粉壟耕作對作物生境、產量及品質影響研究現狀與展望

崔烜瑋 何進宇 楊佳鶴 劉飛楊 楊艷 馬巧梅

崔烜瑋，何進宇，楊佳鶴，等. 粉壟耕作對作物生境、產量及品質影響研究現狀與展望［J］. 江蘇農業科學，2024，52（7）：10-16.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.07.002

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏銀川 750021； 2.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏銀川 750021；3.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，寧夏銀川 750021）

摘要：土壤耕層變淺、土壤結構愈發密實、孔隙連通效果變差等因素是制約土地質量和作物產量品質的一大掣肘。粉壟耕作技術可以改善土壤環境，提升作物生長發育水平，實現作物增產提質。綜述粉壟耕作對土壤理化性質、土壤養分、土壤鹽分、微生物多樣性和作物產量品質的影響，以及與其他農藝措施融合的研究進展。粉壟耕作能夠有效降低耕作層土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤含水量和儲水能力，增強水分入滲并減少地表徑流，從而加強土壤抗旱能力；粉壟耕作可以擴大土壤儲肥空間，綜合養分含量得到提高，土壤養分相比旋耕更能有效被利用，且該耕作方式能加速淋洗鹽效果，提供更適宜的土壤環境，促進土壤微生物的繁殖和活動。粉壟耕作對甘蔗、玉米、馬鈴薯等作物生育情況有著顯著的提升，可以增強作物對水肥的吸收利用效率，使得作物往往表現出長勢迅速、果實優質的特點。此外，粉壟耕作與地膜覆蓋、間作和開溝排水等農藝措施融合，更利于解決干旱、低效、農田淹水等問題。目前粉壟耕作在多個地區已取得良好的試驗結果，但成本大、能耗高，不適用于濕土、軟土、沙土以及存在地下水污染風險等問題，仍亟待學者們進一步探究。

關鍵詞：粉壟；土壤物理性質；土壤鹽分；土壤微生物多樣性；土壤養分

中圖分類號：S341.1；S152? 文獻標志碼：A? 文章編號：1002-1302（2024）07-0010-07

土壤是糧食生產的載體，對土地進行合理耕作，能明顯改變土壤結構，優化土壤環境，是實現作物增產提質的重要手段［1］。我國的耕作方式常見有翻耕、免耕、旋耕等，這些耕作方式的長期應用導致土壤耕層變淺、結構密實以及物理性質惡化，進而使水分入滲和作物根系生長受阻；不僅作物難以吸收水分養料，且由于水肥富集于表層土壤，易受到水土流失和蒸發作用的強烈影響，還會出現土壤蓄水保肥能力嚴重下降的問題［2-4］。韋本輝在木薯增產的試驗中發現疏松土壤條件下種植的木薯的產量明顯優于土壤板結和表皮結膜條件下種植的木薯的產量，說明改變現有農田耕層淺、土壤板結的狀況是提高作物產量的有效途徑，在此理論基礎上，韋本輝團隊經過眾多大田試驗以及對市場耕作機械的調研后，于2008年開始自主研發粉壟技術及其專用機械［5］。韋本輝在2009年、2010年將粉壟技術應用于淮山藥、木薯、花生、大豆、玉米、紅薯等作物的種植，發現作物均表現出根系發達、植株健壯的特點，產量也均獲大幅提高［6］。之后，韋本輝等又對粉壟甘蔗、粉壟水稻的產量品質及土壤環境進行研究，發現粉壟耕作不僅能加厚耕作層，打通上下毛管聯系，促進水分、溶質運移，提高土壤保水、保肥、淋洗鹽能力，還能促進植株根系的生長發育，為作物增產提質創造條件［7-9］。本研究通過針對粉壟耕作對土壤水鹽運移規律、養分遷移變化、生物多樣性影響的研究進展進行綜述，從中發現粉壟耕作技術的特點與應用前景，進而為不同地區未來深入開展農作物粉壟耕作提供理論依據。

