全 文 ：黄土高原土壤紧实度对蚕豆生长的影响*
南志标* * 赵红洋 聂 斌 (兰州大学草地农业科技学院, 甘肃草原生态研究所,兰州 730020)
摘要 通过盆栽试验、连续 2 年的田间小区试验和农户生产试验,研究了土壤紧实状况对蚕豆( V icia f a
ba)生长的影响, 讨论了当地土壤容重较高的原因, 并提出了改进措施. 结果表明, 随着 0~ 7cm 土层土壤容
重的增加,蚕豆植株每株的茎与根干重降低, 根腐病( Fusarium spp. )引起的死亡率增加, 种子产量减少. 田
间试验条件下, 与生长于容重为 1. 55 和 1. 64g!cm- 3小区内的植株相比 ,生长于容重 1. 84g!cm- 3小区内的植
株每株茎与根干重可分别减少 27. 9%和 30. 8% , 植株累计死亡率增加 21. 0% ~ 48. 7% ,种子产量每公顷减
少 19. 8% . 在 8 户蚕豆田中进行的多点生产试验表明,春季土壤容重与蚕豆幼苗的根与茎干重、秋季土壤容
重与种子产量均呈显著负相关.
关键词 蚕 豆 土壤容重 土壤紧实度 种子生产 根腐病
文章编号 1001- 9332( 2002) 08- 0935- 04 中图分类号 S551. 406 文献标识码 A
Effect of soil compaction on Vicia faba of growth in the Loess Plateau. NAN Zhibiao, ZHAO Hongyang , N IE Bin
( College of Pastoral Agriculture Science and Technology , Lanz hou University ; Gansu Grassland Ecological Re
sear ch Institute, Lanzhou 730020) . Chin . J . A pp l . Ecol . , 2002, 13( 8) : 935~ 938.
The effect of soil compaction on the gr owth of V icia f aba was studied by pot experiment, field plot exper iment, and
farmers∀ field production during two consecut ive years. The results show ed that increasing soil bulk density at 0~ 7
cm dept h significantly decreased the root and shoot dry weight per plant, increased plant mor tality caused by
Fusar ium species, and decreased seed yields. Field exper iments indicated that compared to t he plants grown on the
plots with soil bulk density o f 1. 55 and 1. 64 g!cm- 3 , the root and shoot dr y weight of plants grow n on the plots
with so il bulk density of 1. 84g!cm- 3 decreased by 30. 8% and 27. 9% , r espectively , while the plant mortality rate
increased by 21. 0~ 48. 7% , and seed yields decreased by 19. 8% . The tr ials conducted on eight farmers∀ land illus
trated that ther e ex isted significant negative corr elations betw een soil bulk density in Spr ing and root and shoot dry
weight of Vicia f aba seedlings, and between so il bulk density in Autumn and seed yields. The causes of high soil
compaction were discussed, and suggestions for improving soil quality were presented.
Key words V icia f aba, Soil bulk density, Soil compaction, Seed production, Root rot.
* 国家重点基础研究发展规划项目( G2000018602) 和甘肃省重点科
技攻关资助项目(GK911268) .
* * 通讯联系人.
2002- 04- 07收稿, 2002- 05- 09接受.
1 引 言
我国蚕豆( Vicia f aba)种植面积 1. 7 # 105hm2,
年产量 2. 6 # 105t ,分别为世界种植总面积和总产量
的 53. 1%和 60. 3% [ 12] , 作为旱作农业生产系统中
的主要轮作作物,在我国北方农牧交错带发挥着重
要的作用. 由镰刀菌( Fusar ium spp. )等引致的根腐
病,是蚕豆生产的主要限制因素之一[ 9] , 环境胁迫
是其发病的重要诱因[ 10, 13] .土壤紧实是蚕豆生长的
胁迫因素之一. 生长于土壤紧实度较高条件下的蚕
豆往往植株矮小, 根腐病发生严重, 植株死亡率较
高.对其他作物的研究表明,土壤紧实度直接影响植
物生长[ 15, 24]及对 N、P 等营养元素与水分的吸收利
用[ 1, 5, 17, 18] . 土壤紧实可减少土壤中蚯蚓的数
量[ 16] , 降低土壤微生物活动[ 8]和根瘤菌固氮活
性[ 19] ,加重根腐病的危害[ 11, 19, 20] . Daw kins 等[ 4]曾
指出土壤紧实可显著降低蚕豆种子产量. 我们连续
2年开展了田间小区试验和农户生产试验, 并结合
盆栽试验,研究了土壤紧实度与蚕豆生长的关系,试
图探明土壤紧实状况对蚕豆生长及根腐病发生的影
响,为蚕豆丰产栽培、根病防治提供基础资料.
