機械壓實對蔗田土壤和甘蔗根系的影響研究進展①

高欣欣 劉高源 劉少春 郭家文

(1 云南省農業(yè)科學院甘蔗研究所 云南開遠661699;2 云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室 云南開遠661699)

甘蔗是我國重要的糖料經濟作物。據(jù)統(tǒng)計，2017～2018 榨季全國糖料蔗種植面積約154 hm2［1]，且主要分布在長江以南的廣西、云南、廣東等西南山地丘陵地區(qū)。與煙草、馬鈴薯、中藥材等經濟作物相比，甘蔗田間生產環(huán)節(jié)成本較高，致使糖料蔗生產在經濟效益上不占優(yōu)勢。因此，推進甘蔗全程機械化是實現(xiàn)降低制糖原料成本、有效解決砍蔗勞動力不足、費用高等生產瓶頸問題的關鍵技術。隨著甘蔗機械化水平的逐步提高，機械作業(yè)程度增加，機械壓實造成的蔗區(qū)土壤理化特性和生物學特性改變，土壤環(huán)境惡化等問題也逐漸突出［1]。土壤壓實會造成土壤容重增加，隨之土壤強度增強，作為影響作物生長的重要因素之一［2-3]，土壤強度増加會限制植物根系的生長發(fā)育和養(yǎng)分吸收，進而抑制整株植物的生長發(fā)育，降低產量和品質，對農業(yè)和環(huán)境均產生不良影響。本文擬從蔗田機械壓實后土壤理化特性與甘蔗根系之間的互作關系、機械化作業(yè)后甘蔗生長發(fā)育情況等方面進行綜述，并對緩解蔗田土壤機械壓實的措施進行探討，以期為我國甘蔗全程機械化的推進提供參考。

1 蔗田土壤機械壓實現(xiàn)狀

中國是繼巴西、印度之后的世界第三大甘蔗生產國，但是噸糖原料成本卻遠高于世界其它甘蔗主產國家，究其原因主要是我國甘蔗機械化水平低，人工成本高。據(jù)統(tǒng)計，采用全程機械化生產制糖甘蔗原料，與純人工生產相比，噸蔗節(jié)省成本118～140元，噸糖可節(jié)省制糖原料成本900～1120 元。因此，推廣甘蔗全程機械化是我國蔗糖產業(yè)發(fā)展的必經之路。隨著甘蔗收獲機、轉運機、拖拉機等大型配套農機具在甘蔗生產中的推廣使用，蔗田機械作業(yè)過程中輪胎的反復碾壓使土壤負重過大，造成土壤壓實，破壞土壤環(huán)境，顯著降低了宿根蔗出苗發(fā)株以及后期蔗糖分積累和產量生成［4-5]。甘蔗全程機械化包括甘蔗種植、中耕管理、機械化收割等環(huán)節(jié)，目前國內使用較多的甘蔗種植機、開溝機多以四輪拖拉機進行配套動力，拖拉機運行過程中輪胎對蔗田土壤反復碾壓能顯著增加土壤容積密度，降低土壤孔隙度。王恩姮等［6]研究表明，拖拉機等中型機械作業(yè)能夠在土壤17.5～30 cm 的土層范圍內造成土壤壓實，形成新的土壤板結，破壞土壤理化環(huán)境，影響該土層范圍內甘蔗根系的正常生長發(fā)育［6]。甘蔗收獲勞動量占甘蔗生產人工總成本的50%［7]，甘蔗收割機的推廣應用是甘蔗全程機械化推進的重點環(huán)節(jié)，考慮到收割機技術路線復雜，輸送通道易堵塞，剝葉損耗大等問題，目前我國推廣使用的甘蔗收割機仍然主要以切斷式聯(lián)合收割機為主。為保持收割效率和收割穩(wěn)定性，切斷式甘蔗聯(lián)合收割機普遍具有較大的機身重量，如凱斯4000 整機重6.7 t；約翰迪爾CH530 整機重9.5 t；中聯(lián)谷王AS60（4GQV-1）整機重9.5 t；柳工S935 整機重15 t［8]。配套10 t左右的甘蔗轉運車［9]，甘蔗機械化收獲過程中對土壤造成的碾壓面積可達蔗田面積的1倍以上，壓實作用顯著，是造成土壤環(huán)境惡化，影響宿根蔗生長發(fā)育的重要因素之一。

