摘要： 土壤壓實(shí)已成為威脅全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量關(guān)于農(nóng)田土壤壓實(shí)的研究，但壓實(shí)表征指標(biāo)和檢測(cè)方法缺少系統(tǒng)分類。本文從土壤壓實(shí)與作物生長(zhǎng)的關(guān)系出發(fā)，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外已有的土壤壓實(shí)表征指標(biāo)及檢測(cè)方法。主要結(jié)果如下：1） 單一指標(biāo)往往難以量化不同尺度的土壤壓實(shí)程度，對(duì)于田塊尺度，宜選擇土壤穿透阻力和相對(duì)緊實(shí)度，同時(shí)配合土壤含水量來(lái)表征其壓實(shí)狀況；對(duì)于區(qū)域農(nóng)田尺度，宜采用先期固結(jié)壓力來(lái)評(píng)估潛在壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)；2） 應(yīng)依據(jù)在室內(nèi)或田間具體情況選擇相應(yīng)的檢測(cè)方法，室內(nèi)選擇土壤結(jié)構(gòu)檢測(cè)法或先期固結(jié)壓力檢測(cè)法反映土壤壓實(shí)敏感性，田間選擇穿透阻力檢測(cè)法或地球物理檢測(cè)法表征土壤壓實(shí)程度。今后研究建議：1） 更加深入研究土壤壓實(shí)對(duì)作物根系形態(tài)、地上部光合產(chǎn)物的分配以及其他土壤質(zhì)量指標(biāo)的影響，并加強(qiáng)作物對(duì)于土壤壓實(shí)的反饋機(jī)制研究；2） 結(jié)合研究尺度，將土壤物理學(xué)指標(biāo)與土壤力學(xué)指標(biāo)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建一套系統(tǒng)評(píng)價(jià)土壤壓實(shí)程度的指標(biāo)體系；3） 從方法上削弱土壤空間異質(zhì)性帶來(lái)的影響應(yīng)是今后土壤壓實(shí)田間檢測(cè)方法的重要研究方向。

關(guān)鍵詞： 農(nóng)田土壤壓實(shí)； 土壤壓實(shí)指標(biāo)； 土壤結(jié)構(gòu)檢測(cè)法； 先期固結(jié)壓力檢測(cè)法； 穿透阻力檢測(cè)法；參考容重； 土壤壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)

土壤壓實(shí)通常是指由于外在壓力作用使得土壤孔隙度變小、容重增加的現(xiàn)象[1]。一般認(rèn)為，過(guò)度的土壤壓實(shí)將會(huì)導(dǎo)致土壤穿透阻力增加，土壤顆粒排列緊密，土壤通氣和導(dǎo)水大孔隙度降低，進(jìn)而限制土壤氣體交換、水分和養(yǎng)分的運(yùn)移和再分配，阻礙作物根系的延伸，降低作物地上部生物量和產(chǎn)量[2]。導(dǎo)致土壤壓實(shí)的因素有很多，既有天然的，如降雨沉實(shí)、動(dòng)物踐踏等，也有人為的，如農(nóng)田化學(xué)物質(zhì)投入、有機(jī)肥料使用缺乏、機(jī)械耕作、人為踩踏、農(nóng)機(jī)具行走碾壓等。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)得到極大促進(jìn)，然而農(nóng)機(jī)具重量和使用頻率逐步增加，超過(guò)了維持土壤生態(tài)功能所能承受的范圍，使得農(nóng)田土壤壓實(shí)問(wèn)題更加突出，已成為威脅全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[3]。我國(guó)的華北平原、關(guān)中平原、南方紅壤區(qū)均發(fā)現(xiàn)不同程度的壓實(shí)問(wèn)題，作為我國(guó)耕地中“大熊貓”的東北黑土區(qū)更是由于機(jī)械化程度高、土壤容重大、土壤水分通透性差，壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)十分嚴(yán)峻[4?5]。

國(guó)外學(xué)者從20 世紀(jì)50 年代起就開(kāi)始研究土壤壓實(shí)，開(kāi)展了大量關(guān)于農(nóng)田土壤壓實(shí)誘因、特征、危害及消除的研究[2， 4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)這一問(wèn)題的研究大致可以追溯到20 世紀(jì)60 年代中期[5]，主要通過(guò)借鑒國(guó)外研究成果結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況開(kāi)展相關(guān)研究，研究集中在壓實(shí)對(duì)土壤其他物理性質(zhì)[ 6 ]、化學(xué)性質(zhì)[7]、生物性質(zhì)[8]、作物生長(zhǎng)[9]與作物產(chǎn)量[10]的影響等方面。近年來(lái)，壓實(shí)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，壓實(shí)影響因素、壓實(shí)過(guò)程模擬、壓實(shí)消減措施等機(jī)理研究越來(lái)越深入，但有關(guān)壓實(shí)表征仍主要圍繞土壤容重和穿透阻力等少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)開(kāi)展，究其原因在于對(duì)其發(fā)生機(jī)理、驅(qū)動(dòng)因素認(rèn)知不夠全面和深刻，危害性評(píng)價(jià)不夠準(zhǔn)確，缺乏以作物生長(zhǎng)為參比的表征指標(biāo)。此外，國(guó)內(nèi)對(duì)于壓實(shí)檢測(cè)方法的研究尚處于起步階段，特別是對(duì)于大中尺度下農(nóng)田土壤壓實(shí)狀況的檢測(cè)方法尚十分缺乏。

