粉垄耕作对河套灌区盐碱地土壤性质的影响

2020-09-05屈忠义孙慧慧王丽萍张如鑫王麒源

灌溉排水学报 2020年8期

杨博，屈忠义，孙慧慧，杨威，王丽萍，刘霞，张如鑫，王麒源

（内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018）

0 引言

【研究意义】盐碱地既是我国生态可持续发展的主要障碍因子，又是重要的后备土地资源。内蒙古河套灌区光照充足、蒸发强烈而降雨量小，是我国盐渍土面积较大的区域之一，全灌区盐碱耕地面积约为39.4 万hm2，占总耕地面积的68.65%[1]。粉垄耕作可促进河套灌区盐碱地土壤盐分的淋洗，改善盐碱地土壤结构，有利于提高河套灌区盐碱地土壤资源的利用效率，对合理开发、利用及改良河套灌区盐碱地资源具有重要意义。【研究进展】耕作方式是调控土壤理化性质的主要农艺措施，但常年浅耕、翻耕对土壤的扰动性大，会破坏土壤结构；免耕有利于土壤保水保肥，但长期免耕加上机械碾压会使土壤体积质量增大，犁底层变厚上移，致使作物根系难以下扎，不利于吸收深层土壤的养分[2]。前人研究表明，深松耕作可显著降低土壤体积质量，增大土壤孔隙度，提升土壤有机质量和全氮量，打破土壤犁底层为作物根系的综合生长提供良好条件，显著促进根系在下层土壤中的生长，有利于作物根系对水分和养分的吸收，从而提高作物产量[3-4]。李景等[5]研究表明，与传统耕作相比，长期深松耕作可以显著提高＞0.25 mm 的土壤团聚体量及其稳定性。傅敏等[6]研究表明深松耕作可显著提高微生物生物量碳。（微生物生物量碳指土壤中微生物体内碳的总和）。

粉垄耕作顾名思义即使用粉垄机械进行耕作，粉垄机械由广西五丰机械有限公司研制，利用机械的螺旋钻头高速旋转将土壤研磨粉碎，粉垄耕作深度比普通耕作更深，作业深度一般为40～80 cm，可通过调节钻头的高度进行调控。粉垄耕作可打破深层土壤的犁底层，活化土壤养分。经过对多地多种作物试验研究表明，粉垄耕作对冬小麦[7]、玉米[8]、水稻[9]、木薯[10]等均具有增产效果，粉垄还可降低盐渍化土壤盐分[11]。【切入点】内蒙古河套灌区盐碱地普遍存在土壤结构性差且高盐、高pH 值等问题，向日葵因具有耐盐碱性，成为内蒙古河套灌区盐碱地种植的重要作物，但是多年向日葵连作导致轮作倒茬困难，病虫草害发生严重，如列当、菌核病、黄萎病、葵螟等，造成向日葵大量减产甚至绝收，出现农民种植向日葵高投入低产出甚至亏损的现象。本试验通过与常规耕作相比，研究粉垄耕作对河套灌区盐碱地土壤电导率和pH 值，土壤体积质量、孔隙度、三相比，水稳性团聚体的量及分布，土壤有机质量和全氮量，土壤微生物菌落数的影响，以期为粉垄耕作在河套灌区盐碱地上的推广应用提供理论参考依据。【拟解决的关键问题】通过粉垄耕作改善盐碱地土壤性质为种植小麦、玉米及高粱等作物提供良好的条件，便于多年连作的向日葵农田轮作其他作物，避免或减轻向日葵多年连作导致的各种病虫草害等问题，促进作物的增产，增加农民收入。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于内蒙古五原县隆兴昌镇荣丰村，该地属于中温带季风气候带，全年日照时间3 263 h，年均温6.1 ℃，≥10 ℃的积温3 392 ℃，无霜期 117～136 d。年蒸发量较大，年均降雨量为170 mm，冬春季土壤盐分表聚现象严重。试验区0～40 cm 深度土壤基本情况见表1。

