机械碾压对土壤性状及葡萄根系分布和植株生长发育的影响*

杨兴旺，张成超，高 振，翟 衡，杜远鹏

（山东农业大学园艺科学与工程学院，泰安 271018）

欧美等国家的酿酒葡萄园从种植到采收已经实现了全程机械化作业[1-4]。相比之下，我国水果优势产区的综合机械化水平不到20%，非优势产区的综合机械化水平还不到10%[4]。随着规模化葡萄园种植面积的不断扩大及劳动力成本的上升，我国葡萄园机械化管理将是未来发展的必然趋势。随着机械化管理的迫切需要，近年来我国已陆续研发出适应葡萄园生产的履带自走打药机、施肥机、碎草机及埋土防寒机和半自动出土机械等[5]。在葡萄生产管理中，每年刈割除草作业在5 次以上，植保作业15 余次，施肥作业3 次以上，埋土防寒地区还有埋土及出土作业等。每年机械碾压进地在20 次以上，机械多次进地碾压不可避免地影响葡萄园土壤理化状态。机械碾压能引起土壤颗粒重新组合排列，而变得更为紧密，降低了土壤的大孔隙度，破坏了土壤结构，导致土壤质量下降；降低土壤的渗透能力，影响水分渗入和径流[6-9]。土壤紧实度的增大能够抑制作物根系的生长，降低根干重、根条数、根体积，不利于作物根系伸长[10-19]，进而影响作物地上部的生长[20]。在玉米[14]、小麦[15]、苜蓿[16]、烟草[17]及甘蔗[7,10,18]等作物的机械碾压试验均有报道。随着葡萄园机械化的推进，为进一步探讨机械碾压对葡萄园土壤及葡萄植株生长发育的影响，以1 年生‘福克’自根苗为试材，研究机械碾压对葡萄园土壤、葡萄根系分布及植株生长发育方面的影响，为葡萄园机械化应用提供参考。

1 材料与方法

试验于2018 年在山东农业大学南校区实验基地进行。

1.1 试验材料及处理

于2018 年4 月27 日开沟定植1 年生‘福克’自根苗，定植沟宽120 cm、深80 cm，回填时土与腐熟有机肥比例为2∶1。行株距2.5 m×1.0 m。

当年5 月15 日至10 月30 日，使用高密市益丰机械有限公司生产的2F-30 型履带自走式多功能施肥机行间模拟机械碾压2 次/月，由于7、8 月为雨季，因此7、8 月机械碾压各1 次。该型号机械重680 kg，履带宽18 cm，两履带间距50 cm，机械碾压时靠近行内一侧的履带距植株20～40 cm。于碾压期间不同时期测定新梢生长量及碾压区域（距干20～40 cm）不同深度的土壤容重；于9 月上旬分别测定深度40 cm 碾压区域土壤呼吸速率、氧化还原电位、土壤孔隙度及土壤通气性；于落叶后测定各距干距离不同深度土层中根系分布情况及枝条贮藏营养。以行间未经机械碾压为对照。

1.2 测定指标

1.2.1土壤容重及孔隙度的测定

当年5、7、9、11 月分别取土测定履带碾压的部位0～10、10～20、20～30 cm 的土壤容重；当年11 月取土测定履带碾压的部位0～20、20～40、40～60、60～80 cm 的土壤容重，参照《土壤肥料学实验》[21]测定。

1.2.2土壤呼吸速率的测定

当年9 月，在碾压区域（距干20～40 cm）避开杂草多的地方，铲出一个土壤平面，采用PP System 公司生产的CIRAS-2 便携式光合仪所连接的SRC-1 土壤呼吸室测定土壤呼吸速率。

1.2.3氧气扩散速率、氧化还原电位的测定

当年9 月，在碾压区域（距干20～40 cm），打孔深40 cm（根系集中分布层），采用塞弗公司生产的土壤氧气扩散速率仪测定氧气扩散速率、氧化还原电位。

1.2.4新梢、副梢生长速率的测定

定植后每株保留1 个新梢，该新梢上所有副梢均抹除。用皮尺每7 d 从葡萄新梢基部量到梢尖生长点，新梢生长至第1 道铅丝时摘心，不再测量主梢生长量。待主梢摘心处顶端第1 节位副梢萌发后，于6 月19 日开始测定副梢生长量。