目前有不少關(guān)于土壤壓實(shí)研究的綜述文獻(xiàn)，如張興義等[4]論述了土壤壓實(shí)測(cè)定方法，提到了壓實(shí)指示參數(shù)及觀測(cè)儀器，王憲良等[11]綜述了土壤壓實(shí)調(diào)查方法，并分析了各方法的特點(diǎn)和性能，但都僅僅進(jìn)行了粗略的描述，并沒(méi)有將土壤壓實(shí)表征指標(biāo)和檢測(cè)方法系統(tǒng)總結(jié)并詳細(xì)論述。

有鑒于此，本文從土壤壓實(shí)與作物生長(zhǎng)的關(guān)系出發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)外已有的土壤壓實(shí)表征指標(biāo)及檢測(cè)方法進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，比較了不同表征指標(biāo)及檢測(cè)方法優(yōu)劣和適應(yīng)條件，并提出了今后壓實(shí)評(píng)價(jià)研究應(yīng)致力的方向，以期為農(nóng)田土壤壓實(shí)的進(jìn)一步研究提供參考。

1 土壤壓實(shí)與作物生長(zhǎng)的關(guān)系

土壤壓實(shí)程度通常表征為土壤壓實(shí)度或緊實(shí)度，是反映農(nóng)田土壤物理狀態(tài)的重要指標(biāo)，其在一定程度上可以作為作物產(chǎn)量的預(yù)警指標(biāo)[12]。多數(shù)情況下，土壤壓實(shí)對(duì)作物生長(zhǎng)弊大于利。就農(nóng)業(yè)土壤而言，壓實(shí)對(duì)作物生長(zhǎng)、土壤性狀的危害是多方面的，長(zhǎng)期壓實(shí)造成土壤壓板[13]。Atwell[14] 研究發(fā)現(xiàn)，隨土壤緊實(shí)度增加，作物吸收養(yǎng)分的能力下降，例如小麥播種33 天后，壓實(shí)的砂壤土小麥地上部生長(zhǎng)明顯慢于未壓實(shí)處理，分蘗也更少，壓實(shí)處理地上部氮、鉀含量較未壓實(shí)處理低12%～14%。Barzegar等[15]設(shè)計(jì)了容重分別為1.4、1.65、1.8 g/cm3 3 種壓實(shí)水平的田間試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著容重的增大，小麥根系對(duì)磷與鋅的累積量以及根系干物質(zhì)量均降低。Zhao等[16]使用11 t 重的拖拉機(jī)分別碾壓地塊0、1、4、8次，模擬4 種土壤壓實(shí)程度，發(fā)現(xiàn)碾壓次數(shù)增加顯著降低硒和提高砷在作物籽粒中的濃度。Soane 等[17]發(fā)現(xiàn)，緊實(shí)土壤中作物生長(zhǎng)消耗的養(yǎng)分比在非緊實(shí)土壤中作物消耗的多，這是因?yàn)榫o實(shí)限制根系生長(zhǎng)，降低了養(yǎng)分的獲取能力，增加了養(yǎng)分流失量，加劇了氮素反硝化作用。對(duì)于作物生理指標(biāo)的研究，李潮海等[18]發(fā)現(xiàn)，土壤緊實(shí)使作物葉面積下降和氣孔導(dǎo)度降低，加速了后期葉片衰老，超氧化物歧化酶活性降低，丙二醛含量增加。

然而，并非所有的土壤壓實(shí)都是有害的，有時(shí)土壤壓實(shí)是有益的，例如，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中，適度的耙耱碾壓不但能增加根系與土壤顆粒之間的接觸面積，促進(jìn)養(yǎng)分和水分的吸收，而且能使種子與土壤充分接觸，利于發(fā)芽和保墑，滿足其生長(zhǎng)發(fā)育的需求。很多學(xué)者的研究也得出了類似的結(jié)果，楊世琦等[19]研究發(fā)現(xiàn)，黏土壓實(shí)對(duì)植物生長(zhǎng)與存活負(fù)效應(yīng)較大，但在沙土和壤土上一定程度的壓實(shí)則對(duì)植物生長(zhǎng)有正效應(yīng)。Beutler 等[20]研究發(fā)現(xiàn)，適度壓實(shí)的半干潤(rùn)氧化土可促進(jìn)大豆生長(zhǎng)發(fā)育，提高其產(chǎn)量。

此外，不同作物種類，甚至同一作物不同品種對(duì)土壤壓實(shí)的響應(yīng)也不盡相同。Reichert 等[21]研究了亞熱帶地區(qū)不同土壤壓實(shí)度對(duì)大豆、黑豆及小麥相對(duì)產(chǎn)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三種作物均隨緊實(shí)度的增加呈現(xiàn)拋物線變化趨勢(shì)，最高相對(duì)產(chǎn)量出現(xiàn)在相對(duì)緊實(shí)度（測(cè)試土壤容重與最大干容重的比值） 80%～95% 時(shí) （圖1）。岳龍凱[22]在東北黑土區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，大豆品種對(duì)于土壤壓實(shí)的耐受性具有年代差異，育成年代較晚的品種具有更高的耐受土壤壓實(shí)的能力，相同壓實(shí)條件下，1940s～1960s 品種耐受壓實(shí)的能力低于1970s～2000s 品種，大豆主莖節(jié)數(shù)、植株干重、有效莢數(shù)等指標(biāo)表現(xiàn)出明顯的年代差異。

2 土壤壓實(shí)程度表征指標(biāo)

