黃淮海旱作區(qū)農(nóng)田耕層土壤結(jié)構(gòu)特征與其影響因素

李 勇 趙云澤 勾宇軒 于茹月 黃元仿,2

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 北京 100193； 2.自然資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100193)

0 引言

良好的農(nóng)田土壤耕層結(jié)構(gòu)是糧食高產(chǎn)高效的重要前提。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，土壤壓實(shí)成為影響土壤質(zhì)量和作物生長(zhǎng)不可忽視的問題，嚴(yán)重威脅著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。壓實(shí)作用通過影響土壤孔隙度、導(dǎo)水率等土壤物理特性，限制土壤水肥氣熱的傳輸和交換[1-2]。不同程度的土壤壓實(shí)主要是由自然過程和農(nóng)業(yè)大型機(jī)械作業(yè)造成的[3]。過度的土壤壓實(shí)限制作物根系的生長(zhǎng)，對(duì)作物的整體生長(zhǎng)和產(chǎn)量造成物理和生理上的抑制作用[4-5]。此外，壓實(shí)層在土壤剖面中的位置也會(huì)影響作物根系的分布、密度及根系生長(zhǎng)區(qū)域的范圍[6-7]。土壤壓實(shí)對(duì)根系生長(zhǎng)的限制程度也取決于作物的種類和年齡[8]。有研究表明，土壤壓實(shí)主要與農(nóng)田耕收期間長(zhǎng)期或短期的農(nóng)業(yè)機(jī)械壓實(shí)有關(guān)。除此之外，土壤質(zhì)地、含水率和農(nóng)田耕作制度也是影響土壤壓實(shí)的重要因素[9-10]。土壤容重、孔隙度和電導(dǎo)率通常被認(rèn)為是評(píng)價(jià)土壤壓實(shí)情況的敏感指標(biāo)[11-12]。雖然這些指標(biāo)在農(nóng)田尺度上能夠有效表征土壤壓實(shí)情況，但對(duì)于大規(guī)模調(diào)查來(lái)說，這些指標(biāo)獲取耗時(shí)耗力且數(shù)據(jù)不具有連續(xù)性。土壤穿透阻力(Penetration resistance, PR)因?qū)ν寥佬再|(zhì)變化具有敏感性，是表征土壤壓實(shí)層的物理和力學(xué)特征的連續(xù)有效變量。已有研究表明，土壤穿透阻力和電阻率成像技術(shù)有助于識(shí)別農(nóng)田中因土壤壓實(shí)而抑制作物生長(zhǎng)的區(qū)域[13-14]。也有少量研究集中在土壤穿透阻力是否能較好地表征較大尺度的農(nóng)田土壤物理性質(zhì)的變化[15]，然而在大尺度上，通過農(nóng)田土壤穿透阻力的變化定量識(shí)別土壤壓實(shí)層位置和厚度的研究相對(duì)較少。

因此，本文將以黃淮海旱作區(qū)為研究對(duì)象，基于農(nóng)田土壤穿透阻力的變化特征，識(shí)別農(nóng)田土壤中壓實(shí)層和耕作層的厚度，探究旱作區(qū)農(nóng)田耕作層和壓實(shí)層的空間分布特征及其影響因素，以期為黃淮海旱作區(qū)農(nóng)田土壤培肥增效提供理論及參數(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

基于山東、河南、河北和安徽4省的1 km2網(wǎng)格土地利用現(xiàn)狀圖，根據(jù)有關(guān)坡度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將地形坡度小于5°、1 km2網(wǎng)格內(nèi)旱地占耕地面積40%以上的區(qū)域定義為旱作區(qū)。研究區(qū)涵蓋山東、河南、河北和安徽4省的270個(gè)縣(市)，總面積約28.12萬(wàn)km2(圖1)。研究區(qū)大部分屬于溫帶季風(fēng)氣候，年均溫度13～15℃，年均降水量500～800 mm，多年平均日照時(shí)數(shù)2 300～2 800 h，10℃以上積溫3 800～4 900℃，基本滿足一年兩熟或兩年三熟作物的種植，土壤類型主要為潮土、褐土和砂姜黑土。研究區(qū)地貌屬于由黃河、淮河和海河等河流沉積作用形成的沖積扇平原，區(qū)域耕地破碎度較小且耕作條件良好，主要種植玉米、小麥和大豆等糧食作物，是我國(guó)重要的旱作作物種植區(qū)和商品糧基地。

