粉壟耕作對(duì)農(nóng)田砂姜黑土土壤結(jié)構(gòu)的影響

王世佳 韋本輝 申章佑 余豐源 史鼎鼎 蔣代華

摘要?[目的] 揭示粉壟耕作對(duì)砂姜黑土土壤結(jié)構(gòu)的影響，探明其變化機(jī)理，為粉壟耕作技術(shù)推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。[方法] 通過(guò)團(tuán)粒分析儀和掃描電子顯微鏡（SEM）物理表征手段研究砂姜黑土團(tuán)聚體分布及微形態(tài)等物理性質(zhì)，比較分析了粉壟（FL）、深松（DP）、深翻（DT）3種耕作方式下砂姜黑土的物理變化差異。[結(jié)果] 結(jié)果表明：與其他耕作方式相比，粉壟耕作顯著增加了粒徑小于2 mm的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體及0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，使大團(tuán)聚體向小團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變明顯;同時(shí)，粉壟耕作下土壤微形態(tài)表現(xiàn)為表面骨骼顆粒粗糙、疏松和孔隙豐富等特點(diǎn)。[結(jié)論] 粉壟耕作改變了砂姜黑土結(jié)構(gòu)，為砂姜黑土地區(qū)推廣應(yīng)用粉壟耕作技術(shù)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞?粉壟;砂姜黑土;團(tuán)聚體;微形態(tài)

中圖分類(lèi)號(hào)?S152.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A

文章編號(hào)?0517-6611（2019）20-0076-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.20.020

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Effect of Deep Vertically Rotary Tillage on the Structure of Shajiang Black Soil in Farmland

WANG Shi?jia1， WEI Ben?hui2， SHEN Zhang?you2 et al

（1.?Agricultural College of Guangxi University， Nanning， Guangxi 530004;2. Institute of Economic Crops of Guangxi Academy of Agricultural Sciences， Nanning， Guangxi 530004）

Abstract?[Objective] This paper takes Shajiang black soil as the research object to reveal the effect of deep vertically rotary tillage on soil structure. The change mechanism was explored to provide theoretical basis for the popularization and application of deep vertically rotary tillage. [Method] The physical characteristics of Shajiang black soil were studied by means of particle size analysis and scanning electron microscopy， and the differences of physical changes of Shajiang black soil under three tillage modes， namely， deep vertically rotary tillage （FL）， subsoiling （DP） and deep tillage （DT） were compared and analyzed. [Result] The results showed that compared with other tillage methods， deep vertically rotary tillage could significantly increase （P < 0.05） less than 2 mm mechanical stability aggregates and water?stable aggregates（0.5～1 mm and 0.25～0.5 mm） in Shajiang black soil. The transformation from large aggregates to small aggregates is obvious. Meanwhile， the deep vertically rotary tillage of soil micro?morphology was characterized by rough surface skeleton particles， loose soil and abundant pore. [Conclusion] Deep vertically rotary tillage can change the structure of Shajiang black soil. It provides a theoretical basis for the popularization and application of deep vertically rotary tillage technology in Shajiang black soil area.

Key words?Deep vertically rotary tillage;Shajiang black soil;Aggregate;Micromorphology

砂姜黑土是我國(guó)黃淮河平原中低產(chǎn)土壤之一，總面積約400萬(wàn) hm2;其中，淮北平原為最大的分布區(qū)[1]。砂姜黑土具有濕黏閉、干堅(jiān)實(shí)、脹縮強(qiáng)、結(jié)構(gòu)差、耕期短、僵塊多等特點(diǎn)[2-3]，同時(shí)有機(jī)質(zhì)含量低、土壤供肥能力差，導(dǎo)致作物增產(chǎn)受到嚴(yán)重限制。研究表明[4-7]，通過(guò)改進(jìn)耕作、起壟種植、科學(xué)合理施肥及推廣測(cè)土配方等技術(shù)措施，能有效提升砂姜黑土肥力。粉壟耕作作為一種全新高效的耕作方式，能打破犁底層，達(dá)到深耕深松的目的;其特點(diǎn)為螺旋式鉆頭橫向切割土壤，使土壤懸浮成壟，能有效改善土壤結(jié)構(gòu)[8]。因此，研究粉壟耕作對(duì)砂姜黑土結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

