壓實(shí)對(duì)土壤水力特性影響的研究進(jìn)展

王金滿，荊肇睿，宋楊睿

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.國土資源部 土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035)

土地資源是人類賴以生存與發(fā)展的基礎(chǔ)資源和物質(zhì)保障，土地的利用狀況直接反映人類與自然界交互影響最直接和最密切的關(guān)系[1]。伴隨人口的急劇增長，機(jī)械化程度加深，中國的土地資源在開發(fā)廣度、深度、頻度、強(qiáng)度等方面有較大突破[2-3]，耕地、采礦區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)受到不同程度的破壞，壓實(shí)成為普遍的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到作物的生長、礦區(qū)土地的生產(chǎn)力以及生態(tài)環(huán)境[4-6]。

壓實(shí)對(duì)土壤重要物理特性具有重要影響，過度壓實(shí)影響土壤的通氣透水性、養(yǎng)分的存在形態(tài)、轉(zhuǎn)化及運(yùn)輸，從而影響植物根系的生長。相比其他土壤物理特性，壓實(shí)對(duì)土壤水力特性的影響更大。土壤水力特性決定著土壤的保水和失水能力，主要包括：土壤含水量、田間含水量、萎蔫點(diǎn)含水量、土壤水分特征曲線、土壤水分?jǐn)U散率、土壤飽和導(dǎo)水率等參數(shù)。土壤水分特征曲線是土壤水分基質(zhì)勢或土壤水吸力與土壤含水量之間的關(guān)系曲線，反映土壤的水分能態(tài)和持水性的特征。了解土壤水分特征曲線，對(duì)于研究土壤水分的貯存、保持、運(yùn)動(dòng)、供應(yīng)等具有重要意義。土壤飽和導(dǎo)水率是土壤被水飽和時(shí)，單位水勢梯度下、單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的水量，是土壤重要的物理性質(zhì)之一[7]。國內(nèi)外學(xué)者從不同程度，不同角度就壓實(shí)作用下土壤水力特性產(chǎn)生的變化進(jìn)行研究。

有學(xué)者認(rèn)為，壓實(shí)作用下產(chǎn)生的土壤容重變化對(duì)土壤中化學(xué)物質(zhì)、水分的運(yùn)移產(chǎn)生影響。Xu等[8]表明在一定的土壤容重變化范圍內(nèi)，土壤中的Cl-擴(kuò)散系數(shù)將隨著容重的增加而下降。溫以華[9]則表明在不同容重條件下的同一質(zhì)地，Cl-的水動(dòng)力彌散系數(shù)值隨容重的減小而降低，其延遲因子值增大。李映強(qiáng)[10]表明赤紅壤的容重從1.20 g/cm3增加到1.40 g/cm3時(shí)，土壤非飽和水分?jǐn)U散率會(huì)相應(yīng)提高；對(duì)于森林土壤，Startsev等[11]認(rèn)為，土壤的壓實(shí)效應(yīng)使Van Genuchten模型預(yù)測的土壤水分特征曲線中的飽和含水量和參數(shù)α在高含水量段變小。Kennedy和Price[12]對(duì)沼澤地的容積變化特征進(jìn)行定性描述，指出容積的變化使土體在垂直方向上產(chǎn)生收縮和壓實(shí)，進(jìn)而導(dǎo)致水文學(xué)特性(導(dǎo)水率)變化。李小剛[13]的研究表明土壤容重的變化對(duì)土壤含水量接近飽和段的水分特征曲線形狀產(chǎn)生較大影響。時(shí)新玲[14]等試驗(yàn)得出土壤容重對(duì)非水相流體在土壤中的入滲產(chǎn)生明顯的影響。綜上，學(xué)者們或定性描述土壤壓實(shí)產(chǎn)生的容重變化對(duì)土壤水力學(xué)參數(shù)的影響，或?qū)⑷葜刈鳛橛绊懸蛩刂豢紤]進(jìn)去，但并未就壓實(shí)作用對(duì)土壤水力特向指標(biāo)的作用關(guān)系，影響次序的先后，動(dòng)態(tài)變化等機(jī)理研究解釋清晰；在研究內(nèi)容上雖涉及的范圍較廣，但缺乏更深層次的研究；研究方法有待進(jìn)一步創(chuàng)新。

