不同肥力水平的土壤緊實度與含水量的相關(guān)度分析

徐 爽，闞雨晨

（1漢中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 漢中 723000；2上海綠樂生物科技有限公司，上海 201108）

0 引言

土壤緊實脅迫（耕地土壤壓實度）是土壤健康評價體系中重要的限制項指標之一[1]。土壤緊實度在形態(tài)上表現(xiàn)為土壤顆粒之間結(jié)持的松緊程度，直接與土壤顆粒之間的結(jié)持力大小有關(guān)[2]，同時與土壤溶液和土壤孔隙狀態(tài)有關(guān)[3]。從土壤功能的角度來講，土壤緊實度作為土壤健康評價的限制項指標，其后果不僅僅是對植物根系的物理性壓迫，更重要的是由于土壤緊實度增加造成的土壤顆粒排列的緊密化，改變了水分運移條件，使土壤水分入滲能力明顯衰減，土壤的持水能力明顯降低，給作物生長帶來了比其對根系的機械脅迫更加嚴重的威脅[4-7]。

長期研究表明，土壤緊實度與土壤粘粒含量（土壤質(zhì)地）、有機質(zhì)含量和土壤含水量密切相關(guān)[8-9]。對同一土壤而言，土壤質(zhì)地和有機質(zhì)含量是長期因子，它們對土壤緊實度的影響是相對穩(wěn)定的。但實測土壤緊實度的數(shù)值往往是不斷變化的，該現(xiàn)象與土壤含水量的關(guān)系十分密切。土壤緊實度受到含水量的直接影響，呈明顯的負相關(guān)關(guān)系[10]。土壤緊實度的測定結(jié)果在不同水分條件下并不一致，不同土壤的緊實度受含水量影響的程度也有著很大的差異。多年來，關(guān)于不同土壤的緊實度研究主要集中在不同耕作措施對土壤緊實度的影響[11-12]。而這些研究在測定土壤緊實度時，并未特殊強調(diào)土壤的實時水分條件，這使得不同濕度條件下測定的土壤緊實度數(shù)據(jù)不具有可比性，數(shù)據(jù)的可參考性不強。在建立土壤健康評價體系的過程中，限制項指標通常是以乘數(shù)計算的，合理地確立各限制項指標的權(quán)重是建立土壤健康評價體系的重要內(nèi)容。在已有的土壤緊實度與含水量相關(guān)性研究[13-15]的基礎(chǔ)上，進一步探索不同土壤的緊實度與含水量的相關(guān)程度，比較不同土壤條件下，土壤緊實度與含水量相關(guān)度的差異，對更加科學(xué)地確定土壤健康評價體系中土壤緊實脅迫的權(quán)重，具有重要的參考價值。

本文通過分析土壤的緊實度與含水量的相關(guān)度，探討不同肥力條件下土壤緊實脅迫作用對土壤水分含量的依賴程度，以期為進一步探明土壤緊實度作為限制性因子參與土壤健康評價的權(quán)重系數(shù)的確定提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣地區(qū)概況

土壤樣本采自渭河楊凌段三級階地耕地，由黃土母質(zhì)發(fā)育而來。該地區(qū)土壤耕作歷史悠久，受人為活動影響非常明顯，稱為土（系統(tǒng)分類為土墊旱耕人為土，Earth-cumuli-orthic anthrosols）。土的土糞堆墊層是因為長期施用大量土雜肥形成的，人們在早期施肥的過程中，因運輸條件有限，土糞施用量長期不均勻，使得同一區(qū)域的土壤發(fā)育基礎(chǔ)長期不同，從而出現(xiàn)土壤形成后質(zhì)地相近，但肥力存在明顯差異。

供試地區(qū)多年平均降水量為635.1mm、多年平均氣溫為12.9℃。長年實行小麥—玉米一年兩熟輪作種植。

1.2 試驗方法

1.2.1 采樣及測定方法 采樣時間為2020年3月初，在同一個地區(qū)選擇農(nóng)業(yè)管理模式相同的區(qū)域，通過田間小麥長勢和農(nóng)業(yè)管理措施等歷史條件調(diào)查，初步判斷土壤肥力水平。每個地塊按照“S”型分布布置15個采樣點，采集耕層(0～20 cm)擾動土樣，在室內(nèi)經(jīng)風(fēng)干過篩后用于土壤質(zhì)地和肥力指標的測定。

