田間土壤壓實研究現(xiàn)狀

王憲良，王慶杰，張祥彩，鄭智旗，鄭　侃，胡　紅

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室，北京　100083)

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田間土壤壓實研究現(xiàn)狀

王憲良，王慶杰，張祥彩，鄭智旗，鄭侃，胡紅

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室，北京100083)

摘要：在綜述國內(nèi)外農(nóng)機(jī)土壤壓實研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合土壤壓實形成過程，從土壤含水量、耕作方式、農(nóng)業(yè)機(jī)械3方面，內(nèi)外因相結(jié)合的角度分析了影響田間土壤壓實的因素。針對影響因素提出減緩?fù)寥缐簩嵉目尚行源胧?，總結(jié)了目前土壤壓實研究中存在的問題和認(rèn)識上的不足，并提出可行性建議。為進(jìn)一步開展農(nóng)業(yè)機(jī)械土壤壓實方面研究提供參考。

關(guān)鍵詞：土壤壓實；農(nóng)業(yè)機(jī)械；建議；現(xiàn)狀

0引言

農(nóng)田土壤是由50%的土壤顆粒、土壤有機(jī)質(zhì)及50%孔隙(水分大約占25%，空氣25%)組成，土壤壓實是由于在土壤表面施加壓力導(dǎo)致土壤孔隙度降低使土壤顆粒排列緊密，進(jìn)而導(dǎo)致土壤容重增加的過程[1-2]。近年來，隨著土地流轉(zhuǎn)、農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼政策的實施，我國大中型農(nóng)業(yè)機(jī)械保有量持續(xù)增長，農(nóng)業(yè)機(jī)械長期在田間作業(yè)同時，會持續(xù)對土壤表面施加巨大壓力，造成嚴(yán)重持久的土壤壓實，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。土壤壓實已經(jīng)逐漸成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的世界性問題，國外科研工作者從20世紀(jì)50年代開始對土壤壓實問題開展大量研究[3]，并結(jié)合研究內(nèi)容提出一些緩解土壤壓實措施；但這些研究大多是集中在農(nóng)業(yè)機(jī)械行走裝置對土壤壓實作用上，并沒有對不同種類農(nóng)業(yè)機(jī)械對土壤壓實機(jī)理進(jìn)行細(xì)致研究，缺乏全面性[4]。

本文對土壤壓實進(jìn)行總結(jié)分類，從土壤含水量、土壤耕作方式、農(nóng)業(yè)機(jī)械3方面對土壤壓實影響因素進(jìn)行分析，針對這3方面影響因素提出緩解土壤壓實措施，對目前存在的問題進(jìn)行總結(jié)歸納，并提出可行性建議，為全面研究土壤壓實提供借鑒。

1土壤壓實影響因素

土壤壓實導(dǎo)致土壤顆粒間的孔隙率降低，使土壤中大孔隙減少，影響水的滲透和運動，甚至造成土壤侵蝕和污染。農(nóng)田土壤機(jī)械壓實對土壤物理化學(xué)生物及作物生長發(fā)育均有明顯的負(fù)效應(yīng)[5]。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，農(nóng)業(yè)機(jī)械是引起土壤壓實的主要原因，但土壤含水量和土壤耕作方式也以直接或間接方式影響著土壤壓實。

1.1　土壤含水量對土壤壓實的影響

土壤含水量是影響土壤壓實過程最重要的因素[6]，了解土壤含水量對土壤壓實過程的影響有助于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者在合適土壤含水量條件下進(jìn)行耕作，緩解土壤壓實。在一定載荷作用下，土壤壓實程度隨著含水量增加而增加[7]。Gysi et al. (1999) 研究指出：在潮濕的土壤地表施加160kPa的接觸應(yīng)力，12~17cm深度土壤容重明顯增加，土壤孔隙度明顯減小，32~37cm深度土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)只發(fā)生輕微變化，52~57cm深度土壤監(jiān)測不到土壤壓實現(xiàn)象；然而在干燥土壤條件下，施加相同接觸應(yīng)力對30cm深度土壤物理特性沒有影響[8]。

