粉壟耕作對河套灌區鹽堿地土壤性質的影響

楊 博，屈忠義，孫慧慧，楊 威，王麗萍，劉 霞，張如鑫，王麒源

（內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018）

0 引 言

【研究意義】鹽堿地既是我國生態可持續發展的主要障礙因子，又是重要的后備土地資源。內蒙古河套灌區光照充足、蒸發強烈而降雨量小，是我國鹽漬土面積較大的區域之一，全灌區鹽堿耕地面積約為39.4 萬hm2，占總耕地面積的68.65%[1]。粉壟耕作可促進河套灌區鹽堿地土壤鹽分的淋洗，改善鹽堿地土壤結構，有利于提高河套灌區鹽堿地土壤資源的利用效率，對合理開發、利用及改良河套灌區鹽堿地資源具有重要意義。【研究進展】耕作方式是調控土壤理化性質的主要農藝措施，但常年淺耕、翻耕對土壤的擾動性大，會破壞土壤結構；免耕有利于土壤保水保肥，但長期免耕加上機械碾壓會使土壤體積質量增大，犁底層變厚上移，致使作物根系難以下扎，不利于吸收深層土壤的養分[2]。前人研究表明，深松耕作可顯著降低土壤體積質量，增大土壤孔隙度，提升土壤有機質量和全氮量，打破土壤犁底層為作物根系的綜合生長提供良好條件，顯著促進根系在下層土壤中的生長，有利于作物根系對水分和養分的吸收，從而提高作物產量[3-4]。李景等[5]研究表明，與傳統耕作相比，長期深松耕作可以顯著提高＞0.25 mm 的土壤團聚體量及其穩定性。傅敏等[6]研究表明深松耕作可顯著提高微生物生物量碳。（微生物生物量碳指土壤中微生物體內碳的總和）。

粉壟耕作顧名思義即使用粉壟機械進行耕作，粉壟機械由廣西五豐機械有限公司研制，利用機械的螺旋鉆頭高速旋轉將土壤研磨粉碎，粉壟耕作深度比普通耕作更深，作業深度一般為40～80 cm，可通過調節鉆頭的高度進行調控。粉壟耕作可打破深層土壤的犁底層，活化土壤養分。經過對多地多種作物試驗研究表明，粉壟耕作對冬小麥[7]、玉米[8]、水稻[9]、木薯[10]等均具有增產效果，粉壟還可降低鹽漬化土壤鹽分[11]。【切入點】內蒙古河套灌區鹽堿地普遍存在土壤結構性差且高鹽、高pH 值等問題，向日葵因具有耐鹽堿性，成為內蒙古河套灌區鹽堿地種植的重要作物，但是多年向日葵連作導致輪作倒茬困難，病蟲草害發生嚴重，如列當、菌核病、黃萎病、葵螟等，造成向日葵大量減產甚至絕收，出現農民種植向日葵高投入低產出甚至虧損的現象。本試驗通過與常規耕作相比，研究粉壟耕作對河套灌區鹽堿地土壤電導率和pH 值，土壤體積質量、孔隙度、三相比，水穩性團聚體的量及分布，土壤有機質量和全氮量，土壤微生物菌落數的影響，以期為粉壟耕作在河套灌區鹽堿地上的推廣應用提供理論參考依據。【擬解決的關鍵問題】通過粉壟耕作改善鹽堿地土壤性質為種植小麥、玉米及高粱等作物提供良好的條件，便于多年連作的向日葵農田輪作其他作物，避免或減輕向日葵多年連作導致的各種病蟲草害等問題，促進作物的增產，增加農民收入。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于內蒙古五原縣隆興昌鎮榮豐村，該地屬于中溫帶季風氣候帶，全年日照時間3 263 h，年均溫6.1 ℃，≥10 ℃的積溫3 392 ℃，無霜期 117～136 d。年蒸發量較大，年均降雨量為170 mm，冬春季土壤鹽分表聚現象嚴重。試驗區0～40 cm 深度土壤基本情況見表1。

1.2 試驗設計

試驗設置粉壟耕作和常規翻耕2 個處理，粉壟耕作深度為（40±5）cm，記為F；常規翻耕深度為（13±2） cm，記為P。以常規耕作為對照，每個處理設置3 個重復小區，每個小區面積為52.8 m2（8 m×6.6 m）。

