農(nóng)田土壤板結(jié)修復方案

1、農(nóng)田土壤板結(jié)治理方案2017年7月目 錄第一章 概論11 引言1第二章 土壤板結(jié)的危害22.1 對土壤肥力特性的影響32.1.1物理性質(zhì)32.1.2化學性質(zhì)42.1.3生物學性質(zhì)52.2對作物生長的影響62.3對當?shù)丨h(huán)境與生態(tài)條件的影響7第三章 土壤板結(jié)的影響因素73.1機械壓實73.2施肥83.3土壤自身特性93.3.1含水量及容重93.3.2有機質(zhì)含量103.3.3土壤質(zhì)地103.3.4土壤團聚體11第四章 土壤板結(jié)的評價指標124.1容重和孔隙度124.2硬度134.3導水與持水性能指標134.4透氣性指標154.5壓縮特性指標15第五章 土壤板結(jié)的改良方法155.1提高土壤有機質(zhì)含量1

2、65.2控制農(nóng)業(yè)機械的使用175.3機械深松175.4作物輪作185.5秸稈還田18第一章 概論1.1 引言土壤板結(jié)是指在人為耕作、機械碾壓、植物根系穿插和動物穿行等外力作用下，土壤孔隙減小、數(shù)量減少乃至結(jié)構(gòu)遭到破壞、硬度增大的現(xiàn)象；它是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)共同面臨的一個重要問題。同時，土壤板結(jié)作為土壤退他的一種類型具有特殊性，它不像土壤侵蝕和鹽潰化等土壤退化過程在表層有明顯的跡象，確定土壤板結(jié)是否已經(jīng)發(fā)生需要對其結(jié)構(gòu)進行檢測和鑒定。土壤板結(jié)既能夠發(fā)生于凍融作用這樣的自然過程，也可產(chǎn)生于機械碾壓等人為過程。農(nóng)業(yè)機械發(fā)明和使用之前，土壤板結(jié)問題集中存在于犁底層?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的應用、特別是機械的過度

3、使用，增大了土壤板結(jié)的風險。高頻率種植、不恰當?shù)淖魑镙喿饕约懊芗拍梁筒缓侠淼耐寥拦芾矶紩е峦寥腊褰Y(jié)。例如，土壤有機質(zhì)含量降低、在高含水量條件下進行耕翻操作或者放牧都會加大土壤板結(jié)的風險。土壤板結(jié)會提高土壤的硬度，造成土壤蓄水、保水和導水的能為下降。土壤板結(jié)通過降低水分和養(yǎng)分的儲存與供應能為來降低土壤的生產(chǎn)力，最終導致更多的肥料投入，從而使生產(chǎn)成本增加。土壤板結(jié)會影響有機質(zhì)碳氮的循環(huán)和礦化過程，使土壤中二氧化碳的濃度增加、微生物的活性下降。同時，土壤板結(jié)還會引起土壤侵蝕，進而造成養(yǎng)分流失和環(huán)境污染等一系列問題。第二章 土壤板結(jié)的危害 板結(jié)給土壤帶來的不良影響容重增加、孔隙度降低、孔隙形狀改變

4、以及孔隙尺寸的改變。土壤基本物理性質(zhì)的改變導致土壤持水和導水特性發(fā)生變化，土壤孔隙度下降、特別是大孔隙減少，會明顯地影響土壤的入滲性能和改變土壤有效水的儲存性能。總之，土壤板結(jié)能嚴重影響土壤容重、孔隙度等物理性狀，也能影響到有機質(zhì)礦化、養(yǎng)分供應等土壤化學和養(yǎng)分性質(zhì)，進而影響作物生長和農(nóng)田環(huán)境質(zhì)量。2.1 對土壤肥力特性的影響2.1.1物理性質(zhì)板結(jié)直接影響到土壤容重；容重是單位體積烘干土的質(zhì)量，因此一般來說土壤板結(jié)會使土壤容重增加。土壤的最佳容重要依土壤質(zhì)地等性狀來決定。一般說來，容重超過了一定的范圍，總會阻止作物根系的生長。而耕作則是調(diào)控土壤容重的重要途徑之一。同耕作土壤相比，非耕種土壤容重一

5、般較高，然而由于未耕種、非耕作土壤有機質(zhì)含量較高且生物活性較強，非耕種、非耕作土壤的結(jié)構(gòu)往往比耕作土壤更適合作物根系生長。在同一土壤上，容重增加必然導致孔隙度降低。首先，粗大的團聚體內(nèi)部大孔隙減少，小孔隙相應增加。如果土壤容重繼續(xù)增大，團聚體乃至較小團聚體內(nèi)部孔隙也會受到影響，結(jié)果使土壤總孔隙度明顯下降，孔隙分布趨于變得均勻、小孔隙相對增加，孔隙連通性降低。與此同時，土壤耕作機械阻力增加，滲透性和導水性降低，最終影響土壤-植物關(guān)系并使變物理化學過程改變。研究表明，大部分植物根系適宜生產(chǎn)在有10以上孔隙充滿空氣的土壤上。值得注意的是，己經(jīng)板結(jié)了的土壤再次被耕作時更易于發(fā)生板結(jié)。板結(jié)導致土壤結(jié)構(gòu)破

