粉壟耕作對土壤理化性質和水稻生長及產量的影響

石偉業(yè)， 何文壽， 李惠霞， 何進宇， 陳彥云

(1.寧夏大學農學院，寧夏銀川 750021； 2.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏銀川 750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，寧夏銀川 750021；4.旱區(qū)現(xiàn)代農業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏銀川750021；5.寧夏大學生命科學學院，寧夏銀川 750021)

寧夏引黃灌區(qū)是全國重要的水稻生產地之一，素有“塞上江南”的美譽[1]。該地區(qū)屬于干旱半干旱地區(qū)，常年降水稀少，大部分降水集中于夏季，但年均蒸發(fā)量大，導致土壤板結和鹽堿化問題嚴重，很大程度上制約了傳統(tǒng)水稻的生產[2]。

近年來，由于分散管理，農戶對大型耕作機械使用的頻率和積極性一般，多采用淺翻耕等耕作措施，但長期翻耕會導致耕層變淺，犁底層上移，土壤緊實度增加，透水透氣性能差，影響作物根系發(fā)育和對養(yǎng)分的吸收利用，降低了作物的產量，制約了農業(yè)經濟的可持續(xù)發(fā)展[3-4]。因此，通過耕作措施改變土壤耕層的結構，調節(jié)土壤的緊實程度和三相比例，協(xié)調好土壤內部水、肥、氣、熱的關系，是改善土壤狀況和作物生長的有效措施[5-6]。粉壟耕作不同于傳統(tǒng)的耕作方式，通過利用專用機械垂直螺旋型鉆頭，按照作物種植需求將土壤旋磨粉碎并自然懸浮成壟，可以在盡可能少地打亂土層的情況下打破犁底層，一次作業(yè)即完成深松、深耕與整地[7]，簡化了耕地作業(yè)的程序，為解決長期制約作物生長的問題和改善土壤耕層結構提供了一個新的思路和方法。

通過綜述現(xiàn)有研究成果發(fā)現(xiàn)，一方面，前人研究多局限于不同耕作措施對土壤理化性質和作物生長的影響，對同一耕作措施下不同耕作深度對其影響的試驗研究較少；另一方面，粉壟耕作技術目前已在小麥[8]、玉米[9]和馬鈴薯[10]等作物上產生了較多研究成果，但涉及傳統(tǒng)淹灌水稻的研究較少。本研究通過應用粉壟耕作技術在寧夏北部地區(qū)常年稻田開展試驗，以傳統(tǒng)旋耕為對照，設置不同粉壟耕作深度，重點探討粉壟耕作前、水稻收獲后土壤重要的物理性質、土壤養(yǎng)分以及水稻的生長特性和產量的變化，分析粉壟耕作對土壤理化性質的影響以及粉壟耕作深度與水稻生長的關系，為干旱半干旱地區(qū)推廣粉壟耕作技術和改善農業(yè)土壤環(huán)境提供科學依據和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與概況

試驗地位于寧夏平羅縣前進農場(38°42′N、106°20′E，海拔1 105 m)，該地區(qū)年均降水173 mm，多集中于7、8月，日照充足，年均蒸發(fā)量 1 755 mm。試驗地常年稻作，往年常用耕作方式為傳統(tǒng)旋耕，土壤為潮灌淤土。供試水稻品種為長粒優(yōu)，生育期130 d左右。試驗地土壤初始理化性質如表1所示。

1.2 試驗設計與實施

試驗采用單因素隨機區(qū)組設計，于2021年4月12日在耕作前取樣，耕作前樣品代號為BF(before treating)，13日開始耕作，以傳統(tǒng)旋耕(耕作深度約15 cm)為對照(CK)，分別設置粉壟耕作(FL)深度30、40、50、60 cm，共5個試驗處理，每個處理重復3次，處理小區(qū)的長度為44 m，寬度為12 m。邊緣設置寬度50 m的保護行，以確保中心試驗不受外因素影響。5月4日播種，采用催芽撒播技術，各處理一次性施入榮和大三元一次性控釋肥(N、P2O5、K2O含量分別為32%、13%、6%)，施用量為 600 kg/hm2，9月20日測產并取樣。試驗其他田間管理措施均保持一致。