選擇適宜的表征指標(biāo)是評(píng)估土壤壓實(shí)程度的基礎(chǔ)。目前已有多種土壤壓實(shí)度的表征指標(biāo)，按壓實(shí)所致土壤初級(jí)變化或次級(jí)變化可分為直接指標(biāo)和間接指標(biāo)[23]，按指標(biāo)屬性又可分為表征壓實(shí)狀況的土壤物理學(xué)指標(biāo)和探求土壤極限壓實(shí)與潛在壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)的土質(zhì)力學(xué)指標(biāo)兩大類。對(duì)于農(nóng)田土壤而言，土壤壓實(shí)可看作土壤物理學(xué)角度的土體壓實(shí)[24]與土質(zhì)力學(xué)角度的土體壓縮[25]的結(jié)合，因此本文按指標(biāo)屬性進(jìn)行歸納論述（表1）。

2.1 土壤物理學(xué)指標(biāo)

2.1.1 容重 容重是指單位容積土壤的干重量，它是反映土壤結(jié)構(gòu)狀況最基本的參數(shù)。所有的土壤壓實(shí)都伴隨著土壤結(jié)構(gòu)的改變，因此容重可以被用來(lái)表征農(nóng)田土壤壓實(shí)程度[26]。目前，容重是最常用也是最容易獲取的土壤壓實(shí)程度表征指標(biāo)?？偟膩?lái)說(shuō)，容重與土壤壓實(shí)程度呈正相關(guān)關(guān)系。對(duì)于質(zhì)地相近的農(nóng)田土壤，容重越大，土壤壓實(shí)程度越高，土壤越緊實(shí)；反之，容重越小，土壤壓實(shí)程度越低，土壤越疏松。但是，土壤的結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、緊實(shí)度和有機(jī)質(zhì)以及作物根系類型等因素都會(huì)影響容重?cái)?shù)值，故對(duì)于不同結(jié)構(gòu)性和質(zhì)地的土壤而言，土壤容重所反映的土壤壓實(shí)程度會(huì)受到影響[32]。

容重與作物生長(zhǎng)特別是根系延伸密切相關(guān)。研究者一直嘗試尋找限制作物生長(zhǎng)的容重閾值。例如，Sato 等[33]發(fā)現(xiàn)在巴西亞馬遜氧化土區(qū)，水分保持在田間持水量條件下，對(duì)于砂壤土、粉壤土、壤黏土、黏土大豆根長(zhǎng)密度減少50% 的容重閾值分別為1.82、1.75、1.51、1.45 g/cm3?？梢?jiàn)，容重閾值受作物種類、土壤質(zhì)地、含水量等多種因素的制約，其值的確定往往比較困難[32]。對(duì)于同一種作物，容重閾值通常隨土壤含水量的降低而降低，隨黏粒含量的增加而降低[34]。

2.1.2 土壤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù) 土壤孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)是反映土壤結(jié)構(gòu)特征的核心指標(biāo)，主要包括大孔隙度、孔徑分布和連通性等。與容重反映的總孔隙度不同，孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)側(cè)重于土壤微觀結(jié)構(gòu)的定量描述，直觀反映壓實(shí)過(guò)程中土壤微觀孔隙的變化。不同孔徑的孔隙對(duì)作物生長(zhǎng)的影響不同，目前尚無(wú)統(tǒng)一劃分標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，大孔隙（一般指的是大于檢測(cè)設(shè)備分辨率的孔隙） 主要影響土壤生態(tài)功能，即對(duì)植物生長(zhǎng)和微生物活動(dòng)的支持[27]。農(nóng)田土壤壓實(shí)主要使土壤大孔隙度降低，孔徑越大的孔隙減少幅度越明顯[35]。Lipiec 等[36]在研究孔隙孔徑分布隨壓實(shí)過(guò)程的變化中發(fā)現(xiàn)，孔徑大于100 μm 的大孔隙大幅減少，而孔徑小于6 μm 的孔隙百分比略有增加。Servadio 等[37]則研究了大孔隙孔徑分布在壓實(shí)過(guò)程中的變化，他們將大孔隙按寬度分類，結(jié)果發(fā)現(xiàn)壓實(shí)導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)孔隙所占比例減少，特別是300～500 μm 尺寸的孔隙完全消失，而細(xì)長(zhǎng)孔隙有著減緩根系滲透以及保持水氣存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)淖饔茫瑢?duì)植物生長(zhǎng)有著直接的影響。此外，壓實(shí)還會(huì)降低土壤孔隙連通性，Poehlitz等[38]研究發(fā)現(xiàn)孔隙連通性在50～200 kPa 荷載范圍內(nèi)急劇下降，在100 kPa 荷載時(shí)孔隙連通性變?yōu)榕R界值，達(dá)到200 kPa 荷載后連通性系統(tǒng)發(fā)生崩潰?？紫哆B通性下降的土壤將會(huì)變得致密且不易透水透氣，導(dǎo)致根系生長(zhǎng)不良、作物產(chǎn)量降低。土壤孔隙結(jié)構(gòu)的變化可以量化土壤對(duì)于作用應(yīng)力的反應(yīng)，從而精確反映土壤壓實(shí)程度，然而其只能反映微觀尺度的土壤壓實(shí)狀況，這也限制了其在大中尺度土壤壓實(shí)程度表征上的應(yīng)用。

