黃淮海北部農(nóng)田犁底層現(xiàn)狀及其特征

翟　振，李玉義，逄煥成，王　婧，張　莉，董國豪，郭建軍，郭智慧

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2山東省德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東德州 253000）

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黃淮海北部農(nóng)田犁底層現(xiàn)狀及其特征

翟振1，李玉義1，逄煥成1，王婧1，張莉1，董國豪2，郭建軍2，郭智慧2

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2山東省德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東德州 253000）

摘要：【目的】研究黃淮海北部地區(qū)犁底層分布現(xiàn)狀及特征。【方法】采用布點(diǎn)取樣方法，根據(jù)黃淮海北部區(qū)土壤質(zhì)地分布圖結(jié)合第二次土壤普查點(diǎn)位選取山東陵縣、河北吳橋縣共108個(gè)點(diǎn)位，于2014年冬小麥拔節(jié)期進(jìn)行剖面取樣調(diào)查，測(cè)定0—45 cm不同層次土壤水分含量、土壤容重及穿透阻力。【結(jié)果】（1）黃淮海北部地區(qū)耕層平均厚度在14.74 cm，約有76％的被調(diào)研點(diǎn)存在明顯的犁底層，犁底層主要分布在 15—30 cm；（2）黃淮海北部區(qū)農(nóng)田剖面各層次土壤容重及穿透阻力存在顯著差異，犁底層容重最大，平均容重在1.54 g·cm-3左右，顯著大于耕層和心土層，在冬小麥拔節(jié)期犁底層穿透阻力為1 371.00—4 256.00 kPa，顯著大于耕層及心土層穿透阻力；（3）冬小麥整個(gè)生育期犁底層穿透阻力均大于2 000 kPa，阻礙了小麥根系的深扎，造成小麥根系分布淺層化，這在冬小麥生長(zhǎng)缺水的地區(qū)，易造成作物水分脅迫，同時(shí)不利于根系吸收深層養(yǎng)分；（4）土壤穿透阻力土壤與含水量及容重之間有著極顯著相關(guān)關(guān)系，土壤穿透阻力有隨著容重的增加而增加的趨勢(shì)，二者之間回歸方程為：y= 3 854.09x+3 891.99（y為穿透阻力，x為土壤容重，r =0.84）；當(dāng)容重低于1.4 g·cm-3時(shí)，土壤穿透阻力均低于2 000 kPa，穿透阻力不會(huì)對(duì)作物根系生長(zhǎng)產(chǎn)生障礙，而當(dāng)土壤容重在1.4 g·cm-3以上時(shí)，穿透阻力對(duì)作物的影響同時(shí)取決于土壤含水量，穿透阻力隨著土壤水分的增加而降低，對(duì)應(yīng)線性回歸方程為：y = -75.93 x + 3 153.83 （y為穿透阻力，x為土壤質(zhì)量含水量，r=0.82）。【結(jié)論】在現(xiàn)行以旋耕為主的傳統(tǒng)耕作模式下，黃淮海北部地區(qū)農(nóng)田犁底層是普遍存在的，不利于作物根系生長(zhǎng)及作物對(duì)土壤養(yǎng)分的充分利用，需要適度打破犁底層，構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：黃淮海平原；犁底層；容重；穿透阻力；土壤水分

