農(nóng)田土壤壓實表征指標及其檢測方法研究進展

摘要： 土壤壓實已成為威脅全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。國內(nèi)外開展了大量關于農(nóng)田土壤壓實的研究，但壓實表征指標和檢測方法缺少系統(tǒng)分類。本文從土壤壓實與作物生長的關系出發(fā)，總結了國內(nèi)外已有的土壤壓實表征指標及檢測方法。主要結果如下：1） 單一指標往往難以量化不同尺度的土壤壓實程度，對于田塊尺度，宜選擇土壤穿透阻力和相對緊實度，同時配合土壤含水量來表征其壓實狀況；對于區(qū)域農(nóng)田尺度，宜采用先期固結壓力來評估潛在壓實風險；2） 應依據(jù)在室內(nèi)或田間具體情況選擇相應的檢測方法，室內(nèi)選擇土壤結構檢測法或先期固結壓力檢測法反映土壤壓實敏感性，田間選擇穿透阻力檢測法或地球物理檢測法表征土壤壓實程度。今后研究建議：1） 更加深入研究土壤壓實對作物根系形態(tài)、地上部光合產(chǎn)物的分配以及其他土壤質量指標的影響，并加強作物對于土壤壓實的反饋機制研究；2） 結合研究尺度，將土壤物理學指標與土壤力學指標結合起來，構建一套系統(tǒng)評價土壤壓實程度的指標體系；3） 從方法上削弱土壤空間異質性帶來的影響應是今后土壤壓實田間檢測方法的重要研究方向。

關鍵詞： 農(nóng)田土壤壓實； 土壤壓實指標； 土壤結構檢測法； 先期固結壓力檢測法； 穿透阻力檢測法；參考容重； 土壤壓實風險

土壤壓實通常是指由于外在壓力作用使得土壤孔隙度變小、容重增加的現(xiàn)象[1]。一般認為，過度的土壤壓實將會導致土壤穿透阻力增加，土壤顆粒排列緊密，土壤通氣和導水大孔隙度降低，進而限制土壤氣體交換、水分和養(yǎng)分的運移和再分配，阻礙作物根系的延伸，降低作物地上部生物量和產(chǎn)量[2]。導致土壤壓實的因素有很多，既有天然的，如降雨沉實、動物踐踏等，也有人為的，如農(nóng)田化學物質投入、有機肥料使用缺乏、機械耕作、人為踩踏、農(nóng)機具行走碾壓等。隨著農(nóng)業(yè)機械化持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)得到極大促進，然而農(nóng)機具重量和使用頻率逐步增加，超過了維持土壤生態(tài)功能所能承受的范圍，使得農(nóng)田土壤壓實問題更加突出，已成為威脅全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[3]。我國的華北平原、關中平原、南方紅壤區(qū)均發(fā)現(xiàn)不同程度的壓實問題，作為我國耕地中“大熊貓”的東北黑土區(qū)更是由于機械化程度高、土壤容重大、土壤水分通透性差，壓實風險十分嚴峻[4?5]。

國外學者從20 世紀50 年代起就開始研究土壤壓實，開展了大量關于農(nóng)田土壤壓實誘因、特征、危害及消除的研究[2， 4]。國內(nèi)學者對這一問題的研究大致可以追溯到20 世紀60 年代中期[5]，主要通過借鑒國外研究成果結合國內(nèi)實際情況開展相關研究，研究集中在壓實對土壤其他物理性質[ 6 ]、化學性質[7]、生物性質[8]、作物生長[9]與作物產(chǎn)量[10]的影響等方面。近年來，壓實越來越受到國內(nèi)學者的關注，壓實影響因素、壓實過程模擬、壓實消減措施等機理研究越來越深入，但有關壓實表征仍主要圍繞土壤容重和穿透阻力等少數(shù)幾個指標開展，究其原因在于對其發(fā)生機理、驅動因素認知不夠全面和深刻，危害性評價不夠準確，缺乏以作物生長為參比的表征指標。此外，國內(nèi)對于壓實檢測方法的研究尚處于起步階段，特別是對于大中尺度下農(nóng)田土壤壓實狀況的檢測方法尚十分缺乏。

