馬仁明，付 娟，賈燕鋒，范昊明，張博翔，李 爽，張 茜，于茗耀，楊明春，李夢(mèng)緣

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院/遼寧省水土流失防控與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110161）

東北黑土區(qū)作為我國(guó)重要商品糧生產(chǎn)基地，年均糧食總產(chǎn)量占全國(guó)25%以上，是國(guó)家糧食安全的“壓艙石”。早在1959年，東北地區(qū)就開始推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化，至2019年黑龍江省、吉林省、遼寧省綜合機(jī)械化率分別達(dá)到97%、81%和85%[1]。農(nóng)業(yè)機(jī)械水平的提高不但大幅提高了農(nóng)田作業(yè)效率，同時(shí)也使農(nóng)田土壤遭受嚴(yán)重的機(jī)械碾壓，甚至導(dǎo)致作物減產(chǎn)、土壤退化等[2]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)械接地壓力大于50 kPa就會(huì)發(fā)生土壤壓實(shí)[3]，但進(jìn)行農(nóng)田機(jī)械作業(yè)時(shí)接地壓力通常超過70 kPa[4]，即大部分的農(nóng)田機(jī)械作業(yè)活動(dòng)均使農(nóng)田土壤遭受壓實(shí)影響，尤其黑土土壤質(zhì)地黏重，更易遭受壓實(shí)影響[5]。

土壤入滲是指地表水滲入土壤剖面的過程[6]。一方面，土壤入滲將地表水轉(zhuǎn)化為土壤水。土壤水作為植被作物可吸收利用水分的唯一途徑[7]，是土壤水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，即土壤入滲對(duì)植被作物生長(zhǎng)及農(nóng)田管理具有重要意義。另一方面，土壤入滲將地表水轉(zhuǎn)化為地下水，對(duì)于調(diào)節(jié)地表徑流、涵養(yǎng)水源及防治農(nóng)田土壤侵蝕具有重要意義[8]。目前，眾多學(xué)者開展了關(guān)于農(nóng)田土壤入滲影響因素的研究。研究表明，影響土壤入滲的因素包括土壤性質(zhì)及外部因素。土壤性質(zhì)，如土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、容重和有機(jī)質(zhì)等，外部因素如土壤含水量、降雨強(qiáng)度、植被覆蓋和人為活動(dòng)等[9-11]。區(qū)域農(nóng)田范圍內(nèi)氣候環(huán)境及土壤性質(zhì)相似，因此人為活動(dòng)導(dǎo)致的不同的農(nóng)田管理措施是影響農(nóng)田土壤入滲的主要因素。以東北地區(qū)為例，即使以種植單季作物為主，農(nóng)田土壤經(jīng)歷耕、種、收及田間管理后，機(jī)械作業(yè)仍可達(dá)8~15次[12]，壓實(shí)面積占比高達(dá)85%~90%，其中10%~80%的面積更要遭受多次機(jī)械碾壓[13]。因此，研究農(nóng)田機(jī)械壓實(shí)對(duì)黑土土壤入滲特征的影響對(duì)指導(dǎo)黑土耕作過程的農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用管理及防治因農(nóng)田機(jī)械耕作而導(dǎo)致的土壤侵蝕具有重要參考意義。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響研究已較為全面[6,14]。張興義等[15]指出，機(jī)械壓實(shí)會(huì)打破適宜作物生長(zhǎng)的農(nóng)田土壤三相比，即固、液、氣比為5∶3∶2的狀態(tài)。SMITH等[16]通過研究不同機(jī)械對(duì)砂壤土的壓實(shí)得出地壓更大的機(jī)械對(duì)0~30 cm 容重的影響也更顯著。周艷麗等[17]發(fā)現(xiàn)隨壓實(shí)程度的增加，不同深度土層含水量均下降，且表層土壤比深層土壤水分下降更顯著。SOLGI等[18]發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)可致使森林土壤孔隙減小50%~60%。機(jī)械壓實(shí)通過影響土壤物理性質(zhì)從而影響土壤入滲，現(xiàn)有研究明確了機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤入滲起到消極作用。王曉燕等[19]在觀測(cè)拖拉機(jī)壓實(shí)后徑流小區(qū)土壤的入滲過程中發(fā)現(xiàn)壓實(shí)顯著減小土壤產(chǎn)流時(shí)間，且使土壤穩(wěn)滲速率減小86%。AL-ESAWI等[20]通過對(duì)比不同質(zhì)地土壤壓實(shí)后入滲速率，發(fā)現(xiàn)壓實(shí)使砂壤土和黏土入滲速率分別降低86%和73%。這些試驗(yàn)均明確了壓實(shí)致使土壤入滲能力減弱。由于室內(nèi)試驗(yàn)條件較為理想，現(xiàn)有研究多為室內(nèi)模擬試驗(yàn)，室內(nèi)研究已基本明確壓實(shí)對(duì)土壤各項(xiàng)物理性質(zhì)的影響機(jī)制及單一壓實(shí)條件下土壤入滲的作用因素。然而，實(shí)際田間機(jī)械壓實(shí)受氣候地域限制、機(jī)械型號(hào)及壓實(shí)次數(shù)等影響，壓實(shí)過程及對(duì)土壤的作用過程復(fù)雜，室內(nèi)研究并不能完全解釋實(shí)際情況中機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤物理性質(zhì)及土壤入滲的作用機(jī)制。