表1 試驗區(qū)土壤初始理化性質

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤容重和孔隙度 在試驗地耕作前和收獲后，各處理使用環(huán)刀取樣法分別測定0～20、20～40、40～60 cm等3個層次的土壤容重和孔隙度。同時使用鋁盒采集每個層次的土樣。

1.3.2 土壤含水率 在試驗地耕作前和收獲后，采用鋁盒烘干法分別測定0～20、20～40、40～60 cm等3個層次土壤的含水率。

1.3.3 土壤養(yǎng)分 在試驗地耕作前和收獲后，按五點取樣法分別采集0～20、20～40、40～60 cm等3個層次的土壤，土樣混合后按四分法留1 kg，經風干、除雜、研磨后用于養(yǎng)分測定。土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質含量分別使用堿解擴散法、0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法、乙酸銨浸提-火焰光度法和重鉻酸鉀容量法-硫酸氧化法進行測定。

1.3.4 水稻根系活力 播種50 d后，在每個小區(qū)選取10株具有代表性且長勢一致的健壯植株，剪下根系沖洗干凈，放入裝有冰袋的保溫樣品收納箱內，迅速帶回實驗室，取白根的根尖部位，使用TTC法測定根系活力[11]。

1.3.5 水稻的生長特性及產量 試驗水稻成熟后，每個處理小區(qū)內分3個不同位置各采3組樣品，自然晾干后，進行考種和產量測定，分別記錄秸稈高度、莖粗、穗長、穗粒數、千粒質量等生長特性。

1.3.6 統(tǒng)計方法 所有數據采用Microsoft Office Excel 2021和SPSS 25軟件進行數據處理及分析，采用最小顯著差異法(least significant difference，LSD)進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式和深度對土壤容重、總孔隙度和土壤含水率的影響

土壤容重和孔隙度綜合反映了土壤顆粒和孔隙的狀況，是反映土壤松緊程度的重要指標，它直接影響土壤的透水透氣能力，間接影響作物根系的下扎和對土壤養(yǎng)分與水分的利用，對作物的生長發(fā)育起重要作用。通過表2可知，各處理土壤容重整體呈現(xiàn)隨土層深度的增大而逐漸增加的趨勢，且深層土壤的容重變化幅度趨于平緩。試驗田在耕作處理前0～20、20～40、40～60 cm容重分別為1.52、1.55、1.56 g/cm2，經過耕作處理后，收獲期FL50處理在0～20 cm層土壤容重最低，較耕作前和CK分別顯著降低6.58%和7.19%，20～40 cm土層粉壟處理容重都比較低，較CK分別顯著降低6.45%和5.84%；40～60 cm，土層FL60最低，較耕作前、CK和FL30分別顯著降低7.05%、7.05%、2.03%。

土壤總孔隙度與容重變化趨勢相反，在0～20 cm 土層以FL50處理最高，較CK顯著增加9.54%，20～40 cm土層仍以FL50最高，較CK顯著增加8.12%，40～60 cm土層FL60最高，較CK顯著增加9.45%?？梢姡現(xiàn)L50和FL60對試驗田的土壤容重和孔隙度均有顯著改善。

水分是制約旱地作物生長發(fā)育的重要因素[12]，面對近年來長期干旱、降水稀少的問題，土壤的蓄水能力顯得尤為重要。通過表2可以看出，粉壟處理在0～20 cm處的土壤含水率均高于CK，F(xiàn)L40和FL50與CK相比差異顯著，分別增加了5.51%、8.69%和16.86%。在20～40 cm處含水率差異不顯著，在40～60 cm處表現(xiàn)為FL30與CK顯著高于其他處理，分別為24.91%與24.59%。

