机械压实对蔗田土壤理化性状、微生物活性和甘蔗生长的影响

刘晓燕，韦 幂，王维赞 *，梁 强，董文斌，李长宁，李毅杰，谢金兰

(1. 广西农业科学院甘蔗研究所/中国农业科学院甘蔗研究中心/农业部广西甘蔗生物技术与遗传改良重点实验室/广西甘蔗遗传改良重点实验室，广西 南宁 530007；2. 广西农业科学院农业科技信息研究所，广西 南宁 530007)

【研究意义】甘蔗是我国主要的糖料作物，蔗糖占全国糖产量的90 %以上。近年来，甘蔗机械化生产有了很大的发展，特别是甘蔗机械化收获的逐步推广，使得甘蔗生产成本大为减低，有效缓解了农村劳动力紧缺等问题。机械化收获以中大型联合收获机械为主，机械在田间行走作业时，轮子的碾压作用会造成土壤的压实。机械压实可直接导致土壤物理结构改变，从而影响土壤的化学和生物学性质，是造成土壤退化，土壤环境被破坏的主要因素之一[1]。土壤过度压实不利于植物根系的生长发育和吸收功能，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利影响[2]。因此，研究机械压实对蔗田条件及蔗株生长的影响，对农田环境保护及甘蔗产业的科学发展具有重要意义。【前人研究进展】国内外不少学者对机械压实的效应进行了广泛的研究，大部分研究认为机械压实可对土壤及作物生长产生负效应。压实可导致土壤容重增大[3-4]，土壤孔隙度降低[5-6]，土壤饱和导水率下降[7]，固、液、气三相比发生改变[8]，通气性和水分入渗率下降[9]。土壤物理结构的改变，影响土壤中的养分有效性[10-11]，土壤的微生物活性[12]，以及作物根系的伸长[13-14]，进而影响作物地上部的生长[15]。目前，已有玉米[16]、小麦[17]、甜菜[18]、苜蓿[19]及烟草[20]等作物的机械压实试验相关报道，近年，有学者开始对甘蔗机械压实开展相关研究。杨荣仲等[21]研究发现甘蔗收割机和收集车碾压对宿根蔗的发株造成了明显的不良影响，不仅宿根蔗发株减少，而且生长势变差，当碾压程度超过4级时，其不良表现尤为突出。梁强等[22]和李毅杰等[23]研究土壤压实对宿根甘蔗出苗及根系形成的影响时发现，机械碾压增加蔗地土壤紧实度，限制了宿根甘蔗的根系生长，进而影响植株的生长，且不同品种适应紧实胁迫的能力存在差异。也有研究认为土壤压实可产生正效应。刘广勤等[24]进行水稻土壤压实节水试验发现，实施压实节水灌溉技术，节约灌溉用水24.11 %，增产10.11 %。压实节水对水稻不同生育期土壤真菌、细菌和放线菌的数量没有显著影响，土壤过氧化氢酶活性无显著变化，但土壤脲酶活性明显增高。【本研究切入点】我国对土壤压实的研究，大多集中在压实对土壤物理结构和作物根系及产量的影响上，对土壤化学、生物学性质影响的研究还比较少，在甘蔗方面，机械压实对蔗地土壤养分、酶活性和微生物量的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】通过对比蔗田土壤在机械压实和未压实状态下的土壤容重、含水量、养分、酶活性、微生物量以及甘蔗根系和产量的变化，并挖掘土壤酶活性与微生物量的相关关系，探讨机械压实对蔗田土壤理化性状、生物学性质和甘蔗生长的影响，旨在为保护蔗田土壤环境及甘蔗机械化收获的推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地点位于广西农业科学院甘蔗研究所隆安丁当试验基地，土壤类型为砂质壤土。供试甘蔗品种为新台糖22号(ROC22)。试验采用区组排列设计，5行区，行长10 m，3次重复。

1.2 试验方法

1.2.1 机械压实处理 新植蔗经人工分小区砍收后，用甘蔗田间运输车(乘龙中卡 LZ3050RAH，总重10 t)沿着种植行方向将部分小区的蔗行和行沟均匀碾压1遍，以未碾压的小区作为对照。运输车的车速与常规机械收获相同。

1.2.2 测定项目与方法 分别在宿根蔗生长的前期(4月份；A1-压实；A0-不压实)、中期(8月份；B1-压实；B0-不压实)和后期(12月份；C1-压实；C0-不压实)，采集甘蔗根部土壤测定土壤容重、含水量和土壤养分，采样深度0～30 cm，每个小区按5点采样法采集土样。测定酶活性和微生物量的土样，采自附着在甘蔗根系的土壤，收集后放置无菌自封袋中，4 ℃冰箱保存。