聯(lián)系方式：翟振，E-mail：zhaizhentab@163.com。通信作者逄煥成，E-mail：panghuancheng@caas.cn

0 引言

【研究意義】黃淮海作為中國重要的綜合性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，在保障國家糧食安全中占有舉足輕重的地位［1-2］。20世紀(jì)70年代后期，隨著國外旋耕機(jī)具的引進(jìn)和旋耕耕作法的逐步推廣，大大提高了耕作效率，與犁耕和耙耕作業(yè)相比，旋耕作業(yè)具有碎土性能好，適應(yīng)性強(qiáng)，作業(yè)效率高的優(yōu)點(diǎn)［3］。但長(zhǎng)期以旋代耕、以耙代耕，也造成了一定弊端，現(xiàn)行的旋耕深度一般在15 cm左右，比過去的機(jī)械耕翻深度淺8—10 cm，造成耕層變淺［4］；同時(shí)連年旋耕，由于犁刀的擠壓作用致使在耕作層與心土層之間形成了一層堅(jiān)硬、封閉的犁底層［5-7］。對(duì)耕作土壤來說，具有適當(dāng)厚度的犁底層對(duì)保持養(yǎng)分，保存水分還是非常有益的；但是犁底層過厚、堅(jiān)實(shí)，不僅阻礙作物根系的穿插，同時(shí)阻礙了耕作層與心土層之間水、肥、氣、熱的連通性［4， 8-10］，同時(shí)對(duì)作物生長(zhǎng)、物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和能量的傳遞也非常不利。但目前關(guān)于該區(qū)域犁底層分布狀況及其特點(diǎn)缺乏總體認(rèn)識(shí)，研究結(jié)果并不統(tǒng)一，出現(xiàn)各種觀點(diǎn)［11-12］，因此摸清區(qū)域犁底層的分布狀況及其特點(diǎn)，對(duì)指導(dǎo)該地區(qū)合理耕層構(gòu)建、充分挖掘耕層潛力具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】目前國內(nèi)關(guān)于犁底層的研究主要側(cè)重于其對(duì)水分入滲過程、土壤蓄水量、作物生長(zhǎng)等方面。例如，花偉東等［13］研究發(fā)現(xiàn)完全打破犁底層情況下，水分穩(wěn)定入滲率是有犁底層存在時(shí)的2倍，產(chǎn)流時(shí)間也較有犁底層情況延長(zhǎng) 100％，徑流量卻僅相當(dāng)于有犁底層情況的30％；犁底層同樣會(huì)影響作物根系的生長(zhǎng)，齊華等［14］研究發(fā)現(xiàn)打破犁底層后，各層土壤中根量分布都有明顯的下移趨勢(shì)。目前關(guān)于犁底層現(xiàn)狀及特征的系統(tǒng)研究較少，鄭存德等［15］對(duì)遼寧棕壤農(nóng)田調(diào)查顯示產(chǎn)量大于11.25 t·hm-2的玉米田，有90％的地塊耕層、犁底層厚度分別在20—25 cm、7—10 cm之間，而產(chǎn)量在6.75—11.25 t·hm-2的玉米田，有90％的地塊耕層、犁底層厚度分別在16—19 cm、10—16 cm之間。而針對(duì)黃淮海地區(qū)普遍存在調(diào)研取樣點(diǎn)較少、各指標(biāo)取樣并不在同一時(shí)期等問題，且多數(shù)針對(duì)犁底層的改造方法及作用過程的研究，并未明確指出犁底層的分布、特征及各種參數(shù)之間的關(guān)系。【本研究切入點(diǎn)】犁底層作為耕層重要障礙因子，目前對(duì)其分布狀況及特征尚缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，明確區(qū)域犁底層特征是充分挖掘耕層潛力、減少農(nóng)田環(huán)境污染的前提。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究通過廣泛調(diào)研，對(duì)黃淮海北部地區(qū)農(nóng)田犁底層分布狀況，土壤容重、穿透阻力和水分剖面分布特征及三者間相互關(guān)系做系統(tǒng)分析，以期為黃淮海地區(qū)合理耕層構(gòu)建提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究以黃淮海平原的河北吳橋縣（井灌區(qū)）和德州陵縣（河灌區(qū)）兩個(gè)典型縣為對(duì)象，對(duì)黃淮海不同類型灌區(qū)進(jìn)行了田間耕層情況調(diào)查。德州陵縣位于東經(jīng)116°27′—116°57′，北緯37°13′—37°36′，屬黃淮平原，多年平均氣溫12.7 ℃，平均年降雨量為570.2 mm，降水主要分布在6—8月份，以黃河水灌溉，水源充沛，耕作制度為一年兩熟的冬小麥-夏玉米輪作；河北吳橋地處東經(jīng)116°19′—116°24′，北緯37°29′—37°47′，位于海河平原黑龍港流域中部，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫12.9 ℃，平均年降雨量為552.7 mm，水資源嚴(yán)重匱乏是本區(qū)作物生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的最大資源障礙因素，以地下水灌溉為主，農(nóng)田種植制度以一年兩熟的冬小麥-夏玉米輪作為主，兼有夏玉米-冬小麥-棉花/春玉米輪作方式。兩地農(nóng)田土壤均以壤質(zhì)潮土為主，耕作方式主要是旋耕，于每年小麥?zhǔn)斋@后旋耕，以小四輪拖拉機(jī)為主要?jiǎng)恿Γ疃?5 cm左右；小麥季灌溉2—3次，玉米季灌溉2—3次，灌溉方式均為畦灌。本研究根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)地分布圖同時(shí)結(jié)合第二次土壤普查點(diǎn)位數(shù)據(jù)，選取吳橋50個(gè)點(diǎn)位、陵縣58個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行剖面取樣調(diào)查（圖1）。

圖1　調(diào)研點(diǎn)分布Fig. 1 Distribution of investigation sites

1.2 調(diào)研方法

本研究于2014年4月小麥拔節(jié)期進(jìn)行（4月1日至4月13日，期間無降水），選取了河北的吳橋縣、山東的陵縣作為調(diào)研對(duì)象，根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)地分布狀況結(jié)合第二次土壤普查定位數(shù)據(jù)，選取了108個(gè)點(diǎn)位（陵縣58個(gè)，吳橋50個(gè)），利用GPS定位并記錄點(diǎn)位經(jīng)緯度，采用剖面取樣調(diào)查手段，具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：

（1）耕層厚度：采用直接觀察法，記錄耕層厚度及小麥根系主要分布深度。

（2）剖面容重、水分：在測(cè)量緊實(shí)度所選取5個(gè)樣點(diǎn)中，選取3個(gè)樣點(diǎn)，挖0—60 cm剖面，在取樣前對(duì)剖面容重分布狀況不明確前提下，采用環(huán)刀法，測(cè)量0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm 4個(gè)層次容重，采用烘干法測(cè)定對(duì)應(yīng)不同層次土壤質(zhì)量含水量；測(cè)量位置分別在各層次的中間位置，即5 cm、15 cm、25 cm和35 cm，考慮到環(huán)刀自身直徑5.05 cm，因此在統(tǒng)計(jì)分析中，將0—10 cm容重近似0—15 cm土壤容重，將20—30 cm容重近似15—30 cm土壤容重。

（3）土壤穿透阻力測(cè)定：在每個(gè)點(diǎn)位，采用 5點(diǎn)取樣法，選取5個(gè)樣點(diǎn)，采用SC900土壤緊實(shí)度測(cè)定儀，測(cè)定土壤剖面 0—45 cm穿透阻力分布狀況。SC900數(shù)字式土壤緊實(shí)度測(cè)定儀測(cè)定單位為kPa，空間分辨率為 2.5 cm，壓力分辨率為35 kPa（精確度為35 kPa），最大量程為45 cm，測(cè)量壓力范圍為0—7 000 kPa。

（4）有機(jī)質(zhì)、土壤質(zhì)地：與剖面容重及土壤剖面水分測(cè)定同步，選取同一剖面對(duì)應(yīng)0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm 4個(gè)層次土壤樣品，實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量及土壤質(zhì)地。

