淮北平原砂姜黑土玉米产量与土壤性质的区域分析①

熊 鹏，郭自春，李 玮，张中彬，王玥凯，周 虎，曹承富，彭新华*

(1中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；2 中国科学院大学，北京 100049；3 安徽省农业科学院作物研究所，合肥 230031)

砂姜黑土主要分布在我国安徽、河南、山东、江苏4个省份的120多个县市区，总面积达400多万公顷。其中，淮北平原70% 以上为砂姜黑土，在全国具有广泛的代表性。淮北平原地势平坦、水热资源丰富，是我国重要的粮食生产基地之一。砂姜黑土富含黏粒，黏土矿物以膨胀性2:1型蒙脱石为主，涨缩性强，干时坚硬，湿时黏闭，土壤结构性差，难耕难耙，适耕期短，以致砂姜黑土生产潜能难以充分发挥出来[1-2]。因此，发挥地域自然资源优势，有效改良砂姜黑土，充分挖掘砂姜黑土生产潜力，对维护我国的粮食安全具有非常重要的理论与现实意义。

砂姜黑土有效水容量小、供水能力差[2]，且有机质含量低，养分缺乏，水稳性团聚体含量也较低，严重阻碍了作物的正常生长[1]。土壤含水量过高时，耕作容易导致土壤压实，造成土壤板结和结构退化；而土壤含水量过低时，土壤紧实度增加，也不利于幼苗的生长[3]。有研究表明，土壤紧实度与作物根系之间存在显著的负相关关系，土壤紧实度和容重的增加会明显地降低根长密度[4]。土壤结构过于紧实不仅会延缓根系的生长速率、限制根系的伸长范围，而且导致根系主要集中在土壤表层，影响根系对水分的吸收和利用[5-6]。当土壤穿透阻力和容重分别高于1 MPa 和1.4 g/cm3时，作物根系的生长速度开始受到抑制；当土壤穿透阻力大于5 MPa 时，根系的生长几乎停止[7-8]。

近年来，由于当地小型农机具的广泛使用加之连年浅旋耕作业，致使该区域的犁底层加速上移、耕层变薄、结构紧实和作物根系分布变浅的现象日益突出，严重制约了农作物的生长和水肥利用效率[1,9]。韩上等[10]在淮北平原中部的濉溪县开展了连续3 a耕层增减模拟试验，研究发现与原始耕层相比，如果砂姜黑土耕层厚度减少5 cm，会显著降低土壤养分含量和作物养分吸收能力，甚至会导致作物平均产量下降5.61%。如何构建肥沃的耕层结构以适宜农作物的生长是砂姜黑土改良的重要任务。因此，迫切需要对淮北平原玉米产量及耕层土壤性质进行全面的调查分析，筛选出影响淮北平原砂姜黑土作物产量的关键因子，以期为淮北平原砂姜黑土区合理耕层构建和粮食丰产增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选取淮北平原怀远县(32°43′ ~ 33°19′N、116°45′ ~ 117°09′E)、蒙城县(32°56′ ~ 33°29′N、116°15′ ~ 116°49′E)和涡阳县(33°27′ ~ 33°47′N、115°53′ ~ 116°33′E)3个典型县作为调研对象，对砂姜黑土区48个样点的0 ~ 20 cm 耕层土壤性质和作物产量进行调查(图1)。怀远县、蒙城县和涡阳县属暖温带半湿润季风气候，年平均温度为14.9 ~ 16.1 ℃，年平均降水量为812 ~ 912 mm。土壤类型为河湖相石灰性沉积物发育的砂姜黑土。该区除怀远县东南部为小麦-水稻轮作外，其他地区主要为小麦-玉米轮作制。

1.2 测定指标及方法

2015—2017年玉米季收获时进行调查采样，采样深度为0 ~ 20 cm。

土壤穿透阻力：在每个样点随机选择8 ~ 10个点，利用 SC-900数显式紧实度仪(Spectrum Technologies Inc., USA)测定0 ~ 45 cm土层土壤穿透阻力，每隔2.5 cm 土层测定。SC-900土壤紧实度仪的测定单位为 kPa。为了避免所测穿透阻力数据变异较大，最后将所测几个点求平均值。

