心土间隔混层技术改善白浆土理化性质提高大豆产量

朱宝国，张春峰，贾会彬，孟庆英，王囡囡，匡恩俊，张立波，高雪冬，王庆胜，刘俊刚，王宇先

心土间隔混层技术改善白浆土理化性质提高大豆产量

朱宝国1,2，张春峰1,2※，贾会彬1,2，孟庆英1,2，王囡囡1,2，匡恩俊3，张立波1,2，高雪冬1，王庆胜1，刘俊刚1，王宇先4

（1. 黑龙江省农业科学院佳木斯分院，佳木斯 154007； 2. 黑龙江省白浆土改良工程中心，佳木斯 154007；3. 黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所，哈尔滨 150086； 4. 黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院，齐齐哈尔 161006）

为了提高改土效率，打破白浆土障碍层次白浆层，改善贫瘠的心土层创造有利条件，该文设计了将白浆土“上翻20 cm，下混30 cm，同时间隔62 cm不混拌”的心土间隔混层犁。2016－2017年在黑龙江省八五四农场设置心土间隔混层区和浅翻深松区大区对比试验，研究改土作业后土壤理化性质、大豆产量及其农艺性状变化，明确改土机械作业效果与作物增产机理。结果表明：与浅翻深松相比，心土间隔处理改土2 a内：改善白浆土心土层土壤物理性质，提高土壤含水率，>20～40 cm土层土壤含水率提高幅度为2.13～3.20个百分点；降低心土层土壤硬度，硬度值降低40%～50%，且在>20～40 cm心土层没有出现峰值，改善土壤三相比例，固相值降低5.06个百分点，液相值增加3.17个百分点，气相值增加1.89个百分点。改善心土层化学性质，>20～40 cm土层碱解氮提高33.77%，有效磷提高39.25%，速效钾提高4.16%，有机质提高15.85%，同时提高心土层全量养分含量，降低土壤pH值，但效果不明显。连续调查两年大豆产量，心土间隔混层区比浅翻深松区增产12.66%～13.28%，一次改土后效时间长，增产效果显著。该研究结果可为旱地白浆土及其同类低产土壤的改良提供技术支撑。

土壤；作物；白浆土；心土间隔混层；物理特性；化学特性；土壤改良

0 引 言

白浆土主要分布在黑龙江和吉林两省的东北部[1]，是中国东北平原20世纪50年代末期大面积拓垦的主要土壤资源，在两省的耕地资源中占有重要位置，在黑龙江省总面积约为331.2万hm2。该省东部三江平原地区是白浆土集中分布区，耕地面积达到88.4万hm2，约占该区总耕地面积的25.4%[2]。白浆土分布于中国东北黑土地带，与黑土、草甸土呈复区分布，但其黑土层在相邻土壤中最薄，平均为12.8cm，厚度范围6～20 cm[3]，其独特的成土条件不仅限制了黑土层的发育，还在黏化淀积层之上、黑土层之下形成了一个板结、紧实，阻碍植物根系生长、厚度范围在20 cm左右的白浆层[4-5]。这层土壤不仅养分贫瘠，而且通透性能极差，引起黑土层水分变动剧烈，土壤表旱、表涝频繁，长期耕作土壤偏酸严重[6]。因此，改良和利用好这类土壤资源，对于改变白浆土区低产面貌，提高中国粮食总产具有重要意义。

由于白浆土开发历史较晚，土壤成因特殊，生产问题独特，白浆土一直受到广泛关注，中国科学院沈阳应用生态研究所最早开展白浆土资源详查、成土学说以及综合治理等系统研究[7-8]，黑龙江八一农垦大学相继开展白浆土成因、地力评价以及综合改土措施方面的研究[9-10]，黑龙江省农业科学院佳木斯分院根据白浆土在机械组成上呈现两层性的特点，提出了以淀积层的“黏”来治白浆层的“砂”的改土路线[11-13]，经过多年试验研究，明确了“上翻20 cm，下混30～40 cm”的改土原理，成功地研制出三段式心土混层犁[14-16]，该机械把白浆层和淀积层进行随机混拌，打破坚硬的白浆层，耕作深度可达50 cm以上，作业后显著土壤通透性和储水能力[17]。对白浆土物理性质的改良效果十分明显，一次改土后效可持续5年以上[18-19]。

