田间土壤压实研究现状

王宪良，王庆杰，张祥彩，郑智旗，郑　侃，胡　红

(中国农业大学 农业部-机器-植物系统技术重点实验室，北京　100083)



田间土壤压实研究现状

王宪良，王庆杰，张祥彩，郑智旗，郑侃，胡红

(中国农业大学 农业部-机器-植物系统技术重点实验室，北京100083)

摘要：在综述国内外农机土壤压实研究进展的基础上，结合土壤压实形成过程，从土壤含水量、耕作方式、农业机械3方面，内外因相结合的角度分析了影响田间土壤压实的因素。针对影响因素提出减缓土壤压实的可行性措施，总结了目前土壤压实研究中存在的问题和认识上的不足，并提出可行性建议。为进一步开展农业机械土壤压实方面研究提供参考。

关键词：土壤压实；农业机械；建议；现状

0引言

农田土壤是由50%的土壤颗粒、土壤有机质及50%孔隙(水分大约占25%，空气25%)组成，土壤压实是由于在土壤表面施加压力导致土壤孔隙度降低使土壤颗粒排列紧密，进而导致土壤容重增加的过程[1-2]。近年来，随着土地流转、农机购置补贴政策的实施，我国大中型农业机械保有量持续增长，农业机械长期在田间作业同时，会持续对土壤表面施加巨大压力，造成严重持久的土壤压实，严重影响农业生产可持续发展。土壤压实已经逐渐成为制约农业可持续发展的世界性问题，国外科研工作者从20世纪50年代开始对土壤压实问题开展大量研究[3]，并结合研究内容提出一些缓解土壤压实措施；但这些研究大多是集中在农业机械行走装置对土壤压实作用上，并没有对不同种类农业机械对土壤压实机理进行细致研究，缺乏全面性[4]。

本文对土壤压实进行总结分类，从土壤含水量、土壤耕作方式、农业机械3方面对土壤压实影响因素进行分析，针对这3方面影响因素提出缓解土壤压实措施，对目前存在的问题进行总结归纳，并提出可行性建议，为全面研究土壤压实提供借鉴。

1土壤压实影响因素

土壤压实导致土壤颗粒间的孔隙率降低，使土壤中大孔隙减少，影响水的渗透和运动，甚至造成土壤侵蚀和污染。农田土壤机械压实对土壤物理化学生物及作物生长发育均有明显的负效应[5]。在现代农业生产系统中，农业机械是引起土壤压实的主要原因，但土壤含水量和土壤耕作方式也以直接或间接方式影响着土壤压实。

1.1　土壤含水量对土壤压实的影响

土壤含水量是影响土壤压实过程最重要的因素[6]，了解土壤含水量对土壤压实过程的影响有助于指导农业生产者在合适土壤含水量条件下进行耕作，缓解土壤压实。在一定载荷作用下，土壤压实程度随着含水量增加而增加[7]。Gysi et al. (1999) 研究指出：在潮湿的土壤地表施加160kPa的接触应力，12~17cm深度土壤容重明显增加，土壤孔隙度明显减小，32~37cm深度土壤团粒结构只发生轻微变化，52~57cm深度土壤监测不到土壤压实现象；然而在干燥土壤条件下，施加相同接触应力对30cm深度土壤物理特性没有影响[8]。

1.2　耕作方式对土壤压实影响

人们在用大型机械进行土壤耕作时发现有益的耕作常被土壤压实和侵蚀所抵消，土壤耕层不是越耕越好，而是土壤环境被破坏越来越严重[9-10]，合理耕作管理是调控土壤压实的重要措施。土壤质地、土壤机械强度、耕层土壤团粒结构等土壤物理机械性质作为内因影响土壤压实，长期实施同种耕作会严重影响土壤耕层与非耕层土壤物理机械性质，从而影响土壤承重能力。相反，保护性耕作技术不仅不会破坏土壤物理机械性质还会通过增加土壤有机质含量的方式增强土壤结构。