2 機械壓實對土壤和甘蔗根系的影響

2.1 對土壤理化特性的影響

機械碾壓能夠直接引起土壤理化特性和生物學性能的改變，主要表現(xiàn)為：土壤容重增加，土壤強度和穿透阻力加大、孔隙度減少、通氣狀況變差，田間持水量降低；土壤中化學元素及離子的吸附、固定過程發(fā)生變化，氮、磷、鉀等有效養(yǎng)分利用效率降低；土壤中微生物種類和活性發(fā)生改變［10-15]。研究表明，不同負荷農用機械不同作業(yè)程度對土壤耕層作用效果不同，普通農用機械主要引起地表0～10 cm 土壤壓實，而大型農用機械作業(yè)過程中反復碾壓對土壤耕層影響較大，能夠引起土壤60～70 cm 心土層構造改變。高負荷機械壓實條件下，旱稻耕層表層（0～10 cm）土壤孔隙度比翻耕前降低了18%，春小麥耕地心土層土壤穿透阻力比翻耕前提高了3～9 倍。土壤壓實對土壤養(yǎng)分的影響主要是限制了有效養(yǎng)分的移動性；另外土壤壓實會降低土壤pH，引起土壤酸化，改變土壤微生物活性和種類，使土壤中的礦物質釋放出鹽基離子，造成土壤養(yǎng)分流失［15]。

2.2 對甘蔗根系的影響

根系是支撐植物地上部生物體的主要器官，也是植物和土壤進行物質能量交換的媒介，對植物生長發(fā)育具有重要作用。植物與土壤中營養(yǎng)物質和水分的交換主要是依靠根系生長、形態(tài)分布、生理活性等生物學指標［16]。而土壤容重、孔隙度、含水量等物理性狀以及土壤中養(yǎng)分形態(tài)和分布能夠直接影響根系這些指標［17]。因此，良好的土壤環(huán)境是作物根系與土壤養(yǎng)分、水分高質量完成時空匹配的重要保障，也是實現(xiàn)養(yǎng)分高效、作物高產和環(huán)境友好這一可持續(xù)發(fā)展目標的重要前提。

2.2.1 對甘蔗根系生長和形態(tài)分布的影響

甘蔗屬于多年生、深根型作物，根系較大且?guī)缀跬耆煌寥腊唬瑥亩芨玫刂蔚厣喜可锪坎⑼瓿珊屯寥赖奈镔|能量交換。徐林等［17]研究發(fā)現(xiàn)，大部分甘蔗根系集中在15～30 cm 耕層，僅少部分根系入土較深，能夠達到1 m 左右。劉曉燕等［18]研究甘蔗機收后土壤壓實情況發(fā)現(xiàn)，機械碾壓前期可使0～30 cm 的耕層容重增加。因此，蔗田土壤機械壓實土層與甘蔗根系集中分布的耕層正好發(fā)生重疊，能夠對甘蔗根系生長產生直接作用。土壤容重增加引起的土壤穿透阻力增大能顯著加大甘蔗根系生長阻力，從而影響根系在土壤中的正常生長發(fā)育，主要表現(xiàn)為生長速率降低、根系形態(tài)結構發(fā)生改變。土壤壓實后，土壤容重增加、孔隙度減少、通氣狀況變差，田間持水量降低，導致根系只能通過改變自身形態(tài)或生長方向適應土壤理化特性的改變，完成相應的生理功能，滿足地上部生長需求。研究表明，在緊實的土壤中，植物根系生長速度變慢，根系變短變粗，根量減少，由于土壤阻力的作用，根系空間分布以橫向分布的增加為主［19]。土壤壓實后大孔隙數(shù)量減少，玉米側根生長受阻，根系直徑變粗、根毛密度增加；而牛尾草根系隨土壤壓實強度的増加直徑則有減少趨勢［20]。豌豆根系直徑也會隨土壤緊實度的增加而不斷增加，且生長速率顯著降低。有學者認為，土壤壓實條件下根系變短變粗主要是土壤阻力增加造成植物根系細胞直徑増大而長度略為減小引起的，且土壤阻力對植物根系生長的影響作用具有延續(xù)性，即經過壓實脅迫的植物根系即使隨著生長延伸穿過緊實層進入土壤疏松的耕層后，其生長速度也不能完全恢復，且根系的生長速度與土壤壓實層的厚度和根系穿越該壓實層需要的時間密切相關［21-22]。