经过多年的试验研究发现，心土全层混拌，机械效率低下，如遇春季多雨季节，容易造成心土过宣，影响机械播种。因此本项研究在三段犁的基础上，通过心土间隔混层技术，把白浆土白浆层和淀积层进行间隔混拌，形成虚实并存的土体构型，既达到改善土壤通透性，提高心土层养分含量，又解决了土壤过宣问题，同时与原有三段式心土混层犁[20]相比作业效率提高1倍。因此本研究设置心土间隔混层区和浅翻深松区田间对比试验，调查心土间隔混层犁作业后土壤理化性质变化，指示作物产量及其农艺性状变化，明确心土间隔混层技术改土增产效果，进一步拓宽白浆土改良新途径，为心土混层改土技术的广泛应用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验在黑龙江省八五四农场旱田试验站进行（东经132°55'21''，北纬46°02'52''），试验于2016年5月开始，至2017年10月结束，试验采取连续定位测定，供试土壤类型为岗地白浆土，耕层土壤含有机质26.23 g/kg、全氮1.29 g/kg、全磷1.76 g/kg、全钾22.54 g/kg、碱解氮215.4 mg/kg、有效磷32.4 mg/kg、速效钾137.0 mg/kg。土壤pH 6.12，试验区地势平坦，无灌溉条件。

1.2 气象条件

2016年降雨量545.4 mm，2017年降雨量433.1 mm，具体5－9月降雨量如下（表1）所示。

表1 2016－2017年八五四农场降雨量

1.3 试验设计

试验采用大区对比试验，设2个处理，3次重复，每个处理面积1.0 hm2。具体处理如下：

1）浅翻深松区(CK)，采用普通翻地犁进行作业，作业深度为0～20 cm；

2）心土间隔混层区（SIML）：采用自主研发的心土间隔混层犁作业，该犁为间隔混拌作业模式，即上翻黑土层20cm，其下白浆层和淀积层水平30 cm随机混拌、62 cm未混拌，作业深度 50～60 cm。

供试品种：2016年、2017年均为“垦农30号大豆”。2016年5月7日播种，10月1日收获；2017年5月10日播种，10月5日收获。垄距0.65 m，双行单粒，株距0.1 m，密度为30万株/hm2。施肥量：尿素65 kg/hm2，二铵180 kg/hm2，氯化钾50 kg/hm2。不同处理施肥量和田间除草与当地一般生产田一致。

1.4 工作原理

心土间隔混层犁是一种新型改土机械，该改土机械主要由4个主体机械部件构成：新增的和原有的第一犁为表土犁，第二犁为白浆层破碎器，第三犁为淀积层破碎器，这些部件顺次安装在主犁架上（图1a），作业时，原有的第一犁作业幅宽46 cm，其下心土混拌幅宽30 cm，心土未混拌幅宽16 cm；新增的第一犁作业幅宽亦为46 cm，其下心土未混拌幅宽46 cm，从而实现30 cm混拌、62 cm未混拌的心土间隔混拌（图1b）。

注：Ap：耕层；Aw：白浆层；B 层：淀积层。(1)-(7)为犁作业步骤。

作业参数：耕作幅宽：92 cm；耕作深度：50～60 cm；牵引阻力：45 kN；作业效率：0.6～1 hm2/h；作业成本：700～1 000元/hm2。

1.5 调查项目与方法

1.5.1 土壤含水率测定

土壤含水率采样深度为60 cm，按10 cm一层分层取样，共取6层，每层取3点，采用土钻取土室内烘干法测定，取样时间是2016年7月大豆花期采样1次，2017年的8月大豆结荚期采样1次。

1.5.2 土壤硬度测定

土壤硬度测定深度为60 cm，按5 cm一层测定，每点测12 层，每小区连续测定10点，每点水平距离10 cm，采用日本大起理工制DIK-5521贯入式土壤硬度计测定，圆锥底面2 cm2，测定时间与土壤含水率取样时间一致。

1.5.3 土壤三相测定

选择每小区对角线交叉点为取样点，采取人工方式挖土壤剖面，剖面规格为100 cm×100 cm×120 cm，用环刀取原状土样，环刀规格为高5 cm，容积100 cm3，取样深度为60 cm，按20 cm一层分层取样，每层取6点，环刀样扣盖，密封后备用，采用日本DIK-1120土壤三相仪器测定。测定时间2017年8月与含水量测定时间一致。