目前有不少關于土壤壓實研究的綜述文獻，如張興義等[4]論述了土壤壓實測定方法，提到了壓實指示參數(shù)及觀測儀器，王憲良等[11]綜述了土壤壓實調(diào)查方法，并分析了各方法的特點和性能，但都僅僅進行了粗略的描述，并沒有將土壤壓實表征指標和檢測方法系統(tǒng)總結并詳細論述。

有鑒于此，本文從土壤壓實與作物生長的關系出發(fā)，對國內(nèi)外已有的土壤壓實表征指標及檢測方法進行了系統(tǒng)梳理，比較了不同表征指標及檢測方法優(yōu)劣和適應條件，并提出了今后壓實評價研究應致力的方向，以期為農(nóng)田土壤壓實的進一步研究提供參考。

1 土壤壓實與作物生長的關系

土壤壓實程度通常表征為土壤壓實度或緊實度，是反映農(nóng)田土壤物理狀態(tài)的重要指標，其在一定程度上可以作為作物產(chǎn)量的預警指標[12]。多數(shù)情況下，土壤壓實對作物生長弊大于利。就農(nóng)業(yè)土壤而言，壓實對作物生長、土壤性狀的危害是多方面的，長期壓實造成土壤壓板[13]。Atwell[14] 研究發(fā)現(xiàn)，隨土壤緊實度增加，作物吸收養(yǎng)分的能力下降，例如小麥播種33 天后，壓實的砂壤土小麥地上部生長明顯慢于未壓實處理，分蘗也更少，壓實處理地上部氮、鉀含量較未壓實處理低12%～14%。Barzegar等[15]設計了容重分別為1.4、1.65、1.8 g/cm3 3 種壓實水平的田間試驗，發(fā)現(xiàn)隨著容重的增大，小麥根系對磷與鋅的累積量以及根系干物質量均降低。Zhao等[16]使用11 t 重的拖拉機分別碾壓地塊0、1、4、8次，模擬4 種土壤壓實程度，發(fā)現(xiàn)碾壓次數(shù)增加顯著降低硒和提高砷在作物籽粒中的濃度。Soane 等[17]發(fā)現(xiàn)，緊實土壤中作物生長消耗的養(yǎng)分比在非緊實土壤中作物消耗的多，這是因為緊實限制根系生長，降低了養(yǎng)分的獲取能力，增加了養(yǎng)分流失量，加劇了氮素反硝化作用。對于作物生理指標的研究，李潮海等[18]發(fā)現(xiàn)，土壤緊實使作物葉面積下降和氣孔導度降低，加速了后期葉片衰老，超氧化物歧化酶活性降低，丙二醛含量增加。

然而，并非所有的土壤壓實都是有害的，有時土壤壓實是有益的，例如，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際中，適度的耙耱碾壓不但能增加根系與土壤顆粒之間的接觸面積，促進養(yǎng)分和水分的吸收，而且能使種子與土壤充分接觸，利于發(fā)芽和保墑，滿足其生長發(fā)育的需求。很多學者的研究也得出了類似的結果，楊世琦等[19]研究發(fā)現(xiàn)，黏土壓實對植物生長與存活負效應較大，但在沙土和壤土上一定程度的壓實則對植物生長有正效應。Beutler 等[20]研究發(fā)現(xiàn)，適度壓實的半干潤氧化土可促進大豆生長發(fā)育，提高其產(chǎn)量。

此外，不同作物種類，甚至同一作物不同品種對土壤壓實的響應也不盡相同。Reichert 等[21]研究了亞熱帶地區(qū)不同土壤壓實度對大豆、黑豆及小麥相對產(chǎn)量的影響，結果發(fā)現(xiàn)三種作物均隨緊實度的增加呈現(xiàn)拋物線變化趨勢，最高相對產(chǎn)量出現(xiàn)在相對緊實度（測試土壤容重與最大干容重的比值） 80%～95% 時 （圖1）。岳龍凱[22]在東北黑土區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，大豆品種對于土壤壓實的耐受性具有年代差異，育成年代較晚的品種具有更高的耐受土壤壓實的能力，相同壓實條件下，1940s～1960s 品種耐受壓實的能力低于1970s～2000s 品種，大豆主莖節(jié)數(shù)、植株干重、有效莢數(shù)等指標表現(xiàn)出明顯的年代差異。