2 材料与方法
2 1 试验材料
供试种子均在试验区中收获, 品种为临夏大白蚕, 播前
人工去杂、汰劣,发芽率为 89% ~ 90% .
2 2 试验地概况
田间试验与生产试验均在甘肃省康乐县景古乡八字沟
村进行, 海拔 2200m, 年均温度 5. 5∃ , 年均降水量548. 4
mm,无霜期 105 ~ 125d. 土壤为山地黑垆土 , 土壤有机质
2. 27% ,全 N 0. 16% , 全 P 0. 07% , 全 K 2. 23% , 速效 P 8mg
!kg- 1,速效 N 89mg!kg- 1 ,速效 K 223mg!kg - 1. 在兰州大学
的教育部西部资源环境重点实验室, 用英国 Malvern 全自动
激光粒度仪测定土壤颗粒组成, 并用美国农业部分类系统进
应 用 生 态 学 报 2002 年 8 月 第 13 卷 第 8 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Aug . 2002, 13( 8)%935~ 938
行分类[ 3] ,当地土壤粒径< 2m 的粘粒为 22. 0% , 粒径为 2
~ 5m 的粉粒为 66. 8% , 粒径为 50~ 100m 的极细砂粒为
7. 7% ,粒径大于 100m 的各级颗粒仅占 3. 5% .
23 盆栽试验
1993 年在田间试验地多样点挖取 0~ 20cm 土层, 混合
后带回兰州,破碎, 捡除杂质石块等,将其分为大致相等的两
部分, 一部分高压灭菌( 120∃ , 30min) , 称为灭菌土; 另一部
分则不再进行任何处理, 直接用于盆栽试验, 称为田间土. 2
种土壤分别装入 12cm # 11cm(直径# 高 )的塑料盆内, 每盆
装鲜土 1. 1kg.根据预备试验结果, 对盆装土壤给予不同程
度的压实, 使其容重分别达到 1. 10、1. 35、1. 50 和 1. 60g!
cm- 3, 每种容重/土壤为 1 个处理,共 8 个处理, 每处理为 16
盆,共 128 盆.播前种子用 2%的次氯酸钠表面消毒,每盆播
种 5粒种子, 覆土 300g (播深约 3cm) , 覆沙 100g , 以减少水
分蒸发,隔天浇水 1 次, 每次浇水约 160ml, 移于室外自然条
件下露天生长.
24 田间试验
试验小区的前作均为小麦, 第 1 年试验小区大小 2m #
4m,第 2 年的小区大小为 2. 5m # 4m, 均为 5 个重复, 随机区
组排列,小区间隔 0. 5m,区组间隔 1. 0m.每年试验均包括土
壤容重不同的 3 个处理, 其中 1 个为常规耕作; 1 个为播前
人工用铁锹深翻 20cm, 以创造疏松土层; 另 1 个为人力牵引
重量 50kg 的石滚碾压地面 .处理后, 测定土壤容重, 而后立
即播种.播种量 375kg!hm- 2, 开沟条播,播深 6~ 7cm.
25 农户生产试验
连续 2 年各选择分布在八字沟村阴坡的农户蚕豆田, 每
块豆田的面积为 0. 07~ 0. 2 hm2, 前作均为小麦, 播量375 kg
!hm- 2 ,田间管理均按当地常规进行. 在每块田中各固定面
积 3~ 6m2的观测样地 2 处, 其中 1 处为正常耕作土壤, 另 1
处为紧实土壤.
