李成玉，程思賢，馬海彬，劉衛(wèi)玲，張學(xué)林，劉天學(xué)，李潮海，趙亞麗

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，河南 安陽(yáng) 455000；3.杞縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南 杞縣 475000）

砂姜黑土是指河湖沉積低平原，經(jīng)脫潛和長(zhǎng)期旱耕形成的土壤，其剖面自上而下有耕作層、亞耕層、殘留黑土層、氧化還原過(guò)渡層及砂姜土層。由于其成因和長(zhǎng)期耕作的影響，又有“僵土”之稱(chēng)，其特點(diǎn)表現(xiàn)為土質(zhì)干硬堅(jiān)實(shí)、濕黏閉、結(jié)構(gòu)差、有機(jī)質(zhì)含量低等，嚴(yán)重限制了作物產(chǎn)量的提升[1?2]。砂姜黑土是河南省主要的中低產(chǎn)土壤類(lèi)型之一，面積約132.9 萬(wàn)hm2，其中，可以利用灌溉設(shè)施進(jìn)行灌溉的砂姜黑土水澆地占80%以上，且多集中在豫南地區(qū)[3]。由于近些年農(nóng)田機(jī)械化的普及和不合理的灌溉與耕作措施，導(dǎo)致農(nóng)田普遍存在耕層變淺、犁底層增厚、土壤養(yǎng)分含量降低等耕層問(wèn)題[4]，砂姜黑土地區(qū)耕層問(wèn)題尤為突出[5]。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)農(nóng)田耕層進(jìn)行適宜的耕作是非常重要的[6]，而明確豫南砂姜黑土區(qū)影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵限制因子，對(duì)選擇適宜的耕作措施，提升該地區(qū)作物產(chǎn)量尤為重要。近年來(lái)，學(xué)者對(duì)甘肅省引黃灌溉區(qū)[7]、關(guān)中地區(qū)[8]、東北黑土地區(qū)[9]、紅壤坡地[10]、棕壤土地區(qū)[11]、新疆維吾爾自治區(qū)連作棉地[12]、河南省砂姜黑土區(qū)[13]、河南省潮土區(qū)[14]等不同區(qū)域不同類(lèi)型土壤結(jié)構(gòu)和理化性狀進(jìn)行了分析，但已有研究主要集中在對(duì)土壤現(xiàn)狀的調(diào)查，缺乏基于作物產(chǎn)量水平對(duì)砂姜黑土水澆地土壤理化性狀的綜合分析。為此，通過(guò)調(diào)查砂姜黑土高、中、低產(chǎn)田的土壤現(xiàn)狀，明確豫南砂姜黑土水澆地影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵土壤限制因子，為砂姜黑土水澆地合理耕層構(gòu)建技術(shù)的建立奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 土壤樣品選取與采集

選擇河南省砂姜黑土水澆地分布面積較大的駐馬店市、南陽(yáng)市和漯河市，每個(gè)市分別選擇20個(gè)冬小麥-夏玉米田塊作為調(diào)查點(diǎn)，共60 個(gè)調(diào)查點(diǎn)。2016 年夏玉米收獲后，對(duì)土壤剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，并采用S 形布點(diǎn)，采集0～10、10～20、20～30、30～40 cm 土層土壤，測(cè)定土壤理化性狀。調(diào)查2015—2016 年冬小麥-夏玉米周年產(chǎn)量，并根據(jù)周年產(chǎn)量劃分低、中、高產(chǎn)田，劃分標(biāo)準(zhǔn)為低產(chǎn)田≤13 000 kg/hm2、13 000 kg/hm2<中產(chǎn)田≤16 200 kg/hm2、高產(chǎn)田>16 200 kg/hm2。根據(jù)劃分標(biāo)準(zhǔn)，低、中、高產(chǎn)田調(diào)查點(diǎn)分別占總調(diào)查點(diǎn)數(shù)的31.66%、51.67%、16.67%。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 耕層深度和犁底層厚度 每個(gè)調(diào)查點(diǎn)用鐵鍬挖出一個(gè)刨面，用卷尺準(zhǔn)確測(cè)量耕層深度和犁底層厚度，3次重復(fù)，求平均值。

1.2.2 土壤容重 用環(huán)刀對(duì)每個(gè)調(diào)查點(diǎn)剖面土壤進(jìn)行分層取樣，測(cè)定土壤容重[15]。

1.2.3 土壤養(yǎng)分含量 土壤堿解氮含量采用堿解-擴(kuò)散法測(cè)定[16]，速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬藍(lán)比色法測(cè)定[16]，速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定[16]，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定[17]。

