楊 博,屈忠義,孫慧慧,楊 威,王麗萍,劉 霞,張如鑫,王麒源
(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院,呼和浩特 010018)
【研究意義】鹽堿地既是我國生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的主要障礙因子,又是重要的后備土地資源。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)光照充足、蒸發(fā)強烈而降雨量小,是我國鹽漬土面積較大的區(qū)域之一,全灌區(qū)鹽堿耕地面積約為39.4 萬hm2,占總耕地面積的68.65%[1]。粉壟耕作可促進河套灌區(qū)鹽堿地土壤鹽分的淋洗,改善鹽堿地土壤結(jié)構(gòu),有利于提高河套灌區(qū)鹽堿地土壤資源的利用效率,對合理開發(fā)、利用及改良河套灌區(qū)鹽堿地資源具有重要意義?!狙芯窟M展】耕作方式是調(diào)控土壤理化性質(zhì)的主要農(nóng)藝措施,但常年淺耕、翻耕對土壤的擾動性大,會破壞土壤結(jié)構(gòu);免耕有利于土壤保水保肥,但長期免耕加上機械碾壓會使土壤體積質(zhì)量增大,犁底層變厚上移,致使作物根系難以下扎,不利于吸收深層土壤的養(yǎng)分[2]。前人研究表明,深松耕作可顯著降低土壤體積質(zhì)量,增大土壤孔隙度,提升土壤有機質(zhì)量和全氮量,打破土壤犁底層為作物根系的綜合生長提供良好條件,顯著促進根系在下層土壤中的生長,有利于作物根系對水分和養(yǎng)分的吸收,從而提高作物產(chǎn)量[3-4]。李景等[5]研究表明,與傳統(tǒng)耕作相比,長期深松耕作可以顯著提高>0.25 mm 的土壤團聚體量及其穩(wěn)定性。傅敏等[6]研究表明深松耕作可顯著提高微生物生物量碳。(微生物生物量碳指土壤中微生物體內(nèi)碳的總和)。
粉壟耕作顧名思義即使用粉壟機械進行耕作,粉壟機械由廣西五豐機械有限公司研制,利用機械的螺旋鉆頭高速旋轉(zhuǎn)將土壤研磨粉碎,粉壟耕作深度比普通耕作更深,作業(yè)深度一般為40~80 cm,可通過調(diào)節(jié)鉆頭的高度進行調(diào)控。粉壟耕作可打破深層土壤的犁底層,活化土壤養(yǎng)分。經(jīng)過對多地多種作物試驗研究表明,粉壟耕作對冬小麥[7]、玉米[8]、水稻[9]、木薯[10]等均具有增產(chǎn)效果,粉壟還可降低鹽漬化土壤鹽分[11]?!厩腥朦c】內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽堿地普遍存在土壤結(jié)構(gòu)性差且高鹽、高pH 值等問題,向日葵因具有耐鹽堿性,成為內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽堿地種植的重要作物,但是多年向日葵連作導(dǎo)致輪作倒茬困難,病蟲草害發(fā)生嚴(yán)重,如列當(dāng)、菌核病、黃萎病、葵螟等,造成向日葵大量減產(chǎn)甚至絕收,出現(xiàn)農(nóng)民種植向日葵高投入低產(chǎn)出甚至虧損的現(xiàn)象。本試驗通過與常規(guī)耕作相比,研究粉壟耕作對河套灌區(qū)鹽堿地土壤電導(dǎo)率和pH 值,土壤體積質(zhì)量、孔隙度、三相比,水穩(wěn)性團聚體的量及分布,土壤有機質(zhì)量和全氮量,土壤微生物菌落數(shù)的影響,以期為粉壟耕作在河套灌區(qū)鹽堿地上的推廣應(yīng)用提供理論參考依據(jù)?!緮M解決的關(guān)鍵問題】通過粉壟耕作改善鹽堿地土壤性質(zhì)為種植小麥、玉米及高粱等作物提供良好的條件,便于多年連作的向日葵農(nóng)田輪作其他作物,避免或減輕向日葵多年連作導(dǎo)致的各種病蟲草害等問題,促進作物的增產(chǎn),增加農(nóng)民收入。