因此，本研究選取東北黑土區(qū)黑龍江省齊齊哈爾市克山縣典型黑土作為研究對(duì)象，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物耕種收機(jī)械類型及進(jìn)地次數(shù)選取機(jī)械及確定壓實(shí)次數(shù)，在當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物秋收后進(jìn)行田間模擬機(jī)械壓實(shí)，力求與實(shí)際田間機(jī)械壓實(shí)一致。在田間進(jìn)行3種不同馬力機(jī)械在0，1，3，5，7，9次壓實(shí)后的模擬機(jī)械壓實(shí)，通過室內(nèi)土壤物理性質(zhì)測(cè)定及雙環(huán)入滲試驗(yàn)，分析黑土農(nóng)田在不同機(jī)械壓實(shí)條件下土壤物理性質(zhì)及土壤入滲規(guī)律的變化，探討農(nóng)田機(jī)械壓實(shí)對(duì)黑土物理性質(zhì)及土壤入滲的作用機(jī)制，研究將為黑土區(qū)農(nóng)田作業(yè)機(jī)械的合理使用提供指導(dǎo)，為緩解因機(jī)械壓實(shí)導(dǎo)致的農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康問題提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于黑龍江省齊齊哈爾市克山縣英民村（東經(jīng)126°01′~126°41′，北緯47°43′~48°18′）?？松娇h屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，寒暑變化明顯。年平均氣溫2.4 ℃，年平均風(fēng)速4 m·s-1，年無霜期122 d左右，年平均降水量約500 mm。年內(nèi)降水分布不均勻，雨熱同季，降雨集中在6-8月份，主要土壤類型為黑土，黑土層厚度>60 cm，屬典型厚層黑土區(qū)。研究區(qū)種植作物以大豆玉米輪作為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2022年9月，選取英民村秋收后坡度基本一致（3°~4°）的大豆耕地，沿壟向設(shè)置25 m×5 m的16塊樣地，每塊樣地內(nèi)含4條可用壟溝。使用不同馬力農(nóng)機(jī)（華夏HX2104-C：154 kW、約翰迪爾554：40 kW、中國(guó)海山：19 kW）沿壟溝進(jìn)行不同次數(shù)（1，3，5，7，9 次）碾壓，以未經(jīng)壓實(shí)處理的壟溝作為對(duì)照，在處理后壟溝處進(jìn)行采樣及測(cè)定。為增加研究的適用性及方便區(qū)分對(duì)比，按照趙明宇等[21-22]對(duì)于大型拖拉機(jī)及小型拖拉機(jī)的劃分，將本研究所使用的農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行歸類，華夏HX2104-C 為大型機(jī)械、約翰迪爾554為中型機(jī)械、中國(guó)海山改裝車為小型機(jī)械。各機(jī)械參數(shù)具體如表1。

表1 試驗(yàn)用農(nóng)機(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of experimental agricultural machinery

1.3 雙環(huán)入滲試驗(yàn)

由于雙環(huán)入滲法準(zhǔn)確性高且適用于異質(zhì)性較強(qiáng)的土壤[23-24]，因此采用雙環(huán)入滲法測(cè)定土壤入滲。雙環(huán)內(nèi)環(huán)直徑30 cm，高20 cm；外環(huán)直徑50 cm，高40 cm。入滲試驗(yàn)前先將待測(cè)樣地表面的枯落物清除并整平地面，把雙環(huán)放置在同一圓心的位置上，垂直均勻打入土中20 cm；同時(shí)向內(nèi)外環(huán)供水并保持環(huán)內(nèi)水層高度3 cm，每隔一定時(shí)間記錄1次內(nèi)環(huán)加水量。土壤入滲速率先快后慢，所以記錄時(shí)間間隔由快變慢，分別在3，5，10，15，20，25，30，30 min 后每間隔15 min 記錄。試驗(yàn)后期，若出現(xiàn)3 個(gè)相同時(shí)間間隔內(nèi)內(nèi)環(huán)加水量基本相等，可結(jié)束試驗(yàn)。入滲總歷時(shí)2 h。入滲試驗(yàn)裝置如圖1。

圖1 入滲試驗(yàn)裝置Figure 1 Infiltration test setup

參考前人研究，設(shè)置初始入滲速率為0~3 min[25-26]。穩(wěn)定入滲速率為連續(xù)3 個(gè)相同時(shí)間間隔內(nèi)內(nèi)環(huán)加水量基本相等時(shí)的平均入滲速率。入滲總歷時(shí)120 min，故取120 min 的滲透總量作為累計(jì)入滲量。入滲速率計(jì)算公式為：

