机械压实对蔗田土壤和甘蔗根系的影响研究进展①

高欣欣 刘高源 刘少春 郭家文

(1 云南省农业科学院甘蔗研究所 云南开远661699;2 云南省甘蔗遗传改良重点实验室 云南开远661699)

甘蔗是我国重要的糖料经济作物。据统计，2017～2018 榨季全国糖料蔗种植面积约154 hm2［1]，且主要分布在长江以南的广西、云南、广东等西南山地丘陵地区。与烟草、马铃薯、中药材等经济作物相比，甘蔗田间生产环节成本较高，致使糖料蔗生产在经济效益上不占优势。因此，推进甘蔗全程机械化是实现降低制糖原料成本、有效解决砍蔗劳动力不足、费用高等生产瓶颈问题的关键技术。随着甘蔗机械化水平的逐步提高，机械作业程度增加，机械压实造成的蔗区土壤理化特性和生物学特性改变，土壤环境恶化等问题也逐渐突出［1]。土壤压实会造成土壤容重增加，随之土壤强度增强，作为影响作物生长的重要因素之一［2-3]，土壤强度増加会限制植物根系的生长发育和养分吸收，进而抑制整株植物的生长发育，降低产量和品质，对农业和环境均产生不良影响。本文拟从蔗田机械压实后土壤理化特性与甘蔗根系之间的互作关系、机械化作业后甘蔗生长发育情况等方面进行综述，并对缓解蔗田土壤机械压实的措施进行探讨，以期为我国甘蔗全程机械化的推进提供参考。

1 蔗田土壤机械压实现状

中国是继巴西、印度之后的世界第三大甘蔗生产国，但是吨糖原料成本却远高于世界其它甘蔗主产国家，究其原因主要是我国甘蔗机械化水平低，人工成本高。据统计，采用全程机械化生产制糖甘蔗原料，与纯人工生产相比，吨蔗节省成本118～140元，吨糖可节省制糖原料成本900～1120 元。因此，推广甘蔗全程机械化是我国蔗糖产业发展的必经之路。随着甘蔗收获机、转运机、拖拉机等大型配套农机具在甘蔗生产中的推广使用，蔗田机械作业过程中轮胎的反复碾压使土壤负重过大，造成土壤压实，破坏土壤环境，显著降低了宿根蔗出苗发株以及后期蔗糖分积累和产量生成［4-5]。甘蔗全程机械化包括甘蔗种植、中耕管理、机械化收割等环节，目前国内使用较多的甘蔗种植机、开沟机多以四轮拖拉机进行配套动力，拖拉机运行过程中轮胎对蔗田土壤反复碾压能显著增加土壤容积密度，降低土壤孔隙度。王恩姮等［6]研究表明，拖拉机等中型机械作业能够在土壤17.5～30 cm 的土层范围内造成土壤压实，形成新的土壤板结，破坏土壤理化环境，影响该土层范围内甘蔗根系的正常生长发育［6]。甘蔗收获劳动量占甘蔗生产人工总成本的50%［7]，甘蔗收割机的推广应用是甘蔗全程机械化推进的重点环节，考虑到收割机技术路线复杂，输送通道易堵塞，剥叶损耗大等问题，目前我国推广使用的甘蔗收割机仍然主要以切断式联合收割机为主。为保持收割效率和收割稳定性，切断式甘蔗联合收割机普遍具有较大的机身重量，如凯斯4000 整机重6.7 t；约翰迪尔CH530 整机重9.5 t；中联谷王AS60（4GQV-1）整机重9.5 t；柳工S935 整机重15 t［8]。配套10 t左右的甘蔗转运车［9]，甘蔗机械化收获过程中对土壤造成的碾压面积可达蔗田面积的1倍以上，压实作用显著，是造成土壤环境恶化，影响宿根蔗生长发育的重要因素之一。

2 机械压实对土壤和甘蔗根系的影响

2.1 对土壤理化特性的影响

机械碾压能够直接引起土壤理化特性和生物学性能的改变，主要表现为：土壤容重增加，土壤强度和穿透阻力加大、孔隙度减少、通气状况变差，田间持水量降低；土壤中化学元素及离子的吸附、固定过程发生变化，氮、磷、钾等有效养分利用效率降低；土壤中微生物种类和活性发生改变［10-15]。研究表明，不同负荷农用机械不同作业程度对土壤耕层作用效果不同，普通农用机械主要引起地表0～10 cm 土壤压实，而大型农用机械作业过程中反复碾压对土壤耕层影响较大，能够引起土壤60～70 cm 心土层构造改变。高负荷机械压实条件下，旱稻耕层表层（0～10 cm）土壤孔隙度比翻耕前降低了18%，春小麦耕地心土层土壤穿透阻力比翻耕前提高了3～9 倍。土壤压实对土壤养分的影响主要是限制了有效养分的移动性；另外土壤压实会降低土壤pH，引起土壤酸化，改变土壤微生物活性和种类，使土壤中的矿物质释放出盐基离子，造成土壤养分流失［15]。

