黄淮海北部农田犁底层不同破除程度对夏玉米农艺性状及产量的影响

高建胜 郭建军 崔慧妮 董国豪 郭良海 郭智慧 户传周 李拥军

摘要：黄淮海平原由于连年旋耕导致犁底层加厚上移、耕层变浅、耕层生产能力下降，针对此问题，本试验于山东德州黄河涯村设置犁底层不破除（RT15）、犁底层破除1/3（DL20）、犁底层破除2/3（DL25）、犁底层完全破除（DL40）4个犁底层破除程度处理，研究大田条件下犁底层不同破除程度对夏玉米农艺性状及产量的影响。结果表明：部分破除犁底层后，夏玉米的株高、叶面积、净光合速率、地上/地下干物质重、产量均随犁底层破除程度的增加而呈增加趋势，DL25处理各指标达到最大；DL25处理的玉米产量分别较DL40、DL20、RT15处理高4.6%、6.1%和17.3%；但完全破除犁底层，并不利于作物产量等指标的进一步提升，甚至有小幅降低。因此，在目前黄淮海平原农田耕作方式、耕层结构条件下，犁底层的存在阻碍玉米的生长，将耕层深度增加到25 cm、适度打破而保留部分犁底层（5 cm）更有利于玉米产量的提高。

關键词：玉米；耕作方式；犁底层；产量；黄淮海平原

中图分类号：S513.061文献标识号：A文章编号：1001-4942（2018）03-0036-05

Abstract Annual rotary tillage has created a compacted plow pan and shallow arable layer which hamper the high crop yield in the Huang-Huai-Hai Plain region. In order to explore the effects of breaking the plow pan by different degrees on agronomic traits and yield of summer maize， the field experiments were conducted in Huangheya Village， Dezhou City of Shandong Province during 2014. Four treatments were conducted， including the original plow pan （RT15）， breaking the plow pan by 1/3 （DL20）， breaking the plow pan by 2/3 （DL25）， breaking the plow pan thoroughly （DL40）. The results showed that the plant height， leaf area， net photosynthetic rate， ground/underground dry matter and yield of summer maize increased with the increase of breaking degree of plow pan when breaking the plow pan partially. All the above indexes of DL25 treatment were the highest and the yield increased by 4.6%， 6.1% and 17.3% respectively than that of DL40， DL20 and RT15. While breaking the plow pan thoroughly was not beneficial to the promotion of yield indexes and even decreased slightly. In summary， the plow pan hindered the crop growth under the present cultivation method and the cultivated layer structure in the northern region of Huang-Huai-Hai Plain. Comprehensively considering the economic and environmental benefits， breaking the plow pan by 2/3 （DL25） was the best choice which could remarkably promote the summer maize yield.

Keywords Maize； Tillage treatments； Plow pan； Yield； The Huang-Huai-Hai Plain

黄淮海平原种植制度以小麦、玉米一年两熟为主，是国家重要的粮食主产区，对保障国家粮食安全具有举足轻重的作用[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，也造成一定弊端，即：因现行旋耕深度（15 cm左右）比过去的机械耕翻浅8～10 cm，造成耕层变浅[4]，且连年旋耕中的犁刀挤压作用使土壤在耕作层与心土层之间形成了一层坚硬、封闭的犁底层[5-8]；同时由于化肥的施用量逐年增加，土壤有机质所胶结的团聚体减少，土壤孔隙状况得不到改善，对犁底层的形成也起到一定作用。对耕作土壤来说，具有适当厚度的犁底层对保持养分、贮存水分、促进作物生长是非常有益的，但犁底层过厚、坚实，不仅阻碍作物根系的穿插，造成作物根系分布浅层化，同时阻碍了耕作层与心土层之间水、肥、气、热的连通性，对作物生长、物质的转移和能量的传递非常不利[9-11]。最新研究发现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普遍存在，主要分布在15～30 cm，犁底层平均厚度为15 cm[12]。

