黄淮海北部农田犁底层现状及其特征

翟　振，李玉义，逄焕成，王　婧，张　莉，董国豪，郭建军，郭智慧

（1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2山东省德州市农业科学研究院，山东德州 253000）



黄淮海北部农田犁底层现状及其特征

翟振1，李玉义1，逄焕成1，王婧1，张莉1，董国豪2，郭建军2，郭智慧2

（1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2山东省德州市农业科学研究院，山东德州 253000）

摘要：【目的】研究黄淮海北部地区犁底层分布现状及特征。【方法】采用布点取样方法，根据黄淮海北部区土壤质地分布图结合第二次土壤普查点位选取山东陵县、河北吴桥县共108个点位，于2014年冬小麦拔节期进行剖面取样调查，测定0—45 cm不同层次土壤水分含量、土壤容重及穿透阻力。【结果】（1）黄淮海北部地区耕层平均厚度在14.74 cm，约有76％的被调研点存在明显的犁底层，犁底层主要分布在 15—30 cm；（2）黄淮海北部区农田剖面各层次土壤容重及穿透阻力存在显著差异，犁底层容重最大，平均容重在1.54 g·cm-3左右，显著大于耕层和心土层，在冬小麦拔节期犁底层穿透阻力为1 371.00—4 256.00 kPa，显著大于耕层及心土层穿透阻力；（3）冬小麦整个生育期犁底层穿透阻力均大于2 000 kPa，阻碍了小麦根系的深扎，造成小麦根系分布浅层化，这在冬小麦生长缺水的地区，易造成作物水分胁迫，同时不利于根系吸收深层养分；（4）土壤穿透阻力土壤与含水量及容重之间有着极显著相关关系，土壤穿透阻力有随着容重的增加而增加的趋势，二者之间回归方程为：y= 3 854.09x+3 891.99（y为穿透阻力，x为土壤容重，r =0.84）；当容重低于1.4 g·cm-3时，土壤穿透阻力均低于2 000 kPa，穿透阻力不会对作物根系生长产生障碍，而当土壤容重在1.4 g·cm-3以上时，穿透阻力对作物的影响同时取决于土壤含水量，穿透阻力随着土壤水分的增加而降低，对应线性回归方程为：y = -75.93 x + 3 153.83 （y为穿透阻力，x为土壤质量含水量，r=0.82）。【结论】在现行以旋耕为主的传统耕作模式下，黄淮海北部地区农田犁底层是普遍存在的，不利于作物根系生长及作物对土壤养分的充分利用，需要适度打破犁底层，构建合理耕层结构。

