黃土旱區(qū)農(nóng)田土壤緊實(shí)度的研究現(xiàn)狀

馬建業(yè)1，2，3，4

(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.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；3.國土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；4.陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安710075)

1 引言

土壤緊實(shí)作為目前影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要威脅之一，是影響農(nóng)田作物生長和土壤理化性質(zhì)的一種重要的限制因子，可以作為土壤惡化狀況表征指標(biāo)之一[1]。土壤緊實(shí)度是一個(gè)合成指標(biāo)，主要由土壤摩擦力、抗剪力和壓縮力等構(gòu)成，也可用土壤穿透阻力或土壤硬度表示，可以用來衡量土壤抵抗外力的壓實(shí)和破碎能力。土壤緊實(shí)能夠影響作物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收利用，進(jìn)而會(huì)對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響，土壤緊實(shí)對(duì)作物生長與產(chǎn)量的影響成為全球關(guān)注的問題。目前國內(nèi)外對(duì)緊實(shí)度研究主要集中于測(cè)量手段和評(píng)價(jià)方法及對(duì)作物生長的影響等方面[2]，且多側(cè)重研究單一覆蓋或耕作措施對(duì)作物性狀和土壤理化性狀的影響。黃土旱區(qū)耕作歷史悠久，但由于不合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與耕作方式，使得該地區(qū)土壤緊實(shí)化較為嚴(yán)重，改良農(nóng)田土壤緊實(shí)化對(duì)于指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、提高糧食產(chǎn)量具有重要的意義。

2 典型區(qū)域土壤緊實(shí)化特征

隨著土地集約化及化學(xué)物質(zhì)的大量使用，中國農(nóng)田土壤緊實(shí)性障礙問題越來越突出[3]。陜西省作為我國重要的農(nóng)業(yè)大省，大部分耕地位于黃土旱區(qū)。目前耕層土壤緊實(shí)度未出現(xiàn)較大障礙，但犁底層土壤則面臨過于緊實(shí)狀況，其平均緊實(shí)度達(dá)到了耕層的3.7倍，形成了明顯的機(jī)械障礙層。尤其是關(guān)中和渭北地區(qū)，犁底層的平均緊實(shí)度甚至達(dá)到了耕層土壤的4.3倍以上，且呈現(xiàn)愈發(fā)嚴(yán)重的態(tài)勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，陜西省近70%的區(qū)域呈明顯的物理障礙，并已呈區(qū)域化發(fā)生趨勢(shì)[4]，其中關(guān)中和陜南地區(qū)約有30%的區(qū)域具有嚴(yán)重的緊實(shí)障礙。研究表明關(guān)中地區(qū)土壤只有表層0～10cm屬于較為正常范圍，而10～20和20～30cm層已經(jīng)達(dá)到緊實(shí)和很緊實(shí)狀態(tài)[5]。犁底層土壤發(fā)生緊實(shí)，可能會(huì)影響水分在土壤中的入滲特征，阻礙根系向深層穿透，導(dǎo)致土壤對(duì)外界環(huán)境影響的緩沖性能降低，容易產(chǎn)生農(nóng)田作物干旱、易受洪澇災(zāi)害影響，作物生長特性較差，不利于作物的高產(chǎn)和對(duì)水肥的高效利用[6]。目前，關(guān)中渭北一帶施肥不增產(chǎn)、不施肥便減產(chǎn)，化肥的使用量居高不下，歷史上的“一炮轟”已經(jīng)不能滿足作物生長發(fā)育過程對(duì)養(yǎng)分需求，追肥次數(shù)又增加，在涇河一帶，非水田長時(shí)間地表積水和逢雨河水必漲等，都與農(nóng)田內(nèi)部緊實(shí)化密切相關(guān)。土壤緊實(shí)化已經(jīng)成為制約糧食安全生產(chǎn)、環(huán)境及生態(tài)安全的一道屏障，亟待加快研究其發(fā)生機(jī)理，以便得到有效地改良與校正。

3 土壤緊實(shí)度危害

土壤緊實(shí)度增加了土壤容重，降低孔隙度，使得根系在土壤中的生長受阻，同時(shí)水分入滲減小，影響植物根系活動(dòng)特性，低化根系對(duì)土壤養(yǎng)分的利用率[8]。土壤緊實(shí)也會(huì)以直接或間接方式影響作物的健康生長，且涉及的利用機(jī)理比較復(fù)雜。一般而言，土體緊實(shí)會(huì)使土壤大孔隙減少，降低土壤孔隙度，進(jìn)而降低水分滲透率和導(dǎo)水率，造成土壤接納降水的能力以及對(duì)水分的調(diào)節(jié)能力下降，既不利于作物生長，又會(huì)引起水土流失[7]。同時(shí)，緊實(shí)還會(huì)影響作物對(duì)養(yǎng)分的吸收，從而導(dǎo)致土壤化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生變化，如在過分緊實(shí)的土壤中，作物根系生長受限，降低了養(yǎng)分的獲取能力，迫使追肥量增加，作物產(chǎn)量增加卻效果不明顯，造成養(yǎng)分流失，面源污染危險(xiǎn)遞增[8]。土壤過分緊實(shí)，土體的水汽交換作用減弱，微生物活性降低[9]，不利于有益微生物的轉(zhuǎn)化活動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致土壤反硝化作用強(qiáng)，使得土壤中氮肥以NO2釋放到大氣中，造成環(huán)境污染[10]。

