粉壟耕作對農田砂姜黑土土壤結構的影響

王世佳 韋本輝 申章佑 余豐源 史鼎鼎 蔣代華

摘要?[目的] 揭示粉壟耕作對砂姜黑土土壤結構的影響，探明其變化機理，為粉壟耕作技術推廣應用提供理論依據。[方法] 通過團粒分析儀和掃描電子顯微鏡（SEM）物理表征手段研究砂姜黑土團聚體分布及微形態等物理性質，比較分析了粉壟（FL）、深松（DP）、深翻（DT）3種耕作方式下砂姜黑土的物理變化差異。[結果] 結果表明：與其他耕作方式相比，粉壟耕作顯著增加了粒徑小于2 mm的機械穩定性團聚體及0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒徑的水穩性團聚體，使大團聚體向小團聚體轉變明顯;同時，粉壟耕作下土壤微形態表現為表面骨骼顆粒粗糙、疏松和孔隙豐富等特點。[結論] 粉壟耕作改變了砂姜黑土結構，為砂姜黑土地區推廣應用粉壟耕作技術提供了理論依據。

關鍵詞?粉壟;砂姜黑土;團聚體;微形態

中圖分類號?S152.4文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）20-0076-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.20.020

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effect of Deep Vertically Rotary Tillage on the Structure of Shajiang Black Soil in Farmland

WANG Shi?jia1， WEI Ben?hui2， SHEN Zhang?you2 et al

（1.?Agricultural College of Guangxi University， Nanning， Guangxi 530004;2. Institute of Economic Crops of Guangxi Academy of Agricultural Sciences， Nanning， Guangxi 530004）

Abstract?[Objective] This paper takes Shajiang black soil as the research object to reveal the effect of deep vertically rotary tillage on soil structure. The change mechanism was explored to provide theoretical basis for the popularization and application of deep vertically rotary tillage. [Method] The physical characteristics of Shajiang black soil were studied by means of particle size analysis and scanning electron microscopy， and the differences of physical changes of Shajiang black soil under three tillage modes， namely， deep vertically rotary tillage （FL）， subsoiling （DP） and deep tillage （DT） were compared and analyzed. [Result] The results showed that compared with other tillage methods， deep vertically rotary tillage could significantly increase （P < 0.05） less than 2 mm mechanical stability aggregates and water?stable aggregates（0.5～1 mm and 0.25～0.5 mm） in Shajiang black soil. The transformation from large aggregates to small aggregates is obvious. Meanwhile， the deep vertically rotary tillage of soil micro?morphology was characterized by rough surface skeleton particles， loose soil and abundant pore. [Conclusion] Deep vertically rotary tillage can change the structure of Shajiang black soil. It provides a theoretical basis for the popularization and application of deep vertically rotary tillage technology in Shajiang black soil area.

Key words?Deep vertically rotary tillage;Shajiang black soil;Aggregate;Micromorphology

砂姜黑土是我國黃淮河平原中低產土壤之一，總面積約400萬 hm2;其中，淮北平原為最大的分布區[1]。砂姜黑土具有濕黏閉、干堅實、脹縮強、結構差、耕期短、僵塊多等特點[2-3]，同時有機質含量低、土壤供肥能力差，導致作物增產受到嚴重限制。研究表明[4-7]，通過改進耕作、起壟種植、科學合理施肥及推廣測土配方等技術措施，能有效提升砂姜黑土肥力。粉壟耕作作為一種全新高效的耕作方式，能打破犁底層，達到深耕深松的目的;其特點為螺旋式鉆頭橫向切割土壤，使土壤懸浮成壟，能有效改善土壤結構[8]。因此，研究粉壟耕作對砂姜黑土結構的影響，對該區域農業可持續發展具有重要的現實意義。

農田砂姜黑土適耕性差，對于不同耕作方式的響應機制具有各自的特點，而相關研究報道較少[9]。謝迎新等[10]通過研究免耕、旋耕（15 cm）、深耕（30 cm）3種耕作方式對砂姜黑土理化性狀的影響，結果表明，深耕處理能降低土壤容重，增加土壤有機碳含量，進而提高作物產量。趙亞麗等[11]通過5個耕作處理對比研究砂姜黑土發現，深松（耕）能顯著降低土壤的緊實度和土壤三相比R值，促進作物根系生長，提高作物產量。同樣，粉壟作為一種超旋深耕技術，能降低土壤耕作層容重，提升土壤的孔隙度和通氣性;同時，還能增加土壤溫度和速效養分含量[12-13]。楊雪等[14]研究了粉壟耕作對華北缺水地區壤質黏潮土的影響，研究發現，耕作一年半后，粉壟表層土土壤容重顯著低于旋耕和深松。該耕作技術已在木薯[15]、甘蔗[16]、玉米[17]、小麥[18]和水稻[19]等多種作物上應用，試驗結果均表明能增加作物產量和品質。