1.2.4 作物產(chǎn)量 冬小麥?zhǔn)斋@期，每個(gè)調(diào)查點(diǎn)隨機(jī)選取3 個(gè)點(diǎn)，選有代表性的2 m×2 m 區(qū)域收獲小麥穗，計(jì)產(chǎn)。夏玉米收獲期，每個(gè)調(diào)查點(diǎn)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，選有代表性的20 m雙行收獲夏玉米穗，計(jì)產(chǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析作圖，采用SPSS 26軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 豫南砂姜黑土水澆地不同產(chǎn)田土壤理化性狀分析

2.1.1 耕層深度與犁底層厚度 豫南砂姜黑土水澆地的耕層深度為7.25～20.00 cm，平均值為13.67 cm。其中，低、中、高產(chǎn)田土壤耕層深度分別為7.25～17.50、9.50～19.25、13.00～20.00 cm（表1）。耕層深度最大值為20.00 cm，出現(xiàn)在高產(chǎn)田；耕層深度最小值僅為7.25 cm，出現(xiàn)在低產(chǎn)田。高產(chǎn)田平均耕層深度最大，為16.53 cm；低產(chǎn)田平均耕層深度最小，為11.84 cm；產(chǎn)量最高時(shí)，土壤耕層深度為18.00 cm。豫南砂姜黑土水澆地的犁底層厚度為4.75～19.50 cm，平均值為10.98 cm。其中，低產(chǎn)田犁底層厚度為7.00～19.50 cm，平均值為12.73 cm，最大；中產(chǎn)田犁底層厚度為5.50～17.75 cm，平均值為10.56 cm，居中；高產(chǎn)田犁底層厚度為4.75～13.90 cm，平均值為8.94 cm，最小。犁底層厚度最大值為19.50 cm，出現(xiàn)在低產(chǎn)田；犁底層厚度最小值為4.75 cm，出現(xiàn)在高產(chǎn)田。

表1 豫南砂姜黑土水澆地不同產(chǎn)田土壤耕層深度與犁底層厚度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，豫南砂姜黑土水澆地中、低產(chǎn)田與高產(chǎn)田的土壤容重差距較大。在0～40 cm土層，所有產(chǎn)田土壤容重為1.16～1.58 g/cm3，平均值為1.45 g/cm3。其中，低產(chǎn)田平均土壤容重為1.47 g/cm3，高產(chǎn)田平均土壤容重為1.41 g/cm3。0～20 cm土層，所有產(chǎn)田土壤容重為1.12～1.53 g/cm3，平均土壤容重為1.38 g/cm3。其中，低產(chǎn)田平均土壤容重為1.41 g/cm3，高產(chǎn)田平均土壤容重為1.33 g/cm3。低產(chǎn)田、中產(chǎn)田及高產(chǎn)田的平均土壤容重總體上均隨著土層深度的增加而增加，但高產(chǎn)田土壤容重隨土層加深增加較緩慢，而中低產(chǎn)田土壤容重隨土層加深增加較快。3 種產(chǎn)田在0～40 cm 和0～20 cm 土層的土壤容重均表現(xiàn)為低產(chǎn)田>中產(chǎn)田>高產(chǎn)田。

表2 豫南砂姜黑土水澆地不同產(chǎn)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 養(yǎng)分含量 豫南砂姜黑土水澆地土壤養(yǎng)分含量隨土層加深而降低，在0～40 cm 土層所有產(chǎn)田土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為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，平均值分別為19.81 g/kg、76.09 mg/kg、15.70 mg/kg 和124.47 mg/kg。其中，低產(chǎn)田平均土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為19.24 g/kg、77.93 mg/kg、14.33 mg/kg和116.51 mg/kg，中產(chǎn)田平均土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為19.63 g/kg、74.01 mg/kg、15.88 mg/kg 和126.05 mg/kg，高產(chǎn)田平均土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為21.47 g/kg、79.03 mg/kg、17.74 mg/kg 和134.71 mg/kg（表3）。不同產(chǎn)田土壤養(yǎng)分含量總體表現(xiàn)為高產(chǎn)田>中產(chǎn)田>低產(chǎn)田，其中不同產(chǎn)田土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀含量均表現(xiàn)為高產(chǎn)田>中產(chǎn)田>低產(chǎn)田，堿解氮含量表現(xiàn)為高產(chǎn)田>低產(chǎn)田>中產(chǎn)田。

