土壤板結原因分析及其對作物吸水性的影響研究

涂張煥, 豐文慶,徐唐奇,3

(1.長安大學 土地工程學院,陜西 西安 710054；2.西安地質礦產勘查開發院有限公司,陜西 西安 710100；3.陜西省土地整治重點實驗室,陜西 西安 710054)

土壤作為人類賴以生存的物質基礎，近年來其生態狀況不容樂觀，土壤質量日益惡化，但人們對它的重視程度遠遠不夠。不合理的耕作、使用土地致使土地的退化加劇，近年來其惡性后果逐漸突顯出來。我國土地退化的總面積高達4.6 x 108hm2，占我國土地總面積的2/5，全球土地退化面積的1/4，人地矛盾尖銳，已經威脅到了我國的糧食安全。土壤板結屬土壤的性質惡化，其通過影響表層土壤的通氣性和透水性直接危害到作物根系的生長和養分的吸收，研究土壤板結的成因、預防及解決措施對作物增產具有現實而遠大的意義。

1 土壤板結的概念

1.1 正應力式土壤板結

土壤的氣相和液相一般是此消彼長的關系，但在人為不合理耕種或外力作用下這種平衡會被打破，土壤原本疏松的結構被破壞、土料分散，當土壤表層水分蒸發后，土壤會變得質地堅硬。當土壤受到外部承重載荷時(如農用機的碾壓)，土壤被夯實，使原有的疏松土壤團粒結構被破壞，由于土壤中的固相和液相是相對不可壓縮的，因此主要被壓縮的是氣相即土壤孔隙，使土壤的容重和密度增大，作物根系向下生長遇到巨大阻力。當土壤比較干燥時，土壤受到承重載荷時主要是在垂直方向的正應力(壓力)，這種垂直方向上的壓力使土壤孔徑縮小，使土壤變得緊實。當土壤含水量較高時，土壤受到承重荷載時除了受到垂直方向上的正應力外還要受到切應力(剪切力)作用，在這兩種力的作用下，土壤顆粒變得排布緊密，毛細管增多，使土壤的毛管作用強烈，保水通氣能力急劇下降，在土壤表層形成緊密的外殼和龜裂。

1.2 水分沖刷地表土粒粘結式土壤板結

當田面遭受漫灌或者強降水時，土地表層的水分不能及時排除，對田面造成強烈沖刷，形成淤積。過量的水分使田間持水量達到飽和，剩余水分從田面流走，使細小的土壤粘粒沉積在地表，隨著水分蒸發，細小的土壤顆粒由于水的表面張力、范德華力、H鍵的綜合作用粘結在一起，在土壤顆粒-水-靜電力體系下斥力和引力達到平衡，形成牢固的土壤粘聚力。根據土壤顆粒的大小可將土壤劃分為黏土、壤土、沙土。土壤顆粒越小，土壤的粘聚力越大，且黏土中所含的有機質少，土壤的通氣透水性能較差，難以鎖住水分，當漫灌之后土壤中的孔隙被水分代替，隨著水分蒸發由于粘聚力和膠結作用，土粒粘結在一起，土壤孔隙急劇減少，劇增的毛細管將土壤中的水分牽引至土壤表層，加劇水分的蒸發，致使田面結成緊密、堅硬的泥殼。當表層板結硬化之后，水分就難以下滲，灌溉效果會大大減弱，若不配合深耕與有機質的追加，土壤肥力難以恢復。

2 土壤板結的主要成因

2.1 農用機械的使用

現代農業投入了大量農機，雖然大大解放了勞動力，但在一定程度上對農田造成了破壞。在不超出土壤塑性范圍時，農用機械駛過田面表層土壤由于車輪的壓力發生塑流下陷，土壤表層的團聚體被破壞。土壤較干燥時，壓力作用下團聚體崩裂，團聚體間的孔隙被壓縮，土粒分散并被夯實，由于大型機械的巨大壓力，土壤往往被夯實的厚度超過作物根系的活動層。當土壤較濕潤時，在壓力下土粒之間相粘結，表層土壤水分蒸發后變得堅硬。雖然旋耕機廣泛使用，但耕地的深度難以達到作物生長的需求，其耕地深度通常為12～15 cm，深耕達不到要求，土壤原有結構體系不能得到恢復，作物生長時根系的下行和水分吸收會受到影響，最終影響作物產量。

