機(jī)械碾壓對(duì)土壤性狀及葡萄根系分布和植株生長發(fā)育的影響*

楊興旺，張成超，高 振，翟 衡，杜遠(yuǎn)鵬

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，泰安 271018）

歐美等國家的釀酒葡萄園從種植到采收已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全程機(jī)械化作業(yè)[1-4]。相比之下，我國水果優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)的綜合機(jī)械化水平不到20%，非優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)的綜合機(jī)械化水平還不到10%[4]。隨著規(guī)?；咸褕@種植面積的不斷擴(kuò)大及勞動(dòng)力成本的上升，我國葡萄園機(jī)械化管理將是未來發(fā)展的必然趨勢。隨著機(jī)械化管理的迫切需要，近年來我國已陸續(xù)研發(fā)出適應(yīng)葡萄園生產(chǎn)的履帶自走打藥機(jī)、施肥機(jī)、碎草機(jī)及埋土防寒機(jī)和半自動(dòng)出土機(jī)械等[5]。在葡萄生產(chǎn)管理中，每年刈割除草作業(yè)在5 次以上，植保作業(yè)15 余次，施肥作業(yè)3 次以上，埋土防寒地區(qū)還有埋土及出土作業(yè)等。每年機(jī)械碾壓進(jìn)地在20 次以上，機(jī)械多次進(jìn)地碾壓不可避免地影響葡萄園土壤理化狀態(tài)。機(jī)械碾壓能引起土壤顆粒重新組合排列，而變得更為緊密，降低了土壤的大孔隙度，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降；降低土壤的滲透能力，影響水分滲入和徑流[6-9]。土壤緊實(shí)度的增大能夠抑制作物根系的生長，降低根干重、根條數(shù)、根體積，不利于作物根系伸長[10-19]，進(jìn)而影響作物地上部的生長[20]。在玉米[14]、小麥[15]、苜蓿[16]、煙草[17]及甘蔗[7,10,18]等作物的機(jī)械碾壓試驗(yàn)均有報(bào)道。隨著葡萄園機(jī)械化的推進(jìn)，為進(jìn)一步探討機(jī)械碾壓對(duì)葡萄園土壤及葡萄植株生長發(fā)育的影響，以1 年生‘?？恕愿鐬樵嚥?，研究機(jī)械碾壓對(duì)葡萄園土壤、葡萄根系分布及植株生長發(fā)育方面的影響，為葡萄園機(jī)械化應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2018 年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行。

1.1 試驗(yàn)材料及處理

于2018 年4 月27 日開溝定植1 年生‘?？恕愿纾ㄖ矞蠈?20 cm、深80 cm，回填時(shí)土與腐熟有機(jī)肥比例為2∶1。行株距2.5 m×1.0 m。

當(dāng)年5 月15 日至10 月30 日，使用高密市益豐機(jī)械有限公司生產(chǎn)的2F-30 型履帶自走式多功能施肥機(jī)行間模擬機(jī)械碾壓2 次/月，由于7、8 月為雨季，因此7、8 月機(jī)械碾壓各1 次。該型號(hào)機(jī)械重680 kg，履帶寬18 cm，兩履帶間距50 cm，機(jī)械碾壓時(shí)靠近行內(nèi)一側(cè)的履帶距植株20～40 cm。于碾壓期間不同時(shí)期測定新梢生長量及碾壓區(qū)域（距干20～40 cm）不同深度的土壤容重；于9 月上旬分別測定深度40 cm 碾壓區(qū)域土壤呼吸速率、氧化還原電位、土壤孔隙度及土壤通氣性；于落葉后測定各距干距離不同深度土層中根系分布情況及枝條貯藏營養(yǎng)。以行間未經(jīng)機(jī)械碾壓為對(duì)照。

1.2 測定指標(biāo)

1.2.1土壤容重及孔隙度的測定

當(dāng)年5、7、9、11 月分別取土測定履帶碾壓的部位0～10、10～20、20～30 cm 的土壤容重；當(dāng)年11 月取土測定履帶碾壓的部位0～20、20～40、40～60、60～80 cm 的土壤容重，參照《土壤肥料學(xué)實(shí)驗(yàn)》[21]測定。