關(guān)于土壤緊實(shí)對(duì)作物根系生長的機(jī)理研究報(bào)道也不少，一般而言，當(dāng)土壤緊實(shí)度過高(700～1200 kPa)，就會(huì)對(duì)植物根系產(chǎn)生一定的機(jī)械脅迫作用，如砂壤土過于緊實(shí)，在1470 k Pa以上時(shí)，就會(huì)開始阻礙作物的根系生長，而當(dāng)阻力超過2450 kPa時(shí)，則植物生長嚴(yán)重受阻[11]。過度緊實(shí)阻礙根系新陳代謝、正常伸長，影響根系形態(tài)和其他生理功能，從而使得根系主要集中于淺層土壤，降低抗逆性，迫使作物根系對(duì)人為頻繁施肥與灌溉的依賴增加。此外，過緊實(shí)還會(huì)影響根的導(dǎo)水率、水分和養(yǎng)分的吸收。土壤緊實(shí)度的增大，玉米根系的根系形態(tài)和生理特征受到影響，長期的脅迫作用會(huì)降低植株的導(dǎo)水率[12]，一般情況下過于緊實(shí)土壤中作物根系通過增加釋放化學(xué)信號(hào)ABA和乙烯等化學(xué)信號(hào)物質(zhì)，調(diào)節(jié)根系的生長。同時(shí)出苗、產(chǎn)量以及一些地上生理指標(biāo)也會(huì)受到土壤緊實(shí)的間接影響，緊實(shí)會(huì)導(dǎo)致不同作物產(chǎn)量下降10%～50%[13]，不同品種作物以及同一作物對(duì)在不同土壤緊實(shí)程影響下所做出的的反應(yīng)存在差異，如研究發(fā)現(xiàn)緊實(shí)脅迫對(duì)大豆和小麥的生理特征影響較玉米和煙草更小。

4 土壤緊實(shí)度的影響因素

土壤緊實(shí)過程是由于外力作用下，使得孔隙空間的降低，土壤顆粒排列緊密，導(dǎo)致土壤容重增加，影響土壤水肥氣熱狀況，制約農(nóng)作物的生長，而土壤質(zhì)地、土壤水分、耕作方式、種植模式、施肥方式和農(nóng)業(yè)機(jī)械等都會(huì)對(duì)土壤緊實(shí)度產(chǎn)生影響。一般情況，質(zhì)地較細(xì)的粘土和壤土發(fā)生緊實(shí)的可能性較大，砂土的土壤緊實(shí)度最小[14]。土壤水分含量是影響緊實(shí)過程的最重要因素，含水量較多時(shí)水分充滿孔隙，土壤顆粒間的內(nèi)聚力增強(qiáng)，容易使土壤顆粒“滑”到一起，發(fā)生緊實(shí)[15]。不合理的施肥和種植措施也會(huì)造成土壤緊實(shí)，如單一使用化肥，導(dǎo)致土壤膠體的交換性離子組成，使得團(tuán)聚化膠體分散，導(dǎo)致土體緊實(shí)，土壤抗逆性降低；同一作物連續(xù)多年生長以后，根系深度下扎一致，從而形成緊實(shí)[16]。而近年來，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械的大規(guī)模使用，造成土層壓實(shí)，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)土壤緊實(shí)的主要原因之一，而過度和不合理使用農(nóng)業(yè)機(jī)械均會(huì)加劇土壤緊實(shí)化現(xiàn)狀。

5 土壤緊實(shí)度的改良

基于生產(chǎn)需求研究黃土高原旱地農(nóng)田土壤緊實(shí)化的產(chǎn)生機(jī)理，探究其對(duì)作物生長的負(fù)面效應(yīng)，并基于科學(xué)的試驗(yàn)提出在農(nóng)田中預(yù)防和消除緊實(shí)的改良方案，保障農(nóng)田的可持續(xù)發(fā)展，農(nóng)田土壤－作物的健康提供科學(xué)基礎(chǔ)。目前土壤緊實(shí)的主要措施有：添加有機(jī)肥料如農(nóng)家肥、堆肥或其他的有機(jī)質(zhì)如木屑、報(bào)紙、城市淤泥等改善土壤結(jié)構(gòu)[17]；改變農(nóng)田耕作制度，實(shí)行科學(xué)地耕作，如深松、免耕等；同時(shí)還可以改變作物的輪作制度，實(shí)行輪作和間套作種植制度，通過深耕和淺根作物的交替種植，改變土壤結(jié)構(gòu)；由于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)械化對(duì)土壤壓實(shí)，也可以造成土體緊實(shí)[18]，因此改進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械也是目前改善土壤緊實(shí)的一個(gè)重要措施[16]。