不合理的耕作不仅使0~10cm表层土壤产生严重压实，还会造成10~60cm的深层土壤压实。Wiermann 等(2000)研究了重壤土上长期实施免少耕耕作对土壤强度的影响，如表1所示。结果表明：传统耕作试验地，耕整地机具长期对土壤挤压，破坏土壤团粒结构，导致土壤承重能力下降，在土壤表面施加2.5t载荷，会使土壤产生很严重的结构性退化；相反，在免少耕试验地，土壤具有稳定的结构，承重能力较强，2.5t载荷不会对土壤产生严重结构性破坏[11]。Benito 等人(1999)研究了传统耕作、少耕、免耕对土壤含水量、土壤有机质含量和土壤压实情况的影响。研究结果表明：免耕处理试验地土壤含水量高于少耕和传统耕作试验地；传统耕作表层土壤紧实度小于免少耕试验地，但作物收获之后，底层土壤紧实度明显高于免少耕试验地；免少耕处理有机质含量高于传统耕作[12]。

表1　长期少耕对土壤强度影响

a表示压实次数，正应力(NS)，剪应力(SS)，10cm深度土壤正应力与剪应力比值(NS/SS)，传统耕作(CT)，保护性耕作(CS)。

1.3　农业机械对土壤压实

随着农业机械不断发展，农业生产体系发生巨大变化，大中型农业机械逐渐取代牲畜及小型农业机械，作物生长期多次进地作业，农业机械行走装置和各种农机具造成不同程度压实(见图1~图3)[13,16],农业机械行走装置会对土壤产生碾压，农机具土壤耕作过程中按照工作原理分为挤压和击打压实。

1.3.1行走装置

在当今农业生产系统中，机具行驶是导致土壤压实很重要的原因[17]。几乎所有类型的农业机械在行走过程中都会明显增加土壤紧实度，造成土壤压实[18-19]，如图1所示。

研究表明：轮式行走装置造成的土壤压实主要取决于轮上载荷、轮胎的结构参数、轮胎气压及土壤物理机械特性。轮胎气压对轮胎-土壤接触面应力分布影响较大，实验证明：轮胎-土壤接触面应力大小仅仅对表层土壤(0~30cm)紧实度产生影响；轴载决定心土层土壤压实程度，心土层受压发生形变的深度随轴载增加而增加[20]。履带式行走装置对土壤压实主要取决于压力沿履带支承表面长度分布的均匀性，随着履带支承表面长度和履带宽度的增加，对土壤压实作用降低，而且增加履带支承表面的长度要比增加履带宽度更有效[13]。

土壤压实随着作业次数的增加而增加，农业机械行走装置对土壤压实一次会产生持久性破坏，多次进地会造成严重土壤压实。小型拖拉机虽然质量较小，但在同一位置多次作业造成的压实并不小于大中型拖拉机造成的压实；相比于免耕作业，拖拉机进地次数达到10次，会显著改变土壤结构，影响作物产量[21]。

1.3.2农机具

农业机械田间工作时，不仅行走装置对土壤产生碾压作用，各种农机具同样会对土壤进行挤压，如铧式犁、深松铲等会对土壤产生静态挤压过程(见图2)，旋耕机等机具通过动态冲击原理对土壤造成压实，如图3所示。

图1　行走装置对土壤碾压　　　　图2　铧式犁对土壤挤压

图3　旋耕机及其工作原理图

郭志军(2002)等人通过二维有限元分析方法分析了抛物线型切削面刀具切削性能，模拟结果显示：土壤切削工具尖端底部-特别是其底部前方的土壤单元位移方向向下，说明在切削土壤的同时会对底部土壤出现压实现象[10]。焦彩强等人(2009)通过设置旋耕和深翻处理、休闲和种植小麦处理的定位观察试验，研究了长期旋耕处理对土壤紧实度的作用与影响。研究表明：播种前实施旋耕处理的试验地15~40cm土壤紧实度明显高于其他处理，证实了生产上现行的旋耕方法具有明显地导致土壤紧实化问题[22]。

2土壤压实度评价方法

土壤压实现象不仅以硬皮的形式存在于表层土壤，还会以坚硬土层的形式存在于下层土壤。因此，及时发现并判断土壤压实形成原因，并找到土壤压实缓解措施，对指导农业生产，保护土壤，提高作物产量具有重要意义。Hatley (2005)等人总结了一些评估土壤压实的方法[23]：

