長期玉米連作下不同產量水平0—100 cm土層黑土與淡黑鈣土理化性狀差異

袁靜超，劉劍釗，程 松，張水梅，張洪喜，劉松濤，任 軍，梁 堯，蔡紅光

（吉林省農業科學院農業資源與環境研究所/農業農村部東北植物營養與農業環境重點實驗室，吉林長春 130033）

吉林省玉米種植區主要分布于中部和西部，其玉米播種面積和產量貢獻占全省玉米總產量的88%以上[1]，對保障區域農業的可持續發展和國家糧食安全具有重要作用。東北黑土區未來實現增產潛力的主要途徑之一是提高土壤肥力、改善土壤質量[2-3]。然而，本區域種植模式主要采用玉米連作，隨著種植年限的增加，以土壤有機質下降、耕層結構劣化、養分供應失衡及土壤酸化等為主要特征的土壤質量和功能退化日益凸顯[4-6]，極大地限制了玉米產量潛力的進一步提高。耕層土壤理化性狀是影響作物生長發育的重要因素[7-8]，前人對土壤肥力的研究多側重于耕層[9-11]。然而，深層土壤理化性質的變化對作物產量的影響也是不容忽視的。任軍等[12]提出玉米高產土壤與一般土壤肥力在體型、體質方面均有一定的差別，尤其表現在20—60 cm土層；梁斌等[13]針對北京山區大田0—60 cm土壤養分空間變化進行了分析，發現隨土層深度增加，土壤養分含量逐漸降低；李衛東等[14]研究表明，耕地表層受施肥、灌溉、耕作等影響較大，40 cm以上土層的土壤有機碳含量顯著高于下層土壤。目前，關于深層土壤肥力的探討多集中于對土壤養分、物理結構等空間變化的描述，而關于不同產量水平深層土壤理化性狀差異及其與作物產量間關系的研究仍鮮有報道。本研究以吉林省中部黑土區和西部淡黑鈣土區不同產量水平下0—100 cm土壤為研究對象，解析玉米不同產量水平深層土壤理化性狀的差異，明確影響產量的關鍵土層及其核心指標，以期為黑土地保護與利用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

黑土樣點分布在吉林省中部的公主嶺、榆樹、農安市，玉米高、中、低3個產量水平依次為＞12000 kg/hm2、9000～9750 kg/hm2、＜7500 kg/hm2。淡黑鈣土樣點分布在西部的乾安、長嶺、前郭市，高、中、低 3個玉米籽粒產量水平依次為＞10500 kg/hm2、7500～8250 kg/hm2、＜6000 kg/hm2。共選取36塊玉米連作期超過15年的代表性地塊，黑土區和淡黑鈣土區各18個 (圖1)。每個采樣點當年玉米生長季降水量見圖2。

圖 1 取樣區域在吉林省的分布Fig.1 Distribution of sampling area in Jilin Province

圖 2 采樣區玉米生育期降水量分布Fig.2 Precipitation in the experiment field during maize growth season in 2011

1.2 樣品采集與測定方法

樣品采集于2011年秋季玉米收獲后進行，每個采樣區域隨機選取3點，將0—100 cm土體劃分為0—10、10—20、20—30、30—50、50—70和70—100 cm進行樣品采集。在采集土樣的同時，用容積為100 cm3的環刀分層采集原狀土樣品，用于土壤容重與三相比的測定。土壤容重、含水量、有機質、全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀含量和pH等指標的測定參照常規方法[15]，土壤固、液、氣三相比例采用土壤三相測量儀 (DIK-1130，日本) 測定。土壤銨態氮和硝態氮含量采用0.01 mol/L CaCl2浸提—連續流動分析儀 (TRACCS2000，美國)測定。

1.3 相關指標計算方法

1.3.1 廣義土壤結構指數 (generalized soil structure index，GSSI)[16]通常情況下，旱作土壤理想三相比為2∶1∶1，將土壤結構最優時的函數可取最大值設為100，廣義土壤結構指數為：