1.2　耕作方式對土壤壓實影響

人們在用大型機(jī)械進(jìn)行土壤耕作時發(fā)現(xiàn)有益的耕作常被土壤壓實和侵蝕所抵消，土壤耕層不是越耕越好，而是土壤環(huán)境被破壞越來越嚴(yán)重[9-10]，合理耕作管理是調(diào)控土壤壓實的重要措施。土壤質(zhì)地、土壤機(jī)械強(qiáng)度、耕層土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等土壤物理機(jī)械性質(zhì)作為內(nèi)因影響土壤壓實，長期實施同種耕作會嚴(yán)重影響土壤耕層與非耕層土壤物理機(jī)械性質(zhì)，從而影響土壤承重能力。相反，保護(hù)性耕作技術(shù)不僅不會破壞土壤物理機(jī)械性質(zhì)還會通過增加土壤有機(jī)質(zhì)含量的方式增強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)。

不合理的耕作不僅使0~10cm表層土壤產(chǎn)生嚴(yán)重壓實，還會造成10~60cm的深層土壤壓實。Wiermann 等(2000)研究了重壤土上長期實施免少耕耕作對土壤強(qiáng)度的影響，如表1所示。結(jié)果表明：傳統(tǒng)耕作試驗地，耕整地機(jī)具長期對土壤擠壓，破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤承重能力下降，在土壤表面施加2.5t載荷，會使土壤產(chǎn)生很嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性退化；相反，在免少耕試驗地，土壤具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，承重能力較強(qiáng)，2.5t載荷不會對土壤產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)性破壞[11]。Benito 等人(1999)研究了傳統(tǒng)耕作、少耕、免耕對土壤含水量、土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤壓實情況的影響。研究結(jié)果表明：免耕處理試驗地土壤含水量高于少耕和傳統(tǒng)耕作試驗地；傳統(tǒng)耕作表層土壤緊實度小于免少耕試驗地，但作物收獲之后，底層土壤緊實度明顯高于免少耕試驗地；免少耕處理有機(jī)質(zhì)含量高于傳統(tǒng)耕作[12]。

表1　長期少耕對土壤強(qiáng)度影響

a表示壓實次數(shù)，正應(yīng)力(NS)，剪應(yīng)力(SS)，10cm深度土壤正應(yīng)力與剪應(yīng)力比值(NS/SS)，傳統(tǒng)耕作(CT)，保護(hù)性耕作(CS)。

1.3　農(nóng)業(yè)機(jī)械對土壤壓實

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系發(fā)生巨大變化，大中型農(nóng)業(yè)機(jī)械逐漸取代牲畜及小型農(nóng)業(yè)機(jī)械，作物生長期多次進(jìn)地作業(yè)，農(nóng)業(yè)機(jī)械行走裝置和各種農(nóng)機(jī)具造成不同程度壓實(見圖1~圖3)[13,16],農(nóng)業(yè)機(jī)械行走裝置會對土壤產(chǎn)生碾壓，農(nóng)機(jī)具土壤耕作過程中按照工作原理分為擠壓和擊打壓實。

1.3.1行走裝置

在當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，機(jī)具行駛是導(dǎo)致土壤壓實很重要的原因[17]。幾乎所有類型的農(nóng)業(yè)機(jī)械在行走過程中都會明顯增加土壤緊實度，造成土壤壓實[18-19]，如圖1所示。

研究表明：輪式行走裝置造成的土壤壓實主要取決于輪上載荷、輪胎的結(jié)構(gòu)參數(shù)、輪胎氣壓及土壤物理機(jī)械特性。輪胎氣壓對輪胎-土壤接觸面應(yīng)力分布影響較大，實驗證明：輪胎-土壤接觸面應(yīng)力大小僅僅對表層土壤(0~30cm)緊實度產(chǎn)生影響；軸載決定心土層土壤壓實程度，心土層受壓發(fā)生形變的深度隨軸載增加而增加[20]。履帶式行走裝置對土壤壓實主要取決于壓力沿履帶支承表面長度分布的均勻性，隨著履帶支承表面長度和履帶寬度的增加，對土壤壓實作用降低，而且增加履帶支承表面的長度要比增加履帶寬度更有效[13]。

