花生栽培措施消减土壤紧实胁迫危害研究现状与展望

孙学武，柳开楼，邹晓霞，司贤宗，郑永美，丁红，吴正锋，沈浦，王才斌

（1.山东省花生研究所／国家花生工程技术研究中心，山东 青岛 266100；

2.江西省红壤研究所，江西 南昌 331717；3.青岛农业大学农学院，山东 青岛 266109；4.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南郑州 450002）

花生是我国重要的食用、油料两用经济作物，在农业种植业结构调整、国民经济发展及对外贸易中具有重要地位。花生种植中，经常存在的各种障碍性因素，影响花生的产量与品质，制约花生产业健康稳定发展。土壤紧实胁迫即是其中之一，容易发生，难以防范。农业机械化［1］、不合适的耕作［2-9］、不合理的水分管理［4，10］、不科学的施肥［11-14］、单一的种植模式［15，16］均会增加土壤容重引起土壤紧实胁迫。土壤容重是土壤物理性质的主要指标之一，可以反映土壤紧实度。较高的土壤容重意味着土壤紧实度较高，会减少土壤养分和水分的存储供应、降低肥力、影响花生对水肥的吸收利用，还会对花生根系和地上部产生强烈的负效应，限制花生生长发育，导致减产。

合理的田间栽培管理，能够有效消减和防止土壤紧实胁迫的发生，例如合理耕作、轮作、水肥管理等，能够改善土壤理化性状，改善土壤结构，有效消解土壤压实，促进作物根系健壮及生长发育［17］。近年来，国内外有关土壤紧实胁迫及其对花生生长发育影响的研究取得重大进展，丰富和发展了花生栽培理论与技术。我国花生种植区域广，各地气候条件、资源禀赋、土壤类型、种植习惯等差异导致花生种植模式多样，不同区域的花生田与根系生长密切相关的土壤物理结构（比如容重、紧实度等指标）也不尽相同。因此，总结梳理花生田土壤紧实胁迫研究，并讨论研究中所存在的问题及其发展前景，对花生生产发展及保障食用油脂安全有重要意义。

1 花生田土壤紧实状况的变化及危害

过高和过低的土壤紧实度均不利于田间生态环境及花生的生长发育（图1），而花生生产中土壤紧实胁迫的发生较为常见。花生田土壤紧实板结、容重增大现象日益突出。黄淮海地区是我国重要的花生产区，全国花生面积和产量居前两位的河南和山东均在这一区域。有调查发现，黄淮海北部地区耕层平均厚度14.74 cm，其中76%的地块存在制约根系下扎的犁底层，容重在1.54 g／cm3左右，分布在 15～30 cm土层［18］。从长期发展角度看，土壤紧实胁迫成为限制花生生产的关键因素之一和潜在风险。

图1 花生生长发育对土壤紧实的响应

1.1 土壤紧实胁迫对花生田生态环境的影响

花生田紧实胁迫状况的出现，显著影响土壤物理、化学及生物学特性。适宜作物生长的理想土壤结构固、液、气三相比为5∶3∶2，紧实度的增加伴随着土壤水分、空气比例的下降。对水分来说，土壤压实易造成孔隙在表土层和心土层的连接性减弱，水分主要停留在上层无效孔隙中。土壤紧实度增加导致土壤吸收外界降水的能力下降，涝灾、地表径流和侵蚀发生的可能性增加。同时，紧实度变化影响土壤温度，紧实胁迫下土壤的热导率和热容量随之增加，土壤升温慢、降温也慢［19］。

土壤紧实度通过影响微生物活性及代谢过程影响土壤碳氮循环，当土壤容重大于1.6 g／cm3时，碳的矿化和氮的硝化作用被较强地抑制，压实3周后硝态氮较未压实土壤降低8%～16%［20］；在紧实度增加过程中，土壤中氮素易发生反硝化作用，常以N2O等形式排出，与未压实土壤相比，压实土壤在75 d中反硝化释放的氮显著增加［21］。