（5）背景資料：包括調(diào)查地塊近30年的耕作方式、耕作年限、作物產(chǎn)量、土地利用類型變化等項(xiàng)目。

2 結(jié)果

2.1 農(nóng)田剖面容重特征分析

如圖2所示，兩調(diào)研區(qū)域土壤剖面容重變化范圍在1.30—1.57 g·cm-3，并且容重在垂直方向均存在相似的變化趨勢(shì)，即容重先增大后降低，并均在20—30 cm范圍內(nèi)達(dá)到最大，兩區(qū)域土體結(jié)構(gòu)中均出現(xiàn)一個(gè)容重較大的“特殊層”——犁底層。其中陵縣20—30 cm處容重達(dá)到1.57 g·cm-3，極顯著大于0—10 cm土層和30—40 cm土層容重，較0—10 cm土層容重大19％，較30—40 cm土層容重大4％；吳橋縣土壤剖面容重亦顯示出同樣規(guī)律，20—30 cm處平均容重約為1.51 g·cm-3，極顯著大于0—10 cm土層和30—40 cm土層容重，較0—10 cm土層容重大16％，較30—40 cm土層容重大4％（表1）。

圖2　農(nóng)田土壤剖面容重平均分布狀況（a為陵縣，b為吳橋縣）Fig. 2 Vertical distribution of bulk density in the field （a is Ling County， b is Wuqiao County）

表1　農(nóng)田土壤不同層次容重方差分析表Table 1 Analysis of variance for bulk density in different soil layers

2.2 農(nóng)田剖面穿透阻力特征分析

容重是一個(gè)離散指標(biāo)，土壤剖面的穿透阻力變化更能反應(yīng)出土壤結(jié)構(gòu)的連續(xù)變化過程，圖3所示為兩調(diào)研縣域各調(diào)研樣點(diǎn)0—45 cm剖面的平均土壤穿透阻力分布狀況，兩調(diào)研區(qū)域在0—18 cm土層范圍內(nèi)，土壤穿透阻力隨著深度的增加而逐漸增加，25 cm以下土層，隨著深度增加，土壤穿透阻力有先降低又略有增加的趨勢(shì)。也即土壤剖面在大致15—30 cm深處，存在著明顯的犁底層，在犁底層位置，土壤穿透阻力明顯大于其他土層穿透阻力。

對(duì)土壤剖面穿透阻力做進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)（表2），陵縣耕層土壤（0—15 cm）平均穿透阻力為597.36 kPa，犁底層平均穿透阻力2 420.82 kPa，下部心土層（30 —45 cm）土壤穿透阻力為1 960.84 kPa，犁底層穿透阻力極顯著大于耕層和心土層，超過了阻礙根系下扎臨界值2 000 kPa［16］，是耕層穿透阻力的4倍、心土層的1.3倍。而吳橋縣耕層結(jié)構(gòu)亦有同樣規(guī)律，吳橋耕層土壤平均穿透阻力為658.24 kPa，犁底層穿透阻力為2 691.09 kPa，心土層為2 010.81 kPa，犁底層穿透阻力同樣大于2 000 kPa，并且極顯著大于耕層和心土層穿透阻力，是耕層穿透阻力的 4倍、心土層的1.3倍。

圖3　農(nóng)田土壤剖面穿透阻力平均分布狀況（a為陵縣，b為吳橋縣）Fig. 3 Vertical distribution of penetration resistance in the field （a is Ling County， b is Wuqiao County）

表2　農(nóng)田土壤剖面穿透阻力方差分析表Table 2 Analysis of variance for penetration resistance in different soil layers

2.3 調(diào)研區(qū)域農(nóng)田犁底層深度、厚度分布

根據(jù)對(duì)調(diào)研區(qū)域農(nóng)田剖面容重及穿透阻力的統(tǒng)計(jì)分析可知，犁底層在農(nóng)田剖面中是存在的。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在陵縣58個(gè)調(diào)研點(diǎn)中，74％的被調(diào)研點(diǎn)存在明顯的犁底層，對(duì)存在明顯犁底層的43個(gè)調(diào)研點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)（圖 4），陵縣農(nóng)田犁底層分布深度在7.5—21.5 cm，其中51.2％的調(diào)研點(diǎn)犁底層深度在14 —18 cm處，過深（18—22 cm）或者過淺（6—10 cm）犁底層不超過7％，陵縣犁底層平均分布深度在14.50 cm，與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)旋耕作深度基本一致；陵縣農(nóng)田犁底層厚度在大致7.5—21.5 cm，其平均厚度在13.3 cm，52.4％的調(diào)研點(diǎn)犁底層厚度在 10—14 cm，過厚（18 —22 cm）或者過薄（6—10 cm）犁底層比例不超過10％。

圖4　陵縣農(nóng)田犁底層深度及厚度統(tǒng)計(jì)分析Fig. 4 Statistical analysis of depth and thickness of plow pan in Ling County

在吳橋縣的調(diào)研結(jié)果中發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律（如圖5），在50個(gè)被調(diào)研點(diǎn)中，78％的調(diào)研點(diǎn)存在明顯的犁底層，犁底層分布深度在11.5—22.5 cm，其平均分布深度在14.98 cm，與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)旋耕作用深度一致；其厚度在7.5—20 cm，其平均厚度為13.45 cm。

圖5　吳橋縣農(nóng)田犁底層深度及厚度統(tǒng)計(jì)分析Fig. 5 Statistical analysis of depth and thickness of plow pan in Wuqiao County

表3　調(diào)研區(qū)域不同層次土壤質(zhì)量含水量及其變化范圍Table 3 The range of mass water content in different soil layers in the investigation area

表4　調(diào)研區(qū)域不同層次土壤容重及其變化范圍Table 4 The range of bulk density in different soil layers in the investigation area （g·cm-3）