2 土壤壓實程度表征指標

選擇適宜的表征指標是評估土壤壓實程度的基礎。目前已有多種土壤壓實度的表征指標，按壓實所致土壤初級變化或次級變化可分為直接指標和間接指標[23]，按指標屬性又可分為表征壓實狀況的土壤物理學指標和探求土壤極限壓實與潛在壓實風險的土質力學指標兩大類。對于農(nóng)田土壤而言，土壤壓實可看作土壤物理學角度的土體壓實[24]與土質力學角度的土體壓縮[25]的結合，因此本文按指標屬性進行歸納論述（表1）。

2.1 土壤物理學指標

2.1.1 容重 容重是指單位容積土壤的干重量，它是反映土壤結構狀況最基本的參數(shù)。所有的土壤壓實都伴隨著土壤結構的改變，因此容重可以被用來表征農(nóng)田土壤壓實程度[26]。目前，容重是最常用也是最容易獲取的土壤壓實程度表征指標?？偟膩碚f，容重與土壤壓實程度呈正相關關系。對于質地相近的農(nóng)田土壤，容重越大，土壤壓實程度越高，土壤越緊實；反之，容重越小，土壤壓實程度越低，土壤越疏松。但是，土壤的結構、質地、緊實度和有機質以及作物根系類型等因素都會影響容重數(shù)值，故對于不同結構性和質地的土壤而言，土壤容重所反映的土壤壓實程度會受到影響[32]。

容重與作物生長特別是根系延伸密切相關。研究者一直嘗試尋找限制作物生長的容重閾值。例如，Sato 等[33]發(fā)現(xiàn)在巴西亞馬遜氧化土區(qū)，水分保持在田間持水量條件下，對于砂壤土、粉壤土、壤黏土、黏土大豆根長密度減少50% 的容重閾值分別為1.82、1.75、1.51、1.45 g/cm3?？梢?，容重閾值受作物種類、土壤質地、含水量等多種因素的制約，其值的確定往往比較困難[32]。對于同一種作物，容重閾值通常隨土壤含水量的降低而降低，隨黏粒含量的增加而降低[34]。

2.1.2 土壤孔隙結構參數(shù) 土壤孔隙結構參數(shù)是反映土壤結構特征的核心指標，主要包括大孔隙度、孔徑分布和連通性等。與容重反映的總孔隙度不同，孔隙結構參數(shù)側重于土壤微觀結構的定量描述，直觀反映壓實過程中土壤微觀孔隙的變化。不同孔徑的孔隙對作物生長的影響不同，目前尚無統(tǒng)一劃分標準。研究表明，大孔隙（一般指的是大于檢測設備分辨率的孔隙） 主要影響土壤生態(tài)功能，即對植物生長和微生物活動的支持[27]。農(nóng)田土壤壓實主要使土壤大孔隙度降低，孔徑越大的孔隙減少幅度越明顯[35]。Lipiec 等[36]在研究孔隙孔徑分布隨壓實過程的變化中發(fā)現(xiàn)，孔徑大于100 μm 的大孔隙大幅減少，而孔徑小于6 μm 的孔隙百分比略有增加。Servadio 等[37]則研究了大孔隙孔徑分布在壓實過程中的變化，他們將大孔隙按寬度分類，結果發(fā)現(xiàn)壓實導致細長孔隙所占比例減少，特別是300～500 μm 尺寸的孔隙完全消失，而細長孔隙有著減緩根系滲透以及保持水氣存儲和運輸?shù)淖饔茫瑢χ参锷L有著直接的影響。此外，壓實還會降低土壤孔隙連通性，Poehlitz等[38]研究發(fā)現(xiàn)孔隙連通性在50～200 kPa 荷載范圍內(nèi)急劇下降，在100 kPa 荷載時孔隙連通性變?yōu)榕R界值，達到200 kPa 荷載后連通性系統(tǒng)發(fā)生崩潰?？紫哆B通性下降的土壤將會變得致密且不易透水透氣，導致根系生長不良、作物產(chǎn)量降低。土壤孔隙結構的變化可以量化土壤對于作用應力的反應，從而精確反映土壤壓實程度，然而其只能反映微觀尺度的土壤壓實狀況，這也限制了其在大中尺度土壤壓實程度表征上的應用。