1)通过土壤物理特性指标评价土壤压实。常用的指标为土壤容重、土壤孔隙度及土壤紧实度等。Raper(2005)认为，土壤压实普遍使用的指标是土壤容重和圆锥指数[19]。针对不同类型土壤之间难以进行这些参数比较的问题，Hakansson和Lipiec(2000)提出了土壤相对紧实度(测试土壤容重和参考容重的比率)的概念，土壤相对紧实度不依赖于土壤的组成和质地，且在不同土壤之间具有可比性，可以用来评价土壤紧实度[24-25]。

2)基于压实导致的次级变化间接进行评价。包括根系分布、土壤水分扩散率及土壤水分含量。李志红和王淑华[26](2000)通过土壤孔隙度、土壤容重、毛管孔隙度、坚实度及水分扩散率等土壤物理性状和根长、根重、株高、干物质量研究了土壤紧实度对小麦生长的影响。张兴义和郭跃宇[27](2001)通过土壤坚实度和作物产量来研究机械压实对玉米和大豆的影响。由于作物根系生长过程中穿透紧实土壤能力较弱，作物根系发育受阻，导致作物产量减少，一定程度反映土壤压实程度。

3)田间直接评价紧实度。田间直接评价方法主要基于土壤结构的变化进行，这种方法比较灵活、简单易懂，如当田间出现不规则的湿点时，表明犁底层的存在阻碍了水分入渗。

3缓解土壤压实措施

3.1　选择合适时机进地作业

当7~15cm土层的土壤含水量接近田间持水量时，机械对土壤造成的压实最为严重。因此，建议避开土壤含水量较高时进地作业，尽量选择土壤最干旱时进行耕作。如必须作业，建议配合其他缓解土壤压实措施对土壤进行保护。

3.2　土壤耕作

1)保护性耕作。稳定的土壤团粒结构是保持土壤结构的基础。传统耕作过度扰动土壤，破坏土壤团粒结构；劣化土壤结构。保护性耕作降低土壤对压实的敏感性，减少作业数量，秸秆覆盖地表，阻止地表硬壳形成。

2)增加土壤有机质含量。增加土壤有机质含量能够有效促进土壤团聚化，形成良好结构，提高土壤抗压实性能。常见的方法是通过将秸秆与表土混合可以提高有机质含量，但这种通过增加有机质提高土壤抗压实性的方法主要用于表层土壤。

3)作物轮作。根系粗大的作物在生长过程中会对土壤硬层具有穿透作用，并且收获后残留在土壤中的作物根茬腐烂后可以大幅度提高土壤孔隙度。利用根系粗大的直根植物与普通作物之间进行轮作可明显减小表层和心土层土壤压实。

3.3　农业机械角度

1)疏松土壤机具。根据土壤立体压实现状，研制全方位缓解土壤压实机具。一种可调节松土机具[28]可以疏松0~40cm土壤，缓解土壤压实，如图4所示。

图4　立体松土机

深松犁Labrador[29](见图5)主要作用就是缓解由拖拉机轮胎造成的土壤碾压，主要由机架和两个松土齿构成，通过三点悬挂与拖拉机连接；机具质量为285kg最大配套动力132.3kW，松土齿可以在横向位置调节，适应各种轮距的拖拉机。深松犁Labrador最大耕作深度为65cm，可以有效对拖拉机轮迹压实的土壤进行深松。利用深松齿对轮胎碾压区域进行土壤疏松的机具还有很多，但机具构造及工作原理几乎相同，如库恩SO270、SO370等。

深松机DC401[30](见图6)是一款疏松由农业机械对田间土壤造成的综合压实的机具，主要由松土铲和镇压辊组成，采用三点悬挂的形式与拖拉机连接；作业宽度为4m，总质量925kg，最大工作深度35cm，松土铲450mm宽，对称的松土铲均匀地破碎土壤，在整个作业宽度上抬松土壤，由于其特殊的位置、角度和形状，使之能有效地打碎和抬起土壤而又不会破坏土壤的结构。

