粉壟耕作改良鹽堿地效果及機理①

韋本輝，申章佑，周 佳，周靈芝，胡 泊，張 憲

(廣西農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所，南寧 530007)

鹽漬化，尤其是重度鹽漬化土地物理性治理與開發(fā)利用，仍屬世界面臨的重大難題。據(jù)聯(lián)合國教科文組織和糧農(nóng)組織不完全統(tǒng)計，全世界鹽堿地面積為9.543 8 億hm2[1]。中國鹽堿土面積為0.991 億hm2，僅次于澳大利亞，為世界第二大鹽堿地分布國家，約占世界鹽堿地資源的1/10[2]。中國鹽堿地面積占耕地面積的6.62%，主要分布在西北、華北、東北及沿海地區(qū)[3]，如果利用好，它將是一個巨大的潛力資源。鹽堿地的改良是一個全球性的課題，尋求有效的防治方法和改良措施對鹽堿地的合理利用、緩解耕地資源緊缺具有十分重要的意義。目前，對于鹽堿地的改良利用方法主要有化學措施、生物措施、水利措施及農(nóng)業(yè)措施等。沈婧麗等[4]研究指出，脫硫石膏改良鹽堿地在土壤全鹽、堿化度、孔隙度、膠體離子代換量、微生物活性、土壤酶活性、植物成活率、根系活力、光合及水分利用效率、產(chǎn)量與品質(zhì)等方面具有顯著效果。王曼華等[5]在研究秸稈雙層覆蓋對鹽堿地水鹽運動影響中指出，秸稈處理均在不同程度上抑制了土壤返鹽，其中土表與土表下35 ～ 40 cm 處秸稈覆蓋量2∶1 時返鹽率最小，遠低于對照。周圣凱[6]利用微咸水灌溉改良鹽堿地，水稻種植田間試驗表明施用磷石膏3.0 kg/m2、有機肥0.003 m3/m2，微咸水沖洗，改良效果良好。郭耀東等[7]在研究輪作綠肥對鹽堿地的影響時，發(fā)現(xiàn)種植和翻壓豆科綠肥可有效改良中度蘇打鹽堿地，顯著提高土壤肥力，促進優(yōu)質(zhì)牧草的生產(chǎn)。張雪辰等[8]對化學改良劑聚丙烯酰胺(PAM)適宜用量研究發(fā)現(xiàn)，PAM 在鹽漬土改良中較適宜的施用量為0.09 g/kg。馬玉露等[9]在研究氧化鈣與有機無機混合肥配施對鹽堿地改良效果中發(fā)現(xiàn)，150 kg/hm2CaO +2 996 kg/hm2有機無機混合肥條件下土壤pH 和堿化度改良效果最優(yōu)，并且土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量也有明顯改善。王潔等[10]研究指出，風化煤添加到不同含鹽量的濱海鹽漬化土壤后，可降低土壤浸提液的鈉吸附比及Cl-/SO2-4比，有助于減輕鹽漬危害。這些措施對鹽堿地的改良有一定的效果，但不是成本太高就是需要的時間太長，均不利于鹽堿地的規(guī)模改造。粉壟耕作技術(shù)是筆者團隊發(fā)明[11]的一項新型農(nóng)耕技術(shù)，是“超深耕、不亂土層、保松土、一次性完成整地任務(wù)、可適于包括鹽堿地退化草原及林果地等一切宜耕土地”的耕作整地方法與栽培技術(shù)。該技術(shù)有利于土壤均勻細碎、孔隙度增加、容重降低，有利于雨水的下滲從而聚集更多的天然降水，有利于作物根系深扎吸取更多的水分、養(yǎng)分，有利于提高肥料利用率等。研究表明，該方法可以有效促進作物產(chǎn)量的提高[12-16]，在鹽堿地改良利用上也已經(jīng)取得初步成效[17]，但其改良鹽堿地的具體機理尚不清楚。為此，本研究針對重度鹽堿化土壤，比較了粉壟耕作和拖拉機旋耕兩種方式對土壤容重、全鹽含量和玉米產(chǎn)量的影響，以明確粉壟耕作技術(shù)物理性改良鹽堿地的機理及其增產(chǎn)效果，為鹽堿地的改良利用提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山東省東營市黃河三角洲農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)廣北農(nóng)場二分場，為濱海重度鹽堿地。試驗地前期為荒地，土壤0 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60 cm 土層原始全鹽含量分別為11.3、5.1、4.1 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置粉壟耕作(FL)深度40 cm 和拖拉機旋耕(XG)深度20 cm 兩種處理，各3 次重復，每個處理與另外一個相鄰。小區(qū)長30 m，寬16 m，面積480 m2。第一次耕作時間2017 年5 月10 日，耕作后不種植作物；第二次耕作時間2017 年8 月25 日，耕作后播種胡蘿卜、白菜，觀察其可否發(fā)芽、出苗；第三次耕作時間2018 年5 月29 日，耕作后種植玉米，按常規(guī)種植管理，但不進行灌溉，2018 年9 月17 日收獲。

