王成寶 霍琳 溫美娟 楊思存

摘要：在調(diào)查甘肅引黃灌區(qū)玉米產(chǎn)量、施肥量和土壤理化性狀基礎(chǔ)上，2015年確定60個地塊作為研究對象，分層采集0～40 cm土層土壤樣品，研究土壤三相比、緊實度、水穩(wěn)性團聚體含量和有機質(zhì)含量的變異規(guī)律及其與玉米產(chǎn)量、化肥偏生產(chǎn)力的關(guān)系。結(jié)果表明，0～40 cm土層土壤三相比δ值、土壤緊實度、土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量和有機質(zhì)含量均呈中等變異特征。土壤緊實度隨土層加深而顯著增加，土壤三相比δ值、> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量和有機質(zhì)含量均有隨著土層加深而降低的趨勢。玉米產(chǎn)量與0～40 cm土層土壤三相比δ值和土壤緊實度呈極顯著負相關(guān)，與土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量和土壤有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān);磷肥偏生產(chǎn)力與0～40 cm土層土壤三相比δ值呈極顯著正相關(guān)，與土壤緊實度呈顯著正相關(guān)，與土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量和土壤有機質(zhì)含量呈極顯著負相關(guān);氮肥偏生產(chǎn)力與4個指標之間均達不到差異顯著水平。玉米產(chǎn)量與土壤緊實度、土壤三相比δ值的關(guān)系可用一元二次方程來擬合，與土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、土壤有機質(zhì)含量的關(guān)系可用一元線性方程來擬合。多元逐步回歸分析表明，玉米產(chǎn)量最終取決于土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量和土壤有機質(zhì)含量兩個關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞：耕層物理性狀;玉米產(chǎn)量;偏生產(chǎn)力;灌耕灰鈣土;甘肅引黃灌區(qū)

中圖分類號：S158;S513 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1001-1463（2021）07-0024-09

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2021.07.005

Abstract：Based on the investigations of corn yields，fertilizer application rates and soil physical and chemical properties in Gansu Yellow River irrigation district in 2015， the layered 0～40 cm soil samples were collected as the research object in 60 corn fields for the variability of soil three-phase，compaction，water-stable aggregate， organic matter content and their partial correlations with corn yield and partial factor productivity. The results showed that the averages of soil three-phase δ value，soil compaction， > 0.25 mm water-stable aggregate and organic matter content in 0-40 cm soil showed moderate variability. The soil compaction significantly increased with the increase of soil depth， but the soil three-phase δ value， > 0.25 mm water-stable aggregate and organic matter content decreased with the increase of soil depth. Corn yields were extremely negative correlated with 0～40 cm soil three-phase δ value and soil compaction， but extremely positive correlated with > 0.25 mm water-stable aggregate and organic matter content， significantly. Phosphate partial factor productivity were extremely positive correlated with three-phase δ value， positive correlated with soil compaction， but extremely negative correlated with > 0.25 mm water-stable aggregate and organic matter content 0～40 cm soil depth. There were no significant difference between nitrogen partial factor productivity and the four indexes. The relationships between corn yield and soil compaction， soil three-phase δ value could be fitted by quadratic unary equation， and that of ?> 0.25 mm water-stable aggregate and organic matter content could be fitted by unary linear equation. The results of multivariate stepwise regression analysis showed that > 0.25 mm water-stable aggregate and organic matter content were the key factors to decide corn yield.

Key words：Soil physical properties; Corn yield; Partial factor productivity; Irrigated farming sierozem; Gansu Yellow River irrigation district

三相比、緊實度和團聚體是重要的土壤物理因子，它們直接或間接影響著土壤水肥氣熱的協(xié)調(diào)供應(yīng)和土壤養(yǎng)分、水分的運移，對維持土壤肥力、保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有重要意義[1 - 2 ]。土壤三相比是容重、孔隙度和含水量的綜合反映[3 ]，緊實度反映了土壤阻礙作物根系穿透的能力[4 ]，水穩(wěn)性團聚體反映了土壤的結(jié)構(gòu)狀況和養(yǎng)分存儲與供應(yīng)、持水性、通透性等能力的高低[5 - 6 ]，并通過對土壤水、通氣性、溫度等的影響而直接影響作物生產(chǎn)力[7 ]。這些指標直觀反映了土壤固、液、氣三相組成的相對比例關(guān)系以及固、液兩態(tài)相互作用時的性質(zhì)，是評價土壤物理性狀的重要指標，其重要性越來越得到學者重視。近年來，由于小型農(nóng)機具的推廣普及和旋耕、免耕作業(yè)的大量應(yīng)用，導致土壤耕層逐漸變淺、上層土壤粉化、下層土壤沉積壓實、犁底層不斷加厚，嚴重影響了土壤蓄水保墑能力和供肥能力[8 - 10 ]。因此，研究摸清耕層主要物理性質(zhì)變化及其對作物產(chǎn)量的影響，對合理耕層構(gòu)建而言顯得尤為重要。

