張柯雨，陳彥云，李國(guó)旗，謝博勛，徐珺蕾

（1.寧夏大學(xué) 西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地；2.寧夏大學(xué) 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.寧夏大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

鹽分脅迫對(duì)植物根系的影響大于對(duì)其地上部的影響[1]。植物在含高濃度鹽離子的土壤環(huán)境中，根系被動(dòng)吸收增加，過多的鹽分進(jìn)入植物體內(nèi)不利于根系完成正常生理生化活動(dòng)，影響其向地上部提供氨基酸、激素等物質(zhì)，進(jìn)而影響生長(zhǎng)與發(fā)育。鹽堿地鹽分留積于土壤表層致使土壤板結(jié)，降水不易下滲，嚴(yán)重制約著豐收增產(chǎn)。僅憑化肥提高鹽堿耕地生產(chǎn)力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，且土壤調(diào)理劑也因鹽分停留問題無(wú)法發(fā)揮作用，故鹽堿地屬于典型的低中產(chǎn)田類型。

耕作是改變土壤理化性狀的最直接手段。傳統(tǒng)犁耕是我國(guó)旱地主要耕作方式，但常年傳統(tǒng)犁耕會(huì)導(dǎo)致犁底層上移，土壤容質(zhì)量增加，土壤肥力逐年降低；免耕作為保護(hù)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，多數(shù)無(wú)法被作物利用，造成養(yǎng)分表聚，土壤孔隙度降低。粉壟耕作技術(shù)是一種新型耕作方式，根據(jù)不同作物對(duì)耕層松土深淺程度的種植需求，在作物種植區(qū)利用粉壟機(jī)械一個(gè)或多個(gè)螺旋形鉆頭，均勻垂直旋削粉碎土壤，一次性完成深耕、深松、整地[2]，耕深可達(dá)30～50 cm。

在鹽堿地實(shí)施粉壟耕作，通過粉碎土壤使其保持當(dāng)季和多季疏松，激活犁底層及其以下土壤資源，提高土壤速效養(yǎng)分，保水保肥，降低鹽堿，以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)、優(yōu)產(chǎn)，大幅提升鹽堿地綜合生產(chǎn)能力和農(nóng)業(yè)利用潛力。因此，鹽堿地也是農(nóng)耕農(nóng)藝發(fā)展的后備力量。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者開展了關(guān)于粉壟技術(shù)的研究，本文通過對(duì)粉壟耕作下鹽堿土壤理化性狀和不同作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量品質(zhì)的變化進(jìn)行歸納，總結(jié)粉壟耕作技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以期為通過粉壟耕作技術(shù)改良鹽堿地和進(jìn)一步提升作物產(chǎn)量品質(zhì)提供理論參考，對(duì)于保障糧食安全、擴(kuò)增和有效利用耕地面積，以及未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

1 粉壟耕作技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1.1 構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)

大田試驗(yàn)研究中，粉壟耕作與傳統(tǒng)翻耕的地理環(huán)境相同，水、光、熱、自然資源也相同，唯一不同的是作物生長(zhǎng)的土壤生態(tài)環(huán)境。傳統(tǒng)機(jī)械農(nóng)耕最深耕度不超過35 cm，而且生土中的鹽分會(huì)被翻回熟土，即機(jī)械整地時(shí)只是距土表十幾厘米的鹽層被翻整，板結(jié)地上水分無(wú)法下滲，植物根系同樣無(wú)法扎入，依舊不利于作物生長(zhǎng)。粉壟耕作能打破而不亂土層，為作物根系營(yíng)造了更疏松的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)根系生長(zhǎng)及深扎，有效解決了鹽堿地土壤板結(jié)限制作物生長(zhǎng)問題。此外，較傳統(tǒng)犁耕而言，粉壟耕作技術(shù)可加深、重構(gòu)耕作層，降低其密度，增加其疏松土壤數(shù)量和堿解氮、有效磷、有效鉀等多數(shù)土壤速效養(yǎng)分指標(biāo)[2]，有效擴(kuò)展土壤養(yǎng)分、水分和氧氣等“自然資源活庫(kù)”。因此，粉壟改變了土壤耕層結(jié)構(gòu)，提升了養(yǎng)分含量，作物扎根更深，生長(zhǎng)環(huán)境良好，進(jìn)而利于增加產(chǎn)量和改善品質(zhì)[3]。

