安 晶， 黎 明， 肖質(zhì)秋， 虞 娜， 鄒洪濤， 張玉龍

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽(yáng) 110866)

土壤板結(jié)是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)共同面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度提高，由土壤板結(jié)造成的土壤退化面積正逐年增大。土壤板結(jié)將會(huì)導(dǎo)致土壤孔隙度降低、硬度增大和通氣性降低等一系列問(wèn)題。土壤板結(jié)的形成與土壤壓縮回彈特性密切相關(guān)。前人通常采用計(jì)算壓縮曲線中的相關(guān)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)土壤壓縮回彈特性，這些指標(biāo)包括預(yù)固結(jié)壓力值、壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)等。預(yù)固結(jié)壓力值代表土壤的承壓能力，當(dāng)外施壓力超過(guò)預(yù)固結(jié)壓力值時(shí)，土壤發(fā)生塑性形變。壓縮指數(shù)被認(rèn)為是評(píng)價(jià)土壤板結(jié)敏感性的指標(biāo)，壓縮指數(shù)越大，土壤發(fā)生板結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)性越高。回彈指數(shù)表征土壤被壓縮后膨脹回彈的能力，回彈指數(shù)越大，說(shuō)明土壤被壓縮后回彈能力越強(qiáng)。有機(jī)質(zhì)含量及土壤水分是影響土壤板結(jié)的重要因素，但二者及其交互作用對(duì)土壤壓縮回彈特性的影響的研究結(jié)果不盡相同。有研究表明，土壤預(yù)固結(jié)壓力值、回彈指數(shù)均與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。林琳等研究認(rèn)為，黑土回彈指數(shù)未隨有機(jī)質(zhì)含量的增加而表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，有機(jī)質(zhì)含量對(duì)相同壓實(shí)程度土壤的恢復(fù)能力無(wú)顯著影響；關(guān)于土壤水分對(duì)土壤壓縮回彈指標(biāo)的影響，有研究認(rèn)為，土壤預(yù)固結(jié)壓力值隨著土壤基質(zhì)勢(shì)增加而增大。土壤基質(zhì)勢(shì)同壓縮指數(shù)無(wú)相關(guān)性，但黑土的壓縮指數(shù)同土壤基質(zhì)勢(shì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。Lima等認(rèn)為，土壤的壓縮性與土壤含水量間呈現(xiàn)拋物線關(guān)系。Blano-Canqui等研究指出，在相同含水量條件下，秸稈的添加將改變土壤的基質(zhì)勢(shì)。秸稈添加對(duì)土壤壓縮特性的影響很可能是由于基質(zhì)勢(shì)的改變而造成的，從而掩蓋了秸稈添加對(duì)土壤壓縮特性的直接作用。因此，研究土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)土壤壓縮特性的影響更具有意義。秸稈中含有豐富的有機(jī)物料且富有活力。秸稈還田是增加土壤有機(jī)質(zhì)含量的重要措施之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。但是秸稈還田后，秸稈還田量和土壤基質(zhì)勢(shì)及其交互作用對(duì)土壤壓縮回彈特性的影響尚不明確。本研究通過(guò)室內(nèi)模擬固結(jié)試驗(yàn)，探討土壤壓縮回彈特性同秸稈添加量和土壤基質(zhì)勢(shì)間的關(guān)系，研究結(jié)果將為秸稈資源化利用和降低土壤板結(jié)風(fēng)險(xiǎn)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

自沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)后山試驗(yàn)基地采集棕壤樣品，采樣深度為0—20 cm，容重為1.36 g/cm。pH為5.70，有機(jī)質(zhì)含量13.24 g/kg,顆粒組成：砂粒64.54%，粉粒9.81%，黏粒25.71%。土樣經(jīng)自然風(fēng)干，挑除植物根系、動(dòng)植物殘?bào)w及其他異物，過(guò)2 mm篩，充分混勻后，裝入保鮮袋中備用。裝袋之前測(cè)定風(fēng)干土的含水量。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021年6月在室內(nèi)且通風(fēng)良好條件下進(jìn)行。將秸稈粉碎成細(xì)末過(guò)60目篩，按照0，3，5 g/kg的比例添加于供試土壤中(相當(dāng)于大田秸稈還田量0，7 800，15 000 kg/hm)，制備成不同秸稈添加量的供試土樣，其相應(yīng)代碼分別為CK,AD3和AD5。以土壤基質(zhì)勢(shì)為試驗(yàn)因素，設(shè)高(1 000 kPa)、中(100 kPa)和低(10 kPa)3個(gè)水平。初始容重設(shè)定為1.30 g/cm，2因素完全組合，共9個(gè)試驗(yàn)處理。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

