鲁西南褐土土壤容重对冬小麦生长发育及养分吸收的影响
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作者:孙泽强 韩成卫 孔晓民 杨光 刘盛林 石宁 王学君
摘要：采用盆栽試验方法，以原状土壤不打破犁底层为对照（CK），设置土壤容重1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 g/cm3共5个水平处理，研究山东省褐土不同土壤容重对冬小麦生长发育及养分吸收的影响。结果表明：随着土壤容重增加，冬小麦株高、植株干物质量、籽粒产量、地上部养分吸收量均呈现先增后减的趋势，土壤容重1.4 g/cm3时达到最高值，增至1.5 g/cm3和1.6 g/cm3时生长发育受到明显抑制，且容重越大降幅越显著。与对照相比，土壤容重1.6 g/cm3处理的株高、植株干物质量、籽粒产量和籽粒养分吸收量分别降低11.55%、13.61%、37.86%和39.46%。处理间的产量差异主要是由穗粒数变化所致，容重1.5、1.6 g/cm3处理的穗粒数比对照分别下降27.37%和36.79%。原状土结构紧实，下层土壤容重过大严重制约冬小麦产量提高，与CK相比，容重1.2、1.3、1.4 g/cm3处理分别增产12.85%、21.49%、31.01%。通过深松等耕作技术打破犁底层，降低20～40 cm深层土壤容重，促进植株生长和后期干物质积累，是冬小麦增产的重要途径。
关键词：褐土;土壤容重;冬小麦;生长发育;产量;养分吸收;鲁西南
中图分类号：S152.1+10.61：S155.2+3 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2020）11-0069-06
Effect of Cinnamon Soil Bulk Density on Growth，
Development and Nutrient Uptake of Wheat
in Southwest of Shandong Province
Sun Zeqiang1， Han Chengwei2， Kong Xiaomin2， Yang Guang1，
Liu Shenglin1， Shi Ning1， Wang Xuejun1
（1. Institute of Agricultural Resources and Environment， Shandong Academy of
Agricultural Sciences/Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation
（Shandong）， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Jinan 250100， China;
2. Jining Academy of Agricultural Sciences/Jining Comprehensive Experimental
Station of National Corn Industry Technology System， Jining 272031， China）
Abstract A study on the growth and development and nutrient uptake of Jimai 22 in the soil with different bulk density was conducted using pot test. Six treatments were set as undisturbed soil without breaking the plough layer （CK） and the soil with bulk density at 1.2， 1.3， 1.4， 1.5 and 1.6 g/cm3 respectively. The results showed that plant height， dry matter， grain yield and nutrient uptake of wheat increased firstly and then decreased with the increase of soil bulk density. The value of these indicators reached the highest at 1.4 g/cm3， but the growth and development of winter wheat were obviously inhibited at 1.5 and 1.6 g/cm3 and decreased more with the increase of bulk density. Compared to CK， the plant height， dry matter， grain yield and nutrient uptake of grains at 1.6 g/cm3 decreased by 11.55%， 