農田機械碾壓對土壤物理特性及玉米生長和產量的影響

齊紅志 余天雨 劉天學

摘要：【目的】研究實際生產中大型農業機械碾壓對土壤物理特性及玉米生長和產量的影響程度，為改善耕作措施、實現作物壯根高產和土壤的可持續生產提供依據。【方法】選取小麥—玉米兩熟制中前茬小麥收獲時節受谷物聯合收割機反復碾壓的地塊（JS處理）和常規收割未經反復碾壓地塊（CK），以玉米品種登海605（DH605）和登海3號（DH3）為試驗材料，測定并分析玉米播種前的土壤容重和含水量及玉米的農藝性狀、光合特性、干物質積累與分配、果穗性狀及產量等指標。【結果】JS處理地塊0～50 cm土層土壤容重和土壤含水量均較CK增加，其中0～10和10～20 cm土層土壤容重均顯著大于CK（P<0.05，下同），即大型農機反復碾壓對土壤容重的影響主要集中在0～20 cm耕層。耕層土壤緊實進一步造成玉米根系發根數量減少，根干質量降低，根冠發育失調，莖、葉分化受阻，單株葉片數量和莖節數量減少，葉面積指數下降，株高降低，光合速率降低，干物質積累量減少，穗粒數和百粒質量下降。2個品種比較，DH3根系生長受緊實脅迫影響較大，根層數、根條數、根干質量、根冠比較CK分別顯著減少17.9%、26.9%、45.2%和32.9%，而DH605分別下降0、14.4%、31.7%和12.7%，僅根干質量達到顯著差異;JS處理下DH605的葉面積指數和穗位葉SPAD較CK分別顯著降低36.9%和14.4%，穗位系數顯著增加，莖粗、百粒質量顯著降低;雖然DH3根系生長受緊實脅迫影響較大，JS處理下DH3的葉面積指數較CK顯著降低21.8%，但穗位葉SPAD值、穗位系數、莖粗、百粒質量則與CK差異不顯著（P>0.05），且干物質向葉片、籽粒的分配比例增加，最終減產幅度（20.8%）與DH605（24.4%）差異不大。【結論】當前生產中大型農機反復碾壓造成的耕層土壤緊實現象已十分嚴重，使免耕直播的玉米生長受到明顯抑制，產量顯著降低;不同玉米品種對土壤緊實脅迫的響應存在差異，生產中可通過深松深耕、秸稈還田、選用抗土壤緊實品種等措施消減土壤緊實對作物生長的不良影響。

關鍵詞： 機械碾壓;土壤緊實;土壤容重;玉米;生長發育;產量

中圖分類號： S513? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼： A 文章編號：2095-1191（2021）04-0951-08

Effects of mechanical compaction on soil physical properties，maize growth and yield in farmland

QI Hong-zhi1，2， YU Tian-yu2， LIU Tian-xue2*

（1Institute of Agricultural Economics and Information， Henan Academy of Agricultural Sciences， Zhengzhou? 450002，China; 2Agronomy College， Henan Agricultural University， Zhengzhou? 450046， China）