鑒于此，本文通過文獻(xiàn)綜述和系統(tǒng)總結(jié)，深入剖析了當(dāng)前壓實(shí)作用對(duì)土壤水力特性影響的研究進(jìn)展以及存在的問題。以期能夠引起更多學(xué)者對(duì)壓實(shí)作用下土壤水力特性的變化趨勢及其異質(zhì)性變化的持續(xù)關(guān)注和思考，籍以推動(dòng)土壤重構(gòu)研究的深入發(fā)展，為今后土壤重構(gòu)及其土地集約性利用等提供科學(xué)依據(jù)。

1 壓實(shí)對(duì)土壤水力特性影響的研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)法

研究壓實(shí)作用下土壤水力特性的變化特征，需對(duì)相關(guān)水力特性參數(shù)進(jìn)行測定，其中主要包括土壤水分特征曲線、土壤水分?jǐn)U散率、土壤導(dǎo)水率等。當(dāng)前主要有直接實(shí)驗(yàn)法和間接推算法兩種測算方法(表1)。直接實(shí)驗(yàn)測定過程中，土壤的結(jié)構(gòu)會(huì)遭到不同程度的破壞，引起土壤孔隙度等物理特性的變化，影響土壤水力特性參數(shù)的精確度；相比直接實(shí)驗(yàn)法，間接推算法過程較為簡單，但由于算法的適應(yīng)性、條件性不同，使得結(jié)果存在一定偏差。

1.2 分形幾何理論

“分形幾何”理論最早在20世紀(jì)70年代由數(shù)學(xué)家Mandelbrot[15]提出，研究對(duì)象為非線性系統(tǒng)中極不規(guī)則但具有自相似性的幾何形體，表明非線性系統(tǒng)中有序與無序、確定與隨機(jī)的統(tǒng)一。分形幾何理論在自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，成為國際上眾多學(xué)科的前沿研究課題之一。

表1 土壤水力特性參數(shù)測定方法匯總Tab.1 Measurement method of soil hydraulic characteristics

Tyler和Wheatcraft[16]將分形幾何理論引入到土壤學(xué)[17]的研究當(dāng)中，從宏觀與微觀尺度上對(duì)土壤的物理特性進(jìn)行定性與定量表征。目前分形幾何理論多應(yīng)用于土壤孔隙度分布、土壤體密度、粒徑分布、顆粒表面積、及土體表面裂紋尺寸、分布及微形態(tài)等土壤特性的描述。此外，在土壤性能及其物理過程中空間分布的定量化表征也有應(yīng)用。目前的研究主要有Hausdorff容量維數(shù)、自相似維數(shù)、信息維數(shù)、計(jì)盒子維數(shù)及多重分形奇異譜等對(duì)土壤特性進(jìn)行分析研究，主要包括單分形、多重分形以及聯(lián)合多重分形(表2)。

表2 分形方法對(duì)比Tab.2 Different fractal method comparison table

土壤水力特性決定了水分和溶質(zhì)(鹽分、養(yǎng)分等)在土壤中的運(yùn)動(dòng)速度和方向，是研究土壤物理特性最為關(guān)鍵的參數(shù)。受土壤空間強(qiáng)烈異質(zhì)性、水力性質(zhì)滯后效應(yīng)等諸多因素的影響，通過實(shí)測方法獲得準(zhǔn)確的參數(shù)指標(biāo)相當(dāng)困難，因此通過分形理論來間接預(yù)測土壤的水力特征參數(shù)成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一。Ayra 和 Paris[18]通過分析土壤粒級(jí)分布與容重，推導(dǎo)出表征土壤水分特征曲線的機(jī)理—經(jīng)驗(yàn)型模型。Tyler和Wheateraff分析土壤機(jī)械組成的數(shù)據(jù)，建立土壤水分特征曲線的分形數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)該模型計(jì)算出土壤孔隙通道的分維數(shù)。分形幾何理論在尺度轉(zhuǎn)換上具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可以分析不同尺度范圍內(nèi)的土壤水力特征。利用多重分形、聯(lián)合多重分形可以把不同土壤水力特征參數(shù)與不同尺度的統(tǒng)計(jì)特征聯(lián)系起來，得到多重奇異譜，直觀反應(yīng)其空間序列的空間變異性和尺度特性，更為深入地揭示土壤水力特性的空間變異機(jī)理[19]。將分形幾何理論及相應(yīng)的研究方法引入到土壤學(xué)的研究中，將推動(dòng)土壤形態(tài)、過程復(fù)雜性問題的解決，使得到定量化表征，是研究土壤學(xué)最有效的理論和方法之一。