2.4 農(nóng)田穿透阻力與容重及水分的關(guān)系

從表3、表4中可以看出，兩調(diào)研區(qū)域不同點(diǎn)位不同層次土壤質(zhì)量含水量變化范圍在 5.65％—29.29％，各點(diǎn)位不同層次土壤容重變化范圍在1.05—1.85 g·cm-3，對(duì)穿透阻力和土壤容重及含水量之間做偏相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，穿透阻力與土壤容重及土壤質(zhì)量含水量之間偏相關(guān)系數(shù)r分別為0.63和-0.36，均呈現(xiàn)極顯著相關(guān)關(guān)系，這說明土壤穿透阻力同時(shí)受土壤含水量及土壤容重兩個(gè)因素的影響。同一土壤容重條件下由于土壤含水量不同，對(duì)應(yīng)土壤穿透阻力亦有差異，因此對(duì)同一土壤容重條件下土壤質(zhì)量含水量及土壤穿透阻力取平均值，并對(duì)土壤容重及對(duì)應(yīng)平均穿透阻力作散點(diǎn)圖（圖 6），從圖中可看出，土壤穿透阻力整體隨著土壤容重的增大而增大，二者呈現(xiàn)極顯著線性正相關(guān)關(guān)系，其線性回歸方程為：y=3 854.09x+3 891.99 （y為穿透阻力，x為土壤容重，r=0.84）；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)容重低于1.4 g·cm-3時(shí)，土壤穿透阻力均低于 2 000 kPa，此時(shí)對(duì)應(yīng)土壤質(zhì)量含水量在 6.86％—24.64％，這說明當(dāng)土壤容重在1.4 g·cm-3以下時(shí)，正常水分條件下，土壤穿透阻力不會(huì)對(duì)作物根系生長(zhǎng)產(chǎn)生障礙，而當(dāng)土壤容重在1.4 g·cm-3以上時(shí)，穿透阻力對(duì)作物的影響同時(shí)取決于土壤含水量。

在同一水分條件下，土壤穿透阻力并不固定，而是隨著容重的增加而增大（圖 6），因此對(duì)同一土壤水分條件下土壤容重及土壤穿透阻力取平均值，并對(duì)土壤質(zhì)量含水量及對(duì)應(yīng)平均穿透阻力作散點(diǎn)圖（圖7），從圖中可看出，土壤穿透阻力與土壤含水量之間存在著極顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，穿透阻力隨著土壤水分的增加而降低，對(duì)應(yīng)線性回歸方程為：y = -75.93 x + 3 153.83（y為穿透阻力，x為土壤質(zhì)量含水量，r=0.82）。

圖6　土壤穿透阻力與土壤容重之間關(guān)系Fig. 6 The relationship between bulk density and soil penetration resistance

圖7　土壤穿透阻力與土壤質(zhì)量含水量之間關(guān)系Fig. 7 The relationship between mass water content of soil and soil penetration resistance

2.5 農(nóng)田穿透阻力動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

本次調(diào)研僅是針對(duì)小麥拔節(jié)期土壤緊實(shí)度狀況進(jìn)行研究，考慮到耕作措施及作物生育期耗水可顯著改變土壤容重和水分狀況，因此農(nóng)田土壤穿透阻力變化過程更為復(fù)雜。本研究對(duì)調(diào)研點(diǎn)（E116°19′46.33″，N37°20′44.53″） 2014—2015年冬小麥整個(gè)生育期農(nóng)田犁底層（15—30 cm）穿透阻力進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（圖8）。從圖中可以看到，在整個(gè)小麥生育期內(nèi)，犁底層穿透阻力隨著小麥生育期的推進(jìn)而發(fā)生有規(guī)律變化，2014年秋收后，犁底層穿透阻力達(dá)到4 300.00 kPa，隨后經(jīng)過旋耕、灌溉、播種等，2014年11月13日犁底層穿透阻力迅速降低到2 111.14 kPa，此時(shí)犁底層體積含水量達(dá)到19.22％，隨著小麥苗期耗水及土壤水分蒸發(fā)，到小麥返青期穿透阻力又逐漸增加至4 362.25 kPa，對(duì)應(yīng)土壤體積含水量降低為14.47％，2015年3 月 21進(jìn)行第二次灌溉，犁底層穿透阻力驟降至2 074.57 kPa，由于拔節(jié)期后，小麥生長(zhǎng)旺盛，耗水量較大，在一個(gè)月時(shí)間內(nèi)，犁底層穿透阻力達(dá)到了生育期最大值4 700.00 kPa。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，犁底層穿透阻力與耕作、灌溉、降水、作物生育期耗水及土壤蒸發(fā)等因素是相互耦合的。

圖8　土壤穿透阻力與土壤體積含水量動(dòng)態(tài)變化Fig. 8 Dynamic change of soil penetration resistance and soil volumetric moisture content