Abstract：【Objective】The effect of large-scale agricultural machinery compaction on soil physical characteristics，and the growth and yield of maize in practical production was studied to provide the basis for improving tillage measures，achieving strong roots and high yields of crops and sustainable production of soil. 【Method】Recompacted plot（JS） by grain combine harvester and conventional harvest without recompacted plot（CK） at wheat harvest time were selected in wheat-corn double cropping system，and using maize varieties Denghai 605（DH605）and Denghai 3（DH3）as materials，bulk density and water content of soil before maize sowing and agronomic traits，photosynthetic characteristics，dry matter accumulation and distribution，ear traits and yield of maize were measured. 【Result】The soil bulk density and water content in the 0-50 cm soil layer of JS treatment were both higher than that of CK，and the soil bulk density of 0-10 and 10-20 cm soil layers were significantly higher than that of CK（P<0.05，the same below）. That was to say，the effect of repeated compaction by large agricultural machinery on the soil bulk density was mainly concentrated in the 0-20 cm arable layer.Arable layer soil compaction resulted in the decrease of maize root number and root dry weight，the developmental dysplasia of root and overground parts，blocked stem and leaf differentiation，and the decrease of leaves number and internodes per plant，the decline ofleaf area index，plant height，photosynthetic rate，dry matter accumulation，the decrease of grains number per ear and 100-grain weight，ultimately led to more than 20% reduction in yield. Compared with two cultivars，the root growth of DH3 was greatly affected by compaction stress. Compared with CK，the root layer number，root number，root dry weight and root-top ratio of DH3 under JS treatment were significantly reduced by 17.9%，26.9%，45.2% and 32.9%，respectively，while DH605 were decreased by 0，14.4%，31.7% and 12.7%，respectively，and only the root dry weight was significantly different. Compared with CK，leaf area index and SPAD of ear leaf of DH605 were significantly decreased by 36.9% and 14.4%，respectively，ear coefficient was significantly increased，stem diameter and 100-grain weight were significantly decreased under JS treatment. Although DH3 root growth were greatly influenced by compaction stress，leaf area index of DH3 was 21.8% lower than CK，and the SPAD of ear leaf，ear coefficient，stem diameter，100-grain weight of DH3 under JS treatment were not significantly different with CK（P>0.05），and the proportion of dry matter allocated to leaves，and grains increased than CK under JS treatment. Eventually，the yield reduction（20.8%）was not greatly different with DH605（24.4%）. 【Conclusion】The phenomenon of surface soil compaction caused by repeated rol-ling of large farm machines in current production has been very serious，which inhibits the growth of no-tillage direct see-ding maize and significantly reduced the yield. Different maize varieties have different responses to soil compaction stress. In production，the adverse effects of soil compaction on crop growth can be reduced by deep loosening（ploughing），straw returning to the field，and selection of soil compaction resistant varieties.

Key words： mechanical compaction; soil compaction; soil bulk density; maize; growth and development; yield

Foundation item： National Key Research and Development Program of China（2018YFD0300704）

0 引言

【研究意義】隨著農業機械化水平的發展，大型農業機械的種類、數量及重量均不斷增加。農業機械可極大地提高農作效率，減輕農業從業者的勞動強度，但隨著大型配套農機具在農業生產中的推廣使用，勢必會對土壤產生反復碾壓而導致土壤負重過大，造成土壤壓實，破壞土壤環境（張興義和隋躍宇，2005a，2005b;王憲良等，2015）。土壤壓實后土壤物理結構惡化，土壤孔隙度下降，導致機耕阻力增加，土壤退化，土壤養分有效性降低（楊曉娟和李春儉，2008;周艷麗和盧秉福，2018;閆加亮和趙文智，2019），進而對作物產生不良影響。當前，收獲機、轉運機和拖拉機等大型配套農機具在作物生產中廣泛使用，田間機械作業造成的土壤緊實脅迫，已成為機械化農業生產中面臨的重要問題之一，尤其是兩熟制下免耕直播的作物所受影響更為嚴重。因此，明確生產中農業機械碾壓對土壤物理性質及作物生長和產量的影響程度，對于改善耕作措施進而實現作物高產和土壤的可持續生產均具有重要的現實意義。【前人研究進展】從20世紀50年代起，人們在使用大型機械進行土壤耕作時發現，有益的耕作通常被土壤壓實和侵蝕等副作用所抵消，土壤環境隨著機械化耕作的發展被破壞得越來越嚴重（楊曉娟和李春儉，2008）。前人針對機械壓實對土壤物理性質及作物產量的影響開展了大量研究，結果發現，機械碾壓增加土壤緊實度，土壤緊實會導致作物根系生長變慢，根長縮短，根直徑變粗，根數量減少，根質量下降，根在橫向空間有所增加，進而影響作物地上部的生長發育及產量（李毅杰等，2017;王憲良等，2017;肖芬芳等，2020）。關于土壤緊實脅迫對玉米生長的影響，李潮海和周順利（1994）、Li等（2002）研究表明，玉米地上部生長、產量和穗粒數均與土壤容重呈二次曲線關系，在土壤容重為1.2～1.3 g/cm3時，地上部葉面積、干物質質量、產量和穗粒數最大;王群（2010）、王群等（2010，2011）采用微區桶栽，研究了緊實脅迫對不同土壤類型玉米根系時空分布、活力及玉米養分吸收、分配及產量的影響，結果表明，緊實脅迫嚴重限制玉米根系生長、分布和吸收功能及產量形成，玉米根干質量、根長度、養分累積量、分配量及產量均下降;徐海等（2011）采用盆栽試驗，探討了土壤緊實度對玉米苗期生長及對鈣素吸收的影響，結果表明，根系生長因土壤緊實脅迫而受阻，根系干質量下降、活力減小，地上部分生長速度受到抑制;鄭存德等（2012）采用盆栽方法，研究了不同容重對玉米根系生長指標的影響，結果表明，玉米根系生長指標隨土壤容重增加而下降;韓成衛等（2017）采用盆栽試驗，探索了山東省褐土不同土壤容重條件下玉米生長發育和產量差異，結果表明，隨著土壤容重增加，玉米株高、莖粗、單株葉面積、總根量、植株干物質累積和籽粒產量總體呈減少趨勢，且容重越大，降幅越顯著，容重增加對根系生長的影響明顯高于地上部。綜上所述，土壤緊實度對玉米地下部和地上部生長、營養生長和生殖生長均有較大影響。【本研究切入點】以往關于玉米緊實脅迫的研究大多采用人工鎮壓模擬土壤緊實，在一定程度上會夸大或縮小作物對土壤緊實度的響應，與田間緊實土壤存在明顯差別（王群，2010），且前人研究多以同一玉米品種為研究對象，鮮有不同玉米品種對土壤緊實脅迫的響應差異分析。【擬解決的關鍵問題】選擇前茬小麥收獲時節受谷物聯合收割機反復碾壓的地塊和常規收割未經反復碾壓的地塊，對比分析實際生產中大型農業機械碾壓對土壤物理特性及后茬免耕不同玉米品種生長和產量的影響程度，為改善耕作措施、實現作物壯根高產和土壤的可持續生產提供依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗地概況與試驗材料