6、壞，而土壤結(jié)構(gòu)破壞會使土壤失去大孔隙、降低總孔隙度。草甸牧場等處的非耕種土壤，由于高有機質(zhì)含量和較為密集的根系系統(tǒng)，其土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育良好。這樣的土壤即使面臨暴雨也不會發(fā)生流失，這是因為土壤中的團聚體穩(wěn)定，入滲能力高的緣故。而且由于有土壤動物活動及根系生長穿插作用存在，在表土層下也有較粗大的孔隙。但是，受到耕作的具有犁底層的農(nóng)田，其表層土壤結(jié)構(gòu)都較差。在這樣的場所，當受到雨水擊濺時地面會迅速被淤閉，從而導致入滲速率迅速降低；耕層以下土壤變得異常致密，由土壤動物等穿行所形成的孔隙也較少，少量的己經(jīng)腐解了的根系清晰可見。對此要改善土壤結(jié)構(gòu)性和提高土壤生物的活性，需要合理地降低耕作次數(shù)并増加有機質(zhì)的投入

7、。板結(jié)使土壤中的大孔隙減少，水分入滲速率和飽和導水率下降。飽和導水率是土壤被完全飽和時水分通過土壤斷面的速度，非飽和導水率則是在土壤未被水分完全飽和時水分在土壤中流動的速度。非飽和導水率的大小對于水分自遠處到植物根部的流動是十分重要的。非飽和導水率對土壤板結(jié)的反應不一，有時板結(jié)土壤對干旱的反應反倒沒有非板結(jié)土壤那樣敏感。另一方面，由于受板結(jié)作用使作物根系生長受阻、數(shù)量較少，所此總體上在板結(jié)土壤作物更容易受到干旱的影響。2.1.2化學性質(zhì) 板結(jié)改變了土壤的物理性質(zhì)，例如土壤水分入滲速率和空氣擴散速率降低，會使土壤的化學性質(zhì)受到影響。土壤板結(jié)引起氧氣擴散率降低，就土壤局部而言如果其氧氣消耗速度比擴

8、散速度快，將會表現(xiàn)出板結(jié)造成土壤缺氧狀況現(xiàn)象，另外，板結(jié)土壤地表易于積水而發(fā)生缺氧過程，會導致土壤氧化還原電位下降，致使氨氧化鐵溶解度升高、鐵的存在形式更加復雜，含鐵礦物例如纖鐵礦在板結(jié)土壤中變得肉眼可見，因為其顏色為澄色。受到車輪鎮(zhèn)壓后的車徹等低處土壤水分入滲速率下降且容易滯水，結(jié)果土壤生物化學過程發(fā)生改變，直接影響到鐵的氧化還原形態(tài)及其地球化學過程的研究表明，經(jīng)過礙壓的0-30cm的森林土壤的二價鐵濃度較高。由于板結(jié)地表積水，在這樣的土壤中，15-30自由鐵是以還原態(tài)的二價鐵形式存在的；發(fā)生板結(jié)兩年以后，土壤中可萃取的鐵氧化物數(shù)量也會增加。板結(jié)影響土壤中二氧化碳濃度和有機碳、氮的礦化過程。

9、試驗表明，對受到人工壓實處理容重從1.1g/cm3增加到1.5g/cm3的土壤，經(jīng)過9個月培養(yǎng)后，碳的礦化率與氮的硝化速率均明顯降低。板結(jié)直接造成土壤二氧化碳通量下降，間接造成的是機械使用量增加而帶來的石油用量上升以及二氧化碳排放量的增加。隨著土壤板結(jié)反硝化作用増加，這導致更多的N2O擴散到大氣中。板結(jié)減少了土壤中可利用的氮素數(shù)量，降低了氮素的利用效率，進而導致肥料的投入量增加。有研究表明，土壤板結(jié)最終會增加土壤水分含量和強化反硝化過程，很可能使氮氧化物的排放量減少，但是會增加氨的揮發(fā)。通常土壤板結(jié)會影響植物根系生長，不利于植物對養(yǎng)分元素的吸收，但使會植物根系與土壤顆粒的接觸更加緊密，使二者之

10、間的離子交換更加迅速。同通過質(zhì)流進行養(yǎng)分吸收的方式相比，通過擴散進行的養(yǎng)分吸收受土壤板結(jié)影響更大。Dolanetal等人研究證明土壤板結(jié)會降低作物對鉀素和磷素對養(yǎng)分的吸收，而Shierlaw 等人的研究則表明板結(jié)能提高黑麥草和作物對磷素的吸收，這可能是由于土壤性質(zhì)及板結(jié)類型不同所致。在濕潤氣候區(qū)，土壤板結(jié)能夠增加反硝化損失和降低氮素礦化數(shù)量。有研究表明，在濕潤氣候區(qū)的沙壤土，氮素礦化數(shù)量可降低巧33、而反硝化速率則增加了20。土壤板結(jié)對作物的磷素吸收影響較大，這是因為磷素在土壤的移動性很小的緣故。為此，根系要吸收充足的磷素必須不斷地延展自身的長度。土壤板結(jié)抑制了植物根系的生長，必然會對磷的吸收

11、產(chǎn)生阻礙。而鉀素的吸收受到的影響則相對較小。2.1.3生物學性質(zhì)板結(jié)引起土壤物理和化學性質(zhì)改變，最終對土壤生物產(chǎn)生各種各樣的影響。板結(jié)對土壤生物多樣性以及微生物量的影響方向和程度，取決于土壤性質(zhì)、板結(jié)程度以及當?shù)氐臍夂驐l件。土壤板結(jié)可以使充滿空氣的孔隙降低13-36%，土壤通氣性明濕降低造成微生物量碳和微生物量氮明顯降低。也報道過土壤板結(jié)后，微生物量磷降低。 對土壤的任何擾動和鎮(zhèn)壓引起土壤通氣性能的改變，都會影響到土壤中酶的活性。己有研究表明，板結(jié)造成土壤物理和化學性質(zhì)的變化，使得磷酸酶，尿酶，酰胺酶和脫氨酶活性降低，但是也有研究表明土壤板結(jié)有時會增加磷酸酶活性。板結(jié)造成的厭氧條件使得土壤中的