表3 豫南砂姜黑土水澆地不同產(chǎn)田土壤養(yǎng)分含量Tab.3 Soil nutrient content of different yield fields with irrigated lime concretion black soil in Southern Henan

2.2 豫南砂姜黑土水澆地土壤理化性狀與作物產(chǎn)量的相關(guān)性分析

作物周年產(chǎn)量與土壤容重、犁底層厚度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與速效磷、速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，與耕層深度和有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)（表4）。豫南砂姜黑土水澆地土壤理化性狀與產(chǎn)量的相關(guān)性表現(xiàn)為耕層深度>犁底層厚度>有機(jī)質(zhì)含量>土壤容重>速效鉀含量>速效磷含量>堿解氮含量。土壤容重與土壤養(yǎng)分含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，表明土壤容重越大，土壤養(yǎng)分含量越低，降低土壤容重可提高土壤養(yǎng)分含量。

表4 豫南砂姜黑土水澆地作物產(chǎn)量與土壤理化性狀的相關(guān)性Tab.4 Correlation between crop yield and physicochemical properties of irrigated lime concretion black soil in South Henan

3 結(jié)論與討論

3.1 豫南砂姜黑土水澆地制約作物產(chǎn)量的耕層土壤因子

在目前農(nóng)田耕作方式和耕層結(jié)構(gòu)條件下，河南省農(nóng)田普遍存在犁底層，主要分布在15～30 cm[18]。本研究結(jié)果表明，豫南砂姜黑土水澆地整體耕層深度分布在7.25～20.00 cm，犁底層厚度整體分布在4.75～19.50 cm；低產(chǎn)田耕層深度為7.25～17.50 cm，平均值為11.84 cm，相對(duì)較低，犁底層厚度為7.00～19.50 cm，平均值為12.73 cm，相對(duì)較高；高產(chǎn)田耕層深度為13.00～20.00 cm，平均值為16.53 cm，相對(duì)較高，犁底層厚度為4.75～13.90 cm，平均值為8.94 cm，相對(duì)較低，表明產(chǎn)量高的農(nóng)田有耕層深度高、犁底層厚度低的特點(diǎn)。研究表明，耕層深度增加到25 cm、犁底層適度打破而保留5 cm 更有利于作物產(chǎn)量的提高[19]，而豫南砂姜黑土水澆地的所有產(chǎn)田平均耕層深度為13.67 cm，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到25 cm的理論深度。犁底層過(guò)厚會(huì)有礙水分入滲，阻礙作物根系生長(zhǎng)，導(dǎo)致作物減產(chǎn)[20]，而豫南砂姜黑土水澆地的所有產(chǎn)田平均犁底層厚度為10.98 cm，高于理論應(yīng)保留的5 cm 犁底層厚度。土壤容重是反映土壤緊實(shí)度最直接的物理指標(biāo)，土壤容重越大，土壤緊實(shí)度越大[21]。研究發(fā)現(xiàn)，作物根系生長(zhǎng)適宜的土壤（0～20 cm）容重為1.20～1.30 g/cm3，當(dāng)土壤容重大于1.60 g/cm3時(shí)，作物根系生長(zhǎng)嚴(yán)重受阻[22]。本研究結(jié)果表明，豫南砂姜黑土水澆地0～20 cm 土層平均土壤容重為1.38 g/cm3，0～40 cm 土層平均土壤容重為1.45 g/cm3，均高于作物根系生長(zhǎng)適宜的土壤容重范圍，一定程度上阻礙了作物的根系生長(zhǎng)。此外，受小型耕作機(jī)械長(zhǎng)期淺耕影響，與20 世紀(jì)90 年代初相比，砂姜黑土農(nóng)田土壤物理性狀不斷劣化。豫南砂姜黑土水澆地土壤質(zhì)量及主要障礙因子分析結(jié)果表明，耕層淺薄、犁底層增厚和土壤容重高等已成為制約該區(qū)糧食增產(chǎn)的主要障礙因素。