1.2 降低全鹽含量

鹽堿地下20～30 cm為不透水層，鹽分難以滲透，只能積于作物生長(zhǎng)層。粉壟耕作對(duì)耕地進(jìn)行了深松深翻，從而打破不透水層。相較于增施化肥，粉壟農(nóng)耕這種物理方式對(duì)土壤產(chǎn)生的傷害較輕，改良效果也更顯著。經(jīng)自走式粉壟深耕深松機(jī)螺旋鉆頭高速旋轉(zhuǎn)磨碎的土壤，疏松之后借由天然降水的下滲運(yùn)動(dòng)使鹽分隨之下沉；且粉壟處理后土壤在微生物、氧氣等作用下，部分鹽分也會(huì)下移；鉆頭橫向切割土壤，使得土壤毛細(xì)管被切斷，底層土壤不易“返鹽”。這三方面的作用使鹽堿地耕作層的含鹽量被大量淡化，極大地提高了出苗率，又因改善了根系土壤環(huán)境而保苗率也較高。

1.3 改善根際微生態(tài)系統(tǒng)

1.3.1促進(jìn)根系生長(zhǎng) 作物根系生長(zhǎng)與土壤生態(tài)條件關(guān)系密切，生長(zhǎng)于深松土壤上的作物根系深扎，分布范圍廣，且根系活力增強(qiáng)，利于吸收土壤養(yǎng)分。根系活力強(qiáng)的，對(duì)后期延緩衰老，促進(jìn)光合產(chǎn)物的形成及運(yùn)輸，進(jìn)一步提高產(chǎn)量有重要作用[4]。甘秀芹等[5]研究粉壟栽培下桑樹根系、植株性狀及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的變化發(fā)現(xiàn)，粉壟深松土壤為桑樹根系提供了良好的生長(zhǎng)條件，其根系數(shù)量較多、長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且鮮質(zhì)量較大。

1.3.2促進(jìn)根際硝化作用 植株、土壤和微生物是一個(gè)宏觀系統(tǒng)，每一部分都各自發(fā)揮著不可替代的作用。

根分泌物作為保持根際微生態(tài)系統(tǒng)活力的關(guān)鍵因素，為微生物提供能源，因此，根際土壤的微生物如反硝化細(xì)菌、好氧固氮菌、厭氧固氮菌等的數(shù)量明顯高于非根際土壤；粉壟使土壤深松且碎，大量氧氣溶入耕作層土壤孔隙空間形成“氧庫(kù)”，根際土壤溶氧，利于微生物氨化和硝化作用。

作物根表和根際土壤中存在的氨氧化菌（ammonia-oxidizing bacteria，AOB）越多，根表和根際有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為NH4+的效率越高，則根系對(duì)NH4+的利用率越高；作物根系具有不同的生理和形態(tài)特征（如氣孔率和通氣組織）以決定氧的徑向擴(kuò)散能力，來(lái)自根的不同徑向O2供應(yīng)會(huì)影響根際AOB的豐度和活性，進(jìn)而直接影響根際的硝化活性[6]。與硝化活性相對(duì)較低的作物相比，具有較高根際硝化活性的作物表現(xiàn)出更高效的干物質(zhì)積累、氮積累和氮素利用效率，因此產(chǎn)量和品質(zhì)更佳。

1.4 保水保肥

粉壟耕作處理后土壤大量形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，土壤顆粒表面積增加，土壤毛細(xì)管被切斷，保水能力大幅提高。李軼冰等[7]通過粉壟栽培及覆膜處理發(fā)現(xiàn)，粉壟能夠有效減少土壤蒸發(fā)，利于降水入滲，提高土壤貯水量，為作物根系生長(zhǎng)提供良好水分條件，以達(dá)到顯著增產(chǎn)目的。