GSSI=[(XS?25)XLXG]0.4769

式中：GSSI為廣義土壤結構指數，XS、XL和XG分別為固相、液相和氣相體積所占百分比 (%)。

1.3.2 土壤養分儲量 采用等深度法計算土壤養分儲量。

Mi=ρb,i×Ti×Ci×0.001×100

式中：Mi為第i土層的土壤養分儲量 (t/hm2)；Ti為第i層土壤厚度 (m)；ρb,i為第i層土壤容重 (g/cm3)；Ci為第i層土壤養分含量 (g/kg)；0.001與100均為單位轉換系數。

1.4 數據統計與分析

所有數據用 Microsoft Excel 2010 軟件處理后，用SAS 8.0統計軟件進行方差分析和多重比較，采用 Origin 9.0 作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤結構特征

2.1.1 土壤三相比與廣義結構指數 (GSSI) 旱作土壤理想的三相比是固相50%，液相和氣相各占25%[16]。由圖3可以看出，黑土0—10 cm土層土壤三相比最接近理想值，而10—20和20—30 cm土層三相比遠離理想值，30—70 cm各土層的三相比又優于10—30 cm各土層。淡黑鈣土30—50 cm土層的三相比優于10—30 cm各土層。從不同玉米產量水平來看，黑土高產田0—100 cm各土層土壤三相分布均接近理想值；中產田0—100 cm各土層的土壤三相比分布與理想值距離較遠，高于高產田，但明顯低于低產田。黑土低產田及淡黑鈣土高、中、低產量水平的各土層土壤三相比均相對偏離理想值。

圖 3 不同玉米產量水平0—100 cm土層土壤三相比的二維三系圖Fig.3 Two-dimensional three-system diagram of soil three phases in 0–100 cm soil depth at different yield levels of maize

中部黑土各產量水平土壤GSSI值隨著土層加深呈先降低后升高的變化趨勢 (圖4a)，高產田與中產田0—100 cm各土層土壤GSSI值間差異不顯著，對低產田而言，10—20、20—30和70—100 cm土層土壤GSSI值顯著低于0—10和30—50 cm土層；從同一土層來看，高產田與中產田0—100 cm各土層GSSI間無顯著差異，但均高于低產田，且二者50—70和70—100 cm土層土壤GSSI值與低產田相應土層的GSSI值間差異顯著。西部淡黑鈣土高產田與中產田0—100 cm各土層土壤GSSI值間差異不顯著，低產田70—100 cm土層土壤GSSI值顯著低于其他土層；高產田與中產田0—100 cm各土層GSSI值間無顯著差異，但二者均顯著高于低產田(圖 4b)。

圖 4 不同玉米產量水平0—100 cm土層廣義土壤結構指數Fig.4 Generalized soil structure index (GSSI) in 0–100 cm soil depth at different yield levels of maize

2.1.2 土壤容重和含水量 在吉林省中部黑土區和西部淡黑鈣土區，土壤容重均隨著土層加深呈先增加后降低的趨勢 (表1)。高產和中產田黑土土壤容重最大值出現在10—20和20—30 cm，低產田出現在70—100 cm土層。淡黑鈣土各產量水平10—100 cm各土層土壤容重間無顯著差異。從同一土層的土壤容重來看，黑土各產量水平0—10 cm土層土壤容重間無顯著差異，高產田10—100 cm各土層土壤容重低于甚至顯著低于低產田，而與中產田多數土層無顯著差異。各產量水平下淡黑鈣土0—100 cm各土層土壤容重間均未表現出顯著差異。

中部黑土和西部淡黑鈣土高產田和中產田土壤含水量隨著土層加深未表現出明顯的變化趨勢 (表1)，而低產田土壤含水量表現出明顯的層次性變化，黑土以20—30和30—50 cm土層土壤含水量最高，以0—10和70—100 cm土層土壤含水量最低；淡黑鈣土以 10—30、30—50 cm 土層最高，70—100 cm 土層最低。黑土區不同產量水平同一土層土壤含水量的變化整體表現為高產田 ≥ 中產田＞低產田，且部分土層高產田與低產田土壤含水量間差異顯著。在西部淡黑鈣土區，除10—20、20—30和70—100 cm土層外，其他土層土壤含水量的高低均表現為高產田＞中產田＞低產田，且高產田與低產田土壤含水量間差異顯著，高產田和中產田各土層土壤含水量間無顯著差異。