2.1.3 土壤水力學(xué)特征參數(shù) 土壤水力學(xué)特征參數(shù)是描述土壤水分運(yùn)動(dòng)的重要指標(biāo)，包括土壤導(dǎo)水率、土壤物理質(zhì)量參數(shù)（S 值）、最小限制水分范圍（least limiting water range，LLWR） 等。土壤水力學(xué)特征參數(shù)與作物生長(zhǎng)密切相關(guān)，能間接表征土壤的壓實(shí)程度。Alaoui 等[28]從水力學(xué)角度綜述了土壤水力學(xué)性質(zhì)與土壤壓實(shí)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在壓實(shí)土壤中，土壤飽和導(dǎo)水率顯著降低，水分特征曲線明顯發(fā)生改變。Naderi-Boldaji 等[39]通過(guò)分析12 組不同質(zhì)地土壤的S 值與相對(duì)緊實(shí)度間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者高度相關(guān)，并且建立了相對(duì)緊實(shí)度與1/S 的關(guān)系，可用于比較不同質(zhì)地農(nóng)田土壤之間的壓實(shí)程度。de Lima等[40]發(fā)現(xiàn)連年耕作的甘蔗地，無(wú)論耕層還是犁底層土壤壓實(shí)參數(shù)均與LLWR 顯著相關(guān)。王金滿等[41]系統(tǒng)梳理和總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者在不同區(qū)域、不同土壤壓實(shí)作用對(duì)土壤水力特性影響的相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)在土壤壓實(shí)作用下，土壤的含水量、水分?jǐn)U散率、導(dǎo)水率等指標(biāo)參數(shù)在橫向和縱向都發(fā)生著不同程度的空間變異。也有研究表明，水力學(xué)特征參數(shù)表征壓實(shí)程度的效果可能與土壤質(zhì)地類型有關(guān)，并非在所有土壤質(zhì)地類型中兩者都具有較好相關(guān)性[ 4 2 ]。目前，土壤水力學(xué)特征參數(shù)與壓實(shí)程度的定量關(guān)系仍顯缺乏，影響機(jī)理的解釋相對(duì)較少，參數(shù)獲取精度也較低。

需要指出的是，土壤物理學(xué)指標(biāo)之間是密切相關(guān)的，影響這些指標(biāo)的因素基本一致。當(dāng)某個(gè)因素變化影響到容重時(shí)，孔隙度和水力特征參數(shù)往往也會(huì)受到影響。土壤壓實(shí)越嚴(yán)重，容重越大，土壤孔隙度也越小，同時(shí)土壤水分滲透性及飽和導(dǎo)水率通常也會(huì)減小。在一定條件下，不同土壤物理學(xué)指標(biāo)之間可以相互轉(zhuǎn)換，均可不同程度地反映土壤壓實(shí)程度。

2.2 土質(zhì)力學(xué)指標(biāo)

2.2.1 圓錐指數(shù) 圓錐指數(shù)（cone index），即貫穿阻力或穿透阻力，是指錐體或柱體在穿入土體過(guò)程中所受到的土壤阻力。圓錐指數(shù)是反映土壤壓實(shí)程度的重要土力學(xué)指標(biāo)，決定著土壤機(jī)械阻力大小，在農(nóng)田中能模擬植物根系穿插延伸遇到的機(jī)械阻力或難易程度。趙振家等[29]對(duì)車輪壓實(shí)后不同耕作深度土壤圓錐指數(shù)變化進(jìn)行研究，表明壓實(shí)次數(shù)不同，作用深度不同，并且隨著碾壓次數(shù)增加，圓錐指數(shù)增加趨勢(shì)也不盡相同?？偟膩?lái)說(shuō)，圓錐指數(shù)的大小與土壤壓實(shí)狀況成正比。張立彬[43]研究了土壤壓實(shí)程度對(duì)圓錐指數(shù)的影響，結(jié)果表明隨著壓實(shí)程度增加，土壤最大圓錐指數(shù)也在增加，兩者之間呈冪函數(shù)關(guān)系。圓錐指數(shù)在表征農(nóng)田土壤壓實(shí)方面存在一定優(yōu)勢(shì)，不僅應(yīng)用廣泛，而且檢測(cè)效率高。洪添勝等[44]就曾使用自動(dòng)圓錐儀測(cè)量輪胎壓實(shí)前后的土壤壓實(shí)程度。焦彩強(qiáng)等[45]對(duì)旋耕和深耕兩種耕作措施與土壤圓錐指數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)旋耕會(huì)增加土壤圓錐指數(shù)，從而證實(shí)了旋耕具有明顯導(dǎo)致土壤亞表層以下被壓實(shí)的問(wèn)題。Oliveira 等[46]研究發(fā)現(xiàn)圓錐指數(shù)與作物生長(zhǎng)密切相關(guān)，且圓錐指數(shù)值可快速測(cè)定，因此可作為評(píng)價(jià)田塊尺度壓實(shí)程度的重要指標(biāo)。但是圓錐指數(shù)作為表征農(nóng)田土壤壓實(shí)的指標(biāo)同樣存在一些問(wèn)題，它并不是土壤壓實(shí)狀態(tài)的唯一函數(shù)，受制于顆粒之間膠結(jié)物的作用，其表征效果受土壤含水量影響較大，因此在評(píng)價(jià)土壤壓實(shí)度時(shí)通常需配合土壤含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋[47]。

