粉壟耕作對鹽堿地土壤環(huán)境及作物生長的影響研究進展

張柯雨，陳彥云，李國旗，謝博勛，徐珺蕾

（1.寧夏大學(xué) 西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國家重點實驗室培育基地；2.寧夏大學(xué) 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點實驗室；3.寧夏大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

鹽分脅迫對植物根系的影響大于對其地上部的影響[1]。植物在含高濃度鹽離子的土壤環(huán)境中，根系被動吸收增加，過多的鹽分進入植物體內(nèi)不利于根系完成正常生理生化活動，影響其向地上部提供氨基酸、激素等物質(zhì)，進而影響生長與發(fā)育。鹽堿地鹽分留積于土壤表層致使土壤板結(jié)，降水不易下滲，嚴(yán)重制約著豐收增產(chǎn)。僅憑化肥提高鹽堿耕地生產(chǎn)力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，且土壤調(diào)理劑也因鹽分停留問題無法發(fā)揮作用，故鹽堿地屬于典型的低中產(chǎn)田類型。

耕作是改變土壤理化性狀的最直接手段。傳統(tǒng)犁耕是我國旱地主要耕作方式，但常年傳統(tǒng)犁耕會導(dǎo)致犁底層上移，土壤容質(zhì)量增加，土壤肥力逐年降低；免耕作為保護性耕作措施之一，利于土壤蓄水保肥，但常年免耕不利于肥料深埋，多數(shù)無法被作物利用，造成養(yǎng)分表聚，土壤孔隙度降低。粉壟耕作技術(shù)是一種新型耕作方式，根據(jù)不同作物對耕層松土深淺程度的種植需求，在作物種植區(qū)利用粉壟機械一個或多個螺旋形鉆頭，均勻垂直旋削粉碎土壤，一次性完成深耕、深松、整地[2]，耕深可達30～50 cm。

在鹽堿地實施粉壟耕作，通過粉碎土壤使其保持當(dāng)季和多季疏松，激活犁底層及其以下土壤資源，提高土壤速效養(yǎng)分，保水保肥，降低鹽堿，以實現(xiàn)增產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)，大幅提升鹽堿地綜合生產(chǎn)能力和農(nóng)業(yè)利用潛力。因此，鹽堿地也是農(nóng)耕農(nóng)藝發(fā)展的后備力量。

近年來國內(nèi)眾多學(xué)者開展了關(guān)于粉壟技術(shù)的研究，本文通過對粉壟耕作下鹽堿土壤理化性狀和不同作物生長、產(chǎn)量品質(zhì)的變化進行歸納，總結(jié)粉壟耕作技術(shù)的優(yōu)勢，以期為通過粉壟耕作技術(shù)改良鹽堿地和進一步提升作物產(chǎn)量品質(zhì)提供理論參考，對于保障糧食安全、擴增和有效利用耕地面積，以及未來農(nóng)業(yè)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義和長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

1 粉壟耕作技術(shù)的優(yōu)勢

1.1 構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)

大田試驗研究中，粉壟耕作與傳統(tǒng)翻耕的地理環(huán)境相同，水、光、熱、自然資源也相同，唯一不同的是作物生長的土壤生態(tài)環(huán)境。傳統(tǒng)機械農(nóng)耕最深耕度不超過35 cm，而且生土中的鹽分會被翻回熟土，即機械整地時只是距土表十幾厘米的鹽層被翻整，板結(jié)地上水分無法下滲，植物根系同樣無法扎入，依舊不利于作物生長。粉壟耕作能打破而不亂土層，為作物根系營造了更疏松的生長環(huán)境，促進根系生長及深扎，有效解決了鹽堿地土壤板結(jié)限制作物生長問題。此外，較傳統(tǒng)犁耕而言，粉壟耕作技術(shù)可加深、重構(gòu)耕作層，降低其密度，增加其疏松土壤數(shù)量和堿解氮、有效磷、有效鉀等多數(shù)土壤速效養(yǎng)分指標(biāo)[2]，有效擴展土壤養(yǎng)分、水分和氧氣等“自然資源活庫”。因此，粉壟改變了土壤耕層結(jié)構(gòu)，提升了養(yǎng)分含量，作物扎根更深，生長環(huán)境良好，進而利于增加產(chǎn)量和改善品質(zhì)[3]。