1 粉壟耕作對土壤環境的影響

土壤是作物生長的基礎，而耕作是改變土壤理化性質的手段。通過合理的耕作措施，可以有效改善土壤的水分、養分、氣體和熱量條件，從而提升土壤肥力，實現作物增產和提質的效果［10］。粉壟耕作技術通過其特點，對土壤物理性質、養分狀況、鹽分運移及生物多樣性產生較顯著的影響。

1.1 粉壟耕作對土壤物理性質的影響

粉壟耕作依靠其高速運轉的雙向刀頭，快速切割粉碎土壤，使其粉化，首先影響土壤的物理性質，許多學者針對粉壟耕作對土壤物理性質的影響進行研究。為達到維護土壤結構和保持土壤肥力的目的，很多農民采用免耕技術，但吳建富等認為，短期內采用免耕措施確實可以改善土壤的物理性質，但隨著連續免耕時間的延長，土壤理化性質會逐漸變劣，土壤養分易富集于表層，影響作物正常生長［11］。另外，農民常用的淺旋耕方式同樣存在類似的問題。首先，土壤犁底層上移，耕層土壤變淺，使得根系無法充分扎根，影響作物的水分吸收能力和營養攝取能力；其次，深層土壤逐漸變得密實，導致土壤的滲透能力和通氣性能下降，影響土壤的水分入滲和氣體交換；最后，最重要的是長期淺旋耕會削弱土壤的保水保肥能力，導致土壤水分和養分流失，使土壤肥力逐漸減弱［12］。

1.1.1 粉壟對土壤容重、孔隙度的影響

土壤容重、孔隙度是土壤重要的物理指標，對土壤的水-肥-氣-熱交換及作物汲取水分與養分至關重要，主要與土壤質地、結構等因素相關。一般而言，相同性質的土壤容重越小，則孔隙越發達，土壤越疏松，為作物生長與微生物活動提供有利條件。土壤是由固、液、氣3相物質組成，3相組成的變化對土壤肥力的高低具有直接的影響。陶星安等認為，粉壟耕作重新分配了土壤中氣-液-固3相的占比，使得土壤結構指數升高和3相結構距離降低，令耕層土壤結構趨向于理想狀態［13］；楊博等通過比較傳統耕作和粉壟耕作，發現粉壟可打破土壤犁底層，使更深處的土壤被外力作用打散、重組，進而改善耕作層深度的土壤結構，起到顯著降低土壤容重，增大土壤孔隙度的作用［14］；熊梓沁等認為，不同深度的粉壟耕作處理均比常規旋耕處理更能有效降低土壤容重，提高土壤孔隙度，改善土壤耕層結構［15］；何進宇等也對不同深度、不同耕作方式土壤進行對比研究，發現與常規旋耕相比，粉壟耕作能夠有效降低土壤容重并提高土壤孔隙度［16］。

1.1.2 粉壟對土壤水分狀況的影響

水分對作物生長發育至關重要，其中土壤水分是作物水分的主要來源。蔣發輝等認為，粉壟耕作能夠有效調節土壤水分的傳輸和蓄存過程，可以加快水分運移，增大土壤的儲水量，這有助于抵御土壤區頻發的季節性干旱［17］；楊永輝等通過室內模擬試驗發現深松耕作可以提高土壤的水分下滲速度，高于常規耕作方式［18］；馬強等對田間土壤水分滲透速度進行測試，發現深松耕作可以顯著提升土壤的入滲能力［19］；張玉嬌等也指出，粉壟耕作可有效提高土壤含水量，增強土壤儲水能力，從而加強土壤的抗旱能力［20-23］。

