黃淮海北部農田犁底層不同破除程度對夏玉米農藝性狀及產量的影響

高建勝 郭建軍 崔慧妮 董國豪 郭良海 郭智慧 戶傳周 李擁軍

摘要：黃淮海平原由于連年旋耕導致犁底層加厚上移、耕層變淺、耕層生產能力下降，針對此問題，本試驗于山東德州黃河涯村設置犁底層不破除（RT15）、犁底層破除1/3（DL20）、犁底層破除2/3（DL25）、犁底層完全破除（DL40）4個犁底層破除程度處理，研究大田條件下犁底層不同破除程度對夏玉米農藝性狀及產量的影響。結果表明：部分破除犁底層后，夏玉米的株高、葉面積、凈光合速率、地上/地下干物質重、產量均隨犁底層破除程度的增加而呈增加趨勢，DL25處理各指標達到最大；DL25處理的玉米產量分別較DL40、DL20、RT15處理高4.6%、6.1%和17.3%；但完全破除犁底層，并不利于作物產量等指標的進一步提升，甚至有小幅降低。因此，在目前黃淮海平原農田耕作方式、耕層結構條件下，犁底層的存在阻礙玉米的生長，將耕層深度增加到25 cm、適度打破而保留部分犁底層（5 cm）更有利于玉米產量的提高。

關鍵詞：玉米；耕作方式；犁底層；產量；黃淮海平原

中圖分類號：S513.061文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2018）03-0036-05

Abstract Annual rotary tillage has created a compacted plow pan and shallow arable layer which hamper the high crop yield in the Huang-Huai-Hai Plain region. In order to explore the effects of breaking the plow pan by different degrees on agronomic traits and yield of summer maize， the field experiments were conducted in Huangheya Village， Dezhou City of Shandong Province during 2014. Four treatments were conducted， including the original plow pan （RT15）， breaking the plow pan by 1/3 （DL20）， breaking the plow pan by 2/3 （DL25）， breaking the plow pan thoroughly （DL40）. The results showed that the plant height， leaf area， net photosynthetic rate， ground/underground dry matter and yield of summer maize increased with the increase of breaking degree of plow pan when breaking the plow pan partially. All the above indexes of DL25 treatment were the highest and the yield increased by 4.6%， 6.1% and 17.3% respectively than that of DL40， DL20 and RT15. While breaking the plow pan thoroughly was not beneficial to the promotion of yield indexes and even decreased slightly. In summary， the plow pan hindered the crop growth under the present cultivation method and the cultivated layer structure in the northern region of Huang-Huai-Hai Plain. Comprehensively considering the economic and environmental benefits， breaking the plow pan by 2/3 （DL25） was the best choice which could remarkably promote the summer maize yield.

Keywords Maize； Tillage treatments； Plow pan； Yield； The Huang-Huai-Hai Plain

黃淮海平原種植制度以小麥、玉米一年兩熟為主，是國家重要的糧食主產區，對保障國家糧食安全具有舉足輕重的作用[1，2]。20世紀70年代后期，隨著國外旋耕機具的引進和旋耕耕作法的逐步推廣，大大提高了耕作效率。與犁耕和耙耕相比，旋耕作業具有碎土性能好、適應性強、作業效率高的優點[3]，但長期以旋代耕、以耙代耕，也造成一定弊端，即：因現行旋耕深度（15 cm左右）比過去的機械耕翻淺8～10 cm，造成耕層變淺[4]，且連年旋耕中的犁刀擠壓作用使土壤在耕作層與心土層之間形成了一層堅硬、封閉的犁底層[5-8]；同時由于化肥的施用量逐年增加，土壤有機質所膠結的團聚體減少，土壤孔隙狀況得不到改善，對犁底層的形成也起到一定作用。對耕作土壤來說，具有適當厚度的犁底層對保持養分、貯存水分、促進作物生長是非常有益的，但犁底層過厚、堅實，不僅阻礙作物根系的穿插，造成作物根系分布淺層化，同時阻礙了耕作層與心土層之間水、肥、氣、熱的連通性，對作物生長、物質的轉移和能量的傳遞非常不利[9-11]。最新研究發現在現行以旋耕為主的耕作模式下，黃淮海北部地區農田犁底層普遍存在，主要分布在15～30 cm，犁底層平均厚度為15 cm[12]。