表2 不同耕作方式和深度對0～60 cm土壤容重、孔隙度和含水率的影響

2.2 不同耕作方式和深度對土壤養(yǎng)分的影響

水稻的生長、高產及品質受多種因素的影響，除了土壤物理性質外，有研究指出，水稻根系的狀況能夠顯著影響水稻的產量增長和品質提升[13]。也有研究認為，水稻受干物質積累及氮素養(yǎng)分的影響[14]。一個良好的土壤狀態(tài)與合適的耕層結構可以為水稻的生長發(fā)育提供足夠的養(yǎng)分供給。試驗地在耕作前土壤緊實度較高，透水性能較差，不利于養(yǎng)分隨水分的運移與活動，加之春天季風的影響，易造成水分蒸發(fā)過快，產生養(yǎng)分聚集于表層土壤的情況，因此，保持養(yǎng)分傳輸路徑通暢，才能保證水稻根系較好地吸收養(yǎng)分，從而促進植株生長發(fā)育。

通過表3和表4可知，粉壟處理土壤堿解氮含量顯著低于CK，其中，40～60cm土層差異顯著，F(xiàn)L30、FL40、FL50、FL60處理與CK相比分別降低21.17%、39.74%、40.95%、39.08%，平均含量分別降低了30.33%、23.54%、26.10%、22.97%。速效磷含量同堿解氮相似，F(xiàn)L40與FL50處理在 20～40 cm 與40～60 cm的含量均顯著低于CK，它們在0～60 cm的平均速效磷含量較CK降低40.51%～36.64%。速效鉀含量在0～20 cm土層以FL30含量最高，F(xiàn)L60與CK緊隨其后，與其他處理相比差異顯著，在20～40 cm分布較均勻且差異不顯著，在 40～60 cm層次以FL30、FL40較高，與CK相比分別提升15.66%和16.51%。有機質含量在0～20 cm土層以FL30、FL40處理和CK顯著高于FL50、FL60處理，在20～40 cm 分布均勻，各處理間差異不顯著，在40～ 60 cm 以FL60與CK較高，F(xiàn)L40、FL30與FL50依次降低。其中CK平均含量最高，為26.16 g/kg。

表3 不同耕作方式和深度對0～60 cm土壤養(yǎng)分的影響

2.3 不同耕作方式和深度對水稻根系活力的影響

根系活力是評價作物根系吸收水分與營養(yǎng)物質強度的特征之一，對作物地上部的養(yǎng)分供應和產量具有重要的影響。通過圖1可知，播種50 d后，粉壟耕作處理的根系活力均大于CK，分別為87.24、96.50、122.23、120.51、62.22 mg/(g·h)，較CK分別提高40.21%、55.09%、96.45%、93.68%。

2.4 不同耕作方式和深度對水稻生長特性和產量的影響

通過表5可以看出，粉壟處理的株高高于CK，但差異不顯著，與CK相比分別增加4.4、4.5、7.4、6.4 cm，莖粗、穗粒數之間差異不顯著，粉壟處理的千粒質量均高于CK，與CK相比分別增加5.50%、4.80%、9.15%、5.37%。FL50產量最高，平均達到668.22 kg/666.7 m2，與CK相比提高25.45%。

表5 不同耕作方式和深度下水稻生長特性和產量的影響

2.5 不同耕作方式和深度對水稻偏生產力的影響

肥料偏生產力 (partial factor productivity， PFP)是反映當地土壤基礎養(yǎng)分水平和化肥施用量綜合效應的重要指標[21]。根據施肥量與產量計算水稻的偏生產力，結果如圖2所示。FL40、FL50、FL60的氮肥偏生產力(N，PFP)分別為51.09、52.20、50.44 kg/kg，均顯著高于CK；磷肥偏生產力(P2O5，PFP)分別為125.77、128.50、124.17 kg/kg，也顯著高于CK；鉀肥偏生產力(K2O，PFP)分別為272.49、278.43、269.03 kg/kg。水稻氮、磷、鉀的偏生產力均以FL50處理最高，分別為52.20、128.50、278.43 kg/kg，與CK相比均提升25.45%。

