高欣欣 劉高源 劉少春 郭家文

(1 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所 云南開遠(yuǎn)661699;2 云南省甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 云南開遠(yuǎn)661699)

甘蔗是我國(guó)重要的糖料經(jīng)濟(jì)作物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017～2018 榨季全國(guó)糖料蔗種植面積約154 hm2［1]，且主要分布在長(zhǎng)江以南的廣西、云南、廣東等西南山地丘陵地區(qū)。與煙草、馬鈴薯、中藥材等經(jīng)濟(jì)作物相比，甘蔗田間生產(chǎn)環(huán)節(jié)成本較高，致使糖料蔗生產(chǎn)在經(jīng)濟(jì)效益上不占優(yōu)勢(shì)。因此，推進(jìn)甘蔗全程機(jī)械化是實(shí)現(xiàn)降低制糖原料成本、有效解決砍蔗勞動(dòng)力不足、費(fèi)用高等生產(chǎn)瓶頸問題的關(guān)鍵技術(shù)。隨著甘蔗機(jī)械化水平的逐步提高，機(jī)械作業(yè)程度增加，機(jī)械壓實(shí)造成的蔗區(qū)土壤理化特性和生物學(xué)特性改變，土壤環(huán)境惡化等問題也逐漸突出［1]。土壤壓實(shí)會(huì)造成土壤容重增加，隨之土壤強(qiáng)度增強(qiáng)，作為影響作物生長(zhǎng)的重要因素之一［2-3]，土壤強(qiáng)度増加會(huì)限制植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育和養(yǎng)分吸收，進(jìn)而抑制整株植物的生長(zhǎng)發(fā)育，降低產(chǎn)量和品質(zhì)，對(duì)農(nóng)業(yè)和環(huán)境均產(chǎn)生不良影響。本文擬從蔗田機(jī)械壓實(shí)后土壤理化特性與甘蔗根系之間的互作關(guān)系、機(jī)械化作業(yè)后甘蔗生長(zhǎng)發(fā)育情況等方面進(jìn)行綜述，并對(duì)緩解蔗田土壤機(jī)械壓實(shí)的措施進(jìn)行探討，以期為我國(guó)甘蔗全程機(jī)械化的推進(jìn)提供參考。

1 蔗田土壤機(jī)械壓實(shí)現(xiàn)狀

中國(guó)是繼巴西、印度之后的世界第三大甘蔗生產(chǎn)國(guó)，但是噸糖原料成本卻遠(yuǎn)高于世界其它甘蔗主產(chǎn)國(guó)家，究其原因主要是我國(guó)甘蔗機(jī)械化水平低，人工成本高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用全程機(jī)械化生產(chǎn)制糖甘蔗原料，與純?nèi)斯どa(chǎn)相比，噸蔗節(jié)省成本118～140元，噸糖可節(jié)省制糖原料成本900～1120 元。因此，推廣甘蔗全程機(jī)械化是我國(guó)蔗糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。隨著甘蔗收獲機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)、拖拉機(jī)等大型配套農(nóng)機(jī)具在甘蔗生產(chǎn)中的推廣使用，蔗田機(jī)械作業(yè)過程中輪胎的反復(fù)碾壓使土壤負(fù)重過大，造成土壤壓實(shí)，破壞土壤環(huán)境，顯著降低了宿根蔗出苗發(fā)株以及后期蔗糖分積累和產(chǎn)量生成［4-5]。甘蔗全程機(jī)械化包括甘蔗種植、中耕管理、機(jī)械化收割等環(huán)節(jié)，目前國(guó)內(nèi)使用較多的甘蔗種植機(jī)、開溝機(jī)多以四輪拖拉機(jī)進(jìn)行配套動(dòng)力，拖拉機(jī)運(yùn)行過程中輪胎對(duì)蔗田土壤反復(fù)碾壓能顯著增加土壤容積密度，降低土壤孔隙度。王恩姮等［6]研究表明，拖拉機(jī)等中型機(jī)械作業(yè)能夠在土壤17.5～30 cm 的土層范圍內(nèi)造成土壤壓實(shí)，形成新的土壤板結(jié)，破壞土壤理化環(huán)境，影響該土層范圍內(nèi)甘蔗根系的正常生長(zhǎng)發(fā)育［6]。甘蔗收獲勞動(dòng)量占甘蔗生產(chǎn)人工總成本的50%［7]，甘蔗收割機(jī)的推廣應(yīng)用是甘蔗全程機(jī)械化推進(jìn)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，考慮到收割機(jī)技術(shù)路線復(fù)雜，輸送通道易堵塞，剝?nèi)~損耗大等問題，目前我國(guó)推廣使用的甘蔗收割機(jī)仍然主要以切斷式聯(lián)合收割機(jī)為主。為保持收割效率和收割穩(wěn)定性，切斷式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)普遍具有較大的機(jī)身重量，如凱斯4000 整機(jī)重6.7 t；約翰迪爾CH530 整機(jī)重9.5 t；中聯(lián)谷王AS60（4GQV-1）整機(jī)重9.5 t；柳工S935 整機(jī)重15 t［8]。配套10 t左右的甘蔗轉(zhuǎn)運(yùn)車［9]，甘蔗機(jī)械化收獲過程中對(duì)土壤造成的碾壓面積可達(dá)蔗田面積的1倍以上，壓實(shí)作用顯著，是造成土壤環(huán)境惡化，影響宿根蔗生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素之一。