新梢（副梢）生长速率=（终止测定长度-初始测定长度）/测量天数

1.2.5叶绿素含量的测定

当年7 月采下第6 节位叶片，其叶绿素含量采用赵世杰等[22]的乙醇浸提法测定。

1.2.6叶片厚度、叶片纵横径的测定

当年7 月采下第6 节位叶片，使用游标卡尺测量叶片厚度，使用直尺测定纵径及横径。

1.2.7节间长、茎粗的测定

落叶后，使用游标卡尺测定其同一节位节间长度及茎粗。

1.2.8可溶性糖、淀粉含量的测定

落叶后，选取第5 节位的枝条，除去节间，烘干磨碎，采用蒽酮比色法测定枝条中可溶性糖、淀粉含量[22]。

1.2.9根系分布

采用传统壕沟法，在行间距主干80 cm 处开挖，挖取深度约1 m（大于根系生长深度），以20 cm为单位在剖面上拉棉线，分别记录根系类别和数量，并计算各类根（粗根＞5 mm、中粗根2～5 mm、细根＜2 mm）占总根量的比率，以每20 cm 等距向树干挖掘靠近，每个处理挖掘2 株树。

1.3 数据处理

试验数据测定取3 次生物学重复（除根系分布外），用Microsoft Excel 2016 进行数据统计并作图；采用SPSS 24 软件进行方差分析，采用t检验法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 机械碾压对土壤性状的影响

2.1.1机械碾压对各土层土壤容重的影响

从图1 可以看出，葡萄园开沟定植后土壤逐渐沉实，10～20 cm 和20～30 cm 土层的土壤容重随时间推移不断增大而后渐渐趋于稳定。机械碾压对土壤容重的影响程度随时间的推移（碾压次数的增多）和土壤深度的增加而不断降低。7、9、11 月机械碾压0～10 cm 土层的土壤容重分别比对照高20.29%、10.84%、4.31%；10～20 cm 土层的土壤容重在7、9、11 月机械碾压分别比对照高7.27%、6.47%、7.50%；20～30 cm 土层的土壤容重在7、9、11 月机械碾压和对照之间均无明显差异。

图1 机械碾压对5—11 月不同土层土壤容重的影响

试验结果发现，机械碾压主要影响40 cm 以上深度的土壤容重，机械碾压显著增加了0～20、20～40 cm 土层的土壤容重，分别比对照增加6.99%和3.82%，而40 cm 以下深度的土壤容重未发生显著变化（表1）。

表1 机械碾压对不同土层土壤容重的影响

2.1.2机械碾压对土壤通气性的影响

试验结果表明，机械碾压显著降低了碾压区域40 cm 深度的土壤氧气扩散速率、土壤氧化还原电位，分别比对照降低了37.49%、19.90%；显著降低了碾压区域表土的土壤呼吸速率，比对照降低了34.15%（表2）。

表2 机械碾压对土壤通气性的影响

2.2 机械碾压对葡萄根系分布的影响

2.2.1机械碾压对葡萄根系水平分布的影响

从根系数量上看，机械碾压降低了葡萄根系总量，相比对照下降了23.47%。机械碾压距干20 cm和40 cm 处（碾压带区域）的根系数量下降，分别比对照降低了14.43%和58.33%，但机械碾压距干60 cm 处的根系数量增加，相比对照增加了43.75%（图2）。

从根系水平分布来看，‘福克’根系主要分布在距干60 cm 范围内（图2）。对照在距干20、40、60、80 cm 处根系条数占比分别为35.02%、38.99%、17.33%、8.66%，机械碾压占比分别为39.15%、21.23%、32.55%、7.08%。机械碾压降低了根系在距干40 cm 处的占比，增加了距干60 cm 处根系占比，促进根系向碾压区域外生长。