農(nóng)田砂姜黑土適耕性差，對(duì)于不同耕作方式的響應(yīng)機(jī)制具有各自的特點(diǎn)，而相關(guān)研究報(bào)道較少[9]。謝迎新等[10]通過(guò)研究免耕、旋耕（15 cm）、深耕（30 cm）3種耕作方式對(duì)砂姜黑土理化性狀的影響，結(jié)果表明，深耕處理能降低土壤容重，增加土壤有機(jī)碳含量，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。趙亞麗等[11]通過(guò)5個(gè)耕作處理對(duì)比研究砂姜黑土發(fā)現(xiàn)，深松（耕）能顯著降低土壤的緊實(shí)度和土壤三相比R值，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量。同樣，粉壟作為一種超旋深耕技術(shù)，能降低土壤耕作層容重，提升土壤的孔隙度和通氣性;同時(shí)，還能增加土壤溫度和速效養(yǎng)分含量[12-13]。楊雪等[14]研究了粉壟耕作對(duì)華北缺水地區(qū)壤質(zhì)黏潮土的影響，研究發(fā)現(xiàn)，耕作一年半后，粉壟表層土土壤容重顯著低于旋耕和深松。該耕作技術(shù)已在木薯[15]、甘蔗[16]、玉米[17]、小麥[18]和水稻[19]等多種作物上應(yīng)用，試驗(yàn)結(jié)果均表明能增加作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

目前，粉壟耕作技術(shù)已在多種作物上得到應(yīng)用，但大多以研究作物相關(guān)指標(biāo)為主，而粉壟耕作對(duì)土壤物理性狀影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道;前人針對(duì)砂姜黑土物理性狀的研究主要以免耕、旋耕、深耕和深翻為主[20-23]，粉壟耕作對(duì)砂姜黑土物理性質(zhì)影響的研究尚無(wú)報(bào)道。因此，筆者采用團(tuán)粒分析儀和掃描電子顯微鏡物理表征手段，比較分析砂姜黑土在粉壟、深松和深翻3種耕作方式下土壤結(jié)構(gòu)的變化差異;探討粉壟耕作方式下砂姜黑土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的變化機(jī)理，為砂姜黑土區(qū)域推廣更有效的耕作方式，保持農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?試驗(yàn)地概況

渦陽(yáng)縣位于安徽的西北部，地處33 °27 ′～33 °47 ′N(xiāo)、115 °53 ′～116 °33 ′E，淮北平原腹地，土壤性質(zhì)為砂姜黑土。屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年平均日照2 140 h，年平均氣溫14.6 ℃，無(wú)霜期218 d，年平均降水量830 mm。

該試驗(yàn)的砂姜黑土表層（0～20 cm）有機(jī)質(zhì)28.53 g/kg，土壤pH 8.34，土壤全氮1.33 g/kg，堿解氮88.28 mg/kg，有效磷3.96 mg/kg，速效鉀272.3 mg/kg。

1.2?試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2017年12月進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)3個(gè)耕作處理：粉壟（FL）、深松（DP）、深翻（DT）。粉壟：機(jī)械型號(hào)1SGL-200型，廣西五豐機(jī)械有限公司生產(chǎn)，耕作深度40 cm;深松：機(jī)械型號(hào)龍豐1S-200深松機(jī)，鄭州市龍豐農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備制造有限公司，耕作深度40 cm;深翻：三鏵犁型號(hào)1L-320，德州浩民機(jī)械設(shè)備有限公司，耕作深度20 cm。周年種植作物為冬小麥、夏玉米，管理方法按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)習(xí)慣進(jìn)行。