2018 年葵花秋收后，按照當地習慣將葵花秸稈還田。2019 年6 月4 日在試驗田種植高粱（品種：吉雜127），高粱采用當地一膜兩行的覆膜滴灌種植方式，穴距約25 cm，大行距為70 cm，小行距為40 cm。每穴播種2～3 粒種子，種植密度約145 000 株/hm2。

表1 0～40 cm 土壤基本情況 Table 1 Basic information of 0～40 cm soil

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤電導率和pH 值

使用土鉆對試驗小區土壤分層取樣，取樣深度為0～120 cm，每20 cm 為1 層，共計6 層。將土樣帶回實驗室風干研磨并過2 mm 篩，使用去離子水按土、水質量比為1∶5 的溶解攪拌并振蕩混合，靜置2 h后用雷磁 DDSJ－308A 電導率儀和酸度計分別測定土樣上清液電導率和pH 值。

1.3.2 土壤體積質量、孔隙度和土壤三相比

粉壟后，于2019 年5 月（春播前）采用五點取樣法在粉壟耕作和常規耕作處理的試驗區隨機選取5個樣點，采用環刀法取樣，取樣深度為0～50 cm，每10 cm 為1 層，共計5 層。

土壤體積質量：

式中：ρb為土壤體積質量（g/cm3）；W1為烘干土樣和環刀的質量和（g）；W0為環刀的質量（g）；V 為環刀的體積（cm3）；ρs為土粒密度2.65 g/cm3，X、Y 和Z分別為土壤固相、液相和氣相體積，以占土壤總體積的百分比計算（%），0.4 和0.6 為修正系數。

1.3.3 土壤有機質量和全氮量

在粉壟耕作和常規耕作的試驗小區分別取0～20 cm 和20～40 cm 的土樣，每個處理取3 個重復。土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定，全氮量采用濃硫酸－過氧化氫消煮后，經凱氏定氮儀（FOSS）測定。

1.3.4 土壤水穩性團聚體

在粉壟耕作和常規耕作的小區用鐵鍬分別取膜間0～20 cm 和20～40 cm 的土樣約2 kg，每個處理取3 個重復，將土樣帶回實驗室切除邊緣受擠壓的土壤后，將剩余土壤沿自然結構掰成小塊并風干。土壤水穩性團聚體的分布采用濕篩法測定：取100 g 混合均勻的土樣，置于孔徑依次為5、2、1、0.5、0.25 和0.125 mm 的套篩最上層，加水淹沒最上層篩面，浸泡10 min，然后以20 次/min 的頻率震蕩10 min，將留在每個篩子上面的土壤沖洗到鋁盒中，在105 ℃烘干至恒質量，稱質量。其中大于2 mm 的團聚體為粗大團聚體，0.25～2 mm 的團聚體為細團聚體，二者合稱為大團聚體，小于0.25 mm 的團聚體為微團聚體。

1.3.5 土壤微生物菌落數

在粉壟耕作和常規耕作的小區按“S”形五點采樣法采集膜內0～20 cm 和20～40 cm 的土樣，各處理土樣混合均勻后用冷藏箱保存土樣，將土樣及時送回實驗室過200 目的土篩，用去離子水充分混勻土壤，采用稀釋涂布平板法培養微生物。微生物培養方法[13]：細菌使用牛肉膏蛋白胨培養基，稀釋質量濃度為10-5、10-6、10-7，37 ℃下倒置培養24 h 后計數；放線菌使用高氏一號培養基，稀釋質量濃度為10-5、10-6、10-7，28 ℃下倒置培養4 d 后計數；真菌使用馬丁氏培養基，稀釋質量濃度為10-4、10-5、10-6，28 ℃下倒置培養4 d后計數。

1.4 數據處理

試驗數據使用Excel 2016 軟件統計作圖，使用SPSS 22.0 軟件進行顯著性檢驗（DUNCAN），差異顯著性在P＜0.05 水平。

2 結果與分析

2.1 粉壟耕作對土壤電導率和pH 值的影響

圖1 為土壤電導率和pH 值。由圖1（a）可知，粉壟耕作后，在0～20 cm 和20～40 cm 深度鹽堿地土壤電導率值分別降低了618 μS/cm 和361 μS/cm，在0～40 cm 深度，作物主根區的生長范圍內，粉壟耕作后土壤可溶性全鹽量相對于常規耕作土壤降低了30.34%。0～60 cm 深度粉壟耕作后鹽堿地土壤可溶性全鹽量降低，電導率值明顯低于普通耕作的土壤；鹽分主要在60～80 cm 深度積累。由圖1（b）可知，粉壟耕作后0～80 cm 深度鹽堿地土壤pH 值降低，而80 cm 深度以下土壤pH 值增大。其中，0～40 cm 深度鹽堿地土壤pH 值顯著降低，在0～20 cm 和20～40 cm深度鹽堿地土壤pH 值分別下降了0.73 和0.60。