目前，粉壟耕作技術已在多種作物上得到應用，但大多以研究作物相關指標為主，而粉壟耕作對土壤物理性狀影響的研究鮮見報道;前人針對砂姜黑土物理性狀的研究主要以免耕、旋耕、深耕和深翻為主[20-23]，粉壟耕作對砂姜黑土物理性質影響的研究尚無報道。因此，筆者采用團粒分析儀和掃描電子顯微鏡物理表征手段，比較分析砂姜黑土在粉壟、深松和深翻3種耕作方式下土壤結構的變化差異;探討粉壟耕作方式下砂姜黑土結構質量的變化機理，為砂姜黑土區域推廣更有效的耕作方式，保持農業和經濟可持續發展提供理論依據。

1?材料與方法

1.1?試驗地概況

渦陽縣位于安徽的西北部，地處33 °27 ′～33 °47 ′N、115 °53 ′～116 °33 ′E，淮北平原腹地，土壤性質為砂姜黑土。屬暖溫帶半濕潤季風氣候區，四季分明，年平均日照2 140 h，年平均氣溫14.6 ℃，無霜期218 d，年平均降水量830 mm。

該試驗的砂姜黑土表層（0～20 cm）有機質28.53 g/kg，土壤pH 8.34，土壤全氮1.33 g/kg，堿解氮88.28 mg/kg，有效磷3.96 mg/kg，速效鉀272.3 mg/kg。

1.2?試驗設計與試驗材料

試驗于2017年12月進行，試驗設3個耕作處理：粉壟（FL）、深松（DP）、深翻（DT）。粉壟：機械型號1SGL-200型，廣西五豐機械有限公司生產，耕作深度40 cm;深松：機械型號龍豐1S-200深松機，鄭州市龍豐農業機械裝備制造有限公司，耕作深度40 cm;深翻：三鏵犁型號1L-320，德州浩民機械設備有限公司，耕作深度20 cm。周年種植作物為冬小麥、夏玉米，管理方法按當地常規習慣進行。

3種機械同時在一塊地質均勻的土地上進行耕作，每處理小區面積為120 m2（長20 m×寬6 m），每處理3次重復，共9個小區。5點法采集土樣，因為粉壟耕作深度較厚，所以粉壟耕作采集上（0～20 cm）、下（20～40 cm）兩層土壤，其他耕作方式只采集表層土（0～20 cm）;將采集大土塊土樣輕掰成直徑約1 cm小土塊，然后清除枯枝落葉及石塊，最后放入干凈的硬質塑料盒，帶回實驗室風干備用。

1.3?測試方法

1.3.1?土壤團聚粒徑測定。機械穩定性團聚體采用人工干篩法對團聚體進行分組。具體方法為：把孔徑分別為5.0 mm、2.00 mm、1.00 mm、0.5 mm、0.25 mm孔篩自上而下套合，放在篩底上，稱取100 g左右的風干土放入5 mm孔篩，加蓋后人工手篩把土分為6個粒徑組，即>5 mm、2～5 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm和<0.25 mm。經篩分的各粒級團聚體分別準確稱量，計算得到各粒級團聚體質量百分比。

水穩性團聚體采用Elliott土壤團聚體濕篩法測定[24]。具體方法：采用上海德碼信息技術有限公司生產的DM200-V土壤團粒分析儀，稱取風干土100 g左右，將土樣放在3 mm孔徑篩上，自上而下放孔徑3.0、2.00、1.00、0.5、0.25 mm孔篩，再將整個套篩緩慢放入水中，使水面淹過頂層篩，土樣在水中浸泡3 min，豎直上下振蕩（上下振幅 38 mm，30次/min），分離出>3 mm、2～3 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm和小于0.25 mm土壤團聚體，共6個粒徑組，收集各粒徑團聚體轉移到蒸發皿中，在105～108 ℃下烘8 h干燥后稱重，計算得到各粒級團聚體質量百分比。

1.3.2?土壤微形態。采用日本日立公司生產的S-3400N掃描電子顯微鏡（SEM）觀察并照片。具體方法：將帶回風干的土壤選取2～5 mm大小的小土塊，保證土塊至少有1個面的耕作處理紋理，未受到人為破壞擠壓。將選取好的小土塊放入所配套的離子濺射儀進行噴金處理，然后在掃描電子顯微鏡觀察不同耕作處理超微形態特征。