土壤基本性质[11]：土壤容重采用环刀法测定，土壤有机碳采用重铬酸钾氧化外加热法测定，全氮采用半微量凯氏定氮法测定，全磷采用硫酸-高氯酸-钼锑抗比色法测定，全钾采用硫酸-高氯酸-火焰光度计法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定。

玉米产量调查：在每个样点测10行的长度，并计算行距。选取有代表性的双行(长20 m)，记录株数和穗数，并计算亩穗数。在选定的区域内随机收获20穗作为样本带回实验室，自然风干后，人工脱粒称重，并计算产量。

1.3 数据处理

玉米产量和土壤理化性质采用 Microsoft Excel 2010和 Origin 2016进行数据分析与作图，相关性分析则在 SPSS 22.0统计软件中完成。为反映玉米产量与土壤理化性质的整体变化趋势和空间分布格局，利用 ArcGIS 软件中 Spatial Analyst 工具下的插值组件基于反距离权重法对玉米产量和0 ~ 20 cm 垂直分布的土壤理化性质进行插值分析，得到淮北平原涡阳、蒙城和怀远3个县的玉米产量与土壤理化性质空间分布图。

2 结果与分析

2.1 玉米产量

图2为淮北平原涡阳、蒙城和怀远3个县调查采样点玉米产量基本情况。涡阳县所有采样点中玉米产量介于5.28 ~ 11.7 t/hm2，平均产量为8.55 t/hm2，较怀远县增加了4%，较蒙城县增加了14%。按照区域玉米产量的平均值(8.25 t/hm2)上下浮动20% 作为高中低产田的划分阈值，即<6.6 t/hm2、6.6 ~ 9.9 t/hm2和 >9.9 t/hm2划分为低产田、中产田和高产田3个等级，其中产量<6.6 t/hm2的田块占所有采样点总数的21%，产量在6.6 ~ 9.9 t/hm2的田块占所有采样点总数的60%，产量>9.9 t/hm2的田块占所有采样点总数的19%。由此可见，目前淮北平原砂姜黑土区中低产田的比例仍然占绝大多数(81%)。

2.2 玉米产量与土壤理化性质的空间分布

从图3A中发现，玉米产量在每个县都有高值分布，如涡阳县东西部、蒙城县南部和怀远县北部，这些地区的玉米产量多在8.7 t/hm2以上，低值主要分布在蒙城县北部，玉米产量多在7 t/hm2以下(图3A)。从土壤容重的空间分布图可以看出，蒙城县北部的土壤容重最大，平均达到1.6 g/cm3以上；而涡阳县东部的土壤容重最小，平均值为1.3 g/cm3左右(图3B)。土壤有机碳的空间变化趋势则与土壤容重相反，涡阳县的土壤有机碳含量较多，介于11.3 ~ 19.6 g/kg，平均值为15.4 g/kg，较怀远县增加了28.3%，较蒙城县增加了55.9%(图3C)。土壤全氮在涡阳县和蒙城县之间的差异不大，但往东到怀远县时，全氮含量下降明显，平均值仅为0.77 g/kg(图3D)。土壤全磷则呈现出由中心(蒙城)向两侧(涡阳、怀远)逐渐减少的趋势，其中涡阳县的全磷含量要大于怀远县，其平均值分别为0.73 g/kg 和0.47 g/kg(图3E)。土壤全钾和速效钾的变化趋势相似，由西向中逐渐减少，由中向东逐渐增加，其含量表现为涡阳高于怀远，怀远高于蒙城(图3F、3I)。土壤碱解氮在涡阳县和蒙城县之间的差异不大，但往东到怀远县时，碱解氮含量上升明显，平均值达到134 mg/kg(图3G)。土壤有效磷在涡阳县含量最高，达到了29.6 mg/kg；在蒙城县的含量最低，平均值仅为8.4 mg/kg(图3H)。

将玉米产量和土壤理化性质进行综合分析，可以看出：玉米产量分布较高的区域，土壤容重普遍较小；此外，涡阳县东部玉米产量较高，同时该区有机碳、全氮、全钾、有效磷和速效钾含量也较高；蒙城县北部玉米产量较低，有机碳、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾的含量也较低，但该区土壤容重较高。