2 機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤和甘蔗根系的影響

2.1 對(duì)土壤理化特性的影響

機(jī)械碾壓能夠直接引起土壤理化特性和生物學(xué)性能的改變，主要表現(xiàn)為：土壤容重增加，土壤強(qiáng)度和穿透阻力加大、孔隙度減少、通氣狀況變差，田間持水量降低；土壤中化學(xué)元素及離子的吸附、固定過程發(fā)生變化，氮、磷、鉀等有效養(yǎng)分利用效率降低；土壤中微生物種類和活性發(fā)生改變［10-15]。研究表明，不同負(fù)荷農(nóng)用機(jī)械不同作業(yè)程度對(duì)土壤耕層作用效果不同，普通農(nóng)用機(jī)械主要引起地表0～10 cm 土壤壓實(shí)，而大型農(nóng)用機(jī)械作業(yè)過程中反復(fù)碾壓對(duì)土壤耕層影響較大，能夠引起土壤60～70 cm 心土層構(gòu)造改變。高負(fù)荷機(jī)械壓實(shí)條件下，旱稻耕層表層（0～10 cm）土壤孔隙度比翻耕前降低了18%，春小麥耕地心土層土壤穿透阻力比翻耕前提高了3～9 倍。土壤壓實(shí)對(duì)土壤養(yǎng)分的影響主要是限制了有效養(yǎng)分的移動(dòng)性；另外土壤壓實(shí)會(huì)降低土壤pH，引起土壤酸化，改變土壤微生物活性和種類，使土壤中的礦物質(zhì)釋放出鹽基離子，造成土壤養(yǎng)分流失［15]。

2.2 對(duì)甘蔗根系的影響

根系是支撐植物地上部生物體的主要器官，也是植物和土壤進(jìn)行物質(zhì)能量交換的媒介，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育具有重要作用。植物與土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分的交換主要是依靠根系生長(zhǎng)、形態(tài)分布、生理活性等生物學(xué)指標(biāo)［16]。而土壤容重、孔隙度、含水量等物理性狀以及土壤中養(yǎng)分形態(tài)和分布能夠直接影響根系這些指標(biāo)［17]。因此，良好的土壤環(huán)境是作物根系與土壤養(yǎng)分、水分高質(zhì)量完成時(shí)空匹配的重要保障，也是實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分高效、作物高產(chǎn)和環(huán)境友好這一可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的重要前提。