灌耕灰鈣土是暖溫帶荒漠邊緣典型干旱土壤，主要分布于黃河中上游的一、二級階地，具有土層深厚、耕性好、鈣積層不明顯等特點，但由于干旱缺水，作物產(chǎn)量一般都不高。從20世紀60年代開始，甘肅黃河段相繼建成了景電、興電、劉川、靖會等幾十處電力提灌工程，約有30萬hm2灰鈣土旱作農(nóng)田變成了水澆地，極大地改善了這一區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件[11 ]。但在這一過程中，由于不合理灌溉、小型農(nóng)機具反復碾壓、長期單一淺耕作業(yè)和秸稈還田利用率低等因素，導致一些農(nóng)田土壤出現(xiàn)了耕層薄化、犁底層壓實、結(jié)構(gòu)變劣等問題，嚴重影響作物根系深層分布和肥水資源高效利用。我們通過在甘肅引黃灌區(qū)大范圍調(diào)查采樣分析，研究了灌耕灰鈣土0～40 cm土層土壤三相比？啄值、緊實度、> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量和有機質(zhì)含量狀況，并分析了其與玉米產(chǎn)量、化肥偏生產(chǎn)力等的關(guān)系，以期為構(gòu)建灰鈣土水澆地合理耕層提供參考。

1 ? 材料與方法

1.1 ? 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省白銀市的景電、興電、劉川、靖會灌區(qū)（E103° 42′ 18″～105° 10′ 25″，N36° 21′ 29″～37° 36′ 32″），分別隸屬于景泰、靖遠、會寧3個縣，海拔1 408～1 792 m。年降水量200～300 mm，蒸發(fā)量2 000 mm以上，土壤類型主要是灰鈣土。主要采用大水漫灌和串灌等方式，耕作方式有翻耕、旋耕、免耕、深松等，耕作機械以66 kW以下的小型農(nóng)機具為主[12 ]。

1.2 ? 采樣方法

1.2.1 ? 調(diào)查地點 ? 調(diào)查采樣時間為2015年秋季玉米收獲時，共篩選了60個代表性地塊，其中景電灌區(qū)30個、興電灌區(qū)20個、劉川灌區(qū)5個、靖會灌區(qū)5個。玉米品種以先玉335為主，灌溉量和施肥量相近，耕作方式兼有翻耕、旋耕、免耕、深松等?；适┯昧恳悦總€地塊的調(diào)查數(shù)據(jù)為準。

1.2.2 ? 玉米產(chǎn)量 ? 采用農(nóng)業(yè)農(nóng)村部高產(chǎn)創(chuàng)建玉米測產(chǎn)方法[13 ]，即每個地塊在遠離邊際位置取有代表性的樣點4行15 m，準確丈量實際面積;收獲全部果穗，計算果穗數(shù)目，稱取所有果穗鮮重;按平均穗重法選取20個果穗，測定鮮穗出籽率和籽粒含水率，最后計算實測產(chǎn)量。

1.2.3 ? 土壤容重 ? 每個地塊選擇3個代表性區(qū)域，用環(huán)刀法測定0～10、10～20、20～40 cm土層土壤容重并計算土壤孔隙度，同時用烘干法測定各土層土壤含水量，最后計算土壤三相比？啄值。

1.2.4 ? 土壤緊實度 ? 每個地塊選擇10個代表性區(qū)域，用美國產(chǎn)SC900土壤緊實度儀測定0～45 cm土壤緊實度，每隔2.5 cm 1個讀數(shù)，以相同層次10個點的平均值代表該地塊的土壤緊實度。

1.2.5 ? 水穩(wěn)性團聚體 ? 每個地塊選擇3個代表性區(qū)域，用濕篩法測定0～10、10～20、20～40 cm土層土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量，以相同層次3個點的平均值代表該地塊的水穩(wěn)性團聚體含量。