所用單個(gè)供試土樣用容重環(huán)制作，容重環(huán)高2 cm,體積為60 cm。為了確保單個(gè)供試土樣內(nèi)部密度均一，填裝前先稱取欲充填的濕土，分2層逐次填至容重環(huán)內(nèi)。供試土樣進(jìn)行飽和后，通過(guò)水頭法和壓力膜儀控制土壤基質(zhì)勢(shì)，得到不同土壤基質(zhì)勢(shì)的供試土壤樣品。

土壤壓縮-回彈試驗(yàn)采用GZQ-1型全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀進(jìn)行。按照12.5，25，50，75，100，150，200，150，100，75，50，25，12.5，25，50，75，100，150，200，400，800，1 200，1 600 kPa荷載次序?qū)υ嚇邮┘訅毫?)，每個(gè)壓強(qiáng)下持續(xù)10 min，記錄土壤形變量并計(jì)算對(duì)應(yīng)孔隙比()，得到壓縮曲線、回彈曲線和再壓縮曲線，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.4 土壤壓縮回彈特性指標(biāo)的計(jì)算

利用Gompertz方程對(duì)壓縮曲線進(jìn)行擬合:

=+exp{-exp[(log-)]}

(1)

式中：、、和為擬合參數(shù)。

壓縮指數(shù)()計(jì)算公式為：

(2)

壓縮曲線曲率()計(jì)算公式為：

(3)

令公式(3)的二階導(dǎo)數(shù)為0，即可求得土壤壓縮曲線最大曲率()處的壓力值()，即預(yù)固結(jié)壓力值(，kPa)。

回彈指數(shù)為回彈曲線和再壓縮曲線兩交點(diǎn)斜率。

1.5 基于主成分分析的土壤壓縮回彈特性綜合評(píng)價(jià)模型

不同秸稈添加量和土壤基質(zhì)勢(shì)處理下土壤壓縮回彈特性指標(biāo)(最大曲率、預(yù)固結(jié)壓力值、壓縮指數(shù)和回彈指數(shù))組成矩陣進(jìn)行主成分分析，選取累積百分率≥75%的主成分因子，選取主成分的特征向量構(gòu)成主成分方程。再根據(jù)主成分貢獻(xiàn)率，構(gòu)建土壤回彈和抗壓縮特性的綜合評(píng)價(jià)模型。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 24軟件進(jìn)行單因素及二因素方差分析，處理間差異顯著性用Duncan 單因素方差分析法。使用 Matlab 2016最小二乘法lsqcurvefit 函數(shù)對(duì)壓縮、回彈和再壓縮曲線進(jìn)行擬合，并計(jì)算壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)。采用R Soilphysics包計(jì)算最大曲率和預(yù)固結(jié)壓力值。采用主成分分析法，構(gòu)建綜合模型來(lái)反映秸稈添加量和土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)土壤回彈和抗壓縮特性的影響。使用Origin 2017軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓縮曲線的最大曲率

壓縮曲線最大曲率是壓縮曲線由“彈性”向“塑性”階段過(guò)渡部分的斜率，它的數(shù)值大小代表著土壤受外力作用下失去彈性的快慢及發(fā)生土壤板結(jié)的速度。

相同基質(zhì)勢(shì)條件下，最大曲率隨秸稈添加量變化規(guī)律相同，即隨著秸稈添加量的增加，最大曲率呈下降趨勢(shì)(圖1)。同CK相比，AD5處理顯著降低了最大曲率(<0.05)。在中高基質(zhì)勢(shì)條件下，AD3處理對(duì)最大曲率的影響差異顯著(<0.05)。但是在低基質(zhì)勢(shì)條件下，AD3處理對(duì)最大曲率無(wú)顯著影響(>0.05)。在中基質(zhì)勢(shì)條件下，AD3和AD5處理對(duì)最大曲率影響不顯著(>0.05)。

注：圖柱上方不同小寫字母表示相同基質(zhì)勢(shì)條件下不同秸稈添加量間差異顯著(p<0.05)；不同大寫字母表示相同秸稈添加量條件下不同基質(zhì)勢(shì)間差異顯著(p<0.05)。下同。圖1 秸稈添加量和土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)土壤壓縮曲線最大曲率的影響