2.2.1 對(duì)甘蔗根系生長(zhǎng)和形態(tài)分布的影響

甘蔗屬于多年生、深根型作物，根系較大且?guī)缀跬耆煌寥腊?，從而能更好地支撐地上部生物量并完成和土壤的物質(zhì)能量交換。徐林等［17]研究發(fā)現(xiàn)，大部分甘蔗根系集中在15～30 cm 耕層，僅少部分根系入土較深，能夠達(dá)到1 m 左右。劉曉燕等［18]研究甘蔗機(jī)收后土壤壓實(shí)情況發(fā)現(xiàn)，機(jī)械碾壓前期可使0～30 cm 的耕層容重增加。因此，蔗田土壤機(jī)械壓實(shí)土層與甘蔗根系集中分布的耕層正好發(fā)生重疊，能夠?qū)Ω收岣瞪L(zhǎng)產(chǎn)生直接作用。土壤容重增加引起的土壤穿透阻力增大能顯著加大甘蔗根系生長(zhǎng)阻力，從而影響根系在土壤中的正常生長(zhǎng)發(fā)育，主要表現(xiàn)為生長(zhǎng)速率降低、根系形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。土壤壓實(shí)后，土壤容重增加、孔隙度減少、通氣狀況變差，田間持水量降低，導(dǎo)致根系只能通過改變自身形態(tài)或生長(zhǎng)方向適應(yīng)土壤理化特性的改變，完成相應(yīng)的生理功能，滿足地上部生長(zhǎng)需求。研究表明，在緊實(shí)的土壤中，植物根系生長(zhǎng)速度變慢，根系變短變粗，根量減少，由于土壤阻力的作用，根系空間分布以橫向分布的增加為主［19]。土壤壓實(shí)后大孔隙數(shù)量減少，玉米側(cè)根生長(zhǎng)受阻，根系直徑變粗、根毛密度增加；而牛尾草根系隨土壤壓實(shí)強(qiáng)度的増加直徑則有減少趨勢(shì)［20]。豌豆根系直徑也會(huì)隨土壤緊實(shí)度的增加而不斷增加，且生長(zhǎng)速率顯著降低。有學(xué)者認(rèn)為，土壤壓實(shí)條件下根系變短變粗主要是土壤阻力增加造成植物根系細(xì)胞直徑増大而長(zhǎng)度略為減小引起的，且土壤阻力對(duì)植物根系生長(zhǎng)的影響作用具有延續(xù)性，即經(jīng)過壓實(shí)脅迫的植物根系即使隨著生長(zhǎng)延伸穿過緊實(shí)層進(jìn)入土壤疏松的耕層后，其生長(zhǎng)速度也不能完全恢復(fù)，且根系的生長(zhǎng)速度與土壤壓實(shí)層的厚度和根系穿越該壓實(shí)層需要的時(shí)間密切相關(guān)［21-22]。

2.3 對(duì)甘蔗根系生物量的影響

土壤壓實(shí)不僅影響根系的生長(zhǎng)和形態(tài)分布，還會(huì)通過影響根系的伸長(zhǎng)速度、長(zhǎng)度、直徑等生理指標(biāo)影響根系生物量。生物量是指某一段單位面積土地上生活的生物體干物質(zhì)總量。李毅杰等［19]研究蔗田土壤機(jī)械碾壓后土層容重變化，發(fā)現(xiàn)10～20 cm 土層容重增幅最大且對(duì)甘蔗根系各方面功能參數(shù)產(chǎn)生了一定的影響，主要表現(xiàn)為根系生物量下降、根系長(zhǎng)度縮短變粗、根系表面積減小、根系平均直徑下降，另外，各級(jí)根系比例也發(fā)生了不同程度的改變。FRIEDEL等［23]研究土壤和植物根系互作關(guān)系中發(fā)現(xiàn)，土壤容重的增加能顯著減少植物根系長(zhǎng)度和密度，從而影響植物根系總干重，其中當(dāng)土壤容重達(dá)到1.55 g/cm3時(shí)，土壤穿透阻力由1.25 MPa 提高到5.0 MPa，土壤氣體中氧氣的含量只有0.1 m3/cm3，根系正常生長(zhǎng)受到影響，根系長(zhǎng)度與最大長(zhǎng)度相比減少了50%，且大部分根系不能穿透容重為1.55 g/cm3的土層［23]。土壤容重增大對(duì)植物根系生長(zhǎng)的影響大于對(duì)地上部的影響，有研究表明，土壤容重由1.20 g/cm3增加至1.58 g/cm3，香根草根冠比顯著降低30.4%，且根系干物質(zhì)重量降低54.2%。也有報(bào)道稱，當(dāng)土壤機(jī)械阻力達(dá)到2.5 MP 時(shí)，根系生長(zhǎng)能夠完全被抑制［24-25]。