关键词：黄淮海平原；犁底层；容重；穿透阻力；土壤水分

联系方式：翟振，E-mail：zhaizhentab@163.com。通信作者逄焕成，E-mail：panghuancheng@caas.cn

0 引言

【研究意义】黄淮海作为中国重要的综合性农业生产基地，在保障国家粮食安全中占有举足轻重的地位［1-2］。20世纪70年代后期，随着国外旋耕机具的引进和旋耕耕作法的逐步推广，大大提高了耕作效率，与犁耕和耙耕作业相比，旋耕作业具有碎土性能好，适应性强，作业效率高的优点［3］。但长期以旋代耕、以耙代耕，也造成了一定弊端，现行的旋耕深度一般在15 cm左右，比过去的机械耕翻深度浅8—10 cm，造成耕层变浅［4］；同时连年旋耕，由于犁刀的挤压作用致使在耕作层与心土层之间形成了一层坚硬、封闭的犁底层［5-7］。对耕作土壤来说，具有适当厚度的犁底层对保持养分，保存水分还是非常有益的；但是犁底层过厚、坚实，不仅阻碍作物根系的穿插，同时阻碍了耕作层与心土层之间水、肥、气、热的连通性［4， 8-10］，同时对作物生长、物质的转移和能量的传递也非常不利。但目前关于该区域犁底层分布状况及其特点缺乏总体认识，研究结果并不统一，出现各种观点［11-12］，因此摸清区域犁底层的分布状况及其特点，对指导该地区合理耕层构建、充分挖掘耕层潜力具有重要意义。【前人研究进展】目前国内关于犁底层的研究主要侧重于其对水分入渗过程、土壤蓄水量、作物生长等方面。例如，花伟东等［13］研究发现完全打破犁底层情况下，水分稳定入渗率是有犁底层存在时的2倍，产流时间也较有犁底层情况延长 100％，径流量却仅相当于有犁底层情况的30％；犁底层同样会影响作物根系的生长，齐华等［14］研究发现打破犁底层后，各层土壤中根量分布都有明显的下移趋势。目前关于犁底层现状及特征的系统研究较少，郑存德等［15］对辽宁棕壤农田调查显示产量大于11.25 t·hm-2的玉米田，有90％的地块耕层、犁底层厚度分別在20—25 cm、7—10 cm之间，而产量在6.75—11.25 t·hm-2的玉米田，有90％的地块耕层、犁底层厚度分别在16—19 cm、10—16 cm之间。而针对黄淮海地区普遍存在调研取样点较少、各指标取样并不在同一时期等问题，且多数针对犁底层的改造方法及作用过程的研究，并未明确指出犁底层的分布、特征及各种参数之间的关系。【本研究切入点】犁底层作为耕层重要障碍因子，目前对其分布状况及特征尚缺乏统一的认识，明确区域犁底层特征是充分挖掘耕层潜力、减少农田环境污染的前提。【拟解决的关键问题】本研究通过广泛调研，对黄淮海北部地区农田犁底层分布状况，土壤容重、穿透阻力和水分剖面分布特征及三者间相互关系做系统分析，以期为黄淮海地区合理耕层构建提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究以黄淮海平原的河北吴桥县（井灌区）和德州陵县（河灌区）两个典型县为对象，对黄淮海不同类型灌区进行了田间耕层情况调查。德州陵县位于东经116°27′—116°57′，北纬37°13′—37°36′，属黄淮平原，多年平均气温12.7 ℃，平均年降雨量为570.2 mm，降水主要分布在6—8月份，以黄河水灌溉，水源充沛，耕作制度为一年两熟的冬小麦-夏玉米轮作；河北吴桥地处东经116°19′—116°24′，北纬37°29′—37°47′，位于海河平原黑龙港流域中部，属暖温带大陆性季风气候，多年平均气温12.9 ℃，平均年降雨量为552.7 mm，水资源严重匮乏是本区作物生产和农业持续发展的最大资源障碍因素，以地下水灌溉为主，农田种植制度以一年两熟的冬小麦-夏玉米轮作为主，兼有夏玉米-冬小麦-棉花/春玉米轮作方式。两地农田土壤均以壤质潮土为主，耕作方式主要是旋耕，于每年小麦收获后旋耕，以小四轮拖拉机为主要动力，旋耕深度15 cm左右；小麦季灌溉2—3次，玉米季灌溉2—3次，灌溉方式均为畦灌。本研究根据当地土壤质地分布图同时结合第二次土壤普查点位数据，选取吴桥50个点位、陵县58个点位进行剖面取样调查（图1）。

图1　调研点分布Fig. 1 Distribution of investigation sites

1.2 调研方法

本研究于2014年4月小麦拔节期进行（4月1日至4月13日，期间无降水），选取了河北的吴桥县、山东的陵县作为调研对象，根据当地土壤质地分布状况结合第二次土壤普查定位数据，选取了108个点位（陵县58个，吴桥50个），利用GPS定位并记录点位经纬度，采用剖面取样调查手段，具体监测项目有：

（1）耕层厚度：采用直接观察法，记录耕层厚度及小麦根系主要分布深度。

（2）剖面容重、水分：在测量紧实度所选取5个样点中，选取3个样点，挖0—60 cm剖面，在取样前对剖面容重分布状况不明确前提下，采用环刀法，测量0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm 4个层次容重，采用烘干法测定对应不同层次土壤质量含水量；测量位置分别在各层次的中间位置，即5 cm、15 cm、25 cm和35 cm，考虑到环刀自身直径5.05 cm，因此在统计分析中，将0—10 cm容重近似0—15 cm土壤容重，将20—30 cm容重近似15—30 cm土壤容重。

（3）土壤穿透阻力测定：在每个点位，采用 5点取样法，选取5个样点，采用SC900土壤紧实度测定仪，测定土壤剖面 0—45 cm穿透阻力分布状况。SC900数字式土壤紧实度测定仪测定单位为kPa，空间分辨率为 2.5 cm，压力分辨率为35 kPa（精确度为35 kPa），最大量程为45 cm，测量压力范围为0—7 000 kPa。

（4）有机质、土壤质地：与剖面容重及土壤剖面水分测定同步，选取同一剖面对应0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm 4个层次土壤样品，实验室分析测定有机质含量及土壤质地。