2.2 对甘蔗根系的影响

根系是支撑植物地上部生物体的主要器官，也是植物和土壤进行物质能量交换的媒介，对植物生长发育具有重要作用。植物与土壤中营养物质和水分的交换主要是依靠根系生长、形态分布、生理活性等生物学指标［16]。而土壤容重、孔隙度、含水量等物理性状以及土壤中养分形态和分布能够直接影响根系这些指标［17]。因此，良好的土壤环境是作物根系与土壤养分、水分高质量完成时空匹配的重要保障，也是实现养分高效、作物高产和环境友好这一可持续发展目标的重要前提。

2.2.1 对甘蔗根系生长和形态分布的影响

甘蔗属于多年生、深根型作物，根系较大且几乎完全被土壤包被，从而能更好地支撑地上部生物量并完成和土壤的物质能量交换。徐林等［17]研究发现，大部分甘蔗根系集中在15～30 cm 耕层，仅少部分根系入土较深，能够达到1 m 左右。刘晓燕等［18]研究甘蔗机收后土壤压实情况发现，机械碾压前期可使0～30 cm 的耕层容重增加。因此，蔗田土壤机械压实土层与甘蔗根系集中分布的耕层正好发生重叠，能够对甘蔗根系生长产生直接作用。土壤容重增加引起的土壤穿透阻力增大能显著加大甘蔗根系生长阻力，从而影响根系在土壤中的正常生长发育，主要表现为生长速率降低、根系形态结构发生改变。土壤压实后，土壤容重增加、孔隙度减少、通气状况变差，田间持水量降低，导致根系只能通过改变自身形态或生长方向适应土壤理化特性的改变，完成相应的生理功能，满足地上部生长需求。研究表明，在紧实的土壤中，植物根系生长速度变慢，根系变短变粗，根量减少，由于土壤阻力的作用，根系空间分布以横向分布的增加为主［19]。土壤压实后大孔隙数量减少，玉米侧根生长受阻，根系直径变粗、根毛密度增加；而牛尾草根系随土壤压实强度的増加直径则有减少趋势［20]。豌豆根系直径也会随土壤紧实度的增加而不断增加，且生长速率显著降低。有学者认为，土壤压实条件下根系变短变粗主要是土壤阻力增加造成植物根系细胞直径増大而长度略为减小引起的，且土壤阻力对植物根系生长的影响作用具有延续性，即经过压实胁迫的植物根系即使随着生长延伸穿过紧实层进入土壤疏松的耕层后，其生长速度也不能完全恢复，且根系的生长速度与土壤压实层的厚度和根系穿越该压实层需要的时间密切相关［21-22]。

2.3 对甘蔗根系生物量的影响

土壤压实不仅影响根系的生长和形态分布，还会通过影响根系的伸长速度、长度、直径等生理指标影响根系生物量。生物量是指某一段单位面积土地上生活的生物体干物质总量。李毅杰等［19]研究蔗田土壤机械碾压后土层容重变化，发现10～20 cm 土层容重增幅最大且对甘蔗根系各方面功能参数产生了一定的影响，主要表现为根系生物量下降、根系长度缩短变粗、根系表面积减小、根系平均直径下降，另外，各级根系比例也发生了不同程度的改变。FRIEDEL等［23]研究土壤和植物根系互作关系中发现，土壤容重的增加能显著减少植物根系长度和密度，从而影响植物根系总干重，其中当土壤容重达到1.55 g/cm3时，土壤穿透阻力由1.25 MPa 提高到5.0 MPa，土壤气体中氧气的含量只有0.1 m3/cm3，根系正常生长受到影响，根系长度与最大长度相比减少了50%，且大部分根系不能穿透容重为1.55 g/cm3的土层［23]。土壤容重增大对植物根系生长的影响大于对地上部的影响，有研究表明，土壤容重由1.20 g/cm3增加至1.58 g/cm3，香根草根冠比显著降低30.4%，且根系干物质重量降低54.2%。也有报道称，当土壤机械阻力达到2.5 MP 时，根系生长能够完全被抑制［24-25]。

2.4 实对甘蔗根系养分吸收的影响

植物根系对土壤中养分的吸收主要通过主动截获、质流和扩散来完成，能够通过根系直接接触从土壤中获取的养分比例较小，大部分养分主要通过质流或扩散获取，即根系通过吸水和植物地上部蒸腾作用形成的压力差使土壤养分随水分向根表迁移，土壤养分以水为媒介移动到根系表面，养分离子与根系细胞表面的离子发生置换后进入根系细胞完成养分吸收功能。因此，土壤中水分含量分布以及土壤养分形态和转移能力直接影响植物根系养分吸收。有研究表明，轻微的土壤压实能够通过增加根系和土壤的接触面积来增大植物根系主动截获土壤养分和水分的能力，从而增加根系单位面积水分和养分吸收率，但是严重土壤压实条件下，土壤理化特性发生改变，孔隙度减少、田间持水量降低、土壤中营养元素的存在形式、状态发生变化，植物根系生长受阻，土壤中养分质流和扩散都受到显著影响，根系主动截获营养物质的增加并不能弥补土壤压实后根系吸收能力降低以及土壤中减少的以质流方式到达根系表面养分和水分［26]。蔗田土壤压实能够显著降低土壤中碱解氮含量，这可能与蔗田土壤压实后土壤N 的反硝化作用加速，N2O 的释放量指数性增加有关；另外，蔗田机械碾压后，土壤中速效磷含量也显著降低，主要是由于土壤容重增大，土壤O2含量降低，影响了甘蔗根系对土壤中磷元素的吸收［27-29]。