圖1 黃淮海旱作農(nóng)業(yè)區(qū)分布圖Fig.1 Distribution of dry farming region of Huang-Huai-Hai

1.2 樣品采集與分析

研究區(qū)采用網(wǎng)格布點(diǎn)(15 km×15 km)，并結(jié)合土壤類型進(jìn)行分層抽樣，抽樣時(shí)考慮種植體系、種植面積和集中連片度等因素，根據(jù)以上抽樣布點(diǎn)原則共布設(shè)255個(gè)樣點(diǎn)，土壤樣品采集于2017年5—6月，每個(gè)采樣點(diǎn)按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 4層采集樣品，采用SC-900型緊實(shí)度儀于田間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量0～40 cm土壤穿透阻力，土壤容重(Bulk density, BD)測(cè)定采用環(huán)刀法(體積100 cm3)，土壤含水率(Soil water content, SWC)測(cè)定采用干燥法，土壤顆粒組成采用激光粒度儀測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)(Soil organic matter, SOM)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定；基于測(cè)定的土壤穿透阻力數(shù)據(jù)集，采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法[16]測(cè)定壓實(shí)層厚度和耕作層厚度，并分別計(jì)算壓實(shí)層穿透阻力和耕作層穿透阻力。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1Mann-Kendall(M-K)突變檢驗(yàn)

M-K方法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)，可用于檢測(cè)統(tǒng)計(jì)變量的變化趨勢(shì)，并確定數(shù)據(jù)序列中發(fā)生突變的位置。其主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行特定的分布檢驗(yàn)，且該方法廣泛用于檢測(cè)水文、氣象等數(shù)據(jù)在不同時(shí)間序列上的變化趨勢(shì)[17-18]。而根據(jù)各采樣點(diǎn)穿透阻力在土壤剖面的變化特征，可將其視為在空間序列上的變化。因此，應(yīng)用M-K突變檢驗(yàn)判斷土壤穿透阻力發(fā)生突變的位置，從而確定耕作層厚度及壓實(shí)層的位置。但由于在垂直空間序列中穿透阻力數(shù)據(jù)間的相關(guān)性會(huì)影響M-K檢驗(yàn)的結(jié)果[19]，所以在應(yīng)用該方法前先采用去趨勢(shì)預(yù)置白法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用的主要方法為一階差分法[20]。具體公式為

Yt=Xt+1-Xt

(1)

Tt=Xt-Yt(t=1,2,…,m-1)

(2)

(3)

tj=∑pj

(4)

式中Yt——不含趨勢(shì)的新序列

Xt——土壤穿透阻力原始數(shù)據(jù)序列

Tt——穿透阻力原始數(shù)據(jù)序列的趨勢(shì)序列

m——序列長(zhǎng)度

pj——樣本fi>fj(1≤i≤q-1,1≤j≤i)的數(shù)量

q——數(shù)據(jù)序列中數(shù)據(jù)總個(gè)數(shù)

tj——樣本統(tǒng)計(jì)量

在原序列獨(dú)立的假設(shè)下，樣本統(tǒng)計(jì)量tj的均值E(t)和方差var(tj)分別為

(5)

式中n′——穿透阻力序列中每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的次序

將式(4)的tj標(biāo)準(zhǔn)化，得到

(6)

之后，組成一條u(t)曲線，通過信度檢驗(yàn)得出其是否有明顯的變化趨勢(shì)；并應(yīng)用于反序列中，計(jì)算得到另一條曲線u′(t)，兩條曲線交點(diǎn)確定為突變點(diǎn)；Z值為標(biāo)準(zhǔn)化值，如果交點(diǎn)在置信區(qū)間內(nèi)，表示該點(diǎn)在本數(shù)據(jù)序列中突變顯著；反之，說明突變不顯著，所述置信區(qū)間為-1.96