圖1 土壤電導率和pH 值 Fig.1 Soil electrical conductivity and pH value

2.2 粉壟耕作對土壤體積質量及孔隙度的影響

有研究表明，當土壤體積質量達到1.3 g/cm3時，作物產量會因土壤通氣不良受到影響[2,14]。由圖2（a）可見，常規耕作土壤除0～10 cm 深度土壤體積質量小于1.3 g/cm3，其他深度土壤體積質量均大于1.3 g/cm3，這可能與表層土壤經常受到人為松土翻耕以及向土壤中施加有機肥有關。常規耕作的土壤體積質量值呈現出先增大后減小的趨勢，在20～30 cm 深度最大為1.51 g/cm3，這會影響作物的正常生長。而粉壟對10～40 cm 深度土壤體積質量則有明顯改善，粉壟后10～40 cm 深度土壤體積質量與常規耕作土壤相比均有顯著性差異，尤其對20～30 cm 深度影響最為顯著，土壤體積質量降低值達0.23 g/cm3，降低了15.33%；對10～20 cm 和30～40 cm 深度也有一定影響，土壤體積質量降低值分別為0.1 g/cm3和0.08 g/cm3，說明粉壟耕作可以疏松土壤顯著降低土壤體積質量。

有學者[15]研究表明，土壤總孔隙度一般在35%～65%之間，最適宜的區間為50%～60%。由圖2（b）可見，粉壟后0～40 cm 深度土壤孔隙度與常規耕作有顯著差異，且0～30 cm 深度土壤孔隙度在最適宜區間內。常規耕作處理土壤0～10 cm 深度孔隙度在最適宜的區間，而20～50 cm 深度尤其在20～30 cm 深度土壤孔隙度與50%相差較大，粉壟后該層土壤孔隙度由43.09%增大到51.82%，增大了20.24%。

圖2 土壤體積質量和孔隙度 Fig.2 Soil bulk density and porosity

結合土壤體積質量和孔隙度指標分析可知，除0～10 cm 深度外，河套灌區鹽堿地普遍存在體積質量較大而孔隙度較小的問題，而且在20～30 cm 深度土壤體積質量最大，這主要與該層土壤長時間不能得到有效翻耕疏松且受機械碾壓有關，在外界綜合因素長時間的影響下，該層土壤最終形成密實的犁底層，進而影響土壤水肥氣熱的交換及作物根系長度及干質量等指標的綜合生長。粉壟耕作通過疏松土壤可顯著降低土壤體積質量、增大土壤孔隙度，尤其在20～30 cm 深度土壤變化最為明顯，說明粉壟耕作可打破土壤犁底層，改善土壤物理性狀，使土壤結構變得疏松多孔有利于水肥氣熱的交換及作物根系的生長。

圖3 土壤三相組成及三相比R 值 Fig.3 Three phase composition and three phase ratio R value of soil

2.3 粉壟耕作對土壤三相比的影響

研究表明[12]，一般情況下土壤理想的三相體積比例為固∶液∶氣=50∶25∶25。由圖3（a）和圖3（b）可知，粉壟可有效降低土壤固相體積，協調土壤三相比例，使土壤三相結構向理想結構趨近。由圖3（c）可知，0～20 cm 深度粉壟前后土壤的R 值變化不明顯，這可能與表層土壤處受人為活動頻繁有關；而20～40 cm 深度變化明顯，在20～30 cm 和30～40 cm 深度土壤R 值分別由13.97 和21.05 降低到4.33 和11.51，土壤的三相構成與理想的土壤結構更加接近，而40～50 cm 深度未進行粉壟作業，土壤R 值與常規耕作接近且明顯高于0～40 cm；說明粉壟可協調土壤三相比例，改善土壤的三相結構，可促進土壤的水肥氣熱交換及作物生長。

