豫南砂姜黑土水浇地不同产田土壤理化性状及其与作物产量的相关性

李成玉，程思贤，马海彬，刘卫玲，张学林，刘天学，李潮海，赵亚丽

（1.河南农业大学农学院，河南 郑州 450046；2.中国农业科学院棉花研究所，河南 安阳 455000；3.杞县农业农村局，河南 杞县 475000）

砂姜黑土是指河湖沉积低平原，经脱潜和长期旱耕形成的土壤，其剖面自上而下有耕作层、亚耕层、残留黑土层、氧化还原过渡层及砂姜土层。由于其成因和长期耕作的影响，又有“僵土”之称，其特点表现为土质干硬坚实、湿黏闭、结构差、有机质含量低等，严重限制了作物产量的提升[1⁃2]。砂姜黑土是河南省主要的中低产土壤类型之一，面积约132.9 万hm2，其中，可以利用灌溉设施进行灌溉的砂姜黑土水浇地占80%以上，且多集中在豫南地区[3]。由于近些年农田机械化的普及和不合理的灌溉与耕作措施，导致农田普遍存在耕层变浅、犁底层增厚、土壤养分含量降低等耕层问题[4]，砂姜黑土地区耕层问题尤为突出[5]。因此，在农业生产过程中对农田耕层进行适宜的耕作是非常重要的[6]，而明确豫南砂姜黑土区影响作物产量的关键限制因子，对选择适宜的耕作措施，提升该地区作物产量尤为重要。近年来，学者对甘肃省引黄灌溉区[7]、关中地区[8]、东北黑土地区[9]、红壤坡地[10]、棕壤土地区[11]、新疆维吾尔自治区连作棉地[12]、河南省砂姜黑土区[13]、河南省潮土区[14]等不同区域不同类型土壤结构和理化性状进行了分析，但已有研究主要集中在对土壤现状的调查，缺乏基于作物产量水平对砂姜黑土水浇地土壤理化性状的综合分析。为此，通过调查砂姜黑土高、中、低产田的土壤现状，明确豫南砂姜黑土水浇地影响作物产量的关键土壤限制因子，为砂姜黑土水浇地合理耕层构建技术的建立奠定基础。

1 材料和方法

1.1 土壤样品选取与采集

选择河南省砂姜黑土水浇地分布面积较大的驻马店市、南阳市和漯河市，每个市分别选择20个冬小麦-夏玉米田块作为调查点，共60 个调查点。2016 年夏玉米收获后，对土壤剖面结构进行调查，并采用S 形布点，采集0～10、10～20、20～30、30～40 cm 土层土壤，测定土壤理化性状。调查2015—2016 年冬小麦-夏玉米周年产量，并根据周年产量划分低、中、高产田，划分标准为低产田≤13 000 kg/hm2、13 000 kg/hm2<中产田≤16 200 kg/hm2、高产田>16 200 kg/hm2。根据划分标准，低、中、高产田调查点分别占总调查点数的31.66%、51.67%、16.67%。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 耕层深度和犁底层厚度 每个调查点用铁锹挖出一个刨面，用卷尺准确测量耕层深度和犁底层厚度，3次重复，求平均值。

1.2.2 土壤容重 用环刀对每个调查点剖面土壤进行分层取样，测定土壤容重[15]。

1.2.3 土壤养分含量 土壤碱解氮含量采用碱解-扩散法测定[16]，速效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法测定[16]，速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定[16]，有机质含量采用重铬酸钾容量法测定[17]。

1.2.4 作物产量 冬小麦收获期，每个调查点随机选取3 个点，选有代表性的2 m×2 m 区域收获小麦穗，计产。夏玉米收获期，每个调查点随机选取3个点，选有代表性的20 m双行收获夏玉米穗，计产。

1.3 数据分析

采用Excel 2016 对试验数据进行分析作图，采用SPSS 26软件对数据进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 豫南砂姜黑土水浇地不同产田土壤理化性状分析

2.1.1 耕层深度与犁底层厚度 豫南砂姜黑土水浇地的耕层深度为7.25～20.00 cm，平均值为13.67 cm。其中，低、中、高产田土壤耕层深度分别为7.25～17.50、9.50～19.25、13.00～20.00 cm（表1）。耕层深度最大值为20.00 cm，出现在高产田；耕层深度最小值仅为7.25 cm，出现在低产田。高产田平均耕层深度最大，为16.53 cm；低产田平均耕层深度最小，为11.84 cm；产量最高时，土壤耕层深度为18.00 cm。豫南砂姜黑土水浇地的犁底层厚度为4.75～19.50 cm，平均值为10.98 cm。其中，低产田犁底层厚度为7.00～19.50 cm，平均值为12.73 cm，最大；中产田犁底层厚度为5.50～17.75 cm，平均值为10.56 cm，居中；高产田犁底层厚度为4.75～13.90 cm，平均值为8.94 cm，最小。犁底层厚度最大值为19.50 cm，出现在低产田；犁底层厚度最小值为4.75 cm，出现在高产田。