1.3 CT掃描成像技術(shù)

計(jì)算機(jī)掃描(computer tomography，CT)技術(shù)是一種三維成像技術(shù)，因其無損性近幾年逐漸被應(yīng)用于土壤結(jié)構(gòu)的觀察研究當(dāng)中。土壤結(jié)構(gòu)具有不規(guī)則性和易變性，無論是室內(nèi)試驗(yàn)還是室外試驗(yàn)都容易破壞土壤結(jié)構(gòu)的完整性，這對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及水力特性的研究十分不利。目前CT掃描技術(shù)在土壤學(xué)的應(yīng)用多集中于大孔隙大小、數(shù)目、形狀及其連通性等方面[20-21]。土壤孔隙是指土壤中土?；驁F(tuán)聚體之間以及團(tuán)聚體內(nèi)部的孔隙，對(duì)土壤水力特性參數(shù)影響較大，對(duì)于土壤孔隙的研究有助于進(jìn)一步研究土壤內(nèi)部的水分運(yùn)移規(guī)律，土壤重構(gòu)，緩解壓實(shí)對(duì)土壤帶來的破壞。Warner[22]對(duì)CT掃描圖像進(jìn)行可視化解釋，表明CT能夠準(zhǔn)確反應(yīng)孔隙的數(shù)目、大小和位置關(guān)系，Anderson[23]通過一種簡單的孔隙測算方法，得出容重統(tǒng)計(jì)參數(shù)的分布規(guī)律，然而Peyton[24]指出Anderson的測算方法存在缺陷，并提出用新的迭代方法來測算大孔隙的孔隙周長、等效直徑和孔隙度。通過CT掃描技術(shù)獲得的孔隙影像僅能觀察到其數(shù)量、位置關(guān)系及連通狀況，欠缺空間的三維立體結(jié)構(gòu)表達(dá)，在視覺上與實(shí)際的土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大差距，這將對(duì)土壤水分運(yùn)移規(guī)律的分析缺乏直觀性，為此，又有學(xué)者提出構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型(network model)，進(jìn)行土壤結(jié)構(gòu)的三維重建。此前，網(wǎng)絡(luò)模型在石油科學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，近些年才逐漸引起了土壤學(xué)、水文學(xué)等領(lǐng)域研究者的關(guān)注[25-27]。通過數(shù)字圖像分析技術(shù)，獲得用來表征土壤三維空間結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)參數(shù)，如土壤孔隙大小、分布狀況及相互連通性等，結(jié)合三維空間模型(如三維毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)模型)，重構(gòu)出具有直觀性的土壤結(jié)構(gòu)，在孔隙尺度上預(yù)測當(dāng)前土壤的水力學(xué)性質(zhì)，以此模擬土壤的水分運(yùn)動(dòng)過程[28-29]。以實(shí)測孔隙大小的分布和連通性等作為參數(shù)的三維模型，克服了以往網(wǎng)絡(luò)模型有關(guān)參數(shù)不確定性的弊端[30-32]。

Vogel 和 Roth[33]通過使用土壤樣本連續(xù)切片的數(shù)字圖像直接測定孔隙形態(tài)特征，把直接測定的孔隙形態(tài)特征作為網(wǎng)絡(luò)模型的輸入?yún)?shù)，成功預(yù)測土壤的有效水力特性。程亞楠等[34]利用CT掃描圖像，對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，并根據(jù)孔隙形態(tài)學(xué)參數(shù)建立預(yù)測水力性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)模型。Ngom等[35]利用幾何模型對(duì)傳統(tǒng)耕作土地和草地的土壤孔隙進(jìn)行三維重建，計(jì)算孔隙半徑、曲折率、滯留曲線等幾何特征，表明傳統(tǒng)耕作土壤相比草地具有更多的小孔隙。Ojeda-Magana等[36]使用PFCM(probabilistic fuzzy cognitive map)聚類劃分的方法識(shí)別出土壤孔隙，在此基礎(chǔ)上對(duì)土壤孔隙進(jìn)行了三維重建。