1.4?數據處理

結構體破壞率是表征土壤團聚體結構特征的重要指標，能反映團聚體對水的穩定性，其結構體破壞率越小，土壤結構越穩定[25]。公式如下：

PAD=（wd-ww）/wd×100%

式中，PAD為結構體破壞率（%）;wd為風干團聚體中大于0.25 mm粒徑所占的比例（%）;ww為水穩性團聚體中大于0.25 mm粒徑所占的比例（%）。

該試驗采用Excel 2010和SPSS 19軟件進行統計分析，運用Duncan法進行差異顯著性檢驗（P<0.05），樣品均為3次重復。

2?結果與分析

2.1?不同耕作方式下土壤團聚體分布特征

2.1.1?不同耕作方式下砂姜黑土機械穩定性團聚體分布特征。

由表1可以看出，不同耕作方式下砂姜黑土機械穩定性團聚體以粒徑大于5 mm為主，粒徑2～5 mm次之，粒徑小于0.25 mm最低;其比例分別占到51.96%～76.95%、15.61%～26.44%和0.30%～1.10%。其中，在粒徑1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm和小于0.25 mm 4個粒徑中，表層土（0～20 cm）粒徑大小均呈現出粉壟耕作顯著大于其他耕作方式（P<0.05）;同理，FL耕作表層土（0～20 cm）明顯大于下層土（20～40 cm）（P<0.05）。在大于5 mm粒徑表層土中，呈現出DP>DT>FL20，各處理之間均達到顯著差異水平（P<0.05），同時，在粉壟耕作中，FL40大于FL20（P<0.05）。而在2～5 mm粒徑中，DP則明顯低于FL和DT（P<0.05）。

2.1.2?不同耕作方式下砂姜黑土水穩性團聚體分布特征。

由表2可知，不同耕作方式下砂姜黑土水穩定性團聚體主要以粒徑大于3 mm為主。在同一土層2～3 mm粒徑團聚體分布中，DT顯著大于FL20和DP（P<0.05），而在0.5～1 mm和 0.25～0.5 mm粒徑團聚體中，FL20明顯大于DP和DT（P<0.05）;小于0.25 mm粒徑團聚體中，DP大于FL20和DT，達顯著差異水平（P<0.05）。在粉壟耕作不同土層中，2～3 mm粒徑團聚體FL20低于FL40（P<0.05），而在0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒徑中，FL20則明顯大于FL40（P<0.05）;其他粒徑團聚體分布差異不顯著。

不同耕作方式下，結構體破壞率在同一土層中表現為DP>FL20>DT，即砂姜黑土結構體在DT耕作下最穩定，反之，DP最不穩定;而在粉壟耕作不同土層中，結構體破壞率表現為FL20大于FL40。

2.2?不同耕作方式下砂姜黑土團聚體微形態特征（SEM掃描尺度）

如圖1所示，通過掃描電子顯微鏡（SEM）將砂姜黑土放大1 000倍觀察，能夠直觀看出不同耕作方式下土壤的微形態;土壤微結構呈現三維圖像，立體感強，能夠準確區分結構體和顆粒體、土壤微結構類型及微孔隙類型等。

FL20較DP和DT，表面細顆粒體較為粗糙和疏松，但不松散;DP和DT表面顆粒體排列緊密、緊實，且DP表現最為突出;同時，形成的單個獨立微團聚體較少，微孔隙豐富度低于FL20。而FL40與FL20相比，形成的絮凝狀微團聚體，FL20為游離骨骼顆粒，FL40則為連生骨骼顆粒且排列具有一定的垂直定向性。

如圖2所示，將圖1繼續放大到5 000倍，能明顯看出，FL20與DP和DT相比，成像更清晰，立體感更強，伴有非常明顯的片狀特征，黏土片表面光滑，形成單個獨立的小孔隙較多;FL40與FL20相比，差異則不明顯。

