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摘要：黄淮海平原由于连年旋耕导致犁底层加厚上移、耕层变浅、耕层生产能力下降，针对该问题，本试验于山东省德州市黄河涯村设置耕层厚度15 cm（RT15）、耕层厚度20 cm（DL20）、耕层厚度25 cm（DL25）、耕层厚度40 cm（DL40）4个处理，研究大田条件下耕层厚度对冬小麦农艺性状及产量的影响。结果表明：适当破除犁底层增加耕层厚度，小麦基本苗、单位面积穗数、株高、净光合速率、产量均随耕层厚度的增加而呈增加趋势；DL25处理各指标达到最大，其小麦产量较DL40、DL20、RT15分别提高16.3%、10.1%、22.5%；但将耕层厚度增加到40 cm，即完全破除犁底层后，并不利于产量等指标的进一步提升，甚至有小幅降低。因此，在目前黄淮海平原农田耕作方式、耕层结构条件下，耕层变浅、犁底层加厚上移阻碍小麦生长，将犁底层破除10 cm、使耕层厚度增至25 cm，更有利于小麦产量的提高。
关键词：冬小麦；耕层厚度；犁底层；产量；黄淮海平原
中图分类号：S512.1+10.1 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2018）08-0054-04
Effects of Topsoil Thickness on Agronomic
Traits and Yield of Winter Wheat
Gao Jiansheng， Dong Guohao， Guo Jianjun， Guo Lianghai， Guo Zhihui， Cui Huini
（Dezhou Academy of Agricultural Sciences， Dezhou 253015， China）
Abstract Annual rotary tillage has created a compacted plow pan and shallow arable layer which hampers the high crop yield in the Huang-Huai-Hai plain region. In order to explore the effects of breaking plow pan by different degrees on agronomic traits and yield of winter wheat， the field experiments were conducted in Dezhou City of Shandong Province during 2014. Four topsoil treatments were conducted including the original thickness （RT15）， 20 cm of thickness， 25 cm of thickness， and 40 cm of thickness. The results showed that the basic seedling number， spike number per unit area， plant height， net photosynthetic rate and yield of winter wheat increased with the increase of topsoil thickness. All the above indexes of DL25 were the highest and its yield increased by 16.3%， 10.1%， 22.5% compared with DL40， DL20 and RT15 respectively. But the indexes mentioned above decreased slightly when breaking the plow pan thoroughly. In summary， the original topsoil thickness hindered the crop growth under the present situation of the cultivated layer structure in the Northern Region of the Huang-Huai-Hai Plain. Comprehensively considering the economic benefits and environmental benefits， increasing the topsoil thickness to 25 cm by breaking 10 cm of plow pan is more benefit for increasing the winter wheat yield.
