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實驗室，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]。土壤緊實度是一個合成指標(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和破碎能力。土壤緊實能夠影響作物對水分和養(yǎng)分的吸收利用，進(jìn)而會對作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響，土壤緊實對作物生長與產(chǎn)量的影響成為全球關(guān)注的問題。目前國內(nèi)外對緊實度研究主要集中于測量手段和評價方法及對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)土壤緊實化較為嚴(yán)重，改良農(nóng)田土壤緊實化對于指導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動、提高糧食產(chǎn)量具有重要的意義。

2 典型區(qū)域土壤緊實化特征

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)。目前耕層土壤緊實度未出現(xiàn)較大障礙，但犁底層土壤則面臨過于緊實狀況，其平均緊實度達(dá)到了耕層的3.7倍，形成了明顯的機械障礙層。尤其是關(guān)中和渭北地區(qū)，犁底層的平均緊實度甚至達(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。據(jù)統(tǒng)計，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[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)到緊實和很緊實狀態(tài)[5]。犁底層土壤發(fā)生緊實，可能會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)育過程對養(yǎng)分需求，追肥次數(shù)又增加，在涇河一帶，非水田長時間地表積水和逢雨河水必漲等，都與農(nóng)田內(nèi)部緊實化密切相關(guān)。土壤緊實化已經(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)生機理，以便得到有效地改良與校正。

3 土壤緊實度危害

土壤緊實度增加了土壤容重，降低孔隙度，使得根系在土壤中的生長受阻，同時水分入滲減小，影響植物根系活動特性，低化根系對土壤養(yǎng)分的利用率[8]。土壤緊實也會以直接或間接方式影響作物的健康生長，且涉及的利用機理比較復(fù)雜。一般而言，土體緊實會使土壤大孔隙減少，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水分的調(diào)節(jié)能力下降，既不利于作物生長，又會引起水土流失[7]。同時，緊實還會影響作物對養(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，面源污染危險遞增[8]。土壤過分緊實，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，進(jìn)而導(dǎo)致土壤反硝化作用強，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)于土壤緊實對作物根系生長的機理研究報道也不少，一般而言，當(dāng)土壤緊實度過高(700～1200 kPa)，就會對植物根系產(chǎn)生一定的機械脅迫作用，如砂壤土過于緊實，在1470 k Pa以上時，就會開始阻礙作物的根系生長，而當(dāng)阻力超過2450 kPa時，則植物生長嚴(yán)重受阻[11]。過度緊實阻礙根系新陳代謝、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，迫使作物根系對人為頻繁施肥與灌溉的依賴增加。此外，過緊實還會影響根的導(dǎo)水率、水分和養(yǎng)分的吸收。土壤緊實度的增大，玉米根系的根系形態(tài)和生理特征受到影響，長期的脅迫作用會降低植株的導(dǎo)水率[12]，一般情況下過于緊實土壤中作物根系通過增加釋放化學(xué)信號ABA和乙烯等化學(xué)信號物質(zhì)，調(diào)節(jié)根系的生長。同時出苗、產(chǎn)量以及一些地上生理指標(biāo)也會受到土壤緊實的間接影響，緊實會導(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在不同土壤緊實程影響下所做出的的反應(yīng)存在差異，如研究發(fā)現(xiàn)緊實脅迫對大豆和小麥的生理特征影響較玉米和煙草更小。

4 土壤緊實度的影響因素

土壤緊實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)機械等都會對土壤緊實度產(chǎn)生影響。一般情況，質(zhì)地較細(xì)的粘土和壤土發(fā)生緊實的可能性較大，砂土的土壤緊實度最小[14]。土壤水分含量是影響緊實過程的最重要因素，含水量較多時水分充滿孔隙，土壤顆粒間的內(nèi)聚力增強，容易使土壤顆?！盎钡揭黄?，發(fā)生緊實[15]。不合理的施肥和種植措施也會造成土壤緊實，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，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[16]。而近年來，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械的大規(guī)模使用，造成土層壓實，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)土壤緊實的主要原因之一，而過度和不合理使用農(nóng)業(yè)機械均會加劇土壤緊實化現(xiàn)狀。

5 土壤緊實度的改良

基于生產(chǎn)需求研究黃土高原旱地農(nóng)田土壤緊實化的產(chǎn)生機理，探究其對作物生長的負(fù)面效應(yīng)，并基于科學(xué)的試驗提出在農(nóng)田中預(yù)防和消除緊實的改良方案，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)。目前土壤緊實的主要措施有：添加有機肥料如農(nóng)家肥、堆肥或其他的有機質(zhì)如木屑、報紙、城市淤泥等改善土壤結(jié)構(gòu)[17]；改變農(nóng)田耕作制度，實行科學(xué)地耕作，如深松、免耕等；同時還可以改變作物的輪作制度，實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)機械化對土壤壓實，也可以造成土體緊實[18]，因此改進(jìn)農(nóng)業(yè)機械也是目前改善土壤緊實的一個重要措施[16]。