粉垄耕作对盐碱地土壤环境及作物生长的影响研究进展

张柯雨，陈彦云，李国旗，谢博勋，徐珺蕾

（1.宁夏大学 西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地；2.宁夏大学 西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室；3.宁夏大学 生命科学学院，宁夏 银川 750021）

盐分胁迫对植物根系的影响大于对其地上部的影响[1]。植物在含高浓度盐离子的土壤环境中，根系被动吸收增加，过多的盐分进入植物体内不利于根系完成正常生理生化活动，影响其向地上部提供氨基酸、激素等物质，进而影响生长与发育。盐碱地盐分留积于土壤表层致使土壤板结，降水不易下渗，严重制约着丰收增产。仅凭化肥提高盐碱耕地生产力已远远不足，且土壤调理剂也因盐分停留问题无法发挥作用，故盐碱地属于典型的低中产田类型。

耕作是改变土壤理化性状的最直接手段。传统犁耕是我国旱地主要耕作方式，但常年传统犁耕会导致犁底层上移，土壤容质量增加，土壤肥力逐年降低；免耕作为保护性耕作措施之一，利于土壤蓄水保肥，但常年免耕不利于肥料深埋，多数无法被作物利用，造成养分表聚，土壤孔隙度降低。粉垄耕作技术是一种新型耕作方式，根据不同作物对耕层松土深浅程度的种植需求，在作物种植区利用粉垄机械一个或多个螺旋形钻头，均匀垂直旋削粉碎土壤，一次性完成深耕、深松、整地[2]，耕深可达30～50 cm。

在盐碱地实施粉垄耕作，通过粉碎土壤使其保持当季和多季疏松，激活犁底层及其以下土壤资源，提高土壤速效养分，保水保肥，降低盐碱，以实现增产、优产，大幅提升盐碱地综合生产能力和农业利用潜力。因此，盐碱地也是农耕农艺发展的后备力量。

近年来国内众多学者开展了关于粉垄技术的研究，本文通过对粉垄耕作下盐碱土壤理化性状和不同作物生长、产量品质的变化进行归纳，总结粉垄耕作技术的优势，以期为通过粉垄耕作技术改良盐碱地和进一步提升作物产量品质提供理论参考，对于保障粮食安全、扩增和有效利用耕地面积，以及未来农业发展有着重要的现实意义和长远的战略意义。

1 粉垄耕作技术的优势

1.1 构建合理耕层结构

大田试验研究中，粉垄耕作与传统翻耕的地理环境相同，水、光、热、自然资源也相同，唯一不同的是作物生长的土壤生态环境。传统机械农耕最深耕度不超过35 cm，而且生土中的盐分会被翻回熟土，即机械整地时只是距土表十几厘米的盐层被翻整，板结地上水分无法下渗，植物根系同样无法扎入，依旧不利于作物生长。粉垄耕作能打破而不乱土层，为作物根系营造了更疏松的生长环境，促进根系生长及深扎，有效解决了盐碱地土壤板结限制作物生长问题。此外，较传统犁耕而言，粉垄耕作技术可加深、重构耕作层，降低其密度，增加其疏松土壤数量和碱解氮、有效磷、有效钾等多数土壤速效养分指标[2]，有效扩展土壤养分、水分和氧气等“自然资源活库”。因此，粉垄改变了土壤耕层结构，提升了养分含量，作物扎根更深，生长环境良好，进而利于增加产量和改善品质[3]。

1.2 降低全盐含量

盐碱地下20～30 cm为不透水层，盐分难以渗透，只能积于作物生长层。粉垄耕作对耕地进行了深松深翻，从而打破不透水层。相较于增施化肥，粉垄农耕这种物理方式对土壤产生的伤害较轻，改良效果也更显著。经自走式粉垄深耕深松机螺旋钻头高速旋转磨碎的土壤，疏松之后借由天然降水的下渗运动使盐分随之下沉；且粉垄处理后土壤在微生物、氧气等作用下，部分盐分也会下移；钻头横向切割土壤，使得土壤毛细管被切断，底层土壤不易“返盐”。这三方面的作用使盐碱地耕作层的含盐量被大量淡化，极大地提高了出苗率，又因改善了根系土壤环境而保苗率也较高。

1.3 改善根际微生态系统

1.3.1促进根系生长 作物根系生长与土壤生态条件关系密切，生长于深松土壤上的作物根系深扎，分布范围广，且根系活力增强，利于吸收土壤养分。根系活力强的，对后期延缓衰老，促进光合产物的形成及运输，进一步提高产量有重要作用[4]。甘秀芹等[5]研究粉垄栽培下桑树根系、植株性状及经济产量的变化发现，粉垄深松土壤为桑树根系提供了良好的生长条件，其根系数量较多、长度较长，且鲜质量较大。

1.3.2促进根际硝化作用 植株、土壤和微生物是一个宏观系统，每一部分都各自发挥着不可替代的作用。

根分泌物作为保持根际微生态系统活力的关键因素，为微生物提供能源，因此，根际土壤的微生物如反硝化细菌、好氧固氮菌、厌氧固氮菌等的数量明显高于非根际土壤；粉垄使土壤深松且碎，大量氧气溶入耕作层土壤孔隙空间形成“氧库”，根际土壤溶氧，利于微生物氨化和硝化作用。

