粉垄耕作对作物生境、产量及品质影响研究现状与展望

崔烜玮 何进宇 杨佳鹤 刘飞杨 杨艳 马巧梅

崔烜玮，何进宇，杨佳鹤，等. 粉垄耕作对作物生境、产量及品质影响研究现状与展望［J］. 江苏农业科学，2024，52（7）：10-16.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.07.002

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750021； 2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏银川 750021；3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏银川 750021）

摘要：土壤耕层变浅、土壤结构愈发密实、孔隙连通效果变差等因素是制约土地质量和作物产量品质的一大掣肘。粉垄耕作技术可以改善土壤环境，提升作物生长发育水平，实现作物增产提质。综述粉垄耕作对土壤理化性质、土壤养分、土壤盐分、微生物多样性和作物产量品质的影响，以及与其他农艺措施融合的研究进展。粉垄耕作能够有效降低耕作层土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤含水量和储水能力，增强水分入渗并减少地表径流，从而加强土壤抗旱能力；粉垄耕作可以扩大土壤储肥空间，综合养分含量得到提高，土壤养分相比旋耕更能有效被利用，且该耕作方式能加速淋洗盐效果，提供更适宜的土壤环境，促进土壤微生物的繁殖和活动。粉垄耕作对甘蔗、玉米、马铃薯等作物生育情况有着显著的提升，可以增强作物对水肥的吸收利用效率，使得作物往往表现出长势迅速、果实优质的特点。此外，粉垄耕作与地膜覆盖、间作和开沟排水等农艺措施融合，更利于解决干旱、低效、农田淹水等问题。目前粉垄耕作在多个地区已取得良好的试验结果，但成本大、能耗高，不适用于湿土、软土、沙土以及存在地下水污染风险等问题，仍亟待学者们进一步探究。

关键词：粉垄；土壤物理性质；土壤盐分；土壤微生物多样性；土壤养分

中图分类号：S341.1；S152  文献标志码：A  文章编号：1002-1302（2024）07-0010-07

土壤是粮食生产的载体，对土地进行合理耕作，能明显改变土壤结构，优化土壤环境，是实现作物增产提质的重要手段［1］。我国的耕作方式常见有翻耕、免耕、旋耕等，这些耕作方式的长期应用导致土壤耕层变浅、结构密实以及物理性质恶化，进而使水分入渗和作物根系生长受阻；不仅作物难以吸收水分养料，且由于水肥富集于表层土壤，易受到水土流失和蒸发作用的强烈影响，还会出现土壤蓄水保肥能力严重下降的问题［2-4］。韦本辉在木薯增产的试验中发现疏松土壤条件下种植的木薯的产量明显优于土壤板结和表皮结膜条件下种植的木薯的产量，说明改变现有农田耕层浅、土壤板结的状况是提高作物产量的有效途径，在此理论基础上，韦本辉团队经过众多大田试验以及对市场耕作机械的调研后，于2008年开始自主研发粉垄技术及其专用机械［5］。韦本辉在2009年、2010年将粉垄技术应用于淮山药、木薯、花生、大豆、玉米、红薯等作物的种植，发现作物均表现出根系发达、植株健壮的特点，产量也均获大幅提高［6］。之后，韦本辉等又对粉垄甘蔗、粉垄水稻的产量品质及土壤环境进行研究，发现粉垄耕作不仅能加厚耕作层，打通上下毛管联系，促进水分、溶质运移，提高土壤保水、保肥、淋洗盐能力，还能促进植株根系的生长发育，为作物增产提质创造条件［7-9］。本研究通过针对粉垄耕作对土壤水盐运移规律、养分迁移变化、生物多样性影响的研究进展进行综述，从中发现粉垄耕作技术的特点与应用前景，进而为不同地区未来深入开展农作物粉垄耕作提供理论依据。

