李 勇 趙云澤 勾宇軒 于茹月 黃元仿,2

(1.中國農業(yè)大學土地科學與技術學院， 北京 100193； 2.自然資源部農用地質量與監(jiān)控重點實驗室， 北京 100193)

0 引言

良好的農田土壤耕層結構是糧食高產高效的重要前提。隨著農業(yè)機械化的發(fā)展，土壤壓實成為影響土壤質量和作物生長不可忽視的問題，嚴重威脅著農業(yè)生產活動。壓實作用通過影響土壤孔隙度、導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主要是由自然過程和農業(yè)大型機械作業(yè)造成的[3]。過度的土壤壓實限制作物根系的生長，對作物的整體生長和產量造成物理和生理上的抑制作用[4-5]。此外，壓實層在土壤剖面中的位置也會影響作物根系的分布、密度及根系生長區(qū)域的范圍[6-7]。土壤壓實對根系生長的限制程度也取決于作物的種類和年齡[8]。有研究表明，土壤壓實主要與農田耕收期間長期或短期的農業(yè)機械壓實有關。除此之外，土壤質地、含水率和農田耕作制度也是影響土壤壓實的重要因素[9-10]。土壤容重、孔隙度和電導率通常被認為是評價土壤壓實情況的敏感指標[11-12]。雖然這些指標在農田尺度上能夠有效表征土壤壓實情況，但對于大規(guī)模調查來說，這些指標獲取耗時耗力且數(shù)據(jù)不具有連續(xù)性。土壤穿透阻力(Penetration resistance, PR)因對土壤性質變化具有敏感性，是表征土壤壓實層的物理和力學特征的連續(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有助于識別農田中因土壤壓實而抑制作物生長的區(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田土壤物理性質的變化[15]，然而在大尺度上，通過農田土壤穿透阻力的變化定量識別土壤壓實層位置和厚度的研究相對較少。

因此，本文將以黃淮海旱作區(qū)為研究對象，基于農田土壤穿透阻力的變化特征，識別農田土壤中壓實層和耕作層的厚度，探究旱作區(qū)農田耕作層和壓實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)有關坡度分級標準，將地形坡度小于5°、1 km2網(wǎng)格內旱地占耕地面積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個縣(市)，總面積約28.12萬km2(圖1)。研究區(qū)大部分屬于溫帶季風氣候，年均溫度13～15℃，年均降水量500～800 mm，多年平均日照時數(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(15 km×15 km)，并結合土壤類型進行分層抽樣，抽樣時考慮種植體系、種植面積和集中連片度等因素，根據(jù)以上抽樣布點原則共布設255個樣點，土壤樣品采集于2017年5—6月，每個采樣點按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm 4層采集樣品，采用SC-900型緊實度儀于田間現(xiàn)場測量0～40 cm土壤穿透阻力，土壤容重(Bulk density, BD)測定采用環(huán)刀法(體積100 cm3)，土壤含水率(Soil water content, SWC)測定采用干燥法，土壤顆粒組成采用激光粒度儀測定，土壤有機質(Soil organic matter, SOM)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；基于測定的土壤穿透阻力數(shù)據(jù)集，采用Mann-Kendall突變檢驗法[16]測定壓實層厚度和耕作層厚度，并分別計算壓實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

M-K方法是一種非參數(shù)檢驗，可用于檢測統(tǒng)計變量的變化趨勢，并確定數(shù)據(jù)序列中發(fā)生突變的位置。其主要優(yōu)點是無需對數(shù)據(jù)序列進行特定的分布檢驗，且該方法廣泛用于檢測水文、氣象等數(shù)據(jù)在不同時間序列上的變化趨勢[17-18]。而根據(jù)各采樣點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，應用M-K突變檢驗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)間的相關性會影響M-K檢驗的結果[19]，所以在應用該方法前先采用去趨勢預置白法對數(shù)據(jù)進行處理，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)序列的趨勢序列

m——序列長度

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)總個數(shù)

tj——樣本統(tǒng)計量

在原序列獨立的假設下，樣本統(tǒng)計量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數(shù)據(jù)對應的次序

將式(4)的tj標準化，得到

(6)

之后，組成一條u(t)曲線，通過信度檢驗得出其是否有明顯的變化趨勢；并應用于反序列中，計算得到另一條曲線u′(t)，兩條曲線交點確定為突變點；Z值為標準化值，如果交點在置信區(qū)間內，表示該點在本數(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熱點分析

為了有效表征研究對象聚集或分散發(fā)生的具體空間位置，采用熱點分析來識別壓實層和耕作層的冷熱點空間分布格局。引入Getis-OrdGu得分，并在ArcGIS 10.5軟件中進行計算。公式為