紧实胁迫下土壤由于大孔隙减少、小孔隙被水所封闭导致的空气交换受阻等变化使得土壤动物特别是蚯蚓数量减少、微生物数量下降和微生物种类组成发生变化，继而微生物活性降低、根瘤菌活动下降、解磷解钾等微生物群体组成发生变化，与微生物生命活动相关的养分转化酶，如脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶等活性也受到影响［22-24］。

1.2 土壤紧实胁迫对花生生长发育的影响

土壤紧实度变化改变了农田生态环境，引起水分、空气、温度、养分等生长环境的变化，影响根系生长［25］及其对水分、养分的吸收利用［26］。随着土壤紧实度的增加，花生根系生长受到抑制，侧根发育受阻，主根变粗，根系活力、呼吸速率、养分吸收能力下降［27］。同时，地下结果的花生对紧实胁迫的敏感度比小麦、玉米等地上结实作物更大。土壤容重过高在花生整个生育期均不利于叶片叶绿素含量、光合速率、SOD活性、POD活性、可溶性蛋白含量的提高和MDA含量的降低，导致产量降低［27］。花生果针下扎及荚果发育在高紧实土壤中难以较好完成，从而使得荚果数减少、荚果重下降［19］。也有研究表明，高紧实度土壤比低紧实度土壤，植株氮磷钾养分累积量分别下降6.4%～20.0%、9.3% ～18.5%和14.6% ～29.5%［28］。

1.3 维持适宜土壤紧实度对花生生长发育的作用

适宜的土壤紧实度能够协调土壤“水、肥、气、热”四大因素及其物理、化学及生物过程［29］。花生田适宜的土壤紧实状况，能保持较高的IAA、GA3、ZR含量和较低的ABA含量，有利于根系生长和保持较好的根系形态，且在整个生育期尤其是中后期均能使叶片保持较高的叶绿素含量、光合速率、SOD活性、POD活性、可溶性蛋白含量和较低的MDA含量，延缓花生衰老［29］。适度的土壤容重（1.2～1.3 g／cm3）既能保证根系发展期根系的伸长和表面积扩大，又能延缓根系衰退期根系长度和和表面积的衰退，有利于果针形成和入土、荚果膨大和干物质积累，后期中大荚果数多、体积大和干物质积累多，且小果数量少［19，30］。

2 花生田土壤紧实胁迫发生发展的影响因素

2.1 自然因素

不同质地土壤，抗紧实能力不同。研究发现，即使外界对土壤不施加任何作用力，粘土比例高的土壤也能形成紧实层［31］。土壤水分含量是影响其紧实过程的最重要因素［32，33］。土壤含水量较多时水分充满孔隙，土壤颗粒间的内聚力增强，水分像润滑剂一样，使土壤颗粒“滑”到一起，发生紧实［34］。同时，土壤含水量是影响机械压实的重要因素［35，36］，在不影响产量的前提下，土壤所能承受的最大地面允许压力和其含水率成反比。即在一定载荷作用下，土壤压实程度随含水量增加而增加。气候等自然因素对土壤的作用也可以形成紧实，例如降雨形成的土壤结皮会阻止种子的发芽［37］。

2.2 人为因素

农业机械的应用普及是现代农业中土壤紧实的主要原因。土壤耕作从牛耕、小型拖拉机到中大型拖拉机，土壤承受的重量逐渐增加，提高了土壤压实的程度和风险。机械压实程度主要受轮胎内压、轴载和土壤含水量影响。轮胎内压决定土壤表层（0～30 cm）的压实程度，轴载决定心土层（30～70 cm）被压实的程度，轮胎内压和轴载产生的影响受土壤含水量的影响显著，随含水量的增加压实加重［38］。长期不合适的耕作也会导致土壤紧实，当前生产上多年采用的旋耕法，使得土体较为紧实，不同程度地制约着作物根系的延伸［39］。单施化肥容易导致土壤有机质含量下降、土壤胶体的调控机能严重受损、土壤团聚体不易形成，容易造成土壤板结。同一作物多年连续种植后，由于根系下扎深度一致，减弱其对土壤的穿透力，同时单一种植使根系周围离子平衡被打破，影响到团粒结构体的形成，导致紧实程度加重。