土壤持水能力由土壤顆粒與水分子間的作用力以及土壤毛管力所決定，受多個因素影響，其中土壤質地、有機質含量和毛細管孔隙數量是主要影響因素［24］。相較于傳統犁地和常規旋耕，粉壟耕作能粉碎較深處密實的土壤，并將下層土壤與上層土壤充分混合，完成對土壤顆粒的分散、破碎和重新組合。在此過程中土壤毛管重新形成，毛管半徑也處于合適的范圍，在毛管中可供懸著的水量增加，進而土壤持水能力得到增強。此外，粉壟耕作還能擴大土壤的儲水空間，與淺層土壤相比，大氣蒸發對深層土壤影響較小，多余的水分可以更好地保存在土壤中，這對作物在干旱期的水分汲取十分重要。甘秀芹等認為，粉壟耕作能改善土壤的滲透性，提高土壤對深層水分的調蓄能力［25］。這種改善主要是通過使用垂直螺旋鉆頭深入作用于土壤，使土壤顆粒得到細碎，土壤結構得到重組而實現，且粉壟耕作后的土表一般呈粗糙狀，這在降水時能減少地表徑流的形成，使更多的水流滲入土壤。

1.1.3 粉壟耕作對土壤團聚體的影響

土壤團聚體是土壤中儲存養分的重要部分，對土壤的供肥能力具有直接影響。耕層中不同粒徑級別的土壤團聚體數量是評估土壤結構的重要指標，它們直接或間接反映土壤理化性質的優劣程度。王彩霞等認為，旋耕比傳統農作和免耕能夠增加特征微團聚體的數量，同時可以增加較大顆粒的特征微團聚體的有機碳和全氮含量［26］；張祥彩等認為，深松能夠明顯增加土壤中粒徑大于0.25 mm的水穩性團聚體含量［27］；陳仕林等認為，粉壟耕作下土壤團聚體的平均質量直徑和平均幾何直徑明顯高于常規耕作，說明粉壟耕作后土壤團聚體的穩定性和土壤的抗侵蝕能力更強［28］；王世佳等認為，粉壟耕作后的土壤顆粒變得光滑細小，排列變得緊密，這使土壤中形成了更多0.25～1.00 mm粒徑的機械性團聚體［29］。不同耕作方式一定有著不同土壤團聚體形成的機制，也存在土壤團聚體數量分布的差異性，但現有研究在這些方面還比較空白。

1.2 粉壟耕作對土壤養分的影響

粉壟耕作對土壤擾動程度較大，能使上下層土壤進行充分的交換與混合，進而較大地改變了養分在土壤中的分布。靳曉敏等認為，粉壟耕作下土壤有機質和速效養分的含量比增加［30］；Wei等對粉壟耕作處理后的稻田進行土壤理化性狀測定，發現土壤中所有養分的含量明顯增加［31］；蔣發輝等認為，不同深度的粉壟耕作均可顯著增加土壤中的全氮、堿解氮、有機質和速效鉀含量［32］；聶勝委等認為，粉壟耕作可以顯著提高潮土的速效鉀含量和砂姜黑土的有效磷含量［33］?？梢?，粉壟耕作可使土壤密度下降、團聚體數量增加，擴大土壤儲肥空間，這正是土壤養分含量高于旋耕的原因之一。鄭佳舜等認為，與常規耕作相比，不同施肥處理下的粉壟耕作均使水稻全生育期內的土壤總有機碳含量減少，但是下層土壤較上層土壤的總有機碳含量降低率均低于常規耕作［34］。這與其他學者的研究結論有些許差異，造成此差異的原因可能是粉壟耕作下的不同作物根系對養分的吸收能力不同，且不同的土壤質地也使得有機碳分布和有機碳下滲速率出現差異，這又導致根系對養分的吸收速率存在變化。

另外，粉壟耕作既可以使上下層土壤交換混合，又可以提高水分的入滲速率，這就使得施于土表的肥料在耕作過程中更易被帶至下層土壤，且水溶性養料也會隨水分流至下層土壤，便于作物根系充分吸收；而常規旋耕由于耕作深度淺，下層土壤相對密實，所以養分富集于表層土壤，難被較深處作物的根系吸收?？傮w而言，在坡耕地等容易發生侵蝕的土壤區，粉壟耕作使水肥養分存儲于下層土壤中，可以減少水土流失，使得土壤養分相比旋耕更能有效被利用［35］。