式中:Vi為第i次測(cè)量時(shí)的入滲速率（mm·min-1）；Qi為第i次測(cè)量時(shí)量筒加入的水量（mL）；A為內(nèi)環(huán)橫截面積（cm2）；Ti為第i次測(cè)量的時(shí)間間隔（min）。

第n次測(cè)量時(shí)的累計(jì)入滲量為：

式中：n為總加水次數(shù)。

1.4 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

通過預(yù)試驗(yàn)可知，土壤雙環(huán)入滲的水分入滲深度在20 cm 以內(nèi)，因此采集0~20 cm 土層土樣測(cè)定土壤物理性質(zhì)。用100 cm3標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀在各樣地垂直方向每10 cm分層采集土壤表層20 cm的原狀土樣，每層3個(gè)重復(fù)，共96個(gè)樣品。

土壤容重、土壤含水率、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度采用環(huán)刀法測(cè)定[27-28]；土壤機(jī)械組成采用比重計(jì)法進(jìn)行測(cè)定[29]；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定[30]。試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)如表2。

表2 試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)Table 2 Basic physical and chemical properties of soil in the test site

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2021 和Origin 2021b 對(duì)數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析；用單因素方差分析（One-way ANOVA）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（p<0.05）；以Spearman法進(jìn)行相關(guān)性分析。運(yùn)用Canaco 5對(duì)土壤入滲特征與土壤物理性質(zhì)進(jìn)行冗余分析（redundancy analysis,RDA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤容重的影響

由圖2可知，在0~10 cm土層，土壤容重變化范圍為0.96~1.50 g·cm-3。隨壓實(shí)次數(shù)增加，土壤容重增加，大型、中型及小型機(jī)械壓實(shí)后土壤容重增加范圍分別為42.71%~54.17%、32.29%~56.25%和33.33%~46.88%。大型機(jī)械壓實(shí)后土壤容重增加趨勢(shì)較其他兩機(jī)械更為明顯。首次壓實(shí)，土壤容重增加最為顯著，大型、中型、小型機(jī)械壓實(shí)后土壤容重相比未壓實(shí)土壤分別顯著增加44.79%、32.29%、36.46%。此時(shí)，大型機(jī)械相比小型及中型機(jī)械壓實(shí)后土壤容重增加更為顯著。大型機(jī)械首次壓實(shí)后隨壓實(shí)次數(shù)增加土壤容重不再有顯著差異；而中型、小型機(jī)械至5 次壓實(shí)后，隨壓實(shí)次數(shù)增加土壤容重不再產(chǎn)生顯著差異。此時(shí)，中型、小型機(jī)械與大型機(jī)械相比無顯著差異。說明壓實(shí)次數(shù)的增加可以使壓實(shí)作用累積，多次壓實(shí)后，這種累積作用會(huì)減小不同馬力機(jī)械對(duì)土壤容重的影響差異。在10~20 cm土層，土壤容重變化范圍為1.25~1.58 g·cm-3。隨壓實(shí)次數(shù)增加，土壤容重總體呈增加趨勢(shì)，但相比0~10 cm 土層土壤容重，其增幅變緩，大型、中型、小型機(jī)械壓實(shí)后土壤容重增加范圍分別為7.94%~25.4%、0.00%~19.05%和0.79%~11.90%。首次壓實(shí)，大型機(jī)械壓實(shí)土壤容重相比未壓實(shí)土壤顯著增加7.94%，而中型、小型機(jī)械壓實(shí)后土壤容重與未壓實(shí)土壤相比無顯著差異。此時(shí)，各機(jī)械壓實(shí)后土壤容重?zé)o顯著差異。3 次壓實(shí)，大型機(jī)械壓實(shí)后土壤容重相比中型、小型機(jī)械差異顯著，至7 次壓實(shí)，機(jī)械間無顯著差異。說明大型機(jī)械在少次壓實(shí)就對(duì)深層土壤產(chǎn)生影響，而中型、小型機(jī)械要隨著壓實(shí)次數(shù)增加產(chǎn)生的累積作用對(duì)較深層土壤產(chǎn)生影響。