2.2.2 參考容重 參考容重（reference bulk density），也被稱為最大干容重，作為土質(zhì)學(xué)特征是指土壤顆粒物堆積的極限容重，其值反映了該土壤在不同含水量條件下對(duì)機(jī)械壓實(shí)的敏感性。參考容重通常由標(biāo)準(zhǔn)的Proctor 擊實(shí)試驗(yàn)獲得[30]，Proctor 擊實(shí)試驗(yàn)最初主要用于確定道路或地基土壤最大壓實(shí)時(shí)的臨界含水量，后被土壤學(xué)家借鑒用于評(píng)價(jià)土壤可壓實(shí)的最大程度。通過(guò)干容重與質(zhì)量含水量曲線擬合可獲得參考容重，例如，取自黑龍江省海倫市勝利村東北典型黑土試樣的Proctor 擊實(shí)曲線如圖2 所示，參考容重約為1.65 g/cm3，與參考容重對(duì)應(yīng)的質(zhì)量含水量稱為臨界含水量。Nhantumbo 等[48]基于Proctor 擊實(shí)試驗(yàn)獲得了參考容重，確定了土壤質(zhì)地與參考容重及臨界含水量之間的關(guān)系，評(píng)估了農(nóng)業(yè)土壤對(duì)壓實(shí)的敏感性。Braida 等[49]通過(guò)Proctor 擊實(shí)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)的積累降低了土壤的參考容重，增加了臨界含水量，增強(qiáng)了土壤抗壓實(shí)的能力，并且證實(shí)了在土壤表面進(jìn)行秸稈覆蓋也能緩解部分土壤壓實(shí)。álvarez 等[50]利用土壤傳遞函數(shù)估算了不同耕作制度下的Proctor 擊實(shí)試驗(yàn)參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)參考容重的變化與總有機(jī)質(zhì)含量或土壤質(zhì)地?zé)o關(guān)。Proctor 擊實(shí)試驗(yàn)也存在一定的不足，比如許多土壤數(shù)據(jù)庫(kù)不包含Proctor 數(shù)據(jù)，因此，Wagner 等[51]開(kāi)發(fā)了預(yù)測(cè)方程，通過(guò)在Proctor 擊實(shí)試驗(yàn)中臨界含水量與峰值密度點(diǎn)相交的兩條線來(lái)估計(jì)Proctor 擊實(shí)曲線的形狀。此外，標(biāo)準(zhǔn)的Proctor 擊實(shí)試驗(yàn)采用的土壤樣品為異位擾動(dòng)土，與田間原位非擾動(dòng)土壤相比存在一定差異。為了克服這一問(wèn)題，H?kansson[52]指出獲取某一特定土壤參考容重也可采用200 kPa 壓力的單軸壓縮試驗(yàn)代替。

參考容重會(huì)隨孔隙度、結(jié)構(gòu)等物理特性的不同而不同，比較不同類型土壤時(shí)，參考容重的測(cè)量值作為對(duì)土壤壓實(shí)的表征指標(biāo)，其效果是有限的，所以相對(duì)緊實(shí)度（degree of soil compactness，DC） 應(yīng)運(yùn)而生。DC 是測(cè)試土壤容重與參考容重的比值，它可以表征大孔隙度、飽和導(dǎo)水率以及穿透阻力等土壤物理特性在壓實(shí)過(guò)程中的變化[53]，不再依賴于土壤質(zhì)地，可以用于不同土壤類型之間壓實(shí)狀況的比較[52]。Silva 等[54]確定了不同耕作方式下一系列土壤容重和DC，并評(píng)估了土壤質(zhì)地、有機(jī)物含量等對(duì)這些參數(shù)的相對(duì)重要性。盡管DC 消除了包括土壤類型在內(nèi)的眾多影響因素，對(duì)于同一土壤同一作物最優(yōu)DC在年際間仍有變化，研究發(fā)現(xiàn)這一年際間變化主要來(lái)自氣候條件[55]。

2.2.3 先期固結(jié)壓力 先期固結(jié)壓力（precompressionstress），也被稱作預(yù)固結(jié)壓力，指天然土層在其應(yīng)力歷史中所受過(guò)的最大有效應(yīng)力。對(duì)于某一具體土壤而言，當(dāng)承受的外力不超過(guò)先期固結(jié)壓力時(shí)，撤去外力后土壤體積尚可恢復(fù)或恢復(fù)量較大，而超過(guò)先期固結(jié)壓力后，即使撤去外力，土壤體積也難以再恢復(fù)，可見(jiàn)先期固結(jié)壓力能夠反映出土壤的抗壓實(shí)能力[31]。在耕地土壤壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究中，先期固結(jié)壓力常被用作土壤強(qiáng)度的度量[56]。很長(zhǎng)一段時(shí)間里，先期固結(jié)壓力在歐洲都被視為評(píng)價(jià)土壤壓實(shí)的最主要的指標(biāo)。Faloye 等[57]調(diào)查了土壤特性對(duì)有效應(yīng)力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)先期固結(jié)壓力越高，土壤有效應(yīng)力越高，土壤抗壓實(shí)能力越強(qiáng)。國(guó)內(nèi)也有學(xué)者將先期固結(jié)壓力用于農(nóng)田土壤壓實(shí)分析中。丁肇等[58]進(jìn)行了輪式和履帶式車輛行走對(duì)農(nóng)田土壤的壓實(shí)作用分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與輪胎相比，履帶作用下土壤的先期固結(jié)壓力及干容重間無(wú)顯著區(qū)別。但也有學(xué)者認(rèn)為土壤先期固結(jié)壓力不能很好反應(yīng)土壤壓實(shí)的敏感性。Keller 等[59]比較了不同壓實(shí)試驗(yàn)中土壤應(yīng)力?位移特性，發(fā)現(xiàn)先期固結(jié)壓力取決于壓縮試驗(yàn)方法及其分析，而且壓縮試驗(yàn)可能不能充分代表現(xiàn)場(chǎng)的土壤特性。Arvidsson 等[60]分析了在瑞典耕地上進(jìn)行的一系列單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在研究中所得到的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系與先期固結(jié)壓力概念本身不符。