試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古五原縣隆興昌鎮(zhèn)榮豐村,該地屬于中溫帶季風(fēng)氣候帶,全年日照時間3 263 h,年均溫6.1 ℃,≥10 ℃的積溫3 392 ℃,無霜期 117~136 d。年蒸發(fā)量較大,年均降雨量為170 mm,冬春季土壤鹽分表聚現(xiàn)象嚴(yán)重。試驗區(qū)0~40 cm 深度土壤基本情況見表1。
試驗設(shè)置粉壟耕作和常規(guī)翻耕2 個處理,粉壟耕作深度為(40±5)cm,記為F;常規(guī)翻耕深度為(13±2) cm,記為P。以常規(guī)耕作為對照,每個處理設(shè)置3 個重復(fù)小區(qū),每個小區(qū)面積為52.8 m2(8 m×6.6 m)。
2018 年葵花秋收后,按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣將葵花秸稈還田。2019 年6 月4 日在試驗田種植高粱(品種:吉雜127),高粱采用當(dāng)?shù)匾荒尚械母材さ喂喾N植方式,穴距約25 cm,大行距為70 cm,小行距為40 cm。每穴播種2~3 粒種子,種植密度約145 000 株/hm2。
表1 0~40 cm 土壤基本情況 Table 1 Basic information of 0~40 cm soil
1.3.1 土壤電導(dǎo)率和pH 值
使用土鉆對試驗小區(qū)土壤分層取樣,取樣深度為0~120 cm,每20 cm 為1 層,共計6 層。將土樣帶回實驗室風(fēng)干研磨并過2 mm 篩,使用去離子水按土、水質(zhì)量比為1∶5 的溶解攪拌并振蕩混合,靜置2 h后用雷磁 DDSJ-308A 電導(dǎo)率儀和酸度計分別測定土樣上清液電導(dǎo)率和pH 值。
1.3.2 土壤體積質(zhì)量、孔隙度和土壤三相比
粉壟后,于2019 年5 月(春播前)采用五點取樣法在粉壟耕作和常規(guī)耕作處理的試驗區(qū)隨機選取5個樣點,采用環(huán)刀法取樣,取樣深度為0~50 cm,每10 cm 為1 層,共計5 層。
土壤體積質(zhì)量:
式中:ρb為土壤體積質(zhì)量(g/cm3);W1為烘干土樣和環(huán)刀的質(zhì)量和(g);W0為環(huán)刀的質(zhì)量(g);V 為環(huán)刀的體積(cm3);ρs為土粒密度2.65 g/cm3,X、Y 和Z分別為土壤固相、液相和氣相體積,以占土壤總體積的百分比計算(%),0.4 和0.6 為修正系數(shù)。
1.3.3 土壤有機質(zhì)量和全氮量
在粉壟耕作和常規(guī)耕作的試驗小區(qū)分別取0~20 cm 和20~40 cm 的土樣,每個處理取3 個重復(fù)。土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定,全氮量采用濃硫酸-過氧化氫消煮后,經(jīng)凱氏定氮儀(FOSS)測定。
1.3.4 土壤水穩(wěn)性團聚體
在粉壟耕作和常規(guī)耕作的小區(qū)用鐵鍬分別取膜間0~20 cm 和20~40 cm 的土樣約2 kg,每個處理取3 個重復(fù),將土樣帶回實驗室切除邊緣受擠壓的土壤后,將剩余土壤沿自然結(jié)構(gòu)掰成小塊并風(fēng)干。土壤水穩(wěn)性團聚體的分布采用濕篩法測定:取100 g 混合均勻的土樣,置于孔徑依次為5、2、1、0.5、0.25 和0.125 mm 的套篩最上層,加水淹沒最上層篩面,浸泡10 min,然后以20 次/min 的頻率震蕩10 min,將留在每個篩子上面的土壤沖洗到鋁盒中,在105 ℃烘干至恒質(zhì)量,稱質(zhì)量。其中大于2 mm 的團聚體為粗大團聚體,0.25~2 mm 的團聚體為細團聚體,二者合稱為大團聚體,小于0.25 mm 的團聚體為微團聚體。