1.2 试验设计

试验设置粉垄耕作和常规翻耕2 个处理，粉垄耕作深度为（40±5）cm，记为F；常规翻耕深度为（13±2） cm，记为P。以常规耕作为对照，每个处理设置3 个重复小区，每个小区面积为52.8 m2（8 m×6.6 m）。

2018 年葵花秋收后，按照当地习惯将葵花秸秆还田。2019 年6 月4 日在试验田种植高粱（品种：吉杂127），高粱采用当地一膜两行的覆膜滴灌种植方式，穴距约25 cm，大行距为70 cm，小行距为40 cm。每穴播种2～3 粒种子，种植密度约145 000 株/hm2。

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

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤电导率和pH 值

使用土钻对试验小区土壤分层取样，取样深度为0～120 cm，每20 cm 为1 层，共计6 层。将土样带回实验室风干研磨并过2 mm 筛，使用去离子水按土、水质量比为1∶5 的溶解搅拌并振荡混合，静置2 h后用雷磁 DDSJ－308A 电导率仪和酸度计分别测定土样上清液电导率和pH 值。

1.3.2 土壤体积质量、孔隙度和土壤三相比

粉垄后，于2019 年5 月（春播前）采用五点取样法在粉垄耕作和常规耕作处理的试验区随机选取5个样点，采用环刀法取样，取样深度为0～50 cm，每10 cm 为1 层，共计5 层。

土壤体积质量：

式中：ρb为土壤体积质量（g/cm3）；W1为烘干土样和环刀的质量和（g）；W0为环刀的质量（g）；V 为环刀的体积（cm3）；ρs为土粒密度2.65 g/cm3，X、Y 和Z分别为土壤固相、液相和气相体积，以占土壤总体积的百分比计算（%），0.4 和0.6 为修正系数。

1.3.3 土壤有机质量和全氮量

在粉垄耕作和常规耕作的试验小区分别取0～20 cm 和20～40 cm 的土样，每个处理取3 个重复。土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定，全氮量采用浓硫酸－过氧化氢消煮后，经凯氏定氮仪（FOSS）测定。

1.3.4 土壤水稳性团聚体

在粉垄耕作和常规耕作的小区用铁锹分别取膜间0～20 cm 和20～40 cm 的土样约2 kg，每个处理取3 个重复，将土样带回实验室切除边缘受挤压的土壤后，将剩余土壤沿自然结构掰成小块并风干。土壤水稳性团聚体的分布采用湿筛法测定：取100 g 混合均匀的土样，置于孔径依次为5、2、1、0.5、0.25 和0.125 mm 的套筛最上层，加水淹没最上层筛面，浸泡10 min，然后以20 次/min 的频率震荡10 min，将留在每个筛子上面的土壤冲洗到铝盒中，在105 ℃烘干至恒质量，称质量。其中大于2 mm 的团聚体为粗大团聚体，0.25～2 mm 的团聚体为细团聚体，二者合称为大团聚体，小于0.25 mm 的团聚体为微团聚体。

1.3.5 土壤微生物菌落数

在粉垄耕作和常规耕作的小区按“S”形五点采样法采集膜内0～20 cm 和20～40 cm 的土样，各处理土样混合均匀后用冷藏箱保存土样，将土样及时送回实验室过200 目的土筛，用去离子水充分混匀土壤，采用稀释涂布平板法培养微生物。微生物培养方法[13]：细菌使用牛肉膏蛋白胨培养基，稀释质量浓度为10-5、10-6、10-7，37 ℃下倒置培养24 h 后计数；放线菌使用高氏一号培养基，稀释质量浓度为10-5、10-6、10-7，28 ℃下倒置培养4 d 后计数；真菌使用马丁氏培养基，稀释质量浓度为10-4、10-5、10-6，28 ℃下倒置培养4 d后计数。