2.2 不合理的灌溉方式

漫灌是一種較為原始的灌溉方式，又稱重力灌水法，水流借助重力在田面流動，邊流邊下滲，其操作簡單，在過去是一種主要的灌溉方式，但這種灌溉方式存在極大的弊端，其對田面平整度要求高，水的利用率低，同時也對田面造成巨大損害，帶走田間土壤，使田面淤積，田面土體團粒結構被破壞，田面干燥后毛細管增多，田面板結，同時劇增的毛細管將較高含鹽量的地下水通過毛管作用帶到土壤上層造成土壤反鹽，造成鹽堿化的同時進一步加劇土壤板結。

2.3 不合理的施肥結構

自從化肥問世以來，很快成為農業的新寵，化肥的不斷追加使土壤營養結構發生了巨大改變，長期單一的營養結構難免帶來副作用。無機肥料的使用同時加速了有機物的分解，破壞土壤成分構成比例，致使土壤結構被破壞。土壤微生物消耗N與C的比例為1/25,過量的氮肥追加會引起土壤有機質的快速分解。通常過磷酸鈣、重過磷酸鈣等被用作磷肥，但磷肥過量追加，磷酸根容易與土壤中的陽離子生成難溶性沉淀，不利于作物吸收，影響土壤組成結構和營養結構。如果長期不追加有機肥，土壤中的有機質會大大減少，土壤將逐漸失去蓬松結構，易造成土壤板結。

3 土壤板結的危害

3.1 水分下滲困難

當發生土壤板結時，灌溉水或者自然降水進入田間，由于表層土壤質密緊促，在相同時間內健康狀態的土壤水分下滲深度要遠大于板結土壤水分下滲深度。板結土壤內部失去了像健康土壤一樣的蓬松團粒結構，孔隙量大大減少，單位體積的土體涵水能力遠不及擁有團粒結構的土壤。另一方面由于水的表面張力使得水分下滲更加困難，往往進入田間的水分還未穿透上層土壤，多數水分就以地表徑流的方式流失掉，留在地表的水分由于下滲不及時，又以地表蒸發的方式散失掉大部分。

3.2 影響植物根系水分及礦物養分的吸收

存在于土壤中的水分有三種形態，即固態、液態、氣態。當土壤中存在固態水時，作物根系一般發生凍害，屬于不可利用水。氣態水存在于土壤孔隙中，凝結為液態水時可被作物吸收利用。根據液態水的運動特性可以分為毛管水、重力水、吸著水。毛管水是懸著在土壤毛細管內的液態水，是作物根系吸收利用的主要水分來源，其最大含量被稱為田間持水量。重力水是能在土壤孔隙中自由運動的水分，是毛管水達到最大無法吸附的部分，在地下水位較低時，重力水很快流失掉，當地下水位較高時，由于地下水位的頂托作用，重力水停留在根系層內，影響根系的呼吸，易造成根系的腐爛，屬于過剩水。吸著水僅僅吸附在土粒表面，是作物所不能利用的，屬于無效水。

土壤發生板結時，團粒間的孔隙減少，土粒與土粒之間粘結在一起，毛細管之間直連相通，通向地表，將原有土壤顆粒之間的毛管水牽引至地表蒸發散失，作物的主要水分來源被切斷，作物吸收營養是通過吸收溶解在水分中的無機物，失去水分后根系也將失去營養供給，導致作物發生缺素癥、萎蔫等癥狀。土壤中的吸附水緊緊吸附在土粒表面，無溶解能力，呈現固態水性質，不可被利用。孔隙中的重力水下層滲漏掉或者被毛管力牽引至地表蒸發散失，此時土壤表面堅硬、質密，外在補充水分難以下滲。板結土壤使作物根系難以向下生長，土壤間孔隙少，氧氣不足，作物根系呼吸困難，影響作物的正常生長。