深松作為保護性耕作四大關鍵技術之一，被作為傳統旋耕的替代技術大力推廣應用，該技術是一種只疏松土層而不翻轉土壤的抗旱耕作方法，其深度超過犁底層或土壤自然形成的硬土層分布深度。深松能夠疏松土壤、加厚耕層、提高土壤孔隙度、改善土壤團粒結構、增強水分的入滲能力、促進植物根系生長發育、提高作物產量[13-16]。構建合理耕層結構是改善土壤結構、提高土壤蓄水能力和作物水分利用效率的重要途徑，而解決犁底層的問題是構建合理耕層所要面對的首要問題之一，但目前關于犁底層的合理改良方式，尚未形成統一觀點。因此系統研究不同耕層結構對作物生長的影響及犁底層合理改良方式，合理優化和改良耕層結構，繼而創造有利于作物生長發育和作物持續高產穩產的土壤環境，是當前以及今后農業生產的重大技術需求，對于我國大幅度提升耕地質量和綜合生產能力、達到“藏糧于地”及糧食持續穩產增產具有重要意義。因此本團隊采用定位觀測試驗，通過設置不同厚度犁底層處理，對比研究不同厚度犁底層對夏玉米農藝性狀及產量的影響，以期為黃淮海平原構建合理耕層提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

定位試驗設在山東省德州市黃河涯村（E116°19′46.33″，N37°20′44.53″）。該地處于黃淮海平原，屬暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫14.9℃，年降雨量504.9 mm，降水主要分布在6—8月。水源充沛，以黃河水灌溉為主。耕作制度為一年兩熟：冬小麥-夏玉米輪作。試驗點以壤質潮土為主。耕作方式為旋耕，于每年夏玉米收獲后進行，耕層、犁底層厚度均為15 cm左右。

在試驗地塊選取5個樣點，采集0～20 cm基礎土樣混合后風干、磨碎過篩，按照常規方法測定pH值、有機質、全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀等指標。試驗點土壤基本理化性狀見表1。

1.2 試驗處理與管理

根據黃淮海平原耕層結構調研結果及試驗點耕層結構特點（耕層厚度15 cm，犁底層厚度15 cm）[12]，設置4個犁底層處理，分別為RT15、DL20、DL25、DL40。

RT15：犁底層不破除（耕層厚度15 cm），即每年麥播前旋耕15 cm，形成耕層、犁底層均為15 cm及下部心土層的耕層構造。該構造為當地傳統耕作方式下形成，為本研究對照。

DL20：犁底層破除1/3（耕層厚度20 cm），即麥播前深松20 cm，同時配套旋耕15 cm，形成耕層20 cm、犁底層10 cm及下部心土層構造。

DL25：犁底層破除2/3（耕層厚度25 cm），即麥播前深松25 cm，同時配套旋耕15 cm，形成耕層25 cm、犁底層5 cm及下部心土層的耕層構造。

DL40：犁底層完全破除（耕層厚度40 cm），即麥播前深松40 cm，犁底層完全破除，形成全虛耕層構造，同時配套旋耕15 cm。

試驗采用隨機區組設計，每處理重復3次。小區面積15 m×12 m=180 m2，共12小區。為提升深松效果，采用深松機往返作業，深松間距10～15 cm。各處理均于2014年10月21日小麥播種前耕作，夏玉米為貼茬播種。供試麥種為濟麥22。玉米品種為鄭單958，種植密度67 500 株/hm2，于2015年6月22日播種，10月10日收獲。

冬小麥采用當地常規管理。夏玉米季施氮240 kg/hm2，施磷75 kg/hm2，施鉀120 kg/hm2，其中33.3%氮肥和全部磷鉀肥作基肥施入，其余氮肥在大喇叭口期追施。試驗期內用水表記錄灌溉量，單次灌溉量為60 mm，于2015年6月23日灌水。

1.3 指標測定

1.3.1 玉米株高、葉面積測定 采用定株觀測法測量葉面積，即在拔節期、大喇叭口期、抽雄開花期每小區選3株代表性植株掛牌標記，測量葉面積；在抽雄開花期每小區選取代表性植株10株，測量株高。

1.3.2 凈光合速率 在玉米抽雄吐絲期選擇晴朗無風天氣，于9∶00—11∶00采用Li-6400A光合儀（Li-Cor，美國）測定光合參數。采用紅藍光源葉室測定，設定光量子度（PAR）為1 200 μmol/（m2·s），樣本室內氣流速度（Flow）為500 μmol/s，葉室溫度為30℃。每小區選取長勢一致的玉米3株，在每株相同部位選取完全伸張的向陽葉片，每片葉讀數5次，取15次平均結果。

1.3.3 干物質測定 于拔節、大喇叭口、抽雄開花期每小區選取代表性植株3株，將其分為地上、地下兩部分，105℃殺青30 min，然后80℃下烘干至恒重稱重。

1.3.4 測產及考種 每小區取6.67 m2測產，同時選取10個代表性樣穗風干考種，記錄穗粗、穗長、禿頂長、穗行數、行粒數、百粒重，計算水分含量。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2007進行數據處理。采用SPSS 20.0數據處理軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 犁底層不同破除程度對玉米農藝性狀的影響

不同犁底層破除程度對玉米抽雄開花期株高的影響如圖1所示。株高受犁底層破除程度影響顯著，且隨犁底層破除程度增大呈先增加后減小趨勢。DL25處理玉米植株最高，其次是DL40處理，分別較對照（RT15）提高6.1%和4.8%，而DL40與DL25處理之間差異不顯著。