深松作为保护性耕作四大关键技术之一，被作为传统旋耕的替代技术大力推广应用，该技术是一种只疏松土层而不翻转土壤的抗旱耕作方法，其深度超过犁底层或土壤自然形成的硬土层分布深度。深松能够疏松土壤、加厚耕层、提高土壤孔隙度、改善土壤团粒结构、增强水分的入渗能力、促进植物根系生长发育、提高作物产量[13-16]。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，但目前关于犁底层的合理改良方式，尚未形成统一观点。因此系统研究不同耕层结构对作物生长的影响及犁底层合理改良方式，合理优化和改良耕层结构，继而创造有利于作物生长发育和作物持续高产稳产的土壤环境，是当前以及今后农业生产的重大技术需求，对于我国大幅度提升耕地质量和综合生产能力、达到“藏粮于地”及粮食持续稳产增产具有重要意义。因此本团队采用定位观测试验，通过设置不同厚度犁底层处理，对比研究不同厚度犁底层对夏玉米农艺性状及产量的影响，以期为黄淮海平原构建合理耕层提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

定位试验设在山东省德州市黄河涯村（E116°19′46.33″，N37°20′44.53″）。该地处于黄淮海平原，属暖温带大陆性季风气候，多年平均气温14.9℃，年降雨量504.9 mm，降水主要分布在6—8月。水源充沛，以黄河水灌溉为主。耕作制度为一年两熟：冬小麦-夏玉米轮作。试验点以壤质潮土为主。耕作方式为旋耕，于每年夏玉米收获后进行，耕层、犁底层厚度均为15 cm左右。

在试验地块选取5个样点，采集0～20 cm基础土样混合后风干、磨碎过筛，按照常规方法测定pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾等指标。试验点土壤基本理化性状见表1。

1.2 试验处理与管理

根据黄淮海平原耕层结构调研结果及试验点耕层结构特点（耕层厚度15 cm，犁底层厚度15 cm）[12]，设置4个犁底层处理，分别为RT15、DL20、DL25、DL40。

RT15：犁底层不破除（耕层厚度15 cm），即每年麦播前旋耕15 cm，形成耕层、犁底层均为15 cm及下部心土层的耕层构造。该构造为当地传统耕作方式下形成，为本研究对照。

DL20：犁底层破除1/3（耕层厚度20 cm），即麦播前深松20 cm，同时配套旋耕15 cm，形成耕层20 cm、犁底层10 cm及下部心土层构造。

DL25：犁底层破除2/3（耕层厚度25 cm），即麦播前深松25 cm，同时配套旋耕15 cm，形成耕层25 cm、犁底层5 cm及下部心土层的耕层构造。

DL40：犁底层完全破除（耕层厚度40 cm），即麦播前深松40 cm，犁底层完全破除，形成全虚耕层构造，同时配套旋耕15 cm。

试验采用随机区组设计，每处理重复3次。小区面积15 m×12 m=180 m2，共12小区。为提升深松效果，采用深松机往返作业，深松间距10～15 cm。各处理均于2014年10月21日小麦播种前耕作，夏玉米为贴茬播种。供试麦种为济麦22。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。

冬小麦采用当地常规管理。夏玉米季施氮240 kg/hm2，施磷75 kg/hm2，施钾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。试验期内用水表记录灌溉量，单次灌溉量为60 mm，于2015年6月23日灌水。

1.3 指标测定

1.3.1 玉米株高、叶面积测定 采用定株观测法测量叶面积，即在拔节期、大喇叭口期、抽雄开花期每小区选3株代表性植株挂牌标记，测量叶面积；在抽雄开花期每小区选取代表性植株10株，测量株高。

1.3.2 净光合速率 在玉米抽雄吐丝期选择晴朗无风天气，于9∶00—11∶00采用Li-6400A光合仪（Li-Cor，美国）测定光合参数。采用红蓝光源叶室测定，设定光量子度（PAR）为1 200 μmol/（m2·s），样本室内气流速度（Flow）为500 μmol/s，叶室温度为30℃。每小区选取长势一致的玉米3株，在每株相同部位选取完全伸张的向阳叶片，每片叶读数5次，取15次平均结果。

