耕深对土壤物理性质及小麦-玉米产量的影响
2017-07-12李玉义郭建军董国豪郭智慧逄焕成
翟 振，李玉义，郭建军，王 婧，董国豪，郭智慧，逄焕成※
（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）
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）
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10～30 cm土层容重和穿透阻力，各处理降低幅度具体表现为DL40>DL25>DL20>RT15。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20～70 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20～70 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0～15和>15～30 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1 489.2～2 128.1和1 925.4～4 423.7 kPa；30～45 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DL40>DL25>DL20>RT155，而夏玉米后期表现为DL40 土壤；作物；土壤水分；犁底层；土壤容重；穿透阻力；水分利用率 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]。同时黄淮海平原又是严重缺水区域，传统“冬小麦-夏玉米”种植模式下灌溉方式粗放，作物水分利用效率低下，导致该区地下水位持续下降。而不合理的耕层结构更是加剧了这种状况，由于土地分散经营，小型农机具在农业生产中占据主导地位，长期以旋代耕造成土壤紧实、耕层变浅[3]，严重影响作物生长[4]。有研究表明黄淮海平原传统旋耕耕作方式下，土壤耕层不足15 cm，且75%的农田存在犁底层，犁底层厚度达15 cm左右。犁底层的存在阻碍耕作层与心土层之间水、肥、气、热的连通性，水分入渗时间延长，增加了水分无效耗散，作物水分利用效率较低[4-5]。在作物耗水高峰期，犁底层穿透阻力甚至达到4 700 kPa，严重影响作物生长[6]。 构建合理耕层结构是改善土壤结构、提高土壤蓄水能力和作物水分利用效率的重要途径，而解决犁底层的问题是构建合理耕层所要面对的首要问题之一。有学者[7-8]认为采用深松、粉垄等耕作措施完全打破犁底层，能够降低耕层土壤容重，增加耕层土壤孔隙度，提高土壤蓄水能力，最终提高作物产量，花伟东等[9]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%；但王立春等[10]提出了苗带紧行间松、松紧兼备竖向分布的耕层构造，认为部分破除犁底层，构造虚实并存的耕层构造可以在确保通气良好的前提下，防止作物倒伏，同时可以解决耕层透水与提墒矛盾，较常规耕层构造增产6.6%～31.2%。总体来看，目前针对犁底层的改良尚未形成统一观点，不同厚度犁底层对土壤水分变化特征及作物产量的影响并不明确。 因此本研究利用长期定位观测试验，设置了不同厚度犁底层对比试验，旨在明确不同厚度犁底层对土壤水分变化过程及对作物产量的影响，以期为黄海海平原构建合理耕层提供理论依据。 1.1 试验地概况 定位试验设在山东省德州市黄河涯村（116°19′46.33″E，37°20′44.53″N），地处黄淮海平原，属暖温带大陆性季风气候，2014年10月－2015年10月周年平均气温14.9 ℃，年降雨量为504.9 mm，降水主要分布在6－8月份（图1），以黄河水灌溉，耕作制度为一年两熟的冬小麦-夏玉米轮作；当地耕作方式主要是旋耕，于每年冬小麦收获后旋耕，以小四轮拖拉机为主要动力，旋耕深度15 cm左右。 图1 试验地点周年降雨量和日平均温度Fig.1 Daily rainfall and mean temperature in growth period of experiment station 试验地土壤类型为潮土，0～20 cm土壤基础理化性状为有机质19.5 g/kg、全氮1.2 g/kg、全磷1.1 g/kg、全钾18.7 g/kg、硝态氮46.3 mg/kg、铵态氮0.6 mg/kg、速效磷25.9 mg/kg、速效钾181.1 mg/kg、pH 8.1。 1.2 试验设计与处理 根据前期黄淮海平原耕层结构调研结果[6]及试验点耕层结构特点，并依据犁底层破除程度设置4个耕深处理，为实现全面深松效果，采用深松机往返作业，实际深松间距10～15 cm，各处理分别于2014年10月21日冬小麦播种前进行耕作，夏玉米为贴茬播种，其耕层特点及构造方式分别如下： 1）犁底层不破除（RT15）：每年冬小麦播种前，采用旋耕机具作业，作业深度在15 cm，形成耕层厚度15 cm、犁底层厚度15 cm及下部心土层的耕层构造，该耕层构造为当地传统耕作方式下形成，本研究以此构造作为对照，在此耕层构造条件下，冬小麦和夏玉米根系主要分布层为0~20 cm。 2）犁底层破除1/3(DL20)：冬小麦播种前，采用深松机具对试验地进行20 cm深度行行深松，同时配套旋耕犁具进行15 cm旋耕，形成耕层20 cm、犁底层10 cm及下部心土层构造（图2）。 