決定作物產(chǎn)量的重要因素是土壤養(yǎng)分含量。李鵬等[23]2012 年調(diào)查顯示，河南省0～20 cm 平均土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為14.68 g/kg、100.62 mg/kg、32.15 mg/kg 和139.95 mg/kg。本研究結(jié)果表明，豫南砂姜黑土水澆地0～20 cm 土層平均有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為25.81 g/kg、99.25 mg/kg、25.02 mg/kg和148.19 mg/kg，與較李鵬等[23]研究結(jié)果相比，豫南砂姜黑土水澆地土壤有機(jī)質(zhì)含量和速效鉀含量較高，堿解氮含量基本持平，速效磷含量較低。根據(jù)1998 年出版的《中國(guó)土壤》[24]對(duì)低、中、高、很高產(chǎn)田的土壤養(yǎng)分劃分標(biāo)準(zhǔn)，低、中、高、很高產(chǎn)田土壤有機(jī)質(zhì)含量分別為[0，10.0]、（10.0，20.0]、（20.0，30.0]、（30.0，+∞）g/kg，低、中、高、很高產(chǎn)田土壤堿解氮含量分別為[0，60.0]、（60.0，90.0]、（90.0，120.0]、（120.0，+∞）mg/kg，低、中、高、很高產(chǎn)田土壤速效磷含量分別為[0，5.0]、（5.0，10.0]、（10.0，20.0]、（20.0，+∞）mg/kg，低、中、高、很高產(chǎn)田土壤速效鉀含量分別為[0，50.0]、（50.0，100.0]、（100.0，150.0]、（150.0，+∞）mg/kg，豫南砂姜黑土水澆地的土壤肥力已達(dá)到高或很高產(chǎn)田養(yǎng)分標(biāo)準(zhǔn)，肥力低已不再是限制作物產(chǎn)量的主要土壤因素。

通過(guò)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，作物周年產(chǎn)量與耕層深度及土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀含量呈顯著或極顯著正相關(guān)，與土壤容重、犁底層厚度呈極顯著負(fù)相關(guān)。因此，豫南砂姜黑土水澆地限制作物產(chǎn)量的關(guān)鍵土壤因子為耕層深度、犁底層厚度、土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤容重。

3.2 豫南砂姜黑土水澆地耕層物理調(diào)控改良措施

針對(duì)豫南砂姜黑土水澆地耕層淺薄、犁底層厚、土壤容重高等問(wèn)題，可以通過(guò)土壤物理調(diào)控進(jìn)行改良。研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械深松（耕）可以打破犁底層，加深耕層，改良土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，優(yōu)化土壤環(huán)境，進(jìn)而增加作物的抗逆能力，提高作物產(chǎn)量[25?27]。與傳統(tǒng)旋耕相比，深松（耕）可使耕層厚度增加58.9%[28]，土壤容重降低3.4%～7.2%[29]，土壤孔隙度增加23.4%[30]，同時(shí)改善土壤水分狀況，提高水分利用效率，增產(chǎn)幅度為6%～29%[31?33]。但由于砂姜黑土質(zhì)地特點(diǎn)，宜采取深松與深耕相結(jié)合的耕作方式。研究發(fā)現(xiàn)，砂姜黑土區(qū)可以采取深翻和深松相結(jié)合的方式對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行改良，以促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量[34]。謝迎新等[35]同樣認(rèn)為，黃淮海砂姜黑土區(qū)相對(duì)適宜的周年耕作模式為秸稈全量還田+深松-旋耕和深松-免耕，這種輪耕模式不僅有利于維持優(yōu)良土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且可以顯著增加作物周年產(chǎn)量。因此，針對(duì)耕層物理調(diào)控改良，可以有針對(duì)性地采取上述措施，對(duì)豫南砂姜黑土水澆地耕層進(jìn)行改善。

3.3 豫南砂姜黑土水澆地耕層養(yǎng)分改良措施

豫南砂姜黑土水澆地土壤有機(jī)質(zhì)含量雖然與李鵬等[23]調(diào)查時(shí)相比有所提高，但仍需要通過(guò)秸稈還田方式進(jìn)行保持。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可持續(xù)提高土壤養(yǎng)分含量和供肥能力，連續(xù)秸稈還田后0～20 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量可增加6%～14%[36?37]。秸稈還田在短時(shí)間內(nèi)可使土壤有機(jī)質(zhì)含量迅速升高，但經(jīng)過(guò)1個(gè)生長(zhǎng)周期后，土壤有機(jī)質(zhì)含量再次下降[38]。田雪等[39]通過(guò)對(duì)秸稈還田深度進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，秸稈淺還田主要改變0～20 cm 土壤容重、土壤孔隙度，秸稈深還田主要改變較深層（20～40 cm）土壤容重、土壤孔隙度和土壤含水量，而秸稈深還田可以同時(shí)增加0～40 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量。此外，秸稈不同還田量還可以使土壤氮、磷、鉀含量分別提高21.4%～25.6%、17.9%～20.5%、25.9%～29.8%，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)地力、提高土壤養(yǎng)分含量的目的[40]。因此，秸稈還田可以提高砂姜黑土水澆地土壤養(yǎng)分含量，改善耕層質(zhì)量。