3 討論

3.1 黃淮海北部地區(qū)農(nóng)田土壤剖面垂直變化特征

耕層構(gòu)造是由耕作土壤及其覆蓋物所組成，是人類耕作加工后形成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)及覆蓋物的總稱［17］，良好的耕層構(gòu)造狀況決定整個(gè)土體與外界水、肥、氣、熱交換能力的高低，良好的耕層構(gòu)造能最大限度地蓄納和協(xié)調(diào)耕層中的水分。本調(diào)研結(jié)果顯示，黃淮海北部地區(qū)常規(guī)旋耕耕作方式下的農(nóng)田存在明顯垂直分層現(xiàn)象，主要分為耕作層（0—15 cm）、犁底層（15—30 cm）、心土層（30—45 cm），在陵縣和吳橋兩調(diào)研區(qū)域中，分別有74％和78％的被調(diào)研點(diǎn)存在明顯的犁底層，考慮到近年來土地利用類型的顯著變化對(duì)耕層結(jié)構(gòu)的影響，可以認(rèn)為犁底層在黃淮海北部區(qū)是普遍存在的。被調(diào)研區(qū)域耕層平均厚度在14.74 cm，略低于《2008年玉米主產(chǎn)區(qū)土壤耕層調(diào)查報(bào)告》［18］中黃淮海玉米產(chǎn)區(qū)17.2 cm的耕層厚度，這種差異也可能與兩次調(diào)研選點(diǎn)策略、調(diào)查對(duì)象、處理方法等不同有關(guān)，犁底層主要分布在15—30 cm，這與舒鑫等［19］，趙亞麗等［20］，蔡麗君等［21］研究結(jié)果基本一致，但不同地域，由于土壤類型、耕作方式、強(qiáng)度及耕作年限的差異，犁底層厚度也有可能存在差異，鄭存德［15］對(duì)遼寧棕壤玉米田調(diào)研發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量大于11.25 t·hm-2的玉米田，90％地塊犁底層厚度在7—10 cm。

同時(shí)土壤剖面各層次土壤容重及穿透阻力存在顯著差異，在本研究中發(fā)現(xiàn)犁底層容重最大，平均容重在1.54 g·cm-3左右，顯著大于耕層和心土層容重，這與《2008年玉米主產(chǎn)區(qū)土壤耕層調(diào)查報(bào)告》［18］中黃淮海玉米產(chǎn)區(qū)土壤容重為1.52 g·cm-3的調(diào)研結(jié)果一致；同樣犁底層穿透阻力在農(nóng)田不同層次中也是最大的，在本調(diào)研時(shí)期，犁底層穿透阻力位于1 371.00—4 256.00 kPa，前人研究同樣表明犁底層部位穿透阻力最大，但犁底層穿透阻力變化區(qū)間不盡相同，這是因?yàn)榇┩缸枇Σ粌H與土壤層次有關(guān)系，還與測(cè)量時(shí)期所對(duì)應(yīng)土壤含水量，以及土壤質(zhì)地、容重、有機(jī)質(zhì)含量等有關(guān)系［22-24］。PASSIOURA 等［16］研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤穿透阻力達(dá)到800.00 kPa時(shí)，作物根系伸長(zhǎng)速率明顯降低，2 000.00 kPa時(shí)受到嚴(yán)重抑制，5 000.00 kPa時(shí)完全停止，阻力解除后2—5 d才能恢復(fù)。陳喜鳳等［25］認(rèn)為在20—40 cm土層中，緊實(shí)的犁底層對(duì)土壤養(yǎng)分有效性和作物根系生長(zhǎng)的限制是當(dāng)前作物高產(chǎn)栽培的主要限制因子之一。產(chǎn)生犁底層的原因主要是由于長(zhǎng)期旋耕造成的機(jī)械壓實(shí)所致［26］，也可能與長(zhǎng)期大水漫灌及降水造成的黏粒沉降的集聚作用有關(guān)。

3.2 穿透阻力與土壤水分及容重的關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)土壤穿透阻力分別與土壤水分及容重之間有著極顯著相關(guān)關(guān)系，土壤穿透阻力有隨著土壤水分的增加而降低，隨著容重的增加而增加的趨勢(shì)，類似規(guī)律在前人的研究中亦有發(fā)現(xiàn)，土壤穿透阻力和土壤水分及容重的關(guān)系受諸多因子影響，目前只能用經(jīng)驗(yàn)公式來描述，但不同研究得到的經(jīng)驗(yàn)公式不盡相同，一些作者［27］常用冪函數(shù)描述土壤阻力和含水量的關(guān)系，也有些學(xué)者采用對(duì)數(shù)函數(shù)描述土壤阻力和含水量的關(guān)系，王益等［22］對(duì)黃土高原南部地區(qū)3種質(zhì)地類型土壤緊實(shí)度變化規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，黃墡土、塿土、黏化層3種不同質(zhì)地類型土壤，土壤穿透阻力的對(duì)數(shù)值隨土壤水分的變化均符合一元二次方程，而穿透阻力隨含水量的變化速率（方程求導(dǎo)后曲線斜率）并不相同。Whalley等［28］提出了一個(gè)更為復(fù)雜的估算土壤穿透阻力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

式中Q是土壤穿透阻力，ψ是土壤基質(zhì)勢(shì)，S是土壤含水量，ρ是容重。

本研究認(rèn)為簡(jiǎn)單的線性方程能更明了地反映土壤穿透阻力與土壤水分及容重之間的相互變化趨勢(shì)，這與焦彩強(qiáng)等［29］的結(jié)論一致。

3.3 農(nóng)田穿透阻力動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

本研究發(fā)現(xiàn)，2014—2015年冬小麥整個(gè)生育期犁底層穿透阻力均大于2 000 kPa，阻礙了小麥根系的深扎，造成小麥根系分布淺層化，這在冬小麥生長(zhǎng)缺水的地區(qū)，易造成作物的水分脅迫，同時(shí)不利于根系吸收深層養(yǎng)分，進(jìn)而造成減產(chǎn)，有研究表明產(chǎn)量越高，中下層根量占比例越高（在耕作層中絕對(duì)根量高于低產(chǎn)田），同時(shí)，由于犁底層的存在，施肥后大水漫灌，氮肥不能有效往下部土層運(yùn)移而積聚在耕層，會(huì)導(dǎo)致較多的N2O的排放，增加溫室氣體排放［30］；但完全打破犁底層，會(huì)導(dǎo)致土壤通透性過大，有漏水漏肥的危險(xiǎn)［31］，同時(shí)導(dǎo)致養(yǎng)分的深層淋溶而污染地下水，因此有必要適度打破犁底層，構(gòu)造合理的耕層結(jié)構(gòu)。鄭存德［13］認(rèn)為高產(chǎn)玉米田的土壤物理特征應(yīng)該滿足耕層厚度在20—30 cm，而目前研究報(bào)告中對(duì)犁底層的改造方式僅限于作業(yè)深度大于35 cm的間隔深松、翻耕等耕作方式，而這類耕作方式無法做到對(duì)農(nóng)田犁底層的均勻部分破除，保留一定厚度的犁底層，在考慮作物根系生長(zhǎng)、溫室氣體排放、養(yǎng)分淋溶及剖面穿透阻力的周年變化等前提下，黃淮海平原每年采用作業(yè)深度在25 cm左右的旋耕或深旋松耕作方式似乎更有意義。