1.4 数据处理

试验数据使用Excel 2016 软件统计作图，使用SPSS 22.0 软件进行显著性检验（DUNCAN），差异显著性在P＜0.05 水平。

2 结果与分析

2.1 粉垄耕作对土壤电导率和pH 值的影响

图1 为土壤电导率和pH 值。由图1（a）可知，粉垄耕作后，在0～20 cm 和20～40 cm 深度盐碱地土壤电导率值分别降低了618 μS/cm 和361 μS/cm，在0～40 cm 深度，作物主根区的生长范围内，粉垄耕作后土壤可溶性全盐量相对于常规耕作土壤降低了30.34%。0～60 cm 深度粉垄耕作后盐碱地土壤可溶性全盐量降低，电导率值明显低于普通耕作的土壤；盐分主要在60～80 cm 深度积累。由图1（b）可知，粉垄耕作后0～80 cm 深度盐碱地土壤pH 值降低，而80 cm 深度以下土壤pH 值增大。其中，0～40 cm 深度盐碱地土壤pH 值显著降低，在0～20 cm 和20～40 cm深度盐碱地土壤pH 值分别下降了0.73 和0.60。

图1 土壤电导率和pH 值 Fig.1 Soil electrical conductivity and pH value

2.2 粉垄耕作对土壤体积质量及孔隙度的影响

有研究表明，当土壤体积质量达到1.3 g/cm3时，作物产量会因土壤通气不良受到影响[2,14]。由图2（a）可见，常规耕作土壤除0～10 cm 深度土壤体积质量小于1.3 g/cm3，其他深度土壤体积质量均大于1.3 g/cm3，这可能与表层土壤经常受到人为松土翻耕以及向土壤中施加有机肥有关。常规耕作的土壤体积质量值呈现出先增大后减小的趋势，在20～30 cm 深度最大为1.51 g/cm3，这会影响作物的正常生长。而粉垄对10～40 cm 深度土壤体积质量则有明显改善，粉垄后10～40 cm 深度土壤体积质量与常规耕作土壤相比均有显著性差异，尤其对20～30 cm 深度影响最为显著，土壤体积质量降低值达0.23 g/cm3，降低了15.33%；对10～20 cm 和30～40 cm 深度也有一定影响，土壤体积质量降低值分别为0.1 g/cm3和0.08 g/cm3，说明粉垄耕作可以疏松土壤显著降低土壤体积质量。

有学者[15]研究表明，土壤总孔隙度一般在35%～65%之间，最适宜的区间为50%～60%。由图2（b）可见，粉垄后0～40 cm 深度土壤孔隙度与常规耕作有显著差异，且0～30 cm 深度土壤孔隙度在最适宜区间内。常规耕作处理土壤0～10 cm 深度孔隙度在最适宜的区间，而20～50 cm 深度尤其在20～30 cm 深度土壤孔隙度与50%相差较大，粉垄后该层土壤孔隙度由43.09%增大到51.82%，增大了20.24%。

图2 土壤体积质量和孔隙度 Fig.2 Soil bulk density and porosity

结合土壤体积质量和孔隙度指标分析可知，除0～10 cm 深度外，河套灌区盐碱地普遍存在体积质量较大而孔隙度较小的问题，而且在20～30 cm 深度土壤体积质量最大，这主要与该层土壤长时间不能得到有效翻耕疏松且受机械碾压有关，在外界综合因素长时间的影响下，该层土壤最终形成密实的犁底层，进而影响土壤水肥气热的交换及作物根系长度及干质量等指标的综合生长。粉垄耕作通过疏松土壤可显著降低土壤体积质量、增大土壤孔隙度，尤其在20～30 cm 深度土壤变化最为明显，说明粉垄耕作可打破土壤犁底层，改善土壤物理性状，使土壤结构变得疏松多孔有利于水肥气热的交换及作物根系的生长。

图3 土壤三相组成及三相比R 值 Fig.3 Three phase composition and three phase ratio R value of soil

2.3 粉垄耕作对土壤三相比的影响

研究表明[12]，一般情况下土壤理想的三相体积比例为固∶液∶气=50∶25∶25。由图3（a）和图3（b）可知，粉垄可有效降低土壤固相体积，协调土壤三相比例，使土壤三相结构向理想结构趋近。由图3（c）可知，0～20 cm 深度粉垄前后土壤的R 值变化不明显，这可能与表层土壤处受人为活动频繁有关；而20～40 cm 深度变化明显，在20～30 cm 和30～40 cm 深度土壤R 值分别由13.97 和21.05 降低到4.33 和11.51，土壤的三相构成与理想的土壤结构更加接近，而40～50 cm 深度未进行粉垄作业，土壤R 值与常规耕作接近且明显高于0～40 cm；说明粉垄可协调土壤三相比例，改善土壤的三相结构，可促进土壤的水肥气热交换及作物生长。