安徽農業科學2019年

3?討論

土壤團聚體對耕作措施非常敏感[26]，不同耕作下各粒徑團聚體所占比例不同，決定了土壤保水保肥及物理、化學與生物特征;Bailey等[27]研究指出，較小的團聚體內部大孔隙較多，其形成的土壤總孔隙和孔隙表面積較大，更利于作物根系下扎和水分與養分的吸收;邱莉萍等[28]研究指出，團聚體粒徑越小，其比表面積越大，表面吸附能越高，養分含量會隨著團聚體粒徑減小而增加。張麗娜等[29]研究旋耕、深松和免耕3種耕作方式對旱地紅壤結構的影響，結果表明，與免耕相比，旋耕和深松降低了土壤孔隙度，旋耕降低了大團聚體的穩定性，對土壤擾動較大;而深松0.25～5 mm粒徑范圍內團聚體含量最大，團聚性好。該研究表層土中，與深翻和深松相比，粉壟耕作明顯增加了小于2 mm粒徑的機械性團聚體和0.25～1 mm粒徑的水穩性團聚體，說明粉壟對土壤的擾動較大，而對砂姜黑土結構體的破壞率介于傳統深翻和深松之間。李華等[13]通過設置4種深旋處理，研究粉壟對土壤物理性狀的影響，試驗結果表明，與常規旋耕和深松相比，粉壟能降低土壤容重，增加地溫和土壤含水量;該研究結果中，粉壟耕作對土壤團聚體的改變，明顯改善了土壤結構;從團聚體各粒級含量分布的變化差異解釋了粉壟耕作對土壤物理性質的改善。龐獎勵等[30]采用偏光顯微鏡研究關中地區耕作土壤發現，受耕作活動的影響，土壤疏松且表層土孔隙十分復雜，有蚯蚓糞粒發育，這是土壤肥力較強的標志。東野光亮等[31]同樣采用偏光顯微鏡從微形態學特征上觀察砂姜黑土，看出砂姜黑土表現為腐殖化不強，土壤結構發育比較原始，以粘粒形成的單粒為主和多級團粒結構不多等特征，這些結構特征是砂姜黑土表現為中低產土壤的主要原因。該試驗采用掃描電鏡觀察砂姜黑土，觀察尺度更微觀，成像更清晰，探索了不同耕作短期對砂姜黑土形態特征的影響。本研究中，粉壟耕作下砂姜黑土表面骨骼顆粒粗糙、排列較為疏松，但不松散;伴有較為明顯的片層狀特征，說明具有比表面較大的特性[32]，其表面可能具有更大的吸附性能，保水保肥性更強。成婧等[33]研究渭北旱塬土壤表明，土壤耕層降低會使土壤理化性質惡化，而人為增加耕層厚度能有效改善土壤結構和提高土壤養分含量;作物吸收養分和水分主要來源于土壤耕作層，耕層厚度的增加可以提升作物產量[34]。而粉壟耕作能打破砂姜黑土長期耕作形成的犁底層，增加其土層厚度。

綜上所述，與其他耕作相比，粉壟耕作擾動土壤的方式和強度不同，粉壟耕作具有擾動強度大、粉碎性均勻和耕層深等特點，明顯增加砂姜黑土的松土量和土層厚度，改良砂姜黑土耕層淺薄、土壤僵硬等障礙因素，能更好地協調土壤的水、肥、氣、熱條件，改善砂姜黑土結構，是一種能提升砂姜黑土物理性狀行之有效的方法。另外，該試驗研究了粉壟耕作方式下對砂姜黑土結構的影響，這種影響所產生的效應能夠持續的時間有待進一步研究。

4?結論

與其他耕作方式相比，粉壟耕作能改變砂姜黑土土壤團粒分布特征，明顯增加了中、小團聚體含量;粉壟耕作下砂姜黑土表面形態呈現出顆粒粗糙、疏松和孔隙豐富等特點。

參考文獻

[1] 花可可，王道中，郭志彬，等.施肥方式對砂姜黑土鉀素利用及盈虧的影響[J].土壤學報，2017，54（4）：978-988.

[2] 侯曉娜，李慧，朱劉兵，等.生物炭與秸稈添加對砂姜黑土團聚體組成和有機碳分布的影響[J].中國農業科學，2015，48（4）：705-712.

[3] 查理思，吳克寧，李玲，等.河南省砂姜黑土土屬的耕作障礙因素研究[J].土壤通報，2015，46（2）：280-286.

[4] 詹其厚，陳杰，周峰，等.淮北變性土性狀特點對其生產性能的影響及農業利用對策[J].土壤通報，2006，37（6）：1041-1047.

[5] 王彩萍，左聯忠，楊文龍，等.起壟種植對冬小麥增產效應的研究[J].山西農業科學，2002，30（1）：27-28.

[6] 吳建英，李鳳.駐馬店市砂姜黑土中、低產田改良途徑和措施初探[J].河南農業，2008（5）：34.

[7] 盧中民，孫彩霞，張浩.滑縣小麥測土配方施肥決策系統的應用效果[J].河南農業科學，2008，37（12）：64-66.

[8] 韋本輝.旱地作物粉壟栽培技術研究簡報[J].中國農業科學，2010，43（20）：4330.

[9] 靳海洋.耕作方式對黃淮區砂姜黑土農田土壤養分轉化及供肥供水特性的影響[D].鄭州：河南農業大學，2016.