通過初選確定土壤質(zhì)地基本相同、肥力存在明顯差異的3個田塊作為供試田塊（土壤質(zhì)地及肥力指標見1.2.2），進行樣點標記，用于土壤緊實度和含水量的測定。

土壤緊實度和含水量測定時間為3月中旬至4月中旬關(guān)中冬小麥返青期。土壤緊實度采用SC-900土壤緊實度儀測定，3月11日—4月15日期間，每隔5天測定一次。為排除土壤剖面肥力變化的干擾，本研究中土壤緊實度和含水量的記錄深度為25 cm，每隔5 cm讀取一個數(shù)值。每次測定的同一時間，在每個采樣點上用土鉆采集土壤樣品，對應(yīng)緊實度的測定范圍，每隔5 cm土壤采集一個樣品裝入鋁盒內(nèi)用于土壤實時含水量的測定。

因土壤緊實度儀敏感度高，測定過程中干擾因素較多，為獲得準確數(shù)據(jù)，每個地塊設(shè)置15個采樣點，剔除無效數(shù)據(jù)后，取平均值記錄土壤緊實度和含水量。

1.2.2 土壤理化性狀 供試土壤質(zhì)地采用吸管法測定，供試土壤砂粒(0.05～1mm)含量為17.9%～19.8%，粉粒(0.001～0.05mm)含量為46.2%～47.5%，粘粒(＜0.001mm)含量為32.9%～35.6%，物理性粘粒(＜0.01mm)含量為55.3%～56.8%。依據(jù)卡慶斯基制對供試土壤質(zhì)地進行分類，該土壤屬于重壤土，選定的3個供試田塊的土壤質(zhì)地?zé)o顯著差異。

土壤肥力水平均采用常規(guī)方法進行測定，3個供試田塊的土壤肥力狀況見表1。

對供試土樣進行測定后，選取肥力指標差異明顯的3個田塊作為供試目標，將供試田塊分為高、中、低3個肥力等級（如表1所示）。供試土壤屬于石灰性母質(zhì)，Ca2+和碳酸鈣是土壤的團聚體的重要膠結(jié)物質(zhì)，對土壤緊實度具有重要作用。3個目標田塊土壤碳酸鈣含量和交換性鈣含量水平無顯著差異，排除了膠結(jié)物質(zhì)差異對土壤緊實度的影響。

表1 供試田塊土壤肥力狀況

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSSAU進行顯著性檢驗、多重比較；使用Excel和Hiplot進行相關(guān)性比較和可視化制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 供試田塊土壤緊實度時空變異特征

2.1.1 土壤緊實度空間變異特征 圖1顯示3個供試田塊土壤緊實度的監(jiān)測結(jié)果。0～25 cm土層空間內(nèi)，土壤緊實度總體呈現(xiàn)隨著土層深度增加而增大的趨勢，3個田塊空間變異總體規(guī)律較為一致，但變異程度有著明顯的差別。

圖1 土壤緊實度變化

表2列出了3個供試田塊在不同監(jiān)測時間測定的0～25 cm土層范圍內(nèi)土壤緊實度空間變異系數(shù)[CV(S)]。CV≤0.1為弱變異，0.1＜CV≤1.0為中等變異，CV＞1.0為強變異。供試土壤緊實度的空間變異性均在中等變異范圍內(nèi)。從CV(S)值來看，在不同時間監(jiān)測到的土壤緊實度空間變異性存在一定差異但沒有明顯規(guī)律，表明土壤緊實度是不斷變化的，并且很大程度受到田間環(huán)境的影響；將3個供試田塊在不同時間的CV(S)值分別取平均數(shù)進行比較，可以看到FB3的土壤緊實度變異性明顯弱于FB1和FB2，說明FB3的土壤緊實度在0～25 cm土層范圍內(nèi)的變化幅度比FB1和FB2小很多。已有研究表明，土壤緊實度能夠綜合反映土壤的結(jié)構(gòu)性[16-17]，土壤緊實度的空間變異性反映了土壤結(jié)構(gòu)在不同土層之間的差異程度。測定結(jié)果表明，在0～25 cm土層范圍內(nèi)，F(xiàn)B3比FB1和FB2的土壤結(jié)構(gòu)空間變化程度較小。