1.3.2熱點(diǎn)分析

為了有效表征研究對(duì)象聚集或分散發(fā)生的具體空間位置，采用熱點(diǎn)分析來(lái)識(shí)別壓實(shí)層和耕作層的冷熱點(diǎn)空間分布格局。引入Getis-OrdGu得分，并在ArcGIS 10.5軟件中進(jìn)行計(jì)算。公式為

(7)

其中

(8)

(9)

式中xv——v區(qū)域內(nèi)壓實(shí)層和耕作層的厚度

wu,v——要素u和v之間的空間權(quán)重

n——采樣點(diǎn)總個(gè)數(shù)

Gu——具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的Z值得分

本文在判定過程中分別將Z為±1.65、±1.96、±2.58作為冷熱點(diǎn)的劃分閾值，分別表示通過90%、95%、99%的置信度檢驗(yàn)[21]。當(dāng)Gu為正且Z(G)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義時(shí)，存在熱點(diǎn)(p<0.05)。當(dāng)Gu為負(fù)且Z(G)在統(tǒng)計(jì)上顯著時(shí)，則存在冷點(diǎn)。熱點(diǎn)表明壓實(shí)層和耕作層厚度高的樣本點(diǎn)被其他同樣高值樣本點(diǎn)包圍；冷點(diǎn)則代表壓實(shí)層和耕作層厚度較低的樣本點(diǎn)被其他同樣較低的樣本點(diǎn)所包圍。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本物理性質(zhì)描述性統(tǒng)計(jì)特征

采用SPSS 23.0軟件，對(duì)旱作區(qū)各層土壤基本物理性質(zhì)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(表1)。不同層次的土壤質(zhì)地均為粉砂質(zhì)壤土。隨著土層深度的增加，粘粒和粉粒含量略有提高，差異不顯著。與10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm的土壤容重相比，0～10 cm的土壤容重較小。表層0～10 cm與10～40 cm的土壤容重存在顯著性差異(P<0.05)，這是因?yàn)楸韺油寥劳ㄟ^翻耕或旋耕等方式降低了容重。和其他層次相比，土層20～30 cm具有最大的土壤穿透阻力。土層0～10 cm土壤穿透阻力顯著小于土層10～40 cm(P<0.05)。不同土層有機(jī)質(zhì)含量存在很大差異性，隨著土壤深度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨之減小，其中0～10 cm的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，為20.53 g/kg，30～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量最低，僅為7.89 g/kg。土壤含水率隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，且土層0～10 cm、30～40 cm含水率顯著高于中間土層(10～20 cm、20～30 cm)含水率(P<0.05)。

表1 不同土層土壤物理性質(zhì)的描述性統(tǒng)計(jì)特征Tab.1 Descriptive statistical characteristics of soil physical attributes in different soil layers

2.2 土壤穿透阻力

2.2.1土壤穿透阻力垂直變異

容重是用來(lái)表征土壤壓實(shí)情況的常用指標(biāo)，但由于垂直間距大和人為因素的影響，容重并不是確定土壤壓實(shí)特征的精確指標(biāo)，而土壤穿透阻力是一個(gè)間隔小的連續(xù)變量，與常規(guī)土壤剖面中所測(cè)定的容重相比，幾乎不需要破壞性采樣，且人為影響因素較小。研究表明，在一定范圍內(nèi)黃淮海旱作區(qū)土壤穿透阻力平均值隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)(圖2)，研究結(jié)果與前人的研究一致[22]。不同土壤類型的壓實(shí)層深度有較大差異。其中砂姜黑土的壓實(shí)層深度最淺，為15～20 cm，潮土、褐土與風(fēng)沙土的土壤壓實(shí)層深度為20～25 cm。和砂姜黑土相比，潮土與褐土的壓實(shí)層深度較深，土壤穿透阻力也較大，分別為2 456.67、2 404.89 kPa。而在風(fēng)沙土中卻未出現(xiàn)壓實(shí)層，在0～40 cm，土壤穿透阻力隨著土層深度的增加一直呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，最大值達(dá)到3 093.67 kPa。砂姜黑土土壤穿透阻力最大值小于2 000 kPa，而在潮土和褐土中，穿透阻力最大值均大于2 000 kPa。有研究表明當(dāng)土壤穿透阻力大于2 000 kPa時(shí)會(huì)抑制植物根系生長(zhǎng)，而不同土壤類型的根區(qū)土壤穿透阻力均小于此值。