表 1 不同玉米產量水平0—100 cm土層土壤容重和含水量Table 1 Soil bulk density and water content in 0–100 cm soil depth at different yield levels of maize

2.2 土壤養分的空間分布

2.2.1 土壤有機質和全量養分含量 表2表明，吉林省中部黑土區0—100 cm土層的土壤有機質、全氮、全磷、全鉀含量較西部淡黑鈣土區分別高13.5%、11.1%、33.3%和15.7%。黑土區土壤全鉀含量在0—70 cm土層內沒有顯著變化。高產黑土0—30 cm土層全氮和全磷含量高于30 cm以下層次，中產和低產黑土0—20 cm土層全氮含量高于或顯著高于20 cm以下層次，全磷含量在0—10 cm土層顯著高于10 cm以下層次，高產土壤在0—30 cm土層的氮、磷養分含量多高于中、低產田。西部淡黑鈣土高產土壤0—30 cm土層的全氮含量高于或顯著高于30 cm以下土層，而全磷含量在0—20 cm土層高于20 cm以下層次，中、低產田全鉀含量在10 cm以下土層顯著降低。表明黑土和淡黑鈣土高產田的肥沃土壤層較中、低產田厚。

表2 不同玉米產量水平0—100 cm土層土壤全量養分含量與pH的變化Table 2 Soil organic matter, total N, P and K contents and pH in 0–100 cm soil depth at different yield levels of maize

高、中和低產黑土0—20 cm土層土壤有機質、全氮、全磷和全鉀含量多無顯著差異；高產田30 cm以下土層的全氮含量多顯著高于中、低產田；20—30 cm土層全磷含量顯著高于低產田。黑土高、中產田與低產田10 cm以下土層土壤有機質含量間多差異顯著，高、中、低產量水平淡黑鈣土0—10和10—20 cm土層有機質含量無顯著差異，但明顯高于其他土層。在20 cm以下土層中，高產淡黑鈣土土壤有機質及氮磷等全量養分仍保持較高水平，較中產田高7.59%～34.11%，較低產田高13.76%～62.23%。

從同一土層不同產量水平來看，黑土20—100 cm各土層土壤有機質含量均表現為高產田＞中產田＞低產田，除0—20 cm土層外，高產田與低產田20—100 cm各土層土壤有機質含量差異顯著，而高產田與中產田、中產田與低產田間僅有部分土層有機質含量差異顯著；各產量水平0—20 cm土層土壤全氮和全磷含量間無顯著差異，20—100 cm各土層全氮和全磷含量的高低表現為高產田 ≥ 中產田＞低產田；各土層土壤全鉀含量間無顯著差異；高產田與中產田0—10 cm土層土壤pH顯著高于低產田，其他土層均以中產田和低產田較高。淡黑鈣土不同產量水平0—100 cm各土層土壤有機質和全氮含量間均無顯著差異；高產田0—30 cm土層土壤全磷含量明顯高于中產田與低產田，不同產量水平其他各土層土壤全磷含量間差異不顯著。

2.2.2 土壤速效養分含量 吉林省中部黑土區0—100 cm土層有效磷和硝態氮含量與西部淡黑鈣土區大體持平，而速效鉀含量則較西部地區高21.4%(表3)。黑土土壤有效磷、速效鉀和硝態氮等速效養分含量總體上表現為0—20 cm較高，而下層逐漸下降；淡黑鈣土有效磷含量也表現出同樣的趨勢，速效鉀含量除表層外，其余層次間無顯著差異，硝態氮含量則在50 cm以下土層出現明顯升高趨勢，這主要是因為西部地區缺水而長期采用坐水種及生育期灌溉所造成。

表 3 玉米不同產量水平0—100 cm土層土壤速效養分含量的變化 (mg/kg)Table 3 Soil available nutrient content in 0–100 cm soil depth at different yield levels of maize