从根类组成上来看，机械碾压降低了距干20、40、60 cm 处细根（＜2 mm）的占比，增大了中粗根（2～5 mm）和粗根（＞5 mm）的占比。对照＜2 mm 的细根在距干20、40、60、80 cm 处的占比分别为92.78%、93.52%、58.33%、25.00%，机械碾压＜2 mm 的细根在距干20、40、60、80 cm 处的占比分别为68.67%、64.44%、46.38%、53.33%（图2）。

2.2.2机械碾压对葡萄根系垂直分布的影响

‘福克’91.34%根系分布于距干60 cm 范围以内，因此主要观察距干20、40、60 cm 的根系垂直分布。

从图3 可以看出，在距干20、40 cm 距离的剖面上，机械碾压降低了0～20、40～60、60～80 cm土层的细根（＜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 距离的剖面上，机械碾压各土层细根（＜2 mm）占比为40.00%～77.78%，对照各土层细根（＜2 mm）占比为89.58%～100.00%。在距干40 cm 距离的剖面上，机械碾压各土层细根（＜2 mm）占比为53.84%～80.00%，对照各土层细根（＜2 mm）占比为78.57%～100.00%。在距干60 cm 距离的剖面上，对照根系主要集中于20～40 cm 土层，由于距干60 cm 是履带碾压区域外，机械碾压在0～80 cm 各土层细根（＜2 mm）占比为38.10%～50.00%，对照各土层细根（＜2 mm）占比为0～73.53%。

图3 机械碾压对葡萄根类组成及垂直分布的影响

机械碾压增加了各距干距离剖面40～60 cm 和60～80 cm 土层深度根系占比，在距干20、40、60 cm剖面，40～80 cm 土层深度的根系占比分别比对照增加2.96%、12.78%、18.93%（图3）。这说明机械碾压影响碾压区域表层细根的生长，形成更多的粗根深扎至40～80 cm 深度区域。

2.3 机械碾压对葡萄地上部生长发育的影响

2.3.1机械碾压对新梢生长及叶片性状的影响

由表3 可知，机械碾压显著降低了葡萄叶片叶绿素含量，比对照叶绿素含量降低了19.31%。但机械碾压对葡萄新梢和副梢的生长速率和净光合速率、叶片厚度、叶片纵横径无显著影响。

表3 机械碾压对枝条生长速率、叶绿素含量、净光合速率和叶片厚度及大小的影响

2.3.2机械碾压对节间长度、茎粗及枝条贮藏营养的影响

由表4 可知，机械碾压显著降低了葡萄茎粗，机械碾压茎粗比对照低9.58%，但机械碾压对枝条节间长度及可溶性糖、淀粉含量没有显著影响。

表4 机械碾压对枝条节间长度、茎粗及可溶性糖和淀粉含量的影响

3 讨 论

前人研究发现，机械碾压主要引起5～10 cm 土层的土壤容重增大，且碾压3 次后继续碾压土壤容重增幅降低[6]。本研究发现，机械碾压主要引起碾压区域40 cm 以上土层土壤容重的增大，其中以0～10 cm 土层土壤容重增幅最大。且随碾压时期的延长（碾压次数的增多），土壤容重的增幅程度逐渐降低。从5—11 月土壤容重变化趋势来看，7 月（碾压3 次）时，碾压区域0～10 cm 土层土壤容重已达到最高值，这与前人研究结果相一致。而9 月0～10 cm 土层土壤容重较7 月要低，这可能因为7、8月为当年泰安地区的雨季，期间土壤潮湿，机械难以下地，仅作业2 次而使得土壤性状有所恢复。

本试验研究发现，机械碾压降低了履带碾压区域的土壤呼吸速率；降低了履带碾压区域40 cm 深度土壤氧化还原电位。根据Unger 等[23]的研究，氧化还原电位高于414 mV 时土壤氧气状况较好，低于120 mV 为缺氧状况。本研究发现，机械碾压虽降低了碾压区域40 cm 深度土壤的氧化还原电位，但尚未达到缺氧状况。机械碾压降低了履带碾压区域40 cm 深度的土壤氧气扩散速率，降低了该土层土壤氧气对植物的有效性[24]。