12、微生物群落發(fā)生改變使之能適應新的土壤條件，這樣一來真核和原核的比值降低，更多的鐵和硫酸鹽被還原，并產(chǎn)生更多的產(chǎn)甲烷菌。土壤動物對土壤中有機質(zhì)的分解起到很大作用。土壤動物的棲息地在土壤中。土壤板結(jié)改變了孔隙大小和分布，使得土壤大孔隙比例降低，影響著線蟲及其他較大土壤動物的移動方向。線蟲的食物比較多樣化，在土壤食物鏈中占據(jù)重要位置，同時對有機質(zhì)的分解乃至對植物的養(yǎng)分供應都起到十分重要的作用。一般來說，即使是嚴重的土壤板結(jié)也不會影響線蟲的數(shù)量，但會影響到線蟲的空間分布。Bouwman and Arts的研究表明，嚴重的土壤板造成食細菌性和雜食性線蟲數(shù)量的降低，同時造成食草性線蟲數(shù)量的増加。蚯蚓同樣受

13、到土壤板結(jié)的影響，它們的數(shù)量隨著土壤板結(jié)程度的增加而降低，但它們能夠以攝取土壤顆粒的方式貫穿阻力達3000kpa的土壤而使局部板結(jié)的土壤得到改良。2.2對作物生長的影響植物需要從土壤中獲取水分和必要的礦物元素、養(yǎng)分。植物根系只能吸收其近傍的水分和養(yǎng)分，所發(fā)達的植物根系有利于從土壤中獲得水分和養(yǎng)分。植物根系從土壤中汲取水分，從根尖分泌粘液，但根系遇到阻礙時，根系將會膨脹、變得粗大。由于土壤板結(jié)后，土壤硬度增加會阻止植物根系貫入而降低根系的延伸，最終影響植物的生長、致使產(chǎn)量下降的綜述中提到，土壤板結(jié)會影響供應植物根系水分的通量和濃度。通常，土壤板結(jié)會降低植物根系長度，使根系的貫入能為相對降低、下扎

14、深度下降。試驗表明，在有機質(zhì)含量5的板結(jié)壤土上，根系就無法穿透20cm厚的上層。另外，也有研究表明土壤板結(jié)還可以加劇某些植物根系病蟲危害。同亞表層土壤板結(jié)相比，表層土壤板結(jié)對根系生長影響更大。Saqibeta研究表明，當沙粘壤土的容重由1.21g/cm3增加到1.65g/cm3時，土壤的鹽分濃度上升，而小麥的根系密度降低，生長受到影響。該研究結(jié)果還指出，由于土壤板結(jié)和鹽度的交互作用，土壤中的濃度下降、K+/Na+比值變小。植物不同，其對土壤板結(jié)的反應敏感性不同。一些根系有著較好的貫入能為的作物，受土壤板結(jié)的影響較小。這些作物可以被用改良板結(jié)嚴重的土壤。根系生長、直徑變粗，這種擠壓作用也可以提高

15、根系附近土壤的容重，而且這也將改變近根系土壤的物理化學及生物學過程。雖然植物的根系易于受到土壤板結(jié)的影響，但是植物枝干并不是總是會表現(xiàn)出明顯的負效應。這主要是因為植物地上部生長取決于從土壤中獲取的營養(yǎng)元素的種類和數(shù)量等多種因素；如果土壤嚴重板結(jié)以至于降低了土壤中離子的活性，根系生長受到限制，那么植物地上部的生長就可能會表現(xiàn)出明顯影響。研究表明，土壤板結(jié)不會影響作物植株高度，但是會造成其產(chǎn)量的下降。作物不同生長時期受到土壤板結(jié)的影響程度也大不相同，一般說來出苗期受到的影響更為明顯。在礫樹上的試驗結(jié)果表明，將土壤容重由1.3g/cm3增加到1.8g/cm3時，棟樹出苗推遲，且出苗率僅為70。在該試

16、驗中還發(fā)現(xiàn)，土壤板結(jié)影響幼苗高度。但是，即使同為幼苗，也會因土壤類型和植物種類不同而對土壤板結(jié)的響應不同，例如對于沙王而言中等程度的板結(jié)對木本植物幼苗的生長是則有益的。2.3對當?shù)丨h(huán)境與生態(tài)條件的影響板結(jié)影響土壤的物理、化學和生物學性質(zhì)，影響植物生長，必須會對當?shù)丨h(huán)境產(chǎn)生復雜的影響。首先，土壤板結(jié)增加了溫室氣體的排放量。其次，還會增加能源消耗，因為土壤板結(jié)、耕作阻力增加，耕作的能源投入必然增加；土壤養(yǎng)分利用效率下降，要獲得同樣高額的產(chǎn)量，必須要增加農(nóng)田肥料用量。另外，板結(jié)造成土壤的厭氧環(huán)境，使得殺蟲劑的降解率降低，最終導致殺蟲劑等農(nóng)用化學物質(zhì)向地下水及含水層淋失的風險增加。同樣，由于土壤板結(jié)造