2.4 粉垄耕作对土壤水稳性团聚体的影响

由于粒径大于5 mm 的水稳性团聚体量较少，将粒径在2～5 mm 的团聚体合并计算。由图4 可知，在0～20 cm 土层内，粉垄耕作粒径大于0.5 mm 的大团聚体量高于普通耕作，且粒径在0.5～1.0 mm 的水稳性团聚体量占比较高；而随着时间的推移，粉垄耕作土壤微团聚体减少，大团聚体量增加。9 月，粉垄耕作盐碱地土壤水稳性大团聚体占60.67%，而常规耕作处理土壤水稳性大团聚体仅占51.68%，水稳性团聚体量增加了17.40%。粉垄耕作提高了0～20 cm 土层土壤水稳性大团聚体，增幅为36.8%。在20～40 cm土层，小于0.125 mm 的微团聚体量呈降低趋势，而大于0.25 mm 的水稳性团聚体量增加，土壤水稳性大团聚体分布与 0～20 cm 土层类似，主要集中在0.25～1.00 mm，这主要与粉垄耕作提高了土壤有机质有关。粉垄耕作增大了土壤孔隙度，为土壤微生物提供良好的生长环境，从而促进有机质的积累及土壤胶体的凝聚，使土壤微团聚体向土壤大团聚体转化。粉垄耕作使盐碱地土壤水稳性团聚体量整体增大，且粒径在0.25～1.00 mm 的团聚体量增加明显。

2.5 粉垄耕作对土壤有机质量及全氮量的影响

图5 为土壤有机质量和全氮量。由图5 可知，粉垄耕作后盐碱地0～40 cm 深度土壤有机质量和全氮量有明显提升。在0～20 cm 和20～40 cm 土层内，粉垄耕作后土壤有机质量分别增加了53.59%和79.19%；全氮量分别增加了27.12%和14.29%；土壤有机质量和全氮量的提高可以起到疏松土壤的作用，有利于改善土壤结构，并为作物生长提供养分物质。

2.6 粉垄耕作对土壤微生物菌落数的影响

图6 为土壤微生物菌落数。由图6 可知，盐碱地土壤中微生物菌落数从大到小依次为细菌＞放线菌＞真菌；粉垄耕作对土壤细菌、放线菌和真菌均有提高，从微生物菌落数量方面分析，粉垄耕作对细菌菌落数增加最多，而真菌菌落数增加最少。在0～20 cm土层内，土壤细菌、放线菌和真菌增幅分别为19.39%、60.76%和25.00%，而在20～40 cm 土层内，土壤细菌、放线菌和真菌增幅分别为37.29%、127.27%和25.79%。20～40 cm 土层不同菌类微生物的增幅均比0～20 cm 大，这可能与多年浅耕及机械碾压导致盐碱地土壤20 cm 以下存在的犁底层有关，犁底层不利于作物根系的综合生长，犁底层以下土壤的养分大量积累，经过粉垄耕作后，土壤犁底层被打破，20～40 cm 深度土壤体积质量降低，孔隙度增大，为微生物的生长繁殖提供有利条件，使得深层土壤微生物快速繁殖。