3）犁底层破除2/3（DL25）：冬小麦播种前，采用深松机具对试验地进行25 cm深度行行深松，同时配套旋耕犁具进行15 cm旋耕，形成耕层25 cm、犁底层5 cm及下部心土层的耕层构造。 4）犁底层完全破除（DL40）：冬小麦播种前，采用深松机具对试验地进行40 cm深度行行深松，对犁底层进行完全破除，形成全虚耕层构造，同时配套旋耕犁具进行15 cm旋耕。因为黄淮海平原犁底层的形成与旋耕耕作方式存在密切关系，旋耕作业深度与犁底层的深度一般是一致的，一般为15 cm左右，因此耕作层与犁底层之间的界面也相对清晰，对犁底层进行部分破除（1/3或者2/3）相对容易实现；但犁底层下部与心土层之间界面并不十分清晰，存在较大的变异性，因此为实现对犁底层的完全破除，将犁底层完全破除作业深度控制在40 cm，而非30 cm。 图2 犁底层部分破除示意图Fig.2 Illustration of plow pan broken partly 采用随机区组设计，各处理3重复，每个小区面积15 m×12 m，共12小区，供试冬小麦品种为济麦22，行距20 cm，于2014年10月23日播种和2015年6月7日收获；夏玉米品种为郑单958，种植密度67 500株/hm2，于2015年6月22日播种，10月10日收获。 冬小麦季氮肥施用量为210 kg/hm2，磷钾与钾肥施用量分别为150和75 kg/hm2，其中43%的氮肥和全部磷、钾肥作为基肥施入，其余氮肥在冬小麦拔节期结合灌溉施入农田；夏玉米季氮肥施用量为240 kg/hm2，磷钾与钾肥施用量分别为75和120 kg/hm2，其中33.3%氮肥和全部磷钾肥作基肥施入，其余氮肥在大喇叭口期追施。 试验期内灌溉量采用当地农民习惯灌溉量，单次灌水量为60 mm，其中冬小麦季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）。其他田间管理措施均一致。 1.3 测定项目 1.3.1 土壤容重 冬小麦苗期，采用环刀法，每10 cm为一层，测定0～100 cm土层深度的土壤容重，环刀高度为5 cm，测定位置为每层次中间位置。 1.3.2 土壤穿透阻力 分别于冬小麦、夏玉米关键生育期，采用5点取样法，每小区选取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，耕作、灌溉及降水事件后增加测定次数。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。 1.3.3 土壤含水率 采用土钻取样烘干法，于冬小麦播种前、苗期、拔节期、收获期和夏玉米苗期、大喇叭口期、成熟期测定0～100 cm土壤含水率，每10 cm一个层次，3次重复。 土壤蓄水量计算公式[3]为 式中W为土壤蓄水量，mm；h为土层厚度，cm；a为土壤容重，g/cm3；b为土壤含水率，%。 1.3.4 产量及构成因素 成熟期调查有效穗数，每区选定2.8 m×2.0 m地块，收割烘干后测产；每区随机取样60株，室内考种，调查穗粒数及千粒重。每小区夏玉米收获2 m双行，果穗脱粒，烘干，称其质量。 1.3.5 水分利用效率 作物耗水量[11] 式中ET为作物耗水量，mm；I为作物生育期灌溉量，mm；R1为作物生育期降水量，mm；U为地下水补给量，mm；R为径流量，mm；F为土壤水分渗漏量，mm；ΔW为收获后和播种前土壤根层储水量的变化，mm，其中土壤储水量以1 m土层含水率计算；因为试验小区土地平坦，故地表径流和土壤水分渗漏量可以忽略不计；地下水埋深较大，地下水的补充可以忽略不计；据此，上式（2）可简化为 因此水分利用利率[12-13]为 式中WUE为籽粒产量水分利用效率，t/(hm2·mm)；Y为作物产量，t。 1.4 数据处理及分析方法 采用Excel 2007进行数据整理并作图，用SPSS 19.0统计软件分析数据，方差齐性的显著性检验采用LSD法。 2.1 冬小麦播前不同处理剖面容重和穿透阻力分布特征 通过不同深度的行行深松，打破了犁底层原有的致密结构，提高了孔隙度，形成了不同的耕层构造，不同耕层构造下土壤物理性状的最直接表现是剖面容重的变化（图3）。 图3 0～50 cm土壤容重垂直变化规律Fig.3 Vertical distribution of bulk density from 0 to 50 cm in field 从整体来看，随着土壤深度的增加，RT15和DL20处理土壤容重呈现先增加后降低的“S”型增加趋势，而DL25和DL40处理土壤容重呈现逐渐增加的趋势。各处理0～10 cm土层容重在1.28～1.29 g/cm3左右，无显著差异（P>0.05），>10～20 cm土层容重以RT15最高，为1.43 g/cm3，显著高于DL20、DL25和DL40处理（P<0.05），其余处理间无显著差异（P>0.05）；各处理>20～30 cm土层容重差异最大，表现为DL40 图4所示为4种耕层构造0～45 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（>15～30 cm），各层次穿透阻力存在显著差异，其中表层0～15 cm及心土层＞30～45 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（P<0.05）；采用不同深度行行深松，对犁底层进行部分破除，能够不同程度降低犁底层穿透阻力，DL20、DL25、DL40处理表层0～15 cm穿透阻力分别为195.3、187.8及155.0 kPa，与RT15处理表层穿透阻力均无显著差异（P>0.05），而>15～30 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（P<0.05）；由于DL40处理犁底层完全破除，而DL20、DL25处理分别保留不同厚度犁底层，因此DL20和DL25处理＞15～30 cm穿透阻力较DL40处理均有显著提高（P<0.05），DL20和DL25之间>15～30 cm穿透阻力亦有显著差异（P<0.05），DL20处理较DL25处理提高了50.8%；RT15、DL20及DL25处理之间>30～40 cm穿透阻力均无显著差异（P>0.05），且均显著高于DL40处理（P<0.05）。 