1.5.4 土壤化学指标测定

用土钻进行取土，取样深度为60 cm，按20 cm一层分层取样，每层取3点，回实验室风干备用。采用美国产原位土壤pH计测定土壤pH值，采用扩散吸收法测定土壤碱解氮；采用碳酸氢钠提取法测定土壤速效磷；采用盐酸浸提-AAS法测定土壤速效钾；采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机质；采用半微量开氏法测定土壤全氮；采用NaOH熔融-钼锑钪比色法测定土壤全磷；采用NaOH熔融-火焰光度法测定土壤全钾[21]。采样时间为2017年10月10日。

1.5.5 产量指标测定

大豆成熟以后各小区全区收获测产。每区选有代表性的30株进行产量构成因素测定。

1.6 数据分析

采用DPS 7.05和Excel 2007软件进行数据处理和分析。

2 结果与分析

2.1 心土间隔混层对土壤水分的影响

心土间隔混层处理土壤后，连续2 a调查土壤含水率变化情况，从图2中可以看出，0～60 cm土层土壤含水率随着土层深度的加深，不同层次土壤含水率变化趋势是先增大后减小，再增大。与对照区相比，>20～40cm土层土壤含水率明显提高，第1年土壤含水率提高2.52～3.20个百分点，第2年土壤含水率提高2.13～2.30个百分点，差异达到显著水平；0～20 cm和>40～60 cm 土层土壤含水率与对照相比虽有提高，但变化不明显。说明心土间隔混层改土处理后，土壤致密的白浆层被间隔破碎和心土层进行随机混拌，间隔改变土体结构，提高土壤通透性，有利于水分上下运移，增大了>20～40 cm土层土壤储水库容，从而提高土壤含水量。

注：SIML为心土间隔混层处理，CK为浅翻深松区，下同。

2.2 心土间隔混层对土壤硬度的影响

心土间隔混层改土后2a内，测定土壤硬度结果表明（图3），对照区0～60 cm土层土壤硬度值变化趋势是先增大后减小，在＞20～40 cm土层内出现峰值，硬度最大值在2.5 MPa左右；心土间隔混层犁改土区，随着土层加深硬度值逐渐变大，后趋于平稳，＞20～40 cm心土层没有出现峰值，硬度最大值在1.5 MPa左右，明显降低了白浆土心土层土壤硬度值，较对照区硬度值降低40%～50%，＞0～20 cm和＞40～60 cm土层土壤硬度值虽有降低，但差异不显著。说明心土间隔混层改土后间隔混拌了白浆层和淀积层，致密的白浆层被打破，硬度降低到了适合作物根系生长范围内，有利于作物根系生长，结果表明改土2a内土壤硬度没有恢复原状，改土效果显著。

图3 不同耕作方式下土壤硬度变化

2.3 心土间隔混层对土壤三相的影响

白浆土心土层土壤物理性质差，水分和气体所占空间少，水分上下运移不良，其主要问题出在障碍层次白浆层，心土间隔混层犁能够打破白浆层，使白浆层和淀积层进行间隔混拌，从而打破白浆层不良物理特性。心土间隔混层改土2 a后测定土壤三相值，从图4可以看出，心土间隔混层与对照区相比0～60 cm土层土壤固相减小，液相和气相增大，特别是＞20～40 cm土层变化明显，与对照相比固相比例降低5.06个百分点，液相比例提高3.17个百分点，气相比例提高1.89个百分点。0～20 cm和＞40～60 cm土壤三相虽有变化，但不明显。说明经过心土间隔混层犁处理过的土壤，2 a内心土层土壤硬度没有恢复，土壤通透性明显改善，改土效果持久显著。

图4 不同耕作方式下土壤三相变化

2.4 心土间隔混层对土壤养分变化的影响

白浆土耕层养分含量低，很难满足作物生长需要，利用心土间隔混层犁把白浆层和淀积层进行随机混拌，同时两层养分也随机混拌。表1是心土间隔混层犁改土2a后土壤养分测定结果，从表1中可以看出，0～20 cm土层变化不明显，原因是耕层土壤只是平移翻转，没有混拌，因此对养分影响小。＞20～40 cm土层白浆层和淀积层进行随机间隔混拌，速效养分得到明显提高，与对照相比碱解氮提高33.77%，有效磷提高39.25%，速效钾提高4.16%，同时提高全氮和全磷含量，全钾变化不明显；有机质含量提高15.85%，pH值变化不明显。与＞20～40 cm变化相比，＞40～60 cm土层土壤速效养分和全量养分虽有提高，但变化不明显。说明心土间隔混层后，两层土壤养分随机混合，提高了＞20～40 cm土层养分供给能力。