3 消减花生田土壤紧实胁迫的高效栽培措施

土壤紧实胁迫使花生田土壤的物理、化学和生物学性质恶化，抑制花生根系生长，进而危害地上部生长发育和干物质累积，影响荚果产量和品质。有关消减土壤紧实胁迫的危害，可采取的农业管理措施如表1。

表1 花生田土壤紧实胁迫消减有关措施

3.1 科学合理耕地

我国农田主要耕地方式有传统耕地（耕翻和深松耕）、少耕（浅耕和旋耕）和免耕（留茬和留茬覆盖）等。东北风沙土区试验表明，和常规耕种（春季破垄苗带移位播种）相比，翻耕、深翻和超深翻耕层土壤紧实度增加1.1～1.6倍，犁底层则降低8.7%～43.6%；旋耕对犁底层土壤紧实度无显著影响，但是降低耕层土壤紧实度［40］。山西旱地试验表明，连续采用不同耕地措施后，不同层次和不同时期的土壤紧实度存在较大差异，免耕覆盖处理对紧实度的影响主要集中在0～15 cm表层土壤，各时期均表现为最高；15～30 cm和30～45 cm深层土壤中则是浅旋耕和常规处理高于其它处理，主要是浅旋耕和常规耕地方式由于机械的压实容易形成犁底层，导致下层土壤紧实度增加［41］。国外研究表明，耕深45 cm比30 cm能更好地缓解深层土壤的压实［42］。

一般认为，耕翻松土措施能够打破土壤紧实胁迫，提升花生根系活力，促进根系生长。常规旋耕能够很大程度缓解花生结果层（0～15 cm）土壤紧实胁迫，而深松、深耕（30～40 cm）对于打破犁底层降低深层土壤紧实度有更好的作用，深松对土壤容重的影响随时间推移减小且主要在前两年［39，43］。因此，定期（如 2～3年）开展花生田深耕（松）打破犁底层，结合常年旋耕降低耕层土壤容重是应对土壤紧实胁迫的重要措施。

3.2 肥水高效管理

土壤容重增大，影响根系生长，导致作物对养分的吸收减少，合理施肥可在一定程度上消除土壤紧实胁迫的危害。紧实胁迫显著降低花生对氮、磷、钾、钙的累积量［44，45］，可能会促进花生对铁的奢侈吸收，抑制镁等营养元素的吸收［46，47］。研究表明，施用有机肥可有效缓解土壤紧实胁迫，降低土壤容重，且随有机肥用量的增加而逐渐降低，0～10 cm土层低量和高量有机肥处理较不施有机肥分别降低10.56%和19.72%，10～20 cm土层低量和高量有机肥处理较对照分别降低5.10%和 10.19%［48］。此外，花生施用钙镁磷肥可以改良红壤的理化性状，降低土壤容重［49］。

合理灌溉能够维持土壤适宜的孔隙度，促进土壤微生物的活动以及养分的释放，减少土壤板结和紧实胁迫的发生，灌水不当容易引起土壤板结。传统的沟灌对土壤有着很强的沉实作用，采用表层节点式渗灌能逐渐降低土壤容重，表层容重比传统的沟灌低 0.04 g／cm3（3.57%），到 15 cm处达到最低，比沟灌低 0.11 g／cm3（10.0%），20 cm以下与沟灌差异逐渐降低，最后趋近一致［50］。花生膜下滴灌日益成熟完善，应用效果良好。

3.3 施用调理物质

外源施用的调节物质主要包括土壤调理剂以及植株生长调节剂。土壤调理剂能降低土壤容重，直接消减花生田土壤的紧实胁迫。定位试验表明，与不施改良剂对照相比，0～20 cm土层施750 kg／hm2化学改良剂（硅粉＋生物炭颗粒）处理土壤容重降低5.4%，20～40 cm土层降低2.9%，花生产量显著增加［51］。施用土壤调理剂时应注意最佳用量，用多了效果增加不显著或者适得其反。有研究表明，施用900 kg／hm2麦饭石、牡蛎壳、蒙脱石、硅钙矿和有机肥的土壤容重分别降低6.07%、2.27%、5.27%、3.14%和2.60%，用量为1 800 kg／hm2时分别降低 8.41%、6.27%、2.47%、5.74%和3.94%［52］。土壤结构改良剂聚丙烯酰胺施用浓度小于1.0 g／m2时，土壤容重随施用浓度的增加呈下降趋势，大于1.0 g／m2时土壤容重随施用浓度的增加呈上升趋势［53］。