（5）背景资料：包括调查地块近30年的耕作方式、耕作年限、作物产量、土地利用类型变化等项目。

2 结果

2.1 农田剖面容重特征分析

如图2所示，两调研区域土壤剖面容重变化范围在1.30—1.57 g·cm-3，并且容重在垂直方向均存在相似的变化趋势，即容重先增大后降低，并均在20—30 cm范围内达到最大，两区域土体结构中均出现一个容重较大的“特殊层”——犁底层。其中陵县20—30 cm处容重达到1.57 g·cm-3，极显著大于0—10 cm土层和30—40 cm土层容重，较0—10 cm土层容重大19％，较30—40 cm土层容重大4％；吴桥县土壤剖面容重亦显示出同样规律，20—30 cm处平均容重约为1.51 g·cm-3，极显著大于0—10 cm土层和30—40 cm土层容重，较0—10 cm土层容重大16％，较30—40 cm土层容重大4％（表1）。

图2　农田土壤剖面容重平均分布状况（a为陵县，b为吴桥县）Fig. 2 Vertical distribution of bulk density in the field （a is Ling County， b is Wuqiao County）

表1　农田土壤不同层次容重方差分析表Table 1 Analysis of variance for bulk density in different soil layers

2.2 农田剖面穿透阻力特征分析

容重是一个离散指标，土壤剖面的穿透阻力变化更能反应出土壤结构的连续变化过程，图3所示为两调研县域各调研样点0—45 cm剖面的平均土壤穿透阻力分布状况，两调研区域在0—18 cm土层范围内，土壤穿透阻力随着深度的增加而逐渐增加，25 cm以下土层，随着深度增加，土壤穿透阻力有先降低又略有增加的趋势。也即土壤剖面在大致15—30 cm深处，存在着明显的犁底层，在犁底层位置，土壤穿透阻力明显大于其他土层穿透阻力。

对土壤剖面穿透阻力做进一步分析发现（表2），陵县耕层土壤（0—15 cm）平均穿透阻力为597.36 kPa，犁底层平均穿透阻力2 420.82 kPa，下部心土层（30 —45 cm）土壤穿透阻力为1 960.84 kPa，犁底层穿透阻力极显著大于耕层和心土层，超过了阻碍根系下扎临界值2 000 kPa［16］，是耕层穿透阻力的4倍、心土层的1.3倍。而吴桥县耕层结构亦有同样规律，吴桥耕层土壤平均穿透阻力为658.24 kPa，犁底层穿透阻力为2 691.09 kPa，心土层为2 010.81 kPa，犁底层穿透阻力同样大于2 000 kPa，并且极显著大于耕层和心土层穿透阻力，是耕层穿透阻力的 4倍、心土层的1.3倍。

图3　农田土壤剖面穿透阻力平均分布状况（a为陵县，b为吴桥县）Fig. 3 Vertical distribution of penetration resistance in the field （a is Ling County， b is Wuqiao County）

表2　农田土壤剖面穿透阻力方差分析表Table 2 Analysis of variance for penetration resistance in different soil layers

2.3 调研区域农田犁底层深度、厚度分布

根据对调研区域农田剖面容重及穿透阻力的统计分析可知，犁底层在农田剖面中是存在的。进一步分析发现，在陵县58个调研点中，74％的被调研点存在明显的犁底层，对存在明显犁底层的43个调研点进行统计分析发现（图 4），陵县农田犁底层分布深度在7.5—21.5 cm，其中51.2％的调研点犁底层深度在14 —18 cm处，过深（18—22 cm）或者过浅（6—10 cm）犁底层不超过7％，陵县犁底层平均分布深度在14.50 cm，与当地常规旋耕作深度基本一致；陵县农田犁底层厚度在大致7.5—21.5 cm，其平均厚度在13.3 cm，52.4％的调研点犁底层厚度在 10—14 cm，过厚（18 —22 cm）或者过薄（6—10 cm）犁底层比例不超过10％。

图4　陵县农田犁底层深度及厚度统计分析Fig. 4 Statistical analysis of depth and thickness of plow pan in Ling County

在吴桥县的调研结果中发现了类似的规律（如图5），在50个被调研点中，78％的调研点存在明显的犁底层，犁底层分布深度在11.5—22.5 cm，其平均分布深度在14.98 cm，与当地常规旋耕作用深度一致；其厚度在7.5—20 cm，其平均厚度为13.45 cm。

图5　吴桥县农田犁底层深度及厚度统计分析Fig. 5 Statistical analysis of depth and thickness of plow pan in Wuqiao County