試驗于2018年在河南省許昌縣史莊村許昌農科種業有限公司流轉農田進行。供試土壤類型為潮土，肥力中上等，前茬作物為小麥。試驗田塊小麥季連年旋耕（深度10～15 cm），玉米季免耕播種，0～20 cm耕層養分含量為有機質11.87 g/kg、速效鉀149.19 mg/kg、有效磷12.36 mg/kg、堿解氮70.06 mg/kg。供試玉米品種為登海605（DH605）和登海3號（DH3）。

1. 2 試驗設計

試驗設農田機械碾壓處理（JS）和對照（CK）2個處理。其中，JS處理為小麥收獲時節受自走式谷物聯合收割機[中聯谷王TE90（4LZ-9BZH），自體質量6900 kg]作業時反復碾壓的地塊，面積約165 m2，分成6個小區，小區間留1 m走道，小區面積24 m2;CK為鄰近常規收割未經反復碾壓地塊，小區設置同JS處理。共4個處理，分別表示為DH605-JS、DH605-CK、DH3-JS和DH3-CK。

玉米于6月4日播種，每個品種種植3個小區（即3個重復），隨機排列。播種方式為人工點播，60 cm等行距種植，留苗密度60000株/ha。拔節期開溝條施氮磷鉀復合肥（28-6-6）750 kg/ha，第12片葉展期開溝追施尿素225 kg/ha，其他管理同一般大田。

1. 3 測定項目及方法

1. 3. 1 土壤容重和土壤含水量 玉米播種前每小區隨機取3點測定JS處理與CK的0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土層的土壤容重及含水量。

1. 3. 2 根系性狀 完熟期每小區取具有代表性的3株玉米測定根條數、根層數、根干質量和根冠比。

1. 3. 3 葉片性狀及光合參數 抽雄吐絲期每小區選取具有代表性的3株玉米調查綠葉數量，測定葉面積并計算葉面積指數（LAI），用手持式葉綠素測定儀（Chlorophyll meter SPAD-502 Plus）測定穗位葉SPAD值;并選擇晴天于9：00—11：00采用Li-6400光合儀（美國，Li-Cor公司）測定穗位葉的光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導度和蒸騰速率等光合參數。