為了更好地表征土壤壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)外學(xué)者由先期固結(jié)壓力衍生出了土壤壓實(shí)指數(shù)（soil compactionindex，SCI） 和底土壓實(shí)敏感性指數(shù)（subsoil compactionsusceptibility index，SCSI） 兩個(gè)指標(biāo)。SCI 為機(jī)械應(yīng)力與預(yù)固結(jié)壓力比值的對(duì)數(shù)[61]，主要用于表征表層土壤壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)。SCIlt;0 表示沒(méi)有壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)，00.2 表示有嚴(yán)重壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)。SCSI 為機(jī)械應(yīng)力與底土（通常采用0.5 m 深度處） 預(yù)固結(jié)壓力的比值[62]，SCSIgt;1 表示可能存在長(zhǎng)期底土壓實(shí)。與眾所周知的表土壓實(shí)影響不同，底土壓實(shí)很難逆轉(zhuǎn)，且可能在數(shù)年至數(shù)十年內(nèi)都損害土壤功能[27， 63]。將SCI 和SCSI 運(yùn)用到農(nóng)田中可針對(duì)農(nóng)田土壤潛在壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)提前采取相應(yīng)措施。

3 土壤壓實(shí)程度檢測(cè)方法

土壤壓實(shí)程度的檢測(cè)是判定土壤壓實(shí)狀況的依據(jù)。由于土壤壓實(shí)程度的表征指標(biāo)多種多樣，因此土壤壓實(shí)檢測(cè)方法也有很多，本文重點(diǎn)介紹穿透阻力檢測(cè)法、土壤結(jié)構(gòu)檢測(cè)法、地球物理檢測(cè)法、先期固結(jié)壓力檢測(cè)法等4 種方法（表2）。

3.1 穿透阻力檢測(cè)法

土壤穿透阻力，也叫土壤緊實(shí)度或土壤硬度，是衡量土壤抵抗外力壓實(shí)和破碎的能力，一般用金屬柱塞或探針壓入土壤時(shí)的阻力表示。穿透阻力檢測(cè)法是土壤壓實(shí)檢測(cè)應(yīng)用最為廣泛的方法，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)定穿透阻力，結(jié)合土壤含水量與非壓實(shí)區(qū)土壤對(duì)比即可衡量土壤壓實(shí)狀況。李勇等[64]基于土壤穿透阻力數(shù)據(jù)識(shí)別了旱作區(qū)農(nóng)田土壤壓實(shí)層的位置及厚度。測(cè)定穿透阻力的儀器中最常用的是野外土壤貫穿阻力儀，其可快速測(cè)定一定深度范圍土壤穿透阻力的垂直變化，且數(shù)據(jù)采集密度高。Mouazen等[68]利用農(nóng)機(jī)攜帶穿透阻力儀測(cè)定了特定深度內(nèi)土壤穿透阻力，同時(shí)附帶土壤含水量傳感器測(cè)定了土壤水分含量，最后通過(guò)二者與土壤深度數(shù)據(jù)建立了預(yù)測(cè)土壤容重模型，并發(fā)現(xiàn)基于該模型預(yù)測(cè)的土壤容重與傳統(tǒng)方法測(cè)定的數(shù)值具有高度一致性?？偟膩?lái)說(shuō)，穿透阻力儀的使用極大地提高了檢測(cè)效率，但探頭進(jìn)入土壤的速度等會(huì)對(duì)探測(cè)結(jié)果穩(wěn)定性有一定影響[69]，該方法更適合農(nóng)田土壤的現(xiàn)場(chǎng)原位檢測(cè)，能夠較為精準(zhǔn)地反映根系生長(zhǎng)狀況。