圖2 不同類型土壤的穿透阻力變化曲線Fig.2 Mean soil PR for different soil types

2.2.2土壤穿透阻力的影響因素

一般研究認(rèn)為，土壤穿透阻力的影響因素多而復(fù)雜，且不同影響因素之間有一定的自相關(guān)性，為了更加明確土壤穿透阻力的影響因素，通過通徑分析探究了不同土層深度下各影響因素對(duì)土壤穿透阻力的影響。由表2可知，土層0～10 cm，土壤含水率和土壤容重是土壤穿透阻力的主要影響因素，其中土壤含水率對(duì)土壤穿透阻力的直接作用最大，土壤容重次之。且土壤含水率對(duì)土壤穿透阻力呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)作用，土壤容重則相反。在土層10～20 cm和20～30 cm中，土壤含水率和粉粒含量是主要的影響因素，和0～10 cm相同，土壤含水率對(duì)土壤穿透阻力的直接作用最大，粉粒含量次之。而在土層30～40 cm中，粉粒含量對(duì)土壤穿透阻力的直接作用最大，砂粒含量次之，土壤含水率直接作用最小。通過分析間接通徑系數(shù)發(fā)現(xiàn)，粉粒含量和砂粒含量對(duì)土壤穿透阻力的間接作用較大，且為負(fù)作用，從而使得砂粒含量和粉粒含量對(duì)土壤穿透阻力的總影響較小。整體來(lái)看，不同土層中土壤含水率均是土壤穿透阻力的主要影響因素，且隨著土壤深度的增加，土壤含水率的影響越大。在表層0～10 cm中，土壤容重也是土壤穿透阻力的重要影響因子，而在更深層次土壤中，砂粒和粉粒含量是重要的影響因素。

表2 相關(guān)因素對(duì)土壤穿透阻力的通徑分析Tab.2 Path correlation cofficient of relative factors to PR

圖3(圖中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同)為在不同容重條件下，不同質(zhì)地中土壤穿透阻力的變化。從不同土壤層次來(lái)看，土層0～10 cm，隨著土壤容重的增加土壤穿透阻力呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，而在其他土層，不同容重條件下不同土壤質(zhì)地的土壤穿透阻力差異不顯著，說明表層土壤的穿透阻力更容易受土壤容重影響。從土層0～10 cm可看出，在容重小于1.6 g/cm3條件下，不同土壤質(zhì)地的土壤穿透阻力雖然差異不太顯著，但其穿透阻力由大到小均依次為壤土、砂質(zhì)壤土、粉砂質(zhì)壤土，且在容重范圍為1.4～1.6 g/cm3時(shí)，壤土穿透阻力達(dá)到最大值，為796.57 kPa；容重為1.6～1.8 g/cm3時(shí)，粉砂質(zhì)壤土穿透阻力卻大于砂質(zhì)壤土。在土層10～20 cm和20～30 cm中，不同土壤質(zhì)地和容重條件下的穿透阻力沒有顯著性差異，但砂質(zhì)壤土的穿透阻力在兩個(gè)土層中均為最大值，分別為1 961.88、3 176.50 kPa，說明在土層10～30 cm，容重和土壤質(zhì)地對(duì)土壤穿透阻力的影響不顯著。與土層0～10 cm相反，土層30～40 cm中的最大土壤穿透阻力出現(xiàn)在較小的容重范圍內(nèi)(1.2～1.4 g/cm3)的砂質(zhì)壤土中，且在此容重范圍內(nèi)不同土壤質(zhì)地類型間土壤穿透阻力存在顯著差異(P<0.05)，其穿透阻力由大到小依次為砂質(zhì)壤土、粉砂質(zhì)壤土、壤土。研究表明，在表層土壤中(0～10 cm)，容重和土壤質(zhì)地對(duì)土壤穿透阻力具有顯著性的影響，而在更深層次(20～30 cm和30～40 cm)土壤中，僅在容重為1.2～1.4 g/cm3時(shí)土壤質(zhì)地對(duì)穿透阻力影響較大。