1. 3. 4 莖稈相關性狀 抽雄吐絲期每小區取具有代表性的3株玉米測量株高和穗位高，計算穗位系數，并用游標卡尺測量植株地上部近地面第3節間扁平向莖粗。

1. 3. 5 干物質積累與分配 完熟期每小區取具有代表性的玉米植株3株，將其分為根、莖稈、葉、雄穗、苞葉、穗軸和籽粒，于105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒質量，稱干質量。

1. 3. 6 果穗性狀及產量 成熟后，每小區取中間行除去兩端各3株連續收取10個果穗測定穗長、穗粗、穗軸粗、禿尖長、穗行數、行粒數、穗質量、籽粒質量及含水量等指標，并折算14%含水量的籽粒產量。

1. 4 統計分析

采用Excel 2010和SPSS 18.0對試驗數據進行整理和統計分析。

2 結果與分析

2. 1 農田機械碾壓對不同土層土壤容重及含水量的影響

由表1可知，供試地塊的土壤容重均達1.50 g/cm3以上，大型農機反復碾壓造成田塊土壤容重增加。其中，2個品種JS處理0～10和10～20 cm土層土壤容重均顯著大于其CK（P<0.05，下同），而20～50 cm土層土壤容重在JS處理和CK間差異不顯著（P>0.05，下同）。可見，大型農機反復碾壓對土壤容重的影響主要集中在0～20 cm土層的耕層土壤。

由表2可知，2個品種受大型農機反復碾壓的JS處理土壤0～50 cm土層含水量均高于其CK，其中，0～10和40～50 cm土層含水量差異均達顯著水平;除DH3-CK處理外，其他處理土壤均表現為0～30 cm土層含水量小于30～50 cm土層含水量，均以40～50 cm土層含水量最高。

2. 2 農田機械碾壓對玉米根系生長的影響

由圖1和圖2可看出，耕層土壤緊實不利于玉米根系生長，與CK相比，2個品種JS處理玉米根層數、根條數、根干質量和根冠比整體呈下降趨勢。其中，DH3品種受緊實脅迫影響較大，DH3-JS處理較DH3-CK處理分別顯著減少17.9%、26.9%、45.2%和32.9%;DH605-JS處理較DH605-CK處理分別下降0、14.4%、31.7%和12.7%，其中根層數、根條數和根冠比差異不顯著，僅根干質量顯著降低。

2. 3 農田機械碾壓對玉米葉片生長的影響

2. 3. 1 葉片農藝性狀 由圖3可看出，耕層土壤緊實不利于玉米葉片的生長，與CK相比，JS處理的玉米綠葉數量、LAI和穗位葉SPAD值均減少。其中，DH605-JS處理綠葉數量、LAI和SPAD值分別較DH605-CK處理顯著減少11.6%、36.9%和14.4%;DH3-JS處理綠葉數量和LAI分別較DH3-CK處理顯著減少12.9%和21.8%，而穗位葉SPAD值差異不顯著。由于玉米第1～5（6）葉在胚中形成，其余葉片在苗期形成，可見，耕層土壤緊實會對玉米苗期葉的分化和發育生長產生較大影響。此外，葉片SPAD值減少提示葉片中葉綠素含量下降，葉片光合效率會隨之下降，不利于光合物質生產。

2. 3. 2 穗位葉光合特性 從表3可看出，耕層土壤緊實影響玉米穗位葉的光合特性，與CK相比，JS處理玉米穗位葉光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均下降，胞間CO2濃度上升。其中，2個品種的光合速率和胞間CO2濃度均與其CK差異不顯著;DH605-JS處理氣孔導度與DH605-CK處理差異不顯著，而DH3-JS處理氣孔導度較DH3-CK處理顯著降低16.2%;DH605-JS和DH3-JS處理蒸騰速率較其CK分別顯著降低17.9%和16.1%。

2. 4 農田機械碾壓對玉米莖稈生長的影響

由表4可見，耕層土壤緊實對玉米莖稈生長具有明顯影響，DH605-JS和DH3-JS處理的株高較DH605-CK和DH3-CK分別顯著降低26.4%和23.8%;DH605-JS處理基部第3節間莖粗較DH605-CK處理顯著減少21.0%，而DH3-JS與DH3-CK處理的莖粗差異不顯著;2個品種穗位高表現不一致，JS處理導致DH3的穗位高顯著降低，而DH605的穗位高顯著增加;DH3-JS與DH3-CK處理的穗位系數無明顯差異，而DH605-JS處理的穗位系數較DH605-CK處理顯著增加63.4%。由于玉米地上部莖稈的節和節間均是在苗期分化形成，且每個節上著生1片葉，葉片數的減少和節的減少是同步的，所以莖節數量的減少可能是土壤緊實導致玉米株高降低的原因之一。