1 粉垄耕作对土壤环境的影响

土壤是作物生长的基础，而耕作是改变土壤理化性质的手段。通过合理的耕作措施，可以有效改善土壤的水分、养分、气体和热量条件，从而提升土壤肥力，实现作物增产和提质的效果［10］。粉垄耕作技术通过其特点，对土壤物理性质、养分状况、盐分运移及生物多样性产生较显著的影响。

1.1 粉垄耕作对土壤物理性质的影响

粉垄耕作依靠其高速运转的双向刀头，快速切割粉碎土壤，使其粉化，首先影响土壤的物理性质，许多学者针对粉垄耕作对土壤物理性质的影响进行研究。为达到维护土壤结构和保持土壤肥力的目的，很多农民采用免耕技术，但吴建富等认为，短期内采用免耕措施确实可以改善土壤的物理性质，但随着连续免耕时间的延长，土壤理化性质会逐渐变劣，土壤养分易富集于表层，影响作物正常生长［11］。另外，农民常用的浅旋耕方式同样存在类似的问题。首先，土壤犁底层上移，耕层土壤变浅，使得根系无法充分扎根，影响作物的水分吸收能力和营养摄取能力；其次，深层土壤逐渐变得密实，导致土壤的渗透能力和通气性能下降，影响土壤的水分入渗和气体交换；最后，最重要的是长期浅旋耕会削弱土壤的保水保肥能力，导致土壤水分和养分流失，使土壤肥力逐渐减弱［12］。

1.1.1 粉垄对土壤容重、孔隙度的影响

土壤容重、孔隙度是土壤重要的物理指标，对土壤的水-肥-气-热交换及作物汲取水分与养分至关重要，主要与土壤质地、结构等因素相关。一般而言，相同性质的土壤容重越小，则孔隙越发达，土壤越疏松，为作物生长与微生物活动提供有利条件。土壤是由固、液、气3相物质组成，3相组成的变化对土壤肥力的高低具有直接的影响。陶星安等认为，粉垄耕作重新分配了土壤中气-液-固3相的占比，使得土壤结构指数升高和3相结构距离降低，令耕层土壤结构趋向于理想状态［13］；杨博等通过比较传统耕作和粉垄耕作，发现粉垄可打破土壤犁底层，使更深處的土壤被外力作用打散、重组，进而改善耕作层深度的土壤结构，起到显著降低土壤容重，增大土壤孔隙度的作用［14］；熊梓沁等认为，不同深度的粉垄耕作处理均比常规旋耕处理更能有效降低土壤容重，提高土壤孔隙度，改善土壤耕层结构［15］；何进宇等也对不同深度、不同耕作方式土壤进行对比研究，发现与常规旋耕相比，粉垄耕作能够有效降低土壤容重并提高土壤孔隙度［16］。

1.1.2 粉垄对土壤水分状况的影响

水分对作物生长发育至关重要，其中土壤水分是作物水分的主要来源。蒋发辉等认为，粉垄耕作能够有效调节土壤水分的传输和蓄存过程，可以加快水分运移，增大土壤的储水量，这有助于抵御土壤区频发的季节性干旱［17］；杨永辉等通过室内模拟试验发现深松耕作可以提高土壤的水分下渗速度，高于常规耕作方式［18］；马强等对田间土壤水分渗透速度进行测试，发现深松耕作可以显著提升土壤的入渗能力［19］；张玉娇等也指出，粉垄耕作可有效提高土壤含水量，增强土壤储水能力，从而加强土壤的抗旱能力［20-23］。