圖3 不同容重條件下不同土壤類型的穿透阻力Fig.3 PR of plough layer and compacted layer in different soil types

2.3 壓實(shí)層和耕作層

2.3.1壓實(shí)層和耕作層的空間變異

基于Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法測(cè)定出每個(gè)采樣點(diǎn)的耕層厚度和壓實(shí)層厚度，并通過ArcGIS 10.5軟件的 Getis-OrdGu工具計(jì)算并劃分出耕作層和壓實(shí)層的熱點(diǎn)和冷點(diǎn)區(qū)(圖4)。在壓實(shí)層厚度冷熱點(diǎn)分布上，安徽省19個(gè)采樣點(diǎn)屬于顯著熱點(diǎn)(Z>1.96)；在耕作層厚度冷熱點(diǎn)分析中，安徽省20個(gè)采樣點(diǎn)屬于極顯著冷點(diǎn)(Z<-2.58)，河南省17個(gè)采樣點(diǎn)屬于顯著熱點(diǎn)(Z>1.96)。從冷熱點(diǎn)整體分布可知，安徽省北部多數(shù)采樣點(diǎn)呈現(xiàn)耕層厚度冷點(diǎn)分布，壓實(shí)層厚度呈熱點(diǎn)分布的特征。為了探究區(qū)域耕作層和壓實(shí)層的空間變異特征，采用普通克里格對(duì)耕作層和壓實(shí)層厚度進(jìn)行了空間分析(圖4)，并對(duì)插值結(jié)果進(jìn)行交叉驗(yàn)證分析(表3)，耕作層厚度和壓實(shí)層厚度的擬合精度(R2)分別達(dá)到0.65、0.64，表明具有較好的插值精度。

表3 交叉驗(yàn)證結(jié)果Tab.3 Cross validation results of interpolation accuracy

圖4 耕作層和壓實(shí)層厚度的空間分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of thickness of plough layer and compacted layer

由圖4可知，耕作層厚度在河南省和安徽省北部區(qū)域呈現(xiàn)明顯的空間聚集特征。耕作層較薄的區(qū)域主要集中在安徽省北部，平均耕作層厚度為13.97 cm，最小耕作層厚度為10 cm，耕作層較厚區(qū)域主要集中在河南省，耕作層平均厚度為19.31 cm，其平均土壤穿透阻力為1 218.4 kPa。壓實(shí)層較薄的區(qū)域主要分布在河北省和山東省西北部，而壓實(shí)層較厚區(qū)域分布在安徽省北部，平均厚度為12.38 cm，最大厚度可達(dá)17.50 cm，其平均土壤穿透阻力為1 704.88 kPa。研究區(qū)安徽省北部區(qū)域整體呈“耕作層較薄，壓實(shí)層較厚”的特點(diǎn)。從土壤穿透阻力的空間分布(圖5)來(lái)看，穿透阻力較大的耕作層和壓實(shí)層主要分布在河北省北部和河南省旱作區(qū)，而穿透阻力較小的耕作層和壓實(shí)層主要分布在河北省西部和安徽省北部旱作區(qū)。耕作層最大土壤穿透阻力

圖5 耕作層和壓實(shí)層土壤穿透阻力的空間分布特征Fig.5 Spatial distribution characteristics of PR of plough layer and compacted layer