1.3.3 干物质测定 于拔节、大喇叭口、抽雄开花期每小区选取代表性植株3株，将其分为地上、地下两部分，105℃杀青30 min，然后80℃下烘干至恒重称重。

1.3.4 测产及考种 每小区取6.67 m2测产，同时选取10个代表性样穗风干考种，记录穗粗、穗长、秃顶长、穗行数、行粒数、百粒重，计算水分含量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007進行数据处理。采用SPSS 20.0数据处理软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 犁底层不同破除程度对玉米农艺性状的影响

不同犁底层破除程度对玉米抽雄开花期株高的影响如图1所示。株高受犁底层破除程度影响显著，且随犁底层破除程度增大呈先增加后减小趋势。DL25处理玉米植株最高，其次是DL40处理，分别较对照（RT15）提高6.1%和4.8%，而DL40与DL25处理之间差异不显著。

不同犁底层破除程度对玉米主要生育期（拔节期、大喇叭口期、抽雄期）叶面积的影响如图2所示。犁底层不同破除程度对玉米3个生育时期叶面积的影响显著，均表现为DL25处理叶面积最大，且在3个生育时期内均表现为随犁底层破除程度的增大呈先增加后减小趋势，同时在3个生育时期内DL25处理与DL20、RT15处理之间存在显著差异。拔节期DL25处理叶面积较DL20、RT15分别高13.9%、45.9%；大喇叭口期DL25处理较DL20、RT15分别高14.7%、15.7%；抽雄开花期DL25处理较DL20、RT15分别高13.3%、16.7%；但各时期内DL25与DL40处理之间无显著差异。

从图1、图2株高及叶面积数据可以看出，不同程度地破除犁底层均能显著促进玉米植株生长，且将犁底层破除2/3（DL25）后各指标达最优。

2.2 犁底层不同破除程度对玉米净光合速率的影响

从图3可以看出，不同程度破除犁底层后均能显著提高玉米抽雄开花期的净光合速率，各处理表现为：DL25﹥DL40﹥DL20﹥RT15，以犁底层破除2/3（DL25）处理植株的净光合速率最高，较DL20、RT15分别高9.1%、16.1%，而DL40与DL25之间差异不显著。

2.3 犁底层不同破除程度对玉米干物质积累的影响

如图4、图5所示，犁底层不同破除程度对玉米3个生育时期地上、地下部干物质积累的影响显著，均随犁底层破除程度增大呈先增加后减少趋势，同时均以DL25处理数值最大，且在各生育时期内DL25处理与DL20、RT15之间差异显著。拔节期DL25处理地上部干物质重较DL20、RT15处理分别高73.8%、76.9%，地下部干物质重较其分别高31.5%、37.2%；大喇叭口期DL25地上部干物质重较DL20、RT15处理分别高20.4%、33.9%，地下部干物质重较其分别高23.2%、36.4%；抽雄开花期DL25处理地上部干物质重较DL20、RT15处理分别高18.7%、38.7%，地下部干物质重较其分别高24.0%、38.6%；但各时期内地上、地下部干物质重DL25与DL40处理间均无显著差异。

2.4 犁底层不同破除程度对夏玉米产量及穗部性状的影响

如表2所示，不同处理中，DL25处理的穗粗、穗粒数、百粒重、产量值最大，其次是DL40、DL20，RT15处理最小。穗长为DL40最长，秃尖长DL20处理最长。在产量性状中，玉米产量随犁底层破除程度的增大呈先增加后减少趋势，且DL25处理较DL40、DL20、RT15分别高4.6%、6.1%、17.3%。因此从产量角度看，不同程度破除犁底层均能显著提高玉米产量，以犁底层破除2/3（DL25）产量最高。