3種機(jī)械同時(shí)在一塊地質(zhì)均勻的土地上進(jìn)行耕作，每處理小區(qū)面積為120 m2（長(zhǎng)20 m×寬6 m），每處理3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)。5點(diǎn)法采集土樣，因?yàn)榉蹓鸥魃疃容^厚，所以粉壟耕作采集上（0～20 cm）、下（20～40 cm）兩層土壤，其他耕作方式只采集表層土（0～20 cm）;將采集大土塊土樣輕掰成直徑約1 cm小土塊，然后清除枯枝落葉及石塊，最后放入干凈的硬質(zhì)塑料盒，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干備用。

1.3?測(cè)試方法

1.3.1?土壤團(tuán)聚粒徑測(cè)定。機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體采用人工干篩法對(duì)團(tuán)聚體進(jìn)行分組。具體方法為：把孔徑分別為5.0 mm、2.00 mm、1.00 mm、0.5 mm、0.25 mm孔篩自上而下套合，放在篩底上，稱取100 g左右的風(fēng)干土放入5 mm孔篩，加蓋后人工手篩把土分為6個(gè)粒徑組，即>5 mm、2～5 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm和<0.25 mm。經(jīng)篩分的各粒級(jí)團(tuán)聚體分別準(zhǔn)確稱量，計(jì)算得到各粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量百分比。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用Elliott土壤團(tuán)聚體濕篩法測(cè)定[24]。具體方法：采用上海德碼信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DM200-V土壤團(tuán)粒分析儀，稱取風(fēng)干土100 g左右，將土樣放在3 mm孔徑篩上，自上而下放孔徑3.0、2.00、1.00、0.5、0.25 mm孔篩，再將整個(gè)套篩緩慢放入水中，使水面淹過(guò)頂層篩，土樣在水中浸泡3 min，豎直上下振蕩（上下振幅 38 mm，30次/min），分離出>3 mm、2～3 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm和小于0.25 mm土壤團(tuán)聚體，共6個(gè)粒徑組，收集各粒徑團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)皿中，在105～108 ℃下烘8 h干燥后稱重，計(jì)算得到各粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量百分比。

1.3.2?土壤微形態(tài)。采用日本日立公司生產(chǎn)的S-3400N掃描電子顯微鏡（SEM）觀察并照片。具體方法：將帶回風(fēng)干的土壤選取2～5 mm大小的小土塊，保證土塊至少有1個(gè)面的耕作處理紋理，未受到人為破壞擠壓。將選取好的小土塊放入所配套的離子濺射儀進(jìn)行噴金處理，然后在掃描電子顯微鏡觀察不同耕作處理超微形態(tài)特征。

1.4?數(shù)據(jù)處理

結(jié)構(gòu)體破壞率是表征土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)，能反映團(tuán)聚體對(duì)水的穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)體破壞率越小，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[25]。公式如下：

PAD=（wd-ww）/wd×100%

式中，PAD為結(jié)構(gòu)體破壞率（%）;wd為風(fēng)干團(tuán)聚體中大于0.25 mm粒徑所占的比例（%）;ww為水穩(wěn)性團(tuán)聚體中大于0.25 mm粒徑所占的比例（%）。

該試驗(yàn)采用Excel 2010和SPSS 19軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用Duncan法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)（P<0.05），樣品均為3次重復(fù)。

2?結(jié)果與分析

2.1?不同耕作方式下土壤團(tuán)聚體分布特征

2.1.1?不同耕作方式下砂姜黑土機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布特征。

由表1可以看出，不同耕作方式下砂姜黑土機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體以粒徑大于5 mm為主，粒徑2～5 mm次之，粒徑小于0.25 mm最低;其比例分別占到51.96%～76.95%、15.61%～26.44%和0.30%～1.10%。其中，在粒徑1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm和小于0.25 mm 4個(gè)粒徑中，表層土（0～20 cm）粒徑大小均呈現(xiàn)出粉壟耕作顯著大于其他耕作方式（P<0.05）;同理，F(xiàn)L耕作表層土（0～20 cm）明顯大于下層土（20～40 cm）（P<0.05）。在大于5 mm粒徑表層土中，呈現(xiàn)出DP>DT>FL20，各處理之間均達(dá)到顯著差異水平（P<0.05），同時(shí)，在粉壟耕作中，F(xiàn)L40大于FL20（P<0.05）。而在2～5 mm粒徑中，DP則明顯低于FL和DT（P<0.05）。