1.3.5 土壤微生物菌落數(shù)
在粉壟耕作和常規(guī)耕作的小區(qū)按“S”形五點采樣法采集膜內(nèi)0~20 cm 和20~40 cm 的土樣,各處理土樣混合均勻后用冷藏箱保存土樣,將土樣及時送回實驗室過200 目的土篩,用去離子水充分混勻土壤,采用稀釋涂布平板法培養(yǎng)微生物。微生物培養(yǎng)方法[13]:細菌使用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基,稀釋質(zhì)量濃度為10-5、10-6、10-7,37 ℃下倒置培養(yǎng)24 h 后計數(shù);放線菌使用高氏一號培養(yǎng)基,稀釋質(zhì)量濃度為10-5、10-6、10-7,28 ℃下倒置培養(yǎng)4 d 后計數(shù);真菌使用馬丁氏培養(yǎng)基,稀釋質(zhì)量濃度為10-4、10-5、10-6,28 ℃下倒置培養(yǎng)4 d后計數(shù)。
試驗數(shù)據(jù)使用Excel 2016 軟件統(tǒng)計作圖,使用SPSS 22.0 軟件進行顯著性檢驗(DUNCAN),差異顯著性在P<0.05 水平。
圖1 為土壤電導(dǎo)率和pH 值。由圖1(a)可知,粉壟耕作后,在0~20 cm 和20~40 cm 深度鹽堿地土壤電導(dǎo)率值分別降低了618 μS/cm 和361 μS/cm,在0~40 cm 深度,作物主根區(qū)的生長范圍內(nèi),粉壟耕作后土壤可溶性全鹽量相對于常規(guī)耕作土壤降低了30.34%。0~60 cm 深度粉壟耕作后鹽堿地土壤可溶性全鹽量降低,電導(dǎo)率值明顯低于普通耕作的土壤;鹽分主要在60~80 cm 深度積累。由圖1(b)可知,粉壟耕作后0~80 cm 深度鹽堿地土壤pH 值降低,而80 cm 深度以下土壤pH 值增大。其中,0~40 cm 深度鹽堿地土壤pH 值顯著降低,在0~20 cm 和20~40 cm深度鹽堿地土壤pH 值分別下降了0.73 和0.60。
圖1 土壤電導(dǎo)率和pH 值 Fig.1 Soil electrical conductivity and pH value
有研究表明,當(dāng)土壤體積質(zhì)量達到1.3 g/cm3時,作物產(chǎn)量會因土壤通氣不良受到影響[2,14]。由圖2(a)可見,常規(guī)耕作土壤除0~10 cm 深度土壤體積質(zhì)量小于1.3 g/cm3,其他深度土壤體積質(zhì)量均大于1.3 g/cm3,這可能與表層土壤經(jīng)常受到人為松土翻耕以及向土壤中施加有機肥有關(guān)。常規(guī)耕作的土壤體積質(zhì)量值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,在20~30 cm 深度最大為1.51 g/cm3,這會影響作物的正常生長。而粉壟對10~40 cm 深度土壤體積質(zhì)量則有明顯改善,粉壟后10~40 cm 深度土壤體積質(zhì)量與常規(guī)耕作土壤相比均有顯著性差異,尤其對20~30 cm 深度影響最為顯著,土壤體積質(zhì)量降低值達0.23 g/cm3,降低了15.33%;對10~20 cm 和30~40 cm 深度也有一定影響,土壤體積質(zhì)量降低值分別為0.1 g/cm3和0.08 g/cm3,說明粉壟耕作可以疏松土壤顯著降低土壤體積質(zhì)量。