3 讨论与结论

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，是保证作物高产稳产的基础[18]。在现行以旋耕为主的耕地模式下，黄淮海北部地区农田普遍存在犁底层，主要分布在15～30 cm之间。犁底层容重和穿透阻力远大于耕层及心土层，其平均容重约为1.54 g/cm3；过厚的犁底层阻碍了作物根系的下扎，造成作物根系分布浅层化，易造成作物水分胁迫，同时不利于根系吸收深层养分[12]。本研究中，通过不同程度地破除犁底层，使耕层厚度加深，结果显示：玉米株高，主要生育时期叶面积、地上地下干物质重，抽雄开花期净光合速率及产量均随犁底层破除程度的增加而呈现先增加后减少趋势，均以DL25处理各指标值达到最大；DL25处理产量较DL40、DL20、RT15处理分别提高4.6%、6.1%、17.3%。这是由于不同程度破除犁底层后，促进了水分充分入渗和贮存，营造出对作物更有利的水、肥、气、热环境条件，有助于叶绿素的合成、根系生长[19]，进而促进玉米植株的生长发育，最终增产。前人研究亦发现，深松耕作破除犁底层能够显著提高作物产量[20]，但本研究发现玉米产量并不是随着犁底层破除程度的增大而一直增加，完全破除犁底层并不利于作物产量等指标的进一步提升，甚至有小幅降低。这可能是完全破除犁底层后形成的全虚耕层构造，使得水分、养分下渗流失严重，因此保留部分犁底层更有利于水分、养分的蓄积，同时又不影响土体与外部环境的气、热交换，为玉米的生长提供良好的水、肥、气、热条件。

综上，在目前黄淮海平原农田耕作方式、耕层结构条件下，犁底层的存在阻碍了作物的生长，将耕层深度增加到25 cm、适度打破而保留部分犁底层（5 cm）更有利于玉米产量的提高。

参 考 文 献：

[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）：37-42.

[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.

[3] 夏俊芳，许绮川，周勇. 旋耕技术的研究现状和发展趋势[J]. 华中农业大学学报，2005（S1）：83-85.

[4] 杨雪，逄焕成，李轶冰，等. 深旋松耕作法对华北缺水区壤质黏潮土物理性状及作物生长的影响[J]. 中国农业科学，2013，46（16）：3401-3412.

[5] 闫宝生. 机械化保护性耕作深松机具的研究现状与展望[J]. 科技情报开发与经济，2004，14（4）：115-116.

[6] Garcia F，Cruse R M，Blacker A M. Compaction and nitrogen placement effect on root growth，water depletion，and nitrogen uptake[J]. Soil Science Society of America Journal，1988，52（3）：792-798.

[7] Nakatsu S，Higashida S，Sawazaki A. Easy estimation method for plow pan and effect of improved pan-breaking[J]. Japanese Journal of Soil Science and Plant Nutrition，2004，75（2）：265-268.

[8] Hkansson I，Voorhees W B，Riley H. Vehicle and wheel factors influencing soil compaction and crop response in different traffic regimes[J]. Soil and Tillage Research，1988，11（3/4）：239-282.

[9] 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.

[10]郑丽萍，徐海芳. 犁底层土壤入渗参数的空间变异性[J]. 地下水，2006，28（5）：55-56，102.

[11]张丽. 深松和培肥对旱地农田土壤水分保蓄能力及玉米生长的影响[D]. 北京：中国农业大学，2014：18-20.

[12]翟振，李玉义，张莉，等. 短期深旋松对黄淮海沙姜黑土耕层结构及小麦生长的影响[J]. 应用生态学报，2017，28（4）：1211-1218.

[13]孙利军，张仁陟，黄高宝. 保护性耕作对黄土高原旱地地表土壤理化性状的影响[J]. 干旱地区农业研究，2007，25（6）：207-211.

[14]张海林，高旺盛，陈阜，等. 保护性耕作研究现状、发展趋势及对策[J]. 中国农业大学学报，2005，10（1）：16-20.

[15]Busscher W J. Adjustment of flat-tipped penetrometer resistance data to a common water content[J]. Transactions of the ASAE，1990，33（2）：519-524.

[16]李传友，何润兵. 深松对土壤蓄水保墒效果影响试验研究[J]. 中国农机化学报，2013，34（4）：108-112.

[17]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）：41-45，95.

[18]李向东，张德奇，王汉芳，等. 越冬前增温对小麦生长发育和产量的影响[J]. 应用生态学报，2015，26（3）：839-846.

[19]杨永辉，武继承，李学軍，等. 耕作和保墒措施对冬小麦生育时期光合特征及水分利用的影响[J]. 中国生态农业学报，2014，22（5）：534-542.

[20]宋日，吴春胜，牟金明，等. 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.