植物生长调节剂能够调节花生的营养生长与生殖生长的平衡，提高土壤紧实胁迫下花生的根系活力，促进根系向深层土壤扩展，间接消减土壤紧实胁迫对花生造成的伤害。植物生长调节剂烯效唑、调环酸钙、多效唑、缩节胺等均可促进根系发育，增强根系活力。对花生荚果生长发育有显著促进作用的生长调节剂有甲哌鎓、芸苔素内酯、多效唑等。

3.4 研发适宜农机具

长期以来我国耕地方式以铧式犁耕为主，导致土壤颗粒结构遭到严重破坏，板结现象严重。土壤疏松机只松土不翻土，既使坚硬的犁底层得到了疏松，又使耕作层的肥力和水分得到保持，有助于改善土壤板结现象。近年来，业内专家研发出多种效果不错的深松整地机械，可以较好地完成耕地深松耕作要求［54-57］。当前我国研制的深松机械包括凿式深松机、可调翼铲式深松机、振动式深松机以及深松整地联合作业机等。虽然有研究表明土壤对机械荷载的抗压阈值与土壤质地关系不大［58］，但是不同深松机具因结构特点不一，作业性能也有一定差异，适用土壤及耕地类型也有一定的变化。我国花生种植区域广，土地类型各异，需要注意根据耕地的土质、土壤的墒情、深松的深度确定所匹配的机械。

3.5 地膜与秸秆覆盖

地膜覆盖下适宜的土壤温湿度，有利于土壤微生物分解植物根系和动植物残体，降低土壤容重。同时它还可以减轻人工管理过程中的践踏，防止土壤板结。透明膜和黑色膜降低土壤容重幅度分别为 2.31%和 2.78%［59］，反光膜和普通透光膜降低幅度分别为 11.0%和 7.9%［60］，花生覆膜种植显著降低0～10 cm土层土壤容重［61］。4年连续定位试验发现，随着地膜厚度的增加，田间表层土壤紧实度和土壤容重逐渐降低，0.010、0.012 mm处理土壤容重比0.008 mm（CK）分别降低1.25%、2.43%，而 0.006 mm处理比 CK提高0.76%［62］。冬闲期覆膜也可以有效降低土壤容重，与冬闲压青露地、冬闲翻耕露地、冬闲免耕露地处理相比，冬闲压青覆膜、冬闲翻耕覆膜、冬闲免耕覆膜处理0～10 cm的土壤容重分别降低3.36%、3.21%、2.05%；10～20 cm分别降低3.61%、2.43%、2.33%［63］。秸秆覆盖较不覆盖处理，可以降低0～45 cm土层土壤紧实度7.9%，而秸秆、地膜双覆盖紧实度耕地较不覆盖下降10.3%［64］。起垄覆盖小麦秸秆 4 500 kg／hm2也可显著降低花生田土壤容重，可较好改善土壤理化性质［65］。

3.6 优化种植模式

与单一作物连作模式相比，轮作、间套作等模式能够发挥不同植物根系在缓解土壤紧实方面的作用。有些植物的根系能够穿透紧实度比较高的土壤，这类植物与其它植物轮作，有助于改善土壤物理性质［66］。花生长期定位试验表明，0～20 cm土层，与花生连作处理相比，轮作处理显著降低土壤容重16.2%；20～40 cm土层，轮作方式的土壤容重降幅达14.3%［51］。麦套花生相对于纯作花生，2～9 cm和16～23 cm土层的土壤容重提高13.0%和 1.2%［67］；而与麦田对照相比，则显著降低0～20 cm土层土壤容重［61］。玉米花生间作试验表明，花生幅带中，容重表现为单作花生＞玉米花生2∶10＞玉米花生8∶16＞玉米花生10∶10，三者分别比单作花生减小1.97%、2.96%和3.83%，与单作花生间差异达到显著水平［68］。花生与小麦、油菜、玉米等作物轮作，可以破除土壤板结，同时前茬作物秸秆还田对土壤紧实度及花生生长产生积极影响，秸秆还田下土壤容重下降，促进作物株高、根干重和地上部干重，继而促进作物的增产增收，且随着年限增加秸秆还田对土壤容重的影响有可能大于耕地方式的作用［30，43，69，70］。