图5 土壤有机质量及全氮量 Fig.5 Soil organic matter and total nitrogen

图6 土壤微生物菌落数 Fig.6 Number of soil microbial colonies

3 讨论

盐碱地因土壤高盐、高pH 值问题对作物有盐碱胁迫作用，盐碱胁迫对种子萌发及作物生长影响显著，在种子萌发期间，因土壤的盐碱胁迫作用会使种子难以吸收足够的水分来合成萌发所需要的各种酶和结构蛋白，难以完成细胞的分裂分化，从而降低种子萌发率[16]；在作物生长期间，盐碱胁迫作用还会抑制作物对土壤水分和养分的吸收，从而影响作物产量。粉垄耕作打乱了土壤原有毛管通道，降低了春冬季节土壤返盐作用，粉垄耕作打破了土壤犁底层，增大了土壤孔隙，有利于春汇时期土壤盐分的淋洗，根据盐随水去的规律，土壤中的可溶性盐离子随水向深层土壤运移。本研究表明，粉垄耕作可明显降低盐碱地土壤0～40 cm 深度土壤可溶性全盐量和pH 值，为种子萌发及作物生长提供良好条件。

土壤体积质量和孔隙度是土壤重要的物理性状之一，对土壤水肥气热的交换有重要作用。河套灌区盐碱地普遍存在土壤黏重、体积质量大而孔隙度小、结构性差的问题。此外，常年浅耕及机械碾压还会导致土壤犁底层变厚上移，耕层变浅。王新兵[3]研究表明，土壤体积质量增大会抑制作物根系的综合生长及其对土壤水分和养分的吸收，从而影响作物产量；赵亚丽等[17]研究表明，深松可显著降低土壤体积质量及紧实度，增大土壤孔隙度并改善土壤三相结构比，有利于作物根系的综合生长。这与本研究结论一致，粉垄耕作可降低盐碱地土壤体积质量、增大孔隙度并降低土壤三相比，对20～30 cm 深度的土壤改善效果尤为显著。

团粒结构是最适宜土壤水肥气热交换及作物生长的结构，土壤团粒结构的多少可在一定程度上表征土壤肥沃程度，水稳性团聚体对土壤抗蚀能力及结构稳定性具有重要意义。章征程等[18]研究表明，河套灌区盐碱地土壤大团聚体质量分数与土壤有机碳量和全氮量呈显著正相关关系，而有机物质在大团聚体形成中起重要的作用；而小团聚体质量分数与EC、pH及Na+、SO42－、Cl－和CO32－呈显著正相关关系，盐分决定盐碱土小团聚体的数量，因此，河套地区盐碱土改良，应在降低盐分的同时加大有机物质投入量。张博文等[4]研究表明深松耕作可改善土壤结构，有利于提高 0～10 cm 土层土壤有机碳转化效率及深层土壤有机碳量。王世佳等[19]通过扫描电镜观察发现粉垄耕作后土壤微形态具有表面光滑、土壤比表面积较大及孔隙分布更丰富等特点，粉垄耕作显著增加赤红壤的中团聚体量，相对其他耕作方式，粉垄深度为40 cm时，可显著增加1～0.25 mm 粒径机械稳定性团聚体量，减少了大于3 mm 粒径水稳性团聚体量。本试验研究表明，粉垄耕作可提高土壤有机质量及全氮量促进盐碱地土壤水稳性团聚体量的增加，且粒径在0.25～1.00 mm 的团聚体量增加明显，这与王世佳等[19]的研究结论相符。

土壤微生物群落多样性[20]作为评价土壤质量变化的重要指标，已越来越引起人们的关注，一般而言，土壤越肥沃、结构性越好的土壤，微生物菌落数也越多。傅敏等[6]研究表明深松结合秸秆还田能够改善土壤基本性质及土壤微生物群落结构，有利于增加土壤固碳能力和解决土壤退化问题；李景等[5]研究表明深松结合小麦秸秆覆盖和小麦～花生轮作等措施均可改善土壤团聚体状况，提高土壤微生物多样性；张博文等[21]研究表明深松较旋耕提高0～20 cm 土层细菌群落丰富度与多样性，连续深松可进一步提高微生物群落丰富度，各深松处理以深松2 a 效果最优。本试验研究表明，粉垄耕作可显著增加0～40 cm 深度土壤的微生物菌落数，尤其对20～40 cm 深度土壤微生物菌落数增加显著，这可能与粉垄打破土壤犁底层，增大了20～40 cm 深度土壤孔隙度，为土壤微生物提供良好的生存条件有关，促进了微生物的生长繁殖。