2.2 機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤孔隙特征的影響

由表3 可知，0~10 cm 土層，土壤總孔隙度變化范圍為39.62%~57.43%。隨壓實(shí)次數(shù)增加，土壤總孔隙度呈下降趨勢(shì)，大型、中型及小型機(jī)械壓實(shí)后土壤總孔隙度分別減小22.81%~31.58%、15.79%~28.07%和19.30%~29.82%，中型機(jī)械相比大型及小型機(jī)械，其土壤總孔隙度下降較小。大型、中型、小型機(jī)械首次壓實(shí)后土壤總孔隙度相比未壓實(shí)土壤均顯著降低，降幅分別為22.55%、16.68%和20.18%。此時(shí)，大型機(jī)械相比中型及小型機(jī)械差異顯著。隨壓實(shí)次數(shù)增加，各機(jī)械壓實(shí)后土壤總孔隙度降幅減緩，至7 次壓實(shí)，各機(jī)械壓實(shí)后土壤總孔隙度無顯著差異。10~20 cm 土層，土壤總孔隙度變化范圍為38.22%~52.16%，隨壓實(shí)次數(shù)增加，土壤總孔隙度呈逐漸減小趨勢(shì)，大型、中型、小型機(jī)械壓實(shí)后土壤孔隙減小范圍分別為10.35%~26.73%、3.95%~15.82%和2.88%~20.61%。大型、中型機(jī)械首次壓實(shí)后土壤總孔隙度與未壓實(shí)土壤相比分別顯著減少10.35%和8.03%，而小型機(jī)械無顯著差異；至3 次壓實(shí)，小型機(jī)械與未壓實(shí)土壤相比顯著減小13.86%，此后，隨壓實(shí)次數(shù)增加，土壤總孔隙度均表現(xiàn)為中型機(jī)械>小型機(jī)械>大型機(jī)械；至9 次壓實(shí)，大型、中型、小型機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤孔隙度的影響均達(dá)到最大，大型機(jī)械與中型機(jī)械之間存在顯著差異。0~10 cm 土層，土壤毛管孔隙度變化范圍為38.91%~48.55%。隨壓實(shí)次數(shù)增加，土壤毛管孔隙度總體呈下降趨勢(shì)，大型、中型、小型機(jī)械壓實(shí)后土壤毛管孔隙度降幅分別為8.94%~19.86%、3.91%~15.65%和8.69%~18.35%。各機(jī)械首次壓實(shí)后土壤毛管孔隙度與未壓實(shí)土壤相比均無顯著差異；至3次壓實(shí)，大型及小型機(jī)械壓實(shí)后土壤毛管孔隙度與未壓實(shí)土壤相比分別顯著減小11.64%和11.43%，中型機(jī)械差異不顯著；至7次壓實(shí)，中型機(jī)械壓實(shí)后土壤毛管孔隙度才與未壓實(shí)土壤相比顯著減小12.15%。值得注意的是，中型機(jī)械與大型、小型機(jī)械在首次壓實(shí)土壤毛管孔隙度差異顯著，但3 次壓實(shí)后，各機(jī)械間土壤毛管孔隙度再無顯著差異。10~20 cm 土層，土壤毛管孔隙度變化范圍為38.01%~49.01%。隨壓實(shí)次數(shù)增加，毛管孔隙度總體呈下降趨勢(shì)，大型、中型、小型機(jī)械壓實(shí)后土壤毛管孔隙度變化范圍分別為10.69%~22.44%、1.71%~14.26%和5.22%~20.04%，中型機(jī)械相比大型及小型機(jī)械總體降幅較緩。大型及小型機(jī)械首次壓實(shí)，毛管孔隙度相比未壓實(shí)土壤分別顯著降低10.69%和5.22%；至5次壓實(shí)，中型機(jī)械壓實(shí)后土壤毛管孔隙度與未壓實(shí)土壤相比顯著減小10.30%。0~10 cm土層，土壤非毛管孔隙度變化范圍為0.01%~8.88%。各機(jī)械首次壓實(shí)后土壤非毛管孔隙度相比未壓實(shí)土壤均顯著減小，大型、中型及小型機(jī)械分別減小81.64%、86.49%和98.31%。隨壓實(shí)次數(shù)增加，土壤非毛管孔隙度無顯著變化，且各機(jī)械間土壤非毛管孔隙度也無顯著差異。10~20 cm土層，土壤非毛管孔隙度變化范圍為0.21%~4.21%。隨壓實(shí)次數(shù)增加，土壤非毛管孔隙度總體呈下降趨勢(shì)，大型、中型、小型機(jī)械壓實(shí)后土壤非毛管孔隙度降幅為5.08%~93.33%、24.44%~68.89%和33.65%~55.78%，大型壓實(shí)后非毛管孔隙下降最大。各機(jī)械首次壓實(shí)后土壤非毛管孔隙度與未壓實(shí)土壤無顯著差異；至3次壓實(shí)，大型機(jī)械壓實(shí)后土壤毛管孔隙度與未壓實(shí)土壤相比顯著減小84.13%，而中型及小型機(jī)械壓實(shí)隨壓實(shí)次數(shù)增加土壤非毛管孔隙與未壓實(shí)土壤無顯著差異，各機(jī)械間也無顯著差異。

表3 機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤孔隙特征的影響Table 3 Effect of mechanical compaction on soil pore characteristics