2.5 心土间隔混层对作物产量的影响

土壤处理后，连续调查2年作物农艺性状及产量，从表2中看出，心土间隔混层犁改土处理区与对照区相比，都不同程度提高了大豆的单株株高、节数、荚数，增加大豆单株粒数和百粒质量，特别是株高、荚数和粒数差异达到了显著水平。心土间隔混层处理后提高了大豆产量，与浅翻深松区相比第1年大豆产量增产13.28%，第2年大豆产量增产12.66%。说明心土间隔混层改土后2个作物生育期内大豆能够持续增产10%以上，改土后效显著。

表1 不同耕作方式下土壤养分变化

注：同列数值后不同小写字母代表0.05水平差异显著。下同，

Note: Values in the same column followed by different lowercase letters were significant difference at 0.05 probability level. The same below.

表2 大豆产量性状及产量

3 讨 论

白浆土的土体构型和土壤肥力的关系十分密切。心土间隔混层措施虽未给土壤带来新的肥力物质，但却提高了作物的产量，其关键就在于调节了土层间的适当配合，创造了一种有利于土壤水、肥、气、热的保持与协调的新的土体构型。白浆土白浆层土壤粉砂含量高，养分含量低[22-23]，容易沉实，造成土壤板结、紧实，水分上下沟通困难，土层间的适当配合受到阻碍，是白浆土低产的症结所在。要改变这种状况，要么大量施入有机肥，增加土壤有机质含量[24-25]，活化不良心土层[26-27]，提高耕层土壤养分[28-29]；要么进行土层改造。第一种措施在目前有机质来源尚不能保证耕层培肥的情况下是难以实施的。第二种措施根据白浆土在土壤机械组成上具有两层性[30]，白浆层与淀积层具有上沙下黏的特点，这就为创造一种沙黏适中的土体构型提供了有利条件。

心土间隔混层后，土壤物理性质明显改善。淀积层和白浆层随机混拌，土壤机械组成由原来的两层性变为三层性，即耕层、混拌层和淀积层，且各自拥有不同的沙黏比，土壤形成了新的土体构型。在这种土体构型下，保证耕层土壤养分不变的情况下，明显改善了心土层土壤的物理性质[31-32]，显著降低了白浆土心土层土壤的硬度，硬度可降低2倍左右，且在整个土层中硬度没有出现峰值。增大储水库容，提高土壤含水量，改善土壤三相值，土壤水气协调，提高土壤通透性，既决了白浆土区土壤表旱表涝的严重问题，又防止土壤板结现象。

心土间隔混层后，化学性质得到明显改善。心土间隔混层虽没有添加任何肥力物质，但把淀积层和白浆层进行随机混拌，提高土壤通透性，有利于耕层水分养分运移，同时把两层营养物质也随机混拌，所以20～40 cm心土层速效养分含量与原来贫瘠的白浆层相比明显提高，土壤质量得到明显改善，同时作物根系能够下扎到心土层，有利于根系吸收营养，促进大豆生长发育，持续提高作物产量，连续测定两年作物平均产量提高10%左右。

4 结 论

在保持表土层位置不变的情况下，心土间隔混层技术实现了“上翻20 cm，下混30 cm，同时间隔62 cm不混拌”的新农艺参数，心土层物理性质和化学性质得到明显改善，同时提高改土效率和作物产量。

1）心土间隔混层技术改善白浆土物理性质。＞20～40 cm土层各项指标变化幅度明显，土壤含水量提高2.13～3.20个百分点；固相降低5.06个百分点，液相增加3.17个百分点，气相增加1.89个百分点；硬度降低40%～50%。

2）心土间隔混层技术改善白浆土化学性质。提高＞20～40 cm心土层养分含量，土层碱解氮提高33.77%，有效磷提高39.25%，速效钾提高4.16%，有机质提高15.85%。

3）心土间隔混层技术提高大豆产量及其农艺性状。增加大豆株高、节数、荚数、粒数和百粒重，连续2 a调查大豆产量，心土间隔混层区比对照区增产12.66%～13.68%，一次改土后效持续时间长。

