粉垄耕作对农田砂姜黑土土壤结构的影响

王世佳 韦本辉 申章佑 余丰源 史鼎鼎 蒋代华

摘要 [目的] 揭示粉垄耕作对砂姜黑土土壤结构的影响，探明其变化机理，为粉垄耕作技术推广应用提供理论依据。[方法] 通過团粒分析仪和扫描电子显微镜（SEM）物理表征手段研究砂姜黑土团聚体分布及微形态等物理性质，比较分析了粉垄（FL）、深松（DP）、深翻（DT）3种耕作方式下砂姜黑土的物理变化差异。[结果] 结果表明：与其他耕作方式相比，粉垄耕作显著增加了粒径小于2 mm的机械稳定性团聚体及0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒径的水稳性团聚体，使大团聚体向小团聚体转变明显;同时，粉垄耕作下土壤微形态表现为表面骨骼颗粒粗糙、疏松和孔隙丰富等特点。[结论] 粉垄耕作改变了砂姜黑土结构，为砂姜黑土地区推广应用粉垄耕作技术提供了理论依据。

关键词 粉垄;砂姜黑土;团聚体;微形态

中图分类号 S152.4文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2019）20-0076-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.20.020

开放科学（资源服务）标识码（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

砂姜黑土是我国黄淮河平原中低产土壤之一，总面积约400万 hm2;其中，淮北平原为最大的分布区[1]。砂姜黑土具有湿黏闭、干坚实、胀缩强、结构差、耕期短、僵块多等特点[2-3]，同时有机质含量低、土壤供肥能力差，导致作物增产受到严重限制。研究表明[4-7]，通过改进耕作、起垄种植、科学合理施肥及推广测土配方等技术措施，能有效提升砂姜黑土肥力。粉垄耕作作为一种全新高效的耕作方式，能打破犁底层，达到深耕深松的目的;其特点为螺旋式钻头横向切割土壤，使土壤悬浮成垄，能有效改善土壤结构[8]。因此，研究粉垄耕作对砂姜黑土结构的影响，对该区域农业可持续发展具有重要的现实意义。

农田砂姜黑土适耕性差，对于不同耕作方式的响应机制具有各自的特点，而相关研究报道较少[9]。谢迎新等[10]通过研究免耕、旋耕（15 cm）、深耕（30 cm）3种耕作方式对砂姜黑土理化性状的影响，结果表明，深耕处理能降低土壤容重，增加土壤有机碳含量，进而提高作物产量。赵亚丽等[11]通过5个耕作处理对比研究砂姜黑土发现，深松（耕）能显著降低土壤的紧实度和土壤三相比R值，促进作物根系生长，提高作物产量。同样，粉垄作为一种超旋深耕技术，能降低土壤耕作层容重，提升土壤的孔隙度和通气性;同时，还能增加土壤温度和速效养分含量[12-13]。杨雪等[14]研究了粉垄耕作对华北缺水地区壤质黏潮土的影响，研究发现，耕作一年半后，粉垄表层土土壤容重显著低于旋耕和深松。该耕作技术已在木薯[15]、甘蔗[16]、玉米[17]、小麦[18]和水稻[19]等多种作物上应用，试验结果均表明能增加作物产量和品质。

目前，粉垄耕作技术已在多种作物上得到应用，但大多以研究作物相关指标为主，而粉垄耕作对土壤物理性状影响的研究鲜见报道;前人针对砂姜黑土物理性状的研究主要以免耕、旋耕、深耕和深翻为主[20-23]，粉垄耕作对砂姜黑土物理性质影响的研究尚无报道。因此，笔者采用团粒分析仪和扫描电子显微镜物理表征手段，比较分析砂姜黑土在粉垄、深松和深翻3种耕作方式下土壤结构的变化差异;探讨粉垄耕作方式下砂姜黑土结构质量的变化机理，为砂姜黑土区域推广更有效的耕作方式，保持农业和经济可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

涡阳县位于安徽的西北部，地处33 °27 ′～33 °47 ′N、115 °53 ′～116 °33 ′E，淮北平原腹地，土壤性质为砂姜黑土。属暖温带半湿润季风气候区，四季分明，年平均日照2 140 h，年平均气温14.6 ℃，无霜期218 d，年平均降水量830 mm。

该试验的砂姜黑土表层（0～20 cm）有机质28.53 g/kg，土壤pH 8.34，土壤全氮1.33 g/kg，碱解氮88.28 mg/kg，有效磷3.96 mg/kg，速效钾272.3 mg/kg。

1.2 试验设计与试验材料

试验于2017年12月进行，试验设3个耕作处理：粉垄（FL）、深松（DP）、深翻（DT）。粉垄：机械型号1SGL-200型，广西五丰机械有限公司生产，耕作深度40 cm;深松：机械型号龙丰1S-200深松机，郑州市龙丰农业机械装备制造有限公司，耕作深度40 cm;深翻：三铧犁型号1L-320，德州浩民机械设备有限公司，耕作深度20 cm。周年种植作物为冬小麦、夏玉米，管理方法按当地常规习惯进行。