2.1.3 土壤水力學特征參數(shù) 土壤水力學特征參數(shù)是描述土壤水分運動的重要指標，包括土壤導水率、土壤物理質量參數(shù)（S 值）、最小限制水分范圍（least limiting water range，LLWR） 等。土壤水力學特征參數(shù)與作物生長密切相關，能間接表征土壤的壓實程度。Alaoui 等[28]從水力學角度綜述了土壤水力學性質與土壤壓實之間的關系，發(fā)現(xiàn)在壓實土壤中，土壤飽和導水率顯著降低，水分特征曲線明顯發(fā)生改變。Naderi-Boldaji 等[39]通過分析12 組不同質地土壤的S 值與相對緊實度間的關系，結果發(fā)現(xiàn)兩者高度相關，并且建立了相對緊實度與1/S 的關系，可用于比較不同質地農(nóng)田土壤之間的壓實程度。de Lima等[40]發(fā)現(xiàn)連年耕作的甘蔗地，無論耕層還是犁底層土壤壓實參數(shù)均與LLWR 顯著相關。王金滿等[41]系統(tǒng)梳理和總結了國內(nèi)外學者在不同區(qū)域、不同土壤壓實作用對土壤水力特性影響的相關研究，發(fā)現(xiàn)在土壤壓實作用下，土壤的含水量、水分擴散率、導水率等指標參數(shù)在橫向和縱向都發(fā)生著不同程度的空間變異。也有研究表明，水力學特征參數(shù)表征壓實程度的效果可能與土壤質地類型有關，并非在所有土壤質地類型中兩者都具有較好相關性[ 4 2 ]。目前，土壤水力學特征參數(shù)與壓實程度的定量關系仍顯缺乏，影響機理的解釋相對較少，參數(shù)獲取精度也較低。

需要指出的是，土壤物理學指標之間是密切相關的，影響這些指標的因素基本一致。當某個因素變化影響到容重時，孔隙度和水力特征參數(shù)往往也會受到影響。土壤壓實越嚴重，容重越大，土壤孔隙度也越小，同時土壤水分滲透性及飽和導水率通常也會減小。在一定條件下，不同土壤物理學指標之間可以相互轉換，均可不同程度地反映土壤壓實程度。

2.2 土質力學指標

2.2.1 圓錐指數(shù) 圓錐指數(shù)（cone index），即貫穿阻力或穿透阻力，是指錐體或柱體在穿入土體過程中所受到的土壤阻力。圓錐指數(shù)是反映土壤壓實程度的重要土力學指標，決定著土壤機械阻力大小，在農(nóng)田中能模擬植物根系穿插延伸遇到的機械阻力或難易程度。趙振家等[29]對車輪壓實后不同耕作深度土壤圓錐指數(shù)變化進行研究，表明壓實次數(shù)不同，作用深度不同，并且隨著碾壓次數(shù)增加，圓錐指數(shù)增加趨勢也不盡相同?？偟膩碚f，圓錐指數(shù)的大小與土壤壓實狀況成正比。張立彬[43]研究了土壤壓實程度對圓錐指數(shù)的影響，結果表明隨著壓實程度增加，土壤最大圓錐指數(shù)也在增加，兩者之間呈冪函數(shù)關系。圓錐指數(shù)在表征農(nóng)田土壤壓實方面存在一定優(yōu)勢，不僅應用廣泛，而且檢測效率高。洪添勝等[44]就曾使用自動圓錐儀測量輪胎壓實前后的土壤壓實程度。焦彩強等[45]對旋耕和深耕兩種耕作措施與土壤圓錐指數(shù)的關系進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)旋耕會增加土壤圓錐指數(shù)，從而證實了旋耕具有明顯導致土壤亞表層以下被壓實的問題。Oliveira 等[46]研究發(fā)現(xiàn)圓錐指數(shù)與作物生長密切相關，且圓錐指數(shù)值可快速測定，因此可作為評價田塊尺度壓實程度的重要指標。但是圓錐指數(shù)作為表征農(nóng)田土壤壓實的指標同樣存在一些問題，它并不是土壤壓實狀態(tài)的唯一函數(shù)，受制于顆粒之間膠結物的作用，其表征效果受土壤含水量影響較大，因此在評價土壤壓實度時通常需配合土壤含水量數(shù)據(jù)進行解釋[47]。