表1 豫南砂姜黑土水浇地不同产田土壤耕层深度与犁底层厚度Tab.1 Topsoil depth and plow sole thickness of different yield fields with irrigated lime concretion black soil in South Henancm

2.1.2 容重 由表2可知，豫南砂姜黑土水浇地中、低产田与高产田的土壤容重差距较大。在0～40 cm土层，所有产田土壤容重为1.16～1.58 g/cm3，平均值为1.45 g/cm3。其中，低产田平均土壤容重为1.47 g/cm3，高产田平均土壤容重为1.41 g/cm3。0～20 cm土层，所有产田土壤容重为1.12～1.53 g/cm3，平均土壤容重为1.38 g/cm3。其中，低产田平均土壤容重为1.41 g/cm3，高产田平均土壤容重为1.33 g/cm3。低产田、中产田及高产田的平均土壤容重总体上均随着土层深度的增加而增加，但高产田土壤容重随土层加深增加较缓慢，而中低产田土壤容重随土层加深增加较快。3 种产田在0～40 cm 和0～20 cm 土层的土壤容重均表现为低产田>中产田>高产田。

表2 豫南砂姜黑土水浇地不同产田土壤容重Tab.2 Soil bulk density of different yield fields with irrigated lime concretion black soil in South Henan g/cm3

2.1.3 养分含量 豫南砂姜黑土水浇地土壤养分含量随土层加深而降低，在0～40 cm 土层所有产田土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为14.33～23.67 g/kg、58.80～98.02 mg/kg、7.00～26.28 mg/kg 和79.59～171.94 mg/kg，平均值分别为19.81 g/kg、76.09 mg/kg、15.70 mg/kg 和124.47 mg/kg。其中，低产田平均土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为19.24 g/kg、77.93 mg/kg、14.33 mg/kg和116.51 mg/kg，中产田平均土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为19.63 g/kg、74.01 mg/kg、15.88 mg/kg 和126.05 mg/kg，高产田平均土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为21.47 g/kg、79.03 mg/kg、17.74 mg/kg 和134.71 mg/kg（表3）。不同产田土壤养分含量总体表现为高产田>中产田>低产田，其中不同产田土壤有机质、速效磷和速效钾含量均表现为高产田>中产田>低产田，碱解氮含量表现为高产田>低产田>中产田。

表3 豫南砂姜黑土水浇地不同产田土壤养分含量Tab.3 Soil nutrient content of different yield fields with irrigated lime concretion black soil in Southern Henan

2.2 豫南砂姜黑土水浇地土壤理化性状与作物产量的相关性分析

作物周年产量与土壤容重、犁底层厚度呈极显著负相关，与速效磷、速效钾含量呈显著正相关，与耕层深度和有机质含量呈极显著正相关（表4）。豫南砂姜黑土水浇地土壤理化性状与产量的相关性表现为耕层深度>犁底层厚度>有机质含量>土壤容重>速效钾含量>速效磷含量>碱解氮含量。土壤容重与土壤养分含量呈显著或极显著负相关，表明土壤容重越大，土壤养分含量越低，降低土壤容重可提高土壤养分含量。

表4 豫南砂姜黑土水浇地作物产量与土壤理化性状的相关性Tab.4 Correlation between crop yield and physicochemical properties of irrigated lime concretion black soil in South Henan

3 结论与讨论

3.1 豫南砂姜黑土水浇地制约作物产量的耕层土壤因子

在目前农田耕作方式和耕层结构条件下，河南省农田普遍存在犁底层，主要分布在15～30 cm[18]。本研究结果表明，豫南砂姜黑土水浇地整体耕层深度分布在7.25～20.00 cm，犁底层厚度整体分布在4.75～19.50 cm；低产田耕层深度为7.25～17.50 cm，平均值为11.84 cm，相对较低，犁底层厚度为7.00～19.50 cm，平均值为12.73 cm，相对较高；高产田耕层深度为13.00～20.00 cm，平均值为16.53 cm，相对较高，犁底层厚度为4.75～13.90 cm，平均值为8.94 cm，相对较低，表明产量高的农田有耕层深度高、犁底层厚度低的特点。研究表明，耕层深度增加到25 cm、犁底层适度打破而保留5 cm 更有利于作物产量的提高[19]，而豫南砂姜黑土水浇地的所有产田平均耕层深度为13.67 cm，还远远未达到25 cm的理论深度。犁底层过厚会有碍水分入渗，阻碍作物根系生长，导致作物减产[20]，而豫南砂姜黑土水浇地的所有产田平均犁底层厚度为10.98 cm，高于理论应保留的5 cm 犁底层厚度。土壤容重是反映土壤紧实度最直接的物理指标，土壤容重越大，土壤紧实度越大[21]。研究发现，作物根系生长适宜的土壤（0～20 cm）容重为1.20～1.30 g/cm3，当土壤容重大于1.60 g/cm3时，作物根系生长严重受阻[22]。本研究结果表明，豫南砂姜黑土水浇地0～20 cm 土层平均土壤容重为1.38 g/cm3，0～40 cm 土层平均土壤容重为1.45 g/cm3，均高于作物根系生长适宜的土壤容重范围，一定程度上阻碍了作物的根系生长。此外，受小型耕作机械长期浅耕影响，与20 世纪90 年代初相比，砂姜黑土农田土壤物理性状不断劣化。豫南砂姜黑土水浇地土壤质量及主要障碍因子分析结果表明，耕层浅薄、犁底层增厚和土壤容重高等已成为制约该区粮食增产的主要障碍因素。