2.3 機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤含水率影響

由圖3可知，0~10 cm土層，各機(jī)械壓實(shí)后土壤含水率變化范圍為25.00%~32.00%。隨壓實(shí)次數(shù)增加，土壤含水率呈下降趨勢(shì)，大型、中型、小型機(jī)械壓實(shí)后土壤含水率分別下降9.68%~19.35%、5.38%~16.13%和3.23%~9.68%。大型機(jī)械首次壓實(shí)土壤含水率相比未壓實(shí)顯著下降9.68%，而中型、小型機(jī)械壓實(shí)后土壤含水率略有增加，但差異不顯著；至3 次壓實(shí)，大型、中型、小型機(jī)械壓實(shí)后土壤含水率與未壓實(shí)土壤相比均顯著減少，分別減少12.90%、5.38%和3.23%。值得注意的是，第1、第3 次壓實(shí)時(shí)，大型機(jī)械壓實(shí)后土壤含水率相比中型、小型機(jī)械具有顯著差異，而7次壓實(shí)后，表現(xiàn)為大型機(jī)械與中型機(jī)械差異顯著，至9 次壓實(shí)，大型機(jī)械與小型機(jī)械差異顯著。10~20 cm 土層范圍內(nèi)，各機(jī)械壓實(shí)后土壤含水率變化范圍為20.67%~27.33%。隨壓實(shí)次數(shù)增加，土壤含水率波動(dòng)變化但總體呈下降趨勢(shì)，大型、中型及小型機(jī)械壓實(shí)后土壤含水率分別下降1.23%~23.46%%、3.70%~17.29%和3.70%~16.05%。3 次壓實(shí)時(shí)，中型機(jī)械壓實(shí)后土壤含水率與未壓實(shí)土壤產(chǎn)生顯著差異，減少8.64%；而至5 次壓實(shí)，小型機(jī)械壓實(shí)后土壤含水率與未壓實(shí)土壤相比顯著減少16.05%；直至9 次壓實(shí)，大型機(jī)械壓實(shí)后土壤含水率與未壓實(shí)土壤相比才產(chǎn)生顯著差異，使土壤含水率減少23.46%。

圖3 機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤含水率的影響Figure 3 Effect of mechanical compaction on soil moisture content

2.4 壓實(shí)次數(shù)與土壤各物理性質(zhì)的變化關(guān)系

為深入探究壓實(shí)次數(shù)對(duì)0~20 cm 土層土壤各物理性質(zhì)的影響，構(gòu)建壓實(shí)次數(shù)與容重、孔隙特征及含水率的定量關(guān)系擬合方程（表4）。0~10 cm 土層，土壤容重與壓實(shí)次數(shù)呈指數(shù)增加，而土壤總孔隙度、非毛管孔隙與毛管孔隙度則與壓實(shí)次數(shù)呈指數(shù)減小。除中型機(jī)械壓實(shí)后土壤含水率與壓實(shí)次數(shù)存在線性遞減關(guān)系，大型、小型機(jī)械壓實(shí)后土壤含水率與壓實(shí)次數(shù)間也呈現(xiàn)指數(shù)減小關(guān)系。說明壓實(shí)次數(shù)的增加可以導(dǎo)致土壤孔隙特征及土壤含水率下降，導(dǎo)致土壤容重增加，但當(dāng)壓實(shí)達(dá)到一定次數(shù)，0~10 cm土層土壤性質(zhì)最終趨于穩(wěn)定。10~20 cm土層，大型及中型機(jī)械壓實(shí)后土壤容重與壓實(shí)次數(shù)呈指數(shù)增加。隨壓實(shí)次數(shù)增加，土壤總孔隙度及毛管孔隙度呈減小趨勢(shì)，除中型機(jī)械壓實(shí)后總孔隙度與壓實(shí)次數(shù)呈線性遞減關(guān)系外，中型及小型機(jī)械壓實(shí)后土壤總孔隙度及毛管孔隙度隨壓實(shí)次數(shù)增加呈指數(shù)減小關(guān)系。大型機(jī)械壓實(shí)后非毛管孔隙度與壓實(shí)次數(shù)呈線性遞減關(guān)系，而中型、小型機(jī)械壓實(shí)后非毛管孔隙度與壓實(shí)次數(shù)無明顯關(guān)系。大型、中型機(jī)械壓實(shí)土壤含水率與壓實(shí)次數(shù)可以用線性相關(guān)函數(shù)表示，隨壓實(shí)次數(shù)增加土壤含水率減小，但小型機(jī)械壓實(shí)土壤含水率與壓實(shí)次數(shù)則無明顯關(guān)系。說明在10~20 cm 土層，相比于中型及小型機(jī)械，大型機(jī)械壓實(shí)條件下土壤性質(zhì)對(duì)壓實(shí)次數(shù)的響應(yīng)更為敏感。

表4 壓實(shí)次數(shù)與土壤物理性質(zhì)的關(guān)系擬合Table 4 Relationship between the number of compaction and various soil properties