2.2.2 參考容重 參考容重（reference bulk density），也被稱為最大干容重，作為土質學特征是指土壤顆粒物堆積的極限容重，其值反映了該土壤在不同含水量條件下對機械壓實的敏感性。參考容重通常由標準的Proctor 擊實試驗獲得[30]，Proctor 擊實試驗最初主要用于確定道路或地基土壤最大壓實時的臨界含水量，后被土壤學家借鑒用于評價土壤可壓實的最大程度。通過干容重與質量含水量曲線擬合可獲得參考容重，例如，取自黑龍江省海倫市勝利村東北典型黑土試樣的Proctor 擊實曲線如圖2 所示，參考容重約為1.65 g/cm3，與參考容重對應的質量含水量稱為臨界含水量。Nhantumbo 等[48]基于Proctor 擊實試驗獲得了參考容重，確定了土壤質地與參考容重及臨界含水量之間的關系，評估了農(nóng)業(yè)土壤對壓實的敏感性。Braida 等[49]通過Proctor 擊實試驗發(fā)現(xiàn)有機質的積累降低了土壤的參考容重，增加了臨界含水量，增強了土壤抗壓實的能力，并且證實了在土壤表面進行秸稈覆蓋也能緩解部分土壤壓實。álvarez 等[50]利用土壤傳遞函數(shù)估算了不同耕作制度下的Proctor 擊實試驗參數(shù)，結果發(fā)現(xiàn)參考容重的變化與總有機質含量或土壤質地無關。Proctor 擊實試驗也存在一定的不足，比如許多土壤數(shù)據(jù)庫不包含Proctor 數(shù)據(jù)，因此，Wagner 等[51]開發(fā)了預測方程，通過在Proctor 擊實試驗中臨界含水量與峰值密度點相交的兩條線來估計Proctor 擊實曲線的形狀。此外，標準的Proctor 擊實試驗采用的土壤樣品為異位擾動土，與田間原位非擾動土壤相比存在一定差異。為了克服這一問題，H?kansson[52]指出獲取某一特定土壤參考容重也可采用200 kPa 壓力的單軸壓縮試驗代替。

參考容重會隨孔隙度、結構等物理特性的不同而不同，比較不同類型土壤時，參考容重的測量值作為對土壤壓實的表征指標，其效果是有限的，所以相對緊實度（degree of soil compactness，DC） 應運而生。DC 是測試土壤容重與參考容重的比值，它可以表征大孔隙度、飽和導水率以及穿透阻力等土壤物理特性在壓實過程中的變化[53]，不再依賴于土壤質地，可以用于不同土壤類型之間壓實狀況的比較[52]。Silva 等[54]確定了不同耕作方式下一系列土壤容重和DC，并評估了土壤質地、有機物含量等對這些參數(shù)的相對重要性。盡管DC 消除了包括土壤類型在內(nèi)的眾多影響因素，對于同一土壤同一作物最優(yōu)DC在年際間仍有變化，研究發(fā)現(xiàn)這一年際間變化主要來自氣候條件[55]。

2.2.3 先期固結壓力 先期固結壓力（precompressionstress），也被稱作預固結壓力，指天然土層在其應力歷史中所受過的最大有效應力。對于某一具體土壤而言，當承受的外力不超過先期固結壓力時，撤去外力后土壤體積尚可恢復或恢復量較大，而超過先期固結壓力后，即使撤去外力，土壤體積也難以再恢復，可見先期固結壓力能夠反映出土壤的抗壓實能力[31]。在耕地土壤壓實風險評估研究中，先期固結壓力常被用作土壤強度的度量[56]。很長一段時間里，先期固結壓力在歐洲都被視為評價土壤壓實的最主要的指標。Faloye 等[57]調(diào)查了土壤特性對有效應力的影響，結果發(fā)現(xiàn)先期固結壓力越高，土壤有效應力越高，土壤抗壓實能力越強。國內(nèi)也有學者將先期固結壓力用于農(nóng)田土壤壓實分析中。丁肇等[58]進行了輪式和履帶式車輛行走對農(nóng)田土壤的壓實作用分析，結果發(fā)現(xiàn)與輪胎相比，履帶作用下土壤的先期固結壓力及干容重間無顯著區(qū)別。但也有學者認為土壤先期固結壓力不能很好反應土壤壓實的敏感性。Keller 等[59]比較了不同壓實試驗中土壤應力?位移特性，發(fā)現(xiàn)先期固結壓力取決于壓縮試驗方法及其分析，而且壓縮試驗可能不能充分代表現(xiàn)場的土壤特性。Arvidsson 等[60]分析了在瑞典耕地上進行的一系列單軸壓縮試驗數(shù)據(jù)，結果發(fā)現(xiàn)在研究中所得到的應力?應變關系與先期固結壓力概念本身不符。