2.4 實(shí)對(duì)甘蔗根系養(yǎng)分吸收的影響

植物根系對(duì)土壤中養(yǎng)分的吸收主要通過主動(dòng)截獲、質(zhì)流和擴(kuò)散來完成，能夠通過根系直接接觸從土壤中獲取的養(yǎng)分比例較小，大部分養(yǎng)分主要通過質(zhì)流或擴(kuò)散獲取，即根系通過吸水和植物地上部蒸騰作用形成的壓力差使土壤養(yǎng)分隨水分向根表遷移，土壤養(yǎng)分以水為媒介移動(dòng)到根系表面，養(yǎng)分離子與根系細(xì)胞表面的離子發(fā)生置換后進(jìn)入根系細(xì)胞完成養(yǎng)分吸收功能。因此，土壤中水分含量分布以及土壤養(yǎng)分形態(tài)和轉(zhuǎn)移能力直接影響植物根系養(yǎng)分吸收。有研究表明，輕微的土壤壓實(shí)能夠通過增加根系和土壤的接觸面積來增大植物根系主動(dòng)截獲土壤養(yǎng)分和水分的能力，從而增加根系單位面積水分和養(yǎng)分吸收率，但是嚴(yán)重土壤壓實(shí)條件下，土壤理化特性發(fā)生改變，孔隙度減少、田間持水量降低、土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的存在形式、狀態(tài)發(fā)生變化，植物根系生長(zhǎng)受阻，土壤中養(yǎng)分質(zhì)流和擴(kuò)散都受到顯著影響，根系主動(dòng)截獲營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的增加并不能彌補(bǔ)土壤壓實(shí)后根系吸收能力降低以及土壤中減少的以質(zhì)流方式到達(dá)根系表面養(yǎng)分和水分［26]。蔗田土壤壓實(shí)能夠顯著降低土壤中堿解氮含量，這可能與蔗田土壤壓實(shí)后土壤N 的反硝化作用加速，N2O 的釋放量指數(shù)性增加有關(guān)；另外，蔗田機(jī)械碾壓后，土壤中速效磷含量也顯著降低，主要是由于土壤容重增大，土壤O2含量降低，影響了甘蔗根系對(duì)土壤中磷元素的吸收［27-29]。

3 改善蔗田機(jī)械壓實(shí)土壤的措施

3.1 提高農(nóng)機(jī)匹配度，發(fā)展農(nóng)機(jī)具聯(lián)合作業(yè)

蔗田土壤機(jī)械壓實(shí)主要源于農(nóng)機(jī)自身壓力以及車輪與土壤接觸情況，選擇適宜農(nóng)機(jī)進(jìn)行甘蔗大田生產(chǎn)能有效緩解土壤壓實(shí)強(qiáng)度。以云南為例，為適應(yīng)山地丘陵甘蔗種植模式，近年來主推靈活輕巧的中小型甘蔗農(nóng)機(jī)設(shè)備，在有效降低農(nóng)機(jī)坡地作業(yè)側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，對(duì)蔗田土壤的碾壓程度也大大降低。輪胎是農(nóng)機(jī)與土壤直接接觸部位，增加農(nóng)機(jī)輪胎數(shù)量、或者改良大型農(nóng)機(jī)具輪式輪胎為履帶式輪胎都可以直接增加機(jī)械和土壤的接觸面積，從而緩解機(jī)械壓強(qiáng)。另外，有研究表明，土壤壓實(shí)隨農(nóng)機(jī)碾壓次數(shù)的增加而增大，輕型農(nóng)機(jī)壓實(shí)2 次比壓實(shí)2 次應(yīng)力增加70.69%，重型農(nóng)機(jī)則增加6.7%，因此推廣農(nóng)機(jī)具聯(lián)合作業(yè)也是有效降低蔗田土壤壓實(shí)情況的重要途徑之一［30]。等措施對(duì)土壤機(jī)械壓實(shí)引起的環(huán)境破壞進(jìn)行一定程度的改良，其中粉碎蔗葉還田在提高蔗田土壤養(yǎng)分的同時(shí)還能起到保水、保肥、通氣等作用，從而對(duì)蔗田土壤機(jī)械壓實(shí)起到良好的改善作用。保留地表覆蓋物的前提下免耕播種，以保留土壤自我保護(hù)機(jī)能和營(yíng)造機(jī)能，是機(jī)械化耕作由單純改造自然到利用自然、進(jìn)而與自然協(xié)調(diào)發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的革命性變化。