如何高效獲取并定量表征土壤孔隙分布、拓?fù)涮卣饕约叭绾螌⑼寥揽紫犊臻g結(jié)構(gòu)特征與有效介質(zhì)性質(zhì)聯(lián)系起來是定量研究壓實(shí)狀態(tài)下孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)土壤水力特性影響需要亟待解決的兩大問題。雖然有學(xué)者對(duì)土壤孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，但技術(shù)還不成熟，不足以支撐今后大范圍的土壤重構(gòu)工程。與此同時(shí)，在研究土壤水力性質(zhì)及溶質(zhì)運(yùn)移方面，土壤孔隙結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理以及與土壤性質(zhì)、環(huán)境等因素之間的關(guān)系也必須考慮在內(nèi)，還需進(jìn)一步研究。

1.4 γ透射法

壓實(shí)對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)影響較大，其中對(duì)于土壤含水量時(shí)空異質(zhì)性研究是一項(xiàng)極為重要的工作。核物理法(中子法、γ透射法等)被國內(nèi)外學(xué)者公認(rèn)為測量土壤含水量變化的最佳方法，它不破壞土體結(jié)構(gòu)、層間分辨率高、測量迅速，易于防護(hù)并可進(jìn)行定點(diǎn)連續(xù)重復(fù)觀測(γ透射法測量土壤含水量的層間分辨率實(shí)驗(yàn)研究)。

中子法已被廣泛應(yīng)用于大田試驗(yàn)的定位觀測，但存在空間分辨率低、尚且不能測定表層土壤含水量、層間分辨率較差、近地表面測量誤差較大、工作量大等缺點(diǎn)。與中子法相比，γ透射法的層間分辨率明顯較高，不僅可以測定表層土壤的含水量，還可以在室內(nèi)及大田試驗(yàn)中準(zhǔn)確地測定瞬時(shí)狀態(tài)下土壤水分剖面的變化。當(dāng)今利用γ透射法進(jìn)行土壤水分含量的測定時(shí)，采用的放射源多為銫137(137Cs)，探頭采用FJ-367通用閃爍探頭。γ 透射法由 Belcher D等[37]在1950年提出，經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和田間實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，γ 透射法測量精度不低于烘干法的測量精度[38]。60年代后，美國和歐洲也廣泛進(jìn)行了 γ 透射法的實(shí)驗(yàn)研究，使其在測試設(shè)備和測試手段上都得到改進(jìn)和發(fā)展。

目前，γ 透射法已愈來愈多的被國內(nèi)外研究者關(guān)注，并在土壤、農(nóng)業(yè)、水利等領(lǐng)域中得到不同程度的應(yīng)用。尤其在土壤水分運(yùn)動(dòng)研究中，γ 透射法顯示出獨(dú)特優(yōu)越性。但是 γ 透射法尚存一些不足，在大田實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中，由于仍未研制出具有一體化的 γ 水分儀，射線的安全防護(hù)、操作過程的簡化與規(guī)范化，所需放射源防護(hù)問題以及測試過程中的其他技術(shù)性問題都有待進(jìn)一步研究與改進(jìn)。

2 壓實(shí)對(duì)礦區(qū)土壤水力特性的影響

挖損、壓占和塌陷是煤礦開采過程中對(duì)土體造成破壞的主要形式，露天開采剝離的巖土、井工開采的礦石及生產(chǎn)建設(shè)過程中其它廢棄物的堆積場地和采礦區(qū)各類復(fù)墾場地會(huì)對(duì)土壤造成不同程度的壓實(shí)。根據(jù)諸多學(xué)者的研究[39-48]，礦區(qū)壓實(shí)土壤容重為1.56～1.73 g/cm3，平均含水量為30.70%，孔隙度38.10%，導(dǎo)水率為18.91cm2/h(圖1)。