表2 土壤緊實度空間變異系數(shù)[CV(S)]

2.1.2 土壤緊實度時間變異特征 圖1所示的土壤緊實度時間變異在不同的監(jiān)測時間之間沒有呈現(xiàn)出明顯的特征或規(guī)律，但在試驗期內(nèi)，3個目標田塊土壤緊實度的監(jiān)測記錄可以看出，同一地塊在不同時間測得的土壤緊實度存在一定差異，不同田塊間的差異程度也有明顯不同。表3為3個供試田塊不同土壤深度下在不同時間監(jiān)測的土壤緊實度時間變異系數(shù)[CV(T)]。供試土壤緊實度的時間變異性均在中等變異范圍內(nèi)。表3所列的CV(T)值顯示，3個田塊的時間變異性在總體上都隨著土壤層次的加深而逐漸減弱，15 cm以下土層的變異特征規(guī)律不明顯。CV(T)值反映了同一土壤層次在不同監(jiān)測時間所獲得的土壤緊實度數(shù)據(jù)之間的變異特征，能夠顯示各個土壤層次的土壤堅實度受環(huán)境條件干擾的程度[18-19]。測定結(jié)果說明，3個供試田塊均顯示出土壤層次越深，土壤緊實度受環(huán)境干擾越弱的特征。

表3 土壤緊實度時間變異系數(shù)[CV(T)]

2.2 土壤緊實度與含水量的關(guān)系

土壤緊實度與土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)和土壤含水量密切相關(guān)。土壤緊實度能夠綜合反應(yīng)土壤的物理狀態(tài)，作為限制項指標用于土壤健康（質(zhì)量）綜合評價和農(nóng)田（耕地）質(zhì)量評價具有很高的參考價值。但由于土壤緊實度隨著環(huán)境條件的變異規(guī)律性不強，在土壤評價的指標擬合過程中造成了一定困難，而在一個環(huán)境條件相對穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)，土壤含水量的變化是在短時間內(nèi)造成土壤緊實度變化的主要環(huán)境因子。

圖2所示為土壤緊實度與含水量相關(guān)性熱圖，該圖使用Pearson相關(guān)系數(shù)進行表達，數(shù)據(jù)之間正相關(guān)用紅色表示，負相關(guān)用藍色表示。顏色越深，代表相關(guān)性越強，帶有×的位點代表二者不相關(guān)。圖2橫軸數(shù)值為3個供試田塊0～25 cm土壤深度各個層次含水量，縱軸為3個供試田塊0～25 cm土壤緊實度，二者呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。紅色虛線覆蓋區(qū)域展示的是供試土壤各層次的土壤緊實度和與其相對應(yīng)的土壤含水量的相關(guān)關(guān)系，可以直觀地看出，供試土壤的土壤緊實度和含水量之間均呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)關(guān)系，且土壤層次和肥力水平不同，其相關(guān)程度存在著明顯的差異。

圖2 土壤緊實度與含水量相關(guān)性

為進一步分析不同土層的土壤緊實度與含水量之間的相關(guān)關(guān)系的強弱，表4列出了各處理對應(yīng)的Pearson相關(guān)系數(shù)。3個供試田塊各土層的土壤緊實度與含水量之間的Pearson相關(guān)系數(shù)均為負數(shù)，相關(guān)系數(shù)的絕對值都在0.7以上，除FB2的0～5、15～20、20～25 cm土層顯著性水平為P＜0.05外，其余處理的相關(guān)顯著性均在P＜0.01水平，表明各土層的2個指標之間都呈現(xiàn)很強的負相關(guān)關(guān)系。

表4 土壤緊實度與含水量相關(guān)系數(shù)