相同秸稈添加量條件下，土壤壓縮曲線最大曲率隨土壤基質(zhì)勢(shì)的增加總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖1)。AD5處理下，中高基質(zhì)勢(shì)處理下的最大曲率顯著高于低基質(zhì)勢(shì)處理下的最大曲率(<0.05)。AD3處理下，各基質(zhì)勢(shì)處理對(duì)最大曲率影響差異不顯著(>0.05)。

雙因素方差分析結(jié)果表明，秸稈添加量與土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)土壤壓縮曲線最大曲率影響的差異顯著(<0.05)，但二者的交互作用對(duì)最大曲率的影響未達(dá)到顯著性水平(>0.05)(表1)。

表1 秸稈添加量及土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)土壤壓縮曲線最大曲率的方差分析

2.2 預(yù)固結(jié)壓力值

預(yù)固結(jié)壓力值()被認(rèn)為是受到外力作用后，土壤形變由彈性階段向塑性階段轉(zhuǎn)變的壓力值分界點(diǎn)(kPa)，其數(shù)值越大，則該土壤抵抗外力壓縮、保持原有結(jié)構(gòu)不變的能力越強(qiáng)。不同秸稈添加量和土壤基質(zhì)勢(shì)處理下，預(yù)固結(jié)壓力值的變化范圍為42.34～71.07 kPa，秸稈添加量為3 g/kg、土壤基質(zhì)勢(shì)為1 000 kPa時(shí)，預(yù)固結(jié)壓力值最大(圖2)。

圖2 秸稈添加量和土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)預(yù)固結(jié)壓力值的影響

相同秸稈添加量處理下，預(yù)固結(jié)壓力值隨著土壤基質(zhì)勢(shì)的增加而增大(圖2)。同CK相比，AD3處理下，土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)預(yù)固結(jié)壓力值的影響差異不顯著，但比CK處理在相同基質(zhì)勢(shì)條件下的預(yù)固結(jié)壓力值分別增加了57.57%，35.45%和1.50%。當(dāng)土壤基質(zhì)勢(shì)為100 kPa時(shí)，AD5處理的預(yù)固結(jié)壓力值顯著高于CK處理。

雙因素方差分析結(jié)果(表2)表明，秸稈添加量、土壤基質(zhì)勢(shì)以及二者間的交互作用均顯著影響土壤預(yù)固結(jié)壓力(<0.05)。

表2 秸稈添加量及土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)壓縮指數(shù)的方差分析

2.3 壓縮指數(shù)

壓縮指數(shù)()為壓縮曲線的塑性階段土壤體積隨外力(荷載壓強(qiáng))增加的變化速率，其數(shù)值越大，土壤可壓縮性越高，對(duì)外力作用越敏感，發(fā)生土壤板結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)越高。

土壤基質(zhì)勢(shì)不同，壓縮指數(shù)隨秸稈添加量變化的趨勢(shì)也不同。低基質(zhì)勢(shì)條件下，壓縮指數(shù)隨著秸稈添加量增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，但AD3和AD5處理下壓縮指數(shù)差異不顯著(>0.05)。中基質(zhì)勢(shì)條件下，壓縮指數(shù)隨著秸稈添加量的增加而增大，同CK相比，AD3和AD5處理下壓縮指數(shù)分別提高了16.49%和19.03%。高基質(zhì)勢(shì)條件下，壓縮指數(shù)隨著秸稈添加量增加先減小后增大，AD3處理下壓縮指數(shù)最小(圖3)。

CK和AD5處理下，壓縮指數(shù)隨著土壤基質(zhì)勢(shì)的升高呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。AD3處理下的壓縮指數(shù)隨土壤基質(zhì)勢(shì)變化趨勢(shì)與之相反。AD3和AD5處理下，土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)土壤壓縮指數(shù)的影響差異不顯著(>0.05)(圖3)。

圖3 秸稈添加量和土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)壓縮指數(shù)的影響

雙因素方差分析結(jié)果(表3)表明，秸稈添加量和土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)壓縮指數(shù)的影響均到達(dá)顯著性差異(<0.05)，且二者的交互作用對(duì)壓縮指數(shù)的影響也達(dá)到顯著性水平(<0.05)。

表3 秸稈添加量及土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)壓縮指數(shù)的方差分析

2.4 回彈指數(shù)

由回彈曲線和再壓縮曲線確定的土壤回彈指數(shù)，數(shù)值越大，表明該土壤被壓縮后膨脹回彈的能力越強(qiáng)。如圖4所示，相同基質(zhì)勢(shì)條件下，回彈指數(shù)有隨秸稈添加量增加而增大的趨勢(shì)。AD3和AD5處理下的回彈指數(shù)均高于對(duì)照處理，且差異達(dá)到顯著性水平(<0.05)。但AD3和AD5處理下的回彈指數(shù)無(wú)顯著性差異。