有學(xué)者[15]研究表明,土壤總孔隙度一般在35%~65%之間,最適宜的區(qū)間為50%~60%。由圖2(b)可見,粉壟后0~40 cm 深度土壤孔隙度與常規(guī)耕作有顯著差異,且0~30 cm 深度土壤孔隙度在最適宜區(qū)間內(nèi)。常規(guī)耕作處理土壤0~10 cm 深度孔隙度在最適宜的區(qū)間,而20~50 cm 深度尤其在20~30 cm 深度土壤孔隙度與50%相差較大,粉壟后該層土壤孔隙度由43.09%增大到51.82%,增大了20.24%。
圖2 土壤體積質(zhì)量和孔隙度 Fig.2 Soil bulk density and porosity
結(jié)合土壤體積質(zhì)量和孔隙度指標(biāo)分析可知,除0~10 cm 深度外,河套灌區(qū)鹽堿地普遍存在體積質(zhì)量較大而孔隙度較小的問題,而且在20~30 cm 深度土壤體積質(zhì)量最大,這主要與該層土壤長時間不能得到有效翻耕疏松且受機械碾壓有關(guān),在外界綜合因素長時間的影響下,該層土壤最終形成密實的犁底層,進而影響土壤水肥氣熱的交換及作物根系長度及干質(zhì)量等指標(biāo)的綜合生長。粉壟耕作通過疏松土壤可顯著降低土壤體積質(zhì)量、增大土壤孔隙度,尤其在20~30 cm 深度土壤變化最為明顯,說明粉壟耕作可打破土壤犁底層,改善土壤物理性狀,使土壤結(jié)構(gòu)變得疏松多孔有利于水肥氣熱的交換及作物根系的生長。
圖3 土壤三相組成及三相比R 值 Fig.3 Three phase composition and three phase ratio R value of soil
研究表明[12],一般情況下土壤理想的三相體積比例為固∶液∶氣=50∶25∶25。由圖3(a)和圖3(b)可知,粉壟可有效降低土壤固相體積,協(xié)調(diào)土壤三相比例,使土壤三相結(jié)構(gòu)向理想結(jié)構(gòu)趨近。由圖3(c)可知,0~20 cm 深度粉壟前后土壤的R 值變化不明顯,這可能與表層土壤處受人為活動頻繁有關(guān);而20~40 cm 深度變化明顯,在20~30 cm 和30~40 cm 深度土壤R 值分別由13.97 和21.05 降低到4.33 和11.51,土壤的三相構(gòu)成與理想的土壤結(jié)構(gòu)更加接近,而40~50 cm 深度未進行粉壟作業(yè),土壤R 值與常規(guī)耕作接近且明顯高于0~40 cm;說明粉壟可協(xié)調(diào)土壤三相比例,改善土壤的三相結(jié)構(gòu),可促進土壤的水肥氣熱交換及作物生長。
由于粒徑大于5 mm 的水穩(wěn)性團聚體量較少,將粒徑在2~5 mm 的團聚體合并計算。由圖4 可知,在0~20 cm 土層內(nèi),粉壟耕作粒徑大于0.5 mm 的大團聚體量高于普通耕作,且粒徑在0.5~1.0 mm 的水穩(wěn)性團聚體量占比較高;而隨著時間的推移,粉壟耕作土壤微團聚體減少,大團聚體量增加。9 月,粉壟耕作鹽堿地土壤水穩(wěn)性大團聚體占60.67%,而常規(guī)耕作處理土壤水穩(wěn)性大團聚體僅占51.68%,水穩(wěn)性團聚體量增加了17.40%。粉壟耕作提高了0~20 cm 土層土壤水穩(wěn)性大團聚體,增幅為36.8%。在20~40 cm土層,小于0.125 mm 的微團聚體量呈降低趨勢,而大于0.25 mm 的水穩(wěn)性團聚體量增加,土壤水穩(wěn)性大團聚體分布與 0~20 cm 土層類似,主要集中在0.25~1.00 mm,這主要與粉壟耕作提高了土壤有機質(zhì)有關(guān)。粉壟耕作增大了土壤孔隙度,為土壤微生物提供良好的生長環(huán)境,從而促進有機質(zhì)的積累及土壤膠體的凝聚,使土壤微團聚體向土壤大團聚體轉(zhuǎn)化。粉壟耕作使鹽堿地土壤水穩(wěn)性團聚體量整體增大,且粒徑在0.25~1.00 mm 的團聚體量增加明顯。