图4 0～45 cm穿透阻力变化Fig.4 Variations of penetration resistance of 0-45 cm 2.2 不同处理对冬小麦-夏玉米轮作农田土壤水分分布的影响 耕层结构的差异决定着水分在土壤剖面中入渗以及作物对水分吸收利用存在不同，最终影响了土壤水分的剖面分布特征（图5、6）。从图可知，随着作物生育期推进，各处理剖面0～100 cm土壤含水率变化趋势基本一致；不同耕层构造对土壤水分的影响主要在0～80 cm土层范围内。 图5 不同耕层构造对冬小麦各生育时期0～100 cm土壤含水率的影响Fig.5 Effect of plough layer constructions on soil moisture content at different growth stages of winter wheat (0-100 cm) 图6 不同耕层构造对夏玉米各生育时期0～100 cm土壤含水率的影响Fig.6 Effect of plough layer constructions on soil moisture content at different growth stages of summer maize (0-100 cm) 冬小麦苗期需水量不大，灌溉后土壤水分去向主要是表层蒸发和下渗，本研究中，作物苗期表层0～20 cm土壤含水率总体表现为RT15≈DL20>DL25≈DL40，即随着犁底层破除程度越大，0～20 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<0.05），但DL25和DL40处理＞20～80 cm土壤平均含水率均显著高于RT15和DL20处理（P<0.05）。 冬小麦拔节期土壤表层蒸发量较大，各处理表层0～20 cm土层水分含量均较低，且彼此间无显著差异（P>0.05）；作为小麦生长的关键时期，拔节期需水量较大，打破犁底层更有利于根系深扎，因此DL25和DL40处理深层水分消耗量较大，＞20～80 cm土层平均含水率较RT15和DL20处理显著降低（P<0.05）。 冬小麦经过拔节、开花、灌浆等生育时期的高速增长，需水量明显放大，至成熟期各处理＞20～80 cm土层平均含水率均有明显降低，但DL20、DL25、DL40处理降低幅度更大，均显著低于RT15处理20～80 cm平均含水率（P<0.05）。 夏玉米苗期土壤水分分布规律与冬小麦季基本一致。但与冬小麦不同，夏玉米大喇叭口期降水量较大，达147.3 mm，打破犁底层更主要起到蓄水保墒的作用，因此DL25和DL40处理＞20～80 cm土层平均含水率显著高于RT15和DL20处理（P<0.05）。由于夏玉米拔节期、大喇叭口期及开花期均有较大降水量，能够为作物生长提供充足水分，因此各处理成熟期＞20～80 cm土壤含水率无显著差异。 2.3 不同处理对冬小麦-夏玉米轮作农田土壤穿透阻力动态变化的影响 根据前述分析，不同耕层构造会造成土壤水分的剖面分布及季节动态的差异，而水分与剖面穿透阻力之间存在着极显著负相关关系[6,14-15]，因此不同耕层构造下，土壤剖面不同层次穿透阻力的变化特点亦不相同。 如图7所示，冬小麦季各处理0～15 cm土层平均土壤穿透阻力变化范围在176.29～2 128.10 kPa之间，并且随着小麦生育期的推进呈现双峰型，2014年秋收后，各处理0～15 cm平均穿透阻力达到1 017.74 kPa，随后经过耕作、灌溉等管理措施后，2014年11月13日表层平均穿透阻力迅速降低到生育期最低点202.02 kPa，随着表层水分的蒸发，土壤穿透阻力逐渐增大，同时进入越冬期土壤温度降低到0 ℃以下，冻融作用使土壤穿透阻力显著增大（P<0.05），达到生育期第一个峰值，RT15处理越冬期（2015年1月17日）穿透阻力最大，达到2 128.10 kPa，显著高于其他处理（P<0.05）；进入返青期，冻土融化显著降低各处理穿透阻力，同时伴随拔节期灌溉，各处理穿透阻力达到生育期第2个低点，此后，随着冬小麦拔节期（2015年4月5日）、开花期（2015年5月2日）、灌浆期（2015年5月27日）耗水量增大，各处理0～15 cm穿透阻力均显著增大（P<0.05），至成熟期达到最大值。 RT15、DL20、DL25和DL40处理整个生育期＞15～30 cm穿透阻力平均值分别为3 922.59、2 805.79、2 260.38和2 070.83 kPa，分别是0～15 cm生育期平均穿透阻力的3.38、2.92、2.50和2.32倍，但由于各处理犁底层破除程度不同，受容重、水分、冻融等因素影响，各处理之间差异明显增大；由于冬小麦越冬期＞15～30 cm土层也存在冻融现象，因此冬小麦越冬期（2015年1月17日）＞15～30 cm穿透阻力亦显著增大（P<0.05），呈现双峰型，此后随着土壤水分消耗，至成熟期各处理穿透阻力达到生育期最大值。 