作物根表和根际土壤中存在的氨氧化菌（ammonia-oxidizing bacteria，AOB）越多，根表和根际有机氮转化为NH4+的效率越高，则根系对NH4+的利用率越高；作物根系具有不同的生理和形态特征（如气孔率和通气组织）以决定氧的径向扩散能力，来自根的不同径向O2供应会影响根际AOB的丰度和活性，进而直接影响根际的硝化活性[6]。与硝化活性相对较低的作物相比，具有较高根际硝化活性的作物表现出更高效的干物质积累、氮积累和氮素利用效率，因此产量和品质更佳。

1.4 保水保肥

粉垄耕作处理后土壤大量形成团粒结构，土壤颗粒表面积增加，土壤毛细管被切断，保水能力大幅提高。李轶冰等[7]通过粉垄栽培及覆膜处理发现，粉垄能够有效减少土壤蒸发，利于降水入渗，提高土壤贮水量，为作物根系生长提供良好水分条件，以达到显著增产目的。

施肥可与粉垄农耕结合，于地面施用的肥料在粉垄机作业下与耕层土壤充分、均匀混合，最终深埋于作物生长层，从而减少肥料流失，提高肥料利用率。

1.5 提高经济效益

粉垄整地后垄下的“U”型松土槽可积聚降水和灌溉水，提高土壤保水保肥性能。化肥农药施用量、灌溉用水和人工成本相应减少[8]。利用脱硫石膏与土壤充分发生化学反应固然可以有效改良盐碱地[9-12]，但改良剂的成本同样很高[13]。如果与粉垄技术相结合，施用量会减少；改良剂与土壤更充分地接触，其效果会更好；减少耗水和施用成本，经济效益会更高。

2 粉垄耕作对盐碱地土壤环境及作物生长的影响

2.1 粉垄耕作对土壤环境的影响

盐碱地耕作层变浅，犁底层变厚上移，土壤团粒结构被破坏，毛细管孔隙小，降水不易下渗，土壤水分补给程度较浅。施用的化肥除部分被当季作物吸收外，大多数被土壤固定，加之土壤通气、透水等理化性能变差，造成酸盐沉积，土壤板结，土地生产力下降，严重制约了丰收增产。

随着保护性耕作的倡导和发展，粉垄耕作逐步代替传统翻耕成为了一种新型土壤耕作方式。盐碱地经粉垄耕作处理，土壤环境会发生如下变化：①改善土壤物理结构。粉垄耕作利用螺旋型钻头垂直高速旋削粉碎土壤，不仅充分打破了犁底层[14]，加深了土壤耕作层，且土壤均匀深松，通透性提高。表层土壤（0~30 cm）容质量降低[15]，土壤物理结构得以有效改善，毛细管被切断，近地面（0~20 cm）耕层中的盐分被带入更深土层，并难以随蒸腾“返盐”。②通气性能提升。较于传统耕作，粉垄可以明显降低20~30 cm土层土壤的紧实度，增加孔隙度[16]，空气中的氧气会随粉垄机械翻松土壤进入空隙，粉垄土壤氧气充足。③土壤蓄水能力提升及贮水量增加。粉垄耕作后土层疏松，土壤调蓄水分更通畅，不仅易于调用深层水分，且在发生水分补给时能够提高水分入渗深度[17-19]。土壤含水量提高，降雨径流减少，土壤水库容扩大，土壤中部分盐分可以随天然降水淋溶作用而下降至耕作层底部。④土壤保温效果明显。机械高速旋转将土壤毛细管切断，降低土壤蒸发强度[20]，有利于土壤环境增温。⑤根际微生态环境得以改善。由于粉垄土壤通气、透水、增温，淡盐作用和通透性逐渐增强，良好的土壤水分条件会促使土壤养分被活化利用[21]，部分酶活性被激活，土壤微生物活动频繁，这些因素促进了土壤有机质含量、大量元素速效成分和部分微量元素有效成分含量的增加，形成了良好的根际土壤微生态系统。

2.2 粉垄耕作对作物生长的影响

盐碱胁迫对盐碱敏感性作物品种具有抑制作用[22]，对于禾本科作物来说表现为灌浆速率减慢，干物质积累减少。随着盐碱胁迫梯度的增强，作物强粒灌浆速率和干物质积累最大值降低，起始灌浆时间提早，在达灌浆峰值时间变短的情况下，生育期提前或推后极易造成空、瘪粒的形成[23]，影响作物产量和品质。

在盐碱地实施粉垄栽培的目的在于构建合理的耕层构造，营造对作物更有利的水、肥、气、热土壤环境条件，增强蓄水保墒保肥能力，促进作物生长[24]。土壤改良最直接的衡量标准就是作物产量，作物产量的形成主要源自叶片光合作用。叶片净光合速率是土壤各种水、肥、气、热条件的综合反映，因而其结果可作为分析作物产量限制因素的重要依据[25-27]。由于粉垄处理打破了耕地犁底层，促进了水分入渗，土壤贮水量变大利于叶绿素合成[28]，粉垄作物叶片叶绿素含量较传统农耕的更高，净光合速率随之升高[29]。