1.3 粉壟耕作對土壤鹽分的影響

土壤鹽分脅迫是導致干旱地區作物生產力下降和環境污染的主要原因之一［36］。適用的耕作措施可以為作物提供適宜的生長微環境，降低耕層土壤的鹽分含量，從一定程度上減輕土壤的鹽堿化問題［37-38］ 。周慧等認為，土壤氨揮發總量隨著土壤鹽漬化程度的提高而增加，環境污染也會隨之加?。?9］；Ding等認為，深耕結合蚯蚓糞的處理相比于免耕和未施用改良劑的土壤可降低土壤的鹽分和堿度，進而改良土壤的特性［40］；張柯雨等認為，粉壟機械的螺旋鉆頭在旋削土壤時，使耕作深度內的土壤得到均勻深松和重組，也將表層土壤中的鹽分帶至深處，同時，鉆頭的橫向切割斷開了土壤毛細管，影響土壤中水和鹽分的運動，使深層土壤中的鹽分不易被蒸騰作用“返鹽”，因此土壤含鹽量減少，極大地改善了根系土壤環境［41］；曹明海等認為，粉壟耕作處理下的水鹽運移速率較傳統耕作更快，淋洗鹽效果更好［42］。綜上，粉壟耕作可有效降低土壤含鹽量，對鹽堿地改良有著重要意義。

1.4 粉壟耕作對微生物多樣性的影響

作為評價土壤質量變化的重要指標，土壤微生物群落多樣性受到人們越來越多的關注［43］。土壤微生物是土壤中最活躍的組成部分，對土壤中的養分循環和利用等起著重要作用。通過耕作可直接改變土壤結構和理化性質，從而間接影響土壤中微生物和酶的活性。土壤酶活性的提高可以通過酶促反應來降低土壤中的有毒物質含量，減少對作物的毒害作用。相比翻耕和旋耕，保護性耕作和粉壟耕作能夠提供更加適宜的土壤環境，從而促進土壤微生物的繁殖和活動［44］。楊慰賢認為，與常規耕作相比，粉壟耕作能顯著提高土壤中微生物的數量和酶活性，從而改善土壤質量，尤其在0～40 cm深度的土壤中，粉壟耕作使微生物數量顯著增加［45］；夏皖豫采用Illumina MiSeq測序技術綜合分析得出，與傳統耕作相比，粉壟耕作可以明顯改善土壤中細菌的多樣性和豐富度估計量［46］。這是因為土壤微生物活性與土壤pH值和養分含量密切相關［47］，而粉壟耕作使土壤水鹽運移情況得到改善，進而使土壤pH值和養分含量容易處于有利于微生物群落生存的范圍。相比之下，長期進行傳統耕作會導致土壤結構破壞，土壤有機質含量大幅減少，土壤質量下降，給微生物的生存環境帶來不利影響。

粉壟耕作能對土壤微生物群落結構產生正向影響，原因一方面可能是粉壟耕作實現了對更深層土壤的較大擾動，這種擾動可以改善土壤碳分布，削弱土壤的碳流失，還可以增加土壤團聚體的形成［48］，土壤團聚體結構的動態變化又反饋控制土壤微生物活動和土壤有機質組分的分異作用，使得土壤有機質組分-土壤團聚體結構-微生物群落結構的動態變化之間存在耦合作用，進而改變細菌群落結構和多樣性［49］；另一方面由于粉壟使土壤持水能力增強，降水入滲和土壤水分調蓄改變了微生物的群落結構，土壤細菌豐度、細菌功能基團和土壤酶活性的提高也作用于土壤微生物功能多樣性和碳源代謝能力，促進微生物活性與養分循環，從而逐步改善耕地土壤質量，提高作物產量。