總之，犁底層的存在在一定程度上限制了作物生長(zhǎng)及對(duì)養(yǎng)分利用，但犁底層對(duì)水肥遷移轉(zhuǎn)化的影響機(jī)理需要進(jìn)一步探索，同時(shí)如何改造或打破犁底層，也需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

在現(xiàn)行以旋耕為主的耕作模式下，黃淮海北部地區(qū)農(nóng)田犁底層是普遍存在的，主要分布在15—30 cm，犁底層容重和穿透阻力遠(yuǎn)大于耕層及心土層，犁底層平均容重約為1.54 g·cm-3，冬小麥拔節(jié)期犁底層穿透阻力位于1 371.00—4 256.00 kPa，本研究中土壤穿透阻力分別與土壤水分及容重之間有著極顯著線性相關(guān)關(guān)系，隨著土壤水分增加而降低，隨著土壤容重的增大而變大。目前黃淮海北部地區(qū)犁底層現(xiàn)狀不利于作物根系生長(zhǎng)及作物對(duì)土壤養(yǎng)分的充分利用，需要適度打破犁底層，構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)。

References

［1］ 山侖， 吳普特， 康紹忠， 馮浩， 張歲岐. 黃淮海地區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水對(duì)策及實(shí)施半旱地農(nóng)業(yè)可行性研究. 中國工程科學(xué)， 2011， 13（4）： 37-41. SHAN L， WU P T， KANG S Z， FENG H， ZHANG S Q. Study on agricultural water-saving countermeasures and feasibility of implementing semi-dryland farming in the Huang-Huai-Hai region. Engineering Sciences， 2011， 13（4）： 37-41. （in Chinese）

［2］ 侯滿平， 郝晉珉. 黃淮海平原農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略區(qū)劃與布局研究. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)， 2010， 18（3）： 595-599. HOU M P， HAO J M. Research on strategic agricultural division and layout of the Huang-Huai-Hai plain. Chinese Journal of Eco-Agriculture， 2010， 18（3）： 595-599. （in Chinese）

［3］ 夏俊芳， 許綺川， 周勇. 旋耕技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì). 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2005， S1： 83-85. XIA J F， XU Q C， ZHOU Y. Status and research prospects for the technology of rotary tillage. Journal of Hua Zhong Agricultural， 2005，S1： 83-85. （in Chinese）

［4］ 楊雪， 逄煥成， 李軼冰， 任天志， 董國豪， 郭智慧， 王湘峻. 深旋松耕作法對(duì)華北缺水區(qū)壤質(zhì)黏潮土物理性狀及作物生長(zhǎng)的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2013， 46（16）： 3401-3412. Doi： 10.3864/j.issn.0578-1752. 2013.16.011. YANG X， PANG H C， LI Y B， REN T Z， DONG G H， GUO Z H，WANG X J. Effects of deep rotary sub-soiling tillage on the physical properties and crop growth of the sticky loamy soil in North China. Scientia Agricultura Sinica， 2013， 46（16）： 3401-3412. Doi： 10.3864/ j.issn.0578-1752.2013.16.011. （in Chinese）

［5］ GARCIA F， CRUSE R M， BLACKMER A M. Compaction and nitrogen placement effect on root growth， water depletion， and nitrogen uptake. Soil Science Society of America Journal， 1988， 52（3）：792-798.

［6］ NAKATSU S， HIGASHIDA S， SAWAZAKI A. Easy estimation method for plow pan and effect of improved pan-breaking. Japanese Journal of Soil Science and Plant Nutrition， 2004， 75（2）： 265-268.

［7］ H?KANSSON I， VOORHEES W B， RILEY H. Vehicle and wheelfactors influencing soil compaction and crop response in different traffic regimes. Soil and Tillage Research， 1988， 11（3）： 239-282.

［8］ 孫蓓， 馬玉瑩， 雷廷武， 趙軍， 啜瑞媛， 劉琳， 周淑梅. 農(nóng)地耕層與犁底層土壤入滲性能的連續(xù)測(cè)量方法. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2013， 29（4）：118-124. SUN B， MA Y Y， LEI T W， ZHAO J， CHUO R Y， LIU L， ZHOU S M. Method for continuously measuring soil infiltrability of plowcultivated layer and hardpan in farmland. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2013， 29（4）： 118-124. （in Chinese）

［9］ 鄭麗萍， 徐海芳. 犁底層土壤入滲參數(shù)的空間變異性. 地下水，2006， 28（5）： 55-56. ZHENG L P， XU H F. Spatial variability of the bottom of ploughed stratum. Ground Water， 2006， 28（5）： 55-56. （in Chinese）

［10］ 張麗. 深松和培肥對(duì)旱地農(nóng)田土壤水分保蓄能力及玉米生長(zhǎng)的影響［D］. 北京： 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2014. ZHANG L. Study on capacity of soil moisture conservation and the response of maize growth in dryland［D］. Beijing： China Agricultural University， 2014. （in Chinese）