[10] 謝迎新，靳海洋，孟慶陽，等.深耕改善砂姜黑土理化性狀提高小麥產量[J].農業工程學報，2016，31（10）：167-173.

[11] 趙亞麗，劉衛玲，程思賢，等.深松（耕）方式對砂姜黑土耕層特性、作物產量和水分利用效率的影響[J].中國農業科學，2018，51（13）：2489-2503.

[12] 李軼冰，逄煥成，李華，等.粉壟耕作對黃淮海北部春玉米籽粒灌漿及產量的影響[J].中國農業科學，201 46（14）：3055-3064.

[13] 李華，逄煥成，任天志，等.深旋松耕作法對東北棕壤物理性狀及春玉米生長的影響[J].中國農業科學，201 46（3）：647-656.

[14] 楊雪，逄煥成，李軼冰，等.深旋松耕作法對華北缺水區壤質黏潮土物理性狀及作物生長的影響[J].中國農業科學，201 46（16）：3401-3412.

[15] 劉貴文，黃樟華，韋本輝，等.粉壟技術對木薯生長發育和產量的影響[J].南方農業學報，201?42（8）：975-978.

[16] 周靈芝，韋本輝，甘秀芹，等.粉壟栽培對甘蔗生長和產量的影響[J].安徽農業科學，2017，45（9）：29-31.

[17] 聶勝委，張玉亭，湯豐收，等.粉壟耕作后效對夏玉米群體微環境的影響[J].山西農業科學，2016，44（3）：348-352.

[18] 聶勝委，張玉亭，張巧萍，等.粉壟耕作對小麥玉米產量及耕層土壤養分的影響[J].土壤通報，2017，48（4）：930-936.

[19] 甘秀芹，韋本輝，劉斌，等.粉壟后第6季稻田土壤變化與水稻產量品質分析[J].南方農業學報，2014，45（9）：1603-1607.

[20] 朱向艷，李建軍，唐俊嶺，等.砂姜黑土地不同耕作模式試驗研究[J].安徽農業科學，2015，43（29）：35-37.

[21] 謝迎新，靳海洋，李夢達，等.周年耕作方式對砂姜黑土農田土壤養分及作物產量的影響[J].作物學報，2016，42（10）：1560-1568.

[22] 王靜，王小純，熊淑萍，等.耕作方式對砂姜黑土小麥氮代謝及氮素利用效率的影響[J].麥類作物學報，2014，34（8）：1111-1117.

[23] 杜聰陽，楊習文，王勇，等.不同耕作方式及施氨水平對砂姜黑土物理性狀、微生物學特性及小麥產量的影響[J].河南農業科學，2017，46（8）：13-21.

[24] ELLIOTT E T.Aggregate structure and carbon，nitrogen and phosphorus in native and cultivated soils[J].Soil science society of America journal，1986，50（3）： 627-633.

[25] 劉夢云，吳健利，劉麗雯，等.黃土臺塬土地利用方式對土壤水穩性團聚體穩定性影響[J].自然資源學報，2016，31（9）： 1564-1576

[26] 劉中良，宇萬太.土壤團聚體中有機碳研究進展[J].中國生態農業學報，201?19（2）：447-455.

[27] BAILEY V L，MCCUE L A，FANSLER S J，et al.Micrometer?scale physical structure and microbial composition of soil macroaggregates[J].Soil biology and biochemistry，201 65：60-68.

[28] 邱莉萍，張興昌，張晉愛.黃土高原長期培肥土壤團聚體中養分和酶的分布[J].生態學報，2006，26（2）：364-372.

[29] 張麗娜，ASENSO EVANS，張陸勇，等.耕作方式對旱地紅壤物理特性的影響[J].水土保持研究，2018，25（3）：46-50.

[30] 龐獎勵，黃春長，張旭.關中地區古耕作土壤和現代耕作土壤微形態特征及意義[J].中國農業科學，2006，39（7）：1395-1402.

[31] 東野光亮，史衍璽，李貽學.從微形態特征看砂姜黑土土地資源的利用改良[J].土壤通報，2000，31（2）：52-54.

[32] 王恩姮，趙雨森，夏祥友，等.凍融交替后不同尺度黑土結構變化特征[J].生態學報，2014，34（21）：6287-6296.

[33] 成婧，吳光艷，云峰，等.渭北旱塬侵蝕退化土壤生產力的恢復與評價[J].中國水土保持科學，201 11（3）：6-11.

[34] 韓上，武際，夏偉光，等.耕層增減對作物產量、養分吸收和土壤養分狀況的影響[J].土壤，2018，50（5）：881-887.