1.2.6 ? 土壤有機質(zhì) ? 每個地塊選擇3個代表性區(qū)域，采集0～20 cm耕層土壤樣品，用重鉻酸鉀外加熱容量法測定，以3個點的平均值代表該地塊的土壤有機質(zhì)含量。

1.3 ? 計算方法

玉米產(chǎn)量計算公式為：

Y=W×S÷A×1000×（1-M）÷（1-14%）（1）

式中：Y為玉米產(chǎn)量實測值（kg/hm2），W為收獲的鮮穗重（kg），S為鮮穗出籽率（%），A為收獲樣點實際面積（m2），M為籽粒含水率（%），10 000為面積換算系數(shù)，14%為玉米標準含水率。

式中，δ是測定土壤三相比與適宜狀態(tài)下土壤三相比在空間距離上的差值，X 是土壤固相，Y 是土壤液相，Z 是土壤氣相，δ 值越大，土壤三相比越差[14 ]。

0～40 cm土層土壤三相比由加權(quán)平均值計算：δ0～40=（h1r1+h2r2+h3r3）/（h1+h2+h3） ?（3）

式中：δ0～40代表0～40 cm土壤三相比的加權(quán)平均值，h和r分別代表各土層厚度和對應(yīng)的土壤三相比，1、2、3分別代表0～10、10～20、20～40 cm 3個土層。

土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量計算公式為[15 ]：WSA0.25=Mr> 0.25 / Mr×100% ?（4）

式中：WSA0.25為土壤粒徑> 0.25 mm團聚體的含量，Mr > 0.25為粒徑 > 0.25 mm團聚體的重量，MT 為團聚體的總重量。

0～40 cm土層土壤緊實度、水穩(wěn)性團聚體的計算同式（3）。

化肥偏生產(chǎn)力（PFP）計算公式為[16 ]：

PFP=Y/F ?（5）

式中：Y為玉米產(chǎn)量實測值（kg/hm2）;F為化肥純養(yǎng)分投入量（N、P2O5，kg/hm2）。

1.4 ? 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和SPSS 18.0統(tǒng)計分析軟件進行試驗數(shù)據(jù)分析和繪圖，多重比較用 LSD 法。

2 ? 結(jié)果與分析

2.1 ? 樣地土壤基本物理性質(zhì)及有機質(zhì)含量特征

通過表1、表2可以看出，0～10 cm土層的土壤三相比δ值為5.67～20.89，平均為11.52;10～20、20～40 cm土層的土壤三相比平均值分別為10.72、10.93，雖然下層高于上層，但最小值和最大值均為上層高于下層，總體上呈隨土層加深而降低的趨勢;0～40 cm土層土壤三相比δ值的變異系數(shù)介于27.00%～39.43%，變異強度中等，呈隨土層加深而增加的趨勢。

土壤緊實度在剖面上的變化趨勢與土壤三相比δ值不同。隨土層加深而顯著增加，0～10、10～20、20～40 cm土層土壤緊實度的平均值分別為1 070、1 404、1 655 kPa，變異系數(shù)分別為34.58%、31.84%、39.82%，變異強度均為中等。0～40 cm整個土層土壤緊實度為600～2 869 kPa，變異系數(shù)為32.93%。

土壤 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量表現(xiàn)出隨土層加深而變小的趨勢，0～10、10～20、20～40 cm土層平均值分別為19.44%、10.47%、6.95%，變異系數(shù)分別為16.05%、21.11%、25.18%，變異強度均為中等。0～40 cm整個土層土壤 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量為7.58%～18.79%，變異系數(shù)為19.36%。

土壤有機質(zhì)含量與 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量的變化趨勢相同，也隨土層加深而變小，0～10、10～20、20～40 cm土層平均值分別為13.5、11.5、9.0 g/kg，變異系數(shù)分別為22.96%、23.48%、24.44%，變異強度均為中等。0～40 cm整個土層有機質(zhì)含量為7.0～17.5 g/kg，變異系數(shù)為23.15%。