26 观测项目
261 土壤容重 采用环刀法[ 14] (容积为 100cm2的环刀) ,
测定 0~ 7cm 土层容重. 田间试验与农户生产试验, 每小区
均取 3点样 ,分别测定, 用平均数代表小区容重.盆栽与田间
试验在播种前测定 1 次, 农户生产试验分别在播种后 6 周
(苗期)和 20 周(种子成熟期)各测定 1 次.
262 出苗率、幼苗茎重 统计出苗数, 直至播后无新的幼
苗增加为止,计算出苗率. 盆栽试验播后 5 和 9 周, 各收获 8
盆.田间试验播后 6、10、15 周, 分别在各小区随机挖取 10
株,用自来水冲洗干净, 将茎与根分开, 烘箱内 90 ∃ 干燥
24h, 测定每株茎与根的干重.
263 植株死亡率和种子产量 田间试验逐旬、农户生产试
验逐月统计植株死亡数, 计算累计死亡率. 每小区人工单独
收获,测定种子产量.
27 资料统计
盆栽和田间试验小区所获植株重量、死亡率、种子产量
等资料均应用WinStatistica程序进行方差分析, LSD检验.
农户生产试验进行相关分析,相关性显著者进一步建立回归
方程.
3 结果与分析
31 盆栽条件下蚕豆出苗率和生物量
盒栽试验各处理的蚕豆出苗率无显著差异( P
> 0. 05) .生长于田间土壤各容重条件下播后 5周的
植株生物量无明显不同,但至第 9周时, 1. 50、1. 60g
!cm- 3的土壤容重均导致植株的根干重下降, 1. 60g
!cm- 3土壤容重使植株的茎干重显著降低. 若以生
长于 1. 10g!cm- 3土壤容重下的植株茎与根干重为
100%, 则降低幅度分别为 21. 0%、38. 0%和 11. 4%
(表 1) .在盆栽灭菌土壤条件下, 1. 60g!m- 3容重处
理导致 5周龄植株的茎与根干重分别降低 30. 6%
和 33. 2% ( P< 0. 05) .植株生长至第 9周时, &1. 35
g!cm- 3的土壤容重均导致植株生物量显著降低,茎
与根重的降低幅度分别可达 11. 4%和42. 0% (表
1) .
表 1 盆栽蚕豆出苗率及播后 5和 9周的茎、根干重
Table 1 Percent emergence, shoot and root dry weight of faba bean
seedl ings grown in pots 5 and 9 weeks after sowing( g)
土壤容重
Soil bulk
density
( g!cm- 3)
出苗率
Emerg
ence ( % )
茎 Shoot
5周
5 w eeks
9周
9 w eeks
根 Root
5周
5 weeks
9周
9 w eeks
田间土壤 Field soil
1. 10 96. 2a 2. 57a 7. 22a 2. 12a 5. 19a
1. 35 96. 2a 2. 60a 7. 25a 2. 18a 5. 07a
1. 50 97. 6a 2. 71a 7. 41a 2. 18a 4. 10b
1. 60 92. 6a 2. 44a 6. 40b 2. 06a 3. 22b
灭菌土壤 Sterilized
f ield soil
1. 10 97. 6a 2. 71a 7. 72a 2. 62a 7. 46a
1. 35 93. 8a 2. 97a 6. 84b 2. 74a 6. 67b
1. 50 96. 8a 2. 55a 6. 99b 2. 55a 4. 88b
1. 60 92. 6a 1. 88b 6. 91b 1. 75b 4. 33b
每种土壤的每列平均数标以相同字母者差异不显著 For each soil
t ype m eans w ithin each column follow ed by the same let ter w ere not dif
fered at P< 0. 05.下同 T he same below.