土壤pH值、有机质含量、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾的测定分别参照NY/T1121.2-2006[25]、NY/T1121.6-2006[26]、NY/T53-1987[27]、NY/T88-1988[28]、NY/T87-1988[29]、LY/T1228-2015[30]、NY/T1121.7-2014[31]、NY/T889-2004[32]标准；土壤容重测定采用环刀法；土壤含水量测定采用烘干法；分别采用磷酸苯二钠比色法、苯酚钠-次氯酸钠比色法和3, 5-二硝基水杨酸比色法测定土壤脲酶活性、磷酸酶活性和蔗糖酶活性，其中脲酶活性以24 h内每g干土生成NH3-N的mg数表示，磷酸酶活性以24 h内每g干土生成的酚mg数表示，蔗糖酶活性以24 h内每g干土生成的葡萄糖mg数表示；土壤细菌、真菌和放线菌数量的测定：细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，真菌采用马丁氏培养基，放线菌采用高氏1号培养基，土壤活菌(细菌、真菌、放线菌)计数采用稀释平板法。

1.2.3 统计分析 试验数据采用Excel 2003和DPS 14.50软件进行统计分析，采用LSD法进行多重比较。

表1 土壤容重和土壤含水量的变化

注：表中数据为平均值±标准差。*表示同一时期、同一土层的2个处理间差异达显著水平(P<0.05)。

Note:Date are mean ± SD. *represents significant difference at 0.05 level between two treatments of the same soil layer at the same time.

2 结果与分析

2.1 机械压实对土壤容重和水分含量的影响

由表1可知，前期压实处理(A1)不同土层的土壤容重分别为1.37、1.50和1.51 g·cm-3，分别比CK(A0)高13.22 %，11.03 %和7.91 %，差异达到显著水平。中后期压实处理(B1和C1)，0～10 cm土层的土壤容重分别为1.23和1.33 g·cm-3，基本与CK(B0和C0)持平；10～20 cm土层的土壤容重分别为1.35和1.44 g·cm-3，分别比CK高4.65 %和4.35 %；20～30 cm土层的土壤容重分别为1.54和1.53 g·cm-3，分别比CK高5.48 %和5.23 %；3个时期中，经压实处理的土壤(A1、B1和C1)0～30 cm层平均容重均大于CK(A0、B0和C0)，其中A1与A0差异达显著水平。结果表明，机械压实可使蔗田土壤容重增大，前期对0～30 cm层的土壤均有影响，中后期对10～30 cm层土壤仍有一定的影响。机械压实后不同土层的土壤含水量均比CK高，其中前期压实土壤0～30 cm土层的土壤含水量分别比CK高9.18 %、5.07 %和12.22 %；中期分别比CK提高1.04 %、0.70 %和3.96 %；后期分别比CK提高2.23 %、4.48 %和3.12 %。综合3个时期进行分析，即0～10 cm土层的平均含水量比CK提高3.79 %，10～20 cm土层的平均土壤含水量比CK高2.89 %，20～30 cm土层的平均土壤含水量比CK高6.39 %；3个时期中，经压实处理的土壤(A1、B1和C1)0～30 cm层平均含水量均大于CK(A0、B0和C)，且A1与A0、C1与C0间的差异均达到显著水平。结果表明，机械压实能在一定程度上提高土壤的保水能力。

2.2 机械压实对土壤pH值、有机质和养分含量的影响

土壤pH值和土壤有机质是影响土壤肥力的2个重要因素。由表2可知，土壤pH值为4.2～5.0，机械压实后土壤pH值有所提升，在甘蔗不同生育期，压实后的土壤pH值比未压实土壤(CK)分别提高0.1、0.2和0.3。土壤有机质含量为20.5～25.7 g·kg-1，压实土壤的有机质含量分别比CK高11.22 %、11.74 %和6.67 %。土壤的全氮、全磷和全钾含量通常用来衡量土壤基础肥力，试验中压实土壤3个时期平均全氮含量为0.127 %，与CK持平；平均全磷含量为0.079 %，比CK(0.076 %)高2.63 %；平均全钾含量为0.487 %，比CK(0.454 %)高8.89 %。土壤碱解氮、速效磷和速效钾的含量通常用来作为土壤供给作物养分能力的指标，表2中碱解氮含量在101.92～117.17 mg·kg-1，3个时期压实处理的碱解氮含量分别比CK低3.33 %、1.37 %和5.08 %；有效磷含量在14.0～29.0 mg·kg-1，压实处理的有效磷含量分别比CK低13.04 %、6.20 %和16.55 %；速效钾含量在129～398 mg·kg-1，压实处理的速效钾含量比CK低38.28 %、41.21 %和7.95 %。可见，经机械压实的土壤，其pH值、土壤有机质含量和基础肥力在一定程度上得到了提高，而碱解氮、有效磷和速效钾的含量则有所降低。