各处理＞30～45 cm穿透阻力变化不受冻融交替的影响，差异主要是由于水分入渗和作物生长耗水规律的不同造成的[16-17]。受犁底层破除程度差异的影响，各处理灌溉后＞30～45 cm穿透阻力表现为RT15>DL20> DL25>DL40，其中RT15处理显著高于DL25和DL40处理（P<0.05），但与DL20处理差异不显著（P>0.05）；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＞30～45 cm穿透阻力较RT15处理显著提高（P<0.05）。 图7 冬小麦季土壤穿透阻力动态变化Fig.7 Dynamic change of soil penetration resistance in winter wheat season 夏玉米季不同土层穿透阻力动态变化主要受季节降水、灌溉和作物耗水影响。其中受季节性降水不均匀的影响，>30～45 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：RT15>DL20>DL25>DL40。 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DL25>DL40>DL20≈RT15，且DL40与DL25处理产量均显著大于RT15和DL20处理（P<0.05），表明打破犁底层10 cm以上有显著增产效果，然而完全破除犁底层，DL40处理冬小麦和夏玉米产量分别较DL25处理降低4.2%和2.4%，且冬小麦产量达显著水平（P<0.05），这说明对深层土壤的过度扰动，完全打破犁底层，并不利于提高产量。 从作物耗水量角度（表1），冬小麦各处理全生育期耗水量表现为：DL40>DL25>DL20>RT15，DL25和DL40处理冬小麦全生育期耗水量较RT15处理显著提高（P<0.05），DL20处理和RT15处理冬小麦全生育期耗水量无显著差异（P>0.05），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：RT15>DL20>DL25>DL40，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（P<0.05），具有显著增产效果；DL20与RT15处理作物水分利用效率并无显著差异（P>0.05），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 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1.00～1.30 g/cm3，极限容重为1.60 g/cm3[18]。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>15～30 cm容重和穿透阻力均匀降低，表现为RT15> DL20>DL25>DL40，其中DL40和DL25处理>15～30 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＞30～80 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0～100 cm蓄水量均显著低于RT15和DL20处理（P<0.05）（表2），说明作物生长旺盛且水分供给相对不足时期，DL25和DL40处理供水能力更强；而玉米拔节期至大喇叭口期降水量达178.4 mm，水分供给充足，各处理0～100 cm蓄水量表现为：DL40>DL25≈DL20>RT15，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0～100 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) 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。 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0～15 cm土层穿透阻力最大，达到2 128.10 kPa，显著高于其他处理（P<0.05），其原因可能是RT15处理存在较厚的犁底层，表层水分入渗慢，滞留时间长[29]，灌溉后苗期表层含水率较高，受冻融作用影响最大。同样，在冬小麦和夏玉米生育后期，由于水分状况的差异，各处理穿透阻力表现迥异：冬小麦生育后期一方面降水较小，没有有效水分补给；另一方DL25和DL40处理对犁底层进行了有效破除，冬小麦根系深扎，能够充分利用土壤深层水分，作物深层耗水量增加，而RT15处理小麦根系分布浅层化，水分利用空间有限，深层土壤水分得不到有效利用，因此DL25、DL40处理土壤>30～45 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（P<0.05），究其原因可能是夏玉米季雨量较大，打破犁底层后，有利于深层蓄水[30]，因此DL25、DL40处理玉米生长后期，并不受水分胁迫，土壤含水率较高，土壤穿透阻力始终低于RT15处理，并随着水分消耗而逐渐增大。因此在实际生产中，土壤穿透阻力与耕作、作物生长、灌溉、降水及土壤蒸发等因素是相互耦合的，其在整个生育期过程中是不断变化的，在作物关键生育期合理灌溉，不仅能够满足作物生长需水，同时还能缓解犁底层对根系生长的阻碍。 