1.3 取樣時間及方法

在第一次耕作前(2017 年5 月7)、第一次耕作后(2017 年5 月10 日)、第二次耕作前(2017 年8 月23日)、第二次耕作后(2017 年8 月26 日)、第三次耕作前(2018 年5 月28 日)、第三次耕作后(2018 年5 月29 日)、玉米收獲后(2018 年9 月17 日)，每個小區(qū)選取3 個點，深挖至土表下60 cm，按照0 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60 cm 分層取環(huán)刀樣測定土壤物理結(jié)構(gòu)。另，每個小區(qū)按照棋盤法選取24 個樣點，用土鉆在每個樣點按0 ～ 20、20 ～ 40、40 ～ 60 cm 分層取樣，混合均勻，并在陰涼條件下自然晾干，測定土壤全鹽含量。

1.4 測定指標及方法

土壤物理指標測定：采用環(huán)刀法測定土壤容重，根據(jù)土壤容重計算土壤孔隙度。

土壤全鹽含量測定：殘渣法，參照張冬梅等[18]方法。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013 進行數(shù)據(jù)的初步處理，采用SPSS 17.0 進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式對鹽堿地土壤容重的影響

由表1 可見，兩種耕作方式均可以降低耕作層的土壤容重，但影響的土層有所不同。拖拉機旋耕可以降低0 ～ 20 cm 土層的容重，由耕作前的1.27 g/cm3降低到玉米收獲后的1.12 g/cm3，但是對20 ～ 60 cm土層的容重幾乎沒有影響，容重維持在1.35 g/cm3左右；粉壟耕作可以降低0 ～ 20 cm 土層的容重，可將容重由耕作前的1.27 g/cm3降低到玉米收獲后的1.06 g/cm3，但對40 ～ 60 cm 土層的容重沒有影響，仍然維持在1.35 g/cm3左右。

與拖拉機旋耕相比，粉壟耕作可以更大幅度地降低土壤容重，而且也可以影響更深層次的土壤。0 ～20 cm 土層，每次耕作后即時取樣，粉壟耕作比拖拉機旋耕降低容重0.03 ～ 0.08 g/cm3，降低幅度2.36% ～6.35%；在第二次耕作前、第三次耕作前、玉米收獲后取樣顯示，粉壟耕作比拖拉機旋耕仍然降低容重0.05 ～ 0.10 g/cm3，降低幅度3.70% ～ 7.25%。20 ～40 cm 土層，每次耕作后即時取樣，粉壟耕作比拖拉機旋耕降低0.19 ～ 0.34 g/cm3，降低幅度12.50% ～22.22%；在第二次耕作前、第三次耕作前、玉米收獲后取樣顯示，粉壟耕作比拖拉機旋耕仍然降低容重0.21 ～ 0.27 g/cm3，降低幅度13.63% ～ 17.42%。40 ～60 cm 土層，由于兩種耕作方式均未能擾動到該土層，其容重保持在1.39 g/cm3左右(表1)。