2.4 粉壟耕作對土壤水穩性團聚體的影響

由于粒徑大于5 mm 的水穩性團聚體量較少，將粒徑在2～5 mm 的團聚體合并計算。由圖4 可知，在0～20 cm 土層內，粉壟耕作粒徑大于0.5 mm 的大團聚體量高于普通耕作，且粒徑在0.5～1.0 mm 的水穩性團聚體量占比較高；而隨著時間的推移，粉壟耕作土壤微團聚體減少，大團聚體量增加。9 月，粉壟耕作鹽堿地土壤水穩性大團聚體占60.67%，而常規耕作處理土壤水穩性大團聚體僅占51.68%，水穩性團聚體量增加了17.40%。粉壟耕作提高了0～20 cm 土層土壤水穩性大團聚體，增幅為36.8%。在20～40 cm土層，小于0.125 mm 的微團聚體量呈降低趨勢，而大于0.25 mm 的水穩性團聚體量增加，土壤水穩性大團聚體分布與 0～20 cm 土層類似，主要集中在0.25～1.00 mm，這主要與粉壟耕作提高了土壤有機質有關。粉壟耕作增大了土壤孔隙度，為土壤微生物提供良好的生長環境，從而促進有機質的積累及土壤膠體的凝聚，使土壤微團聚體向土壤大團聚體轉化。粉壟耕作使鹽堿地土壤水穩性團聚體量整體增大，且粒徑在0.25～1.00 mm 的團聚體量增加明顯。

2.5 粉壟耕作對土壤有機質量及全氮量的影響

圖5 為土壤有機質量和全氮量。由圖5 可知，粉壟耕作后鹽堿地0～40 cm 深度土壤有機質量和全氮量有明顯提升。在0～20 cm 和20～40 cm 土層內，粉壟耕作后土壤有機質量分別增加了53.59%和79.19%；全氮量分別增加了27.12%和14.29%；土壤有機質量和全氮量的提高可以起到疏松土壤的作用，有利于改善土壤結構，并為作物生長提供養分物質。

2.6 粉壟耕作對土壤微生物菌落數的影響

圖6 為土壤微生物菌落數。由圖6 可知，鹽堿地土壤中微生物菌落數從大到小依次為細菌＞放線菌＞真菌；粉壟耕作對土壤細菌、放線菌和真菌均有提高，從微生物菌落數量方面分析，粉壟耕作對細菌菌落數增加最多，而真菌菌落數增加最少。在0～20 cm土層內，土壤細菌、放線菌和真菌增幅分別為19.39%、60.76%和25.00%，而在20～40 cm 土層內，土壤細菌、放線菌和真菌增幅分別為37.29%、127.27%和25.79%。20～40 cm 土層不同菌類微生物的增幅均比0～20 cm 大，這可能與多年淺耕及機械碾壓導致鹽堿地土壤20 cm 以下存在的犁底層有關，犁底層不利于作物根系的綜合生長，犁底層以下土壤的養分大量積累，經過粉壟耕作后，土壤犁底層被打破，20～40 cm 深度土壤體積質量降低，孔隙度增大，為微生物的生長繁殖提供有利條件，使得深層土壤微生物快速繁殖。

圖5 土壤有機質量及全氮量 Fig.5 Soil organic matter and total nitrogen

圖6 土壤微生物菌落數 Fig.6 Number of soil microbial colonies

3 討 論

鹽堿地因土壤高鹽、高pH 值問題對作物有鹽堿脅迫作用，鹽堿脅迫對種子萌發及作物生長影響顯著，在種子萌發期間，因土壤的鹽堿脅迫作用會使種子難以吸收足夠的水分來合成萌發所需要的各種酶和結構蛋白，難以完成細胞的分裂分化，從而降低種子萌發率[16]；在作物生長期間，鹽堿脅迫作用還會抑制作物對土壤水分和養分的吸收，從而影響作物產量。粉壟耕作打亂了土壤原有毛管通道，降低了春冬季節土壤返鹽作用，粉壟耕作打破了土壤犁底層，增大了土壤孔隙，有利于春匯時期土壤鹽分的淋洗，根據鹽隨水去的規律，土壤中的可溶性鹽離子隨水向深層土壤運移。本研究表明，粉壟耕作可明顯降低鹽堿地土壤0～40 cm 深度土壤可溶性全鹽量和pH 值，為種子萌發及作物生長提供良好條件。