圖1 不同壓實(shí)對(duì)土壤水力特性參數(shù)的影響Fig.1 Effects of different compaction to soil hydraulic characteristics

2.1 開采壓實(shí)對(duì)土壤水力特性的影響

在開采過程中，塌陷是最易發(fā)生的現(xiàn)象。采礦塌陷會(huì)擾動(dòng)土壤結(jié)構(gòu)，使其地表發(fā)生變形，與此同時(shí)地表的水力作用也將發(fā)生相應(yīng)變化，地表水蒸發(fā)加快，土壤水分和養(yǎng)分下滲流失加劇，地下水水位和運(yùn)動(dòng)也會(huì)受到影響；區(qū)域下降或上層滯水層破壞，嚴(yán)重影響植物生長。伴隨塌陷時(shí)間增加，塌陷區(qū)的土壤性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，這種變化在垂直方向上更為明顯。土壤含水量隨塌陷時(shí)間增加呈逐漸減少趨勢，體積含水量和儲(chǔ)水量呈現(xiàn)出先增加后減少趨勢[49]。謝元貴等[50]發(fā)現(xiàn)在垂直方向上，隨塌陷時(shí)間增加，表層土壤的密度呈現(xiàn)逐漸增長趨勢，孔隙度減少，但在土壤底層，其容重變化呈現(xiàn)出先增長后降低趨勢，總孔隙度先降低后增加；表層土壤的田間持水量和毛管持水量逐漸增長，而底層土壤則呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，達(dá)到一定程度后出現(xiàn)增長態(tài)勢。永久性的土地?fù)p失、塌陷坡地的土壤侵蝕與污染以及滑坡、泥石流災(zāi)害是當(dāng)今主要的土壤侵蝕問題[51]。采礦塌陷會(huì)影響采礦區(qū)的土壤侵蝕狀況：一方面容易導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)地貌破壞，改變地面坡度，加劇土壤侵蝕；另一方面通過對(duì)土壤容重、含水量、有機(jī)質(zhì)含量等的影響進(jìn)一步影響土壤的侵蝕參數(shù)(靜水崩解速率、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、土壤抗沖系數(shù)、土壤抗剪強(qiáng)度等)。塌陷過程伴隨裂縫出現(xiàn)，這些裂縫受到自然和人為因素的影響，其長度、寬度、深度都會(huì)不同程度發(fā)生變化。裂縫處垂向滲漏加劇，地下水位會(huì)迅速下降，包氣帶表層與地下水之間的水力聯(lián)系會(huì)減弱[52]；在橫向方面，距離裂縫120 cm范圍內(nèi)土壤的含水量變化較大[53]。李曉靜等[54]研究發(fā)現(xiàn)，塌陷裂縫使水田滲透率的直線型規(guī)律遭到破壞，增加土壤的滲透能力，導(dǎo)致土壤表層含水量降低。

2.2 復(fù)墾壓實(shí)對(duì)土壤水力特性的影響

采礦區(qū)復(fù)墾過程中，推土機(jī)、鏟運(yùn)機(jī)等大型機(jī)械是常用的工具，用于深挖淺墊、土地平整、開渠修路等的施工。在機(jī)械作業(yè)過程中，受壓實(shí)作用，土壤容重增大，大孔隙度隨之減少，滲透率減小，土壤的吸水能力降低，加大地表徑流，造成表層土的侵蝕和水土流失；在排土場堆積過程中，土體松散，土壤容重減小，土壤抗蝕能力明顯降低。魏忠義等[55]在露天煤礦的調(diào)研實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)排土場平臺(tái)壓實(shí)嚴(yán)重，土壤的體積密度增大，滲透系數(shù)降低，在暴雨之后極易形成徑流，侵蝕周邊地貌。美國等西方國家研究者提出土壤的深松能夠有效改善壓實(shí)表層土壤的物理特性，深松機(jī)在露天礦的復(fù)墾中被大量使用，深松度可達(dá)40 cm以上。