土壤壓實隨著作業(yè)次數(shù)的增加而增加，農(nóng)業(yè)機(jī)械行走裝置對土壤壓實一次會產(chǎn)生持久性破壞，多次進(jìn)地會造成嚴(yán)重土壤壓實。小型拖拉機(jī)雖然質(zhì)量較小，但在同一位置多次作業(yè)造成的壓實并不小于大中型拖拉機(jī)造成的壓實；相比于免耕作業(yè)，拖拉機(jī)進(jìn)地次數(shù)達(dá)到10次，會顯著改變土壤結(jié)構(gòu)，影響作物產(chǎn)量[21]。

1.3.2農(nóng)機(jī)具

農(nóng)業(yè)機(jī)械田間工作時，不僅行走裝置對土壤產(chǎn)生碾壓作用，各種農(nóng)機(jī)具同樣會對土壤進(jìn)行擠壓，如鏵式犁、深松鏟等會對土壤產(chǎn)生靜態(tài)擠壓過程(見圖2)，旋耕機(jī)等機(jī)具通過動態(tài)沖擊原理對土壤造成壓實，如圖3所示。

圖1　行走裝置對土壤碾壓　　　　圖2　鏵式犁對土壤擠壓

圖3　旋耕機(jī)及其工作原理圖

郭志軍(2002)等人通過二維有限元分析方法分析了拋物線型切削面刀具切削性能，模擬結(jié)果顯示：土壤切削工具尖端底部-特別是其底部前方的土壤單元位移方向向下，說明在切削土壤的同時會對底部土壤出現(xiàn)壓實現(xiàn)象[10]。焦彩強(qiáng)等人(2009)通過設(shè)置旋耕和深翻處理、休閑和種植小麥處理的定位觀察試驗，研究了長期旋耕處理對土壤緊實度的作用與影響。研究表明：播種前實施旋耕處理的試驗地15~40cm土壤緊實度明顯高于其他處理，證實了生產(chǎn)上現(xiàn)行的旋耕方法具有明顯地導(dǎo)致土壤緊實化問題[22]。

2土壤壓實度評價方法

土壤壓實現(xiàn)象不僅以硬皮的形式存在于表層土壤，還會以堅硬土層的形式存在于下層土壤。因此，及時發(fā)現(xiàn)并判斷土壤壓實形成原因，并找到土壤壓實緩解措施，對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，保護(hù)土壤，提高作物產(chǎn)量具有重要意義。Hatley (2005)等人總結(jié)了一些評估土壤壓實的方法[23]：

1)通過土壤物理特性指標(biāo)評價土壤壓實。常用的指標(biāo)為土壤容重、土壤孔隙度及土壤緊實度等。Raper(2005)認(rèn)為，土壤壓實普遍使用的指標(biāo)是土壤容重和圓錐指數(shù)[19]。針對不同類型土壤之間難以進(jìn)行這些參數(shù)比較的問題，Hakansson和Lipiec(2000)提出了土壤相對緊實度(測試土壤容重和參考容重的比率)的概念，土壤相對緊實度不依賴于土壤的組成和質(zhì)地，且在不同土壤之間具有可比性，可以用來評價土壤緊實度[24-25]。

2)基于壓實導(dǎo)致的次級變化間接進(jìn)行評價。包括根系分布、土壤水分?jǐn)U散率及土壤水分含量。李志紅和王淑華[26](2000)通過土壤孔隙度、土壤容重、毛管孔隙度、堅實度及水分?jǐn)U散率等土壤物理性狀和根長、根重、株高、干物質(zhì)量研究了土壤緊實度對小麥生長的影響。張興義和郭躍宇[27](2001)通過土壤堅實度和作物產(chǎn)量來研究機(jī)械壓實對玉米和大豆的影響。由于作物根系生長過程中穿透緊實土壤能力較弱，作物根系發(fā)育受阻，導(dǎo)致作物產(chǎn)量減少，一定程度反映土壤壓實程度。

3)田間直接評價緊實度。田間直接評價方法主要基于土壤結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行，這種方法比較靈活、簡單易懂，如當(dāng)田間出現(xiàn)不規(guī)則的濕點時，表明犁底層的存在阻礙了水分入滲。

3緩解土壤壓實措施

3.1　選擇合適時機(jī)進(jìn)地作業(yè)