3.2 土壤結(jié)構(gòu)檢測(cè)法

土壤結(jié)構(gòu)是指土壤顆粒的排列與組合形式，定量獲取土壤結(jié)構(gòu)信息，有利于研究土壤壓實(shí)情況。獲取土壤結(jié)構(gòu)信息的方法有很多，有的學(xué)者通過(guò)土壤容重建立土壤壓實(shí)預(yù)測(cè)模型，有的學(xué)者通過(guò)水分特征曲線法、壓汞法、切片法、氮?dú)馕椒ǖ鹊玫娇紫抖群涂讖椒植?。丁啟朔等[65]通過(guò)推導(dǎo)出土壤壓實(shí)容重預(yù)測(cè)模型來(lái)定量預(yù)測(cè)機(jī)械壓實(shí)危害程度，廣泛適用于集約化生產(chǎn)條件下稻田土壤機(jī)械壓實(shí)預(yù)測(cè)。CT 技術(shù)全稱X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，由于能夠?qū)ν寥澜Y(jié)構(gòu)體進(jìn)行三維重建，完成可視化處理，并由此進(jìn)一步觀察土壤孔隙結(jié)構(gòu)特征，因而逐漸被應(yīng)用于土壤壓實(shí)的研究中。然而，土壤孔隙大小分布范圍很廣，僅采用一種CT 技術(shù)難以全面研究土壤孔隙。周虎等[70]指出為了獲得較全面的土壤孔隙特征，可以分析不同尺度土壤結(jié)構(gòu)特征。但由于試驗(yàn)條件限制，國(guó)內(nèi)過(guò)去主要利用醫(yī)用CT 和工業(yè)CT 對(duì)大尺度土壤結(jié)構(gòu)開(kāi)展了一些研究。比如姜宇等[71]研究了凍融條件下黑土大孔隙結(jié)構(gòu)特征；敖家坤等[72]研究發(fā)現(xiàn)一定容重范圍內(nèi)的大孔隙特征參數(shù)與飽和導(dǎo)水率均呈顯著正相關(guān)；段揚(yáng)[73]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于因孔隙水壓力降低、有效應(yīng)力增加而導(dǎo)致的土壤壓實(shí)過(guò)程，是與大孔隙面積的顯著降低息息相關(guān)的；馮宇[74]研究發(fā)現(xiàn)，大孔隙數(shù)量呈現(xiàn)隨土壤壓實(shí)程度增加而減小的趨勢(shì)，這說(shuō)明土壤壓實(shí)是破壞大孔隙連通性的主要原因，同時(shí)也說(shuō)明土壤大孔隙對(duì)土壤壓實(shí)作用的響應(yīng)更加敏感；Wang 等[75]利用CT 技術(shù)從微觀尺度更好地解釋了土壤壓實(shí)所引起的土壤性質(zhì)變化。CT 技術(shù)也存在不足之處，張麗娜等[76]通過(guò)總結(jié)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前CT 技術(shù)分析土壤孔隙時(shí)精度不夠，研究土壤特性的方法框架不完善。此外，由于CT 技術(shù)主要在微觀層面研究土壤結(jié)構(gòu)，目前難以應(yīng)用于宏觀尺度農(nóng)田壓實(shí)狀況的檢測(cè)。

3.3 地球物理檢測(cè)法

地球物理檢測(cè)法主要是利用物探技術(shù)測(cè)定土壤的理化性質(zhì)，再通過(guò)理化性質(zhì)反推土壤壓實(shí)程度的一系列方法。該檢測(cè)法雖然存在數(shù)據(jù)解析難度較大的缺點(diǎn)，但其檢測(cè)的空間尺度大、成本較低，因此應(yīng)用也較為廣泛。目前最常用的方法有：探地雷達(dá)法（ground penetrating radar，GPR）、大地電導(dǎo)率儀法（electromagnetic induction，EMI） 和電阻率層析成像儀法（electrical resistivity tomography，ERT）。GPR 主要通過(guò)雷達(dá)波在土壤中的傳播情況來(lái)反演土壤壓實(shí)狀況，由于壓實(shí)土層與未壓實(shí)土層的含水量不同，而含水量通過(guò)影響土壤介電常數(shù)進(jìn)而影響雷達(dá)波傳播速度，因此當(dāng)雷達(dá)波通過(guò)壓實(shí)土層時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)明顯的反射[66]。王萍[77]利用GPR 進(jìn)行了土壤壓實(shí)度的探測(cè)，建立了雷達(dá)波速度和土壤壓實(shí)度的數(shù)學(xué)模型。郭淑麗[78]通過(guò)GPR 的雷達(dá)天線對(duì)不同地區(qū)、不同土壤類型的土壤壓實(shí)狀況和演變規(guī)律進(jìn)行了研究。EMI 主要通過(guò)測(cè)量一定體積土體的電導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)對(duì)土體壓實(shí)特性的反演，由于土壤壓實(shí)提高了土壤容重，使得單位體積內(nèi)土壤粘性物質(zhì)含量與土壤非飽和狀態(tài)水分增加，因此在其它參數(shù)變化較小的情況下土壤表觀電導(dǎo)率可以反演土壤壓實(shí)度。與EMI 測(cè)試原理相類似，ERT 主要根據(jù)土體的電阻率推算出土體的物理性質(zhì)。在檢測(cè)土壤壓實(shí)問(wèn)題上，兩種方法都以Archie 定律為依據(jù)，即土壤表觀電導(dǎo)率或者電阻率與土壤粘粒含量、土壤含水量和含鹽量呈正相關(guān)[79]。地球物理檢測(cè)法適合大面積農(nóng)田土壤壓實(shí)狀況的快速檢測(cè)，可為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供決策，目前已在歐美國(guó)家廣泛應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段[80]。