(7)

其中

(8)

(9)

式中xv——v區(qū)域內壓實層和耕作層的厚度

wu,v——要素u和v之間的空間權重

n——采樣點總個數(shù)

Gu——具有顯著統(tǒng)計學意義的Z值得分

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

2 結果與分析

2.1 土壤基本物理性質描述性統(tǒng)計特征

采用SPSS 23.0軟件，對旱作區(qū)各層土壤基本物理性質進行了統(tǒng)計分析(表1)。不同層次的土壤質地均為粉砂質壤土。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)，這是因為表層土壤通過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)。不同土層有機質含量存在很大差異性，隨著土壤深度的增加，土壤有機質含量隨之減小，其中0～10 cm的土壤有機質含量最高，為20.53 g/kg，30～40 cm土壤有機質含量最低，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，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的描述性統(tǒng)計特征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

容重是用來表征土壤壓實情況的常用指標，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特征的精確指標，而土壤穿透阻力是一個間隔小的連續(xù)變量，與常規(guī)土壤剖面中所測定的容重相比，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(圖2)，研究結果與前人的研究一致[22]。不同土壤類型的壓實層深度有較大差異。其中砂姜黑土的壓實層深度最淺，為15～20 cm，潮土、褐土與風沙土的土壤壓實層深度為20～25 cm。和砂姜黑土相比，潮土與褐土的壓實層深度較深，土壤穿透阻力也較大，分別為2 456.67、2 404.89 kPa。而在風沙土中卻未出現(xiàn)壓實層，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，最大值達到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。有研究表明當土壤穿透阻力大于2 000 kPa時會抑制植物根系生長，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

一般研究認為，土壤穿透阻力的影響因素多而復雜，且不同影響因素之間有一定的自相關性，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。且土壤含水率對土壤穿透阻力呈現(xiàn)顯著的負相關作用，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土壤穿透阻力的間接作用較大，且為負作用，從而使得砂粒含量和粉粒含量對土壤穿透阻力的總影響較小。整體來看，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 相關因素對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，不同質地中土壤穿透阻力的變化。從不同土壤層次來看，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，而在其他土層，不同容重條件下不同土壤質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、砂質壤土、粉砂質壤土，且在容重范圍為1.4～1.6 g/cm3時，壤土穿透阻力達到最大值，為796.57 kPa；容重為1.6～1.8 g/cm3時，粉砂質壤土穿透阻力卻大于砂質壤土。在土層10～20 cm和20～30 cm中，不同土壤質地和容重條件下的穿透阻力沒有顯著性差異，但砂質壤土的穿透阻力在兩個土層中均為最大值，分別為1 961.88、3 176.50 kPa，說明在土層10～30 cm，容重和土壤質地對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(1.2～1.4 g/cm3)的砂質壤土中，且在此容重范圍內不同土壤質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壤土、粉砂質壤土、壤土。研究表明，在表層土壤中(0～10 cm)，容重和土壤質地對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時土壤質地對穿透阻力影響較大。

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 壓實層和耕作層

2.3.1壓實層和耕作層的空間變異

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

表3 交叉驗證結果Tab.3 Cross validation results of interpolation accuracy

圖4 耕作層和壓實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，壓實層較厚”的特點。從土壤穿透阻力的空間分布(圖5)來看，穿透阻力較大的耕作層和壓實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，壓實層最大土壤穿透阻力達到3 293.53 kPa。

2.3.2壓實層和耕作層的影響因素

利用ArcGIS 10.5中的自然斷點法對糧食產量和單位面積農業(yè)機械總動力(簡稱農業(yè)機械總動力)進行了分類(圖6)。在分類的基礎上，對不同糧食產量和農業(yè)機械總動力地區(qū)的耕作層厚度和壓實層厚度進行了統(tǒng)計分析。不同農業(yè)機械總動力區(qū)域中，高總動力區(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)，壓實層厚度顯著高于其他區(qū)域的壓實層厚度(P<0.05)，但是中總動力與低總動力區(qū)域的耕作層和壓實層厚度沒有顯著差異。耕作層厚度最小值和壓實層厚度最大值均出現(xiàn)在農業(yè)機械總動力較高的地區(qū)，分別為13.76、9.65 cm。說明頻繁的農業(yè)機械耕作會使耕作層變薄，壓實層變厚。從不同糧食產區(qū)看，高、中、低產區(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)在中產區(qū)(圖7)。糧食產量隨著壓實層厚度的增加而降低，糧食低產區(qū)的壓實層厚度最大，為10.41 cm，且與高產和中產區(qū)的壓實層厚度有顯著性差異(P<0.05)。