2 粉壟耕作對作物生長及產量品質的影響

2.1 粉壟對作物根系發育、植株表現和產量品質的影響

有許多相關研究結果表明，粉壟耕作對作物生育情況有顯著的提升作用，具體表現為根系發育和作物生長相關指標的變化，這些指標的升高同樣反映作物產量和品質的提升。李浩等認為，經40 cm深度粉壟耕作的甘蔗在整個生育期內的根系發育指標和作物生長指標都遠高于旋耕處理，且新植蔗和宿根蔗平均產量的提高率分別為18.9%、12.9%，糖分含量分別提高11.8%、3.9%（表1）［50］；張邦彥等認為，粉壟30、40、60 cm深度處理均比旋耕處理下的馬鈴薯產量有顯著提高［51］；任曉月等認為，不同粉壟耕作深度處理下種植的玉米籽粒的百粒重、穗粒數、平均穗數和平均產量較旋耕處理均顯著增加（表2）［52］；石偉業等認為，粉壟 30～60 cm深度處理相較于旋耕處理，水稻的株高、穗粒數、籽粒的千粒重和單位產量均有不同程度提高，其中以粉壟 50 cm 處理為最優（表3）［53］；孫美樂等對比傳統翻耕、隔年粉壟、連年粉壟對棉花生長的影響，發現隔年粉壟與連年粉壟處理下的棉花產量性狀差異不顯著，但二者都明顯優于傳統翻耕，此外，粉壟對土壤環境和作物生育的影響具有持久性［54］。

2.2 粉壟耕作實現作物增產提質的機制解析

土壤環境的改善是實現作物增產提質的根本原因。王奇等采用轉錄組測序和實時熒光定量PCR技術對甘蔗根系中氮素吸收利用相關基因表達水平進行分析，發現粉壟耕作與傳統翻耕種植的甘蔗存在45個有關氮素吸收利用的基因表達水平存在差異，其中粉壟甘蔗根系有44個基因表達水平優于傳統翻耕［55］。李素麗等認為，粉壟條件下，甘蔗苗期良好的根系發育促使甘蔗在伸長期和成熟期具有較強的光合作用能力，這有利于作物積累有機物［56］。高偉等對粉壟花生進行研究，也發現粉壟耕作后優渥的土壤條件是作物根系良好發育的原因，發達的根系為作物生長提供了大量的水分養料，進而提升作物地上部分的生長水平［57］。

綜上，粉壟耕作可以提高根系土壤的水肥含量，促進作物生育前期的根系生長，也能保證作物生育后期的養分供給；另外，其對土壤結構的改善還可以增加根系與土壤的接觸面積，從而提高作物根系對水肥的利用效率。兩者因素相結合使作物在全生育期內表現出長勢迅速、果實優質的特點，最終實現作物的增產提質。

3 粉壟耕作與其他農藝的融合

粉壟耕作技術的理論基礎來源于“疏松的土壤提高了木薯產量”這一試驗結論。蔣發輝等認為，粉壟耕作能疏松土壤結構、調節水鹽環境、增加土壤養分含量和提高作物產量［58-59］ 。同時，結合配施外源有機碳，粉壟耕作還可調節土壤pH值，顯著提升土壤有機質含量［60］。還有學者認為，將粉壟耕作的優勢與其他農藝措施相融合，可對多種技術的正向影響實現疊加效果。

地膜覆蓋是一種控溫保水的有效技術手段，近年來在旱作農業方面發揮了巨大優勢。秦舒浩等認為，覆膜耕作可以提高作物的蒸騰耗水效率，減少無效蒸發耗水量，促進作物地上部分的干物質積累［61-62］；齊智娟等認為，全膜覆蓋可以大幅提高土壤含水率，并對耕層土壤有著顯著的保溫效果，在一定程度上可以解決旱區農作水分利用效率低的狀況［63］。粉壟耕作也對解決土壤干旱和作物缺水問題有著重要意義。張邦彥等從粉壟耕作與覆膜結合對馬鈴薯產量和土壤物理性質的影響進行研究，發現粉壟結合覆膜措施較其他單一措施和耕作，均可以顯著優化土壤水分環境，馬鈴薯抗旱增產提質效果明顯［64］。