2.5 機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤入滲特征的影響

不同機(jī)械壓實(shí)處理下，土壤入滲特征如圖4。除大型機(jī)械1 次壓實(shí)外，各機(jī)械壓實(shí)后土壤各入滲參數(shù)及與未壓實(shí)土壤相比均顯著減小。中型及小型機(jī)械首次壓實(shí)2 h 累計(jì)入滲量及初滲速率與未壓實(shí)土壤產(chǎn)生顯著差異，中型機(jī)械壓實(shí)使2 h累計(jì)入滲量及初滲速率分別減少87.16%和87.59%，小型機(jī)械壓實(shí)使2 h累計(jì)入滲量及初滲速率分別減少50.81%和70.93%。至3次壓實(shí)，大型機(jī)械壓實(shí)后2 h累計(jì)入滲量與初滲速率相比未壓實(shí)土壤分別顯著減小73.29%和75.67%。此后，隨壓實(shí)次數(shù)增加，2 h累計(jì)入滲量及初滲速率雖然呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，但無顯著變化。中型機(jī)械首次壓實(shí)后土壤穩(wěn)滲速率相比未壓實(shí)土壤顯著降低92.90%，至3次壓實(shí)，大型及小型機(jī)械壓實(shí)土壤穩(wěn)滲速率與未壓實(shí)土壤相比分別顯著減小74.07%和66.97%，此后，隨壓實(shí)次數(shù)增加土壤穩(wěn)滲速率減小，但變化不顯著。值得注意的是，第1、第3次壓實(shí)，各機(jī)械間壓實(shí)后土壤入滲指標(biāo)存在顯著差異，但隨壓實(shí)次數(shù)增加，機(jī)械間差異減小，至7次壓實(shí)，各機(jī)械間土壤各入滲特征均無顯著差異。

圖4 不同機(jī)械壓實(shí)土壤入滲特征Figure 4 Infiltration characteristics of different mechanically compacted soils

2.6 0~20 cm土層壓實(shí)土壤性質(zhì)對(duì)土壤入滲特征的影響

為進(jìn)一步探究壓實(shí)對(duì)土壤入滲特征的作用機(jī)理，分析不同壓實(shí)處理后0~20 cm 土層土壤物理性質(zhì)與土壤2 h 累計(jì)入滲量、初滲速率和穩(wěn)滲速率之間的關(guān)系。由表5 可知，0~10 cm 土層，土壤各入滲特征與容重均呈極顯著負(fù)相關(guān)，與土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度極顯著正相關(guān)；而非毛管孔隙度與2 h 累計(jì)入滲量顯著正相關(guān)，與初滲速率及穩(wěn)滲速率極顯著正相關(guān)。10~20 cm 土層，土壤各入滲特征與容重均顯著負(fù)相關(guān)；土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度均與土壤2 h 累計(jì)入滲量、初滲速率顯著正相關(guān)，與土壤穩(wěn)滲速率極顯著正相關(guān)；非毛管孔隙度與初滲速率顯著正相關(guān)。說明0~20 cm 土層土壤容重及土壤孔隙特征均影響機(jī)械壓實(shí)土壤入滲特征，但0~10 cm 土層土壤性質(zhì)是影響入滲特征的主要因素。土壤容重增加、土壤孔隙度減小使土壤入滲能力減弱已被眾多學(xué)者證實(shí)[8,31]。土壤容重的變化體現(xiàn)了土壤中孔隙狀況的變化，壓實(shí)使土壤顆粒排列更為緊密，土壤孔隙結(jié)構(gòu)變差，土壤容重增加，土壤水分入滲特征就越差。

表5 土壤入滲特征與物理性質(zhì)Spearman相關(guān)系數(shù)Table 5 Spearman's correlation coefficient between soil infiltration characteristics and physical properties

對(duì)0~20 cm 土層土壤容重、含水率及孔隙度特征與土壤入滲特征進(jìn)行冗余分析（RDA）。由圖5 可知，第1 排序軸和第2 排序軸的解釋率分別為80.91%和1.54%，累積解釋了82.45%的土壤入滲變化，可以基本反應(yīng)土壤物理性質(zhì)與土壤入滲特征的關(guān)系。0~10 cm 土層土壤容重（61.1%，F(xiàn)=25.1，p=0.002）是影響綜合土壤入滲特征的主導(dǎo)因素，這與云慧雅等[32]的研究結(jié)果一致。這是因?yàn)橥寥廊葜鼐C合反映土壤結(jié)構(gòu)狀況，容重越大說明土壤孔隙度越小，而土壤孔隙是影響土壤入滲過程的重要因素。

圖5 機(jī)械壓實(shí)土壤入滲特征與土壤物理性質(zhì)RDA分析Figure 5 RDA analysis of infiltration characteristics and soil physical properties of mechanically compacted soil