土壤持水能力由土壤颗粒与水分子间的作用力以及土壤毛管力所决定，受多个因素影响，其中土壤质地、有机质含量和毛细管孔隙数量是主要影响因素［24］。相较于传统犁地和常规旋耕，粉垄耕作能粉碎较深处密实的土壤，并将下层土壤与上层土壤充分混合，完成对土壤颗粒的分散、破碎和重新组合。在此过程中土壤毛管重新形成，毛管半径也处于合适的范围，在毛管中可供悬着的水量增加，进而土壤持水能力得到增强。此外，粉垄耕作还能扩大土壤的储水空间，与浅层土壤相比，大气蒸发对深层土壤影响较小，多余的水分可以更好地保存在土壤中，这对作物在干旱期的水分汲取十分重要。甘秀芹等认为，粉垄耕作能改善土壤的渗透性，提高土壤对深层水分的调蓄能力［25］。这种改善主要是通过使用垂直螺旋钻头深入作用于土壤，使土壤颗粒得到细碎，土壤结构得到重组而实现，且粉垄耕作后的土表一般呈粗糙状，这在降水时能减少地表径流的形成，使更多的水流渗入土壤。

1.1.3 粉垄耕作对土壤团聚体的影响

土壤团聚体是土壤中储存养分的重要部分，对土壤的供肥能力具有直接影响。耕层中不同粒径级别的土壤团聚体数量是评估土壤结构的重要指标，它们直接或间接反映土壤理化性質的优劣程度。王彩霞等认为，旋耕比传统农作和免耕能够增加特征微团聚体的数量，同时可以增加较大颗粒的特征微团聚体的有机碳和全氮含量［26］；张祥彩等认为，深松能够明显增加土壤中粒径大于0.25 mm的水稳性团聚体含量［27］；陈仕林等认为，粉垄耕作下土壤团聚体的平均质量直径和平均几何直径明显高于常规耕作，说明粉垄耕作后土壤团聚体的稳定性和土壤的抗侵蚀能力更强［28］；王世佳等认为，粉垄耕作后的土壤颗粒变得光滑细小，排列变得紧密，这使土壤中形成了更多0.25～1.00 mm粒径的机械性团聚体［29］。不同耕作方式一定有着不同土壤团聚体形成的机制，也存在土壤团聚体数量分布的差异性，但现有研究在这些方面还比较空白。

1.2 粉垄耕作对土壤养分的影响

粉垄耕作对土壤扰动程度较大，能使上下层土壤进行充分的交换与混合，进而较大地改变了养分在土壤中的分布。靳晓敏等认为，粉垄耕作下土壤有机质和速效养分的含量比增加［30］；Wei等对粉垄耕作处理后的稻田进行土壤理化性状测定，发现土壤中所有养分的含量明显增加［31］；蒋发辉等认为，不同深度的粉垄耕作均可显著增加土壤中的全氮、碱解氮、有机质和速效钾含量［32］；聂胜委等认为，粉垄耕作可以显著提高潮土的速效钾含量和砂姜黑土的有效磷含量［33］。可见，粉垄耕作可使土壤密度下降、团聚体数量增加，扩大土壤储肥空间，这正是土壤养分含量高于旋耕的原因之一。郑佳舜等认为，与常规耕作相比，不同施肥处理下的粉垄耕作均使水稻全生育期内的土壤总有机碳含量减少，但是下层土壤较上层土壤的总有机碳含量降低率均低于常规耕作［34］。这与其他学者的研究结论有些许差异，造成此差异的原因可能是粉垄耕作下的不同作物根系对养分的吸收能力不同，且不同的土壤质地也使得有机碳分布和有机碳下渗速率出现差异，这又导致根系对养分的吸收速率存在变化。

另外，粉垄耕作既可以使上下层土壤交换混合，又可以提高水分的入渗速率，这就使得施于土表的肥料在耕作过程中更易被带至下层土壤，且水溶性养料也会随水分流至下层土壤，便于作物根系充分吸收；而常规旋耕由于耕作深度浅，下层土壤相对密实，所以养分富集于表层土壤，难被较深处作物的根系吸收。总体而言，在坡耕地等容易发生侵蚀的土壤区，粉垄耕作使水肥养分存储于下层土壤中，可以减少水土流失，使得土壤养分相比旋耕更能有效被利用［35］。