Keywords Winter wheat； Topsoil thickness； Plow pan； Yield； The Huang-Huai-Hai Plain
黃淮海平原是中国重要的粮食主产区，对保障国家粮食安全具有举足轻重的作用[1]。其北部地区水资源不足问题十分突出[2-4]，耕地以旋耕作业为主。与犁耕和耙耕相比，旋耕作业具有碎土性能好、适应性强、作业效率高的优点[5]，但长期以旋代耕、以耙代耕也造成一定弊端，即：现行旋耕深度只有15 cm左右，比过去机耕浅8～10 cm，造成耕层变浅[6]，且连年旋耕中的犁刀挤压作用使土壤在耕作层与心土层之间形成了一层坚硬、封闭的犁底层[7-10]。对耕作土壤来说，具有适当厚度的犁底层对保持养分、贮存水分、促进作物生长是非常有益的，但犁底层过厚、坚实，不仅阻碍作物根系下扎、造成作物根系分布浅层化，同时阻碍了耕作层与心土层之间水、肥、气、热的连通性，对作物生长、物质的转移和能量的传递非常不利[11-13]。最新研究发现在现行以旋耕为主的耕作模式下，黄淮海北部地区农田犁底层普遍存在，主要分布在15～30 cm之间，平均厚度为15 cm[14]。 深松深度超过犁底层或土壤自然形成的硬土层分布深，能够疏松土壤、加厚耕层、提高土壤孔隙度、改善土壤团粒结构、增强水分的入渗能力，进而促进植物根系生长发育、提高作物产量[15-19]。构建合理耕层结构是改善土壤结构、提高土壤蓄水能力和作物水分利用效率的重要途径，而解决犁底层的问题是构建合理耕层所要面对的首要问题之一，但目前关于犁底层的合理改良方式，尚未形成统一观点。因此系统研究不同耕层结构对作物生长的影响，合理优化和改良耕层结构，创造有利于作物生长发育和作物持续高产稳产的土壤环境，是当前以及今后农业生产的重大技术需求，对于我国大幅度提升耕地质量和综合生产能力、实现粮食持续稳产增产具有重要意义。因此本团队采用定位观测试验，通过设置不同耕层厚度处理，对比研究不同耕层厚度对冬小麦农艺性状及产量的影响，以期为黄淮海平原构建合理耕层提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验点概况
试验设在山东省德州市黄河涯村（116°19′46.33″E， 37°20′44.53″N）。该地为黄淮海平原，属暖温带大陆性季风气候，多年平均气温14.9℃，年降水量504.9 mm，降水主要分布在6—8月。水源充沛，以黄河水灌溉为主。耕作制度为一年两熟：冬小麦—夏玉米轮作。试验点以壤质潮土为主。耕作方式为旋耕，于每年夏玉米收获后进行，耕层、犁底层厚度均为15 cm左右。
在试验地块选取5个样点，采集0～20 cm基础土样混合后风干、磨碎过筛，按照常规方法测定pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾等指标。试验点基础肥力与pH值见表1。
1.2 试验处理与管理
根据黄淮海平原耕层结构调研结果及试验点耕层结构特点（耕层厚度15 cm，犁底层厚度15 cm）[14]，设置4个耕层厚度处理，分别为：
RT15：耕层厚度15 cm（犁底层不破除），即每年麦播前旋耕15 cm，形成耕层、犁底层均为15 cm及下部心土层的耕层构造。该构造为当地传统耕作方式下形成，为本试验对照。
DL20：耕层厚度20 cm（犁底层破除5 cm），即麦播前深松20 cm，同时配套旋耕15 cm，形成耕层20 cm、犁底层10 cm及下部心土层构造。
DL25：耕层厚度25 cm（犁底层破除10 cm），即麦播前深松25 cm，同时配套旋耕15 cm，形成耕层25 cm、犁底层5 cm及下部心土层的耕层构造。
DL40：耕层厚度40 cm（犁底层完全破除），即麦播前深松40 cm，犁底层完全破除，形成全虚耕层构造，同时配套旋耕15 cm。
试验采用随机区组设计，重复3次。小区面积15 m×12 m=180 m2。为提升深松效果，采用深松机往返作业，深松间距10～15 cm。各处理均于2014年10月21日小麦播种前耕作，10月23日播种，次年6月7日收获。供试麦种为济麦22，行距20 cm。
冬小麦采用当地常规管理，施N 210 kg/hm2、P2O5 150 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2，其中43%氮肥和全部磷钾肥作基肥施入，其余氮肥在拔节期结合灌溉施入大田。试验期内用水表记录灌溉量，单次灌溉量为60 mm，于2014年10月24日和2015年3月21日灌水两次。其它田间管理措施均一致。