13.61%， 37.86% and 39.46%， respectively. The yield difference between treatments was mainly caused by kernel number per spike. The kernel number per spike under 1.5 and 1.6 g/cm3 treatments decreased by 27.37% and 36.79% compared with CK. The tight structure of CK soil with higher bulk density restricted the improvement of winter wheat yield. The grain yield under 1.2， 1.3 and 1.4 g/cm3 treatments increased by 12.85%，21.49% and 31.01% compared to CK. Breaking plough layer by subsoiling to decrease the soil bulk density in 20～40-cm layer could promote wheat growth and dry matter accumulation at later growth stages， which was an important way to increase yield of winter wheat. Keywords Cinnamon soil; Soil bulk density; Winter wheat; Growth and development; Yield;Nutrient uptake; Southwest of Shandong Province
容重是土壤重要的物理性质之一，在很大程度上决定着土壤含水量、通气性以及矿质元素的运移，进而影响到植物的生长发育和生理功能，从而表现出容重不同地块的生产力差异。大量研究表明，疏松的土壤环境有利于作物根系的伸展和根量积累，从而提高生物学产量和经济产量。当土壤容重增大时，土壤机械阻力增加，限制作物根系生长发育，使水肥利用效率下降，造成作物减产[1-3]。目前玉米上此类研究报道较多，而对自然原状土不同土壤容重条件下的小麦生理生化的系统研究尚缺乏，小麦对土壤容重所能忍受的极限尚不明确[4-8]。
山东省是我国重要的粮食产区，常年小麦总产量居全国第2位。近年来，生产上长期采用以小型农机具为主的连年旋耕耕作方式，导致耕层变浅、土壤结构紧实、有效耕层土壤量显著减少、土壤蓄水保肥能力严重下降，制约大面积粮食高产和稳产[9]。深入研究土壤容重与作物生长发育的关系，对于科学调控土壤环境、促进作物高产优质有重要意义。为此，本试验以山东省主要农业土壤——褐土为着眼点，采用桶栽方法模拟大田不同土层容重状况，研究不同容重土壤对小麦生长发育及养分吸收的影响，以期为山东及华北平原地区土壤合理耕层构建和小麦高产栽培提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于2016年在国家玉米产业技术体系济宁试验站进行。供试土壤为褐土，质地轻壤，0～20 cm耕层土壤容重为1.33 g/cm3，20～40 cm土层土壤容重为1.51 g/cm3;耕层土壤有机质含量13.1 g/kg、碱解氮58.6 mg/kg、速效磷48.3 mg/kg、速效钾128.5 mg/kg，pH值为6.98。
1.2 试验设计
根据大田耕作前后的调查结果，设置6个处理，即以原状土不打破犁底层为对照（CK），记为T1;设置打破犁底层后土壤容重分别为1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 g/cm3共5个水平，分别记为T2、T3、T4、T5、T6。为模拟大田土壤状况，供试土壤从试验田0～20 cm耕层和20～40 cm犁底层分两个层次采集，分别过筛除去杂草和石块，土壤风干至8%水分含量（易压实）后粉碎过2.5 mm筛，充分混匀后备用。
采用桶栽试验，通过分层次装入压实土壤方法形成不同容重，然后将制备好的符合各层容重的土壤依次装入各层（桶中各层次土壤取自供试土壤相应层次）。PVC桶容积50 L，直径38 cm，高45 cm，装土深度40 cm，预留5 cm便于灌溉。按照设计容重分0～20 cm和20～40 cm两层装土，每层土壤保持原位置不变。容重大的处理采用人工机械压实方法达到处理要求，同时采用裁纸刀将每个土层表面划破，增加土壤粗糙度，降低表面张力，改善土壤渗透性能。然后将各处理的试验桶自然放置1个月，保证土壤容重的真实性。每个水平设置5个重复，随机区组排列。
供试小麦品种为济麦22，10月15日浇水造墒播种，每桶播种量为1.7 g，折合播种量150 kg/hm2（本地常规播种量），种植2行。结合灌蒙头水，每桶施控释复合肥（28-6-9）6.8 g（折合600 kg/hm2），浇返青水时每桶追施尿素3.4 g（折合300 kg/hm2）。整个生长期内灌水4次，分别在播种后、越冬期、返青期、扬花挑旗期，通过称重法保持全生育期内土壤含水量为田间持水量的75%～85%。采用喷壶微孔细喷，降低灌溉对土壤容重的影响。其它管理同当地高产田。