施肥可與粉壟農(nóng)耕結(jié)合，于地面施用的肥料在粉壟機(jī)作業(yè)下與耕層土壤充分、均勻混合，最終深埋于作物生長(zhǎng)層，從而減少肥料流失，提高肥料利用率。

1.5 提高經(jīng)濟(jì)效益

粉壟整地后壟下的“U”型松土槽可積聚降水和灌溉水，提高土壤保水保肥性能?；兽r(nóng)藥施用量、灌溉用水和人工成本相應(yīng)減少[8]。利用脫硫石膏與土壤充分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)固然可以有效改良鹽堿地[9-12]，但改良劑的成本同樣很高[13]。如果與粉壟技術(shù)相結(jié)合，施用量會(huì)減少；改良劑與土壤更充分地接觸，其效果會(huì)更好；減少耗水和施用成本，經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更高。

2 粉壟耕作對(duì)鹽堿地土壤環(huán)境及作物生長(zhǎng)的影響

2.1 粉壟耕作對(duì)土壤環(huán)境的影響

鹽堿地耕作層變淺，犁底層變厚上移，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)被破壞，毛細(xì)管孔隙小，降水不易下滲，土壤水分補(bǔ)給程度較淺。施用的化肥除部分被當(dāng)季作物吸收外，大多數(shù)被土壤固定，加之土壤通氣、透水等理化性能變差，造成酸鹽沉積，土壤板結(jié)，土地生產(chǎn)力下降，嚴(yán)重制約了豐收增產(chǎn)。

隨著保護(hù)性耕作的倡導(dǎo)和發(fā)展，粉壟耕作逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)翻耕成為了一種新型土壤耕作方式。鹽堿地經(jīng)粉壟耕作處理，土壤環(huán)境會(huì)發(fā)生如下變化：①改善土壤物理結(jié)構(gòu)。粉壟耕作利用螺旋型鉆頭垂直高速旋削粉碎土壤，不僅充分打破了犁底層[14]，加深了土壤耕作層，且土壤均勻深松，通透性提高。表層土壤（0~30 cm）容質(zhì)量降低[15]，土壤物理結(jié)構(gòu)得以有效改善，毛細(xì)管被切斷，近地面（0~20 cm）耕層中的鹽分被帶入更深土層，并難以隨蒸騰“返鹽”。②通氣性能提升。較于傳統(tǒng)耕作，粉壟可以明顯降低20~30 cm土層土壤的緊實(shí)度，增加孔隙度[16]，空氣中的氧氣會(huì)隨粉壟機(jī)械翻松土壤進(jìn)入空隙，粉壟土壤氧氣充足。③土壤蓄水能力提升及貯水量增加。粉壟耕作后土層疏松，土壤調(diào)蓄水分更通暢，不僅易于調(diào)用深層水分，且在發(fā)生水分補(bǔ)給時(shí)能夠提高水分入滲深度[17-19]。土壤含水量提高，降雨徑流減少，土壤水庫(kù)容擴(kuò)大，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底部。④土壤保溫效果明顯。機(jī)械高速旋轉(zhuǎn)將土壤毛細(xì)管切斷，降低土壤蒸發(fā)強(qiáng)度[20]，有利于土壤環(huán)境增溫。⑤根際微生態(tài)環(huán)境得以改善。由于粉壟土壤通氣、透水、增溫，淡鹽作用和通透性逐漸增強(qiáng)，良好的土壤水分條件會(huì)促使土壤養(yǎng)分被活化利用[21]，部分酶活性被激活，土壤微生物活動(dòng)頻繁，這些因素促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)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，形成了良好的根際土壤微生態(tài)系統(tǒng)。

2.2 粉壟耕作對(duì)作物生長(zhǎng)的影響

鹽堿脅迫對(duì)鹽堿敏感性作物品種具有抑制作用[22]，對(duì)于禾本科作物來(lái)說表現(xiàn)為灌漿速率減慢，干物質(zhì)積累減少。隨著鹽堿脅迫梯度的增強(qiáng)，作物強(qiáng)粒灌漿速率和干物質(zhì)積累最大值降低，起始灌漿時(shí)間提早，在達(dá)灌漿峰值時(shí)間變短的情況下，生育期提前或推后極易造成空、癟粒的形成[23]，影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