1.3 粉垄耕作对土壤盐分的影响

土壤盐分胁迫是导致干旱地区作物生产力下降和环境污染的主要原因之一［36］。适用的耕作措施可以为作物提供适宜的生长微环境，降低耕层土壤的盐分含量，从一定程度上减轻土壤的盐碱化问题［37-38］ 。周慧等认为，土壤氨挥发总量随着土壤盐渍化程度的提高而增加，环境污染也会随之加剧［39］；Ding等认为，深耕结合蚯蚓粪的处理相比于免耕和未施用改良剂的土壤可降低土壤的盐分和碱度，进而改良土壤的特性［40］；张柯雨等认为，粉垄机械的螺旋钻头在旋削土壤时，使耕作深度内的土壤得到均匀深松和重组，也将表层土壤中的盐分带至深处，同时，钻头的横向切割断开了土壤毛细管，影响土壤中水和盐分的运动，使深层土壤中的盐分不易被蒸腾作用“返盐”，因此土壤含盐量减少，极大地改善了根系土壤环境［41］；曹明海等认为，粉垄耕作处理下的水盐运移速率较传统耕作更快，淋洗盐效果更好［42］。综上，粉垄耕作可有效降低土壤含盐量，对盐碱地改良有着重要意义。

1.4 粉垄耕作对微生物多样性的影响

作为评价土壤质量变化的重要指标，土壤微生物群落多样性受到人们越来越多的关注［43］。土壤微生物是土壤中最活跃的组成部分，对土壤中的养分循环和利用等起着重要作用。通过耕作可直接改变土壤结构和理化性质，从而间接影响土壤中微生物和酶的活性。土壤酶活性的提高可以通过酶促反应来降低土壤中的有毒物质含量，减少对作物的毒害作用。相比翻耕和旋耕，保护性耕作和粉垄耕作能够提供更加适宜的土壤环境，从而促进土壤微生物的繁殖和活动［44］。杨慰贤认为，与常规耕作相比，粉垄耕作能显著提高土壤中微生物的数量和酶活性，从而改善土壤质量，尤其在0～40 cm深度的土壤中，粉垄耕作使微生物数量显著增加［45］；夏皖豫采用Illumina MiSeq测序技术综合分析得出，与传统耕作相比，粉垄耕作可以明显改善土壤中细菌的多样性和丰富度估计量［46］。这是因为土壤微生物活性与土壤pH值和养分含量密切相关［47］，而粉垄耕作使土壤水盐运移情况得到改善，进而使土壤pH值和养分含量容易处于有利于微生物群落生存的范围。相比之下，长期进行传统耕作会导致土壤结构破坏，土壤有机质含量大幅减少，土壤质量下降，给微生物的生存环境带来不利影响。

粉垄耕作能对土壤微生物群落结构产生正向影响，原因一方面可能是粉垄耕作实现了对更深层土壤的较大扰动，这种扰动可以改善土壤碳分布，削弱土壤的碳流失，还可以增加土壤团聚体的形成［48］，土壤团聚体结构的动态变化又反馈控制土壤微生物活动和土壤有机质组分的分异作用，使得土壤有机质组分-土壤团聚体结构-微生物群落结构的动态变化之间存在耦合作用，进而改变细菌群落结构和多样性［49］；另一方面由于粉垄使土壤持水能力增强，降水入渗和土壤水分调蓄改变了微生物的群落结构，土壤细菌丰度、细菌功能基团和土壤酶活性的提高也作用于土壤微生物功能多样性和碳源代谢能力，促进微生物活性与养分循环，从而逐步改善耕地土壤质量，提高作物产量。