1.3 测定项目及方法
1.3.1 冬小麦植株性状 灌浆后期每处理取20株调查株高（主茎自分蘖节至幼穗顶部的高度）。成熟期分别取各处理植株地上部，于烘箱中105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重，测其植株干物质量[10]。
1.3.2 产量及穗部性状 成熟期收获全部麦穗称重计产，并进行室内考种，调查总穗数、穗粒数、千粒重。
1.3.3 养分含量及养分吸收量 成熟期分别取适量小麦籽粒和秸秆，磨碎烘干过筛。氮磷钾养分含量分别用凯氏定氮法、钼蓝分光光度法和火焰光度法测定[11]。养分吸收量由养分含量和产量或干物质量相乘计算得出。
1.4 数据分析
采用Microsoft Excel 2003进行数据处理和作图，DPS 9.50软件进行数据分析。
2 结果与分析
2.1 土壤容重对冬小麦生长发育的影响
2.1.1 对株高的影响 由图1可以看出，随着土壤容重的增加，冬小麦株高呈现先增后减趋势，即抛物线型变化，模拟关系方程为：y=-1.7071x2+8.3929x+62.08，R2=0.969。土壤容重由1.2 g/cm3增加到1.4 g/cm3时，株高渐增且达到最高值，增至1.5 g/cm3时生长发育受到明显抑制，且容重越大降幅越显著。与原状土对照（CK）相比，容重1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 g/cm3处理小麦株高分别增加-2.01%、2.64%、4.83%、-2.99%、-11.55%。可见，打破犁底层适度降低土壤容重，利于增加小麦株高;而土壤容重过高对冬小麦生长造成不利影响，严重限制株高。
2.1.2 对植株干物质量的影响 如图2所示，不同土壤容重条件下冬小麦地上部植株干物质量的变化趋势与株高一致，即随着土壤容重增加呈现先增后减趋势：土壤容重1.4 g/cm3时达到最高值，容重1.5、1.6 g/cm3处理较其分别降低6.8%和16.9%;与CK相比，容重1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 g/cm3处理分别增加-11.20%、-9.60%、3.92%、-3.19%、-13.61%。可見，适宜的土壤容重是冬小麦干物质量形成的重要条件，容重太小或太大都不利于冬小麦干物质量的积累，适宜土壤容重为1.4～1.5 g/cm3。 2.2 土壤容重对冬小麦产量形成的影响
由表1可以看出，不同处理的小麦产量随着土壤容重的增加呈现先增后减趋势，模拟关系方程为：y=-4533.3x2+11993x-7277.2，R2=0.9247。与CK相比，容重1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 g/cm3处理分别增产12.85%、21.49%、31.01%、-11.62%、-37.91%。不同处理间的产量差异主要是由穗粒数和千粒重的变化所致。对照以及容重1.5、1.6 g/cm3处理的总穗数均高于1.2～1.4 g/cm3等低容重处理，平均增幅为19.8%，但其穗粒数和千粒重则分别平均下降32.6%和3.2%。这可能与高容重土壤下小麦根系发育不良、吸收功能降低、养分转化和供应较慢而致籽粒发育受到限制有关。
2.3 土壤容重对冬小麦养分吸收的影响
2.3.1 對冬小麦氮吸收的影响 由图3可以看出，与对照相比，土壤容重1.2～1.6 g/cm3各处理冬小麦籽粒氮吸收量分别增加5.37%、13.08%、25.84%、-10.81%和-34.40%，即随着土壤容重的增加，籽粒氮吸收量呈先增加后降低趋势：土壤容重1.4 g/cm3时籽粒氮吸收量最高、1.5 g/cm3时显著下降、1.6 g/cm3时降幅更大。
与对照相比，容重1.2～1.6 g/cm3各处理冬小麦植株氮吸收量分别增加-8.12%、-2.34%、6.80%、0.58%和-10.14%。土壤容重1.4 g/cm3时植株氮吸收量最高，1.2、1.6 g/cm3时降幅在8%以上。
各处理冬小麦籽粒氮吸收量占植株氮吸收量的比例分别为66.88%、76.70%、77.45%、78.81%、59.31%和48.83%。该比例随土壤容重增加同样呈先增加后降低趋势。适宜的土壤容重有利于冬小麦籽粒氮的吸收，提高籽粒氮的吸收比例。土壤容重1.2～1.4 g/cm3时籽粒氮吸收量占植株氮吸收量的比例平均为77.65%。可见，冬小麦籽粒是氮吸收的重要部位。
2.3.2 对冬小麦磷吸收的影响 由图4以看出，与对照相比，土壤容重1.2～1.6 g/cm3各处理冬小麦籽粒磷吸收量分别增加18.97%、23.43%、31.48%、-9.30%和-40.60%，即随着土壤容重的增加，籽粒磷吸收量呈先增加后降低趋势，土壤容重1.4 g/cm3时籽粒磷吸收量最高、1.5 g/cm3时显著下降、1.6 g/cm3时降幅更大。可见，土壤容重超过1.5 g/cm3会严重影响冬小麦籽粒磷的吸收。