2.1.2?不同耕作方式下砂姜黑土水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征。

由表2可知，不同耕作方式下砂姜黑土水穩(wěn)定性團(tuán)聚體主要以粒徑大于3 mm為主。在同一土層2～3 mm粒徑團(tuán)聚體分布中，DT顯著大于FL20和DP（P<0.05），而在0.5～1 mm和 0.25～0.5 mm粒徑團(tuán)聚體中，F(xiàn)L20明顯大于DP和DT（P<0.05）;小于0.25 mm粒徑團(tuán)聚體中，DP大于FL20和DT，達(dá)顯著差異水平（P<0.05）。在粉壟耕作不同土層中，2～3 mm粒徑團(tuán)聚體FL20低于FL40（P<0.05），而在0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒徑中，F(xiàn)L20則明顯大于FL40（P<0.05）;其他粒徑團(tuán)聚體分布差異不顯著。

不同耕作方式下，結(jié)構(gòu)體破壞率在同一土層中表現(xiàn)為DP>FL20>DT，即砂姜黑土結(jié)構(gòu)體在DT耕作下最穩(wěn)定，反之，DP最不穩(wěn)定;而在粉壟耕作不同土層中，結(jié)構(gòu)體破壞率表現(xiàn)為FL20大于FL40。

2.2?不同耕作方式下砂姜黑土團(tuán)聚體微形態(tài)特征（SEM掃描尺度）

如圖1所示，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）將砂姜黑土放大1 000倍觀察，能夠直觀看出不同耕作方式下土壤的微形態(tài);土壤微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)三維圖像，立體感強(qiáng)，能夠準(zhǔn)確區(qū)分結(jié)構(gòu)體和顆粒體、土壤微結(jié)構(gòu)類(lèi)型及微孔隙類(lèi)型等。

FL20較DP和DT，表面細(xì)顆粒體較為粗糙和疏松，但不松散;DP和DT表面顆粒體排列緊密、緊實(shí)，且DP表現(xiàn)最為突出;同時(shí)，形成的單個(gè)獨(dú)立微團(tuán)聚體較少，微孔隙豐富度低于FL20。而FL40與FL20相比，形成的絮凝狀微團(tuán)聚體，F(xiàn)L20為游離骨骼顆粒，F(xiàn)L40則為連生骨骼顆粒且排列具有一定的垂直定向性。

如圖2所示，將圖1繼續(xù)放大到5 000倍，能明顯看出，F(xiàn)L20與DP和DT相比，成像更清晰，立體感更強(qiáng)，伴有非常明顯的片狀特征，黏土片表面光滑，形成單個(gè)獨(dú)立的小孔隙較多;FL40與FL20相比，差異則不明顯。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2019年