3种机械同时在一块地质均匀的土地上进行耕作，每处理小区面积为120 m2（长20 m×宽6 m），每处理3次重复，共9个小区。5点法采集土样，因为粉垄耕作深度较厚，所以粉垄耕作采集上（0～20 cm）、下（20～40 cm）两层土壤，其他耕作方式只采集表层土（0～20 cm）;将采集大土块土样轻掰成直径约1 cm小土块，然后清除枯枝落叶及石块，最后放入干净的硬质塑料盒，带回实验室风干备用。

1.3 测试方法

1.3.1 土壤团聚粒径测定。机械稳定性团聚体采用人工干筛法对团聚体进行分组。具体方法为：把孔径分别为5.0 mm、2.00 mm、1.00 mm、0.5 mm、0.25 mm孔筛自上而下套合，放在筛底上，称取100 g左右的风干土放入5 mm孔筛，加盖后人工手筛把土分为6个粒径组，即>5 mm、2～5 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm和<0.25 mm。经筛分的各粒级团聚体分别准确称量，计算得到各粒级团聚体质量百分比。

水稳性团聚体采用Elliott土壤团聚体湿筛法测定[24]。具體方法：采用上海德码信息技术有限公司生产的DM200-V土壤团粒分析仪，称取风干土100 g左右，将土样放在3 mm孔径筛上，自上而下放孔径3.0、2.00、1.00、0.5、0.25 mm孔筛，再将整个套筛缓慢放入水中，使水面淹过顶层筛，土样在水中浸泡3 min，竖直上下振荡（上下振幅 38 mm，30次/min），分离出>3 mm、2～3 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm和小于0.25 mm土壤团聚体，共6个粒径组，收集各粒径团聚体转移到蒸发皿中，在105～108 ℃下烘8 h干燥后称重，计算得到各粒级团聚体质量百分比。

1.3.2 土壤微形态。采用日本日立公司生产的S-3400N扫描电子显微镜（SEM）观察并照片。具体方法：将带回风干的土壤选取2～5 mm大小的小土块，保证土块至少有1个面的耕作处理纹理，未受到人为破坏挤压。将选取好的小土块放入所配套的离子溅射仪进行喷金处理，然后在扫描电子显微镜观察不同耕作处理超微形态特征。

1.4 数据处理

结构体破坏率是表征土壤团聚体结构特征的重要指标，能反映团聚体对水的稳定性，其结构体破坏率越小，土壤结构越稳定[25]。公式如下：

PAD=（wd-ww）/wd×100%

式中，PAD为结构体破坏率（%）;wd为风干团聚体中大于0.25 mm粒径所占的比例（%）;ww为水稳性团聚体中大于0.25 mm粒径所占的比例（%）。

该试验采用Excel 2010和SPSS 19软件进行统计分析，运用Duncan法进行差异显著性检验（P<0.05），样品均为3次重复。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式下土壤团聚体分布特征

2.1.1 不同耕作方式下砂姜黑土机械稳定性团聚体分布特征。

由表1可以看出，不同耕作方式下砂姜黑土机械稳定性团聚体以粒径大于5 mm为主，粒径2～5 mm次之，粒径小于0.25 mm最低;其比例分别占到51.96%～76.95%、15.61%～26.44%和0.30%～1.10%。其中，在粒径1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm和小于0.25 mm 4个粒径中，表层土（0～20 cm）粒径大小均呈现出粉垄耕作显著大于其他耕作方式（P<0.05）;同理，FL耕作表层土（0～20 cm）明显大于下层土（20～40 cm）（P<0.05）。在大于5 mm粒径表层土中，呈现出DP>DT>FL20，各处理之间均达到显著差异水平（P<0.05），同时，在粉垄耕作中，FL40大于FL20（P<0.05）。而在2～5 mm粒径中，DP则明显低于FL和DT（P<0.05）。

2.1.2 不同耕作方式下砂姜黑土水稳性团聚体分布特征。

由表2可知，不同耕作方式下砂姜黑土水稳定性团聚体主要以粒径大于3 mm为主。在同一土层2～3 mm粒径团聚体分布中，DT显著大于FL20和DP（P<0.05），而在0.5～1 mm和 0.25～0.5 mm粒径团聚体中，FL20明显大于DP和DT（P<0.05）;小于0.25 mm粒径团聚体中，DP大于FL20和DT，达显著差异水平（P<0.05）。在粉垄耕作不同土层中，2～3 mm粒径团聚体FL20低于FL40（P<0.05），而在0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒径中，FL20则明显大于FL40（P<0.05）;其他粒径团聚体分布差异不显著。

不同耕作方式下，结构体破坏率在同一土层中表现为DP>FL20>DT，即砂姜黑土結构体在DT耕作下最稳定，反之，DP最不稳定;而在粉垄耕作不同土层中，结构体破坏率表现为FL20大于FL40。