表1 不同耕作方式土壤容重(g/cm3)Table 1 Soil bulk densities under different tillage methods

2.2 不同耕作方式對鹽堿地土壤全鹽含量的影響

2.2.1 0 ～ 20 cm 土層 作物的生長，根系主要分布在0 ～ 20 cm 土層，鹽堿地土壤的鹽分大部分也是集中于這個土層，從而限制了作物的生長發(fā)育，這也是大部分鹽堿地不能種植作物的原因所在。在本試驗中，多年未耕作的重度鹽堿地0 ～ 20 cm 土層全鹽含量達11.3 g/kg。

由表2 可見，重度鹽堿地經(jīng)拖拉機旋耕，第一次耕作后，全鹽含量下降到9.2 g/kg，下降幅度18.58%，在第二次旋耕之前，其含量有所上升，為9.7 g/kg，但第二次旋耕后含鹽量又下降到與第一次旋耕后幾乎一樣的水平(8.7 g/kg)，第三次旋耕前和第三次旋耕后、玉米收獲后土壤的全鹽含量有小幅度波動，但總體維持在同一水平。

重度鹽堿地經(jīng)粉壟耕作，第一次耕作后，土壤全鹽含量下降到8.6 g/kg，下降幅度23.89%，在第二次粉壟前、第二次粉壟后、第三次粉壟前、玉米收獲后含鹽量呈持續(xù)下降的趨勢，最終在玉米收獲后，土壤全鹽含量下降到 4.3 g/kg，比耕作之前下降了7.0 g/kg，下降幅度為61.94%。

2.2.2 20 ～ 40 cm 土層 由于拖拉機旋耕機具的限制，無法耕作到20 ～ 40 cm 土層，所以在整個試驗期內(nèi)，拖拉機耕作處理的該土層土壤全鹽含量變化不大，維持在5.0 g/kg 小幅度波動。

表2 不同耕作方式土壤全鹽含量(g/kg)Table 2 Soil total salt contents under different tillage methods

粉壟耕作粉碎疏松至土壤20 ～ 40 cm 土層，所以在整個試驗期內(nèi)該處理該土層的全鹽含量總體呈上升的趨勢，經(jīng)過3 次粉壟耕作和種植一季玉米后，該層土壤中全鹽含量由5.1 g/kg 增加到7.2 g/kg，上升幅度為41.18%。

2.2.3 40 ～ 60 cm 土層 在40 ～ 60 cm 土層，拖拉機旋耕和粉壟耕作兩種方式均無法擾動到該土層。拖拉機旋耕土壤全鹽含量在該土層表現(xiàn)與20 ～ 40 cm土層相似，保持在4.0 g/kg 左右小幅度波動。

粉壟耕作的全鹽含量在該土層中仍然呈上升趨勢，但其上升的幅度較20 ～ 40 cm 土層的小，經(jīng)過3次粉壟耕作和種植一季玉米后，土壤全鹽含量由4.1 g/kg 增加到4.9 g/kg，上升幅度為19.51%。

3 討論

鹽堿土是在一定的自然條件下形成的，其形成的實質(zhì)主要是各種易溶性鹽類在地面作水平方向與垂直方向的重新分配，從而使鹽分在土壤表層逐漸積聚起來，它的形成主要是受氣候、地形和水文地質(zhì)等自然因素的綜合影響[19]。根據(jù)不同的地理環(huán)境，中國的鹽堿土可以分為東部濱海鹽土與灘涂、黃淮海平原鹽漬土、東北松嫩平原鹽土和堿土、半漠境內(nèi)陸鹽土和青海、新疆極端干旱的漠境鹽土[20]。鹽堿地土壤中鹽分的運動特征為“鹽隨水走、水走鹽留”，“鹽隨水走”指的是土壤中的鹽分隨水分一起遷移，“水走鹽留”則是指在土壤表層水分由于蒸發(fā)作用進入空氣，而鹽分就留在土壤表層，從而使得土壤表層的鹽分含量增加，當增加到一定程度時形成鹽土[21]。土壤中水分遷移有水平和垂直兩個方向，水分垂直向下運動主要依靠淋溶下滲作用進行，鹽堿地改良中灌溉“壓鹽”利用的就是這個原理[22]；水分的垂直向上和水平移動主要依靠土壤的毛細管作用進行，鹽堿地改良中用砂礫或者秸稈等物質(zhì)設(shè)置隔鹽層就是為了切斷土壤的毛細管作用，阻止下層的鹽分向上遷移[23-24]。