3 討論與結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，各機(jī)械在首次壓實(shí)就對(duì)0~10 cm 表層土壤性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，使容重均增加32.29%以上，土壤總孔隙度均減小15.8%以上。而對(duì)10~20 cm 土層土壤性質(zhì)的影響依靠壓實(shí)次數(shù)的增加實(shí)現(xiàn)。除大型機(jī)械在首次壓實(shí)就使土壤容重顯著增加7.94%，中型及小型機(jī)械在3次壓實(shí)后土壤容重才顯著增加，大型、中小及小型機(jī)械分別使容重最大分別增加25.4%、9.05%和11.90%；大型及中型機(jī)械在首次壓實(shí)使土壤總孔隙度分別顯著減小10.35%和8.03%，小型機(jī)械在3 次壓實(shí)后總孔隙度顯著減小13.86%。各機(jī)械對(duì)土壤含水率的影響均在3次壓實(shí)后達(dá)顯著水平。試驗(yàn)結(jié)果與前人研究相似[33-34]。這是由于機(jī)械對(duì)土壤的應(yīng)力是從表層向深層傳導(dǎo)，表層土壤遭受機(jī)械直接碾壓，所受應(yīng)力較大，對(duì)土壤的擾動(dòng)也更大，因此即使少次壓實(shí)對(duì)土壤性質(zhì)的影響程度也更明顯，而深層土壤受機(jī)械施加應(yīng)力通過表層土壤層層傳遞，所受應(yīng)力逐級(jí)削弱，對(duì)土壤的擾動(dòng)也較小，因此其對(duì)土壤性質(zhì)的影響主要依靠壓實(shí)次數(shù)的累計(jì)作用實(shí)現(xiàn)[35]。

壓實(shí)次數(shù)的累積能夠減小不同機(jī)械對(duì)表層及深層土壤容重、孔隙及含水率的差異。對(duì)于表層土壤，各機(jī)械首次壓實(shí)后對(duì)土壤的影響效果最為顯著。這是由于本試驗(yàn)中，收獲作業(yè)時(shí)期土壤含水率較高，達(dá)25%以上，即使質(zhì)量較小的機(jī)械在少次壓實(shí)時(shí)也能對(duì)表層土壤造成較嚴(yán)重的壓實(shí)[36]。此外，首次壓實(shí)后土壤顆粒排列就較為緊密，此后，隨壓實(shí)次數(shù)增加，土壤顆?？膳帕械姆秶苍絹碓叫?，因此，土壤各物理性質(zhì)變化幅度也變緩[37]。對(duì)于較深層土壤，機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤的影響則主要靠壓實(shí)次數(shù)的累積。首次壓實(shí)，機(jī)械對(duì)土壤施加的應(yīng)力主要作用于表層土壤，而對(duì)深層土壤顆粒的排列影響較小[35]，隨壓實(shí)次數(shù)增加，表層土壤顆粒排列愈加緊密，此時(shí)，機(jī)械對(duì)深層土壤施加應(yīng)力變大[38-39]，壓實(shí)次數(shù)對(duì)深層土壤容重影響的累積效應(yīng)也愈發(fā)明顯。

機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤孔隙狀況的改變影響土壤持水及入滲產(chǎn)流能力，與土壤侵蝕、作物生長(zhǎng)密切相關(guān)[40]。總孔隙度較大的土壤水分入滲較快，因此貯存水分、涵養(yǎng)水源的能力強(qiáng)；而總孔隙度小的土壤則不利于水分入滲，地表徑流因此增加，土壤遭受侵蝕的可能也增加。LUXMOORE[41]指出，土壤孔隙中非毛管孔隙是土壤通氣透水的主要通道，孔隙中的水分流動(dòng)主要受重力勢(shì)的支配遷移運(yùn)動(dòng)；李華等[42]通過對(duì)比壓實(shí)后土壤的孔隙分布曲線和滲透性曲線也證明孔隙分布較大時(shí)土壤滲透系數(shù)也更大，即壓實(shí)導(dǎo)致的非毛管孔隙的減小會(huì)減小土壤的入滲能力，從而增加土壤侵蝕發(fā)生的可能性。土壤中毛管孔隙度主要功能是蓄水和供水，可以表征土壤的田間持水量。田間持水量不但代表農(nóng)田土壤可利用的有效水上限，它是衡量土壤保水性的重要指標(biāo)，對(duì)農(nóng)田灌溉、作物水管理具有重要意義[43-44]。機(jī)械壓實(shí)使土壤毛管孔隙度減弱，使土壤的保水性能及作物生長(zhǎng)可利用的有效水也隨之減少，抑制了作物生長(zhǎng)及土壤的抗侵蝕能力。