3 壓實(shí)對(duì)農(nóng)田土壤水力特性的影響

近20～30年中，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)農(nóng)業(yè)耕作措施發(fā)生極大變化，耕作措施的改變使得土壤環(huán)境恢復(fù)到適于作物生長的狀況顯得異常困難。研究表明不同形式的壓實(shí)影響農(nóng)田土壤水力特性，影響農(nóng)作物的生長發(fā)育。

3.1 機(jī)械壓實(shí)對(duì)農(nóng)田水力特性的影響

拖拉機(jī)機(jī)組作業(yè)是造成土壤壓實(shí)最常見的方式之一，機(jī)組作業(yè)次數(shù)的多少直接影響土壤壓實(shí)的面積[56-57]。土壤的機(jī)械強(qiáng)度、耕層土壤的結(jié)構(gòu)、土壤含水量、拖拉機(jī)軸載荷、輪胎類型以及作業(yè)速度等[58-61]都對(duì)土壤壓實(shí)的程度產(chǎn)生影響，直接后果是土壤緊實(shí)度增加，孔隙度降低，容重增大，由此帶來的是土壤通氣性、水分滲透性及飽和導(dǎo)水率減小，土壤強(qiáng)度相應(yīng)增強(qiáng)，作物根系的穿透阻力增大。土壤的機(jī)械壓實(shí)深度可達(dá)10～60 cm[62]，但壓實(shí)最明顯的是0～10 cm表層土壤[63]。研究表明，機(jī)械壓實(shí)的農(nóng)田土壤容重為15.0～17.0 g/cm3，平均含水量為31.55%，孔隙度38.27%，導(dǎo)水率為21.70 cm2/h(圖1)。輪胎的內(nèi)壓影響土壤表層(0～30 cm)壓實(shí)程度，軸載增大，即使輪胎內(nèi)壓不變，心土層的壓實(shí)程度也會(huì)增加，此外，輪胎內(nèi)壓和軸載還受到含水量的顯著影響，二者隨含水量的增加致使土壤壓實(shí)程度加重[64]。保持荷載相同的情況下，隨著土壤含水量的增加，土壤壓實(shí)程度增加[65]。在土壤含水量較低的情況下，土壤壓實(shí)主要集中在表層，對(duì)深處的土壤不會(huì)造成嚴(yán)重的壓實(shí)，即使拖拉機(jī)機(jī)組載荷較大，土壤的變形也不會(huì)超過2 cm。

3.2 耕作壓實(shí)對(duì)農(nóng)田水力特性的影響

土壤水是作物生長、植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的關(guān)鍵性限制因子，是水文循環(huán)中的最重要組成部分，是地面水與地下水相互轉(zhuǎn)化及降水補(bǔ)給地下水的中間環(huán)節(jié)，尤其在農(nóng)田形式改變以后，水分的運(yùn)移及補(bǔ)給對(duì)于干旱區(qū)農(nóng)地水資源的高效利用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

不同形式的壟溝(自然壟溝、蓋膜壟溝、成壟壓實(shí))耕作條件下對(duì)土壤水分分布和運(yùn)移產(chǎn)生極大的影響。成壟壓實(shí)是對(duì)壟上部分進(jìn)行壓實(shí)，使壟的土壤容重大于溝中的容重。壓實(shí)壟通過形成水分運(yùn)動(dòng)障礙，降低土壤飽和含水量和飽和導(dǎo)水率，對(duì)壟上土壤的入滲特性產(chǎn)生影響，從而影響水分分布。佘冬立等[66]通過野外模擬降雨實(shí)驗(yàn)研究了不同壟溝耕作條件下土壤水分分布特征和再分布規(guī)律，表明在以集雨農(nóng)業(yè)為主的半干旱地區(qū)，成壟壓實(shí)可以替代蓋膜壟溝，有效地富集和儲(chǔ)存雨水資源于溝中，供作物吸收利用。對(duì)于作物生長而言，適度的壓實(shí)會(huì)促進(jìn)作物的生長，有研究表明，適當(dāng)壓實(shí)會(huì)增加松散土壤與根系的接觸，提高大豆[67]、玉米[68]的產(chǎn)量。Gomez等[69]表明，壓實(shí)沙土可以提高土壤中的可利用水量，促進(jìn)北美黃松的生長。