吉林省中部黑土區不同產量水平0—100 cm各土層土壤有效磷含量均隨著土層加深呈逐漸下降至平穩的趨勢，西部淡黑鈣土區亦呈現相同趨勢；中部黑土區高產田與中產田0—20 cm土層中速效鉀含量明顯高于低產田，而隨著土層的加深其差異逐漸縮小，這表明不同產量水平土壤間速效鉀含量的差異主要表現在表層；中部黑土區0—100 cm各土層土壤硝態氮含量也以高產田和中產田較高，且各土層三者間的差異較為明顯；西部淡黑鈣土區土壤硝態氮含量在50 cm以下土層出現明顯升高趨勢，高產田70—100 cm土層硝態氮累積量占0—100 cm土體總量的5.2%，而中、低產田該比例分別為22.3%和22.7%，這可能與西部地區長期灌水有關。

2.2.3 土壤養分儲量特征 圖5顯示，黑土區0—100 cm土層土壤氮和磷素儲量分別為12.3和4.8 t/hm2，與淡黑鈣土氮、磷儲量差異不明顯，黑土區0—100 cm土層土壤鉀素儲量為175.1 t/hm2，明顯高于淡黑鈣土地區，黑土區氮、磷、鉀儲量比淡黑鈣土區分別高2.4%、13.3%、43.5%，這可能是由于兩地成土母質的差異。從不同產量水平來看，黑土區高產田土壤氮儲量顯著高于低產田，中產田介于二者間，并與二者間差異均未達到顯著水平；高產田和中產田磷素儲量間無顯著差異，但均顯著高于低產田；3個產量水平鉀素儲量沒有顯著差異。淡黑鈣土區3個產量水平土壤的氮、磷、鉀素儲量間差異均不顯著。

圖 5 不同玉米產量水平下0—100 cm土層土壤養分儲量Fig.5 Soil nutrient storage in 0–100 cm soil depth at different yield levels of maize

2.2.4 不同層次土壤理化性狀與產量間相關性分析 Pearson相關性分析結果 (圖6)表明，在黑土區，玉米產量與0—20 cm土層土壤有機質、全氮、全鉀及硝態氮含量間相關性均不顯著，而與20 cm以下土層各指標呈現正相關關系；與10—70 cm土層土壤有效磷含量關系密切；與10 cm以下土層pH呈現顯著的負相關關系；與0—70 cm乃至100 cm土層土壤的GSSI、容重、含水量、速效鉀含量顯著正相關；除10—20 cm土層GSSI與其他土壤理化指標間相關不顯著外，其他土層各土壤理化指標間均呈現顯著的相關關系。表明影響黑土產量水平的因素主要為20 cm 以下土層的理化性狀。

圖 6 土壤理化性狀與產量相關性 (n=18)Fig.6 Pearson correlation of soil physicochemical properties and maize yield

在西部淡黑鈣土區，0—100 cm土層土壤GSSI與玉米產量間呈現顯著正相關關系，而土壤容重對玉米產量的積極影響主要表現在20—30 cm土層；土壤有機質、有效磷、速效鉀等養分含量與玉米產量間的密切關系主要集中于20—30 cm土層，其他土層未表現出明顯的規律性。表明淡黑鈣土產量差異主要由20—30 cm 土層理化性狀造成。

3 討論

3.1 不同生態區土壤質量特征

吉林省農田土壤具有明顯的地域性[17]，其形成主要由氣候、地形、成土母質、植被等自然因素控制，黑土主要集中分布在中部半濕潤區，成土母質主要為黃土狀堆積物，表層多屬粘壤土和壤質黏土，以細砂粒占比較大，其次為粉砂粒及粘粒，粗砂粒含量最少；而淡黑鈣土則主要分布在西部半干旱區，顏色較淺，母質為黃土狀亞砂土，表層多屬砂質粘壤土和砂質土壤，腐殖質層較薄，土壤質地較輕，通層有石灰性反應[8,18]。本研究中，中部黑土區高產田0—100 cm土層土壤固、液、氣三相的比例更為理想，西部淡黑鈣土區各產量水平土壤三相的比值均相對偏離理想值，這也是兩地區玉米產量差異較大的主要原因。此外，中部黑土區0—100 cm土壤容重平均值較西部淡黑鈣土區低1.6%～6.2%；且兩地均呈現表層0—10 cm容重較低，而下層容重較高的特征，這主要是由于東北多年采用小型動力作業造成，調查表明，東北地區有效耕層平均深度僅為15.1 cm[19]；玉米連作區耕層土壤容重在1.2 g/cm3左右時最佳，隨著土壤容重的增加，土壤緊實對作物生長的限制作用受土壤水分影響較大[20]。中部黑土區0—100 cm土壤含水量顯著高于西部淡黑鈣土區，這主要是由于兩地土壤質地及氣候條件所致。兩地區0—100 cm各土層廣義土壤結構指數 (GSSI)和土壤含水量均表現為高產田＞中產田＞低產田，表明高產田土壤具有良好的保水與儲水能力，土壤固、液、氣三相的比例更趨于合理。兩種土壤類型土壤各理化性質與玉米產量間的相關分析，也進一步說明兩區域土壤肥力對玉米產量形成的不同影響過程與機制。陳延玲等[21]在梨樹超高產田創建中也增加了滴灌技術來實現產量的進一步提升。