32 田间条件下蚕豆生物量和种子产量
第 1年田间试验各处理土壤容重分别为 1. 35、
1. 42和 1. 52g!cm- 3.观测结果表明,随土壤容重的
增加,蚕豆植株生物量呈下降趋势.播后 14周, 上述
3个处理每株蚕豆地上部分重量依次为 2. 81、2. 71
和 2. 38g. 生长于土壤容重为 1. 35g!cm - 3小区内蚕
豆种子产量为 3529kg!hm- 2,而土壤容重为 1. 52g!
cm- 3小区内的种子产量为 3121kg!hm- 2,产量降低
11. 6% .经方差分析结果表明,不同处理间的各项指
标差异均不显著( P> 0. 05) ,故所获资料未予列出.
第 2年田间不同处理小区的土壤容重分别为
1. 55、1. 66 和 1. 84g!cm- 3. 容重为 1. 84g!cm - 3的
土壤明显降低蚕豆植株的生长及其抗逆特性.该小
区内的植株在播种 15周后,其茎与根干重均显著低
936 应 用 生 态 学 报 13卷
于其他两个处理( P< 0. 05) , 与生长于土壤容重为
1. 66g!cm- 3小区内的植株相比,茎与根干重分别降
低27. 9%和 30. 8% (表 2) . 另一方面,土壤容重为
1. 84g!cm- 3小区内植株累计死亡率自播后 10 周
起,始终显著高于 1. 55g!cm- 3容重小区, 种子产量
显著下降,降幅达 19. 8%(表 3) .
表 2 田间蚕豆播后 6、10和 15周的茎、根干重
Table 2 Shoot and root dry weight of faba bean grown in the field plots
measured at 6, 10 and 15 weeks after sowing ( g)
植株周龄
Weeks af ter sow ing
植株部位
Plant part s
土壤容重 Soil bulk density ( g!cm- 3)
1. 55 1. 66 1. 84
6 茎 Shoot 0. 6a 0. 6a 0. 5a
根 Root 0. 2a 0. 2a 0. 2a
10 茎 Shoot 8. 5a 7. 8a 8. 6a
根 Root 1. 4a 1. 2a 1. 4a
15 茎 Shoot 25. 1ab 28. 7a 20. 7b
根 Root 2. 4a 2. 6a 1. 8b
表 3 田间蚕豆播后 10、15和 20周的植株累计死亡率和种子产量
Table 3 Accumulated percent mortality of faba bean grown in the field
plots measured at 10, 15 and 20 weeks after sowing and their seed yield
土壤容重
S oil bulk dens
it y( g!cm- 3)
植株死亡率 Mortalit y( % )
10周
10 weeks
15周
15 w eeks
20周
20 w eeks
种子产量
Seed yield
( kg!hm- 2)
1. 55 0. 4a 11. 5a 41. 9a 3780b
1. 66 1. 44b 12. 8ab 47. 5ab 3750b
1. 84 1. 32b 17. 1b 50. 7b 3030a
33 大田土壤容重与生物量的关系
播后 6 周测定土壤容重, 8户农田相对紧实地
段的土壤容重为 1. 61~ 1. 98g!cm- 3,相对疏松地段
的容重为 1. 37~ 1. 60g!cm- 3.而至播后 20周时, 所
有地块无论早期疏松与否,容重均在 1. 80g!cm - 3以
上(图 1) .
对连续 2年蚕豆苗期土壤容重与植株生长状况
的分析表明,土壤容重与蚕豆幼苗的根、茎干重均呈
显著负相关,决定系数分别为 0. 4495和 0. 2713(图
2a) .种子成熟期土壤容重和蚕豆种子产量呈显著负
相关,决定系数 0. 2539(图 2b) . 但春季或秋季的土
壤容重与蚕豆累计死亡率之间相关不显著,相关系
图 1 8户蚕豆田土壤容重
Fig. 1 Soil bulk density of 8 farmers∀ f aba bean fields.
图 2 蚕豆播后 6、20周的土壤容重与蚕豆每株幼苗的茎、根干重
( a)和种子产量( b)的相关性( 8户,两年的结果, n= 32) .