需要指出的是，本研究是在黄淮海平原特定耕层结构、农田管理方式及气候条件下开展，当条件发生变化后，不同耕层结构下土壤相关物理性质也会发生变化，会对最终结果产生影响，因此本研究结果尚存在一定局限性，并不是各种情况下的普适性结论。 与对照相比，犁底层破除2/3及完全破除犁底层能够显著降低>10～30 cm土壤容重和穿透阻力（P<0.05），有利于土壤水分入渗，减少水分的无效耗散，犁底层破除2/3和完全破除犁底层处理冬小麦、夏玉米苗期0～20 cm土层土壤含水率均显著低于犁底层不破除处理（P<0.05），而>20～80 cm土层土壤含水率显著高于犁底层不破除处理（P<0.05）；犁底层破除2/3及完全破除犁底层有利于冬小麦拔节期调用土壤深层水分并利于夏玉米大喇叭口期土壤蓄存降水。 相对传统耕层构造，犁底层破除2/3及完全破除犁底层有利于提高作物水分利用率，显著增加作物产量，但完全打破犁底层，对深层土壤的过度扰动，并不利于提高产量，完全破除犁底层处理冬小麦和夏玉米产量分别较犁底层破除2/3处理降低4.2%和2.4%。 综合考虑，犁底层破除2/3后，犁底层厚度适当，既有利于土壤蓄水保墒，又可显著提高作物产量，同时能够降低农机动力消耗，因此是目前相对较好的犁底层改良方式。 [1] 山仑，吴普特，康绍忠，等. 黄淮海地区农业节水对策及实施半旱地农业可行性研究[J]. 中国工程科学，2011，13(4)：37－41. Shan Lun, Wu Pute, Kang Shaozhong, et al. Study on agricultural water-saving countermeasures and feasibility of implementing semi-dryland farming in the Huang-Huai-Hai Region[J]. Engineering Sciences, 2011, 13(4): 37－41. (in Chinese with English abstract) [2] 侯满平，郝晋珉. 黄淮海平原农业战略区划与布局研究[J].中国生态农业学报，2010，18(3)：595－599. Hou Manping, Hao Jinmin. Research on strategic agricultural division and layout of the Huang-huai-hai Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2010, 18(3): 595－599. (in Chinese with English abstract) [3] 白伟，孙占祥，郑家明，等. 虚实并存耕层提高春玉米产量和水分利用效率[J]. 农业工程学报，2014，30(21)：81－90. Bai Wei, Sun Zhanxiang, Zheng Jiaming, et al. Furrow loose and ridge compaction plough layer improves spring maize yield and water use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(21): 81－90. (in Chinese with English abstract) [4] 代快，蔡典雄，张晓明，等. 不同耕作模式下旱作玉米氮磷肥产量效应及水分利用效率[J]. 农业工程学报，2011，27(2)：74－82. Dai Kuai, Cai Dianxiong, Zhang Xiaoming, et al. Effects of nitrogen and phosphorus on dry farming spring corn yield and water use efficiency under different tillage practices[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(2): 74－82. (in Chinese with English abstract) [5] 刘爽，张兴义. 不同耕作方式对黑土农田土壤水分及利用效率的影响[J]. 干旱地区农业研究，2012，30(1)：126－131. Liu Shuang, Zhang Xingyi. Effects of tillage management on soil water dynamics, yield and water use efficiency inarable black soil cropping system in Northeast China[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2012, 30(1): 126－131. (in Chinese with English abstract) [6] 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. Zhai Zhen, Li Yuyi, Pang Huancheng, et al. Study on present situation and characteristics of plow pan in the northern region of Huang Huai Hai Plain[J]. China Agriculture Science, 2016, 49(12): 2322－2332. (in Chinese with English abstract) [7] 齐华，刘明，张卫建，等. 