表2 土壤养分含量的变化

表3 土壤酶活性的变化

注：表中数据为平均值±标准差。同列数据后的不同小写字母表示差异达显著水平(P<0.05)。下同

Note:Data are mean ± SD. Different lowercase letters in the same column represent significant difference at 0.05 level. The same as below.

2.3 机械压实对土壤酶活性的影响

由表3可知，机械压实对3种土壤酶活性的影响不同，不同时期压实土壤的脲酶活性均分别比CK低24.32 %、3.85 %和3.70 %；而压实土壤的磷酸酶活性则分别比CK提高15.51 %、5.33 %和0.82 %；土壤蔗糖酶活性分别比CK提高20.32 %、25.06 %和19.44 %；前两者差异不显著，后者差异显著。结果表明，机械压实对脲酶活性和磷酸酶活性的影响较小，对蔗糖酶活性的影响较大。

2.4 机械压实对土壤微生物的影响

由表4可知，机械压实对土壤细菌、真菌和放线菌的数量均有一定的影响。压实处理的土壤细菌数量分别比CK高4.38 %、20.29 %和64.18 %，中后期的土壤细菌数量与CK差异显著；压实处理的土壤真菌数量分别比CK提高13.30 %、65.48 %和55.25 %，3个时期的土壤真菌数量均与CK差异显著；压实处理的土壤放线菌数量分别比CK高39.72 %、25.06 %和4.68 %，前期的土壤放线菌数量与CK差异显著。结果表明，机械压实能在一定程度上提高土壤细菌、真菌和放线菌的数量。

2.5 甘蔗土壤酶活性与根际土壤微生物数量的典型相关分析

将土壤酶活性包括脲酶活性(X1)、磷酸酶活性(X2)和蔗糖酶活性(X3)看作1组变量，根际土壤微生物数量包括细菌(Y1)、真菌(Y2)和放线菌(Y3)看作另一组变量进行典型相关分析。由表5可以看出，土壤酶活性和土壤微生物数量的典型相关关系中，3个典型相关系数分别是1.0000、0.9869和0.8898，统计检验达到极显著水平。因此，可取这3对典型变量来分析两类性状之间的相互关系。2组变量间的相关主要由那些权重系数较高的变量所决定。由表6可知，在第1对典型变量构成(U1,V1)中，U1中以X1和X2的权重系数较大，V1中以Y2和Y3的权重系数较大，说明该对典型变量中脲酶活性和磷酸酶活性与真菌数量和放线菌数量密切相关，且反应出脲酶活性与真菌数量的正相关，与放线菌数量的负相关关系，而磷酸酶活性与真菌、放线菌数量的相关性与之相反。同理，第2组典型变量(U2,V2)系数主要反应了蔗糖酶活性(X3)与真菌数量(Y2)的正相关关系；第3组典型变量(U3,V3)系数则主要反应了磷酸酶活性与真菌数量的负相关，与放线菌的正相关关系。

表4 土壤微生物数量的变化

表5 土壤酶活性与土壤微生物数量的典型相关系数

注：**表示在0.01水平上显著相关。

Note:**represents a significant correlation at the 0.01 level.

表6 土壤酶活性与土壤微生物数量的3对典型变量的构成

2.6 机械压实对甘蔗生长的影响

由表7可知，压实处理对宿根蔗地下根系及地上部植株农艺性状均有影响。其中压实处理宿根蔗的根系干重比CK显著降低，减幅18.80 %；宿根蔗的发株数比CK显著减少，减幅达12.04 %；蔗茎产量比CK显著降低，减产7.43 %；株高和茎径与CK相比略有降低，但差异不显著。这说明机械压实可在一定程度上抑制宿根蔗的生长。