圖5 為土壤有機質(zhì)量和全氮量。由圖5 可知,粉壟耕作后鹽堿地0~40 cm 深度土壤有機質(zhì)量和全氮量有明顯提升。在0~20 cm 和20~40 cm 土層內(nèi),粉壟耕作后土壤有機質(zhì)量分別增加了53.59%和79.19%;全氮量分別增加了27.12%和14.29%;土壤有機質(zhì)量和全氮量的提高可以起到疏松土壤的作用,有利于改善土壤結(jié)構(gòu),并為作物生長提供養(yǎng)分物質(zhì)。
圖6 為土壤微生物菌落數(shù)。由圖6 可知,鹽堿地土壤中微生物菌落數(shù)從大到小依次為細菌>放線菌>真菌;粉壟耕作對土壤細菌、放線菌和真菌均有提高,從微生物菌落數(shù)量方面分析,粉壟耕作對細菌菌落數(shù)增加最多,而真菌菌落數(shù)增加最少。在0~20 cm土層內(nèi),土壤細菌、放線菌和真菌增幅分別為19.39%、60.76%和25.00%,而在20~40 cm 土層內(nèi),土壤細菌、放線菌和真菌增幅分別為37.29%、127.27%和25.79%。20~40 cm 土層不同菌類微生物的增幅均比0~20 cm 大,這可能與多年淺耕及機械碾壓導(dǎo)致鹽堿地土壤20 cm 以下存在的犁底層有關(guān),犁底層不利于作物根系的綜合生長,犁底層以下土壤的養(yǎng)分大量積累,經(jīng)過粉壟耕作后,土壤犁底層被打破,20~40 cm 深度土壤體積質(zhì)量降低,孔隙度增大,為微生物的生長繁殖提供有利條件,使得深層土壤微生物快速繁殖。
圖5 土壤有機質(zhì)量及全氮量 Fig.5 Soil organic matter and total nitrogen
圖6 土壤微生物菌落數(shù) Fig.6 Number of soil microbial colonies
鹽堿地因土壤高鹽、高pH 值問題對作物有鹽堿脅迫作用,鹽堿脅迫對種子萌發(fā)及作物生長影響顯著,在種子萌發(fā)期間,因土壤的鹽堿脅迫作用會使種子難以吸收足夠的水分來合成萌發(fā)所需要的各種酶和結(jié)構(gòu)蛋白,難以完成細胞的分裂分化,從而降低種子萌發(fā)率[16];在作物生長期間,鹽堿脅迫作用還會抑制作物對土壤水分和養(yǎng)分的吸收,從而影響作物產(chǎn)量。粉壟耕作打亂了土壤原有毛管通道,降低了春冬季節(jié)土壤返鹽作用,粉壟耕作打破了土壤犁底層,增大了土壤孔隙,有利于春匯時期土壤鹽分的淋洗,根據(jù)鹽隨水去的規(guī)律,土壤中的可溶性鹽離子隨水向深層土壤運移。本研究表明,粉壟耕作可明顯降低鹽堿地土壤0~40 cm 深度土壤可溶性全鹽量和pH 值,為種子萌發(fā)及作物生長提供良好條件。
土壤體積質(zhì)量和孔隙度是土壤重要的物理性狀之一,對土壤水肥氣熱的交換有重要作用。河套灌區(qū)鹽堿地普遍存在土壤黏重、體積質(zhì)量大而孔隙度小、結(jié)構(gòu)性差的問題。此外,常年淺耕及機械碾壓還會導(dǎo)致土壤犁底層變厚上移,耕層變淺。王新兵[3]研究表明,土壤體積質(zhì)量增大會抑制作物根系的綜合生長及其對土壤水分和養(yǎng)分的吸收,從而影響作物產(chǎn)量;趙亞麗等[17]研究表明,深松可顯著降低土壤體積質(zhì)量及緊實度,增大土壤孔隙度并改善土壤三相結(jié)構(gòu)比,有利于作物根系的綜合生長。這與本研究結(jié)論一致,粉壟耕作可降低鹽堿地土壤體積質(zhì)量、增大孔隙度并降低土壤三相比,對20~30 cm 深度的土壤改善效果尤為顯著。