17、成的土壤導水率降低，使水分向下運動變慢，可能會使地下水流動性降低、硝酸鹽含量上升。尤其要指出的是，如果板結(jié)發(fā)生在地面是斜坡的土壤上，則極易造成地表徑流増加，進而導致地表土壤受到侵蝕、水土發(fā)生強烈的遷移。當然，這樣的徑流進入到地表水，則會對該地表水水體中的水生生物造成威脅，因為泥漿的進入會降低地表水的氧氣含量水平。然而，板結(jié)對徑流沖刷土壤的影響也因條件而異，對于沙土而言由于板結(jié)增加了土壤硬度，會使在相同徑流量下的土壤侵蝕數(shù)量下降。因此，土壤板結(jié)造成的土壤物理性質(zhì)的改變往往是益害并存，其總體效果取決于具體的環(huán)境條件和土壤性質(zhì)。第三章 土壤板結(jié)的影響因素土壤板結(jié)是在外力作用下被壓縮、變形而造成的，因

18、此引起土壤板結(jié)發(fā)生及其程度的影響因素可分為土壤自身因素和外力作用因素（外部因素）兩大類。3.1機械壓實即使在同一地塊、相同的土壤上，不同的壓實方式、壓實強度也會有不同的壓實結(jié)果。Seed and Chan的研究表明，不同壓實方法、在不同含水量土壤上，產(chǎn)生的剪切力大不相同。因此，在生產(chǎn)實踐中，在不同類型土壤上、用不同的機械耕作，產(chǎn)生的土壤板結(jié)效果相差甚遠。然而，即使是對土壤壓實試驗研究而言，到目前為止也沒有公認的固定的土壤處理方法。重擊、捏合、壓迫、振動和動態(tài)壓實是比較常見的幾種壓實方法。有人建議采用動態(tài)壓力方法或振動方法處理粗顆粒土壤，也有人建議根據(jù)土壤改良措施有針對性地選擇合適不同土壤的壓實

19、方法。機械施加給土壤的壓力強度及壓實效果取決于機械自身重量、加載到地面的壓強和機械的碾壓次數(shù)等Daum指出當施加給地面的壓強大于0.27kg/cm3時土壤易發(fā)生板結(jié)。機械壓實最為常見的是發(fā)生在機械行走后留下的車徹部分。多次碾壓對車轍的影響研究中發(fā)現(xiàn)，車轍深度的90由第一次碾壓造成。Daum的研究也獲得了類似的結(jié)果，即土壤板結(jié)80的可能性來源于第一次碾壓之后，而四次以后的碾壓其效果很小甚至可忽略不計。另外，Hornetal的研究表明，在適宜條件下（土壤水基質(zhì)勢為-10到-30KPa），機械振壓后只有地表30cm土層的土壤會發(fā)生變形和板結(jié)，30cm以下的深層土壤受到的影響很小、則可以認為能夠抵抗碾

20、壓作用。然而，如果土壤水分含量較高（土壤水基質(zhì)勢為-6KPa），碾壓所施加的壓為會超過土壤強度而最終將導致板結(jié)在深層土壤中發(fā)生。3.2施肥向土壤中施用肥料、特別是化學肥料能夠改變土壤溶液中離子組威、提高離子強度進而改變土壤pH值。土壤中帶有負電荷的土壤粘粒及有機質(zhì)官能團通過帶正電荷的多價陽離子聯(lián)接而將顆粒膠結(jié)在一起是土壤團聚體形成的主要機制之一；在一定濃度范圍內(nèi)，多價陽離子含量越高，其以鍵橋形式將土壤顆粒連接成的大土壤團結(jié)體數(shù)量就越多、形成的團聚體也越穩(wěn)定。例如，土壤中的陽離子以價的鈣鎂離子為主，向土壤中過量施入磷肥時，磷肥中的磷酸根離子與土壤中鈣鎂等陽離子結(jié)合形成難溶性磷酸鹽，結(jié)果使土壤溶液

21、中的鈣鎂離子減少，使土壤團粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性下降；向土壤中過量施入鉀肥時，鉀肥中的鐘離子置換能為上升，能將土壤團粒結(jié)構(gòu)中的多價陽離子置換出來，而一價的鉀離子不具有鍵橋作用，結(jié)果土壤團粒結(jié)構(gòu)就會遭到破壞。atietal的研究結(jié)果表明施肥處理使酸性淋溶土的土壤團結(jié)體穩(wěn)定性下降，易發(fā)生土壤板結(jié)。3.3土壤自身特性3.3.1含水量及容重在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，一般的農(nóng)事操作需要在土壤濕潤甚至是在田間持水量條件進行，這樣的土壤水分含量條件大大增加了其板結(jié)發(fā)生的風險。雖然機械作業(yè)的壓力直接施加于地表土壤，但這一壓力會向下傳遞且傳遞效果依賴于土壤水分狀況及其剖面分布。如果土壤干燥堅實，那么機械壓力對土壤板結(jié)的影響則相

22、對較小。如果表層土壤濕潤且柔軟并覆蓋于相對干燥的土層之上，那么上層土壤會被強烈壓縮。如果表土層干燥且堅實，其下層為濕潤土壤，那么壓力會向下傳遞進而使下層較為濕潤、軟弱的土壤受到壓縮。土壤對壓實的抵抗能力可用“強度”來表達。實際上這種土壤“強度”具有極高的變異性，從而使其測定變得十分困難。在測定過程中，己變形的土壤有可能提高或降低對進一步形變的抵抗能力，這主要是取決于其他土壤狀況，特別是土壤水分含量?？傮w來說，對于非飽和土壤，隨著土壤的壓實程度加深，其硬度逐漸增加，而短暫的壓實則會使土壤飽和程度提高、抵抗壓實的能力發(fā)生明顯改變。土壤水分對土壤板結(jié)的發(fā)生關(guān)系十分密切。土壤受到一定壓力作用后，其容重