［11］ 李軼冰， 逄煥成， 李華， 李玉義， 楊雪， 董國豪， 郭良海， 王湘峻.粉壟耕作對(duì)黃淮海北部春玉米籽粒灌漿及產(chǎn)量的影響. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2013， 46（14）： 3055-3064. Doi：10.3864/j.issn.0578-1752.2013. 14.022. LI Y B， PANG H C， LI H， LI Y Y， YANG X， DONG G H， GUO L H，WANG X J. Effects of deep vertically rotary tillage on grain filling and yield of spring maize in North Huang-Huai-Hai region. Scientia Agricultura Sinica， 2013， 46（14）： 3055-3064. Doi：10.3864/j.issn. 0578-1752.2013.14.022. （in Chinese）

［12］ 王慧杰， 郝建平， 馮瑞云， 南洋， 楊淑巧， 南建福. 微孔深松耕降低土壤緊實(shí)度提高棉花產(chǎn)量與種籽品質(zhì). 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2015，31（8）： 7-14. WANG H J， HAO J P， FENG R Y， NAN Y， YANG S Q， NAN J F. Microhole subsoiling decreasing soil compaction， and improving yield and seed quality of cotton. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2015， 31（8）： 7-14. （in Chinese）

［13］ 花偉東， 郭亞芬， 張忠學(xué). 坡耕地局部打破犁底層對(duì)水分入滲的影響. 水土保持學(xué)報(bào)， 2008， 22（5）： 213-216. HUA W D， GUO Y F， ZHANG Z X. Influence of plough pan on broke partially slope farmland to moisture content infiltration. Journal of Soil and Water Conservation， 2008， 22（5）： 213-216. （in Chinese）

［14］ 齊華， 劉明， 張衛(wèi)建， 張振平， 李雪霏， 宋振偉， 于吉琳， 吳亞男.深松方式對(duì)土壤物理性狀及玉米根系分布的影響. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2012， 27（4）： 191-196. QI H， LIU M， ZHANG W J， ZHANG Z P， LI X F， SONG Z W， YU J L， WU Y N. Effect of deep loosening mode on soil physical characteristics and maize root distribution. Acta Agriculturae Boreali-Sinica， 2012， 27（4）： 191-196. （in Chinese）

［15］ 鄭存德. 土壤物理性質(zhì)對(duì)玉米生長(zhǎng)影響及高產(chǎn)農(nóng)田土壤物理特征研究［D］. 沈陽： 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2012. ZHENG C D. Research of physical properties on maize growth and properties of high yield maize farmland［D］. Shenyang： Shenyang Agricultural University， 2012. （in Chinese）

［16］ PASSIOURA J B. Soil conditions and plant growth. Plant， Cell & Environment， 2002， 25（2）： 311-318.

［17］ 鄭洪兵， 鄭金玉， 羅洋， 李瑞平， 王浩， 李偉堂， 劉武仁， 齊華. 農(nóng)田不同耕層構(gòu)造對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究， 2015， 33（5）： 41-45. ZHENG H B， ZHENG J Y， LUO Y， LI R P， WANG H， LI W T， LIU W R， QI H. Effects of different tillage layer structures on growth and yield of maize in cropland zone in Northeast of China. Agricultural Research in the Arid Areas， 2015， 33（5）： 41-45. （in Chinese）

［18］ 張世煌， 李少昆. 國內(nèi)外玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展報(bào)告. 北京： 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社， 2010. ZHANG S H， LI S K. The Development Report of Global Maize Industry Technology. Beijing： Chinese Agricultural Sciences and Technology Publisher， 2010. （in Chinese）

［19］ 舒馨， 朱安寧， 張佳寶， 陳文超， 楊文亮， 張文國. 保護(hù)性耕作對(duì)潮土物理性質(zhì)的影響. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)， 2014， 30（6）： 175-181. SHU X， ZHU A N， ZHANG J B， CHEN W C， YANG W L， ZHANG W G. Effects of conservation tillage on physical properties of fluvo-aquic soil. Chinese Agricultural Science Bulletin， 2014， 30（6）：175-181. （in Chinese）

［20］ 趙亞麗， 薛志偉， 郭海斌， 穆心愿， 李潮海. 耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤呼吸的影響及機(jī)理. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2014， 30（19）： 155-165. ZHAO Y L， XUE Z W， GUO H B， MU X Y， LI C H. Effects of tillage and crop residue management on soil respiration and its mechanism. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2014，30（19）： 155-165. （in Chinese）

［21］ 蔡麗君， 邊大紅， 田曉東， 曹立燕， 崔彥宏. 耕作方式對(duì)土壤理化性狀及夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的影響. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)， 2014， 29（5）：232-238. CAI L J， BIAN D H， TIAN X D， CAO L Y， CUI Y H. Effect of tillage methods on soil physical and chemical properties， growth and grain yield of summer maize. Acta Agriculturae Boreali-Sinica， 2014， 29（5）：232-238. （in Chinese）

［22］ 王益， 劉軍， 王益權(quán)， 張興昌. 黃土高原南部 3種農(nóng)田土壤剖面堅(jiān)實(shí)度的變化規(guī)律. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2007， 35（9）： 200-204. WANG Y， LIU J， WANG Y Q， ZHANG X C. Variation of soil compactness in 3 kinds of farmland soil profile in south Loess Plateau. Journal of Northwest A & F University， 2007， 35（9）： 200-204. （in Chinese）

［23］ 王新兵. 深松耕作對(duì)土壤理化特征及玉米根系空間分布的調(diào)控效應(yīng)［D］. 北京： 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 2014. WANG X B. Effect of subsoiling tillage on soil physicochemical characteristics and root spatial distribution of maize［D］. Beijing：Chinese Academy of Agricultural Sciences， 2014. （in Chinese）