1.2.2土壤呼吸速率的測定

當(dāng)年9 月，在碾壓區(qū)域（距干20～40 cm）避開雜草多的地方，鏟出一個(gè)土壤平面，采用PP System 公司生產(chǎn)的CIRAS-2 便攜式光合儀所連接的SRC-1 土壤呼吸室測定土壤呼吸速率。

1.2.3氧氣擴(kuò)散速率、氧化還原電位的測定

當(dāng)年9 月，在碾壓區(qū)域（距干20～40 cm），打孔深40 cm（根系集中分布層），采用塞弗公司生產(chǎn)的土壤氧氣擴(kuò)散速率儀測定氧氣擴(kuò)散速率、氧化還原電位。

1.2.4新梢、副梢生長速率的測定

定植后每株保留1 個(gè)新梢，該新梢上所有副梢均抹除。用皮尺每7 d 從葡萄新梢基部量到梢尖生長點(diǎn)，新梢生長至第1 道鉛絲時(shí)摘心，不再測量主梢生長量。待主梢摘心處頂端第1 節(jié)位副梢萌發(fā)后，于6 月19 日開始測定副梢生長量。

新梢（副梢）生長速率=（終止測定長度-初始測定長度）/測量天數(shù)

1.2.5葉綠素含量的測定

當(dāng)年7 月采下第6 節(jié)位葉片，其葉綠素含量采用趙世杰等[22]的乙醇浸提法測定。

1.2.6葉片厚度、葉片縱橫徑的測定

當(dāng)年7 月采下第6 節(jié)位葉片，使用游標(biāo)卡尺測量葉片厚度，使用直尺測定縱徑及橫徑。

1.2.7節(jié)間長、莖粗的測定

落葉后，使用游標(biāo)卡尺測定其同一節(jié)位節(jié)間長度及莖粗。

1.2.8可溶性糖、淀粉含量的測定

落葉后，選取第5 節(jié)位的枝條，除去節(jié)間，烘干磨碎，采用蒽酮比色法測定枝條中可溶性糖、淀粉含量[22]。

1.2.9根系分布

采用傳統(tǒng)壕溝法，在行間距主干80 cm 處開挖，挖取深度約1 m（大于根系生長深度），以20 cm為單位在剖面上拉棉線，分別記錄根系類別和數(shù)量，并計(jì)算各類根（粗根＞5 mm、中粗根2～5 mm、細(xì)根＜2 mm）占總根量的比率，以每20 cm 等距向樹干挖掘靠近，每個(gè)處理挖掘2 株樹。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)測定取3 次生物學(xué)重復(fù)（除根系分布外），用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并作圖；采用SPSS 24 軟件進(jìn)行方差分析，采用t檢驗(yàn)法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 機(jī)械碾壓對(duì)土壤性狀的影響

2.1.1機(jī)械碾壓對(duì)各土層土壤容重的影響

從圖1 可以看出，葡萄園開溝定植后土壤逐漸沉實(shí)，10～20 cm 和20～30 cm 土層的土壤容重隨時(shí)間推移不斷增大而后漸漸趨于穩(wěn)定。機(jī)械碾壓對(duì)土壤容重的影響程度隨時(shí)間的推移（碾壓次數(shù)的增多）和土壤深度的增加而不斷降低。7、9、11 月機(jī)械碾壓0～10 cm 土層的土壤容重分別比對(duì)照高20.29%、10.84%、4.31%；10～20 cm 土層的土壤容重在7、9、11 月機(jī)械碾壓分別比對(duì)照高7.27%、6.47%、7.50%；20～30 cm 土層的土壤容重在7、9、11 月機(jī)械碾壓和對(duì)照之間均無明顯差異。

圖1 機(jī)械碾壓對(duì)5—11 月不同土層土壤容重的影響

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，機(jī)械碾壓主要影響40 cm 以上深度的土壤容重，機(jī)械碾壓顯著增加了0～20、20～40 cm 土層的土壤容重，分別比對(duì)照增加6.99%和3.82%，而40 cm 以下深度的土壤容重未發(fā)生顯著變化（表1）。