為1 607.82 kPa，壓實(shí)層最大土壤穿透阻力達(dá)到3 293.53 kPa。

2.3.2壓實(shí)層和耕作層的影響因素

利用ArcGIS 10.5中的自然斷點(diǎn)法對(duì)糧食產(chǎn)量和單位面積農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力(簡(jiǎn)稱農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力)進(jìn)行了分類(圖6)。在分類的基礎(chǔ)上，對(duì)不同糧食產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力地區(qū)的耕作層厚度和壓實(shí)層厚度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。不同農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力區(qū)域中，高總動(dòng)力區(qū)域的耕作層厚度顯著低于其他區(qū)域的耕作層厚度(P<0.05)，壓實(shí)層厚度顯著高于其他區(qū)域的壓實(shí)層厚度(P<0.05)，但是中總動(dòng)力與低總動(dòng)力區(qū)域的耕作層和壓實(shí)層厚度沒有顯著差異。耕作層厚度最小值和壓實(shí)層厚度最大值均出現(xiàn)在農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力較高的地區(qū)，分別為13.76、9.65 cm。說明頻繁的農(nóng)業(yè)機(jī)械耕作會(huì)使耕作層變薄，壓實(shí)層變厚。從不同糧食產(chǎn)區(qū)看，高、中、低產(chǎn)區(qū)的耕作層厚度平均值分別為17.00、17.54、16.83 cm，而耕作層厚度最大值出現(xiàn)在中產(chǎn)區(qū)(圖7)。糧食產(chǎn)量隨著壓實(shí)層厚度的增加而降低，糧食低產(chǎn)區(qū)的壓實(shí)層厚度最大，為10.41 cm，且與高產(chǎn)和中產(chǎn)區(qū)的壓實(shí)層厚度有顯著性差異(P<0.05)。

圖6 糧食產(chǎn)量與農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力的空間變異Fig.6 Spatial variation of grain yield and total power of agriculture machinery

圖7 不同農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力和糧食產(chǎn)量地區(qū)的耕作層和壓實(shí)層厚度Fig.7 Thickness of plough layer and compacted layer in different areas

不同糧食產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力地區(qū)的耕作層與壓實(shí)層的穿透阻力如圖8所示。在高產(chǎn)區(qū)，耕作層土壤穿透阻力達(dá)到最大值1 048.58 kPa，與中、低產(chǎn)區(qū)的耕作層土壤穿透阻力沒有顯著差異。不同糧食產(chǎn)區(qū)的壓實(shí)層穿透阻力存在顯著性差異(P<0.05)，隨著糧食產(chǎn)量的增大，壓實(shí)層土壤穿透阻力隨之減小，其最大穿透阻力在低產(chǎn)區(qū)，為2 948.21 kPa。高農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力區(qū)耕作層土壤穿透阻力最大值為1 041.81 kPa，且耕作層土壤穿透阻力隨農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力的增加而增加，但是不同農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力地區(qū)的耕作層穿透阻力無(wú)顯著性差異。農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力低的地區(qū)壓實(shí)層穿透阻力最小為2 144.14 kPa，與耕作層穿透阻力不同，高農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力地區(qū)壓實(shí)層穿透阻力顯著高于中、低農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力地區(qū)(P<0.05)，其平均土壤穿透阻力可達(dá)2 592.84 kPa。研究表明大量的農(nóng)業(yè)機(jī)械耕作對(duì)旱作區(qū)耕作層和壓實(shí)層特征有較嚴(yán)重的影響。

圖8 不同糧食產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力地區(qū)耕作層和壓實(shí)層的穿透阻力Fig.8 PR of plough layer and compacted layer in different areas