為了更好地表征土壤壓實風險，國外學者由先期固結壓力衍生出了土壤壓實指數(shù)（soil compactionindex，SCI） 和底土壓實敏感性指數(shù)（subsoil compactionsusceptibility index，SCSI） 兩個指標。SCI 為機械應力與預固結壓力比值的對數(shù)[61]，主要用于表征表層土壤壓實風險。SCIlt;0 表示沒有壓實風險，00.2 表示有嚴重壓實風險。SCSI 為機械應力與底土（通常采用0.5 m 深度處） 預固結壓力的比值[62]，SCSIgt;1 表示可能存在長期底土壓實。與眾所周知的表土壓實影響不同，底土壓實很難逆轉，且可能在數(shù)年至數(shù)十年內(nèi)都損害土壤功能[27， 63]。將SCI 和SCSI 運用到農(nóng)田中可針對農(nóng)田土壤潛在壓實風險提前采取相應措施。

3 土壤壓實程度檢測方法

土壤壓實程度的檢測是判定土壤壓實狀況的依據(jù)。由于土壤壓實程度的表征指標多種多樣，因此土壤壓實檢測方法也有很多，本文重點介紹穿透阻力檢測法、土壤結構檢測法、地球物理檢測法、先期固結壓力檢測法等4 種方法（表2）。

3.1 穿透阻力檢測法

土壤穿透阻力，也叫土壤緊實度或土壤硬度，是衡量土壤抵抗外力壓實和破碎的能力，一般用金屬柱塞或探針壓入土壤時的阻力表示。穿透阻力檢測法是土壤壓實檢測應用最為廣泛的方法，通過現(xiàn)場原位測定穿透阻力，結合土壤含水量與非壓實區(qū)土壤對比即可衡量土壤壓實狀況。李勇等[64]基于土壤穿透阻力數(shù)據(jù)識別了旱作區(qū)農(nóng)田土壤壓實層的位置及厚度。測定穿透阻力的儀器中最常用的是野外土壤貫穿阻力儀，其可快速測定一定深度范圍土壤穿透阻力的垂直變化，且數(shù)據(jù)采集密度高。Mouazen等[68]利用農(nóng)機攜帶穿透阻力儀測定了特定深度內(nèi)土壤穿透阻力，同時附帶土壤含水量傳感器測定了土壤水分含量，最后通過二者與土壤深度數(shù)據(jù)建立了預測土壤容重模型，并發(fā)現(xiàn)基于該模型預測的土壤容重與傳統(tǒng)方法測定的數(shù)值具有高度一致性?？偟膩碚f，穿透阻力儀的使用極大地提高了檢測效率，但探頭進入土壤的速度等會對探測結果穩(wěn)定性有一定影響[69]，該方法更適合農(nóng)田土壤的現(xiàn)場原位檢測，能夠較為精準地反映根系生長狀況。

