 and 15-30 cm during winter wheat season were similar with that of 0-15 and 15-30 cm during summer maize season. However, the penetration resistances of 30-45 cm under different treatments at the late growth stage of winter wheat and summer maize were different from each other. The penetration resistance of 30-45 cm under different treatments at the late growth stage of winter wheat was manifested as DL40 > DL25 > 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 DL25, the relatively better way to transform the plow pan without consuming much energy was DL25 which not only possessed permeable performance, but also could promote the crop yield.

soils; crops; soil moisture; plow pan; soil bulk density; penetration resistance; water use efficiency

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.015

S152.7

A

1002-6819(2017)-11-0115-09

翟 振，李玉義，郭建軍，王 婧，董國(guó)豪，郭智慧，逄煥成. 耕深對(duì)土壤物理性質(zhì)及小麥-玉米產(chǎn)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(11)：115－123.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.015 http://www.tcsae.org

Zhai Zhen, Li Yuyi, Guo Jianjun, Wang Jing, Dong Guohao, Guo Zhihui, Pang Huancheng. Effect of tillage depth on soil physical properties and yield of winter wheat-summer maize [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11): 115－123. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.015 http://www.tcsae.org

2016-12-19

2017-02-28

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201303130）：北方旱地合理耕層構(gòu)建技術(shù)及其配套耕作機(jī)具研究與示范

翟 振，男，山東菏澤人，博士生，主要從事合理耕層構(gòu)建研究。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院資源區(qū)劃所，100081。Email：zhaizhentab@163.com※通信作者：逄煥成，男，山東濰坊人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事合理耕層構(gòu)建及鹽堿地改良與利用。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院資源區(qū)劃所，100081。Email：panghuancheng@caas.cn