3 改善蔗田机械压实土壤的措施

3.1 提高农机匹配度，发展农机具联合作业

蔗田土壤机械压实主要源于农机自身压力以及车轮与土壤接触情况，选择适宜农机进行甘蔗大田生产能有效缓解土壤压实强度。以云南为例，为适应山地丘陵甘蔗种植模式，近年来主推灵活轻巧的中小型甘蔗农机设备，在有效降低农机坡地作业侧翻风险的同时，对蔗田土壤的碾压程度也大大降低。轮胎是农机与土壤直接接触部位，增加农机轮胎数量、或者改良大型农机具轮式轮胎为履带式轮胎都可以直接增加机械和土壤的接触面积，从而缓解机械压强。另外，有研究表明，土壤压实随农机碾压次数的增加而增大，轻型农机压实2 次比压实2 次应力增加70.69%，重型农机则增加6.7%，因此推广农机具联合作业也是有效降低蔗田土壤压实情况的重要途径之一［30]。等措施对土壤机械压实引起的环境破坏进行一定程度的改良，其中粉碎蔗叶还田在提高蔗田土壤养分的同时还能起到保水、保肥、通气等作用，从而对蔗田土壤机械压实起到良好的改善作用。保留地表覆盖物的前提下免耕播种，以保留土壤自我保护机能和营造机能，是机械化耕作由单纯改造自然到利用自然、进而与自然协调发展农业生产的革命性变化。

3.2 农机农艺融合技术，推广保护性耕作

采用适宜的农机农艺融合技术能有效改良机械压实后蔗田土壤理化特性。主要措施包括选择甘蔗收割机配套的种植行距，从而有效减少收割过程碾压次数；适当施用发酵废液、滤泥等有机副产物增加蔗田土壤有机质含量，改沟植为垄作并结合中耕培土增加耕层厚度等。罗俊等［31]研究表明，增施有机肥能显著降低土壤容重、改善土壤总孔隙度、提高土壤液相容积率、增加土壤有机质以及速效养分含量，从而改善机械压实后蔗田土壤理化特性。另外，甘蔗收获后采用蔗叶还田措施，利用粉碎蔗叶提高蔗田土壤养分的同时还能起到保水、保肥、通气等作用，从而对蔗田土壤机械压实起到良好的改善作用。

根据蔗田压实层所处的耕层位置，选择不同程度的机耕作业能有效缓解土壤压实给土壤理化结构和甘蔗根系生长带来的影响，是解决蔗田土壤压实最直接有效的方法之一。有研究表明，蔗田深松35～50 cm 同时旋耕25 cm 可显著改善耕层土壤紧实度、容重和整体疏松程度，有效提高土壤30～40 cm 土层毛管孔隙度从而提高土壤保水保肥能力，对甘蔗中后期有效茎和株高起到促进作用［31]。

3.3 科学轮作

加大政策引导和支持，在条件适合的蔗区积极推进科学轮作制度，利用糖料蔗和其他作物合理轮作的方式缓解蔗田土壤机械压实。合理轮作能均衡利用土壤中的营养元素，实现用养结合，尤其在改善土壤理化特性方面，能很好地缓解蔗田土壤机械压实引起的容重增大、孔隙度减少、土壤团粒结构改变等现象［32]。另外，有条件的蔗区可以采用保护性耕作如蔗叶还田、少耕、免耕

4 建议

土壤健康是保证甘蔗生产顺利进行的关键，也是保证农业生产可持续发展的重要基础。近年来，农业机械使用频率的增加、化学肥料的过量施用以及不合理的耕作方式等因素导致土壤酸化、压实等退化现象逐渐突出，农田可耕性变差，严重制约了农业发展步伐。我国甘蔗机械化开始于20 世纪60年代，受限于我国蔗区分布的特殊地理环境和产业模式，目前甘蔗机械化发展仍处于起步阶段，但是由于甘蔗生产具有地上部生物量大，生长周期长，生产环节多等特点，甘蔗生产配套农机设备普遍机身较大、吨位偏高，对土壤的压实作用非常明显，土壤理化特性的改变又会直接影响甘蔗根系生长，从而造成甘蔗生产产量和品质的下降。缓解蔗田土壤压实是一个系统的工作，需要结合政府、糖企、农机企业、科研单位等多方面的努力，从产业机构到生产环节逐个突破。