23、大小最終取決于土壤水分含量的高低。在普羅科特試驗中，供試體的容重隨著水分含量的增加呈現(xiàn)先増加后降低的趨勢，在最優(yōu)含水量處有最大容重。這是由于土壤顆粒具有較大的硬度、顆粒間有一定的粘合力、顆粒發(fā)生相對位移時又受到摩擦阻力的作用的緣故。當水分含量増加時，較厚的水膜使帶有低電荷的土壤顆粒間的連接變?nèi)?，從而使其吸引為降低，土壤團聚體內(nèi)部顆粒間連接也會發(fā)生斷裂。此外，隨著含水量的增加，顆粒間的摩擦力降低，水分起到了潤滑劑的作用。水分繼續(xù)增加、超過最優(yōu)含水量后，被排出的空氣體積減少，増加的水分事實上開始降低土壤容重和土壤硬度。3.3.2有機質(zhì)含量有機質(zhì)的種類和數(shù)量影響著土壤的硬度、左右著土壤的板結(jié)性狀，這

24、是由于有機物質(zhì)對于土顆粒及其結(jié)構(gòu)體具有膠結(jié)作用。有研究結(jié)果表明，中度腐解的有機質(zhì)比髙度腐解的有機質(zhì)具有更高的結(jié)合力。有機質(zhì)含量越高，土壤團聚體則越大，越穩(wěn)定。有機質(zhì)含量較低的土壤則對板結(jié)作用比較敏感，易發(fā)生土壤板結(jié)。土壤保持足夠的有機質(zhì)含量能夠穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、提高抵抗土壤退化的能力，能夠降低土壤容重和硬度。有機質(zhì)影響土壤結(jié)構(gòu)和土壤板結(jié)的機理主要有以下幾點：（）粘結(jié)土壤礦物顆粒；（）有助于保持土壤水分，進而能夠降低土壤板結(jié)的發(fā)生風險；（c）影響團聚體的機械硬度，該機械硬度是表征顆粒內(nèi)部凝聚力的指標。然而，有的研究結(jié)果表明有機質(zhì)含量同土壤板結(jié)性狀間并沒有表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，另一些研究則報道了不同類型有機物

25、質(zhì)對土壤板結(jié)性狀的影響作用不同，還有一些研究認為相同類型有機物質(zhì)在不同土壤上其表現(xiàn)也是不一樣的。這些研究的不同結(jié)果可能是由于有機物質(zhì)類型、碳氮比、腐解程度以及土壤類型、環(huán)境條件的差異等因素造成的。同總有機質(zhì)含量相比，易氧化有機質(zhì)含量同土壤的機械性質(zhì)具有更密切的相關(guān)性。另一方面，有機質(zhì)的腐殖化程度越低，提高團聚體孔隙度的作用越大，因此越能降低團聚體的拉伸強度。因為有機質(zhì)能夠降低土壤容重和増加土壤孔隙，因此向土壤中混合有機質(zhì)、提高土壤有機質(zhì)含量會改善土壤容重和孔隙度性狀。3.3.3土壤質(zhì)地土壤質(zhì)地對土壤板結(jié)性狀的影響是深刻的。不同類型土壤其機械組成、孔隙分布及土壤顆粒表面的電化學性質(zhì)等都可能相差很

26、大。通常非塑性土壤的硬度來自內(nèi)部顆粒和團粒間的摩擦，而塑性土壤的硬度則來自于土壤顆粒和團粒的凝聚力。沙土的硬度或是對板結(jié)的阻力來自于顆粒間和團粒間的摩擦，當顆粒淆過彼此時這種摩擦力自然產(chǎn)生。而粘土的硬度來自于土壤顆粒、團粒間的凝聚力，而這種凝聚力主要產(chǎn)生于粘粒以及粉粒表面的電化學性質(zhì)。土壤阻抗剪切或抵抗形變的內(nèi)部凝聚力來自于顆粒間的分子吸引力，它在很大程度上取決于水分含量。就質(zhì)地而言，粘粒含量越高，其表面電荷與比表面積越大。電荷量較高的粘土凝聚力強度受質(zhì)地影響最大，而電荷量較低的粘土則受質(zhì)地影響較小。粉粒含量較多的土壤其凝聚力或摩擦力要遠低于粘止。當土壤的水分含量超過流限時，凝聚力消失；隨著土

27、壤逐漸變干，土壤的凝聚力和硬度隨之增加。粘粒顆粒之間有較強的吸附能力，同時對水分子也有很強的吸附能力。因此，粘土發(fā)生板結(jié)的水分變化范圍很窄，即在含水量較低和較高的情況下土壤都難以發(fā)生板結(jié)，這是由于粘土小孔隙具有較強的持水能力、水分很難排出所致。通常流限和塑性指數(shù)越高的粘性土壤，越難發(fā)生板結(jié)，水分含量對土壤壓實、板結(jié)的作用越重要。壤土和粘土在低含水量條件下，土壤對機械壓力具有較強的抵抗力；在高含水量條件下，即在塑限和流限之間，壤土和粘土則對壓實十分敏感。3.3.4土壤團聚體土壤團聚體是評價土壤肥力的重要指標。土壤團聚體遭到破壞會使土壤保水和保肥能力下降、通透性降低，最終導致土壤板結(jié)。土壤板結(jié)易于