3.4 先期固結(jié)壓力檢測(cè)法

先期固結(jié)壓力作為表征土壤壓實(shí)的土質(zhì)力學(xué)指標(biāo)，其數(shù)值確定方法能很好的運(yùn)用于農(nóng)田極限土壤壓實(shí)的檢測(cè)中[67]。確定土壤先期固結(jié)壓力的方法較多，國(guó)際上普遍采用的有卡薩格蘭德法（Casagrandemethod）[81]、帕切科?席爾瓦法（Pacheco Silva method）[81]、貢珀次模型擬合法（Gompertz model fit method）[82]等，國(guó)內(nèi)有“f”法、圖解法、密度法等[83]。卡薩格蘭德法主要通過(guò)擬合土壤壓縮曲線確定先期固結(jié)壓力，應(yīng)用最為廣泛，但也存在最大曲率點(diǎn)不易確定，人為誤差大等缺陷。Silva 等[81]比較發(fā)現(xiàn)卡薩格蘭德法和帕切科-席爾瓦法之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，后者可被視為卡薩格蘭德法的替代方法。而de Pue 等[82]對(duì)這些方法做了功能評(píng)估，結(jié)果卻表明卡薩格蘭德法最不適合計(jì)算先期固結(jié)壓力。分析模型法也常被用于預(yù)測(cè)土壤先期固結(jié)壓力，該方法的關(guān)鍵在于選擇合適的集中系數(shù)，集中系數(shù)是關(guān)于土壤?輪胎接觸面當(dāng)量半徑、加載點(diǎn)與正下方應(yīng)力預(yù)測(cè)點(diǎn)間的距離以及土壤表面應(yīng)力與土壤表面加載點(diǎn)正下方某點(diǎn)處應(yīng)力的比值這3 個(gè)參數(shù)的函數(shù)，主要用于更精確描述應(yīng)力在土壤中的分布。在已有的研究中集中系數(shù)取值混亂，導(dǎo)致該模型使用時(shí)存在很大爭(zhēng)議，其原因在于對(duì)該參數(shù)隨土壤環(huán)境的變化缺乏規(guī)律性認(rèn)識(shí)。賀亭峰等[84]通過(guò)對(duì)集中系數(shù)表達(dá)式的進(jìn)一步推導(dǎo)，提出了能夠代表土壤環(huán)境對(duì)集中系數(shù)影響的應(yīng)力傳遞系數(shù)。此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也在不斷研究新的先期固結(jié)壓力的確定方法。蔡清池等[85]提出了改進(jìn)的先期固結(jié)壓力數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)于中高壓固結(jié)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠獲得更加接近實(shí)際的先期固結(jié)壓力。姜安龍等[86]依據(jù)理論研究和試驗(yàn)分析，提出了一種新的先期固結(jié)壓力確定方法：數(shù)學(xué)模型法，并證明了此法的可行性。Rücknagel 等[87]提出了一個(gè)回歸模型，根據(jù)土壤干容重和固相密度這兩個(gè)參數(shù)估計(jì)先期固結(jié)壓力，總的來(lái)說(shuō)，先期固結(jié)壓力與兩參數(shù)的比值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即“固相密度/干容重”的比值越大，先期固結(jié)壓力越低。除了以上提到的計(jì)算方法外，確定先期固結(jié)壓力還可以利用土壤傳遞函數(shù)[88]。土壤傳遞函數(shù)通常是土壤質(zhì)地、容重和含水量的函數(shù)[89]，通過(guò)土壤傳遞函數(shù)即可從易獲取的土壤特性中預(yù)測(cè)先期固結(jié)壓力值。盡管先期固結(jié)壓力與土壤壓實(shí)特征之間的關(guān)系仍有待進(jìn)一步挖掘[90]，但該方法仍是目前評(píng)估區(qū)域尺度機(jī)械壓實(shí)風(fēng)險(xiǎn)最有效的方法[62]。

4 展望

明確土壤壓實(shí)與作物生長(zhǎng)的關(guān)系對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義，現(xiàn)有研究多集中在土壤壓實(shí)對(duì)作物生長(zhǎng)的不利影響方面，針對(duì)耕作層土壤壓實(shí)的危害做了大量的研究，很少有研究能考慮到土壤壓實(shí)對(duì)作物的有益影響，這導(dǎo)致對(duì)量化土壤壓實(shí)的認(rèn)識(shí)還不夠全面。土壤壓實(shí)對(duì)作物生長(zhǎng)的影響有利有弊，未來(lái)應(yīng)更加深入地用量化的表征指標(biāo)與檢測(cè)方法，研究土壤壓實(shí)程度對(duì)作物根系形態(tài)、地上部光合產(chǎn)物的分配以及土壤質(zhì)量的影響，并加強(qiáng)作物對(duì)于土壤壓實(shí)的反饋機(jī)制、信息感應(yīng)與傳遞等研究。

現(xiàn)有關(guān)于土壤壓實(shí)程度表征的研究主要基于土壤物理學(xué)指標(biāo)，土壤力學(xué)指標(biāo)相對(duì)較少，且選取指標(biāo)過(guò)于單一，缺乏系統(tǒng)性，難以全面反映土壤壓實(shí)程度的變化過(guò)程，揭示壓實(shí)機(jī)理。不同土壤壓實(shí)表征指標(biāo)反映壓實(shí)程度的本質(zhì)是一致的，各有側(cè)重，又緊密相關(guān)，甚至可以相互轉(zhuǎn)換。對(duì)于田塊尺度，宜選擇穿透阻力和相對(duì)緊實(shí)度，同時(shí)配合土壤含水量來(lái)表征土壤壓實(shí)狀況；對(duì)于區(qū)域農(nóng)田尺度，宜采用先期固結(jié)壓力來(lái)評(píng)估機(jī)械壓實(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。在未來(lái)的研究中，應(yīng)結(jié)合研究尺度，將土壤物理學(xué)指標(biāo)與土壤力學(xué)指標(biāo)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建一套系統(tǒng)評(píng)價(jià)土壤壓實(shí)程度的指標(biāo)體系，為減少壓實(shí)提供依據(jù)。

田間土壤壓實(shí)狀況的檢測(cè)不僅是農(nóng)田基本屬性的重要普查內(nèi)容，同時(shí)也是當(dāng)前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的迫切需要。目前田間土壤壓實(shí)狀況的檢測(cè)研究主要集中在新技術(shù)和新方法的探索上，對(duì)過(guò)去已經(jīng)存在的技術(shù)方法提出改進(jìn)較少，然而這些新方法目前尚不成熟。如何從方法上削弱或者排除空間異質(zhì)性帶來(lái)的影響，應(yīng)是今后土壤壓實(shí)田間檢測(cè)重要的研究方向。