1.3 指标测定
1.3.1 群体动态调查 生育期内每小区于11月14日、12月16日及次年4月28日分别定点调查冬小麦基本苗、冬前最大分蘖、有效分蘖。
1.3.2 株高测定 开花后每小区选取代表性植株，测量株高。
1.3.3 净光合速率测定 开花期选择晴朗无风天气于9∶00—11∶00采用Li-6400A光合仪（Li-Cor，美国）进行光合参数测定。采用红蓝光源叶室测定，设定光量子度（PAR）为1 200 μmol/（m2·s），样本室内气流速度（flow）为500 μmol/s，叶室温度为30℃。每小区选取10株长势一致小麦植株的旗叶测定光合指标，每片叶读数5次，取10株小麦光合数据的平均值。
1.3.4 测产及考种 每小区取6.67 m2测产，同时选取代表性样穗风干考种，记录穗粒数、千粒重，测定水分含量。
1.4 数据处理
采用Microsoft Excel 2007进行数据处理。采用SPSS 20.0软件进行方差分析。
2 结果与分析
2.1 耕层厚度对小麦群体动态的影响
由表2看出，各处理小麦基本苗与对照（RT15）之间并无显著差异；而在单位面积最大分蘖和穗数上出现差异，DL40、DL25、DL20处理的最大分蘖与对照差异显著，但它们之间无显著差异；DL40、DL25处理与DL20、RT15之间的单位面积穗数差异显著，DL40与DL25分别较对照提高35.3%、37.7%，但两者间无显著差异。
2.2 耕层厚度对小麦株高的影响
由图1看出，株高受耕层厚度影响显著，且随耕层厚度的增加呈先增加后减小趋势。DL25处理小麦植株最高，其次是DL20与DL40处理，分别较对照（RT15）提高11.3%、9.4%、7.5%。
2.3 耕層厚度对冬小麦净光合速率的影响
从图2可以看出，DL25处理与DL40处理小麦净光合速率显著高于DL20与RT15处理，分别较对照（RT15）提高16.9%、15.1%；但DL40与DL25、DL20与RT15之间并无显著差异。
2.4 耕层厚度对冬小麦产量及产量构成因素的影响
如表3所示，DL25处理的单位面积穗数、穗粒数、产量最大，对照组（RT15）最小。单位面积穗数，DL40、DL25处理与DL20、RT15之间差异显著，但前两者间差异不显著。穗粒数DL40、DL25、DL20处理间差异不显著，但均与RT15差异显著。各处理间千粒重无显著差异。DL40、DL25、DL20处理间单产差异不显著，但均与RT15差异显著，各处理产量表现为DL25>DL20>DL40>RT15，DL25、DL20、DL40处理分别较对照增产22.5%、11.3%、5.4%，DL25分别较DL40、DL20提高16.3%、10.1%。 因此从产量角度看，增加耕层厚度均能显著提高小麦产量，其中以耕层厚度为25 cm（DL25，犁底层破除10 cm）产量最高。
3 讨论与结论
在现行以旋耕为主的耕地模式下，黄淮海北部地区农田普遍存在犁底层，主要分布在15～30 cm之间。犁底层容重和穿透阻力远大于耕层及心土层，其平均容重约为1.54 g/cm3；过厚的犁底层阻碍了作物根系的下扎，造成作物根系分布浅层化，易造成作物水分胁迫，同时不利于根系吸收深层养分[14]。本研究中，通过适度破除犁底层，使耕层厚度加深，结果显示：小麦基本苗、单位面积穗数、株高、净光合速率、产量均随耕层厚度的增加而呈增加趋势，均以DL25处理各指标达到最大；DL25处理产量较DL40、DL20、RT15处理分别提高16.3%、10.1%、22.5%。这是由于适度破除犁底层后，促进了水分充分入渗和贮存，营造出对作物更有利的水、肥、气、热环境条件，有助于叶绿素的合成、根系生长，进而促进小麦植株的生长发育，最终增产[20，21]。前人研究亦发现，深松耕作破除犁底层能够显著提高作物产量，但本研究发现小麦产量并不是随着犁底层破除程度的增大而一直增加，完全破除犁底层并不利于作物产量等指标的进一步提升，甚至有小幅降低。这可能是完全破除犁底层后形成的全虚耕层构造，使得水分、养分下渗流失严重，因此保留部分犁底层更有利于水分、养分的蓄积，同时又不影响土体与外部环境的气、热交换，为小麦的生长提供良好的水、肥、气、热条件。
综上，目前黄淮海平原农田耕作方式、耕层结构，阻碍了作物的生长，将犁底层破除10 cm，使耕层厚度增加到25 cm更有利于小麦产量的提高。
参 考 文 献：
[1]
王一杰，邸菲，辛岭. 我国粮食主产区粮食生产现状、存在问题及政策建议[J]. 农业现代化研究，2018，39（1）：37-47.