已有部分研究得出過相似的結(jié)論[20]，其研究尺度為0～10、10～20、20～30、30～40 cm的土層土壤緊實度與含水量之間的關(guān)系，研究認為不同層次土壤結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)含量等土壤條件差異很大，隨著土層深度增加，含水量對緊實度的影響明顯增大，該研究所得的結(jié)論基于土層之間有機質(zhì)含量差異較大。隨著土壤深度增加有機質(zhì)含量遞減，通過主成分分析發(fā)現(xiàn)，在該試驗條件下，土壤緊實度對有機質(zhì)的依賴強于對含水量的依賴，因此無法準確判別土壤緊實度對含水量的依賴程度。本研究監(jiān)測0～25 cm土層，各土層之間質(zhì)地和有機質(zhì)含量等指標之間沒有顯著差異，由此獲得的各土層之間土壤緊實度對含水量的依賴程度沒有明顯的規(guī)律，相關(guān)程度也沒有顯著差異。

2.3 肥力水平對土壤緊實度與含水量的相關(guān)度的影響

土壤肥力水平不僅是作物的重要生產(chǎn)條件，同時也影響著土壤自身的健康水平[21-22]。圖3所示為不同肥力的土壤緊實度與含水量相關(guān)關(guān)系的強弱程度。紅色虛線覆蓋的區(qū)域為FB1、FB2、FB3田塊的含水量和與其相對應(yīng)的土壤緊實度的相關(guān)關(guān)系。表5列出了3個供試田塊土壤緊實度和含水量之間的相關(guān)系數(shù)，F(xiàn)B1的土壤緊實度和含水量在P＜0.05水平上負相關(guān)，F(xiàn)B2和FB3在P＜0.01水平上負相關(guān)。綜合分析圖3和表5表明，不同肥力的土壤緊實度與含水量之間呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，土壤緊實度對含水量的依賴程度FB1＜FB2＜FB3。

表5 不同肥力土壤緊實度與含水量相關(guān)系數(shù)

圖3 不同肥力土壤緊實度與含水量的相關(guān)性

土壤緊實度是土壤健康評價指標體系中重要的限制項指標之一，同時長期作為綜合表達土壤物理條件的主要指標之一，已有的研究在對土壤緊實度進行模擬分析時，多以相關(guān)的物理指標和水分運移條件性指標作為背景。而大量的研究表明，土壤有機質(zhì)含量，甚至是一些無機鹽含量都對土壤緊實度有一定的影響[23-26]。土壤緊實度與土壤水分含量密切相關(guān)也獲得充分證實，但不同土壤肥力條件下，土壤含水量對土壤緊實度影響的強弱程度存在明顯差異。土壤肥力越低，土壤緊實度對土壤含水量的依賴性越強。因此，將土壤緊實度作為土壤健康評價的限制指標進行討論時，其干擾因子不僅要考慮測定時的土壤水分含量，還要考慮土壤的肥力狀況，以及肥力和含水量對土壤緊實度的綜合作用。

3 結(jié)論

（1）土壤緊實度的空間變異性能夠指征不同土層間土壤結(jié)構(gòu)的差異，本研究中肥力較低的土壤結(jié)構(gòu)空間差異比中高肥力土壤的空間差異小。土壤緊實度的時間變異性指示土壤緊實度受環(huán)境干擾的程度，土壤層次越深，受環(huán)境干擾越弱。0～25 cm土層范圍內(nèi)，不同肥力間土壤緊實度受環(huán)境干擾的狀況沒有明顯差異。

（2）土壤緊實度與含水量之間呈顯著的負相關(guān)關(guān)系。控制土壤含水量為單一環(huán)境變量的條件下，能夠準確判斷土壤緊實度對土壤水分含量的依賴程度。在肥力條件均勻的土壤層次(0～25 cm)范圍內(nèi)，同一田塊各土層之間的土壤緊實度對含水量的依賴程度沒有顯著差異。

（3）土壤緊實度作為土壤健康評價體系中重要的限制項指標之一，與土壤質(zhì)地、有機質(zhì)含量、水分含量均密切相關(guān)。在土壤質(zhì)地相同、肥力條件不同的情況下，土壤含水量對土壤緊實度影響的強弱程度存在明顯差異，表現(xiàn)為土壤肥力越低，土壤緊實度對含水量的依賴程度越強。在土壤健康評價過程中，對于肥力條件較好的土壤，可以適當降低土壤水分對緊實度影響的權(quán)重水平，而肥力條件差的土壤，在對土壤緊實度進行擬合時，應(yīng)充分考慮土壤水分條件的影響。