圖6 糧食產量與農業(yè)機械總動力的空間變異Fig.6 Spatial variation of grain yield and total power of agriculture machinery

圖7 不同農業(yè)機械總動力和糧食產量地區(qū)的耕作層和壓實層厚度Fig.7 Thickness of plough layer and compacted layer in different areas

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

圖8 不同糧食產量和農業(yè)機械總動力地區(qū)耕作層和壓實層的穿透阻力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量的重要指標[23]，其影響因素多而復雜。諸多研究認為，土壤層次、土壤質地、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，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，SALAM等[22]在土耳其黑海中部區(qū)域研究也有相似的研究結果，這些研究結果與本研究一致。通常情況下，在土壤容重相同時，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，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，韓巍等[28]通過土壤穿透阻力對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含水率的敏感性大于對容重的敏感性，說明土壤含水率對穿透阻力的影響程度顯著高于容重。然而，本研究結果表明，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]的研究結果相同；同時，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。但這些結果與以往的研究結果并不完全一致[29]。有研究表明半干旱氣候條件下不同土壤質地對土壤穿透阻力具有顯著性影響[30]，王益等[31]對黃土高原南部地區(qū)不同質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壤土、砂質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、砂質壤土、粉砂質壤土，這可能是因為土壤質地越粘，則比表面積越高，從而土壤粘結性增強，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壤土、粉砂質壤土、壤土，造成此結果的原因需要進一步探究。本研究發(fā)現(xiàn)，較高農業(yè)機械總動力區(qū)域的土壤穿透阻力顯著高于中、低農業(yè)機械總動力區(qū)域，頻繁的農業(yè)機械耕作會破壞土壤良好結構，致使土壤緊實，這與前人的研究一致[32-35]，結果表明農田耕作管理也是土壤穿透阻力的重要影響因素。

3.2 壓實層和耕作層空間分異特征

已有研究表明，耕作層厚度和壓實層位置是評價耕地質量的重要參考指標[28,36]，而如何準確判定農田耕作層和壓實層的厚度及位置是評估農田耕層土壤結構的前提。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，壓實層主要分布在15～30 cm，這與本研究的結果相似。土壤剖面觀察法雖然可以直觀精確地測定土壤耕作層和壓實層的厚度，但此方法費時費力，不適用于大尺度范圍的研究。隨著技術的發(fā)展，更先進的方法被應用于農田耕層土壤結構的表征。JEBEK等[13]研究發(fā)現(xiàn)，電阻率層析成像和貫入儀可用于識別壓實層的存在和位置，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估。和土壤剖面觀察法類似，上述方法應用于大尺度農田研究仍需巨大的工作量。因此，針對區(qū)域大尺度的耕層土壤結構的研究，研究者提出了基于土壤穿透阻力數(shù)據(jù)集的M-K檢驗法[16]，并探究了東北平原地區(qū)農田耕層土壤結構特征。而針對本研究的黃淮海區(qū)域農田，M-K檢驗法是評估耕層土壤結構更方便、快捷的一種方法?；谕寥来┩缸枇ε袛喔鲗雍蛪簩崒雍穸纫灿幸欢ǖ南拗菩砸蛩?。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)定性可能會導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，測定土壤穿透阻力時的天氣條件的差異，對土壤穿透阻力的測定有一定的影響。另外，測定土壤穿透阻力的分辨率僅為2.5 cm，因此在進一步研究中應提高土壤穿透阻力測定的精確性，以獲取更為精準的耕作層和壓實層厚度。

黃淮海旱作農田壓實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，不同程度的農業(yè)機械化耕作，加速了表層土壤的松動和流失，導致在表土層以下不同深度形成壓實層[40]。已有研究表明，一般認為土壤穿透阻力大于1 500 kPa的土壤產生了壓實作用，而2 500 kPa是根生長的限制性臨界值[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階段對土壤穿透阻力的反應有顯著差異。因此，在未來的研究中，可利用長期定位試驗進一步探究土壤穿透阻力對不同作物根系的影響。

4 結論

(1)一定深度范圍內，土壤穿透阻力隨著土壤深度的增加而增加。土壤含水率、土壤容重和土壤質地是土壤穿透阻力的主要影響因素。土壤含水率對表層和深層土壤穿透阻力影響均較大，土壤容重和土壤質地分別對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層，且具有明顯的空間分異特征。壓實層較厚區(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到1 218.41 kPa。

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