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关键词：冬小麦；耕层厚度；犁底层；产量；黄淮海平原
中图分类号：S512.1+10.1 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2018）08-0054-04
Effects of Topsoil Thickness on Agronomic
Traits and Yield of Winter Wheat
Gao Jiansheng， Dong Guohao， Guo Jianjun， Guo Lianghai， Guo Zhihui， Cui Huini
（Dezhou Academy of Agricultural Sciences， Dezhou 253015， China）
Abstract Annual rotary tillage has created a compacted plow pan and shallow arable layer which hampers the high crop yield in the Huang-Huai-Hai plain region. In order to explore the effects of breaking plow pan by different degrees on agronomic traits and yield of winter wheat， the field experiments were conducted in Dezhou City of Shandong Province during 2014. Four topsoil treatments were conducted including the original thickness （RT15）， 20 cm of thickness， 25 cm of thickness， and 40 cm of thickness. The results showed that the basic seedling number， spike number per unit area， plant height， net photosynthetic rate and yield of winter wheat increased with the increase of topsoil thickness. All the above indexes of DL25 were the highest and its yield increased by 16.3%， 10.1%， 22.5% compared with DL40， DL20 and RT15 respectively. But the indexes mentioned above decreased slightly when breaking the plow pan thoroughly. In summary， the original topsoil thickness hindered the crop growth under the present situation of the cultivated layer structure in the Northern Region of the Huang-Huai-Hai Plain. Comprehensively considering the economic benefits and environmental benefits， increasing the topsoil thickness to 25 cm by breaking 10 cm of plow pan is more benefit for increasing the winter wheat yield.
Keywords Winter wheat； Topsoil thickness； Plow pan； Yield； The Huang-Huai-Hai Plain