机械碾压主要提高了土壤容重和紧实度，以机械阻力、通气性等方式影响着植物生长发育，其对作物的影响，首先表现在对根系的影响。前人研究发现，容重小的土层细根比例高，容重大的土层粗根比例高[19]，根系直径会随土壤容重增大而增大[12]。本研究发现，机械碾压降低了葡萄根系总量、碾压区域各土层的根系数量、各距干距离细根（＜2 mm）的占比，这与前人研究结果一致。但机械碾压处理碾压带区域外（距干60 cm 处）的根系数量较对照有明显上升，并且该区域的细根（＜2 mm）占该土层全部类型根系比例与对照相比差距最小，这与Iijima 等[25]认为根系在不同土层生长具有一定的补偿作用观点相符。关于根系的补偿作用，Stypa 等[26]的研究也发现，容重小的土壤根系的附着强度小，植物会产生相对多的根系数量来弥补自身附着强度的不足从而避免倒伏。本研究在根系垂直分布结果显示，机械碾压降低了碾压区域表层细根分布数量，增加了粗根分布数量，且增加了40～80 cm 土壤深度的根系数量，这与Muhammad[27]的研究结果相似，其研究结果显示机械碾压2 年增加了玉米在深层土壤的根系数量。说明机械碾压增加表层土壤容重，主要影响表层细根生长和根系类型，促使产生更多的延长根系下扎到受碾压影响较小的40 cm以下区域生长。这也与本试验建园时挖沟改土深度深，深层疏松的土壤为根系深扎提供了有利条件有关。因此建议建园时要深挖沟改土，为根系深扎提供保障。

机械碾压对植物地上部影响的研究有不同的结论。大多数研究认为，机械碾压能够提高土壤紧实度，从而抑制地上部茎叶的生长，降低地上部生物量[7,14-15]。但也有研究表明，虽然机械碾压对土壤容重产生影响，但对植株生长发育影响较小。Muhammad[27]的研究发现机械碾压的第1 年对玉米干物质分配、单株干物质积累和叶面积指数无显著影响。这可能与轻度的表土压实相比松散的土壤结构能够更好地实现根-土接触[28]，增加植株对养分和水分的吸收[29]，对作物生长有利有关。本试验发现，机械碾压显著降低了葡萄叶片的叶绿素含量，但未对叶片净光合速率、叶片大小、叶片厚度产生显著影响；降低了茎粗，但未对节间长、枝条可溶性糖含量和淀粉含量产生显著影响。总的来看，未能显著影响叶片光合产物的供应能力和枝条贮藏营养的积累。分析其原因，可能一方面在于葡萄园机械采用的是履带拖拉机，对土壤碾压作用较低且仅碾压一个生长周期。另一方面建园时深沟改土，促进了根系的补偿作用（78.77%的葡萄根系位于机械碾压区域外，21.23%的根系位于机械区域中，48.89%的根系位于受机械碾压影响较小的40～80 cm 深度），缓解了机械碾压带来的影响。以及葡萄品种‘福克’的生长势旺盛，最终出现了机械碾压并未对葡萄叶片光合产物供应、枝条贮藏营养和长势产生显著影响的结果。

结合本试验结果及生产实践经验，建议葡萄园机械碾压选用履带式小型机械，避免土壤湿度大时作业以减轻对土壤的压实作用。要充分考虑作物对于土壤机械碾压的调节和适应性[10,18,30]，在建园时深挖沟改土以促进根系深扎，选用长势旺盛的葡萄品种，以降低机械作业带来的不良影响。

4 结 论

机械碾压增大了碾压区域0～40 cm 土层的土壤容重，降低了该区域土壤的通气性，抑制了该区域葡萄根系的正常生长，但促进了履带碾压区域外根系的发生与生长，降低了葡萄叶片的叶绿素含量和茎粗，但未对地上部的生长发育产生显著抑制作用。