當(dāng)7~15cm土層的土壤含水量接近田間持水量時，機(jī)械對土壤造成的壓實最為嚴(yán)重。因此，建議避開土壤含水量較高時進(jìn)地作業(yè)，盡量選擇土壤最干旱時進(jìn)行耕作。如必須作業(yè)，建議配合其他緩解土壤壓實措施對土壤進(jìn)行保護(hù)。

3.2　土壤耕作

1)保護(hù)性耕作。穩(wěn)定的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是保持土壤結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)耕作過度擾動土壤，破壞土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)；劣化土壤結(jié)構(gòu)。保護(hù)性耕作降低土壤對壓實的敏感性，減少作業(yè)數(shù)量，秸稈覆蓋地表，阻止地表硬殼形成。

2)增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。增加土壤有機(jī)質(zhì)含量能夠有效促進(jìn)土壤團(tuán)聚化，形成良好結(jié)構(gòu)，提高土壤抗壓實性能。常見的方法是通過將秸稈與表土混合可以提高有機(jī)質(zhì)含量，但這種通過增加有機(jī)質(zhì)提高土壤抗壓實性的方法主要用于表層土壤。

3)作物輪作。根系粗大的作物在生長過程中會對土壤硬層具有穿透作用，并且收獲后殘留在土壤中的作物根茬腐爛后可以大幅度提高土壤孔隙度。利用根系粗大的直根植物與普通作物之間進(jìn)行輪作可明顯減小表層和心土層土壤壓實。

3.3　農(nóng)業(yè)機(jī)械角度

1)疏松土壤機(jī)具。根據(jù)土壤立體壓實現(xiàn)狀，研制全方位緩解土壤壓實機(jī)具。一種可調(diào)節(jié)松土機(jī)具[28]可以疏松0~40cm土壤，緩解土壤壓實，如圖4所示。

圖4　立體松土機(jī)

深松犁Labrador[29](見圖5)主要作用就是緩解由拖拉機(jī)輪胎造成的土壤碾壓，主要由機(jī)架和兩個松土齒構(gòu)成，通過三點懸掛與拖拉機(jī)連接；機(jī)具質(zhì)量為285kg最大配套動力132.3kW，松土齒可以在橫向位置調(diào)節(jié)，適應(yīng)各種輪距的拖拉機(jī)。深松犁Labrador最大耕作深度為65cm，可以有效對拖拉機(jī)輪跡壓實的土壤進(jìn)行深松。利用深松齒對輪胎碾壓區(qū)域進(jìn)行土壤疏松的機(jī)具還有很多，但機(jī)具構(gòu)造及工作原理幾乎相同，如庫恩SO270、SO370等。

深松機(jī)DC401[30](見圖6)是一款疏松由農(nóng)業(yè)機(jī)械對田間土壤造成的綜合壓實的機(jī)具，主要由松土鏟和鎮(zhèn)壓輥組成，采用三點懸掛的形式與拖拉機(jī)連接；作業(yè)寬度為4m，總質(zhì)量925kg，最大工作深度35cm，松土鏟450mm寬，對稱的松土鏟均勻地破碎土壤，在整個作業(yè)寬度上抬松土壤，由于其特殊的位置、角度和形狀，使之能有效地打碎和抬起土壤而又不會破壞土壤的結(jié)構(gòu)。

2)固定道系統(tǒng)。將拖拉機(jī)行駛帶與作物生長帶隔離開來，在田間建立永久的拖拉機(jī)行走道。這樣能夠消除農(nóng)業(yè)機(jī)械工作過程中行走裝置對固定道中間土壤的壓實作用[31]。

圖5　深松犁Labrador　　　圖6　深松機(jī)DC401

3)行走裝置技術(shù)改進(jìn)。農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計上盡量減少軸載和接地壓力，完善現(xiàn)有機(jī)具的行走系統(tǒng)[32]，如：改兩輪驅(qū)動為四輪驅(qū)動；改一機(jī)四輪為一機(jī)六輪或八輪，增加輪胎數(shù)量增加接地面積，大大降低土壤壓實；行走裝置改輪式為履帶式，履帶式行走裝置接地面積比輪式大得多，對地面壓力更小，但是履帶式行走裝置存在行走速度低，轉(zhuǎn)向功率大等缺點；改高壓輪胎為低壓輪胎，低壓輪胎可以增大輪胎-土壤接觸面積，減小輪胎-土壤接觸面應(yīng)力，減小對表層土壤壓實。