圖4 土壤秸稈添加量和土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)回彈指數(shù)的影響

相同秸稈添加量處理下，回彈指數(shù)均在中基質(zhì)勢(shì)條件下有最小值。AD3處理下，高基質(zhì)勢(shì)條件下的回彈指數(shù)顯著高于中低基質(zhì)勢(shì)條件下壓縮指數(shù)；AD5處理下，各基質(zhì)勢(shì)處理間的壓縮指數(shù)差異不顯著(>0.05)。

以國(guó)家超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10659—2015《無(wú)損檢測(cè) 鍛鋼材料超聲檢測(cè) 連桿的檢測(cè)》為依據(jù)對(duì)汽車連桿進(jìn)行無(wú)損評(píng)價(jià)。由于單振元的聚焦能力弱，而多振元對(duì)同一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行聚焦后會(huì)通過(guò)疊加作用大幅度提高該點(diǎn)的聲壓幅值，這樣能夠提高聚焦點(diǎn)處的回?fù)芊担岣呷毕莼夭ㄗR(shí)別效果，因此參與子振元的數(shù)量越多,其聚焦效果越好 [19]。

雙因素方差分析結(jié)果(表4)表明，秸稈添加量與土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)土壤回彈指數(shù)影響的差異性達(dá)到極顯著水平(<0.01)。但秸稈添加量與土壤基質(zhì)勢(shì)二者的交互作用對(duì)土壤回彈指數(shù)的影響差異不顯著(>0.05)。

表4 秸稈添加量及土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)土壤回彈指數(shù)的方差分析

2.5 土壤壓縮回彈特性綜合評(píng)價(jià)

壓縮曲線的最大曲率、預(yù)固結(jié)壓力值、壓縮指數(shù)和回彈系數(shù)4個(gè)指標(biāo)從不同的方面來(lái)評(píng)價(jià)土壤的回彈和抗壓縮特性，但是結(jié)論不統(tǒng)一。因此，綜合評(píng)價(jià)土壤的回彈和抗壓縮特性十分必要。

以基本特征值大于1取得2個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)77.7%。利用2個(gè)主成分各指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的特征向量值建立2個(gè)主成分的函數(shù)表達(dá)式：=0539+0527-0544-0369和=0493+0362-0362+0704。根據(jù)主成分貢獻(xiàn)率，土壤回彈和抗壓縮特性的綜合評(píng)價(jià)模型為：=0483×+0294×。

由圖5可知，中低基質(zhì)勢(shì)條件下，同CK相比，秸稈添加了提高值，但AD3和AD5處理間差異不顯著。高基質(zhì)勢(shì)條件下，秸稈添加量各處理間的值差異不顯著。相同秸稈添加量條件，值隨著土壤基質(zhì)勢(shì)的增加而增大。其中，AD5處理下，高基質(zhì)勢(shì)和低基質(zhì)勢(shì)條件下的值差異顯著(<0.05)。

圖5 秸稈還田量和土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)土壤回彈和抗壓縮能力的影響

進(jìn)一步分析秸稈還田量和土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)值的影響，結(jié)果表明，秸稈添加量、土壤基質(zhì)勢(shì)及二者間的交互作用均顯著影響值(<0.05)(表5)。值越高，說(shuō)明土壤回彈和抗壓縮能力越強(qiáng)；反之，則表示土壤回彈和抗壓縮能力低。

表5 秸稈添加量及土壤基質(zhì)勢(shì)對(duì)Z值的方差分析

3 討 論

最大曲率受到邊界條件的影響，與初始孔隙比呈正相關(guān)關(guān)系，即供試土壤越疏松，則壓縮曲線最大曲率也越大，由彈性階段過(guò)渡到塑性階段變化越迅速，這與本研究前提有所不同。本研究中，初始容重相同，即初始孔隙度相同，最大曲率只受到有機(jī)質(zhì)和土壤基質(zhì)勢(shì)的影響。相同土壤基質(zhì)勢(shì)條件下，土壤最大曲率隨著秸稈添加量的增加而降低，即土壤的抗壓性能隨著秸稈添加量增加而不斷提高，土壤由彈性向塑性過(guò)渡的較為平緩。這可能是由于作為有機(jī)質(zhì)重要來(lái)源的秸稈，進(jìn)入到土壤中作為有彈性的物質(zhì)而起作用。有機(jī)質(zhì)是多種大分子有機(jī)化合物的復(fù)合體，具有良好的伸縮性；在受到外力作用時(shí)會(huì)表現(xiàn)出可壓縮性，而當(dāng)外力撤去之后又會(huì)使土壤顯現(xiàn)出較大的彈性，據(jù)此有學(xué)者認(rèn)為，有機(jī)質(zhì)是土壤中的“減震器”。雖然秸稈的添加增加了彈性，但是從孔隙上來(lái)看，秸稈添加可能提高了中等大小孔隙的數(shù)量，因此隨著土壤基質(zhì)勢(shì)的增加，孔隙水壓力和有效壓力下降，抗壓能力降低，從而增大了最大曲率。