2.3 玉米产量与土壤理化性质的相关性分析

利用 SC-900紧实度仪测定了不同深度土壤的穿透阻力。结果如图4所示，不同玉米产量等级的土壤穿透阻力均随深度的增加而增大。高产田0 ~ 20 cm 土层穿透阻力介于447 ~ 923 kPa，平均值为633 kPa；中产田0 ~ 20 cm 土层穿透阻力介于276 ~ 1 356 kPa，平均值为794 kPa，较高产田增加了25%；低产田0 ~20 cm 土层穿透阻力介于635 ~ 1 584 kPa，平均值为961 kPa，较高产田增加了52%。

由表1可知，不同玉米产量等级土壤容重和有机碳差异明显(P<0.05)，其他性质之间差异不明显。低产田(产量<6.6 t/hm2)的土壤容重介于1.35 ~ 1.64 g/cm3，平均值为1.53 g/cm3；中、高产田(产量为6.6 ~ 9.9 t/hm2和>9.9 t/hm2)的土壤容重较低产田分别减少了5.9% 和9.2%。低产田的土壤有机碳含量平均值为11.1 g/kg，中、高产田有机碳含量较低产田分别增加了17.1%和30.6%。因此，土壤容重和有机碳对玉米产量具有显著影响。

表1 砂姜黑土不同玉米产量等级土壤基本性质Table 1 Basic properties of Vertisol under different maize yield levels

将土壤理化性质指标与玉米产量进行了相关性分析(表2)。结果表明，玉米产量与耕层土壤穿透阻力呈显著负相关关系(r= -0.348，P<0.05)，与耕层土壤容重呈极显著负相关关系(r= -0.484，P<0.01)，与耕层土壤有机碳呈极显著正相关关系(r= 0.421,P<0.01)。全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾等指标与玉米产量的相关性均没有达到显著水平。因此，在所测定的土壤理化性质指标中，砂姜黑土耕层土壤穿透阻力、土壤容重和有机碳含量是影响玉米产量的3个关键因子。

表2 玉米产量与土壤理化性质的相关性Table 2 Pearson correlation coefficients between maize yield and soil physicochemical properties

3 讨论

作物的生长需要适宜的土壤物理状况。土壤容重高，导致土壤紧实度大，影响根系对土壤水分、养分的吸收能力，不利于作物生长甚至会造成作物减产[12]。一般认为，土壤穿透阻力超过1 MPa 时，植物根系生长速度变得缓慢；当土壤穿透阻力超过2 MPa 时，会严重限制作物根系生长[13]。从3个县的土壤穿透阻力调查结果来看，土壤穿透阻力从表层到15 cm深度迅速增加，15 ~ 45 cm 土壤穿透阻力多数呈缓慢降低趋势；总体而言，土壤穿透阻力较大，15 ~ 45 cm土壤穿透阻力多处于1 ~ 2 MPa 之间，不利于作物根系生长，这与前人的研究结果[4]一致。造成砂姜黑土区土壤穿透阻力过大的原因可能有两个：一是砂姜黑土黏粒含量高，富含膨胀性黏土矿物，脱水时土壤收缩显著增加土壤容重，从而导致土壤强度大；另一方面是由于该区域普遍采用的是小麦季浅旋耕、玉米季免耕直播为主的耕作方式，这种连年浅旋耕作业导致耕层变浅、犁底层增厚而土壤坚硬。谢迎新等[14]的研究同样发现，在砂姜黑土小麦区，多年旋耕会导致农田耕层变薄，犁底层变厚、变硬，使得作物产量难以提高。然而，韩上等[10]发现，耕层增加5 cm 虽然能够改善土壤养分状况，如提高土壤有机质含量，但由于砂姜黑土仍然存在结构障碍，致使作物难以增产。有研究表明，当土壤容重大于1.4 g/cm3时，作物总根长、根体积和根表面积等根系性状显著减小；当土壤容重大于1.6 g/cm3时，这种影响进一步加剧[15]。通过分析玉米产量与土壤容重的空间分布可以看出，玉米产量高的区域，土壤容重较小；而玉米产量较低的区域，土壤容重则很大(图3)，这充分说明，土壤容重的增加会阻碍根系的生长，减少玉米的产量。关劼兮等[16]的研究结果也表明，土壤紧实度和容重的降低会促进作物根系生长，提高作物产量。在对3个县的调查中发现，产量<6.6 t/hm2的田块土壤容重平均值为1.53 g/cm3，其值远高于1.4 g/cm3，这将极大地增加土壤的机械阻力，致使产量下降。李汝莘等[17]发现机械压实会使耕层土壤容重超过作物的适宜范围，同时也会降低耕层土壤的入渗速率和土壤总孔隙度，将对旱地作物生长发育带来不利影响。因此，土壤容重高和穿透阻力过大是砂姜黑土结构的主要障碍因子。很多研究表明，耕层内的土壤压实可以通过合理的耕作措施来消除。深松作为一种有效的耕作方式，在一定程度上可以打破坚硬的犁底层，降低土壤容重和紧实度，提高深层土壤含水量，促进作物根系生长，进而提高作物产量[9,18]。考虑到砂姜黑土耕层浅薄、犁底层厚而硬的问题，从深松对耕层土壤物理性质的改善、作物产量提升的效果来看，砂姜黑土区适宜的深松深度为30 ~ 40 cm[9]，适宜的耕作方式为冬小麦深松–夏玉米免耕[19]和冬小麦深耕–夏玉米侧位深松[20]的方式。