從80年代起，國外便對(duì)土壤的過度機(jī)械壓實(shí)、降低機(jī)械阻力等進(jìn)行深入研究。指出清除土壤壓實(shí)是農(nóng)業(yè)上的一項(xiàng)重要任務(wù)，必須像解決許多其它農(nóng)業(yè)投入一樣解決土壤壓實(shí)問題，對(duì)土壤環(huán)境的保護(hù)應(yīng)同地上生態(tài)環(huán)境保護(hù)同等重要。

4 結(jié)論與展望

鑒于目前研究進(jìn)展情況，針對(duì)研究對(duì)象，國內(nèi)外將目光多聚焦在農(nóng)業(yè)土地上，研究土壤壓實(shí)對(duì)作物生長產(chǎn)生的影響，針對(duì)礦區(qū)的研究相對(duì)較少；在影響因素方面的研究，系統(tǒng)性研究欠缺，影響機(jī)理的解釋也相對(duì)較少。今后應(yīng)重點(diǎn)圍繞以下三個(gè)方面，深化相關(guān)領(lǐng)域的研究。

(1)加強(qiáng)壓實(shí)作用下土壤水力特性參數(shù)獲取的新技術(shù)應(yīng)用。當(dāng)前在研究土壤水力特性時(shí)選取的參數(shù)由于受到研究方法和獲取技術(shù)的限制，大多停留在簡單的參數(shù)上，如：土壤含水率等。為進(jìn)一步研究土壤在壓實(shí)作用下的水力特性，還需要具有動(dòng)態(tài)變化的參數(shù)指標(biāo)如同：土壤導(dǎo)水率、孔隙度及容水度等。在擾動(dòng)作用下，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這必將影響土壤水分、養(yǎng)分的運(yùn)移狀況，動(dòng)態(tài)變化的水力特性參數(shù)也會(huì)受到變化。在今后的研究當(dāng)中，應(yīng)進(jìn)一步探索無擾動(dòng)性的技術(shù)方法來獲取指標(biāo)參數(shù)，提高指標(biāo)參數(shù)測量的準(zhǔn)確性，這樣能夠使得研究結(jié)果更加具有科學(xué)性。

(2)關(guān)于壓實(shí)對(duì)土壤水力特性作用機(jī)理的研究有待深入。目前對(duì)土壤水力特性的分析僅從橫向和縱向上做簡單的比較分析，不足以對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行科學(xué)的解釋。當(dāng)前國內(nèi)外三維重建技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于土壤孔隙度的研究，土壤孔隙度與土壤水力特性存在密切的關(guān)系。在今后的科學(xué)研究中，應(yīng)加強(qiáng)三維構(gòu)建技術(shù)在土壤水力特性的分析研究，使數(shù)據(jù)表達(dá)具有直觀性，進(jìn)一步分析土壤在不同壓實(shí)作用下土壤水力特性參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化和空間異質(zhì)性，揭示其變化機(jī)理，為土壤重構(gòu)提供更加真實(shí)的科學(xué)依據(jù)。

(3)開展基于壓實(shí)作用下土壤水力特性變異的復(fù)墾技術(shù)研究。對(duì)于土壤水力特性的研究最終要服務(wù)于土地復(fù)墾實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)前較多的還是進(jìn)行理論基礎(chǔ)的研究，基于土壤水力特性變化的實(shí)際復(fù)墾技術(shù)還未涉及到。土壤水力特性不僅受到壓實(shí)作用的影響，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，氣候條件也是其影響因素，現(xiàn)在的研究較為分散，僅僅考慮單獨(dú)的影響因素，缺乏一定的系統(tǒng)性。在今后的研究中應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)性的研究方法，提出基于土壤水力特性變化的具體復(fù)墾技術(shù)方法，因地制宜，使土地復(fù)墾后的土壤盡可能恢復(fù)到原狀土壤的狀態(tài)，恢復(fù)其生態(tài)環(huán)境，達(dá)到土地復(fù)墾的目標(biāo)。

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