2 粉垄耕作对作物生长及产量品質的影响

2.1 粉垄对作物根系发育、植株表现和产量品质的影响

有许多相关研究结果表明，粉垄耕作对作物生育情况有显著的提升作用，具体表现为根系发育和作物生长相关指标的变化，这些指标的升高同样反映作物产量和品质的提升。李浩等认为，经40 cm深度粉垄耕作的甘蔗在整个生育期内的根系发育指标和作物生长指标都远高于旋耕处理，且新植蔗和宿根蔗平均产量的提高率分别为18.9%、12.9%，糖分含量分别提高11.8%、3.9%（表1）［50］；张邦彦等认为，粉垄30、40、60 cm深度处理均比旋耕处理下的马铃薯产量有显著提高［51］；任晓月等认为，不同粉垄耕作深度处理下种植的玉米籽粒的百粒重、穗粒数、平均穗数和平均产量较旋耕处理均显著增加（表2）［52］；石伟业等认为，粉垄 30～60 cm深度处理相较于旋耕处理，水稻的株高、穗粒数、籽粒的千粒重和单位产量均有不同程度提高，其中以粉垄 50 cm 处理为最优（表3）［53］；孙美乐等对比传统翻耕、隔年粉垄、连年粉垄对棉花生长的影响，发现隔年粉垄与连年粉垄处理下的棉花产量性状差异不显著，但二者都明显优于传统翻耕，此外，粉垄对土壤环境和作物生育的影响具有持久性［54］。

2.2 粉垄耕作实现作物增产提质的机制解析

土壤环境的改善是实现作物增产提质的根本原因。王奇等采用转录组测序和实时荧光定量PCR技术对甘蔗根系中氮素吸收利用相关基因表达水平进行分析，发现粉垄耕作与传统翻耕种植的甘蔗存在45个有关氮素吸收利用的基因表达水平存在差异，其中粉垄甘蔗根系有44个基因表达水平优于传统翻耕［55］。李素丽等认为，粉垄条件下，甘蔗苗期良好的根系发育促使甘蔗在伸长期和成熟期具有较强的光合作用能力，这有利于作物积累有机物［56］。高伟等对粉垄花生进行研究，也发现粉垄耕作后优渥的土壤条件是作物根系良好发育的原因，发达的根系为作物生长提供了大量的水分养料，进而提升作物地上部分的生长水平［57］。

综上，粉垄耕作可以提高根系土壤的水肥含量，促进作物生育前期的根系生长，也能保证作物生育后期的养分供给；另外，其对土壤结构的改善还可以增加根系与土壤的接触面积，从而提高作物根系对水肥的利用效率。两者因素相结合使作物在全生育期内表现出长势迅速、果实优质的特点，最终实现作物的增产提质。

3 粉垄耕作与其他农艺的融合

粉垄耕作技术的理论基础来源于“疏松的土壤提高了木薯产量”这一试验结论。蒋发辉等认为，粉垄耕作能疏松土壤结构、调节水盐环境、增加土壤养分含量和提高作物产量［58-59］ 。同时，结合配施外源有机碳，粉垄耕作还可调节土壤pH值，显著提升土壤有机质含量［60］。还有学者认为，将粉垄耕作的优势与其他农艺措施相融合，可对多种技术的正向影响实现叠加效果。

地膜覆盖是一种控温保水的有效技术手段，近年来在旱作农业方面发挥了巨大优势。秦舒浩等认为，覆膜耕作可以提高作物的蒸腾耗水效率，减少无效蒸发耗水量，促进作物地上部分的干物质积累［61-62］；齐智娟等认为，全膜覆盖可以大幅提高土壤含水率，并对耕层土壤有着显著的保温效果，在一定程度上可以解决旱区农作水分利用效率低的状况［63］。粉垄耕作也对解决土壤干旱和作物缺水问题有着重要意义。张邦彦等从粉垄耕作与覆膜结合对马铃薯产量和土壤物理性质的影响进行研究，发现粉垄结合覆膜措施较其他单一措施和耕作，均可以显著优化土壤水分环境，马铃薯抗旱增产提质效果明显［64］。