表3　调研区域不同层次土壤质量含水量及其变化范围Table 3 The range of mass water content in different soil layers in the investigation area

表4　调研区域不同层次土壤容重及其变化范围Table 4 The range of bulk density in different soil layers in the investigation area （g·cm-3）

2.4 农田穿透阻力与容重及水分的关系

从表3、表4中可以看出，两调研区域不同点位不同层次土壤质量含水量变化范围在 5.65％—29.29％，各点位不同层次土壤容重变化范围在1.05—1.85 g·cm-3，对穿透阻力和土壤容重及含水量之间做偏相关分析发现，穿透阻力与土壤容重及土壤质量含水量之间偏相关系数r分别为0.63和-0.36，均呈现极显著相关关系，这说明土壤穿透阻力同时受土壤含水量及土壤容重两个因素的影响。同一土壤容重条件下由于土壤含水量不同，对应土壤穿透阻力亦有差异，因此对同一土壤容重条件下土壤质量含水量及土壤穿透阻力取平均值，并对土壤容重及对应平均穿透阻力作散点图（图 6），从图中可看出，土壤穿透阻力整体随着土壤容重的增大而增大，二者呈现极显著线性正相关关系，其线性回归方程为：y=3 854.09x+3 891.99 （y为穿透阻力，x为土壤容重，r=0.84）；进一步分析发现，当容重低于1.4 g·cm-3时，土壤穿透阻力均低于 2 000 kPa，此时对应土壤质量含水量在 6.86％—24.64％，这说明当土壤容重在1.4 g·cm-3以下时，正常水分条件下，土壤穿透阻力不会对作物根系生长产生障碍，而当土壤容重在1.4 g·cm-3以上时，穿透阻力对作物的影响同时取决于土壤含水量。

在同一水分条件下，土壤穿透阻力并不固定，而是随着容重的增加而增大（图 6），因此对同一土壤水分条件下土壤容重及土壤穿透阻力取平均值，并对土壤质量含水量及对应平均穿透阻力作散点图（图7），从图中可看出，土壤穿透阻力与土壤含水量之间存在着极显著线性负相关关系，穿透阻力随着土壤水分的增加而降低，对应线性回归方程为：y = -75.93 x + 3 153.83（y为穿透阻力，x为土壤质量含水量，r=0.82）。

图6　土壤穿透阻力与土壤容重之间关系Fig. 6 The relationship between bulk density and soil penetration resistance

图7　土壤穿透阻力与土壤质量含水量之间关系Fig. 7 The relationship between mass water content of soil and soil penetration resistance

2.5 农田穿透阻力动态变化规律

本次调研仅是针对小麦拔节期土壤紧实度状况进行研究，考虑到耕作措施及作物生育期耗水可显著改变土壤容重和水分状况，因此农田土壤穿透阻力变化过程更为复杂。本研究对调研点（E116°19′46.33″，N37°20′44.53″） 2014—2015年冬小麦整个生育期农田犁底层（15—30 cm）穿透阻力进行了动态监测（图8）。从图中可以看到，在整个小麦生育期内，犁底层穿透阻力随着小麦生育期的推进而发生有规律变化，2014年秋收后，犁底层穿透阻力达到4 300.00 kPa，随后经过旋耕、灌溉、播种等，2014年11月13日犁底层穿透阻力迅速降低到2 111.14 kPa，此时犁底层体积含水量达到19.22％，随着小麦苗期耗水及土壤水分蒸发，到小麦返青期穿透阻力又逐渐增加至4 362.25 kPa，对应土壤体积含水量降低为14.47％，2015年3 月 21进行第二次灌溉，犁底层穿透阻力骤降至2 074.57 kPa，由于拔节期后，小麦生长旺盛，耗水量较大，在一个月时间内，犁底层穿透阻力达到了生育期最大值4 700.00 kPa。因此在实际生产中，犁底层穿透阻力与耕作、灌溉、降水、作物生育期耗水及土壤蒸发等因素是相互耦合的。

图8　土壤穿透阻力与土壤体积含水量动态变化Fig. 8 Dynamic change of soil penetration resistance and soil volumetric moisture content