3.2 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合技術(shù)，推廣保護(hù)性耕作

采用適宜的農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合技術(shù)能有效改良機(jī)械壓實(shí)后蔗田土壤理化特性。主要措施包括選擇甘蔗收割機(jī)配套的種植行距，從而有效減少收割過程碾壓次數(shù)；適當(dāng)施用發(fā)酵廢液、濾泥等有機(jī)副產(chǎn)物增加蔗田土壤有機(jī)質(zhì)含量，改溝植為壟作并結(jié)合中耕培土增加耕層厚度等。羅俊等［31]研究表明，增施有機(jī)肥能顯著降低土壤容重、改善土壤總孔隙度、提高土壤液相容積率、增加土壤有機(jī)質(zhì)以及速效養(yǎng)分含量，從而改善機(jī)械壓實(shí)后蔗田土壤理化特性。另外，甘蔗收獲后采用蔗葉還田措施，利用粉碎蔗葉提高蔗田土壤養(yǎng)分的同時(shí)還能起到保水、保肥、通氣等作用，從而對(duì)蔗田土壤機(jī)械壓實(shí)起到良好的改善作用。

根據(jù)蔗田壓實(shí)層所處的耕層位置，選擇不同程度的機(jī)耕作業(yè)能有效緩解土壤壓實(shí)給土壤理化結(jié)構(gòu)和甘蔗根系生長(zhǎng)帶來的影響，是解決蔗田土壤壓實(shí)最直接有效的方法之一。有研究表明，蔗田深松35～50 cm 同時(shí)旋耕25 cm 可顯著改善耕層土壤緊實(shí)度、容重和整體疏松程度，有效提高土壤30～40 cm 土層毛管孔隙度從而提高土壤保水保肥能力，對(duì)甘蔗中后期有效莖和株高起到促進(jìn)作用［31]。

3.3 科學(xué)輪作

加大政策引導(dǎo)和支持，在條件適合的蔗區(qū)積極推進(jìn)科學(xué)輪作制度，利用糖料蔗和其他作物合理輪作的方式緩解蔗田土壤機(jī)械壓實(shí)。合理輪作能均衡利用土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素，實(shí)現(xiàn)用養(yǎng)結(jié)合，尤其在改善土壤理化特性方面，能很好地緩解蔗田土壤機(jī)械壓實(shí)引起的容重增大、孔隙度減少、土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)改變等現(xiàn)象［32]。另外，有條件的蔗區(qū)可以采用保護(hù)性耕作如蔗葉還田、少耕、免耕

4 建議

土壤健康是保證甘蔗生產(chǎn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵，也是保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。近年來，農(nóng)業(yè)機(jī)械使用頻率的增加、化學(xué)肥料的過量施用以及不合理的耕作方式等因素導(dǎo)致土壤酸化、壓實(shí)等退化現(xiàn)象逐漸突出，農(nóng)田可耕性變差，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)發(fā)展步伐。我國(guó)甘蔗機(jī)械化開始于20 世紀(jì)60年代，受限于我國(guó)蔗區(qū)分布的特殊地理環(huán)境和產(chǎn)業(yè)模式，目前甘蔗機(jī)械化發(fā)展仍處于起步階段，但是由于甘蔗生產(chǎn)具有地上部生物量大，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)環(huán)節(jié)多等特點(diǎn)，甘蔗生產(chǎn)配套農(nóng)機(jī)設(shè)備普遍機(jī)身較大、噸位偏高，對(duì)土壤的壓實(shí)作用非常明顯，土壤理化特性的改變又會(huì)直接影響甘蔗根系生長(zhǎng)，從而造成甘蔗生產(chǎn)產(chǎn)量和品質(zhì)的下降。緩解蔗田土壤壓實(shí)是一個(gè)系統(tǒng)的工作，需要結(jié)合政府、糖企、農(nóng)機(jī)企業(yè)、科研單位等多方面的努力，從產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)到生產(chǎn)環(huán)節(jié)逐個(gè)突破。