團粒結(jié)構(gòu)是最適宜土壤水肥氣熱交換及作物生長的結(jié)構(gòu),土壤團粒結(jié)構(gòu)的多少可在一定程度上表征土壤肥沃程度,水穩(wěn)性團聚體對土壤抗蝕能力及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要意義。章征程等[18]研究表明,河套灌區(qū)鹽堿地土壤大團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤有機碳量和全氮量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,而有機物質(zhì)在大團聚體形成中起重要的作用;而小團聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與EC、pH及Na+、SO42-、Cl-和CO32-呈顯著正相關(guān)關(guān)系,鹽分決定鹽堿土小團聚體的數(shù)量,因此,河套地區(qū)鹽堿土改良,應(yīng)在降低鹽分的同時加大有機物質(zhì)投入量。張博文等[4]研究表明深松耕作可改善土壤結(jié)構(gòu),有利于提高 0~10 cm 土層土壤有機碳轉(zhuǎn)化效率及深層土壤有機碳量。王世佳等[19]通過掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)粉壟耕作后土壤微形態(tài)具有表面光滑、土壤比表面積較大及孔隙分布更豐富等特點,粉壟耕作顯著增加赤紅壤的中團聚體量,相對其他耕作方式,粉壟深度為40 cm時,可顯著增加1~0.25 mm 粒徑機械穩(wěn)定性團聚體量,減少了大于3 mm 粒徑水穩(wěn)性團聚體量。本試驗研究表明,粉壟耕作可提高土壤有機質(zhì)量及全氮量促進鹽堿地土壤水穩(wěn)性團聚體量的增加,且粒徑在0.25~1.00 mm 的團聚體量增加明顯,這與王世佳等[19]的研究結(jié)論相符。
土壤微生物群落多樣性[20]作為評價土壤質(zhì)量變化的重要指標(biāo),已越來越引起人們的關(guān)注,一般而言,土壤越肥沃、結(jié)構(gòu)性越好的土壤,微生物菌落數(shù)也越多。傅敏等[6]研究表明深松結(jié)合秸稈還田能夠改善土壤基本性質(zhì)及土壤微生物群落結(jié)構(gòu),有利于增加土壤固碳能力和解決土壤退化問題;李景等[5]研究表明深松結(jié)合小麥秸稈覆蓋和小麥~花生輪作等措施均可改善土壤團聚體狀況,提高土壤微生物多樣性;張博文等[21]研究表明深松較旋耕提高0~20 cm 土層細菌群落豐富度與多樣性,連續(xù)深松可進一步提高微生物群落豐富度,各深松處理以深松2 a 效果最優(yōu)。本試驗研究表明,粉壟耕作可顯著增加0~40 cm 深度土壤的微生物菌落數(shù),尤其對20~40 cm 深度土壤微生物菌落數(shù)增加顯著,這可能與粉壟打破土壤犁底層,增大了20~40 cm 深度土壤孔隙度,為土壤微生物提供良好的生存條件有關(guān),促進了微生物的生長繁殖。
1)粉壟耕作后,0~40 cm 深度土壤可溶性全鹽量下降30.34%;在0~20 cm 和20~40 cm 深度土壤pH值分別下降了0.73 和0.60,為種子萌發(fā)及作物生長提供良好條件。
2)粉壟耕作可降低0~40 cm 深度土壤體積質(zhì)量,增大土壤孔隙度,改善土壤三相結(jié)構(gòu)比,尤其對20~30 cm 深度影響顯著。
3)粉壟耕作可增加鹽堿地土壤有機質(zhì)、全氮及水穩(wěn)性團聚體量,且粒徑在0.25~1.00 mm 的團聚體量增加明顯。
4)粉壟耕作可增加0~40 cm 深度土壤微生物菌落數(shù),且對20~40 cm 深度土壤微生物菌落數(shù)增加顯著。