在鹽堿地實(shí)施粉壟栽培的目的在于構(gòu)建合理的耕層構(gòu)造，營(yíng)造對(duì)作物更有利的水、肥、氣、熱土壤環(huán)境條件，增強(qiáng)蓄水保墑保肥能力，促進(jìn)作物生長(zhǎng)[24]。土壤改良最直接的衡量標(biāo)準(zhǔn)就是作物產(chǎn)量，作物產(chǎn)量的形成主要源自葉片光合作用。葉片凈光合速率是土壤各種水、肥、氣、熱條件的綜合反映，因而其結(jié)果可作為分析作物產(chǎn)量限制因素的重要依據(jù)[25-27]。由于粉壟處理打破了耕地犁底層，促進(jìn)了水分入滲，土壤貯水量變大利于葉綠素合成[28]，粉壟作物葉片葉綠素含量較傳統(tǒng)農(nóng)耕的更高，凈光合速率隨之升高[29]。

粉壟整地后，較低的土壤容質(zhì)量和穿透阻力為供試作物提供了疏松的生長(zhǎng)環(huán)境，利于根系深扎。根系生理活動(dòng)增強(qiáng)可充分利用土壤水分和養(yǎng)分，促進(jìn)地上部生長(zhǎng)發(fā)育及干物質(zhì)積累，進(jìn)而增產(chǎn)提質(zhì)[30]。其增產(chǎn)主要是通過提高籽粒干物質(zhì)積累和作物有效穗數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。從灌漿進(jìn)程來(lái)看，作物的生物產(chǎn)量主要在花后灌漿階段形成[31]，對(duì)籽粒干物質(zhì)量起重要作用的是灌漿速率，其次為實(shí)際灌漿期和有效灌漿期。李軼冰等[7]對(duì)黃淮海平原春玉米籽粒灌漿過程及產(chǎn)量進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，粉壟耕作主要通過延長(zhǎng)有效灌漿期和提高灌漿速率以提高籽粒干物質(zhì)量；也有研究認(rèn)為，粉壟處理能夠提高供試作物的穗粒數(shù)，進(jìn)而提高出籽率和產(chǎn)量[32-33]。

此外，由于容質(zhì)量和穿透阻力降低，土壤剖面水分運(yùn)移、作物吸收利用規(guī)律隨之發(fā)生變化[34-35]。降雨及灌溉水分下滲速度加快，粉壟土壤蓄水能力顯著提高，有效持水量增加，這為作物提供了良好的水分條件，利于作物蒸騰，使無(wú)效耗水轉(zhuǎn)化為有效耗水[36]，從而提高作物生長(zhǎng)期間的降水利用率[37]。

作物葉片水分利用效率（water use efficiency，WUE）是指蒸騰消耗單位質(zhì)量水分所同化CO2的量，常用凈光合速率與蒸騰速率的比值表示。土壤水肥條件的改善為WUE及作物產(chǎn)量提高奠定了基礎(chǔ)。深松作物水分利用效率顯著高于傳統(tǒng)旋耕，如李軼冰等[21]在研究不同粉壟作業(yè)深度與旋耕、深松兩對(duì)照處理下春玉米總耗水量和水分利用率差異時(shí)發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比，粉壟各處理能夠顯著降低作物總耗水量，顯著提高單位產(chǎn)量WUE，且WUE與產(chǎn)量相關(guān)性達(dá)到極顯著水平[38]。也有研究發(fā)現(xiàn)，作物可以通過降低蒸騰作用來(lái)提高葉片的水分利用效率。翟振等[29]研究短期粉壟對(duì)小麥光合特性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，較于傳統(tǒng)農(nóng)耕，粉壟處理的小麥凈光合速率顯著升高，但水分脅迫導(dǎo)致其氣孔導(dǎo)度顯著降低，蒸騰作用隨之顯著減弱，從而使兩種處理下作物WUE無(wú)顯著差異。