4)表土作業(yè)、深松作業(yè)相結(jié)合。表土作業(yè)能夠緩解表層土壤緊實度，降低土壤對壓實的敏感性，增加地表作物殘茬量，防止地表硬殼形成，保持土壤良好的通氣性。深松技術(shù)可以打破由于鏵式犁、旋耕機(jī)等耕整地機(jī)械長期處于同一耕深形成的犁底層，深松打破犁底層之后，土壤滲水速率提高5~10倍，土壤孔隙度有較大提高[33]。美國大平原提出了垂直耕作模式玉米增產(chǎn)耕整地及播種方案[34]來緩解土壤壓實，其整個生產(chǎn)系統(tǒng)中核心步驟是：秋季垂直耕作，春季垂直耕作，精準(zhǔn)播種，寬窄行距。進(jìn)行秋季垂直耕作時，將土壤剖面壓實問題分為由鏵式犁引起的犁底層，由圓盤耙等引起的重耙耕作板結(jié)層及由耕耘機(jī)等引起的輕耙耕作板結(jié)層，如圖7所示。

圖7　垂直耕作

秋季垂直耕作能夠打破不同深度板結(jié)層，從而創(chuàng)造上下一致的土壤結(jié)構(gòu)，表層土壤和底層土壤更容易實現(xiàn)水分和熱量交換；春季垂直耕作可以創(chuàng)造完美種床，保證作物出苗率。

4問題及建議

土壤壓實是農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)不可回避的問題，只有研究清楚土壤壓實的危害、成因及其壓實機(jī)理，才能夠為避免或減輕土壤機(jī)械壓實提供理論基礎(chǔ)。雖然我國許多農(nóng)民和科研工作者已經(jīng)意識到土壤壓實問題，但是一直未能開展全面系統(tǒng)研究，因此借鑒國外該方面先進(jìn)研究方法，積極開展土壤壓實過程方面研究，結(jié)合我國不同地區(qū)以及農(nóng)業(yè)機(jī)械區(qū)域性發(fā)展不均衡的現(xiàn)狀，從農(nóng)機(jī)到農(nóng)藝系統(tǒng)提出整套緩解土壤壓實方法。

運用適當(dāng)方法對土壤緊實現(xiàn)象進(jìn)行正確分析和評價，對認(rèn)識土壤壓實、分析土壤壓實，為進(jìn)一步提出減少土壤壓實措施提供依據(jù)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計和制造時采用減輕或避免機(jī)械壓實的技術(shù)策略。在應(yīng)用機(jī)械方式緩解土壤壓實同時會造成更深土層的土壤緊實問題，如鏵式犁翻耕形成犁底層、深松鏟底部形成堅硬底層、旋耕機(jī)加深底部土壤緊實度等。因此，對深層土壤壓實問題研究不夠，尋找實用、有效破除深層土壤壓實問題將是進(jìn)一步研究土壤壓實重要領(lǐng)域。

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The Soil Compaction Forms and Research Status

Wang Xianliang, Wang Qingjie，Zhang Xiangcai, Zheng Zhiqi, Zheng Kan, Hu Hong

(State Key Laboratory of Soil-Plant-Machine System Technology, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Abstract：This paper reviews the work related to soil compaction .We combined internal and external cause of soil compaction and discussed the factors effecting soil compaction, including soil water content, tillage system, agriculture machinery, and the possible solutions suggested in the literature. We also listed the problems exist in the worldwide and put forward some feasibility suggestions to avoid, delay or prevent soil compaction. We can provide some reference for further research about soil compaction.

Key words：soil compaction； agriculture machinery； solutions； research status

中圖分類號：S28；S233

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0264-05

作者簡介：王憲良(1990-)，男，山東濰坊人，博士研究生，(E-mail)757050460@qq.com。通訊作者：王慶杰(1979-)，男，山東煙臺人，副教授，(E-mail)wangqingjie@cau.edu.cn。

基金項目：教育部創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃項目(IRT13039)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503136)

收稿日期：2015-08-23