表1 機(jī)械碾壓對(duì)不同土層土壤容重的影響

2.1.2機(jī)械碾壓對(duì)土壤通氣性的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械碾壓顯著降低了碾壓區(qū)域40 cm 深度的土壤氧氣擴(kuò)散速率、土壤氧化還原電位，分別比對(duì)照降低了37.49%、19.90%；顯著降低了碾壓區(qū)域表土的土壤呼吸速率，比對(duì)照降低了34.15%（表2）。

表2 機(jī)械碾壓對(duì)土壤通氣性的影響

2.2 機(jī)械碾壓對(duì)葡萄根系分布的影響

2.2.1機(jī)械碾壓對(duì)葡萄根系水平分布的影響

從根系數(shù)量上看，機(jī)械碾壓降低了葡萄根系總量，相比對(duì)照下降了23.47%。機(jī)械碾壓距干20 cm和40 cm 處（碾壓帶區(qū)域）的根系數(shù)量下降，分別比對(duì)照降低了14.43%和58.33%，但機(jī)械碾壓距干60 cm 處的根系數(shù)量增加，相比對(duì)照增加了43.75%（圖2）。

從根系水平分布來看，‘?？恕抵饕植荚诰喔?0 cm 范圍內(nèi)（圖2）。對(duì)照在距干20、40、60、80 cm 處根系條數(shù)占比分別為35.02%、38.99%、17.33%、8.66%，機(jī)械碾壓占比分別為39.15%、21.23%、32.55%、7.08%。機(jī)械碾壓降低了根系在距干40 cm 處的占比，增加了距干60 cm 處根系占比，促進(jìn)根系向碾壓區(qū)域外生長。

從根類組成上來看，機(jī)械碾壓降低了距干20、40、60 cm 處細(xì)根（＜2 mm）的占比，增大了中粗根（2～5 mm）和粗根（＞5 mm）的占比。對(duì)照＜2 mm 的細(xì)根在距干20、40、60、80 cm 處的占比分別為92.78%、93.52%、58.33%、25.00%，機(jī)械碾壓＜2 mm 的細(xì)根在距干20、40、60、80 cm 處的占比分別為68.67%、64.44%、46.38%、53.33%（圖2）。

2.2.2機(jī)械碾壓對(duì)葡萄根系垂直分布的影響

‘?？恕?1.34%根系分布于距干60 cm 范圍以內(nèi)，因此主要觀察距干20、40、60 cm 的根系垂直分布。

從圖3 可以看出，在距干20、40 cm 距離的剖面上，機(jī)械碾壓降低了0～20、40～60、60～80 cm土層的細(xì)根（＜2 mm）占比，增加了中粗根（2～5 mm）及粗根（＞5 mm）占比。在距干20 cm 距離的剖面上，機(jī)械碾壓各土層細(xì)根（＜2 mm）占比為40.00%～77.78%，對(duì)照各土層細(xì)根（＜2 mm）占比為89.58%～100.00%。在距干40 cm 距離的剖面上，機(jī)械碾壓各土層細(xì)根（＜2 mm）占比為53.84%～80.00%，對(duì)照各土層細(xì)根（＜2 mm）占比為78.57%～100.00%。在距干60 cm 距離的剖面上，對(duì)照根系主要集中于20～40 cm 土層，由于距干60 cm 是履帶碾壓區(qū)域外，機(jī)械碾壓在0～80 cm 各土層細(xì)根（＜2 mm）占比為38.10%～50.00%，對(duì)照各土層細(xì)根（＜2 mm）占比為0～73.53%。

圖3 機(jī)械碾壓對(duì)葡萄根類組成及垂直分布的影響

機(jī)械碾壓增加了各距干距離剖面40～60 cm 和60～80 cm 土層深度根系占比，在距干20、40、60 cm剖面，40～80 cm 土層深度的根系占比分別比對(duì)照增加2.96%、12.78%、18.93%（圖3）。這說明機(jī)械碾壓影響碾壓區(qū)域表層細(xì)根的生長，形成更多的粗根深扎至40～80 cm 深度區(qū)域。