3 粉壟耕作技術(shù)目前存在的局限性

粉壟耕作技術(shù)變革了傳統(tǒng)農(nóng)耕方法，促進(jìn)了土壤松土量、水分貯存利用量和光合效率量的合理增加利用，具有“增源擴(kuò)庫(kù)”而實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量提高和品質(zhì)改善的效果[39]。但在實(shí)際田間作業(yè)過程中，現(xiàn)在的粉壟機(jī)械動(dòng)力消耗大，且作業(yè)深度越深，動(dòng)力消耗越大，無(wú)疑提高了作業(yè)成本，需進(jìn)一步完善農(nóng)機(jī)具設(shè)計(jì)以使其減小作業(yè)消耗、更加輕便靈活。同時(shí)，土壤水分狀況對(duì)機(jī)械的耕性影響也較大，其宜耕的土壤水分上下限要求比其他耕作措施更為嚴(yán)格，耕作的順利實(shí)施有賴于土壤水分過低狀態(tài)的改善。

另外，粉壟耕作技術(shù)在無(wú)鹽堿、土壤不板結(jié)的沙土地上使用效果不明顯。結(jié)構(gòu)性土壤中的水分運(yùn)動(dòng)和硝態(tài)氮淋溶都受到孔隙間距的強(qiáng)烈影響，粉壟耕作后會(huì)產(chǎn)生較大的土壤比表面積和較短的擴(kuò)散路徑長(zhǎng)度[40]，這種土壤結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的入滲能力，為土壤與周圍流動(dòng)的水之間的相互作用提供了捷徑，同時(shí)也加劇了無(wú)機(jī)態(tài)氮隨水分的淋溶。累積在更深層土體中的氮素不僅很難被下季作物利用，對(duì)環(huán)境也是不利的[41]。因此其環(huán)境效應(yīng)尚待進(jìn)一步研究。

4 展望

粉壟耕作因其具有構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)、淡化鹽堿地含鹽量、改善根際微生態(tài)環(huán)境、蓄水保肥和提高經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式中逐步代替了傳統(tǒng)的農(nóng)耕方法。粉壟農(nóng)耕技術(shù)對(duì)鹽堿土壤有著明顯的改良效果，較于傳統(tǒng)農(nóng)耕，也具有顯著的作物增產(chǎn)提質(zhì)效果。

目前相關(guān)粉壟研究均是對(duì)土壤和作物的短期效應(yīng)進(jìn)行分析。粉壟和深松、翻耕等深土作業(yè)一樣，都有一定的后效，不必年年實(shí)施作業(yè)，可以與旋耕或免耕等耕作措施交替進(jìn)行，但其耕作后效能夠維持的年限尚缺乏長(zhǎng)時(shí)間尺度數(shù)據(jù)，需要進(jìn)一步的田間試驗(yàn)和長(zhǎng)期追蹤觀察來(lái)確定。

鹽堿地改良還需重視耕作、栽培模式以及有機(jī)肥無(wú)機(jī)肥的合理施用[42-43]。沈婧麗等[13]的研究結(jié)果表明，鹽堿地作物種植時(shí)集成改良模式較單一改良措施，其改土效果和作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量更好。不斷完善粉壟配套措施對(duì)解決我國(guó)諸如農(nóng)業(yè)灌溉需水矛盾、增產(chǎn)提質(zhì)等農(nóng)田問題具有深遠(yuǎn)影響。

土壤納米級(jí)孔隙表面能發(fā)生許多化學(xué)反應(yīng)，養(yǎng)分在土壤顆粒上的吸脫附行為，與納米孔隙有關(guān)[44]。在今后的研究中，應(yīng)注重研究粉壟耕作方式下土壤對(duì)養(yǎng)分的吸附與解吸效應(yīng)，對(duì)不同尺度的孔隙度動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行量化且明確作用機(jī)理是今后研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。