黃淮海平原是中国重要的粮食主产区，对保障国家粮食安全具有举足轻重的作用[1]。其北部地区水资源不足问题十分突出[2-4]，耕地以旋耕作业为主。与犁耕和耙耕相比，旋耕作业具有碎土性能好、适应性强、作业效率高的优点[5]，但长期以旋代耕、以耙代耕也造成一定弊端，即：现行旋耕深度只有15 cm左右，比过去机耕浅8～10 cm，造成耕层变浅[6]，且连年旋耕中的犁刀挤压作用使土壤在耕作层与心土层之间形成了一层坚硬、封闭的犁底层[7-10]。对耕作土壤来说，具有适当厚度的犁底层对保持养分、贮存水分、促进作物生长是非常有益的，但犁底层过厚、坚实，不仅阻碍作物根系下扎、造成作物根系分布浅层化，同时阻碍了耕作层与心土层之间水、肥、气、热的连通性，对作物生长、物质的转移和能量的传递非常不利[11-13]。最新研究发现在现行以旋耕为主的耕作模式下，黄淮海北部地区农田犁底层普遍存在，主要分布在15～30 cm之间，平均厚度为15 cm[14]。 深松深度超过犁底层或土壤自然形成的硬土层分布深，能够疏松土壤、加厚耕层、提高土壤孔隙度、改善土壤团粒结构、增强水分的入渗能力，进而促进植物根系生长发育、提高作物产量[15-19]。构建合理耕层结构是改善土壤结构、提高土壤蓄水能力和作物水分利用效率的重要途径，而解决犁底层的问题是构建合理耕层所要面对的首要问题之一，但目前关于犁底层的合理改良方式，尚未形成统一观点。因此系统研究不同耕层结构对作物生长的影响，合理优化和改良耕层结构，创造有利于作物生长发育和作物持续高产稳产的土壤环境，是当前以及今后农业生产的重大技术需求，对于我国大幅度提升耕地质量和综合生产能力、实现粮食持续稳产增产具有重要意义。因此本团队采用定位观测试验，通过设置不同耕层厚度处理，对比研究不同耕层厚度对冬小麦农艺性状及产量的影响，以期为黄淮海平原构建合理耕层提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验点概况
试验设在山东省德州市黄河涯村（116°19′46.33″E， 37°20′44.53″N）。该地为黄淮海平原，属暖温带大陆性季风气候，多年平均气温14.9℃，年降水量504.9 mm，降水主要分布在6—8月。水源充沛，以黄河水灌溉为主。耕作制度为一年两熟：冬小麦—夏玉米轮作。试验点以壤质潮土为主。耕作方式为旋耕，于每年夏玉米收获后进行，耕层、犁底层厚度均为15 cm左右。
在试验地块选取5个样点，采集0～20 cm基础土样混合后风干、磨碎过筛，按照常规方法测定pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、有效磷、速效钾等指标。试验点基础肥力与pH值见表1。
1.2 试验处理与管理
根据黄淮海平原耕层结构调研结果及试验点耕层结构特点（耕层厚度15 cm，犁底层厚度15 cm）[14]，设置4个耕层厚度处理，分别为：
RT15：耕层厚度15 cm（犁底层不破除），即每年麦播前旋耕15 cm，形成耕层、犁底层均为15 cm及下部心土层的耕层构造。该构造为当地传统耕作方式下形成，为本试验对照。
DL20：耕层厚度20 cm（犁底层破除5 cm），即麦播前深松20 cm，同时配套旋耕15 cm，形成耕层20 cm、犁底层10 cm及下部心土层构造。
DL25：耕层厚度25 cm（犁底层破除10 cm），即麦播前深松25 cm，同时配套旋耕15 cm，形成耕层25 cm、犁底层5 cm及下部心土层的耕层构造。
DL40：耕层厚度40 cm（犁底层完全破除），即麦播前深松40 cm，犁底层完全破除，形成全虚耕层构造，同时配套旋耕15 cm。
试验采用随机区组设计，重复3次。小区面积15 m×12 m=180 m2。为提升深松效果，采用深松机往返作业，深松间距10～15 cm。各处理均于2014年10月21日小麦播种前耕作，10月23日播种，次年6月7日收获。供试麦种为济麦22，行距20 cm。
冬小麦采用当地常规管理，施N 210 kg/hm2、P2O5 150 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2，其中43%氮肥和全部磷钾肥作基肥施入，其余氮肥在拔节期结合灌溉施入大田。试验期内用水表记录灌溉量，单次灌溉量为60 mm，于2014年10月24日和2015年3月21日灌水两次。其它田间管理措施均一致。
1.3 指标测定
1.3.1 群体动态调查 生育期内每小区于11月14日、12月16日及次年4月28日分别定点调查冬小麦基本苗、冬前最大分蘖、有效分蘖。