2)固定道系统。将拖拉机行驶带与作物生长带隔离开来，在田间建立永久的拖拉机行走道。这样能够消除农业机械工作过程中行走装置对固定道中间土壤的压实作用[31]。

图5　深松犁Labrador　　　图6　深松机DC401

3)行走装置技术改进。农业机械设计上尽量减少轴载和接地压力，完善现有机具的行走系统[32]，如：改两轮驱动为四轮驱动；改一机四轮为一机六轮或八轮，增加轮胎数量增加接地面积，大大降低土壤压实；行走装置改轮式为履带式，履带式行走装置接地面积比轮式大得多，对地面压力更小，但是履带式行走装置存在行走速度低，转向功率大等缺点；改高压轮胎为低压轮胎，低压轮胎可以增大轮胎-土壤接触面积，减小轮胎-土壤接触面应力，减小对表层土壤压实。

4)表土作业、深松作业相结合。表土作业能够缓解表层土壤紧实度，降低土壤对压实的敏感性，增加地表作物残茬量，防止地表硬壳形成，保持土壤良好的通气性。深松技术可以打破由于铧式犁、旋耕机等耕整地机械长期处于同一耕深形成的犁底层，深松打破犁底层之后，土壤渗水速率提高5~10倍，土壤孔隙度有较大提高[33]。美国大平原提出了垂直耕作模式玉米增产耕整地及播种方案[34]来缓解土壤压实，其整个生产系统中核心步骤是：秋季垂直耕作，春季垂直耕作，精准播种，宽窄行距。进行秋季垂直耕作时，将土壤剖面压实问题分为由铧式犁引起的犁底层，由圆盘耙等引起的重耙耕作板结层及由耕耘机等引起的轻耙耕作板结层，如图7所示。

图7　垂直耕作

秋季垂直耕作能够打破不同深度板结层，从而创造上下一致的土壤结构，表层土壤和底层土壤更容易实现水分和热量交换；春季垂直耕作可以创造完美种床，保证作物出苗率。

4问题及建议

土壤压实是农业机械化作业不可回避的问题，只有研究清楚土壤压实的危害、成因及其压实机理，才能够为避免或减轻土壤机械压实提供理论基础。虽然我国许多农民和科研工作者已经意识到土壤压实问题，但是一直未能开展全面系统研究，因此借鉴国外该方面先进研究方法，积极开展土壤压实过程方面研究，结合我国不同地区以及农业机械区域性发展不均衡的现状，从农机到农艺系统提出整套缓解土壤压实方法。

运用适当方法对土壤紧实现象进行正确分析和评价，对认识土壤压实、分析土壤压实，为进一步提出减少土壤压实措施提供依据，在农业机械设计和制造时采用减轻或避免机械压实的技术策略。在应用机械方式缓解土壤压实同时会造成更深土层的土壤紧实问题，如铧式犁翻耕形成犁底层、深松铲底部形成坚硬底层、旋耕机加深底部土壤紧实度等。因此，对深层土壤压实问题研究不够，寻找实用、有效破除深层土壤压实问题将是进一步研究土壤压实重要领域。

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The Soil Compaction Forms and Research Status

Wang Xianliang, Wang Qingjie，Zhang Xiangcai, Zheng Zhiqi, Zheng Kan, Hu Hong

(State Key Laboratory of Soil-Plant-Machine System Technology, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

Abstract：This paper reviews the work related to soil compaction .We combined internal and external cause of soil compaction and discussed the factors effecting soil compaction, including soil water content, tillage system, agriculture machinery, and the possible solutions suggested in the literature. We also listed the problems exist in the worldwide and put forward some feasibility suggestions to avoid, delay or prevent soil compaction. We can provide some reference for further research about soil compaction.

Key words：soil compaction； agriculture machinery； solutions； research status

中图分类号：S28；S233

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0264-05

作者简介：王宪良(1990-)，男，山东潍坊人，博士研究生，(E-mail)757050460@qq.com。通讯作者：王庆杰(1979-)，男，山东烟台人，副教授，(E-mail)wangqingjie@cau.edu.cn。

基金项目：教育部创新团队发展计划项目(IRT13039)；公益性行业(农业)科研专项(201503136)

收稿日期：2015-08-23