2.3 機(jī)械碾壓對(duì)葡萄地上部生長發(fā)育的影響

2.3.1機(jī)械碾壓對(duì)新梢生長及葉片性狀的影響

由表3 可知，機(jī)械碾壓顯著降低了葡萄葉片葉綠素含量，比對(duì)照葉綠素含量降低了19.31%。但機(jī)械碾壓對(duì)葡萄新梢和副梢的生長速率和凈光合速率、葉片厚度、葉片縱橫徑無顯著影響。

表3 機(jī)械碾壓對(duì)枝條生長速率、葉綠素含量、凈光合速率和葉片厚度及大小的影響

2.3.2機(jī)械碾壓對(duì)節(jié)間長度、莖粗及枝條貯藏營養(yǎng)的影響

由表4 可知，機(jī)械碾壓顯著降低了葡萄莖粗，機(jī)械碾壓莖粗比對(duì)照低9.58%，但機(jī)械碾壓對(duì)枝條節(jié)間長度及可溶性糖、淀粉含量沒有顯著影響。

表4 機(jī)械碾壓對(duì)枝條節(jié)間長度、莖粗及可溶性糖和淀粉含量的影響

3 討 論

前人研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械碾壓主要引起5～10 cm 土層的土壤容重增大，且碾壓3 次后繼續(xù)碾壓土壤容重增幅降低[6]。本研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械碾壓主要引起碾壓區(qū)域40 cm 以上土層土壤容重的增大，其中以0～10 cm 土層土壤容重增幅最大。且隨碾壓時(shí)期的延長（碾壓次數(shù)的增多），土壤容重的增幅程度逐漸降低。從5—11 月土壤容重變化趨勢來看，7 月（碾壓3 次）時(shí)，碾壓區(qū)域0～10 cm 土層土壤容重已達(dá)到最高值，這與前人研究結(jié)果相一致。而9 月0～10 cm 土層土壤容重較7 月要低，這可能因?yàn)?、8月為當(dāng)年泰安地區(qū)的雨季，期間土壤潮濕，機(jī)械難以下地，僅作業(yè)2 次而使得土壤性狀有所恢復(fù)。

本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械碾壓降低了履帶碾壓區(qū)域的土壤呼吸速率；降低了履帶碾壓區(qū)域40 cm 深度土壤氧化還原電位。根據(jù)Unger 等[23]的研究，氧化還原電位高于414 mV 時(shí)土壤氧氣狀況較好，低于120 mV 為缺氧狀況。本研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械碾壓雖降低了碾壓區(qū)域40 cm 深度土壤的氧化還原電位，但尚未達(dá)到缺氧狀況。機(jī)械碾壓降低了履帶碾壓區(qū)域40 cm 深度的土壤氧氣擴(kuò)散速率，降低了該土層土壤氧氣對(duì)植物的有效性[24]。

機(jī)械碾壓主要提高了土壤容重和緊實(shí)度，以機(jī)械阻力、通氣性等方式影響著植物生長發(fā)育，其對(duì)作物的影響，首先表現(xiàn)在對(duì)根系的影響。前人研究發(fā)現(xiàn)，容重小的土層細(xì)根比例高，容重大的土層粗根比例高[19]，根系直徑會(huì)隨土壤容重增大而增大[12]。本研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)械碾壓降低了葡萄根系總量、碾壓區(qū)域各土層的根系數(shù)量、各距干距離細(xì)根（＜2 mm）的占比，這與前人研究結(jié)果一致。但機(jī)械碾壓處理碾壓帶區(qū)域外（距干60 cm 處）的根系數(shù)量較對(duì)照有明顯上升，并且該區(qū)域的細(xì)根（＜2 mm）占該土層全部類型根系比例與對(duì)照相比差距最小，這與Iijima 等[25]認(rèn)為根系在不同土層生長具有一定的補(bǔ)償作用觀點(diǎn)相符。關(guān)于根系的補(bǔ)償作用，Stypa 等[26]的研究也發(fā)現(xiàn)，容重小的土壤根系的附著強(qiáng)度小，植物會(huì)產(chǎn)生相對(duì)多的根系數(shù)量來彌補(bǔ)自身附著強(qiáng)度的不足從而避免倒伏。本研究在根系垂直分布結(jié)果顯示，機(jī)械碾壓降低了碾壓區(qū)域表層細(xì)根分布數(shù)量，增加了粗根分布數(shù)量，且增加了40～80 cm 土壤深度的根系數(shù)量，這與Muhammad[27]的研究結(jié)果相似，其研究結(jié)果顯示機(jī)械碾壓2 年增加了玉米在深層土壤的根系數(shù)量。說明機(jī)械碾壓增加表層土壤容重，主要影響表層細(xì)根生長和根系類型，促使產(chǎn)生更多的延長根系下扎到受碾壓影響較小的40 cm以下區(qū)域生長。這也與本試驗(yàn)建園時(shí)挖溝改土深度深，深層疏松的土壤為根系深扎提供了有利條件有關(guān)。因此建議建園時(shí)要深挖溝改土，為根系深扎提供保障。