3 讨论

3.1 黄淮海北部地区农田土壤剖面垂直变化特征

耕层构造是由耕作土壤及其覆盖物所组成，是人类耕作加工后形成的内部结构、表面形态及覆盖物的总称［17］，良好的耕层构造状况决定整个土体与外界水、肥、气、热交换能力的高低，良好的耕层构造能最大限度地蓄纳和协调耕层中的水分。本调研结果显示，黄淮海北部地区常规旋耕耕作方式下的农田存在明显垂直分层现象，主要分为耕作层（0—15 cm）、犁底层（15—30 cm）、心土层（30—45 cm），在陵县和吴桥两调研区域中，分别有74％和78％的被调研点存在明显的犁底层，考虑到近年来土地利用类型的显著变化对耕层结构的影响，可以认为犁底层在黄淮海北部区是普遍存在的。被调研区域耕层平均厚度在14.74 cm，略低于《2008年玉米主产区土壤耕层调查报告》［18］中黄淮海玉米产区17.2 cm的耕层厚度，这种差异也可能与两次调研选点策略、调查对象、处理方法等不同有关，犁底层主要分布在15—30 cm，这与舒鑫等［19］，赵亚丽等［20］，蔡丽君等［21］研究结果基本一致，但不同地域，由于土壤类型、耕作方式、强度及耕作年限的差异，犁底层厚度也有可能存在差异，郑存德［15］对辽宁棕壤玉米田调研发现，产量大于11.25 t·hm-2的玉米田，90％地块犁底层厚度在7—10 cm。

同时土壤剖面各层次土壤容重及穿透阻力存在显著差异，在本研究中发现犁底层容重最大，平均容重在1.54 g·cm-3左右，显著大于耕层和心土层容重，这与《2008年玉米主产区土壤耕层调查报告》［18］中黄淮海玉米产区土壤容重为1.52 g·cm-3的调研结果一致；同样犁底层穿透阻力在农田不同层次中也是最大的，在本调研时期，犁底层穿透阻力位于1 371.00—4 256.00 kPa，前人研究同样表明犁底层部位穿透阻力最大，但犁底层穿透阻力变化区间不尽相同，这是因为穿透阻力不仅与土壤层次有关系，还与测量时期所对应土壤含水量，以及土壤质地、容重、有机质含量等有关系［22-24］。PASSIOURA 等［16］研究发现当土壤穿透阻力达到800.00 kPa时，作物根系伸长速率明显降低，2 000.00 kPa时受到严重抑制，5 000.00 kPa时完全停止，阻力解除后2—5 d才能恢复。陈喜凤等［25］认为在20—40 cm土层中，紧实的犁底层对土壤养分有效性和作物根系生长的限制是当前作物高产栽培的主要限制因子之一。产生犁底层的原因主要是由于长期旋耕造成的机械压实所致［26］，也可能与长期大水漫灌及降水造成的黏粒沉降的集聚作用有关。

3.2 穿透阻力与土壤水分及容重的关系

本研究发现土壤穿透阻力分别与土壤水分及容重之间有着极显著相关关系，土壤穿透阻力有随着土壤水分的增加而降低，随着容重的增加而增加的趋势，类似规律在前人的研究中亦有发现，土壤穿透阻力和土壤水分及容重的关系受诸多因子影响，目前只能用经验公式来描述，但不同研究得到的经验公式不尽相同，一些作者［27］常用幂函数描述土壤阻力和含水量的关系，也有些学者采用对数函数描述土壤阻力和含水量的关系，王益等［22］对黄土高原南部地区3种质地类型土壤紧实度变化规律的研究发现，黄墡土、塿土、黏化层3种不同质地类型土壤，土壤穿透阻力的对数值随土壤水分的变化均符合一元二次方程，而穿透阻力随含水量的变化速率（方程求导后曲线斜率）并不相同。Whalley等［28］提出了一个更为复杂的估算土壤穿透阻力的经验关系式：