1.2 降低全鹽含量

鹽堿地下20～30 cm為不透水層，鹽分難以滲透，只能積于作物生長層。粉壟耕作對耕地進行了深松深翻，從而打破不透水層。相較于增施化肥，粉壟農(nóng)耕這種物理方式對土壤產(chǎn)生的傷害較輕，改良效果也更顯著。經(jīng)自走式粉壟深耕深松機螺旋鉆頭高速旋轉(zhuǎn)磨碎的土壤，疏松之后借由天然降水的下滲運動使鹽分隨之下沉；且粉壟處理后土壤在微生物、氧氣等作用下，部分鹽分也會下移；鉆頭橫向切割土壤，使得土壤毛細(xì)管被切斷，底層土壤不易“返鹽”。這三方面的作用使鹽堿地耕作層的含鹽量被大量淡化，極大地提高了出苗率，又因改善了根系土壤環(huán)境而保苗率也較高。

1.3 改善根際微生態(tài)系統(tǒng)

1.3.1促進根系生長 作物根系生長與土壤生態(tài)條件關(guān)系密切，生長于深松土壤上的作物根系深扎，分布范圍廣，且根系活力增強，利于吸收土壤養(yǎng)分。根系活力強的，對后期延緩衰老，促進光合產(chǎn)物的形成及運輸，進一步提高產(chǎn)量有重要作用[4]。甘秀芹等[5]研究粉壟栽培下桑樹根系、植株性狀及經(jīng)濟產(chǎn)量的變化發(fā)現(xiàn)，粉壟深松土壤為桑樹根系提供了良好的生長條件，其根系數(shù)量較多、長度較長，且鮮質(zhì)量較大。

1.3.2促進根際硝化作用 植株、土壤和微生物是一個宏觀系統(tǒng)，每一部分都各自發(fā)揮著不可替代的作用。

根分泌物作為保持根際微生態(tài)系統(tǒng)活力的關(guān)鍵因素，為微生物提供能源，因此，根際土壤的微生物如反硝化細(xì)菌、好氧固氮菌、厭氧固氮菌等的數(shù)量明顯高于非根際土壤；粉壟使土壤深松且碎，大量氧氣溶入耕作層土壤孔隙空間形成“氧庫”，根際土壤溶氧，利于微生物氨化和硝化作用。

作物根表和根際土壤中存在的氨氧化菌（ammonia-oxidizing bacteria，AOB）越多，根表和根際有機氮轉(zhuǎn)化為NH4+的效率越高，則根系對NH4+的利用率越高；作物根系具有不同的生理和形態(tài)特征（如氣孔率和通氣組織）以決定氧的徑向擴散能力，來自根的不同徑向O2供應(yīng)會影響根際AOB的豐度和活性，進而直接影響根際的硝化活性[6]。與硝化活性相對較低的作物相比，具有較高根際硝化活性的作物表現(xiàn)出更高效的干物質(zhì)積累、氮積累和氮素利用效率，因此產(chǎn)量和品質(zhì)更佳。

1.4 保水保肥

粉壟耕作處理后土壤大量形成團粒結(jié)構(gòu)，土壤顆粒表面積增加，土壤毛細(xì)管被切斷，保水能力大幅提高。李軼冰等[7]通過粉壟栽培及覆膜處理發(fā)現(xiàn)，粉壟能夠有效減少土壤蒸發(fā)，利于降水入滲，提高土壤貯水量，為作物根系生長提供良好水分條件，以達到顯著增產(chǎn)目的。

施肥可與粉壟農(nóng)耕結(jié)合，于地面施用的肥料在粉壟機作業(yè)下與耕層土壤充分、均勻混合，最終深埋于作物生長層，從而減少肥料流失，提高肥料利用率。

1.5 提高經(jīng)濟效益

粉壟整地后壟下的“U”型松土槽可積聚降水和灌溉水，提高土壤保水保肥性能。化肥農(nóng)藥施用量、灌溉用水和人工成本相應(yīng)減少[8]。利用脫硫石膏與土壤充分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)固然可以有效改良鹽堿地[9-12]，但改良劑的成本同樣很高[13]。如果與粉壟技術(shù)相結(jié)合，施用量會減少；改良劑與土壤更充分地接觸，其效果會更好；減少耗水和施用成本，經(jīng)濟效益會更高。

2 粉壟耕作對鹽堿地土壤環(huán)境及作物生長的影響

2.1 粉壟耕作對土壤環(huán)境的影響

鹽堿地耕作層變淺，犁底層變厚上移，土壤團粒結(jié)構(gòu)被破壞，毛細(xì)管孔隙小，降水不易下滲，土壤水分補給程度較淺。施用的化肥除部分被當(dāng)季作物吸收外，大多數(shù)被土壤固定，加之土壤通氣、透水等理化性能變差，造成酸鹽沉積，土壤板結(jié)，土地生產(chǎn)力下降，嚴(yán)重制約了豐收增產(chǎn)。