28、發(fā)生程度同土壤團聚體穩(wěn)定性之間越表現(xiàn)出高度相關(guān)，當施加的外力相同或者相近時團聚體穩(wěn)定性好、土壤越難被壓縮，也就越不易發(fā)生板結(jié)。Balletal的長期定位試驗的結(jié)果表明，團聚體穩(wěn)定系數(shù)同土壤容重之間存在著極顯著的負相關(guān)關(guān)系。而土壤團聚體的穩(wěn)定性又與有機質(zhì)含量、粘粒數(shù)量及其礦物類型等因素緊密相關(guān)。有關(guān)土壤有機質(zhì)數(shù)量、組分與土壤結(jié)構(gòu)性、各組團聚體的數(shù)量及其穩(wěn)定性等方面的研究己經(jīng)有很多，增施有機質(zhì)是改善土壤板結(jié)性狀的最有效的措施之一，也己為人們所公認。第四章 土壤板結(jié)的評價指標土壤板結(jié)對作物的影響以及與土壤性質(zhì)間的關(guān)系是復雜的，因此需要找到一個參數(shù)來很好的描述和評價土壤板結(jié)的特性。評價土壤板結(jié)特性常用

29、的物理指標有容重、孔隙度、硬度、水分入滲速率、通氣狀況和壓縮指標等。4.1容重和孔隙度容重是單位體積內(nèi)的干燥土壤的質(zhì)量；在其它條件相同時，土壤容重的大小反映了土壤儲存、傳輸水分和空氣的能力，與土壤總孔隙度緊密相關(guān)。因此，土壤容重常被用來描述土壤的板結(jié)狀態(tài)。然而，對于膨脹或收縮性較強的土壤，不同水分含量條件下容重會有很大不同，所以容重的測定需要在標準含水量條件下進行。另外，也有相對容重來表達土壤板結(jié)狀況的；它是指在做標準單軸壓縮試驗時土壤承受200kPa壓為時的容重，這一指標則可以直接來比較所有土壤的板結(jié)狀況。因為容重隨著土壤的質(zhì)地和有機質(zhì)含量變化而變化，所以Hakanson提出了“板結(jié)度”的概

30、念，用于描述植物對土壤硬度機械作用的響應。Hakanson將板結(jié)度定義為容重與相對容重的比值。迄一參數(shù)對于非常疏松的土壤、特別是沒有機械阻力或通氣問題的土壤是有用的，但是對于根系與土壤緊密接觸且導水狀況不良的土壤來說其使用則要受到限制。從這個意義上說，想要用容重一個指標來表征土壤板結(jié)特征是不充分的，必須考慮同時使用土壤硬度、通氣性（孔隙度）、水分含量等性狀指標。4.2硬度土壤硬度也經(jīng)常被用作土壤板結(jié)的測定指標，這是因為土壤硬度可以較好地反映土壤對根系貫入的阻抗能力的緣故。土壤硬度一般用將錐形探頭插入土壤時讀取探頭受力大小的方法進行測定。這一測定結(jié)果間接地反映了土壤壤對根系貫入的阻力相對大小，因

31、為根系生長伸長時需要一種力來克服土壤顆粒和團聚體移位、變形而產(chǎn)生的機械阻為，而土壤硬度理論上就等同于貫入阻力了。硬度受到土壤質(zhì)地、有機質(zhì)含量、容重和水分含量的影響。測定貫入阻為時應該注意當時的土壤水分含量狀況，水分含量不同貫入阻為可能相差很大。土壤硬度一般隨著容重增加呈指數(shù)型增加，但在低水勢條件下，其増加的速度會更大。4.3導水與持水性能指標板結(jié)使土壤的基本物理性質(zhì)發(fā)生了改變，也使土壤的導水和持水能為發(fā)生變化，因此，土壤的入滲速率（導水速度）和持水曲線均可以作為評價土壤板狀況的指標。由于板結(jié)降低了土壤的總孔隙度，因此水分入滲速率經(jīng)常被用來在田間監(jiān)測土壤板結(jié)狀況的變化。同類型土壤如果未發(fā)生板結(jié)則

32、由于大孔隙數(shù)量多而比發(fā)生板結(jié)后土壤的水分入滲速率要大得多。這與土壤的總孔隙度變化并不呈簡單的相關(guān)關(guān)系，而是同大孔隙數(shù)量及孔隙間的連通程度直接相關(guān)。土壤中水分的儲存和運移都受到土壤板結(jié)的影響；大量的研究結(jié)果表明，土壤水分入滲速率隨著機械碾壓次數(shù)和壓力的增加而降低。Hill and Summer在研究板結(jié)對9種不同質(zhì)地土壤的持水特征曲線的影響時將這9種土壤按照質(zhì)地分為三類：沙土、沙壤土或沙粘壤土、粘壤土或者粘土。對于粘壤土或者沙粘壤土，在相同基質(zhì)勢的水分條件下，土壤板結(jié)使其持水能力上升。對于沙土，這種影響會隨著水分基質(zhì)勢的降低而減?。簩τ谡惩吝@種影響則會隨著水分基質(zhì)勢的降低而増大。對于沙壤土和沙粘