2.6 作物產量與耕作深度的效應函數特征

對水稻產量進行擬合(圖3)，水稻產量隨耕作深度的增加呈現(xiàn)先增高后降低的變化趨勢。通過方程擬合，水稻產量擬合方程為：

y=-0.108 3x2+10.796+391.97，r2=0.985 1。

當耕作深度為49.8 cm時，水稻產量最高，為661.0 kg/666.7 m2。因此，該試驗區(qū)粉壟耕作深度為49.8 cm時，水稻可獲得高產。

3 討論

土壤容重影響著土壤水分與養(yǎng)分的含量、分布，是評價土壤質量的重要物理性質[15]，通過傳統(tǒng)旋耕為對照，設置不同粉壟深度處理對試驗水稻田進行耕作后發(fā)現(xiàn)，粉壟耕作可以顯著降低土壤容重，增加土壤總孔隙度，這與前人多項研究結果[16-18]一致，說明粉壟耕作可以有效改善土壤的耕層結構，降低土壤的緊實程度，有利于水分的運輸與作物根系的發(fā)育[19]。但同時也應該注意，過大的耕作深度在依賴水分供給和對土壤溫度比較敏感的水田栽植水稻上應結合具體情況謹慎應用[20]，雖然深耕與粉壟在一定程度上可以促進水分的下滲和貯存，以應對長期干旱，但在需水量較大的生育時期需要一定的水分維持作物生長。

本試驗中，在管理措施、施肥方式和用量一致的條件下，粉壟耕作處理與傳統(tǒng)耕作處理相比，其水稻產量更高，分析其原因，主要為以下2個方面：首先，粉壟可以通過深松、深耕并將土粒打磨切割細碎，營造了適宜的土壤緊實度、孔隙度和土粒結構，有利于水分的入滲、運移和貯存，加速了養(yǎng)分隨水分的運移與淋溶，在一定程度上增加了土壤養(yǎng)分的活動性。另一方面，由于土壤耕層狀態(tài)的改變和孔隙度的提高，有利于水稻根系的生長與下扎，根系作為作物吸收水分與營養(yǎng)物質的重要器官，在疏松的土壤環(huán)境中可以更高效地吸收土壤中的養(yǎng)分，粉壟耕作營造的疏松適宜的土壤環(huán)境、充足的水分與“活化”的養(yǎng)分造就了供試水稻發(fā)達的根系和高效的養(yǎng)分吸收效率，從表4中粉壟處理耕層堿解氮、速效磷含量低于CK，圖1粉壟耕作處理根系活力顯著高于傳統(tǒng)耕作，以及圖2粉壟處理養(yǎng)分偏生產力高于CK等試驗結果印證了這一點，這與聶勝委等的研究結果[21-22]相似，說明在改變物理性質的同時，粉壟耕作可以促進作物根系對養(yǎng)分的吸收和利用[23]。

對于粉壟耕作表層土壤堿解氮、速效磷含量低于傳統(tǒng)耕作，且相較于耕作前土壤下層出現(xiàn)富集等現(xiàn)象，分析其原因，可能為以下3個方面：首先，有研究表明，氮素養(yǎng)分容易因淋溶，導致作物生育初期沒有被利用的氮素隨水分下滲至更深層次的土壤[24]。稻田在粉壟耕作后表層土壤的疏松致使固相含量相對減少、水分增加，促進了養(yǎng)分隨水分下滲到深層次的土壤；其次，因為水稻根系下扎的所在耕層主要為0～20 cm，所以粉壟對水稻根系發(fā)育和吸收能力的促進會減少表層土壤的養(yǎng)分；最后，CK深層次養(yǎng)分含量較高則是由于常年稻作和單一重復施用含氮量較高的復合肥，造成CK深層次土壤堿解氮等養(yǎng)分多年的積累和富集，而傳統(tǒng)耕作深度較低，深層次土壤沒有任何攪動，其土壤的耕層狀態(tài)與水分分布特征相較于粉壟耕作沒有發(fā)生本質和巨大的變化，因此耕層之間的養(yǎng)分分布較粉壟處理含量更多，且分布穩(wěn)定和均勻。