Fig. 2 Correlations betw een soil bulk density, shoot , root dry w eight
( a) and seed yields ( b) measured at 6 w eeks af ter sowing ( tw o year re
sult s, n= 32) .
数分别为 0. 26和 0. 11( P> 0. 05) .
4 讨 论
盆栽试验和田间试验的土壤容重为 1. 10~
1. 84g!cm- 3,而连续 2年对 8户农田土壤容重测定
发现,大多数农田的土壤容重为 1. 4~ 1. 80g!cm- 3.
结果表明, 在试区条件下, 当土壤容重超过 1. 50g!
cm- 3时,便会给蚕豆生长带来不利影响, 超过 1. 6g!
cm- 3, 蚕豆生长便会受到严重影响, 产量显著下降.
英国对蚕豆的研究曾获得类似结果[ 4] . 国内外对小
麦、大麦( H or deum vulgare )、白豆( Phaseolus v ul
gar is)、黄豆( Gly cine max )等作物的研究均曾得出
相似的结论[ 7, 18, 19~ 21] . 土壤紧实导致植物生长受阻
的原因主要是紧实土壤使根系生长环境的机械阻力
增大,土壤孔隙度降低,氧的供应和持水量减少[ 6] ,
从而导致植物光合速率下降[ 21] , 根瘤数目和固 N
量减少[ 19] ,植物吸收利用 N 素的能力降低[ 17] . 但亦
有研究证明,即使有足够的水分与养分,紧实度高的
土壤中的植物生长仍低于紧实度低的土壤中的植
物,并认为这主要是因为高土壤紧实度诱发了根中
9378 期 南志标等:黄土高原土壤紧实度对蚕豆生长的影响
某些抑制植物地上部分生长的激素信息[ 22] .
美国、加拿大的学者曾分别证明土壤容重的增
加可使镰刀菌、丝核菌( Rhiz octonia solani )引起的
白豆根腐病加重[ 11, 20, 21] , 其中多数研究系在人工控
制条件下进行的.本研究在田间条件下证明, 土壤紧
实度可导致由镰刀菌等病原真菌引致的蚕豆根腐病
加重,植株死亡率显著增加.但连续 2年的农户生产
试验,均未发现土壤容重与植株死亡率显著相关. 蚕
豆根腐病的发生与发展取决于土壤条件、营养状况、
病原真菌、植株抗性等多因素及其相互作用[ 10, 13] .
我们对试验区 340块蚕豆田根病发生情况的研究发
现,蚕豆死亡率为 1% ~ 90% [ 9] . 因此,各农户田蚕
豆土壤中存在的引起根腐病的病原真菌数量差异可
能是产生上述结果的主要原因.
土壤紧实、容重偏高是影响旱作农业可持续发
展的主要因素之一, 土壤中粘粒与粉粒含量高,易于
造成土壤紧实. 人类不当的生产活动对土壤紧实具
有重要影响,包括田间作业中大型农业机具的应用
以及大量使用化肥,禾谷类作物连作及有机肥用量
的减少等因素[ 1, 17] . 在发达国家, 土壤紧实可能主
要是大型农业机具的碾压所致, 而在我国黄土高原
区可能主要是不合理的生产系统造成的. 试区农田
的土壤容重偏高与当地单一小麦作物为主的种植制
度有关.因此,改善种植制度, 实行草田轮作, 以及不
同形式的秸秆还田等措施, 不仅是当前降低土壤容
重的重要措施[ 2] ,也是实现农业可持续发展的重要
途径[ 23] .我们以往的初步研究表明, 秸秆还田可改
善土壤状况,直接减轻蚕豆根腐病的发生[ 13] , 增加
土壤有机质含量.系统研究耕作制度对蚕豆生长及
土壤质量的影响将是下一步的重点工作之一.
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作者简介 南志标, 男, 1951 年生, 博士, 研究员, 主要从事
草地病理生态学研究, 发表论文 60 余篇. Email: nanzb @
public. lz. gs. cn
938 应 用 生 态 学 报 13卷