2.2 ? 玉米產(chǎn)量、 施肥量及化肥偏生產(chǎn)力

從圖1可以看出，甘肅引黃灌耕灰鈣土區(qū)玉米產(chǎn)量總體較高，為11 250～17 250 kg/hm2，平均為13 867 kg/hm2，高于全省（5 595 kg/hm2）和全國（5 460 kg/hm2），其中大部分樣點在13 250 kg/hm2左右，占到了樣本總量的52%。從施肥量來看，施氮量（N）為270～450 kg/hm2，平均357 kg/hm2，高于全?。?41 kg/hm2）和全國（162 kg/hm2）;施磷量（P2O5）為90～225 kg/hm2，平均157 kg/hm2，

高于全?。?7 kg/hm2）和全國（66 kg/hm2）。從化肥偏生產(chǎn)力來看，氮肥（N）偏生產(chǎn)力為36.0～43.2 kg/kg，平均38.8 kg/kg，與全?。?0 kg/kg）和全國（39 kg/kg）相當;磷肥（P2O5）偏生產(chǎn)力為76.7～129.7 kg/kg，平均90.3 kg/kg，略低于全?。?8 kg/kg）和全國（96 kg/kg）。

2.3 ? 玉米產(chǎn)量和化肥偏生產(chǎn)力與土壤主要理化性質(zhì)的關(guān)系

偏相關(guān)分析表明（表3），玉米產(chǎn)量除與0～10 cm土壤緊實度的偏相關(guān)系數(shù)（0.244）達不到差異顯著水平外，與其他土層土壤三相比δ值和土壤緊實度均呈極顯著負相關(guān)，與各土層土壤 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量和土壤有機質(zhì)含量均呈極顯著正相關(guān)，表明所選擇的4個參數(shù)與玉米產(chǎn)量均密切相關(guān)。氮肥偏生產(chǎn)力與土壤三相比δ值、土壤緊實度、土壤 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量和土壤有機質(zhì)含量之間均達不到差異顯著水平，即這4個參數(shù)不能很好地表征氮肥肥效。磷肥偏生產(chǎn)力與10～20、0～40 cm土層土壤三相比δ值的偏相關(guān)系數(shù)（0.400、0.329）呈極顯著正相關(guān)，與各土層土壤有機質(zhì)含量和10～20、20～40、0～40 cm土層土壤 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量的偏相關(guān)系數(shù)（0.351、0.339、0.344）呈極顯著負相關(guān)，與各土層土壤緊實度和0～10 cm土層土壤三相比δ值的偏相關(guān)系數(shù)（0.284）呈顯著正相關(guān)，與0～10 cm土層 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量的偏相關(guān)系數(shù)（0.309）呈顯著負相關(guān)，唯獨與20～40 cm土層土壤三相比δ值的偏相關(guān)系數(shù)（0.245）達不到差異顯著水平。

2.4 ? 各因子之間的相互關(guān)系

相關(guān)分析表明（表4），在0～40 cm土層范圍內(nèi)，各層次土壤緊實度、土壤三相比δ值與土壤 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、土壤有機質(zhì)含量之間均呈極顯著負相關(guān)，土壤緊實度與土壤三相比δ值之間、土壤 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量與土壤有機質(zhì)含量間均呈極顯著正相關(guān)，其中土壤緊實度、土壤 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、土壤有機質(zhì)含量與土壤三相比δ值之間，以及土壤緊實度與土壤有機質(zhì)含量之間的Pearson相關(guān)系數(shù)均隨著土層的加深而增加。從各相關(guān)系數(shù)的絕對值來看，土壤 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量與土壤有機質(zhì)含量之間的相關(guān)系數(shù)最大，其次是土壤三相比δ值與土壤有機質(zhì)含量和 土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量之間的相關(guān)系數(shù)，說明這三者之間的關(guān)系更加密切。一方面，土壤有機質(zhì)含量的增加促進了水穩(wěn)性團聚體的形成，從而降低了土壤三相比;另一方面，疏松土層有利于作物根系發(fā)育和分布，進一步促進了土壤有機質(zhì)含量的增加和 土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體的形成[17 ]。

為了定量比較各因子對玉米產(chǎn)量影響的相對重要性，采用多元逐步回歸分析，得到玉米產(chǎn)量與各土層土壤緊實度、土壤三相比δ值、土壤 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體、土壤有機質(zhì)含量的關(guān)系式：

0～10 cm土層：Y=10 598.504+242.981X4

（R2=0.214**，F(xiàn)=15.781，P ?< 0.01;tX4=3.973**）

10～20 cm土層：Y=10 255.081+344.309X3

（R2=0.218**，F(xiàn)=16.187，P ?< 0.01;tX3=4.023**）

20～40 cm土層：Y=10 703.295+349.516X4（R2=0.216**，F(xiàn)=15.987，P < 0.01;tX4=3.998**）