2. 5 農田機械碾壓對玉米干物質積累與分配的影響

由表5可見，耕層土壤緊實對玉米根、莖、葉生長的負面效應最終造成植株干物質積累減少，JS處理下DH605和DH3的總干質量較其CK分別減少22.2%和14.9%。與CK相比，JS處理下2個玉米品種莖稈、葉片和苞葉的干物質積累量均下降，但差異未達顯著水平;根和籽粒的干物質積累量較CK明顯減少，其中，DH605-JS和DH3-JS處理的根干物質積累量較其CK分別降低31.7%和45.2%，籽粒干物質積累量分別降低25.3%和13.9%。

從干物質在各器官上的分配來看，土壤緊實處理下各器官干物質分配總格局無太大變化，2個品種根干物質分配比例均降低，莖稈、雄穗、苞葉和穗軸干物質分配比例均增加，僅在葉片和籽粒干物質分配比例變化上呈現差異，JS處理造成DH605向葉片和籽粒分配的干物質比例減少，而引起DH3向葉片和籽粒分配的干物質比例增加。

2. 6 農田機械碾壓對玉米果穗生長及產量的影響

耕層土壤緊實同樣影響著玉米果穗及籽粒的生長。由表6可知，耕層土壤緊實對DH3和DH605的穗行數和禿尖長無顯著影響，DH605-JS處理的行粒數、穗粒數、穗粗和穗軸粗均較DH605-CK減少但差異不顯著，而穗長、百粒質量、單穗籽粒質量均顯著減少，最終折合14%子粒標準含水量的產量較DH605-CK顯著減少24.4%;DH3-JS處理的穗粗和百粒質量與DH3-CK差異不顯著，而行粒數、穗粒數、穗長、穗軸粗和單穗籽粒質量較DH3-CK處理均顯著減少，最終折合14%子粒標準含水量的產量較DH3-CK處理顯著減少20.8%。

3 討論

本研究結果表明，受大型農機反復碾壓處理的地塊0～50 cm土層土壤容重和土壤含水量均較CK增加，其中0～10和10～20 cm土層土壤容重顯著大于CK，20～50 cm土層土壤容重與CK差異不顯著，即大型農機碾壓主要影響0～20 cm耕層土壤容重。此外，在本研究兩熟制免耕直播條件下，未經大型農機反復碾壓的地塊0～10和10～20 cm土層土壤容重分別達1.52～1.53和1.55～1.56 g/cm3，20～30和30～40 cm土層土壤容重分別達1.61～1.62和1.64～1.68 g/cm3，明顯高于前人研究的玉米生長的適宜土壤容重范圍（1.2～1.3 g/cm3）（李潮海和周順利，1994），這可能是由于該試驗地塊小麥季連年僅進行旋耕，且玉米季免耕播種，多年未進行深翻深耕所致。可見，兩熟制免耕直播條件下，土壤緊實脅迫程度十分嚴重，已成為機械化農業生產中面臨的重要問題之一。這與近幾年在實際生產過程中發現的土壤緊實脅迫現象愈加嚴重的現象相互印證。前人研究表明，當20～40 cm土壤容重超過1.4 g/cm3時，玉米的葉片光合速率和產量受到明顯抑制，容重為1.6 g/cm3的土壤不僅使玉米根系生長受到嚴重抑制且極大降低了根系活力，當容重為1.6 g/cm3的土層超過20 cm時根系不能穿透土層（李潮海等，2005）。本研究結果中，雖然未經大型農機反復碾壓的地塊0～20 cm土層土壤容重均在1.5 g/cm3以上，2個玉米品種的產量仍能達11921.76～11789.04 kg/ha，可能是近年來選育的玉米品種具有更強的環境適應能力（岳龍凱，2019）。