决定作物产量的重要因素是土壤养分含量。李鹏等[23]2012 年调查显示，河南省0～20 cm 平均土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为14.68 g/kg、100.62 mg/kg、32.15 mg/kg 和139.95 mg/kg。本研究结果表明，豫南砂姜黑土水浇地0～20 cm 土层平均有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为25.81 g/kg、99.25 mg/kg、25.02 mg/kg和148.19 mg/kg，与较李鹏等[23]研究结果相比，豫南砂姜黑土水浇地土壤有机质含量和速效钾含量较高，碱解氮含量基本持平，速效磷含量较低。根据1998 年出版的《中国土壤》[24]对低、中、高、很高产田的土壤养分划分标准，低、中、高、很高产田土壤有机质含量分别为[0，10.0]、（10.0，20.0]、（20.0，30.0]、（30.0，+∞）g/kg，低、中、高、很高产田土壤碱解氮含量分别为[0，60.0]、（60.0，90.0]、（90.0，120.0]、（120.0，+∞）mg/kg，低、中、高、很高产田土壤速效磷含量分别为[0，5.0]、（5.0，10.0]、（10.0，20.0]、（20.0，+∞）mg/kg，低、中、高、很高产田土壤速效钾含量分别为[0，50.0]、（50.0，100.0]、（100.0，150.0]、（150.0，+∞）mg/kg，豫南砂姜黑土水浇地的土壤肥力已达到高或很高产田养分标准，肥力低已不再是限制作物产量的主要土壤因素。

通过相关性分析发现，作物周年产量与耕层深度及土壤有机质、速效磷、速效钾含量呈显著或极显著正相关，与土壤容重、犁底层厚度呈极显著负相关。因此，豫南砂姜黑土水浇地限制作物产量的关键土壤因子为耕层深度、犁底层厚度、土壤有机质含量和土壤容重。

3.2 豫南砂姜黑土水浇地耕层物理调控改良措施

针对豫南砂姜黑土水浇地耕层浅薄、犁底层厚、土壤容重高等问题，可以通过土壤物理调控进行改良。研究发现，机械深松（耕）可以打破犁底层，加深耕层，改良土壤结构，降低土壤容重，优化土壤环境，进而增加作物的抗逆能力，提高作物产量[25⁃27]。与传统旋耕相比，深松（耕）可使耕层厚度增加58.9%[28]，土壤容重降低3.4%～7.2%[29]，土壤孔隙度增加23.4%[30]，同时改善土壤水分状况，提高水分利用效率，增产幅度为6%～29%[31⁃33]。但由于砂姜黑土质地特点，宜采取深松与深耕相结合的耕作方式。研究发现，砂姜黑土区可以采取深翻和深松相结合的方式对土壤环境进行改良，以促进作物根系生长，提高作物产量[34]。谢迎新等[35]同样认为，黄淮海砂姜黑土区相对适宜的周年耕作模式为秸秆全量还田+深松-旋耕和深松-免耕，这种轮耕模式不仅有利于维持优良土壤结构的稳定性，而且可以显著增加作物周年产量。因此，针对耕层物理调控改良，可以有针对性地采取上述措施，对豫南砂姜黑土水浇地耕层进行改善。

3.3 豫南砂姜黑土水浇地耕层养分改良措施

豫南砂姜黑土水浇地土壤有机质含量虽然与李鹏等[23]调查时相比有所提高，但仍需要通过秸秆还田方式进行保持。研究发现，秸秆还田可持续提高土壤养分含量和供肥能力，连续秸秆还田后0～20 cm 土层土壤有机质含量可增加6%～14%[36⁃37]。秸秆还田在短时间内可使土壤有机质含量迅速升高，但经过1个生长周期后，土壤有机质含量再次下降[38]。田雪等[39]通过对秸秆还田深度进行研究发现，秸秆浅还田主要改变0～20 cm 土壤容重、土壤孔隙度，秸秆深还田主要改变较深层（20～40 cm）土壤容重、土壤孔隙度和土壤含水量，而秸秆深还田可以同时增加0～40 cm 土壤有机质含量。此外，秸秆不同还田量还可以使土壤氮、磷、钾含量分别提高21.4%～25.6%、17.9%～20.5%、25.9%～29.8%，实现培养地力、提高土壤养分含量的目的[40]。因此，秸秆还田可以提高砂姜黑土水浇地土壤养分含量，改善耕层质量。