0～40 cm土層：Y=9 904.628+361.580X3（R2=0.224**，F(xiàn)=16.757，P < 0.01;tX3=4.093**）

式中：Y為玉米產(chǎn)量;X3為該土層土壤 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量，X4為該土層土壤有機質(zhì)含量;t為自變量的偏回歸系數(shù)。從上述關(guān)系式可以看出，雖然不同土層影響玉米產(chǎn)量的主效因子不同，但總體上與10～20、0～40 cm土層土壤 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量以及0～10、20～40 cm土層土壤有機質(zhì)含量的關(guān)系最密切，均與玉米產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，而其他各土層的土壤緊實度、土壤三相比δ值雖然也直接或間接影響著玉米產(chǎn)量，但關(guān)系不密切。

2.5 ?合理耕層指標的擬合

從表5可以看出，玉米產(chǎn)量與土壤緊實度、土壤三相比δ值的關(guān)系可以用一元二次方程來擬合，0～10、10～20、20～40 cm土層土壤三相比δ值的決定系數(shù)R2（0.168、0.181、0.137）和10～20、20～40 cm土層土壤緊實度的決定系數(shù)R2（0.147、0.194）均達到極顯著水平;0～10 cm土層土壤緊實度的決定系數(shù)R2（0.085）也達到顯著水平。玉米產(chǎn)量與土壤 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、土壤有機質(zhì)含量的關(guān)系可以用一元線性方程來擬合，0～10、10～20、20～40 cm土層 土壤 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量的決定系數(shù)R2（0.209、0.218、0.198）和土壤有機質(zhì)含量的決定系數(shù)R2（0.214、0.206、0.216）均達到極顯著水平。從玉米產(chǎn)量與土壤緊實度、土壤三相比δ值、土壤 > 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、土壤有機質(zhì)含量的擬合方程得到，甘肅引黃灌區(qū)灌耕灰鈣土適宜條件下的玉米產(chǎn)量以15 000 kg/hm2為目標時，0～10、10～20、20～40土層土壤三相比δ值合理耕層指標分別為 ?6.94、5.43、2.78，土壤緊實度分別為370、909、945 kPa，土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體分別為24.25%、13.78%、9.68%，土壤有機質(zhì)含量分別為18.1、15.8、12.3 g/kg。

3 ? 結(jié)論

甘肅引黃灌區(qū)灌耕灰鈣土0～40 cm土壤三相比δ值平均為11.02，土壤緊實度平均為1 412 kPa，土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量平均為10.95%，土壤有機質(zhì)含量平均為10.8 g/kg，均呈中等變異特征。土壤緊實度隨土層加深而顯著增加，土壤三相比δ值、土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量和有機質(zhì)含量均有隨著土層加深而降低的趨勢。玉米產(chǎn)量與0～40 cm土層土壤三相比δ值和土壤緊實度呈極顯著負相關(guān)，與土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量和土壤有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān);磷肥偏生產(chǎn)力與0～40 cm土層土壤三相比δ值呈極顯著正相關(guān)，與土壤緊實度呈顯著正相關(guān)，與土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量和土壤有機質(zhì)含量呈極顯著負相關(guān);氮肥偏生產(chǎn)力與4個指標之間均達不到差異顯著水平。玉米產(chǎn)量與土壤緊實度、土壤三相比δ值的關(guān)系可以用一元二次方程來擬合，與土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量、土壤有機質(zhì)含量的關(guān)系可以用一元線性方程來擬合。目標產(chǎn)量15 000 kg/hm2所對應(yīng)的0～10、10～20 cm土層土壤三相比δ值分別為6.94、5.43，土壤緊實度分別為370、909 kPa;土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量分別為24.25%、13.78%，土壤有機質(zhì)含量分別為18.1、15.8 g/kg。

多元逐步回歸分析表明，玉米產(chǎn)量最終取決于土壤> 0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量和土壤有機質(zhì)含量兩個關(guān)鍵因素。因此，通過深松、深翻和秸稈還田等措施來打破犁底 層[18 - 19 ]、提高土壤有機質(zhì)含量、降低耕層土壤緊實度、促進土壤大團聚體形成是提高甘肅引黃灌區(qū)玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵。

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（本文責編：陳 ?偉）