氮素養(yǎng)分作為水稻生長所需的重要養(yǎng)分之一，對氮素養(yǎng)分的吸收是水稻增產的關鍵[25-27]，有研究表明，增施氮肥可以提高水稻的有效穗數和穗粒數等水稻的產量構成因素[28]，還可以增加水稻的株高、根數等生長特性[29]，但過量的氮肥會使氮肥的農學利用效率(ANUE)降低，在高濃度氮素的環(huán)境中水稻的穗粒數和結實率明顯下降，導致減產[30]。除此之外，過量氮肥在土壤的積累會導致土壤板結，不利于水稻秧苗的發(fā)育和排鹽，也可能造成土壤環(huán)境的污染[31]。因此，通過粉壟耕作減緩因常年施用氮肥產生的表層土壤氮肥的積累，也是提升試驗地耕地質量、降低污染，減少制約水稻增產因素的一個途徑。

李美玲等研究發(fā)現(xiàn)，在深旋耕的條件下，某些品種的水稻增加種植密度后即使減少氮素的施用時，產量也不會顯著下降，因此，可以通過深耕減少氮肥的施用量，提高水稻氮肥偏生產力，達到節(jié)本增收的效果[32]。也有研究表明，在施用相同氮比例的情況下，粉壟耕作的氮肥偏生產力高于免耕和深耕[33]。粉壟耕作可以減少氮肥的施用，既可以減少成本，也可以防止氮肥的浪費和過量積累對土壤的污染。同時，可嘗試在收獲后實行一段時間的秸稈還田配合粉壟耕作，有利于養(yǎng)分的積累與貯存，對水稻來年的養(yǎng)分供給具有重要作用。

粉壟耕作可以提高水稻的穗粒數、千粒質量等產量構成因素，進而達到增產效果，與以往相關的作物粉壟試驗結果[34]一致。說明粉壟耕作可以通過改善土壤的耕層狀態(tài)，促進水稻根系下扎，促進水稻對養(yǎng)分的吸收利用，從而達到增產的目的。所有試驗處理的水稻產量較傳統(tǒng)淹灌插秧水稻的平均水平略低，是因為本試驗區(qū)域所處農場均采用更適宜于干旱、半干旱地區(qū)的水稻節(jié)水灌溉種植方式——催芽撒播技術，該技術的播種密度較傳統(tǒng)插秧水稻略低，致使最終產量略低。

4 結論

本試驗結果表明，相較于傳統(tǒng)的耕作方式，粉壟耕作可顯著降低土壤的容重，降幅為7%左右，增加土壤總孔隙度，實現(xiàn)對土壤深松與深耕的目的，促進水分的下滲與貯存以及補給流通，為水稻生長發(fā)育提供一個適宜的土壤環(huán)境。

粉壟耕作可以提高水稻根系活力，促進水稻對土壤養(yǎng)分的吸收利用，提高水稻的養(yǎng)分偏生產力。緩解淺層次土壤氮肥聚集和多年積累的狀況。

粉壟耕作可以促進水稻的生產結實，增加水稻的籽粒產量，其中以粉壟深度50 cm最佳，平均達到668.22 kg/666.7 m2，高于傳統(tǒng)耕作處理。通過耕作深度與水稻產量的方程擬合測算出49.8 cm的耕作深度可獲得高產，但也需結合當地的生產狀況、耕作機械的動力以及燃料成本綜合考量后選擇適宜的耕作深度，所以粉壟耕作是值得進一步在傳統(tǒng)淹灌水稻進行研究的耕作方式。