3 討論

3.1 土壤穿透阻力的影響因素

土壤穿透阻力是衡量耕層土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[23]，其影響因素多而復(fù)雜。諸多研究認(rèn)為，土壤層次、土壤質(zhì)地、容重和土壤含水率是影響土壤穿透阻力的重要因素[24-25]。一般認(rèn)為，不同土壤層次的土壤穿透阻力差異較大。翟振等[26]在黃淮海北部的吳橋縣和陵縣研究發(fā)現(xiàn)，在0～18 cm范圍內(nèi)，土壤穿透阻力隨著土層深度的增加而增加，25 cm以下土層，隨著土層深度增加土壤穿透阻力先降低后略有增加的趨勢(shì)，SALAM等[22]在土耳其黑海中部區(qū)域研究也有相似的研究結(jié)果，這些研究結(jié)果與本研究一致。通常情況下，在土壤容重相同時(shí)，土壤穿透阻力隨著土壤含水率的增加而降低；在土壤含水率相同時(shí)，土壤穿透阻力隨著土壤容重增加而增加[27]，ZHUO等[16]在東北平原的研究表明，容重和含水率是影響土壤穿透阻力的主要影響因素，且表層(0～20 cm)土壤穿透阻力易受土壤容重的影響，而深層(20～40 cm)土壤穿透阻力更易受土壤含水率的影響。然而也有人持相反觀點(diǎn)，韓巍等[28]通過土壤穿透阻力對(duì)土壤容重和土壤含水率的敏感性分析發(fā)現(xiàn)，不同土層的土壤穿透阻力對(duì)含水率的敏感性大于對(duì)容重的敏感性，說明土壤含水率對(duì)穿透阻力的影響程度顯著高于容重。然而，本研究結(jié)果表明，不同土層中土壤含水率均是土壤穿透阻力最為重要的影響因素，這與韓巍等[28]的研究結(jié)果相同；同時(shí)，除了土壤含水率，土壤容重是表層土壤穿透阻力的重要影響因素，而土壤顆粒組成是深層土壤穿透阻力的影響因素。但這些結(jié)果與以往的研究結(jié)果并不完全一致[29]。有研究表明半干旱氣候條件下不同土壤質(zhì)地對(duì)土壤穿透阻力具有顯著性影響[30]，王益等[31]對(duì)黃土高原南部地區(qū)不同質(zhì)地土壤類型的穿透阻力研究發(fā)現(xiàn)，裸露地面的粘化層土壤穿透阻力最大，塿土次之，黃墡土最小。本研究也發(fā)現(xiàn)，半干旱條件下粉砂質(zhì)壤土、砂質(zhì)壤土和壤土的穿透阻力具有顯著性差異，表層土壤不同土壤類型的穿透阻力由大到小依次為壤土、砂質(zhì)壤土、粉砂質(zhì)壤土，這可能是因?yàn)橥寥蕾|(zhì)地越粘，則比表面積越高，從而土壤粘結(jié)性增強(qiáng)，土壤穿透阻力增大[31]，而深層不同土壤類型的穿透阻力由大到小依次為砂質(zhì)壤土、粉砂質(zhì)壤土、壤土，造成此結(jié)果的原因需要進(jìn)一步探究。本研究發(fā)現(xiàn)，較高農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力區(qū)域的土壤穿透阻力顯著高于中、低農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力區(qū)域，頻繁的農(nóng)業(yè)機(jī)械耕作會(huì)破壞土壤良好結(jié)構(gòu)，致使土壤緊實(shí)，這與前人的研究一致[32-35]，結(jié)果表明農(nóng)田耕作管理也是土壤穿透阻力的重要影響因素。