土壤有机质是团粒结构形成的主要胶结物质，许多报道表明增施有机肥或者秸秆还田有利于降低土壤容重[21-22]。王擎运等[23]研究发现，小麦秸秆长期还田能有效提升土壤有机质、养分含量，但对土壤容重影响较小，而小麦、玉米秸秆双季还田能够明显降低土壤容重。此外，在土壤中添加有机物还可以缓解机械压实，增加土壤小孔隙(<6 µm)的比例，提高干旱期的保水性能，为植物和微生物的生长提供更好的土壤物理状况[24]。通过砂姜黑土32 a 长期定位不同施肥试验的结果也表明，有机肥的施用能够改善土壤结构，提高土壤质量[25]。从调查结果来看，中低产田土壤耕层有机碳含量的平均值(分别为13.0、11.1 g/kg)明显低于高产田(14.5 g/kg)，且土壤有机碳含量与土壤容重和穿透阻力呈显著负相关(P<0.01)。这充分说明，增加土壤有机碳是改善砂姜黑土结构的主要措施，这与前人研究结果一致[25]。目前，在农事活动中当地农民偏向施用化学肥料，农家肥、绿肥和商品有机肥的投入也严重不足。从3个县的施肥用量情况来看，基肥主要以复合肥为主且施用量在0.6 ~ 1.2 t/(hm2·a)不等，秸秆还田率达到了80% 左右，但是有机肥投入率不到4%。尽管有很多研究已经表明秸秆还田可以有效地增加砂姜黑土有机碳含量[26]和促进作物产量的提高，但大量的秸秆进入土壤后也会引起碳氮比失调，从而导致全量秸秆还田的效果不明显[27]。因此，可以通过添加秸秆腐解剂和配施一定量的氮肥还田，加快秸秆在土壤中的腐解和养分释放，从而提高秸秆资源的利用效率和土地生产力[22,27]。田间试验的结果表明，在淮北平原砂姜黑土地区要实现作物高产，玉米秸秆适宜的还田量为3 t/hm2[28]，但如果要实现玉米干秸秆全量粉碎还田，还需要配施氮肥0.70 t/hm2[22]。砂姜黑土长期定位试验的结果表明，相对于秸秆还田而言，施用绿色有机肥是实现土壤有机质提高的主要途径，也是实现作物持续高产的有效措施[29-30]。

4 结论

淮北平原砂姜黑土中低产田仍然占绝大多数。通过对影响淮北平原砂姜黑土玉米产量的因子进行分析，筛选出土壤容重、穿透阻力和土壤有机碳3个关键因子。其中，玉米产量与耕层土壤穿透阻力、土壤容重呈负相关，而与土壤有机碳含量呈正相关。由此可知，实现砂姜黑土粮食丰产增效不仅需要改善土壤物理结构，如降低耕层的土壤容重，让土壤穿透阻力处于适宜作物生长的范围内，而且还需要提升土壤有机质。因此，合理的耕作方式和有机培肥对于构建砂姜黑土肥沃耕层是有效的措施。