在土壤養分指標中，除土壤有效磷外，土壤硝態氮、速效鉀含量等速效養分以及土壤有機質、全氮、全磷、全鉀等均為中部地區高于西部，但從儲量上看，氮、磷素差異不明顯，僅鉀素儲量明顯高于西部。這主要是因為西部淡黑鈣土區原有速效鉀含量較低[22]，加之近年來吉林省中西部農戶在磷鉀肥投入量上無較大差異，均在70 kg/hm2左右[23]。此外，在中部黑土區，0—20 cm表層土壤均出現不同程度的酸化現象，尤其是低產田0—10 cm降至5.0以下，這與長期單施化肥及化肥品種單一有較大關系。賈立輝等[24]研究表明，長期單施化肥導致黑土pH 23年間下降約1.8個單位，未來實施有機培肥或優化肥料品種是阻控土壤酸化的重要技術措施[25-27]。

3.2 不同產量水平土壤質量特征

本研究中，相較于中產田和低產田，高產田土壤固相、液相和氣相比例較為理想，具有良好的保水與儲水能力，利于作物生長發育。低產田土壤較高產田和中產田相對更加緊實，不利于土壤水氣交換和作物根系的生長下扎，影響土壤物質的轉化和養分有效性，不同產量水平在0—30 cm土壤隨著土層的不斷加深容重逐漸增大，這與王寅等[23]研究結果一致。之后30—50 cm容重減小，最后又隨土層深度的增加容重逐漸增大直至平緩。高產田與中產田土壤之間在土壤有機質、全量氮磷鉀與速效氮磷鉀含量上的差異并不明顯，但低產田土壤的養分含量與儲量要遠低于前兩者。表明土壤肥力退化造成的供肥能力和作物需求不匹配是低產田的一個重要限制因子，嚴重制約了玉米產量潛力的發揮[28-29]。

在中部黑土區，30—50 cm土層中幾乎所有土壤理化性狀均與產量顯著相關，而20—30和50—70 cm土層次之，這說明深層土壤質量可能對于產量的貢獻更大，20—100 cm土層高產田土壤有機質及全量養分比中產田高7.59%～34.11%，比低產田高13.76%～62.23%。在諸多指標中，土壤物理結構仍是主要貢獻者；在西部淡黑鈣土區，則以20—30 cm土層中與產量相關的土壤理化指標較多，這表明高產田土壤肥力基礎主要表現為20 cm以下的深層全量養分，其土壤肥力的持續供應能力可能是實現高產的主要條件。

4 結論

中部黑土0—100 cm土壤有機質和氮磷鉀儲量高于西部淡黑鈣土，黑土高產田0—10 cm土壤三相比更趨近于理想值，黑土和淡黑鈣土高產田和中產田0—100 cm土層土壤含水量未表現出明顯的層次間差異，而低產田土壤含水量具有明顯的層次性變化。中部黑土區在20—30 cm有一個保水保肥層，30 cm以下土壤的理化性狀導致黑土的產量差異，其中30—50 cm對產量的影響最大。淡黑鈣土沒有明顯的保水保肥層，產量差異受20—30 cm土層理化指標的影響較大，因此，培育肥沃深厚的土層是黑土區和淡黑鈣土區提高玉米產量與維持土壤肥力的核心技術途徑。