黃土旱區(qū)土壤物理隱性退化研究與思考

劉 哲

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710075； 2.自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710075； 3.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心， 陜西 西安 710075)

土壤物理性狀包括土壤質(zhì)地、孔隙、容重、結(jié)構(gòu)以及水熱動(dòng)態(tài)等，直接影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育，能夠直觀指征土壤供給養(yǎng)分的能力[1-4]。土壤物理質(zhì)量問(wèn)題在表征土壤的質(zhì)量特點(diǎn)上具有重要作用，因?yàn)榱己玫耐寥牢锢頎顟B(tài)能夠很好地協(xié)調(diào)水、肥、氣、熱的循環(huán)和供應(yīng)[5-6]，維持作物根系生長(zhǎng)的各項(xiàng)生理功能，提高根系對(duì)土壤水分與養(yǎng)分的利用效率；同時(shí)也能提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，增加作物對(duì)外界環(huán)境的協(xié)調(diào)適應(yīng)能力等[7-8]。土壤的質(zhì)量好壞是關(guān)乎未來(lái)我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品安全和人類健康可持續(xù)發(fā)展的根本保障[9]。

1 土壤退化與土壤隱性退化

土壤退化是在自然因素和人為因素的共同作用下使得土壤質(zhì)量性狀變壞和數(shù)量明顯減少、土壤生產(chǎn)力減退直至荒蕪變?yōu)椴幻氐倪^(guò)程。土壤退化可分為顯型退化和隱形退化，顯型退化發(fā)生在表面，顯而易見(jiàn)，能夠被人們所察覺(jué)而得到重視；隱性退化發(fā)生在土壤下層，隱蔽性強(qiáng)，不易被察覺(jué)，未能引起人們足夠的重視[10]。土壤性型退化又可以細(xì)分為隱性退化和隱形退化，二者的發(fā)生部位都是在土壤下層，但隱性退化是指土壤物理性質(zhì)的退化，包括容重、通氣性、孔隙、透水性等；隱形退化是指土體構(gòu)型的退化，其對(duì)土壤的功能具有深刻影響，包括土壤整體剖面構(gòu)型變化、剖面內(nèi)部緊實(shí)化等[11]。土壤物理退化導(dǎo)致農(nóng)田土壤10 cm以下土層普遍緊實(shí)，犁底層增厚并上移，形成了明顯的機(jī)械障礙層，土壤團(tuán)聚體數(shù)量減少，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，土壤易被侵蝕，土壤肥力下降，農(nóng)藥殘留量增大等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[12-14]。

2 黃土旱區(qū)土壤物理隱性退化

陜西黃土旱區(qū)關(guān)中和渭北一帶隨著土地高強(qiáng)度、集約化利用及化學(xué)物質(zhì)如化肥、農(nóng)藥、地膜等的大量施用，使陜西黃土旱區(qū)土壤物理隱性退化問(wèn)題越來(lái)越突出[15-16]。自從實(shí)行土地承包制以來(lái)，不僅復(fù)種指數(shù)增加，大量施用化肥，土地多采用旋耕的耕作方式，這些都是誘導(dǎo)土壤物理退化的外部因素[17-18]。目前，關(guān)中和渭北一帶存在施肥不增產(chǎn)、不施肥便減產(chǎn)，化肥的使用量居高不下等問(wèn)題；歷史上曾提倡的“一炮轟”施肥技術(shù)已經(jīng)不能滿足作物各個(gè)生育階段對(duì)養(yǎng)分的需求，追肥次數(shù)在不斷增加，而在涇陽(yáng)、三原、高陵一帶，非水田長(zhǎng)時(shí)間地表積水和逢雨田邊河水必漲等，都與農(nóng)田土壤物理隱性退化密切相關(guān)。由于土壤內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了隱性變化，容重、緊實(shí)度、飽和導(dǎo)水率、團(tuán)聚體等的變化所引起的土壤物理隱性退化將嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為制約陜西糧食安全生產(chǎn)、環(huán)境及生態(tài)安全的關(guān)鍵問(wèn)題，亟待研究其發(fā)生機(jī)理，以便得到及時(shí)有效地改良與矯正，科學(xué)調(diào)控土壤物理性狀，保證土壤健康可持續(xù)發(fā)展和糧食安全。

3 現(xiàn)代黃土旱區(qū)土壤物理隱性退化評(píng)價(jià)及研究?jī)?nèi)容

3.1 黃土旱區(qū)土壤物理隱性退化狀況調(diào)查與評(píng)價(jià)

借助探地雷達(dá)技術(shù)，結(jié)合打鉆和挖剖面等方法，大范圍調(diào)查現(xiàn)代黃土旱區(qū)農(nóng)田、果園等土體剖面特征，輔助于對(duì)剖面容重、緊實(shí)度、孔隙度、飽和導(dǎo)水率等指標(biāo)逐層測(cè)定，全面普查農(nóng)田土壤內(nèi)部土壤物理隱性退化狀況，明確需要重點(diǎn)調(diào)控改良的土層現(xiàn)狀。采用偏光顯微技術(shù)和CT掃描等現(xiàn)代土壤微結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，逐步分析不同物理退化土層的微觀結(jié)構(gòu)，分析不同隱性退化條件下農(nóng)田土壤的微形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與理化性狀的異同點(diǎn)，綜合評(píng)價(jià)黃土旱區(qū)土壤物理隱性退化狀況。