33、土，容重的增加導致其持水能力下降，但是在低基質(zhì)勢下這種趨勢發(fā)生逆轉(zhuǎn)。然而，該研究只考慮了基質(zhì)勢大于-10KPa的情況，而且隨著容重的增加，并未發(fā)現(xiàn)土壤持水曲線趨于“平緩”的現(xiàn)象。然而，Zhang等人的研究結(jié)果表明，隨著土壤板結(jié)程度的增加，土壤水分特征曲線庭于“平緩”。Croney and Coleman的研究表明土壤板結(jié)會使水分特征曲線的滯后環(huán)變窄?；|(zhì)勢-5KPa處的體積含水量隨著土壤板結(jié)程度的增加而増大，直到容重達到某一闊值后，其體積含水量則迅速下降。另外，土壤板結(jié)主要是造成土壤的物理性質(zhì)的改變，這些物理性質(zhì)主要受到了土壤結(jié)構(gòu)的影響。土壤結(jié)構(gòu)的改變則主要表現(xiàn)在土壤孔隙的分布的變化。土壤的持

34、水曲線常被用來確定土壤孔隙的分布，因此用土壤持水特征曲線的巧合參數(shù)求出的熱質(zhì)量評價參數(shù)S值，可以用來評價土壤板結(jié)最終狀況；研究結(jié)果表明，S值隨著容重的增加而降低。在相同容重條件下，土壤粘粒含量越高，S值越小。目前，壓實程度對土壤持水性的影響研究較多，關(guān)于不同有機質(zhì)和粘粒添加量土壤在不同承壓條件下的持水特性研究較少，特別是對土壤物理質(zhì)量評價參數(shù)的影響研究是少見。此方面研究的開展將有助于進一步了解有機質(zhì)添加對板結(jié)土壤的持水特性及土壤物理質(zhì)量的改良效果，明確不同質(zhì)地土壤在發(fā)生板結(jié)后持水特性和物理質(zhì)量變化規(guī)律。4.4透氣性指標通氣性降低也是土壤板結(jié)帶來的另一后果。土壤通氣性大小直接表達出土壤孔隙幾何特

35、性，其影響因素有總孔隙度、大小孔隙分布、孔隙連通性、孔隙曲度和形狀等。土壤通氣性孔隙空間和連通性決定著水分含量和氣體濃度以及水分和空氣的運動。土壤通氣性可用空氣占據(jù)孔隙、氧氣擴散速率（ODR）、氧化還原電位和空氣滲透率來定量表達。對于板結(jié)程度相同的土壤，空氣透過速率受到土壤物理性質(zhì)的影響較大；ORD的測定需要用到電極，需要額外小心、；測定氧化還原電位是一個很好的方法，但需在原位進行且用時較長，還必須在濕土中進行。板結(jié)影響著土壤中氧氣的數(shù)量，這對于土壤生物來說是十分重要的。板結(jié)極大地降低了土壤中的氧氣含量和氧氣擴散率（ODR），顯然這對于土壤中的生物來說都是不利的。土壤容重同ODR之間有著高度的

36、相關(guān)性，ODR隨著容重的增加呈線性降低，該相關(guān)關(guān)系同土壤質(zhì)地無關(guān)，但受水分含量的影響明顯。4.5壓縮特性指標壓縮特性是一個較為寬泛的概念。測定土壤壓縮特性的方法有很多，常被用到的兩個方法是：（a）單軸壓縮試驗，用該試驗可以獲得縱坐標為容重或者孔隙度、橫坐標為施加的外力壓力的壓縮曲線；（b）普羅科特試驗，即讓土壤經(jīng)受若干次特定水平的沖擊力后，測定土壤所達到的容重。從試驗過程來看，單軸壓縮試驗更符合土壤受到機械壓實后發(fā)生形變的過程，因此常將單軸壓縮試驗作物測定土壤壓縮性的方法。第五章 土壤板結(jié)的改良方法由于土壤板結(jié)對作物、土壤性質(zhì)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響主要源于土壤孔隙度的降低（或者土壤容重增加），

37、那么增加土壤孔隙度（或者降低土壤容重）就成了解決土壤板結(jié)問題、消除板結(jié)不良影響的最直接的途徑。特別是在干旱或者半干旱地區(qū)，以下措施能夠有效地管理土壤、消除板結(jié)（降低土壤板結(jié)）障礙因素：（）添加有機質(zhì)，提高土壤有機質(zhì)含量；（）控制農(nóng)業(yè)機械的使用，減少碾壓次數(shù)及壓實強度；（c）機械疏松，合理地進行深松、耕翻、耙壓并合理搭配多種耕作措施；（）選擇作物與牧草輪作方式，利用牧草強壯根系打破板結(jié)土壤層。5.1提高土壤有機質(zhì)含量有機質(zhì)含量高、土壤生物活動枉盛的土壤抵抗板結(jié)能力強，可從輕微的土壤板結(jié)中很快地恢復過來。為了提高土壤有機質(zhì)含量，常用的方法有將作物殘茬、稻稈回歸土壤，增施有機肥，合理地進行復種和套種

38、增加土壤有機物料的來源，實行糧食作物和綠肥輪作等。事實上，就我國大多數(shù)地區(qū)而言，有機質(zhì)含量是最重要的土壤肥力指標；提升有機質(zhì)含量可使土壤生產(chǎn)力得到持續(xù)提升。將植物殘體殘茬和動物糞便作為有機物料施用到田間改良和培肥土壤的措施歷史悠久，這方面的研究也已經(jīng)有很多。然而，施用有機物料來改善亞表層土壤板結(jié)的研究卻并不常見。這是由于經(jīng)濟和技術(shù)的原因所致。要想將有機物料施入到亞表層土壤，必須深松20-30cm土層，這不僅對農(nóng)機具有特殊的要求，而且機具的使用也需要大量投入。植物殘體殘茬是普遍存在的有機質(zhì)資源，動物糞便也廣泛被農(nóng)民用來加工成肥料施用到農(nóng)田，這些有機物質(zhì)的施入不僅消減了板結(jié)等障礙因子，也大大増加了