前人研究表明，含水量低的土壤具有較高的預(yù)固結(jié)壓力值。提高土壤的預(yù)固結(jié)壓力值，降低壓縮指數(shù)，將大大降低土壤板結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。本研究中，預(yù)固結(jié)壓力值和壓縮指數(shù)同秸稈添加量和土壤基質(zhì)勢(shì)均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。預(yù)固結(jié)壓力值隨著土壤基質(zhì)勢(shì)的增加而增大，主要原因可能是孔隙內(nèi)水分降低，或者包裹在土壤顆粒表面的水膜變薄，土壤顆粒間觸點(diǎn)上的水膜彎月面力增大所致。水膜彎月面將顆粒拉到一起，其有效應(yīng)力及接觸點(diǎn)數(shù)量的不同最終導(dǎo)致了在不同基質(zhì)勢(shì)條件下預(yù)固結(jié)壓力值的差異。秸稈添加量的增加可能提高了顆粒間的摩擦力以及硬度，從而提高了土壤承壓能力。壓縮指數(shù)同秸稈添加量總體呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，這可能是因?yàn)榻斩捨锤馇?，秸稈添加體現(xiàn)出的是自身彈性，增加了土壤的可壓縮性，因此隨著秸稈添加量的增加，壓縮指數(shù)隨之增大。當(dāng)土壤基質(zhì)勢(shì)較高、水分含量較低時(shí)，大多數(shù)孔隙內(nèi)的水分排出，土壤孔隙中水分無(wú)法承擔(dān)作用于土壤中的部分外力，包裹在顆粒表面的水膜也喪失了潤(rùn)滑和緩沖的作用，因此壓縮指數(shù)隨之增大。

同樣受到秸稈自身彈性影響的還有回彈指數(shù)，回彈指數(shù)隨著秸稈添加量的增加而增大，抗壓縮性能提高；隨著土壤基質(zhì)勢(shì)的增加，回彈指數(shù)呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)楫?dāng)土壤基質(zhì)勢(shì)較低(10 kPa)，含水量較高時(shí)，包被顆粒的水膜厚、土粒之間距離較大，此時(shí)受到外力作用后除土壤顆粒間易于滑動(dòng)外，存在于其間的水分也會(huì)起到支撐作用，結(jié)果使土壤變得不易被壓縮。隨著土壤基質(zhì)勢(shì)增加(100 kPa)，黏粒受到壓實(shí)作用后極易發(fā)生定向排列而變得緊實(shí)、回彈系數(shù)下降；當(dāng)水分含量很低時(shí)(1 000 kPa)，土壤顆粒之間的黏結(jié)力和摩擦力都很強(qiáng)，表現(xiàn)出不易被壓縮的特性，回彈系數(shù)再次增加。

4 結(jié) 論

(1)秸稈添加量、土壤基質(zhì)勢(shì)及二者間的交互作用對(duì)土壤壓縮曲線最大曲率、壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)的影響都達(dá)到顯著性水平。

(2)預(yù)固結(jié)壓力值、壓縮指數(shù)和回彈系數(shù)總體呈現(xiàn)隨著秸稈添加量的增加而增大的趨勢(shì)，而最大曲率則隨著秸稈添加量的提高而降低。

(3)土壤基質(zhì)勢(shì)同壓縮曲線最大曲率、預(yù)固結(jié)壓力值和壓縮指數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系?；貜椫笖?shù)隨著土壤基質(zhì)勢(shì)的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。

(4)通過(guò)主成分分析構(gòu)建模型，綜合評(píng)價(jià)土壤基質(zhì)勢(shì)和秸稈添加量對(duì)土壤回彈和抗壓縮特性的影響可知，添加秸稈可以提高中低土壤基質(zhì)勢(shì)條件下的土壤回彈和抗壓縮特性。