2.3 對甘蔗根系生物量的影響

土壤壓實不僅影響根系的生長和形態(tài)分布，還會通過影響根系的伸長速度、長度、直徑等生理指標影響根系生物量。生物量是指某一段單位面積土地上生活的生物體干物質總量。李毅杰等［19]研究蔗田土壤機械碾壓后土層容重變化，發(fā)現(xiàn)10～20 cm 土層容重增幅最大且對甘蔗根系各方面功能參數(shù)產生了一定的影響，主要表現(xiàn)為根系生物量下降、根系長度縮短變粗、根系表面積減小、根系平均直徑下降，另外，各級根系比例也發(fā)生了不同程度的改變。FRIEDEL等［23]研究土壤和植物根系互作關系中發(fā)現(xiàn)，土壤容重的增加能顯著減少植物根系長度和密度，從而影響植物根系總干重，其中當土壤容重達到1.55 g/cm3時，土壤穿透阻力由1.25 MPa 提高到5.0 MPa，土壤氣體中氧氣的含量只有0.1 m3/cm3，根系正常生長受到影響，根系長度與最大長度相比減少了50%，且大部分根系不能穿透容重為1.55 g/cm3的土層［23]。土壤容重增大對植物根系生長的影響大于對地上部的影響，有研究表明，土壤容重由1.20 g/cm3增加至1.58 g/cm3，香根草根冠比顯著降低30.4%，且根系干物質重量降低54.2%。也有報道稱，當土壤機械阻力達到2.5 MP 時，根系生長能夠完全被抑制［24-25]。

2.4 實對甘蔗根系養(yǎng)分吸收的影響

植物根系對土壤中養(yǎng)分的吸收主要通過主動截獲、質流和擴散來完成，能夠通過根系直接接觸從土壤中獲取的養(yǎng)分比例較小，大部分養(yǎng)分主要通過質流或擴散獲取，即根系通過吸水和植物地上部蒸騰作用形成的壓力差使土壤養(yǎng)分隨水分向根表遷移，土壤養(yǎng)分以水為媒介移動到根系表面，養(yǎng)分離子與根系細胞表面的離子發(fā)生置換后進入根系細胞完成養(yǎng)分吸收功能。因此，土壤中水分含量分布以及土壤養(yǎng)分形態(tài)和轉移能力直接影響植物根系養(yǎng)分吸收。有研究表明，輕微的土壤壓實能夠通過增加根系和土壤的接觸面積來增大植物根系主動截獲土壤養(yǎng)分和水分的能力，從而增加根系單位面積水分和養(yǎng)分吸收率，但是嚴重土壤壓實條件下，土壤理化特性發(fā)生改變，孔隙度減少、田間持水量降低、土壤中營養(yǎng)元素的存在形式、狀態(tài)發(fā)生變化，植物根系生長受阻，土壤中養(yǎng)分質流和擴散都受到顯著影響，根系主動截獲營養(yǎng)物質的增加并不能彌補土壤壓實后根系吸收能力降低以及土壤中減少的以質流方式到達根系表面養(yǎng)分和水分［26]。蔗田土壤壓實能夠顯著降低土壤中堿解氮含量，這可能與蔗田土壤壓實后土壤N 的反硝化作用加速，N2O 的釋放量指數(shù)性增加有關；另外，蔗田機械碾壓后，土壤中速效磷含量也顯著降低，主要是由于土壤容重增大，土壤O2含量降低，影響了甘蔗根系對土壤中磷元素的吸收［27-29]。

3 改善蔗田機械壓實土壤的措施

3.1 提高農機匹配度，發(fā)展農機具聯(lián)合作業(yè)