2.2 不同耕作方式下砂姜黑土团聚体微形态特征（SEM扫描尺度）

如图1所示，通过扫描电子显微镜（SEM）将砂姜黑土放大1 000倍观察，能够直观看出不同耕作方式下土壤的微形态;土壤微结构呈现三维图像，立体感强，能够准确区分结构体和颗粒体、土壤微结构类型及微孔隙类型等。

FL20较DP和DT，表面细颗粒体较为粗糙和疏松，但不松散;DP和DT表面颗粒体排列紧密、紧实，且DP表现最为突出;同时，形成的单个独立微团聚体较少，微孔隙丰富度低于FL20。而FL40与FL20相比，形成的絮凝状微团聚体，FL20为游离骨骼颗粒，FL40则为连生骨骼颗粒且排列具有一定的垂直定向性。

如图2所示，将图1继续放大到5 000倍，能明显看出，FL20与DP和DT相比，成像更清晰，立体感更强，伴有非常明显的片状特征，黏土片表面光滑，形成单个独立的小孔隙较多;FL40与FL20相比，差异则不明显。

安徽农业科学2019年

3 讨论

土壤团聚体对耕作措施非常敏感[26]，不同耕作下各粒径团聚体所占比例不同，决定了土壤保水保肥及物理、化学与生物特征;Bailey等[27]研究指出，较小的团聚体内部大孔隙较多，其形成的土壤总孔隙和孔隙表面积较大，更利于作物根系下扎和水分与养分的吸收;邱莉萍等[28]研究指出，团聚体粒径越小，其比表面积越大，表面吸附能越高，养分含量会随着团聚体粒径减小而增加。张丽娜等[29]研究旋耕、深松和免耕3种耕作方式对旱地红壤结构的影响，结果表明，与免耕相比，旋耕和深松降低了土壤孔隙度，旋耕降低了大团聚体的稳定性，对土壤扰动较大;而深松0.25～5 mm粒径范围内团聚体含量最大，团聚性好。该研究表层土中，与深翻和深松相比，粉垄耕作明显增加了小于2 mm粒径的机械性团聚体和0.25～1 mm粒径的水稳性团聚体，说明粉垄对土壤的扰动较大，而对砂姜黑土结构体的破坏率介于传统深翻和深松之间。李华等[13]通过设置4种深旋处理，研究粉垄对土壤物理性状的影响，试验结果表明，与常规旋耕和深松相比，粉垄能降低土壤容重，增加地温和土壤含水量;该研究结果中，粉垄耕作对土壤团聚体的改变，明显改善了土壤结构;从团聚体各粒级含量分布的变化差异解释了粉垄耕作对土壤物理性质的改善。庞奖励等[30]采用偏光显微镜研究关中地区耕作土壤发现，受耕作活动的影响，土壤疏松且表层土孔隙十分复杂，有蚯蚓粪粒发育，这是土壤肥力较强的标志。东野光亮等[31]同样采用偏光显微镜从微形态学特征上观察砂姜黑土，看出砂姜黑土表现为腐殖化不强，土壤结构发育比较原始，以粘粒形成的单粒为主和多级团粒结构不多等特征，这些结构特征是砂姜黑土表现为中低产土壤的主要原因。该试验采用扫描电镜观察砂姜黑土，观察尺度更微观，成像更清晰，探索了不同耕作短期对砂姜黑土形态特征的影响。本研究中，粉垄耕作下砂姜黑土表面骨骼颗粒粗糙、排列较为疏松，但不松散;伴有较为明显的片层状特征，说明具有比表面较大的特性[32]，其表面可能具有更大的吸附性能，保水保肥性更强。成婧等[33]研究渭北旱塬土壤表明，土壤耕层降低会使土壤理化性质恶化，而人为增加耕层厚度能有效改善土壤结构和提高土壤养分含量;作物吸收养分和水分主要来源于土壤耕作层，耕层厚度的增加可以提升作物产量[34]。而粉垄耕作能打破砂姜黑土长期耕作形成的犁底层，增加其土层厚度。

综上所述，与其他耕作相比，粉垄耕作扰动土壤的方式和强度不同，粉垄耕作具有扰动强度大、粉碎性均匀和耕层深等特点，明显增加砂姜黑土的松土量和土层厚度，改良砂姜黑土耕层浅薄、土壤僵硬等障碍因素，能更好地协调土壤的水、肥、气、热条件，改善砂姜黑土结构，是一种能提升砂姜黑土物理性状行之有效的方法。另外，该试验研究了粉垄耕作方式下对砂姜黑土结构的影响，这种影响所产生的效应能够持续的时间有待进一步研究。

4 结论

与其他耕作方式相比，粉垄耕作能改变砂姜黑土土壤团粒分布特征，明显增加了中、小团聚体含量;粉垄耕作下砂姜黑土表面形态呈现出颗粒粗糙、疏松和孔隙丰富等特点。

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