4 治理措施

4.1 離子替換法

在我國西北干燥黏土區，由于不合理的耕作，土壤反鹽嚴重，土壤表面由于鹽分的作用固化板結，地表質地堅硬，作物根系向下生長困難，大量灌溉水以地表徑流和蒸發的形式散失。此類土壤內部結構主要是鹽-土粒系統，黏土的微觀結構成小片狀，在土片周圍粘結了大量的鹽分，鹽分包裹的土片成平面分布，構成一張攔截水分的“網”，在灌溉水中加入一定濃度的可溶性鈣可以打破這種平衡。當可溶性鈣溶液進入堅固難以透水的鹽-土片體系時，鈣離子替換土片周圍的鈉離子，吸附在土片上的鈣離子更薄，土片可在在垂直結構上重疊，平面布置的攔水“網”出現漏洞，水分便可以下滲，在同樣時間內，可溶性鈣溶液下滲深度是普通灌溉水下滲深度的2～3倍，水分的下滲率增加可以有效減少灌溉水用水量，避免水分對田面的過分沖刷和地下水攜帶水分上移造成土壤板結。

4.2 綠肥輪作與秸稈還田

在農閑季節通過種植綠肥可以讓土壤得到間歇性恢復，綠肥投資成本低、管理投入少但卻能帶來很高的綜合效益，通過對田面的覆蓋可以減少雨水對土壤的沖刷，避免水土流失。某些豆科綠肥可以有效固氮，吸收鉀元素，提高土壤肥力。綠肥和秸稈還田能夠為土壤補充大量新鮮有機質，在土壤中分解形成腐殖質，腐殖質在土壤中與鈣結合可以形成疏松多孔的土壤團粒，使土壤的耕作層變得疏松多孔，提高土壤的通氣透水性和保水保肥能力。這些新鮮殘體在土壤分解過程可以促進土壤微生物數量的增加，加快土壤的熟化，同時配合深耕能夠有效避免土壤的板結。值得注意的是不經過處理的綠肥、秸稈中可能含有蟲卵，造成蟲害的發生。

4.3 使用土壤改良劑

土壤改良劑分為天然改良劑、人工合成改良劑、生物改良劑等。天然改良劑有天然礦石、有機、無機固體廢物和天然高分子化合物等，其中如石灰、石膏，通過中和反應改良土壤的pH值，改善土壤酸堿環境，保證作物的正常生長，還有另一些天然礦物改良劑施加在土壤中可以黏著土壤顆粒，形成土壤團聚體，增強保水能力。生物改良劑主要是有益微生物制劑類，通過增加土壤有益菌群，改變土壤的理化性質和營養結構，促進土壤生態的穩定。人工合成改良劑主要是高分子化合物，如聚乙烯醇類、聚丙烯酸類等，此類改良劑施加到土壤中會粘結土壤中的小土粒，形成大的土壤團聚體，增加土壤孔隙和毛管孔隙度，從而使土壤的容重降低，可以明顯的改善土壤的通氣透水性，增加水分下滲率，減少灌溉水的地表徑流和地面蒸發損失，起到保水保肥，避免土壤板結的效果。

5 結語

自古以來中國農業模式都是以精耕細作為主，耕作者為求在有限的土地中獲得更大收益。在近幾十年，現代化農業快速發展，機械化耕作普及，化肥成了高產的保證，人們漸漸忽視了對耕地的保護，土壤板結是人們不合理利用土地造成的后果，但也不是不可避免、不可修復的問題。當前，實現社會經濟的均衡協調和可持續發展是我國的基本方略，生態文明建設不可或缺的，這就需要改變以前先破壞再治理的發展模式，除了大氣污染、水污染，土地退化問題也應該被高度重視，土地是我們生存的支柱，關系著我國的糧食安全，國家戰略安全，而土地內部的污染往往是肉眼不可見的，也容易被忽視，相比治理，預防要容易的多。土地問題一直都是我國的一道傷疤，我們應該正視這些問題，在政策上給予支持，提高大眾對土地退化的認識，積極保護我們的耕地，避免現在普遍存在的土地板結問題進一步加重。