不同犁底層破除程度對玉米主要生育期（拔節期、大喇叭口期、抽雄期）葉面積的影響如圖2所示。犁底層不同破除程度對玉米3個生育時期葉面積的影響顯著，均表現為DL25處理葉面積最大，且在3個生育時期內均表現為隨犁底層破除程度的增大呈先增加后減小趨勢，同時在3個生育時期內DL25處理與DL20、RT15處理之間存在顯著差異。拔節期DL25處理葉面積較DL20、RT15分別高13.9%、45.9%；大喇叭口期DL25處理較DL20、RT15分別高14.7%、15.7%；抽雄開花期DL25處理較DL20、RT15分別高13.3%、16.7%；但各時期內DL25與DL40處理之間無顯著差異。

從圖1、圖2株高及葉面積數據可以看出，不同程度地破除犁底層均能顯著促進玉米植株生長，且將犁底層破除2/3（DL25）后各指標達最優。

2.2 犁底層不同破除程度對玉米凈光合速率的影響

從圖3可以看出，不同程度破除犁底層后均能顯著提高玉米抽雄開花期的凈光合速率，各處理表現為：DL25﹥DL40﹥DL20﹥RT15，以犁底層破除2/3（DL25）處理植株的凈光合速率最高，較DL20、RT15分別高9.1%、16.1%，而DL40與DL25之間差異不顯著。

2.3 犁底層不同破除程度對玉米干物質積累的影響

如圖4、圖5所示，犁底層不同破除程度對玉米3個生育時期地上、地下部干物質積累的影響顯著，均隨犁底層破除程度增大呈先增加后減少趨勢，同時均以DL25處理數值最大，且在各生育時期內DL25處理與DL20、RT15之間差異顯著。拔節期DL25處理地上部干物質重較DL20、RT15處理分別高73.8%、76.9%，地下部干物質重較其分別高31.5%、37.2%；大喇叭口期DL25地上部干物質重較DL20、RT15處理分別高20.4%、33.9%，地下部干物質重較其分別高23.2%、36.4%；抽雄開花期DL25處理地上部干物質重較DL20、RT15處理分別高18.7%、38.7%，地下部干物質重較其分別高24.0%、38.6%；但各時期內地上、地下部干物質重DL25與DL40處理間均無顯著差異。

2.4 犁底層不同破除程度對夏玉米產量及穗部性狀的影響

如表2所示，不同處理中，DL25處理的穗粗、穗粒數、百粒重、產量值最大，其次是DL40、DL20，RT15處理最小。穗長為DL40最長，禿尖長DL20處理最長。在產量性狀中，玉米產量隨犁底層破除程度的增大呈先增加后減少趨勢，且DL25處理較DL40、DL20、RT15分別高4.6%、6.1%、17.3%。因此從產量角度看，不同程度破除犁底層均能顯著提高玉米產量，以犁底層破除2/3（DL25）產量最高。

3 討論與結論

耕層構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部結構、表面形態及覆蓋物的總稱[17]，良好的耕層構造狀況決定整個土體與外界水、肥、氣、熱交換能力的高低，是保證作物高產穩產的基礎[18]。在現行以旋耕為主的耕地模式下，黃淮海北部地區農田普遍存在犁底層，主要分布在15～30 cm之間。犁底層容重和穿透阻力遠大于耕層及心土層，其平均容重約為1.54 g/cm3；過厚的犁底層阻礙了作物根系的下扎，造成作物根系分布淺層化，易造成作物水分脅迫，同時不利于根系吸收深層養分[12]。本研究中，通過不同程度地破除犁底層，使耕層厚度加深，結果顯示：玉米株高，主要生育時期葉面積、地上地下干物質重，抽雄開花期凈光合速率及產量均隨犁底層破除程度的增加而呈現先增加后減少趨勢，均以DL25處理各指標值達到最大；DL25處理產量較DL40、DL20、RT15處理分別提高4.6%、6.1%、17.3%。這是由于不同程度破除犁底層后，促進了水分充分入滲和貯存，營造出對作物更有利的水、肥、氣、熱環境條件，有助于葉綠素的合成、根系生長[19]，進而促進玉米植株的生長發育，最終增產。前人研究亦發現，深松耕作破除犁底層能夠顯著提高作物產量[20]，但本研究發現玉米產量并不是隨著犁底層破除程度的增大而一直增加，完全破除犁底層并不利于作物產量等指標的進一步提升，甚至有小幅降低。這可能是完全破除犁底層后形成的全虛耕層構造，使得水分、養分下滲流失嚴重，因此保留部分犁底層更有利于水分、養分的蓄積，同時又不影響土體與外部環境的氣、熱交換，為玉米的生長提供良好的水、肥、氣、熱條件。

綜上，在目前黃淮海平原農田耕作方式、耕層結構條件下，犁底層的存在阻礙了作物的生長，將耕層深度增加到25 cm、適度打破而保留部分犁底層（5 cm）更有利于玉米產量的提高。

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