本研究結果表明，盡管土壤機械壓實抑制了土壤水分蒸發，提高了土壤含水量，但由于土壤容重增加，對玉米生長及籽粒產量形成產生了不利影響，主要表現為根系生長受阻，發根數量減少，根干質量降低，甚至造成根冠發育失調;莖、葉分化受阻，單株葉片數量和莖節數量減少，從而造成葉面積減少，群體葉面積指數下降，光合速率降低，株高降低，莖、葉干物質積累量減少。耕層土壤緊實對玉米雄穗生長無明顯影響，但對雌穗的生長尤其是子粒的生長發育影響很大，造成穗粒數減少，百粒質量下降，減產較為嚴重。

土壤緊實造成容重升高，導致土壤理化性質和土壤微生物數量及結構改變，造成作物根系下扎困難，生長受阻，最終使產量降低（李孟霞等，2019），但根系同時具有可塑性，同一作物不同品種的根系對土壤緊實脅迫的反應也存在差異。劉曉等（2020）篩選出10個具有耐壓實而不減產潛力大豆品種，這些品種地上部生物性狀表現為植株矮化，莖粗加大，主莖節數和地上部生物量不減，地下部根系表現為根系最大寬度、根面積、水平生長空間增加，或側根數、根尖數增加，說明根系通過針對性的自我調控來適應壓實環境，滿足逆境下對土壤水肥氣的有效吸收，從而維持地下部和地上部的生物量，保障作物的穩產，而玉米較大豆對土壤壓實更敏感（岳龍凱，2019）。本研究中，DH3根系生長受緊實脅迫影響較大，根層數、根條數、根干質量和根冠比較CK分別顯著減少17.9%、26.9%、45.2%和32.9%，而DH605則分別下降0、14.4%、31.7%和12.7%，僅根干質量達顯著差異。可見，不同玉米品種根系特性對土壤緊實脅迫的響應具有一定差異。今后可在玉米生產中開展耐壓實而不減產品種選育，作為應對土壤緊實脅迫的一種有效方法。此外，本研究還發現，土壤緊實脅迫下，不同玉米品種地上部生長狀況及干物質分配存在差異。與CK相比，緊實處理下DH605的LAI和穗位葉SPAD值分別顯著降低36.9%和14.4%，穗位系數顯著增加，而莖粗和百粒質量顯著降低;雖然DH3根系生長受緊實脅迫影響較大，緊實處理下DH3的LAI較CK顯著降低21.8%，但穗位葉SPAD值、穗位系數、莖粗和百粒質量與CK差異不顯著，且干物質向葉片和籽粒的分配比例增加，最終其減產幅度（20.8%）與DH605（24.4%）差異不大。

構建合理耕層結構是提高肥料利用率和促進作物良好生長的基礎。本研究中，試驗地因小麥收割機反復碾壓造成的耕層土壤緊實已十分嚴重，導致免耕直播的玉米生長發育不良和產量降低。隨著農業機械化的普及，大型農機操作對農田的反復碾壓不可避免，尤其是在土壤含水量較高的情況下，這種碾壓造成的耕層土壤緊實更為嚴重，從而對免耕播種的下茬作物生長產生不利影響。因此，土壤緊實脅迫對農作物產量的威脅已不可忽視。實際生產中對于農機碾壓較嚴重的地塊，建議在下茬作物播種前對土壤進行適當翻耕或深松作業后方可播種（周艷麗，2019;聶勝委等，2021），此外還可從施用調理（節）劑（劉慧軍等，2013）、秸稈覆蓋與秸稈還田（田育天等，2019）、優化種植模式（田育天等，2019）、改進農機具（丁肇等，2020）、選用抗土壤緊實作物品種（劉曉等，2020;孫學武等，2020）等方面消減土壤緊實對作物生長的不良影響，以實現土壤的健康和可持續發展。

4 結論

當前生產中大型農機反復碾壓造成的耕層土壤緊實現象已十分嚴重，使免耕直播的玉米生長受到明顯抑制，產量顯著降低;不同玉米品種對土壤緊實脅迫的響應具有一定差異，生產中可通過深松深耕、秸稈還田、選用抗土壤緊實品種等消減土壤緊實對作物生長的不良影響。

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（責任編輯 王 暉）