与对照相比，土壤容重1.2～1.6 g/cm3各处理冬小麦植株磷吸收量分别增加2.71%、2.78%、12.20%、-6.78%和-32.06%，即土壤容重1.4 g/cm3时植株磷吸收量最高、1.5、1.6 g/cm3时降幅在6%以上。
各处理冬小麦籽粒磷吸收量占植株磷吸收量的比例分别为60.82%、70.44%、73.04%、71.27%、59.17%和53.18%。该比例随土壤容重增加同样呈先增加后降低趋势。适宜的土壤容重有利于冬小麦籽粒磷的吸收，提高籽粒磷的吸收比例。土壤容重1.2～1.4 g/cm3时籽粒磷吸收量占植株磷吸收量的比例平均为71.58%。可见，冬小麦籽粒是磷吸收的重要部位。
2.3.3 对冬小麦钾吸收的影响 由图5可以看出，与对照相比，土壤容重1.2～1.6 g/cm3各处理冬小麦籽粒钾吸收量分别增加14.43%、22.88%、29.95%、-15.78%和-43.38%，即随着土壤容重的增加，冬小麦籽粒钾吸收量呈先增加后降低趋势，土壤容重1.4 g/cm3时籽粒钾吸收量最高、1.5 g/cm3时显著下降、1.6 g/cm3时降幅更大。可见，土壤容重超过1.5 g/cm3会严重影响冬小麦籽粒钾的吸收。
与对照相比，容重1.2～1.6 g/cm3各处理冬小麦植株钾吸收量分别增加-7.59%、-8.12%、0.51%、-2.70%和-27.52%，可以看出，土壤容重1.4、1.5 g/cm3两处理与对照没有明显差异。
各处理冬小麦籽粒钾吸收量占植株磷吸收量的比例分别为9.72%、12.04%、13.00%、12.57%、8.41%和7.59%。该比例随土壤容重增加同样呈先增加后降低趋势。适宜的土壤容重有利于冬小麦籽粒钾的吸收，提高籽粒钾的吸收比例。土壤容重1.2～1.4 g/cm3时冬小麦籽粒钾吸收量占植株钾吸收量的比例平均为12.53%。可见，冬小麦籽粒不是钾吸收的主要部位，而秸秆是钾吸收的重要部位。
3 讨论
土壤容重是衡量土壤结构和评价土壤质量的重要参数。适宜的土壤容重可以使冬小麦营养元素含量在生育后期仍然维持在较高水平，有利于延缓植株衰老，促进后期光合作用，增加干物质积累，从而提高产量。山东省长期采用以小型农机具为主的连年旋耕方式，导致耕层变浅、土壤结构紧实、容重大，限制了小麦根系生长及对营养元素的吸收转运，影响了小麦产量的提高[1，2，6]。本试验以山东省主要农业土壤——褐土的自然原状土为着眼点，分析对比不同土层容重变化对小麦生长及产量的影响。结果表明，随着土壤容重的增加，小麦株高、植株干物质量、籽粒产量和籽粒养分吸收量均呈现先增后减趋势，即土壤容重1.4 g/cm3时达到最高值，增至1.5 g/cm3时生长发育受到明显抑制，达到1.6 g/cm3时分别较对照降低11.55%、13.61%、37.86%和39.46%。这与前人结论一致。
目前关于小麦适宜的土壤容重的研究结果不尽相同，有些学者认为一般作物根系生长适宜的土壤容重范围在1.1～1.3 g/cm3之间[12-15]。而从本试验结果看，供试土壤褐土的容重拐点为1.4 g/cm3，容重过低或过高均会对小麦生长发育及产量形成产生影响，这与前人的研究结果不一致。1.2～1.3 g/cm3低容重处理的效果低于1.4 g/cm3处理，可能是由两方面原因所致：其一，冬小麦播种后，由于前期气温偏高，1.2、1.3 g/cm3低容重条件下的冬小麦长势偏旺、分蘖多、群体大，越冬时突遇低温、冻害严重，次年冬小麦返青后生长明显滞后，导致最终干物质量降低;其二，土壤容重偏低，土粒与根系无法密切接触，降低土壤水分和养分向根系的传导，从而影响根系的生长发育和生理功能。本试验选取的褐土自然原状土对照（CK）在0～20 cm土层的土壤容重为1.33 g/cm3，20～40 cm土层的土壤容重高达1.51 g/cm3。与CK相比，容重1.2、1.3、1.4 g/cm3处理分别增产12.85%、21.49%、31.01%，表明降低土壤紧实度可为作物根系创造疏松深厚的土壤环境[16-20]，提高产量。 本研究将整个土层设置为相同的容重，没有体现出不同土层容重变化对小麦生长的影响，这与实际的大田状况有一定差异。为此，需要在后续研究中采用桶栽方法模拟大田不同土层容重实际存在状况，着重探讨下层（20～60 cm）土壤容重对冬小麦生长发育及产量的影响，为合理调节土壤环境、实现冬小麦高产优质提供科学依据。
4 结论
土壤容重对冬小麦生长发育、产量形成和养分吸收具有重要影响。土壤容重1.4 g/cm3时，冬小麦株高、植株干物质量、籽粒产量和籽粒养分吸收量达到最高，增至1.5 g/cm3时生长发育受到明显抑制，且容重越大降幅越显著。
山东小麦生产上長期沿用的表层旋耕为主的耕作方式使耕层变浅、土壤结构紧实，已严重制约了冬小麦产量的提高，必须通过深耕或深松等耕作技术打破犁底层，将20～40 cm深层土壤容重调控至1.3～1.4 g/cm3，从而促进冬小麦生长和后期干物质积累，为高产奠定物质基础。
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