土壤體積質量和孔隙度是土壤重要的物理性狀之一，對土壤水肥氣熱的交換有重要作用。河套灌區鹽堿地普遍存在土壤黏重、體積質量大而孔隙度小、結構性差的問題。此外，常年淺耕及機械碾壓還會導致土壤犁底層變厚上移，耕層變淺。王新兵[3]研究表明，土壤體積質量增大會抑制作物根系的綜合生長及其對土壤水分和養分的吸收，從而影響作物產量；趙亞麗等[17]研究表明，深松可顯著降低土壤體積質量及緊實度，增大土壤孔隙度并改善土壤三相結構比，有利于作物根系的綜合生長。這與本研究結論一致，粉壟耕作可降低鹽堿地土壤體積質量、增大孔隙度并降低土壤三相比，對20～30 cm 深度的土壤改善效果尤為顯著。

團粒結構是最適宜土壤水肥氣熱交換及作物生長的結構，土壤團粒結構的多少可在一定程度上表征土壤肥沃程度，水穩性團聚體對土壤抗蝕能力及結構穩定性具有重要意義。章征程等[18]研究表明，河套灌區鹽堿地土壤大團聚體質量分數與土壤有機碳量和全氮量呈顯著正相關關系，而有機物質在大團聚體形成中起重要的作用；而小團聚體質量分數與EC、pH及Na+、SO42－、Cl－和CO32－呈顯著正相關關系，鹽分決定鹽堿土小團聚體的數量，因此，河套地區鹽堿土改良，應在降低鹽分的同時加大有機物質投入量。張博文等[4]研究表明深松耕作可改善土壤結構，有利于提高 0～10 cm 土層土壤有機碳轉化效率及深層土壤有機碳量。王世佳等[19]通過掃描電鏡觀察發現粉壟耕作后土壤微形態具有表面光滑、土壤比表面積較大及孔隙分布更豐富等特點，粉壟耕作顯著增加赤紅壤的中團聚體量，相對其他耕作方式，粉壟深度為40 cm時，可顯著增加1～0.25 mm 粒徑機械穩定性團聚體量，減少了大于3 mm 粒徑水穩性團聚體量。本試驗研究表明，粉壟耕作可提高土壤有機質量及全氮量促進鹽堿地土壤水穩性團聚體量的增加，且粒徑在0.25～1.00 mm 的團聚體量增加明顯，這與王世佳等[19]的研究結論相符。

土壤微生物群落多樣性[20]作為評價土壤質量變化的重要指標，已越來越引起人們的關注，一般而言，土壤越肥沃、結構性越好的土壤，微生物菌落數也越多。傅敏等[6]研究表明深松結合秸稈還田能夠改善土壤基本性質及土壤微生物群落結構，有利于增加土壤固碳能力和解決土壤退化問題；李景等[5]研究表明深松結合小麥秸稈覆蓋和小麥～花生輪作等措施均可改善土壤團聚體狀況，提高土壤微生物多樣性；張博文等[21]研究表明深松較旋耕提高0～20 cm 土層細菌群落豐富度與多樣性，連續深松可進一步提高微生物群落豐富度，各深松處理以深松2 a 效果最優。本試驗研究表明，粉壟耕作可顯著增加0～40 cm 深度土壤的微生物菌落數，尤其對20～40 cm 深度土壤微生物菌落數增加顯著，這可能與粉壟打破土壤犁底層，增大了20～40 cm 深度土壤孔隙度，為土壤微生物提供良好的生存條件有關，促進了微生物的生長繁殖。

4 結 論

1）粉壟耕作后，0～40 cm 深度土壤可溶性全鹽量下降30.34%；在0～20 cm 和20～40 cm 深度土壤pH值分別下降了0.73 和0.60，為種子萌發及作物生長提供良好條件。

2）粉壟耕作可降低0～40 cm 深度土壤體積質量，增大土壤孔隙度，改善土壤三相結構比，尤其對20～30 cm 深度影響顯著。

3）粉壟耕作可增加鹽堿地土壤有機質、全氮及水穩性團聚體量，且粒徑在0.25～1.00 mm 的團聚體量增加明顯。

4）粉壟耕作可增加0～40 cm 深度土壤微生物菌落數，且對20～40 cm 深度土壤微生物菌落數增加顯著。