機(jī)械碾壓對(duì)植物地上部影響的研究有不同的結(jié)論。大多數(shù)研究認(rèn)為，機(jī)械碾壓能夠提高土壤緊實(shí)度，從而抑制地上部莖葉的生長，降低地上部生物量[7,14-15]。但也有研究表明，雖然機(jī)械碾壓對(duì)土壤容重產(chǎn)生影響，但對(duì)植株生長發(fā)育影響較小。Muhammad[27]的研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械碾壓的第1 年對(duì)玉米干物質(zhì)分配、單株干物質(zhì)積累和葉面積指數(shù)無顯著影響。這可能與輕度的表土壓實(shí)相比松散的土壤結(jié)構(gòu)能夠更好地實(shí)現(xiàn)根-土接觸[28]，增加植株對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收[29]，對(duì)作物生長有利有關(guān)。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)械碾壓顯著降低了葡萄葉片的葉綠素含量，但未對(duì)葉片凈光合速率、葉片大小、葉片厚度產(chǎn)生顯著影響；降低了莖粗，但未對(duì)節(jié)間長、枝條可溶性糖含量和淀粉含量產(chǎn)生顯著影響?？偟膩砜?，未能顯著影響葉片光合產(chǎn)物的供應(yīng)能力和枝條貯藏營養(yǎng)的積累。分析其原因，可能一方面在于葡萄園機(jī)械采用的是履帶拖拉機(jī)，對(duì)土壤碾壓作用較低且僅碾壓一個(gè)生長周期。另一方面建園時(shí)深溝改土，促進(jìn)了根系的補(bǔ)償作用（78.77%的葡萄根系位于機(jī)械碾壓區(qū)域外，21.23%的根系位于機(jī)械區(qū)域中，48.89%的根系位于受機(jī)械碾壓影響較小的40～80 cm 深度），緩解了機(jī)械碾壓帶來的影響。以及葡萄品種‘福克’的生長勢旺盛，最終出現(xiàn)了機(jī)械碾壓并未對(duì)葡萄葉片光合產(chǎn)物供應(yīng)、枝條貯藏營養(yǎng)和長勢產(chǎn)生顯著影響的結(jié)果。

結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果及生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議葡萄園機(jī)械碾壓選用履帶式小型機(jī)械，避免土壤濕度大時(shí)作業(yè)以減輕對(duì)土壤的壓實(shí)作用。要充分考慮作物對(duì)于土壤機(jī)械碾壓的調(diào)節(jié)和適應(yīng)性[10,18,30]，在建園時(shí)深挖溝改土以促進(jìn)根系深扎，選用長勢旺盛的葡萄品種，以降低機(jī)械作業(yè)帶來的不良影響。

4 結(jié) 論

機(jī)械碾壓增大了碾壓區(qū)域0～40 cm 土層的土壤容重，降低了該區(qū)域土壤的通氣性，抑制了該區(qū)域葡萄根系的正常生長，但促進(jìn)了履帶碾壓區(qū)域外根系的發(fā)生與生長，降低了葡萄葉片的葉綠素含量和莖粗，但未對(duì)地上部的生長發(fā)育產(chǎn)生顯著抑制作用。