經濟效益通常用來評價作物種植的合理性，通過計算分析作物經濟產值以對同一土壤不同作物的種植制度進行比較。木薯種植以廣西壯族自治區為主，但其存在產量低、效益差的問題，這使得木薯種植面積呈減小趨勢。勞承英等采用木薯‖大豆間作結合粉壟耕作解決木薯效益、產量問題，發現粉壟耕作可以有效提升木薯前期生育水平；在相同粉壟深度下，間作木薯產量稍低于單作木薯，但大豆與木薯的共同經濟效益均超過單作處理［65］。可見，間作對解決作物效益的優點與粉壟耕作提高作物產量的優點結合在一起，兩者的融合應用可以實現木薯的增產提效。

開溝排水是改善農田淹水狀況的一項關鍵技術手段。龔嘉等認為，粉壟耕作和開溝排水處理對烤煙的生長發育具有顯著影響，在整個生育期內，粉壟耕作和開溝排水處理下的土壤速效養分和有機質含量均高于常規處理，尤其是粉壟耕作與開溝排水結合處理下，土壤在整個生育期內的速效養分含量最高，烤煙根系發育水平明顯更好［66］。粉壟深耕和開溝排水都能提高作物產量和品質［67-68］，這與二者技術對土壤理化性質和作物生長的水肥環境的改善密不可分。此外，粉壟耕作與開溝排水技術結合，還能提高作物器官干物質量，調節作物化學性狀。

4 問題與展望

粉壟耕作技術實現了對傳統農業方法的改革，可以有效改善土壤環境，提升作物光合能力，進而提高作物的產量和品質。但是在實際田間作業中，現有的粉壟機械動力消耗較大，且與作用深度成正比，若想充分發揮粉壟耕作的優勢，有時需要增加作業深度。因此，粉壟機械設計還需進一步改進，以滿足我國農業農村生產特點，減小作業消耗、提高輕便靈活性。粉壟機械不適合在濕土、軟土等條件下耕作，且粉壟耕作帶來的作物增產提質效果是基于對土壤理化性質、微生物和酶活性的改善實現的，不能為本就無鹽堿、土壤不板結的沙土地帶來明顯效果。粉壟耕作后的土壤孔隙更發達、水分運移路徑更短，較強的入滲能力加劇了無機氮隨水分的淋溶和運移，使得氨素更易累積于深層土壤中，而累積在深層土壤中的氨素無法被作物利用，可能對土壤環境產生負向影響。粉壟技術可耕至50～60 cm深度，發達的土壤孔隙結構可以加強水分和溶質的運移能力，且粉壟耕作可以改善微生物的群落結構，加速微生物活動。但從粉壟機械的耕作特點來看，粉壟過程必然會把土壤中利于土壤改良、物質循環、生物多樣性的蚯蚓殺死，且機械所產生的內能會破壞它們的生存環境，粉壟耕作對如蚯蚓這樣的生物會產生何種負向影響，又對不同的作物種植和不同的土壤環境產生何種影響還需要學者們進行后續研究。此外，發達孔隙的形成會削弱水溶性肥料流向深層土壤的阻力，存在肥料流失所導致的地下水污染風險。

“農業-農村-農民”是我國持續向好發展的基礎。新時代下的“三農”工作更應依托于工程技術的發展而實現大面積機械化。粉壟耕作順應時代而生，無疑為我國的“三農”工作提供了技術支持。希望通過各地不同作物的粉壟耕作試驗，不斷完善技術模式，改進機械設計，早日使我國農業地位跨上新的臺階。

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基金項目：寧夏回族自治區重點研發計劃重大項目（編號：2019BBF02006-1）；寧夏高等學校一流學科建設項目（編號：NXYLXK2021A03）；寧夏大學大學生創新創業訓練計劃（編號：G2021107490024）；寧夏大學博士科研啟動基金（編號：030700002306）。

作者簡介：崔烜瑋（1998—），男，河北邯鄲人，碩士研究生，主要從事農業水土資源高效利用研究。E-mail：cuixueyang137@163.com。

通信作者：何進宇，博士，副教授，主要從事農業水生態與水土資源高效利用研究。E-mail：hejinyu2017@163.com。