蔣名亮等[25]對黃河三角洲縣域研究發(fā)現(xiàn)，0 ～20 cm 土層土壤鹽分高于20 ～ 40 cm 土層，0 ～ 20 cm土層土壤沿海岸線表現(xiàn)出強烈的鹽化和鈉質(zhì)化現(xiàn)象，而20 ～ 40 cm 土層整體上鹽分和鈉吸附比均小于表層土壤，鹽化與鈉質(zhì)化比較弱；土壤pH 則表現(xiàn)為20 ～ 40 cm 土層高于0 ～ 20 cm 土層，其堿化現(xiàn)象較為明顯。

在本試驗中，粉壟耕作可以有效改良鹽堿地，正是遵循了鹽堿地土壤中鹽分的運移規(guī)律，采用有效的物理措施進行干預，從而達到了改良的目的。①粉壟耕作利用粉壟機械螺旋型鉆頭，垂直入土高速旋磨切割土壤，不僅加深了土壤耕作層( 40 cm 左右) ，且土壤均勻細碎，將原來耕作層中土壤鹽分分布到加深后的耕作層土壤中，在物理層面上稀釋了鹽分的含量，使 0 ～ 20 cm 耕層中的土壤鹽分含量得以明顯下降；②粉壟耕作后，鹽堿地土壤耕作層疏松，雨水下滲速度加快 30% ～ 50%，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以下的底部土壤；③粉壟耕作機具螺旋型鉆頭橫向切割土壤，使得耕作層內(nèi)土壤細碎，其毛細管被切斷，下滲到底部的鹽分難以再隨蒸騰返鹽；④經(jīng)粉壟耕作的鹽堿地土壤，隨著“淡鹽”作用和通透性的增強，加之土壤其他養(yǎng)分和微生物得以激活利用，形成全新的土壤生態(tài)環(huán)境，有利于促進作物根系生長和深扎，形成良好的根系體系，促進地面植株茁壯生長和提高光合效率，進而促進作物大幅增產(chǎn)。

筆者在其他研究中也有類似的結(jié)果，比如在吉林洮南的重度鹽堿地，經(jīng)過粉壟耕作后0 ～ 20 cm 土層的全鹽含量下降了72%，隨后任其在自然狀態(tài)下生長雜草，雜草生物量比拖拉機旋耕增產(chǎn)1 倍以上，在新疆尉犁的重度鹽堿地粉壟耕作種植棉花、在陜西富平的輕度鹽堿地粉壟耕作種植玉米/小麥也獲得類似的結(jié)果[17]。在本試驗區(qū)外，本課題高粱試驗表明，粉壟耕作3 次處理后，種植的高粱地上部生物產(chǎn)量為123 300 kg/hm2，比拖拉機旋耕 3 次的生物產(chǎn)量31 785 kg/ hm2，增產(chǎn)287.9%。

4 結(jié)論

粉壟耕作，利用其超深耕不亂土層、土壤空隙度大、毛細管被切斷的優(yōu)勢，可有效促進鹽堿地上層(0 ～ 20 cm)土壤中的鹽分向中、下層土壤遷移，中、下層土壤中接納的上層下移鹽分不易再上移“返鹽”，從而達到改良鹽堿地的目的。該方法改良鹽堿地，操作簡單、成本低廉、見效快，可在我國鹽堿地特別是重度鹽堿地改良上推廣使用。

致謝：本論文的完成得到山東黃河三角洲農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)管委會科技局劉志鑫、王路路、亓超、王菊英等同志在試驗過程中給予的幫助，在此表示感謝。