39、養(yǎng)分數(shù)量、改善了土壤物理化學性狀，使土壤肥力得到明顯提高。另一方面，有機物料施入土壤后，土壤結(jié)構(gòu)性改善、彈性増強，可以減輕農(nóng)業(yè)機械行走所產(chǎn)生的壓力向亞表層土壤傳遞，使上層土壤扮演“緩沖帶”作用，從而降低農(nóng)業(yè)機械使用產(chǎn)生的對亞表層土壤的影響。研究表明田間施肥50t/hm2和100t/hm2牛糞能明顯消減機械行走產(chǎn)生的壓力及其與土壤濕度協(xié)同對土壤容重和硬度的影響。綠肥作為有機質(zhì)來源施用于農(nóng)田以增加土壤有機質(zhì)含量在許多地方并不經(jīng)濟，但對于改善土壤物理性質(zhì)、消減板結(jié)卻是有效的。Reddy的研究表明，施用10t/hm2綠肥使得沙壤土容重降低了0.02/cm3，土壤硬度降低了11.8KPa，入滲速率增加了

40、化4cm/h。然而，這樣的土壤改良效果既受施入材料的植物種類的影響，也因施用方法不同而效果相異，而且這種影響會貫穿施入有機物料發(fā)揮作用的整個過程。來源于不同植物種類的有機物料，最大差異在于其碳氮比不同，它導致了有機物料的腐解速率不同。5.2控制農(nóng)業(yè)機械的使用應選擇適宜的土壤水分含量狀態(tài)進行耕作，因為土壤板結(jié)只發(fā)生在特定的土壤濕潤狀態(tài)下。如果土壤濕潤或者水分含量高于塑限，就不該在農(nóng)田中使用農(nóng)業(yè)機械。同時，耕作時應對自重不同的農(nóng)業(yè)機械做出選擇，使用自重過重的農(nóng)業(yè)機械不僅影響表層土壤、也會引起亞表層土壤發(fā)生板結(jié)。一般來說，亞表層土壤板結(jié)的改良相對困難；減少農(nóng)業(yè)機械的使用和選擇使用自重較輕、對田面產(chǎn)生

41、壓力較小的機械就成了防止亞表層土壤板結(jié)的有效措施。另外，降低農(nóng)業(yè)機械同土壤的接觸壓力對于減輕土壤板結(jié)現(xiàn)象發(fā)生也是有效的。降低機械給與農(nóng)田接觸部分造成的壓為的措施有選擇自重相同、承載面積更大或者輪胎數(shù)量更多的機械，把農(nóng)業(yè)機械的輪胎壓力調(diào)整到適當范圍，減少農(nóng)業(yè)機械行走的區(qū)域、即使用不變的車道等。5.3機械深松深松是消除土壤板結(jié)，打破限制水分下滲及根系貫入的致密犁底層、改善堅硬土壤的一個重要措施，Henderson的研究表明，對板結(jié)土壤進行深松后，作物花期的干物質(zhì)量增加了近30%，種子產(chǎn)量增加了近64%。Hamza and Anderson的研究表明，深松40cm和向土壤中添加2.5t/hm2石膏的

42、組合措施顯著地提高了豆類和小麥的產(chǎn)量。產(chǎn)量增加的原因是深松降低了土壤的硬度并提高了水分的入滲量。對板結(jié)土壤進行深松還可改善土壤質(zhì)量、提高植物抵抗疾病的能力。減輕植物病害可使作物產(chǎn)量大幅增加的研究還表明，同傳統(tǒng)作業(yè)方式相比，深松提高了煙草的質(zhì)量，種植煙草的經(jīng)濟效益隨之增加。對于沙土而言，即使土壤發(fā)生板結(jié)對水分的深層入滲并無明顯影響，但卻阻礙了根系的延伸隊及根系對水分的利用，結(jié)果導致水分利用效率降低、灌概的費用增加。Tennant在西澳大利亞沙壤土農(nóng)田上的研究表明，同未深松的田塊相比，深松35cm處理田塊小麥根系長度明顯増加、產(chǎn)量提高。需要值得注意的是，深松后地面處于疏松開放狀況，后續(xù)的機械使用會更易使土壤發(fā)生再次板結(jié)。特別是在粘土田塊上，再次板結(jié)甚至會由于反復的干濕交替過程而發(fā)生。為此，在實施深松的同時増施有機物料或者施用一定數(shù)量的石膏等，有助于土壤結(jié)構(gòu)重建而減輕土壤板結(jié)的發(fā)生。5.4作物輪作實行包括多種作物在內(nèi)的輪作制度，結(jié)合良好的農(nóng)藝管理，將有助于降低土壤板結(jié)的風險。常用于輪作的除糧食作物外，還有豆類作物、牧草綠肥作物等；這些作物的根系長度及類型各不相同，貫穿土壤的能力也大不相同。研究表明，同直徑較小的根系相比，直徑較大的根系更具有貫穿堅硬土壤的能力，這為通過輪作方式來消除土壤板