3.2 黃土旱區(qū)農(nóng)田土壤物理隱性退化的時(shí)空變異特征及發(fā)生機(jī)理分析

現(xiàn)代黃土旱區(qū)土壤的物理狀態(tài)存在著潛在的退化現(xiàn)象，土壤物理機(jī)能呈現(xiàn)出一定的疲勞狀態(tài)，對(duì)土壤物理退化指標(biāo)與土壤含水量變化過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析不同質(zhì)地性狀、團(tuán)聚水平的土壤對(duì)水分變化的敏感性，再結(jié)合對(duì)緊實(shí)度、容重、孔隙等狀態(tài)指標(biāo)以及顆粒組成、碳酸鈣含量指標(biāo)等進(jìn)行大尺度調(diào)研，明確現(xiàn)代黃土旱區(qū)典型農(nóng)田土壤物理退化指標(biāo)的時(shí)空變異特征，通過(guò)對(duì)比分析不同機(jī)耕方式、種植方式、施肥方式及灌溉方式的單一或共同作用等對(duì)土壤物理退化的影響機(jī)制，探求人為因素導(dǎo)致還是自然因素造成的土壤物理退化，揭示土壤物理退化的發(fā)生條件與機(jī)理。

3.3 物理隱性退化的危害性分析及評(píng)價(jià)

土壤物理退化的危害性研究及評(píng)價(jià)主要從以下3個(gè)方面進(jìn)行。一是土壤物理退化對(duì)水分入滲能力及作物抗旱性影響。分析土體退化對(duì)土壤水庫(kù)儲(chǔ)水、地面長(zhǎng)時(shí)間積水、地面徑流、養(yǎng)分流失以及面源污染的作用與影響情況。二是土壤物理退化對(duì)養(yǎng)分利用率作用與影響。探究對(duì)土體退化響應(yīng)敏感的營(yíng)養(yǎng)元素，揭示目前土壤貪肥的基礎(chǔ)與背景，為實(shí)施減量施用化肥提供科學(xué)依據(jù)。三是土壤內(nèi)部退化對(duì)不同類型作物根系延伸阻力的作用與影響。探究退化土壤對(duì)主要農(nóng)作物根系空間分布、根系活動(dòng)以及對(duì)根系衰老的作用機(jī)理，揭示退化對(duì)作物抗寒、抗旱、抗熱、抗倒伏及產(chǎn)量、品質(zhì)的作用規(guī)律。

3.4 土壤物理隱性退化綜合調(diào)控技術(shù)試驗(yàn)

針對(duì)現(xiàn)代黃土旱區(qū)典型農(nóng)田內(nèi)部土壤物理退化現(xiàn)狀、發(fā)生機(jī)理以及對(duì)作物根系生長(zhǎng)發(fā)育的影響機(jī)制，通過(guò)田間定位實(shí)驗(yàn)和室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，分別采用耕作方式、施肥方式、不同有機(jī)物料改良試驗(yàn)等進(jìn)行土壤物理退化綜合調(diào)控，研究這些綜合調(diào)控措施對(duì)作物根系、土壤環(huán)境及水分效應(yīng)的改善效應(yīng)，以防控土壤物理退化對(duì)土壤及作物的影響。

4 土壤物理隱性退化研究方法

以關(guān)中地區(qū)及陜北地區(qū)農(nóng)田土壤為主要研究對(duì)象，前期借助3S技術(shù)，將通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查，田間長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)以及室內(nèi)模擬方法相結(jié)合，對(duì)土壤物理退化現(xiàn)象進(jìn)行全面調(diào)查和研究。一是野外實(shí)地調(diào)研，根據(jù)不同機(jī)耕方式、種植方式、施肥方式等條件，采用探地雷達(dá)技術(shù)，結(jié)合打鉆和挖剖面法，逐層測(cè)定分析剖面容重、緊實(shí)度、孔隙度、飽和導(dǎo)水率值等土壤物理指標(biāo)，運(yùn)用高倍電子鏡檢技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)和ImageJ等數(shù)字圖像處理技術(shù)，分析土壤物理退化土層的微觀結(jié)構(gòu)特征。二是田間長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)，逐層進(jìn)行不同耕作方式、不同有機(jī)物料及不同種植方式下土壤物理退化的指標(biāo)的測(cè)定與統(tǒng)計(jì)分析，建立黃土旱區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與預(yù)警模型。三是室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，模擬不同土體有機(jī)重構(gòu)材料、不同耕作措施及不同種植方式對(duì)土壤物理退化指標(biāo)的改良影響，探索不同方式對(duì)土壤物理退化狀況的調(diào)控貢獻(xiàn)率。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和田間長(zhǎng)期定位實(shí)驗(yàn)，探究不同種植方式、耕作模式、施肥方式等綜合調(diào)控技術(shù)下，土壤物理退化狀況的變化特征、作物生理生長(zhǎng)指標(biāo)和對(duì)氮磷鉀鈣等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收特征，構(gòu)建適合改善現(xiàn)代黃土旱區(qū)的土壤物理退化狀況綜合調(diào)控技術(shù)，建立黃土旱區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與預(yù)警模型，進(jìn)一步加強(qiáng)土壤的科學(xué)管理，關(guān)注土壤的健康狀態(tài)，對(duì)于保障黃土旱區(qū)糧食安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和維持土壤健康可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論價(jià)值。