3.2 壓實(shí)層和耕作層空間分異特征

已有研究表明，耕作層厚度和壓實(shí)層位置是評(píng)價(jià)耕地質(zhì)量的重要參考指標(biāo)[28,36]，而如何準(zhǔn)確判定農(nóng)田耕作層和壓實(shí)層的厚度及位置是評(píng)估農(nóng)田耕層土壤結(jié)構(gòu)的前提。最傳統(tǒng)的方法為通過土壤剖面觀察耕作層及壓實(shí)層的位置，喬磊等[37]通過土壤剖面直接觀察法探究了山西省典型縣域的耕作層厚度空間分布格局，研究發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域間耕作層厚度差異較大，翟振等[26]在黃淮海北部典型縣域研究發(fā)現(xiàn)，耕作層平均厚度為14.74 cm，壓實(shí)層主要分布在15～30 cm，這與本研究的結(jié)果相似。土壤剖面觀察法雖然可以直觀精確地測(cè)定土壤耕作層和壓實(shí)層的厚度，但此方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不適用于大尺度范圍的研究。隨著技術(shù)的發(fā)展，更先進(jìn)的方法被應(yīng)用于農(nóng)田耕層土壤結(jié)構(gòu)的表征。JEBEK等[13]研究發(fā)現(xiàn)，電阻率層析成像和貫入儀可用于識(shí)別壓實(shí)層的存在和位置，F(xiàn)ATTAKHOVA等[38]也發(fā)現(xiàn)通過土壤剖面磁化率可以提供可靠的耕層厚度評(píng)估。和土壤剖面觀察法類似，上述方法應(yīng)用于大尺度農(nóng)田研究仍需巨大的工作量。因此，針對(duì)區(qū)域大尺度的耕層土壤結(jié)構(gòu)的研究，研究者提出了基于土壤穿透阻力數(shù)據(jù)集的M-K檢驗(yàn)法[16]，并探究了東北平原地區(qū)農(nóng)田耕層土壤結(jié)構(gòu)特征。而針對(duì)本研究的黃淮海區(qū)域農(nóng)田，M-K檢驗(yàn)法是評(píng)估耕層土壤結(jié)構(gòu)更方便、快捷的一種方法。基于土壤穿透阻力判斷耕作層和壓實(shí)層厚度也有一定的限制性因素。本研究表明，土壤容重和含水率是影響土壤穿透阻力的主要影響因素，但容重和含水率的不穩(wěn)定性可能會(huì)導(dǎo)致土壤穿透阻力的變化。由于采樣區(qū)域較大，采樣周期較長(zhǎng)，測(cè)定土壤穿透阻力時(shí)的天氣條件的差異，對(duì)土壤穿透阻力的測(cè)定有一定的影響。另外，測(cè)定土壤穿透阻力的分辨率僅為2.5 cm，因此在進(jìn)一步研究中應(yīng)提高土壤穿透阻力測(cè)定的精確性，以獲取更為精準(zhǔn)的耕作層和壓實(shí)層厚度。

黃淮海旱作農(nóng)田壓實(shí)層土壤穿透阻力和厚度分布不均勻，原因可能是不同土壤類型表層粘土的淋溶和沉積過程不同[39]，此外，不同程度的農(nóng)業(yè)機(jī)械化耕作，加速了表層土壤的松動(dòng)和流失，導(dǎo)致在表土層以下不同深度形成壓實(shí)層[40]。已有研究表明，一般認(rèn)為土壤穿透阻力大于1 500 kPa的土壤產(chǎn)生了壓實(shí)作用，而2 500 kPa是根生長(zhǎng)的限制性臨界值[41-42]。而在本研究中，不同土壤類型的0～20 cm深度土壤的穿透阻力均大于1 500 kPa，但也有研究表明不同作物的根系在不同生長(zhǎng)階段對(duì)土壤穿透阻力的反應(yīng)有顯著差異。因此，在未來(lái)的研究中，可利用長(zhǎng)期定位試驗(yàn)進(jìn)一步探究土壤穿透阻力對(duì)不同作物根系的影響。

4 結(jié)論

(1)一定深度范圍內(nèi)，土壤穿透阻力隨著土壤深度的增加而增加。土壤含水率、土壤容重和土壤質(zhì)地是土壤穿透阻力的主要影響因素。土壤含水率對(duì)表層和深層土壤穿透阻力影響均較大，土壤容重和土壤質(zhì)地分別對(duì)表層和深層土壤穿透阻力影響較大。

(2)黃淮海旱作區(qū)存在不同厚度的壓實(shí)層，且具有明顯的空間分異特征。壓實(shí)層較厚區(qū)域主要集中在安徽省北部旱作區(qū)，平均厚度為12.38 cm，且壓實(shí)層平均土壤穿透阻力為1 704.88 kPa；耕作層較厚區(qū)域主要集中在河南省，平均厚度為19.31 cm，其平均土壤穿透阻力達(dá)到1 218.41 kPa。

(3)農(nóng)業(yè)機(jī)械耕作是影響土壤耕作層和壓實(shí)層的厚度與穿透阻力的重要因素。高農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力區(qū)域的耕作層厚度最小為13.76 cm，而壓實(shí)層的厚度達(dá)到最大值10.41 cm，且壓實(shí)層穿透阻力達(dá)到2 592.84 kPa。