3?討論

土壤團(tuán)聚體對(duì)耕作措施非常敏感[26]，不同耕作下各粒徑團(tuán)聚體所占比例不同，決定了土壤保水保肥及物理、化學(xué)與生物特征;Bailey等[27]研究指出，較小的團(tuán)聚體內(nèi)部大孔隙較多，其形成的土壤總孔隙和孔隙表面積較大，更利于作物根系下扎和水分與養(yǎng)分的吸收;邱莉萍等[28]研究指出，團(tuán)聚體粒徑越小，其比表面積越大，表面吸附能越高，養(yǎng)分含量會(huì)隨著團(tuán)聚體粒徑減小而增加。張麗娜等[29]研究旋耕、深松和免耕3種耕作方式對(duì)旱地紅壤結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，與免耕相比，旋耕和深松降低了土壤孔隙度，旋耕降低了大團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，對(duì)土壤擾動(dòng)較大;而深松0.25～5 mm粒徑范圍內(nèi)團(tuán)聚體含量最大，團(tuán)聚性好。該研究表層土中，與深翻和深松相比，粉壟耕作明顯增加了小于2 mm粒徑的機(jī)械性團(tuán)聚體和0.25～1 mm粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，說(shuō)明粉壟對(duì)土壤的擾動(dòng)較大，而對(duì)砂姜黑土結(jié)構(gòu)體的破壞率介于傳統(tǒng)深翻和深松之間。李華等[13]通過(guò)設(shè)置4種深旋處理，研究粉壟對(duì)土壤物理性狀的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)旋耕和深松相比，粉壟能降低土壤容重，增加地溫和土壤含水量;該研究結(jié)果中，粉壟耕作對(duì)土壤團(tuán)聚體的改變，明顯改善了土壤結(jié)構(gòu);從團(tuán)聚體各粒級(jí)含量分布的變化差異解釋了粉壟耕作對(duì)土壤物理性質(zhì)的改善。龐獎(jiǎng)勵(lì)等[30]采用偏光顯微鏡研究關(guān)中地區(qū)耕作土壤發(fā)現(xiàn)，受耕作活動(dòng)的影響，土壤疏松且表層土孔隙十分復(fù)雜，有蚯蚓糞粒發(fā)育，這是土壤肥力較強(qiáng)的標(biāo)志。東野光亮等[31]同樣采用偏光顯微鏡從微形態(tài)學(xué)特征上觀察砂姜黑土，看出砂姜黑土表現(xiàn)為腐殖化不強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育比較原始，以粘粒形成的單粒為主和多級(jí)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)不多等特征，這些結(jié)構(gòu)特征是砂姜黑土表現(xiàn)為中低產(chǎn)土壤的主要原因。該試驗(yàn)采用掃描電鏡觀察砂姜黑土，觀察尺度更微觀，成像更清晰，探索了不同耕作短期對(duì)砂姜黑土形態(tài)特征的影響。本研究中，粉壟耕作下砂姜黑土表面骨骼顆粒粗糙、排列較為疏松，但不松散;伴有較為明顯的片層狀特征，說(shuō)明具有比表面較大的特性[32]，其表面可能具有更大的吸附性能，保水保肥性更強(qiáng)。成婧等[33]研究渭北旱塬土壤表明，土壤耕層降低會(huì)使土壤理化性質(zhì)惡化，而人為增加耕層厚度能有效改善土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤養(yǎng)分含量;作物吸收養(yǎng)分和水分主要來(lái)源于土壤耕作層，耕層厚度的增加可以提升作物產(chǎn)量[34]。而粉壟耕作能打破砂姜黑土長(zhǎng)期耕作形成的犁底層，增加其土層厚度。

綜上所述，與其他耕作相比，粉壟耕作擾動(dòng)土壤的方式和強(qiáng)度不同，粉壟耕作具有擾動(dòng)強(qiáng)度大、粉碎性均勻和耕層深等特點(diǎn)，明顯增加砂姜黑土的松土量和土層厚度，改良砂姜黑土耕層淺薄、土壤僵硬等障礙因素，能更好地協(xié)調(diào)土壤的水、肥、氣、熱條件，改善砂姜黑土結(jié)構(gòu)，是一種能提升砂姜黑土物理性狀行之有效的方法。另外，該試驗(yàn)研究了粉壟耕作方式下對(duì)砂姜黑土結(jié)構(gòu)的影響，這種影響所產(chǎn)生的效應(yīng)能夠持續(xù)的時(shí)間有待進(jìn)一步研究。

4?結(jié)論

與其他耕作方式相比，粉壟耕作能改變砂姜黑土土壤團(tuán)粒分布特征，明顯增加了中、小團(tuán)聚體含量;粉壟耕作下砂姜黑土表面形態(tài)呈現(xiàn)出顆粒粗糙、疏松和孔隙豐富等特點(diǎn)。

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