1.3.2 株高测定 开花后每小区选取代表性植株，测量株高。
1.3.3 净光合速率测定 开花期选择晴朗无风天气于9∶00—11∶00采用Li-6400A光合仪（Li-Cor，美国）进行光合参数测定。采用红蓝光源叶室测定，设定光量子度（PAR）为1 200 μmol/（m2·s），样本室内气流速度（flow）为500 μmol/s，叶室温度为30℃。每小区选取10株长势一致小麦植株的旗叶测定光合指标，每片叶读数5次，取10株小麦光合数据的平均值。
1.3.4 测产及考种 每小区取6.67 m2测产，同时选取代表性样穗风干考种，记录穗粒数、千粒重，测定水分含量。
1.4 数据处理
采用Microsoft Excel 2007进行数据处理。采用SPSS 20.0软件进行方差分析。
2 结果与分析
2.1 耕层厚度对小麦群体动态的影响
由表2看出，各处理小麦基本苗与对照（RT15）之间并无显著差异；而在单位面积最大分蘖和穗数上出现差异，DL40、DL25、DL20处理的最大分蘖与对照差异显著，但它们之间无显著差异；DL40、DL25处理与DL20、RT15之间的单位面积穗数差异显著，DL40与DL25分别较对照提高35.3%、37.7%，但两者间无显著差异。
2.2 耕层厚度对小麦株高的影响
由图1看出，株高受耕层厚度影响显著，且随耕层厚度的增加呈先增加后减小趋势。DL25处理小麦植株最高，其次是DL20与DL40处理，分别较对照（RT15）提高11.3%、9.4%、7.5%。
2.3 耕層厚度对冬小麦净光合速率的影响
从图2可以看出，DL25处理与DL40处理小麦净光合速率显著高于DL20与RT15处理，分别较对照（RT15）提高16.9%、15.1%；但DL40与DL25、DL20与RT15之间并无显著差异。
2.4 耕层厚度对冬小麦产量及产量构成因素的影响
如表3所示，DL25处理的单位面积穗数、穗粒数、产量最大，对照组（RT15）最小。单位面积穗数，DL40、DL25处理与DL20、RT15之间差异显著，但前两者间差异不显著。穗粒数DL40、DL25、DL20处理间差异不显著，但均与RT15差异显著。各处理间千粒重无显著差异。DL40、DL25、DL20处理间单产差异不显著，但均与RT15差异显著，各处理产量表现为DL25>DL20>DL40>RT15，DL25、DL20、DL40处理分别较对照增产22.5%、11.3%、5.4%，DL25分别较DL40、DL20提高16.3%、10.1%。 因此从产量角度看，增加耕层厚度均能显著提高小麦产量，其中以耕层厚度为25 cm（DL25，犁底层破除10 cm）产量最高。
3 讨论与结论
在现行以旋耕为主的耕地模式下，黄淮海北部地区农田普遍存在犁底层，主要分布在15～30 cm之间。犁底层容重和穿透阻力远大于耕层及心土层，其平均容重约为1.54 g/cm3；过厚的犁底层阻碍了作物根系的下扎，造成作物根系分布浅层化，易造成作物水分胁迫，同时不利于根系吸收深层养分[14]。本研究中，通过适度破除犁底层，使耕层厚度加深，结果显示：小麦基本苗、单位面积穗数、株高、净光合速率、产量均随耕层厚度的增加而呈增加趋势，均以DL25处理各指标达到最大；DL25处理产量较DL40、DL20、RT15处理分别提高16.3%、10.1%、22.5%。这是由于适度破除犁底层后，促进了水分充分入渗和贮存，营造出对作物更有利的水、肥、气、热环境条件，有助于叶绿素的合成、根系生长，进而促进小麦植株的生长发育，最终增产[20，21]。前人研究亦发现，深松耕作破除犁底层能够显著提高作物产量，但本研究发现小麦产量并不是随着犁底层破除程度的增大而一直增加，完全破除犁底层并不利于作物产量等指标的进一步提升，甚至有小幅降低。这可能是完全破除犁底层后形成的全虚耕层构造，使得水分、养分下渗流失严重，因此保留部分犁底层更有利于水分、养分的蓄积，同时又不影响土体与外部环境的气、热交换，为小麦的生长提供良好的水、肥、气、热条件。
综上，目前黄淮海平原农田耕作方式、耕层结构，阻碍了作物的生长，将犁底层破除10 cm，使耕层厚度增加到25 cm更有利于小麦产量的提高。
参 考 文 献：
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