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Improving physicochemical properties of planosol and increasing yield of soybean by using subsoil interval mixed layer technology

Zhu Baoguo1,2, Zhang Chunfeng1,2※, Jia Huibin1,2, Meng Qingying1,2, Wang Nannan1,2,Kuang Enjun3, Zhang Libo1,2, Gao Xuedong1, Wang Qingsheng1, Liu Jungang1, Wang Yuxian4

(1.154007,; 2.154007,; 3.,150086;4.,161006,)

Planosol is one of the main agricultural soils in the northeast of China, concentrates in Heilongjiang and Jilin provinces relatively. Its total area is approximately 3.312 million hm2in Heilongjiang Province, centrally distributed in the Sanjiang Plain, its cultivated land area is about 0.88 million hm2, accounting for 25.4% of the total arable land in the area. The subsoil of planosoloften presents the physical and chemical characteristics of “hard, board and thin” during the growing period of crops, which results in serious drought and water logging. According to the characteristics of the two-layer nature of the planosol in its mechanical composition, we proposed a new soil modification route to treat the “sand” of the Aw (planosol layer) horizon with the “clay” of the B horizon (illuvia horizon), clarified the principle of “the Ap horizon in depth of 20 cm undisturbed, while mix the subsoil in depth of 30-40 cm”, and developed a three-stage subsoil mixing plough which could mixed the Aw horizon and the horizon with the ratio of 1:1 under the condition of the black soil layer position unchanged, improved the permeability and the water storage capability of the subsoil. After many years experiment and demonstration, the whole subsoil layer mixed, seriously affect the mechanical seeding. In order to improve the soil modification efficiency, form suitable soil structure and improve barren subsoil, the subsoil interval mixing plough was designed on the basis of the three-stage subsoil mixing plough, which could plough the Ap horizon in depth of 20 cm undisturbed, mix the subsoil in depth of 30cm below, separate 62 cm without mixing. We conducted field experiment in the 854 state farmduring 2016-2017, and investigated the physical and chemical characteristics of soil and the agronomic traits and yield of soybean of subsoil interval mixing area and surface ploughing and deep digging area to definite the yield-increasing mechanism of the interval subsoil mixing plough The result showed that compared with surface ploughing and deep digging area two years after soil modification, the subsoil interval mixing area improved the physical characteristics of the subsoil, during 20-40 cm soil layer, the soil water content increased by 2.13-3.20 percentage point, the hardness reduced by 40%-50%，and there was no peak; improved the soil permeability, the solid phase decreased by 5.06 percentage point, the liquid phase increased by 3.17 percentage point, and the gas phase increased by 1.89 percentage point; improved nutrient content of subsoil, the available nitrogen increased by 33.77%, the available phosphorus increased by 39.25%, the available potassium increased by 4.16% and the organic matter increased by15.85%, improved the total nutrients content of subsoil and alleviated soil acidity meanwhile. The yield of soybean in two years increased by 12.66%-13.28% compared with the CK area, the soil modification effect last long at a time, significant increase in production. The results could provide technical support for improving planosol and the same low yield soil and promoting high crop yields.

soils; crops; planosol; subsoil interval mixing layer; physical characteristics; chemical characteristics; soil improvement

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.013

S223

A

1002-6819(2019)-15-0094-07

2019-03-13

2019-06-18

国家公益性行业（农业）科研专项（201503116-01）资助。

朱宝国，助理研究员，主要从事土壤肥料与低产土壤改良研究。Email：zhubaoguo82@163.com。

张春峰，研究员，博士，主要从事土壤肥料与低产土壤改良研究。Email：chunfeng-1@163.com

中国农业工程学会会员：朱宝国（E040500133M）

朱宝国，张春峰，贾会彬，孟庆英，王囡囡，匡恩俊，张立波，高雪冬，王庆胜，刘俊刚，王宇先. 心土间隔混层技术改善白浆土理化性质提高大豆产量[J]. 农业工程学报，2019，35(15)：94－100. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.013 http://www.tcsae.org

Zhu Baoguo, Zhang Chunfeng, Jia Huibin, Meng Qingying, Wang Nannan, Kuang Enjun, Zhang Libo, Gao Xuedong, Wang Qingsheng, Liu Jungang, Wang Yuxian. Improving physicochemical properties of planosol and increasing yield of soybean by using subsoil interval mixed layer technology [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 94－100. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.013 http://www.tcsae.org