式中Q是土壤穿透阻力，ψ是土壤基质势，S是土壤含水量，ρ是容重。

本研究认为简单的线性方程能更明了地反映土壤穿透阻力与土壤水分及容重之间的相互变化趋势，这与焦彩强等［29］的结论一致。

3.3 农田穿透阻力动态变化规律

本研究发现，2014—2015年冬小麦整个生育期犁底层穿透阻力均大于2 000 kPa，阻碍了小麦根系的深扎，造成小麦根系分布浅层化，这在冬小麦生长缺水的地区，易造成作物的水分胁迫，同时不利于根系吸收深层养分，进而造成减产，有研究表明产量越高，中下层根量占比例越高（在耕作层中绝对根量高于低产田），同时，由于犁底层的存在，施肥后大水漫灌，氮肥不能有效往下部土层运移而积聚在耕层，会导致较多的N2O的排放，增加温室气体排放［30］；但完全打破犁底层，会导致土壤通透性过大，有漏水漏肥的危险［31］，同时导致养分的深层淋溶而污染地下水，因此有必要适度打破犁底层，构造合理的耕层结构。郑存德［13］认为高产玉米田的土壤物理特征应该满足耕层厚度在20—30 cm，而目前研究报告中对犁底层的改造方式仅限于作业深度大于35 cm的间隔深松、翻耕等耕作方式，而这类耕作方式无法做到对农田犁底层的均匀部分破除，保留一定厚度的犁底层，在考虑作物根系生长、温室气体排放、养分淋溶及剖面穿透阻力的周年变化等前提下，黄淮海平原每年采用作业深度在25 cm左右的旋耕或深旋松耕作方式似乎更有意义。

总之，犁底层的存在在一定程度上限制了作物生长及对养分利用，但犁底层对水肥迁移转化的影响机理需要进一步探索，同时如何改造或打破犁底层，也需要进一步的试验验证。

4 结论

在现行以旋耕为主的耕作模式下，黄淮海北部地区农田犁底层是普遍存在的，主要分布在15—30 cm，犁底层容重和穿透阻力远大于耕层及心土层，犁底层平均容重约为1.54 g·cm-3，冬小麦拔节期犁底层穿透阻力位于1 371.00—4 256.00 kPa，本研究中土壤穿透阻力分别与土壤水分及容重之间有着极显著线性相关关系，随着土壤水分增加而降低，随着土壤容重的增大而变大。目前黄淮海北部地区犁底层现状不利于作物根系生长及作物对土壤养分的充分利用，需要适度打破犁底层，构建合理耕层结构。

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（责任编辑 杨鑫浩）

Study on Present Situation and Characteristics of Plow Pan in the Northern Region of Huang Huai Hai Plain

ZHAI Zhen1， LI Yu-yi1， PANG Huan-cheng1， WANG Jing1， ZHANG Li1，DONG Guo-hao2， GUO Jian-jun2， GUO Zhi-hui2（1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081；2Dezhou Academy of Agricultural Sciences， Dezhou 253000， Shandong）

Abstract：【Objective】The objective of this paper is to study the present situation and characteristics of plow pan in the northern region of Huang Huai Hai plain.【Method】 In this study， 108 investigation points distributed in Wuqiao County of Hebei province and Ling County of Shandong province were selected according to the soil texture distribution data and the Second China National Soil Survey. At each investigation point， the soil moisture content， soil bulk density and penetration resistance of different soil levels from top surface to 45 cm during the jointing stage of winter wheat were determined. 【Result】 The average thickness of topsoil in the northern region of Huang Huai Hai plain was 14.74 cm， and the plow pan distributed from 15 to 30 cm existed at about 76％ of all investigated points. It was also found that the bulk density and penetration resistance among each soil layer have significant differences. The bulk density of plow pan was about 1.54 g·cm-3which was the largest in soil profile. Also the penetration resistanceof plow pan during the jointing stage of winter wheat varied from 1 371.00 kPa to 4 256.00 kPa， which was significantly higher than that of top soil and subsoil. During the whole growth period of winter wheat， the penetration resistance of plow pan was always larger than 2 000 kPa which restrained the growth of root， and primarily distributed in shallow soil， and this led to the increased water stress to winter wheat and nutrient uptake from deep soil in water deficient area. A very significant correlation between soil penetration resistance and bulk density， soil water content was observed. In addition， the penetration resistance of soil showed a increasing trend with the increased soil bulk density and the regression equation is y=3 854.09x+3 891.99 （y is penetration resistance，x is the bulk density， r=0.84）. When the bulk density is less than 1.4 g·cm-3， soil penetration resistance was lower than 2 000 kPa，which was not an obstacle for root growth. When the soil bulk density is 1.4 g·cm-3or more， the effect of soil penetration resistance on winter wheat growth mainly depended on the soil moisture， and the regression equation between them is y= -75.93x + 3 153.83 （y is penetration resistance， x is the water content of soil， r= 0.82）. 【Conclusion】 In a whole， plow pan is widespread under the traditional rotary-based tillage mode in the northern Huang Huai Hai， which would be an obstacle for crop root growth and the utilization of soil nutrients. So moderately breaking the plough pan and building a reasonable soil structure is required.

Key words：Huang Huai Hai plain； plow pan； bulk weight； penetration resistance； soil water

收稿日期：2015-11-20；接受日期：2016-02-17

基金项目：国家公益性行业（农业）科研专项经费（201303130）