蔗田土壤機械壓實主要源于農機自身壓力以及車輪與土壤接觸情況，選擇適宜農機進行甘蔗大田生產能有效緩解土壤壓實強度。以云南為例，為適應山地丘陵甘蔗種植模式，近年來主推靈活輕巧的中小型甘蔗農機設備，在有效降低農機坡地作業(yè)側翻風險的同時，對蔗田土壤的碾壓程度也大大降低。輪胎是農機與土壤直接接觸部位，增加農機輪胎數(shù)量、或者改良大型農機具輪式輪胎為履帶式輪胎都可以直接增加機械和土壤的接觸面積，從而緩解機械壓強。另外，有研究表明，土壤壓實隨農機碾壓次數(shù)的增加而增大，輕型農機壓實2 次比壓實2 次應力增加70.69%，重型農機則增加6.7%，因此推廣農機具聯(lián)合作業(yè)也是有效降低蔗田土壤壓實情況的重要途徑之一［30]。等措施對土壤機械壓實引起的環(huán)境破壞進行一定程度的改良，其中粉碎蔗葉還田在提高蔗田土壤養(yǎng)分的同時還能起到保水、保肥、通氣等作用，從而對蔗田土壤機械壓實起到良好的改善作用。保留地表覆蓋物的前提下免耕播種，以保留土壤自我保護機能和營造機能，是機械化耕作由單純改造自然到利用自然、進而與自然協(xié)調發(fā)展農業(yè)生產的革命性變化。

3.2 農機農藝融合技術，推廣保護性耕作

采用適宜的農機農藝融合技術能有效改良機械壓實后蔗田土壤理化特性。主要措施包括選擇甘蔗收割機配套的種植行距，從而有效減少收割過程碾壓次數(shù)；適當施用發(fā)酵廢液、濾泥等有機副產物增加蔗田土壤有機質含量，改溝植為壟作并結合中耕培土增加耕層厚度等。羅俊等［31]研究表明，增施有機肥能顯著降低土壤容重、改善土壤總孔隙度、提高土壤液相容積率、增加土壤有機質以及速效養(yǎng)分含量，從而改善機械壓實后蔗田土壤理化特性。另外，甘蔗收獲后采用蔗葉還田措施，利用粉碎蔗葉提高蔗田土壤養(yǎng)分的同時還能起到保水、保肥、通氣等作用，從而對蔗田土壤機械壓實起到良好的改善作用。

根據(jù)蔗田壓實層所處的耕層位置，選擇不同程度的機耕作業(yè)能有效緩解土壤壓實給土壤理化結構和甘蔗根系生長帶來的影響，是解決蔗田土壤壓實最直接有效的方法之一。有研究表明，蔗田深松35～50 cm 同時旋耕25 cm 可顯著改善耕層土壤緊實度、容重和整體疏松程度，有效提高土壤30～40 cm 土層毛管孔隙度從而提高土壤保水保肥能力，對甘蔗中后期有效莖和株高起到促進作用［31]。

3.3 科學輪作

加大政策引導和支持，在條件適合的蔗區(qū)積極推進科學輪作制度，利用糖料蔗和其他作物合理輪作的方式緩解蔗田土壤機械壓實。合理輪作能均衡利用土壤中的營養(yǎng)元素，實現(xiàn)用養(yǎng)結合，尤其在改善土壤理化特性方面，能很好地緩解蔗田土壤機械壓實引起的容重增大、孔隙度減少、土壤團粒結構改變等現(xiàn)象［32]。另外，有條件的蔗區(qū)可以采用保護性耕作如蔗葉還田、少耕、免耕

4 建議

土壤健康是保證甘蔗生產順利進行的關鍵，也是保證農業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展的重要基礎。近年來，農業(yè)機械使用頻率的增加、化學肥料的過量施用以及不合理的耕作方式等因素導致土壤酸化、壓實等退化現(xiàn)象逐漸突出，農田可耕性變差，嚴重制約了農業(yè)發(fā)展步伐。我國甘蔗機械化開始于20 世紀60年代，受限于我國蔗區(qū)分布的特殊地理環(huán)境和產業(yè)模式，目前甘蔗機械化發(fā)展仍處于起步階段，但是由于甘蔗生產具有地上部生物量大，生長周期長，生產環(huán)節(jié)多等特點，甘蔗生產配套農機設備普遍機身較大、噸位偏高，對土壤的壓實作用非常明顯，土壤理化特性的改變又會直接影響甘蔗根系生長，從而造成甘蔗生產產量和品質的下降。緩解蔗田土壤壓實是一個系統(tǒng)的工作，需要結合政府、糖企、農機企業(yè)、科研單位等多方面的努力，從產業(yè)機構到生產環(huán)節(jié)逐個突破。