经济效益通常用来评价作物种植的合理性，通过计算分析作物经济产值以对同一土壤不同作物的种植制度进行比较。木薯种植以广西壮族自治区为主，但其存在产量低、效益差的问题，这使得木薯种植面积呈减小趋势。劳承英等采用木薯‖大豆间作结合粉垄耕作解决木薯效益、产量问题，发现粉垄耕作可以有效提升木薯前期生育水平；在相同粉垄深度下，间作木薯产量稍低于单作木薯，但大豆与木薯的共同经济效益均超过单作处理［65］。可见，间作对解决作物效益的优点与粉垄耕作提高作物产量的优点结合在一起，两者的融合应用可以实现木薯的增产提效。

开沟排水是改善农田淹水状况的一项关键技术手段。龚嘉等认为，粉垄耕作和开沟排水处理对烤烟的生长发育具有显著影响，在整个生育期内，粉垄耕作和开沟排水处理下的土壤速效养分和有机质含量均高于常规处理，尤其是粉垄耕作与开沟排水结合处理下，土壤在整个生育期内的速效养分含量最高，烤烟根系发育水平明显更好［66］。粉垄深耕和开沟排水都能提高作物产量和品质［67-68］，这与二者技术对土壤理化性质和作物生长的水肥环境的改善密不可分。此外，粉垄耕作与开沟排水技术结合，还能提高作物器官干物质量，调节作物化学性状。

4 问题与展望

粉垄耕作技术实现了对传统农业方法的改革，可以有效改善土壤环境，提升作物光合能力，进而提高作物的产量和品质。但是在实际田间作业中，现有的粉垄机械动力消耗较大，且与作用深度成正比，若想充分发挥粉垄耕作的优势，有时需要增加作业深度。因此，粉垄机械设计还需进一步改进，以满足我国农业农村生产特点，减小作业消耗、提高轻便灵活性。粉垄机械不适合在湿土、软土等条件下耕作，且粉垄耕作带来的作物增产提质效果是基于对土壤理化性质、微生物和酶活性的改善实现的，不能为本就无盐碱、土壤不板结的沙土地带来明显效果。粉垄耕作后的土壤孔隙更发达、水分运移路径更短，较强的入渗能力加剧了无机氮随水分的淋溶和运移，使得氨素更易累积于深层土壤中，而累积在深层土壤中的氨素无法被作物利用，可能对土壤环境产生负向影响。粉垄技术可耕至50～60 cm深度，发达的土壤孔隙结构可以加强水分和溶质的运移能力，且粉垄耕作可以改善微生物的群落结构，加速微生物活动。但从粉垄机械的耕作特点来看，粉垄过程必然会把土壤中利于土壤改良、物质循环、生物多样性的蚯蚓杀死，且机械所产生的内能会破坏它们的生存环境，粉垄耕作对如蚯蚓这样的生物会产生何种负向影响，又对不同的作物种植和不同的土壤环境产生何种影响还需要学者们进行后续研究。此外，发达孔隙的形成会削弱水溶性肥料流向深层土壤的阻力，存在肥料流失所导致的地下水污染风险。

“农业-农村-农民”是我国持续向好发展的基础。新时代下的“三农”工作更应依托于工程技术的发展而实现大面积机械化。粉垄耕作顺应时代而生，无疑为我国的“三农”工作提供了技术支持。希望通过各地不同作物的粉垄耕作试验，不断完善技术模式，改进机械设计，早日使我国农业地位跨上新的台阶。

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基金项目：宁夏回族自治区重点研发计划重大项目（编号：2019BBF02006-1）；宁夏高等学校一流学科建设项目（编号：NXYLXK2021A03）；宁夏大学大学生创新创业训练计划（编号：G2021107490024）；宁夏大学博士科研启动基金（编号：030700002306）。

作者简介：崔烜玮（1998—），男，河北邯郸人，硕士研究生，主要从事农业水土资源高效利用研究。E-mail：cuixueyang137@163.com。

通信作者：何进宇，博士，副教授，主要从事农业水生态与水土资源高效利用研究。E-mail：hejinyu2017@163.com。