3.2 土壤結構檢測法

土壤結構是指土壤顆粒的排列與組合形式，定量獲取土壤結構信息，有利于研究土壤壓實情況。獲取土壤結構信息的方法有很多，有的學者通過土壤容重建立土壤壓實預測模型，有的學者通過水分特征曲線法、壓汞法、切片法、氮氣吸附法等得到孔隙度和孔徑分布。丁啟朔等[65]通過推導出土壤壓實容重預測模型來定量預測機械壓實危害程度，廣泛適用于集約化生產(chǎn)條件下稻田土壤機械壓實預測。CT 技術全稱X 射線計算機斷層掃描技術，由于能夠對土壤結構體進行三維重建，完成可視化處理，并由此進一步觀察土壤孔隙結構特征，因而逐漸被應用于土壤壓實的研究中。然而，土壤孔隙大小分布范圍很廣，僅采用一種CT 技術難以全面研究土壤孔隙。周虎等[70]指出為了獲得較全面的土壤孔隙特征，可以分析不同尺度土壤結構特征。但由于試驗條件限制，國內(nèi)過去主要利用醫(yī)用CT 和工業(yè)CT 對大尺度土壤結構開展了一些研究。比如姜宇等[71]研究了凍融條件下黑土大孔隙結構特征；敖家坤等[72]研究發(fā)現(xiàn)一定容重范圍內(nèi)的大孔隙特征參數(shù)與飽和導水率均呈顯著正相關；段揚[73]研究發(fā)現(xiàn)，對于因孔隙水壓力降低、有效應力增加而導致的土壤壓實過程，是與大孔隙面積的顯著降低息息相關的；馮宇[74]研究發(fā)現(xiàn)，大孔隙數(shù)量呈現(xiàn)隨土壤壓實程度增加而減小的趨勢，這說明土壤壓實是破壞大孔隙連通性的主要原因，同時也說明土壤大孔隙對土壤壓實作用的響應更加敏感；Wang 等[75]利用CT 技術從微觀尺度更好地解釋了土壤壓實所引起的土壤性質變化。CT 技術也存在不足之處，張麗娜等[76]通過總結發(fā)現(xiàn)當前CT 技術分析土壤孔隙時精度不夠，研究土壤特性的方法框架不完善。此外，由于CT 技術主要在微觀層面研究土壤結構，目前難以應用于宏觀尺度農(nóng)田壓實狀況的檢測。

3.3 地球物理檢測法

地球物理檢測法主要是利用物探技術測定土壤的理化性質，再通過理化性質反推土壤壓實程度的一系列方法。該檢測法雖然存在數(shù)據(jù)解析難度較大的缺點，但其檢測的空間尺度大、成本較低，因此應用也較為廣泛。目前最常用的方法有：探地雷達法（ground penetrating radar，GPR）、大地電導率儀法（electromagnetic induction，EMI） 和電阻率層析成像儀法（electrical resistivity tomography，ERT）。GPR 主要通過雷達波在土壤中的傳播情況來反演土壤壓實狀況，由于壓實土層與未壓實土層的含水量不同，而含水量通過影響土壤介電常數(shù)進而影響雷達波傳播速度，因此當雷達波通過壓實土層時將產(chǎn)生一個明顯的反射[66]。王萍[77]利用GPR 進行了土壤壓實度的探測，建立了雷達波速度和土壤壓實度的數(shù)學模型。郭淑麗[78]通過GPR 的雷達天線對不同地區(qū)、不同土壤類型的土壤壓實狀況和演變規(guī)律進行了研究。EMI 主要通過測量一定體積土體的電導率實現(xiàn)對土體壓實特性的反演，由于土壤壓實提高了土壤容重，使得單位體積內(nèi)土壤粘性物質含量與土壤非飽和狀態(tài)水分增加，因此在其它參數(shù)變化較小的情況下土壤表觀電導率可以反演土壤壓實度。與EMI 測試原理相類似，ERT 主要根據(jù)土體的電阻率推算出土體的物理性質。在檢測土壤壓實問題上，兩種方法都以Archie 定律為依據(jù)，即土壤表觀電導率或者電阻率與土壤粘粒含量、土壤含水量和含鹽量呈正相關[79]。地球物理檢測法適合大面積農(nóng)田土壤壓實狀況的快速檢測，可為精準農(nóng)業(yè)提供決策，目前已在歐美國家廣泛應用，但在國內(nèi)尚處于起步階段[80]。