［24］ 任軍， 邊秀芝， 郭金瑞， 閆孝貢， 劉劍釗. 黑土區(qū)高產(chǎn)土壤培肥與玉米高產(chǎn)田建設(shè)研究. 玉米科學(xué)， 2008， 16（4）： 147-151. REN J， BIAN X Z， GUO J R， YAN X G， LIU J Z. Building up fertility for high yield soil and construction of high-yield field in the black soil regions. Journal of Maize Sciences， 2008， 16（4）： 147-151. （in Chinese）

［25］ 陳喜鳳， 楊粉團(tuán)， 姜曉莉， 李剛. 深松對(duì)玉米早衰的調(diào)控作用. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)， 2011， 27（12）： 82-86. CHEN X F， YANG F T， JIANG X L， LI G.. Regulation of subsoiling on premature senescence of corn. Chinese Agricultural Science Bulletin， 2011， 27（12）： 82-86. （in Chinese）

［26］ MOSADDEGHI M R， MAHBOUBI A A， SAFADOUST A. Short-term effects of tillage and manure on some soil physical properties and maize root growth in a sandy loam soil in western Iran. Soil and tillage research， 2009， 104（1）： 173-179.

［27］ BUSSCHER W J. Adjustment of flat-tipped penetrometer resistance data to a common water content. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers， 1990， 33： 519-524.

［28］ WHALLEY W R， TO J， KAY B D， WHITMORE A P. Prediction of the penetrometer resistance of soils with models with few parameters. Geoderma， 2007， 137（3）： 370-377.

［29］ 焦彩強(qiáng)， 王益權(quán)， 劉軍， 趙加瑞， 宋曉燕. 關(guān)中地區(qū)耕作方法與土壤緊實(shí)度時(shí)空變異及其效應(yīng)分析. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究， 2009， 27（3）：7-12. JIAO C Q， WANG Y Q， LIU J， ZHAO J R， SONG X Y. Spatialtemporal variability of soil hardness and effect of soil hardness on other soil properties in rotary tillage in Guanzhong farmland. Agricultural Research in the Arid Areas， 2009， 27（3）： 7-12.（in Chinese）

［30］ 劉明. 深松和施氮與土壤特性及玉米生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)系的研究［D］. 沈陽： 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2012. LIU M. The relation with deep loosening and nitrogen to soil characteristics and growth in maize［D］. Shenyang： Shenyang Agricultural University， 2012. （in Chinese）

［31］ 趙執(zhí)， 吳克寧， 王海. 我國農(nóng)田整治中典型土壤障礙因素的機(jī)械改土技術(shù). 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2012， 39（21）： 182-185. ZHAO Z， WU K N， WANG H. Mechanized soil improvement technology for typical soil obstacle in China's cropland consolidation. Guangdong Agricultural Sciences， 2012， 39（21）： 182-185. （in Chinese）

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Study on Present Situation and Characteristics of Plow Pan in the Northern Region of Huang Huai Hai Plain

ZHAI Zhen1， LI Yu-yi1， PANG Huan-cheng1， WANG Jing1， ZHANG Li1，DONG Guo-hao2， GUO Jian-jun2， GUO Zhi-hui2（1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081；2Dezhou Academy of Agricultural Sciences， Dezhou 253000， Shandong）

Abstract：【Objective】The objective of this paper is to study the present situation and characteristics of plow pan in the northern region of Huang Huai Hai plain.【Method】 In this study， 108 investigation points distributed in Wuqiao County of Hebei province and Ling County of Shandong province were selected according to the soil texture distribution data and the Second China National Soil Survey. At each investigation point， the soil moisture content， soil bulk density and penetration resistance of different soil levels from top surface to 45 cm during the jointing stage of winter wheat were determined. 【Result】 The average thickness of topsoil in the northern region of Huang Huai Hai plain was 14.74 cm， and the plow pan distributed from 15 to 30 cm existed at about 76％ of all investigated points. It was also found that the bulk density and penetration resistance among each soil layer have significant differences. The bulk density of plow pan was about 1.54 g·cm-3which was the largest in soil profile. Also the penetration resistanceof plow pan during the jointing stage of winter wheat varied from 1 371.00 kPa to 4 256.00 kPa， which was significantly higher than that of top soil and subsoil. During the whole growth period of winter wheat， the penetration resistance of plow pan was always larger than 2 000 kPa which restrained the growth of root， and primarily distributed in shallow soil， and this led to the increased water stress to winter wheat and nutrient uptake from deep soil in water deficient area. A very significant correlation between soil penetration resistance and bulk density， soil water content was observed. In addition， the penetration resistance of soil showed a increasing trend with the increased soil bulk density and the regression equation is y=3 854.09x+3 891.99 （y is penetration resistance，x is the bulk density， r=0.84）. When the bulk density is less than 1.4 g·cm-3， soil penetration resistance was lower than 2 000 kPa，which was not an obstacle for root growth. When the soil bulk density is 1.4 g·cm-3or more， the effect of soil penetration resistance on winter wheat growth mainly depended on the soil moisture， and the regression equation between them is y= -75.93x + 3 153.83 （y is penetration resistance， x is the water content of soil， r= 0.82）. 【Conclusion】 In a whole， plow pan is widespread under the traditional rotary-based tillage mode in the northern Huang Huai Hai， which would be an obstacle for crop root growth and the utilization of soil nutrients. So moderately breaking the plough pan and building a reasonable soil structure is required.

Key words：Huang Huai Hai plain； plow pan； bulk weight； penetration resistance； soil water

收稿日期：2015-11-20；接受日期：2016-02-17

基金項(xiàng)目：國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)（201303130）