無論對(duì)于表層土壤或深層土壤，大型機(jī)械相比中型、小型機(jī)械對(duì)土壤容重、孔隙及含水的影響都更明顯。這是因?yàn)闄C(jī)械質(zhì)量是影響壓實(shí)程度的重要因素之一[35,45]，對(duì)于表層土壤，大型機(jī)械由于較大的質(zhì)量在少次壓實(shí)時(shí)對(duì)土壤性質(zhì)的影響強(qiáng)于中小型機(jī)械。而對(duì)于深層土壤，由于大型機(jī)械的質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)，少次壓實(shí)時(shí)大型機(jī)械相比中小型機(jī)械其在土壤中傳遞的應(yīng)力也更深[46]，因此對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響也更大，但隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，土壤壓實(shí)的累積效應(yīng)越明顯，機(jī)械質(zhì)量對(duì)深層土壤容重的影響優(yōu)勢(shì)被削弱。有研究表明，3 次壓實(shí)后土壤容重增幅減緩[17]，這就是因?yàn)閴簩?shí)次數(shù)對(duì)土壤影響的累積作用。可見，質(zhì)量較小的機(jī)械隨壓實(shí)次數(shù)增加其對(duì)土壤的影響也可依靠累積效應(yīng)的增加與質(zhì)量較大的機(jī)械接近。

本研究中，中型及小型機(jī)械在首次壓實(shí)就使土壤各入滲特征與未壓實(shí)土壤相比顯著下降，而大型機(jī)械至3次壓實(shí)土壤入滲特征與未壓實(shí)土壤相比顯著下降。首次壓實(shí)，中型及小型機(jī)械使2 h累計(jì)入滲量分別減少87.16%和50.81%；初滲速率分別減少87.59%和70.93%；中型機(jī)械使穩(wěn)滲速率顯著減少92.90%。3次壓實(shí)，大型機(jī)械使2 h累計(jì)入滲量、初滲速率顯著減小73.29%和75.67%；至5次壓實(shí)后各機(jī)械間土壤各入滲特征無顯著差異。說明少次壓實(shí)時(shí)，中型機(jī)械入滲能力受影響最大，大型機(jī)械受影響最小，這應(yīng)當(dāng)與機(jī)械本身及機(jī)械與土壤之間的接觸有關(guān)。大型機(jī)械與中型機(jī)械相比擁有更大的質(zhì)量，因此對(duì)土壤的壓實(shí)作用也更強(qiáng)烈，這在壓實(shí)對(duì)土壤的容重、孔隙特征方面有所體現(xiàn)，但大型機(jī)械也擁有更強(qiáng)的發(fā)動(dòng)機(jī)馬力及更深的輪胎的花紋深度。在機(jī)械行駛過程與土壤接觸面的摩擦力也更大，因此對(duì)表層土壤的擾動(dòng)作用相比中型機(jī)械也更大。有研究表明，大型機(jī)械在少次壓實(shí)土壤變形較中型機(jī)械更大[47]，表層土壤狀態(tài)更為松散，而松散土壤吸收徑流的能力更好，其入滲能力也就更好。至5次壓實(shí)后，各機(jī)械壓實(shí)后土壤入滲能力土壤各項(xiàng)入滲指標(biāo)變化不再顯著。一方面是由于主壓實(shí)次數(shù)增加，壓實(shí)作用的累積效應(yīng)顯現(xiàn)導(dǎo)致土壤入滲性能逐漸減弱；另一方面，機(jī)械對(duì)土壤入滲特征的影響存在閾值，當(dāng)土壤受壓實(shí)作用到閾值以后，土壤各項(xiàng)物理性質(zhì)不再明顯變化，這在周艷麗等[17]的研究中也被證明。

綜合來看，0~20 cm土層土壤容重及土壤孔隙特征均影響機(jī)械壓實(shí)土壤入滲特征，0~10 cm土層土壤容重是影響綜合土壤入滲特征的主導(dǎo)因素。土壤容重增加、土壤孔隙度減小使土壤入滲能力減弱已被眾多學(xué)者證實(shí)[7,31]。土壤容重的變化體現(xiàn)了土壤中孔隙狀況的變化，壓實(shí)使土壤顆粒排列更為緊密，土壤孔隙結(jié)構(gòu)變差，土壤容重增加，土壤水分入滲就越差。土壤入滲過程可分為滲潤(rùn)階段、滲漏階段和滲透階段。滲潤(rùn)階段，水分在土粒分子力作用下被土粒吸附形成吸濕水，進(jìn)而形成薄膜水，水分繼續(xù)入滲至滲漏階段，毛管力和重力成為影響土壤水分下滲的主要作用力，在毛管力和重力的共同作用下，水分在土壤非毛管孔隙中不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，并逐步填充土壤孔隙并逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，隨后入滲過程進(jìn)行至滲透階段，水分在重力作用下沿土壤非毛管孔隙繼續(xù)向深層運(yùn)動(dòng)。即在整個(gè)土壤入滲過程中，土壤中孔隙結(jié)構(gòu)主要影響水分入滲。而容重作為綜合反映土壤孔隙結(jié)構(gòu)的指標(biāo)，與土壤滲透能力極顯著負(fù)相關(guān)，能夠表征機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤入滲特征的影響。