3 讨 论

机械压实可导致土壤容重增大[3-4]。前人研究发现机械碾压主要影响蔗地0～10 cm的土层, 碾压前期机收处理的土壤含水量比人工处理的低，开垄松兜和中耕培土过后各土层的容重无显著差异，机收处理的土壤的含水量较人工处理的高[33]。本研究结果表明，机械碾压前期可使0～30 cm层的土壤容重显著增大，中耕过后蔗行0～10 cm土层土壤状况得到改善，但20～30 cm层土壤仍有一定的影响，碾压处理的土壤含水量均比CK高，说明中耕培土不能完全消除机械对蔗行碾压的影响，因甘蔗根系主要集中在蔗行10～40 cm的土层，碾压可直接导致土壤容重增大，影响根系的伸长，进而影响养分吸收。不同试验之间碾压后土壤含水量变化的差异，可能是试验土壤质地差异造成的，这有待进一步研究验证。

土壤酸碱度和土壤养分对甘蔗生长有着很大影响。本试验的土壤pH值在4.2～5.0，呈强酸性，机械压实后土壤pH值有所提升，这与何章飞等[33]的研究结果一致。土壤压实对土壤养分影响，已有的研究认为适当紧实的土壤能增加根和土的密接度，有利于根系对水肥的吸收，而土壤过度紧实不利于养分的运输[10]。土壤紧实度会影响N、P和K元素在土壤中的移动性，尤其对主要通过扩散的方式移动到植物根表的P和K影响较大[1]。本研究中，压实土壤中的有效P及速效K含量下降幅度较大，说明压实对P和K元素的影响较大，与前人的结论相似。

土壤酶活性和微生物数量作为评价土壤肥力的重要生态指标，易受土壤环境因素影响。本研究中，压实处理的土壤脲酶活性和磷酸酶活性与CK相比无显著差异，而蔗糖酶活性与CK相比显著提高；压实处理的土壤细菌、真菌和放线菌的数量总体上高于CK。乔樵等[34]对东北春小麦的调查研究显示，细菌总数由随土壤紧实度增加而增多的趋向，细菌总数也是紧实土壤高于疏松土壤。张国红等[12]研究发现，土壤紧实度对番茄土壤转化酶、多酚氧化酶、酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性的影响较大，对脲酶活性和中性磷酸酶活性影响较小，这与本研究结果相似。土壤酶活性与土壤微生物数量之间关系密切。李旺霞等[35]研究发现，不同深度土层中脲酶活性与真菌数量呈正相关，与细菌和放线菌等呈负相关；蔗糖酶活性与细菌和放线菌等呈正相关，与真菌数量呈负相关关系，这与本研究结果有一定差异。机械压实与蔗田土壤酶活性及土壤微生物量之间的相关关系还有待进一步研究。

表7 甘蔗的农艺性状、产量和根系干重

机械收获对宿根蔗影响的研究结果，不同试验之间存在一定的差异。本试验结果表明，机械对蔗行的碾压对宿根蔗生长造成不良影响，碾压处理根系干重、发株数和蔗茎产量显著减少。梁阗等[36]认为机械收获在一定程度上影响宿根蔗的蔗兜质量，但不会造成蔗茎产量显著下降。而杨荣仲等[21]则认为机械收获可对宿根蔗发株及生长造成不良影响，根据苗情变化和影响因素分析发现其不良影响主要是机械对蔗行碾压带来的，这本试验研究结果相一致；说明机械碾压行沟对宿根蔗的影响较少，碾压蔗行对宿根蔗的影响较大。

虽然机械碾压会在一定程度上对甘蔗生长造成不良影响，但在实际生产中，人工砍收的原料蔗质量参差不齐，受劳动力及气候影响较大，后期产糖率明显下降，浪费严重，因此机械化收获是甘蔗产业发展的必然趋势。苏俊波等[37]的研究结果表明，机械化收获在不同品种甘蔗的宿根出苗环节影响较大，如果种植行距与收割机轮距不匹配，轮子则会直接碾压蔗头，从而影响产量。黄鑫[38]也认为，近年来的甘蔗机械化生产中，农艺与农机不能有效结合，农机作业标准与农艺要求之间存在矛盾。因此，在实际生产中保证农机与农艺的配套融合，即收割机与运输车与甘蔗行距相匹配，同时对收割机及运输车工作人员的操作进行规范化，可减少机械对蔗行的碾压。此外，根据前人研究结果，不同作物或同一作物的不同品种对土壤机械压实具有调节和适应性[21-23]，因此种植耐碾压、宿根性好的作物品种，也可降低机械收获可能带来的不良影响。

4 结 论

机械压实可使蔗田0～30 cm土层土壤容重增大，土壤含水量增加。压实在一定程度上提高土壤pH值、有机质含量和土壤微生物量及活性，但降低土壤有效养分的含量，抑制根系的生长，降低甘蔗产量。