隨著保護性耕作的倡導(dǎo)和發(fā)展，粉壟耕作逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)翻耕成為了一種新型土壤耕作方式。鹽堿地經(jīng)粉壟耕作處理，土壤環(huán)境會發(fā)生如下變化：①改善土壤物理結(jié)構(gòu)。粉壟耕作利用螺旋型鉆頭垂直高速旋削粉碎土壤，不僅充分打破了犁底層[14]，加深了土壤耕作層，且土壤均勻深松，通透性提高。表層土壤（0~30 cm）容質(zhì)量降低[15]，土壤物理結(jié)構(gòu)得以有效改善，毛細(xì)管被切斷，近地面（0~20 cm）耕層中的鹽分被帶入更深土層，并難以隨蒸騰“返鹽”。②通氣性能提升。較于傳統(tǒng)耕作，粉壟可以明顯降低20~30 cm土層土壤的緊實度，增加孔隙度[16]，空氣中的氧氣會隨粉壟機械翻松土壤進入空隙，粉壟土壤氧氣充足。③土壤蓄水能力提升及貯水量增加。粉壟耕作后土層疏松，土壤調(diào)蓄水分更通暢，不僅易于調(diào)用深層水分，且在發(fā)生水分補給時能夠提高水分入滲深度[17-19]。土壤含水量提高，降雨徑流減少，土壤水庫容擴大，土壤中部分鹽分可以隨天然降水淋溶作用而下降至耕作層底部。④土壤保溫效果明顯。機械高速旋轉(zhuǎn)將土壤毛細(xì)管切斷，降低土壤蒸發(fā)強度[20]，有利于土壤環(huán)境增溫。⑤根際微生態(tài)環(huán)境得以改善。由于粉壟土壤通氣、透水、增溫，淡鹽作用和通透性逐漸增強，良好的土壤水分條件會促使土壤養(yǎng)分被活化利用[21]，部分酶活性被激活，土壤微生物活動頻繁，這些因素促進了土壤有機質(zhì)含量、大量元素速效成分和部分微量元素有效成分含量的增加，形成了良好的根際土壤微生態(tài)系統(tǒng)。

2.2 粉壟耕作對作物生長的影響

鹽堿脅迫對鹽堿敏感性作物品種具有抑制作用[22]，對于禾本科作物來說表現(xiàn)為灌漿速率減慢，干物質(zhì)積累減少。隨著鹽堿脅迫梯度的增強，作物強粒灌漿速率和干物質(zhì)積累最大值降低，起始灌漿時間提早，在達灌漿峰值時間變短的情況下，生育期提前或推后極易造成空、癟粒的形成[23]，影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

在鹽堿地實施粉壟栽培的目的在于構(gòu)建合理的耕層構(gòu)造，營造對作物更有利的水、肥、氣、熱土壤環(huán)境條件，增強蓄水保墑保肥能力，促進作物生長[24]。土壤改良最直接的衡量標(biāo)準(zhǔn)就是作物產(chǎn)量，作物產(chǎn)量的形成主要源自葉片光合作用。葉片凈光合速率是土壤各種水、肥、氣、熱條件的綜合反映，因而其結(jié)果可作為分析作物產(chǎn)量限制因素的重要依據(jù)[25-27]。由于粉壟處理打破了耕地犁底層，促進了水分入滲，土壤貯水量變大利于葉綠素合成[28]，粉壟作物葉片葉綠素含量較傳統(tǒng)農(nóng)耕的更高，凈光合速率隨之升高[29]。

粉壟整地后，較低的土壤容質(zhì)量和穿透阻力為供試作物提供了疏松的生長環(huán)境，利于根系深扎。根系生理活動增強可充分利用土壤水分和養(yǎng)分，促進地上部生長發(fā)育及干物質(zhì)積累，進而增產(chǎn)提質(zhì)[30]。其增產(chǎn)主要是通過提高籽粒干物質(zhì)積累和作物有效穗數(shù)來實現(xiàn)。從灌漿進程來看，作物的生物產(chǎn)量主要在花后灌漿階段形成[31]，對籽粒干物質(zhì)量起重要作用的是灌漿速率，其次為實際灌漿期和有效灌漿期。李軼冰等[7]對黃淮海平原春玉米籽粒灌漿過程及產(chǎn)量進行研究時發(fā)現(xiàn)，粉壟耕作主要通過延長有效灌漿期和提高灌漿速率以提高籽粒干物質(zhì)量；也有研究認(rèn)為，粉壟處理能夠提高供試作物的穗粒數(shù)，進而提高出籽率和產(chǎn)量[32-33]。

此外，由于容質(zhì)量和穿透阻力降低，土壤剖面水分運移、作物吸收利用規(guī)律隨之發(fā)生變化[34-35]。降雨及灌溉水分下滲速度加快，粉壟土壤蓄水能力顯著提高，有效持水量增加，這為作物提供了良好的水分條件，利于作物蒸騰，使無效耗水轉(zhuǎn)化為有效耗水[36]，從而提高作物生長期間的降水利用率[37]。