深松方式对土壤物理性状及玉米根系分布的影响[J]. 华北农学报，2012，27(4)：191－196. Qi Hua, Liu Ming, Zhang Weijian, et al. Effect of deep loosening mode on soil physical characteristics and maize root distribution[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2012, 27(4): 191－196. (in Chinese with English abstract) [8] 李轶冰，逄焕成，李华，等. 粉垄耕作对黄淮海北部春玉米籽粒灌浆及产量的影响[J]. 中国农业科学，2013，46(14)：3055－3064. Li Yibing, Pang Huancheng, Li Hua, et al. Effects of deep vertically rotary tillage on grain filling and yield of spring maize in North Huang-Huai-Hai region[J]. China Agriculture Science, 2013, 46(14): 3055－3064. (in Chinese with English abstract) [9] 花伟东，郭亚芬，张忠学. 坡耕地局部打破犁底层对水分入渗的影响[J]. 水土保持学报，2008，22(5)：213－216. Hua Weidong, Guo Yafen, Zhang Zhongxue. Influence of plough pan on broke partially slope farmland to moisture content infiltration[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2008, 22(5): 213－216. (in Chinese with English abstract) [10] 王立春，马虹，郑金玉. 东北春玉米耕地合理耕层构造研究[J]. 玉米科学，2008，16(4)：13－17. Wang Lichun, Mahong, Zheng Jinyu. Research on rational plough layer construction of spring maize soil in northeast China[J]. Journal of Maize Sciences, 2008, 16(4): 13－17. (in Chinese with English abstract) [11] 江晓东，李增嘉，侯连涛，等. 少免耕对灌溉农田冬小麦/夏玉米作物水、肥利用的影响[J]. 农业工程学报，2005，21(7)：20－24. Jiang Xiaodong, Li Zengjia, Hou Liantao, et al. Impacts of minimum tillage and no-tillage systems on soil NO3-N content and water use efficiency of winter wheat/summer corn cultivation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(7): 20－24. (in Chinese with English abstract) [12] 侯连涛，江晓东，韩宾，等. 不同覆盖处理对冬小麦气体交换参数及水分利用效率的影响[J]. 农业工程学报，2006，22(9)：58－63. Hou Liantao, Jiang Xiaodong, Han Bin, et al. Effects of different mulching treatments on the gas exchange parameters and water use efficiency of winter wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(9): 58－63. (in Chinese with English abstract) [13] 赵亚丽，薛志伟，郭海斌，等. 耕作方式与秸秆还田对冬小麦-夏玉米耗水特性和水分利用效率的影响[J]. 中国农业科学，2014，47(17)：3359－3371. Zhao Yali, Xue Zhiwei, Guo Haibin, et al. Effects of tillage and straw returning on water consumption characteristics and water use efficiency in the Winter wheat and summer maize rotation system[J], China Agriculture Science, 2014, 47(17): 3359－3371. (in Chinese with English abstract) [14] Busscher W J. Adjustment of flat-tipped penetrometer resistance data to a common water content[J]. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers, 1990, 33: 519－524. [15] Whalley W R, To J, Kay B D, et al. Prediction of the penetrometer resistance of soils with models with few parameters[J]. Geoderma, 2007, 137(3): 370－377. [16] 陈学文，张晓平，梁爱珍，等. 耕作方式对黑土硬度和容重的影响[J]. 应用生态学报，2012，23(2)：439－444. Chen Xuewen, Zhang Xiaoping, Liang Aizhen, et al. Effects of tillage mode on black soil’s penetration resistance and bulk density[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(2): 439－444. (in Chinese with English Abstract) [17] 郑洪兵，郑金玉，罗洋，等. 长期不同耕作方式下的土壤硬度变化特征[J]. 农业工程学报，2015，31(9)：63－70. Zheng Hongbing, Zheng Jinyu, Luo Yang, et al. Change characteristic of soil compaction of long-term different tillage methods in cropland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(9): 63－70. (in Chinese with English Abstract) [18] Шеин Е В, Гоняаров В М. Агрофизика[M]. Высшее образование, 2006: 386－388. [19] Marsili A, Servadio P, Pagliai M, et al. Changes of some physical properties of a clay soil following passage of rubber-and metal-tracked tractors[J]. Soil and Tillage research, 1998,49(3): 185－199. [20] Materecher A S A, Dexter A R, Alston A M. Penetration of very strong soils by seedling roots of different plant species[J]. Plant and Soil, 1991, 135(1): 31－41. [21] 郑洪兵，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. Zheng Hongbing, Zheng Jinyu, Luo Yang, et al. Effects of different tillage layer structures on growth and yield of maize in cropland zone in northeast of China[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2015, 33(5): 41－45. (in Chinese with English abstract) [22] 佘海铭，樊贵盛. 影响土壤入渗能力的剖面因素研究[J].太原理工大学学报，2009，40(3)：307－309. She Haiming, Fan Guisheng. Studying on the influence of soil profile factor on infiltration characteristics[J]. Journal of Tai Yuan University of Technology, 2009, 40(3): 307－309. [23] 孙蓓，马玉莹，雷廷武，等. 农地耕层与犁底层土壤入渗性能的连续测量方法[J]. 农业工程学报，2013，29(4)：118－124. Sun Bei, Ma Yuying, Lei Tingwu, et al. Method for continuously measuring soil infiltrability of plow-cultivated layer and hard pan in farmland. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(4): 118－124. (in Chinese with English abstract) [24] Matthews A M, Armstrong A C, Leeds-Harrison P B. Development and testing of a model for predicting tillage effects on nitrate leaching from cracked clay soils[J]. Soil Tillage Research, 2000, 53: 245－254. [25] 王红光，石玉，王东，等. 耕作方式对麦田土壤水分消耗和硝态氮淋溶的影响[J]. 水土保持学报，2011，25(5)：44－47. Wang Hongguang, Shi Yu, Wang Dong, et al. Effects of tillage on soil water consumption and NO¯3-N leaching in the field of wheat[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 25(5): 44－47. (in Chinese with English abstract) [26] 郑成岩，于振文，王东，等. 耕作方式对冬小麦氮素积累与转运及土壤硝态氮含量的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2012，18(6)：1303－1311.Zheng Chengyan, Yu Zhenwen, Wangdong, et al. Effects of tillage practices on nitrogen accumulation and translocation in winter wheat and NO¯3-N content in soil[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18(6): 1303－1311. (in Chinese with English abstract) [27] Gregory A S, Whalley W R, Watts C W, et al. Calculation of the compression index and precompression stress from soil compression test data[J]. Soil and Tillage Research, 2006, 89(1): 45－57. [28] To J, Kay B D. Variation in penetrometer resistance with soil properties: the contribution of effective stress and implications for pedotransfer functions[J]. Geoderma, 2005, 126(3): 261－276. [29] Lal R, Vandoren D M. Influence of 25 years of continuous corn production by three tillage methods on water infiltration for two soils in Ohio[J]. Soil and Tillage Research, 1990, 16(1/2): 71－84. [30] 侯贤清，贾志宽，韩清芳，等. 不同轮耕模式对旱地土壤结构及入渗蓄水特性的影响[J]. 农业工程学报，2012，28(5)：85－94. Hou Xianqing, Jia Zhikuan, Han Qingfang, et al. Effects of different rotational tillage patterns on soil structure, infiltration and water storage characteristics in dryland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(5): 85－94. (in Chinese with English abstract) 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※ 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，李玉义，郭建军，王 婧，董国豪，郭智慧，逄焕成. 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. 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 公益性行业（农业）科研专项（201303130）：北方旱地合理耕层构建技术及其配套耕作机具研究与示范 翟 振，男，山东菏泽人，博士生，主要从事合理耕层构建研究。北京 中国农业科学院资源区划所，100081。Email：zhaizhentab@163.com※通信作者：逄焕成，男，山东潍坊人，研究员，博士生导师，主要从事合理耕层构建及盐碱地改良与利用。北京 中国农业科学院资源区划所，100081。Email：panghuancheng@caas.cn0 引 言
1 材料与方法
2 结果与分析
3 讨 论
3 结 论
(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)