3.7 选用抗土壤紧实品种

土壤紧实胁迫制约作物生长发育及产量形成，从作物自身解决问题，筛选培育耐紧实土壤的新品种是最为经济和有效的途径。土壤紧实胁迫下不同品种的响应差异较大，高抗紧实胁迫的品种，能够通过根系形态变化降低呼吸消耗、提高养分吸收，花生可较好地生长发育；而对紧实胁迫敏感的品种，则容易生长发育受阻，显著减产。有研究表明，紧实胁迫下小花生品种千叶半蔓和大花生品种鲁花11产量较高，大花生品种更易受到土壤紧实胁迫的抑制作用，造成减产。紧实胁迫与非紧实胁迫下，小花生品种（BL、花育39和日本千叶半蔓）产量对不同紧实度的响应不显著，而大花生品种（鲁花11、花育22和中花24）产量对不同紧实度的响应显著（P＜0.05）［71］。开展不同土壤生态类型花生品种适应性筛选，明确适用于不同地区土壤紧实状况的品种，可以有效应对土壤紧实胁迫的不良影响。

4 存在问题与研究展望

4.1 存在问题

目前已对土壤紧实胁迫的发生发展及花生的响应开展很多研究，这对有效应对和消减花生田土壤紧实胁迫的危害起到很好的促进作用。然而，我国花生种植面积大、区域广，不同地区的气候条件、土壤类型、主栽品种、种植模式和习惯等差异较大，各地土壤紧实胁迫程度和发生原因不尽相同，因此关于不同土壤类型、不同种植模式下适宜花生品种对土壤紧实度响应的研究还有待进一步开展。同时，需要加强植物抗机械阻力遗传学基础的研究，从生理或分子水平上调控紧实度、土壤机械阻力、根信号等之间的关系，有利于培育抗土壤机械阻力的品种。另外，现有土壤紧实胁迫改良机械多为通用，或者是针对其它作物所研发，还缺少根据花生田土质、土壤墒情、深松深度及生长发育特点所研制的缓解土壤紧实胁迫的深松机具。

4.2 研究展望

花生是地上开花、地下结果的作物，除了根系处于土壤中外，其果实和部分果针也要在土壤中发育，也受到土壤紧实胁迫的影响。因此，未来花生抗土壤紧实胁迫研究需要针对品种选育、土壤改良及农艺农机结合等方面开展。

4.2.1 加强品种选育 土壤紧实胁迫下不同品种花生的响应有较大差异，可开展不同土壤生态类型花生品种适应性筛选，明确适用于不同地区土壤紧实状况的品种，推动将品种对土壤紧实胁迫适应能力作为花生品种常规评价指标。另外，加强选育高抗土壤紧实胁迫的品种，重视土壤抗紧实能力强、产量高、品质优的品种选育目标，并建立系统性鉴定体系，开展抗紧实胁迫种质资源多样性保护。

4.2.2 土壤综合改良 综合耕作措施、水肥管理、种植模式等对土壤紧实的影响，将花生田土壤紧实度改良技术集成到土壤综合改良技术中，贯穿于田间管理操作规范中，实现操作技术优化不繁琐，从而形成土壤紧实度下降、土壤肥力提升、保水能力增强为核心的花生田土壤综合改良技术。

4.2.3 农艺农机结合 加强专用、高效的花生抗紧实胁迫机械研发，不断改进深松机械的作业方式，统一机械生产标准，制定适宜的农艺农机相结合的技术规程，同时继续出台政策鼓励农民进行土壤疏松作业，提高耕地质量。