粉垄整地后，较低的土壤容质量和穿透阻力为供试作物提供了疏松的生长环境，利于根系深扎。根系生理活动增强可充分利用土壤水分和养分，促进地上部生长发育及干物质积累，进而增产提质[30]。其增产主要是通过提高籽粒干物质积累和作物有效穗数来实现。从灌浆进程来看，作物的生物产量主要在花后灌浆阶段形成[31]，对籽粒干物质量起重要作用的是灌浆速率，其次为实际灌浆期和有效灌浆期。李轶冰等[7]对黄淮海平原春玉米籽粒灌浆过程及产量进行研究时发现，粉垄耕作主要通过延长有效灌浆期和提高灌浆速率以提高籽粒干物质量；也有研究认为，粉垄处理能够提高供试作物的穗粒数，进而提高出籽率和产量[32-33]。

此外，由于容质量和穿透阻力降低，土壤剖面水分运移、作物吸收利用规律随之发生变化[34-35]。降雨及灌溉水分下渗速度加快，粉垄土壤蓄水能力显著提高，有效持水量增加，这为作物提供了良好的水分条件，利于作物蒸腾，使无效耗水转化为有效耗水[36]，从而提高作物生长期间的降水利用率[37]。

作物叶片水分利用效率（water use efficiency，WUE）是指蒸腾消耗单位质量水分所同化CO2的量，常用净光合速率与蒸腾速率的比值表示。土壤水肥条件的改善为WUE及作物产量提高奠定了基础。深松作物水分利用效率显著高于传统旋耕，如李轶冰等[21]在研究不同粉垄作业深度与旋耕、深松两对照处理下春玉米总耗水量和水分利用率差异时发现，与对照相比，粉垄各处理能够显著降低作物总耗水量，显著提高单位产量WUE，且WUE与产量相关性达到极显著水平[38]。也有研究发现，作物可以通过降低蒸腾作用来提高叶片的水分利用效率。翟振等[29]研究短期粉垄对小麦光合特性的影响时发现，较于传统农耕，粉垄处理的小麦净光合速率显著升高，但水分胁迫导致其气孔导度显著降低，蒸腾作用随之显著减弱，从而使两种处理下作物WUE无显著差异。

3 粉垄耕作技术目前存在的局限性

粉垄耕作技术变革了传统农耕方法，促进了土壤松土量、水分贮存利用量和光合效率量的合理增加利用，具有“增源扩库”而实现作物产量提高和品质改善的效果[39]。但在实际田间作业过程中，现在的粉垄机械动力消耗大，且作业深度越深，动力消耗越大，无疑提高了作业成本，需进一步完善农机具设计以使其减小作业消耗、更加轻便灵活。同时，土壤水分状况对机械的耕性影响也较大，其宜耕的土壤水分上下限要求比其他耕作措施更为严格，耕作的顺利实施有赖于土壤水分过低状态的改善。

另外，粉垄耕作技术在无盐碱、土壤不板结的沙土地上使用效果不明显。结构性土壤中的水分运动和硝态氮淋溶都受到孔隙间距的强烈影响，粉垄耕作后会产生较大的土壤比表面积和较短的扩散路径长度[40]，这种土壤结构具有较强的入渗能力，为土壤与周围流动的水之间的相互作用提供了捷径，同时也加剧了无机态氮随水分的淋溶。累积在更深层土体中的氮素不仅很难被下季作物利用，对环境也是不利的[41]。因此其环境效应尚待进一步研究。

4 展望

粉垄耕作因其具有构建合理耕层结构、淡化盐碱地含盐量、改善根际微生态环境、蓄水保肥和提高经济效益的优势，在现代农业生产方式中逐步代替了传统的农耕方法。粉垄农耕技术对盐碱土壤有着明显的改良效果，较于传统农耕，也具有显著的作物增产提质效果。

目前相关粉垄研究均是对土壤和作物的短期效应进行分析。粉垄和深松、翻耕等深土作业一样，都有一定的后效，不必年年实施作业，可以与旋耕或免耕等耕作措施交替进行，但其耕作后效能够维持的年限尚缺乏长时间尺度数据，需要进一步的田间试验和长期追踪观察来确定。

盐碱地改良还需重视耕作、栽培模式以及有机肥无机肥的合理施用[42-43]。沈婧丽等[13]的研究结果表明，盐碱地作物种植时集成改良模式较单一改良措施，其改土效果和作物经济产量更好。不断完善粉垄配套措施对解决我国诸如农业灌溉需水矛盾、增产提质等农田问题具有深远影响。

土壤纳米级孔隙表面能发生许多化学反应，养分在土壤颗粒上的吸脱附行为，与纳米孔隙有关[44]。在今后的研究中，应注重研究粉垄耕作方式下土壤对养分的吸附与解吸效应，对不同尺度的孔隙度动态变化进行量化且明确作用机理是今后研究的重点和难点之一。