3.4 先期固結壓力檢測法

先期固結壓力作為表征土壤壓實的土質力學指標，其數(shù)值確定方法能很好的運用于農(nóng)田極限土壤壓實的檢測中[67]。確定土壤先期固結壓力的方法較多，國際上普遍采用的有卡薩格蘭德法（Casagrandemethod）[81]、帕切科?席爾瓦法（Pacheco Silva method）[81]、貢珀次模型擬合法（Gompertz model fit method）[82]等，國內(nèi)有“f”法、圖解法、密度法等[83]?？ㄋ_格蘭德法主要通過擬合土壤壓縮曲線確定先期固結壓力，應用最為廣泛，但也存在最大曲率點不易確定，人為誤差大等缺陷。Silva 等[81]比較發(fā)現(xiàn)卡薩格蘭德法和帕切科-席爾瓦法之間具有較強的相關性，后者可被視為卡薩格蘭德法的替代方法。而de Pue 等[82]對這些方法做了功能評估，結果卻表明卡薩格蘭德法最不適合計算先期固結壓力。分析模型法也常被用于預測土壤先期固結壓力，該方法的關鍵在于選擇合適的集中系數(shù)，集中系數(shù)是關于土壤?輪胎接觸面當量半徑、加載點與正下方應力預測點間的距離以及土壤表面應力與土壤表面加載點正下方某點處應力的比值這3 個參數(shù)的函數(shù)，主要用于更精確描述應力在土壤中的分布。在已有的研究中集中系數(shù)取值混亂，導致該模型使用時存在很大爭議，其原因在于對該參數(shù)隨土壤環(huán)境的變化缺乏規(guī)律性認識。賀亭峰等[84]通過對集中系數(shù)表達式的進一步推導，提出了能夠代表土壤環(huán)境對集中系數(shù)影響的應力傳遞系數(shù)。此外，國內(nèi)外學者也在不斷研究新的先期固結壓力的確定方法。蔡清池等[85]提出了改進的先期固結壓力數(shù)值計算方法，對于中高壓固結的試驗數(shù)據(jù)能夠獲得更加接近實際的先期固結壓力。姜安龍等[86]依據(jù)理論研究和試驗分析，提出了一種新的先期固結壓力確定方法：數(shù)學模型法，并證明了此法的可行性。Rücknagel 等[87]提出了一個回歸模型，根據(jù)土壤干容重和固相密度這兩個參數(shù)估計先期固結壓力，總的來說，先期固結壓力與兩參數(shù)的比值呈負相關關系，即“固相密度/干容重”的比值越大，先期固結壓力越低。除了以上提到的計算方法外，確定先期固結壓力還可以利用土壤傳遞函數(shù)[88]。土壤傳遞函數(shù)通常是土壤質地、容重和含水量的函數(shù)[89]，通過土壤傳遞函數(shù)即可從易獲取的土壤特性中預測先期固結壓力值。盡管先期固結壓力與土壤壓實特征之間的關系仍有待進一步挖掘[90]，但該方法仍是目前評估區(qū)域尺度機械壓實風險最有效的方法[62]。

4 展望

明確土壤壓實與作物生長的關系對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義，現(xiàn)有研究多集中在土壤壓實對作物生長的不利影響方面，針對耕作層土壤壓實的危害做了大量的研究，很少有研究能考慮到土壤壓實對作物的有益影響，這導致對量化土壤壓實的認識還不夠全面。土壤壓實對作物生長的影響有利有弊，未來應更加深入地用量化的表征指標與檢測方法，研究土壤壓實程度對作物根系形態(tài)、地上部光合產(chǎn)物的分配以及土壤質量的影響，并加強作物對于土壤壓實的反饋機制、信息感應與傳遞等研究。

現(xiàn)有關于土壤壓實程度表征的研究主要基于土壤物理學指標，土壤力學指標相對較少，且選取指標過于單一，缺乏系統(tǒng)性，難以全面反映土壤壓實程度的變化過程，揭示壓實機理。不同土壤壓實表征指標反映壓實程度的本質是一致的，各有側重，又緊密相關，甚至可以相互轉換。對于田塊尺度，宜選擇穿透阻力和相對緊實度，同時配合土壤含水量來表征土壤壓實狀況；對于區(qū)域農(nóng)田尺度，宜采用先期固結壓力來評估機械壓實的風險。在未來的研究中，應結合研究尺度，將土壤物理學指標與土壤力學指標結合起來，構建一套系統(tǒng)評價土壤壓實程度的指標體系，為減少壓實提供依據(jù)。

田間土壤壓實狀況的檢測不僅是農(nóng)田基本屬性的重要普查內(nèi)容，同時也是當前精準農(nóng)業(yè)發(fā)展和高標準農(nóng)田建設的迫切需要。目前田間土壤壓實狀況的檢測研究主要集中在新技術和新方法的探索上，對過去已經(jīng)存在的技術方法提出改進較少，然而這些新方法目前尚不成熟。如何從方法上削弱或者排除空間異質性帶來的影響，應是今后土壤壓實田間檢測重要的研究方向。