作物葉片水分利用效率（water use efficiency，WUE）是指蒸騰消耗單位質(zhì)量水分所同化CO2的量，常用凈光合速率與蒸騰速率的比值表示。土壤水肥條件的改善為WUE及作物產(chǎn)量提高奠定了基礎(chǔ)。深松作物水分利用效率顯著高于傳統(tǒng)旋耕，如李軼冰等[21]在研究不同粉壟作業(yè)深度與旋耕、深松兩對照處理下春玉米總耗水量和水分利用率差異時發(fā)現(xiàn)，與對照相比，粉壟各處理能夠顯著降低作物總耗水量，顯著提高單位產(chǎn)量WUE，且WUE與產(chǎn)量相關(guān)性達到極顯著水平[38]。也有研究發(fā)現(xiàn)，作物可以通過降低蒸騰作用來提高葉片的水分利用效率。翟振等[29]研究短期粉壟對小麥光合特性的影響時發(fā)現(xiàn)，較于傳統(tǒng)農(nóng)耕，粉壟處理的小麥凈光合速率顯著升高，但水分脅迫導(dǎo)致其氣孔導(dǎo)度顯著降低，蒸騰作用隨之顯著減弱，從而使兩種處理下作物WUE無顯著差異。

3 粉壟耕作技術(shù)目前存在的局限性

粉壟耕作技術(shù)變革了傳統(tǒng)農(nóng)耕方法，促進了土壤松土量、水分貯存利用量和光合效率量的合理增加利用，具有“增源擴庫”而實現(xiàn)作物產(chǎn)量提高和品質(zhì)改善的效果[39]。但在實際田間作業(yè)過程中，現(xiàn)在的粉壟機械動力消耗大，且作業(yè)深度越深，動力消耗越大，無疑提高了作業(yè)成本，需進一步完善農(nóng)機具設(shè)計以使其減小作業(yè)消耗、更加輕便靈活。同時，土壤水分狀況對機械的耕性影響也較大，其宜耕的土壤水分上下限要求比其他耕作措施更為嚴(yán)格，耕作的順利實施有賴于土壤水分過低狀態(tài)的改善。

另外，粉壟耕作技術(shù)在無鹽堿、土壤不板結(jié)的沙土地上使用效果不明顯。結(jié)構(gòu)性土壤中的水分運動和硝態(tài)氮淋溶都受到孔隙間距的強烈影響，粉壟耕作后會產(chǎn)生較大的土壤比表面積和較短的擴散路徑長度[40]，這種土壤結(jié)構(gòu)具有較強的入滲能力，為土壤與周圍流動的水之間的相互作用提供了捷徑，同時也加劇了無機態(tài)氮隨水分的淋溶。累積在更深層土體中的氮素不僅很難被下季作物利用，對環(huán)境也是不利的[41]。因此其環(huán)境效應(yīng)尚待進一步研究。

4 展望

粉壟耕作因其具有構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)、淡化鹽堿地含鹽量、改善根際微生態(tài)環(huán)境、蓄水保肥和提高經(jīng)濟效益的優(yōu)勢，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式中逐步代替了傳統(tǒng)的農(nóng)耕方法。粉壟農(nóng)耕技術(shù)對鹽堿土壤有著明顯的改良效果，較于傳統(tǒng)農(nóng)耕，也具有顯著的作物增產(chǎn)提質(zhì)效果。

目前相關(guān)粉壟研究均是對土壤和作物的短期效應(yīng)進行分析。粉壟和深松、翻耕等深土作業(yè)一樣，都有一定的后效，不必年年實施作業(yè)，可以與旋耕或免耕等耕作措施交替進行，但其耕作后效能夠維持的年限尚缺乏長時間尺度數(shù)據(jù)，需要進一步的田間試驗和長期追蹤觀察來確定。

鹽堿地改良還需重視耕作、栽培模式以及有機肥無機肥的合理施用[42-43]。沈婧麗等[13]的研究結(jié)果表明，鹽堿地作物種植時集成改良模式較單一改良措施，其改土效果和作物經(jīng)濟產(chǎn)量更好。不斷完善粉壟配套措施對解決我國諸如農(nóng)業(yè)灌溉需水矛盾、增產(chǎn)提質(zhì)等農(nóng)田問題具有深遠(yuǎn)影響。

土壤納米級孔隙表面能發(fā)生許多化學(xué)反應(yīng)，養(yǎng)分在土壤顆粒上的吸脫附行為，與納米孔隙有關(guān)[44]。在今后的研究中，應(yīng)注重研究粉壟耕作方式下土壤對養(yǎng)分的吸附與解吸效應(yīng)，對不同尺度的孔隙度動態(tài)變化進行量化且明確作用機理是今后研究的重點和難點之一。