不同肥力水平的土壤紧实度与含水量的相关度分析

徐 爽，阚雨晨

（1汉中职业技术学院，陕西 汉中 723000；2上海绿乐生物科技有限公司，上海 201108）

0 引言

土壤紧实胁迫（耕地土壤压实度）是土壤健康评价体系中重要的限制项指标之一[1]。土壤紧实度在形态上表现为土壤颗粒之间结持的松紧程度，直接与土壤颗粒之间的结持力大小有关[2]，同时与土壤溶液和土壤孔隙状态有关[3]。从土壤功能的角度来讲，土壤紧实度作为土壤健康评价的限制项指标，其后果不仅仅是对植物根系的物理性压迫，更重要的是由于土壤紧实度增加造成的土壤颗粒排列的紧密化，改变了水分运移条件，使土壤水分入渗能力明显衰减，土壤的持水能力明显降低，给作物生长带来了比其对根系的机械胁迫更加严重的威胁[4-7]。

长期研究表明，土壤紧实度与土壤粘粒含量（土壤质地）、有机质含量和土壤含水量密切相关[8-9]。对同一土壤而言，土壤质地和有机质含量是长期因子，它们对土壤紧实度的影响是相对稳定的。但实测土壤紧实度的数值往往是不断变化的，该现象与土壤含水量的关系十分密切。土壤紧实度受到含水量的直接影响，呈明显的负相关关系[10]。土壤紧实度的测定结果在不同水分条件下并不一致，不同土壤的紧实度受含水量影响的程度也有着很大的差异。多年来，关于不同土壤的紧实度研究主要集中在不同耕作措施对土壤紧实度的影响[11-12]。而这些研究在测定土壤紧实度时，并未特殊强调土壤的实时水分条件，这使得不同湿度条件下测定的土壤紧实度数据不具有可比性，数据的可参考性不强。在建立土壤健康评价体系的过程中，限制项指标通常是以乘数计算的，合理地确立各限制项指标的权重是建立土壤健康评价体系的重要内容。在已有的土壤紧实度与含水量相关性研究[13-15]的基础上，进一步探索不同土壤的紧实度与含水量的相关程度，比较不同土壤条件下，土壤紧实度与含水量相关度的差异，对更加科学地确定土壤健康评价体系中土壤紧实胁迫的权重，具有重要的参考价值。

本文通过分析土壤的紧实度与含水量的相关度，探讨不同肥力条件下土壤紧实胁迫作用对土壤水分含量的依赖程度，以期为进一步探明土壤紧实度作为限制性因子参与土壤健康评价的权重系数的确定提供参考。

1 材料与方法

1.1 采样地区概况

土壤样本采自渭河杨凌段三级阶地耕地，由黄土母质发育而来。该地区土壤耕作历史悠久，受人为活动影响非常明显，称为土（系统分类为土垫旱耕人为土，Earth-cumuli-orthic anthrosols）。土的土粪堆垫层是因为长期施用大量土杂肥形成的，人们在早期施肥的过程中，因运输条件有限，土粪施用量长期不均匀，使得同一区域的土壤发育基础长期不同，从而出现土壤形成后质地相近，但肥力存在明显差异。

供试地区多年平均降水量为635.1mm、多年平均气温为12.9℃。长年实行小麦—玉米一年两熟轮作种植。

1.2 试验方法

1.2.1 采样及测定方法 采样时间为2020年3月初，在同一个地区选择农业管理模式相同的区域，通过田间小麦长势和农业管理措施等历史条件调查，初步判断土壤肥力水平。每个地块按照“S”型分布布置15个采样点，采集耕层(0～20 cm)扰动土样，在室内经风干过筛后用于土壤质地和肥力指标的测定。

通过初选确定土壤质地基本相同、肥力存在明显差异的3个田块作为供试田块（土壤质地及肥力指标见1.2.2），进行样点标记，用于土壤紧实度和含水量的测定。

土壤紧实度和含水量测定时间为3月中旬至4月中旬关中冬小麦返青期。土壤紧实度采用SC-900土壤紧实度仪测定，3月11日—4月15日期间，每隔5天测定一次。为排除土壤剖面肥力变化的干扰，本研究中土壤紧实度和含水量的记录深度为25 cm，每隔5 cm读取一个数值。每次测定的同一时间，在每个采样点上用土钻采集土壤样品，对应紧实度的测定范围，每隔5 cm土壤采集一个样品装入铝盒内用于土壤实时含水量的测定。

因土壤紧实度仪敏感度高，测定过程中干扰因素较多，为获得准确数据，每个地块设置15个采样点，剔除无效数据后，取平均值记录土壤紧实度和含水量。

1.2.2 土壤理化性状 供试土壤质地采用吸管法测定，供试土壤砂粒(0.05～1mm)含量为17.9%～19.8%，粉粒(0.001～0.05mm)含量为46.2%～47.5%，粘粒(＜0.001mm)含量为32.9%～35.6%，物理性粘粒(＜0.01mm)含量为55.3%～56.8%。依据卡庆斯基制对供试土壤质地进行分类，该土壤属于重壤土，选定的3个供试田块的土壤质地无显著差异。

土壤肥力水平均采用常规方法进行测定，3个供试田块的土壤肥力状况见表1。

对供试土样进行测定后，选取肥力指标差异明显的3个田块作为供试目标，将供试田块分为高、中、低3个肥力等级（如表1所示）。供试土壤属于石灰性母质，Ca2+和碳酸钙是土壤的团聚体的重要胶结物质，对土壤紧实度具有重要作用。3个目标田块土壤碳酸钙含量和交换性钙含量水平无显著差异，排除了胶结物质差异对土壤紧实度的影响。

表1 供试田块土壤肥力状况

1.3 数据处理

采用SPSSAU进行显著性检验、多重比较；使用Excel和Hiplot进行相关性比较和可视化制图。

2 结果与讨论

2.1 供试田块土壤紧实度时空变异特征

2.1.1 土壤紧实度空间变异特征 图1显示3个供试田块土壤紧实度的监测结果。0～25 cm土层空间内，土壤紧实度总体呈现随着土层深度增加而增大的趋势，3个田块空间变异总体规律较为一致，但变异程度有着明显的差别。

图1 土壤紧实度变化

表2列出了3个供试田块在不同监测时间测定的0～25 cm土层范围内土壤紧实度空间变异系数[CV(S)]。CV≤0.1为弱变异，0.1＜CV≤1.0为中等变异，CV＞1.0为强变异。供试土壤紧实度的空间变异性均在中等变异范围内。从CV(S)值来看，在不同时间监测到的土壤紧实度空间变异性存在一定差异但没有明显规律，表明土壤紧实度是不断变化的，并且很大程度受到田间环境的影响；将3个供试田块在不同时间的CV(S)值分别取平均数进行比较，可以看到FB3的土壤紧实度变异性明显弱于FB1和FB2，说明FB3的土壤紧实度在0～25 cm土层范围内的变化幅度比FB1和FB2小很多。已有研究表明，土壤紧实度能够综合反映土壤的结构性[16-17]，土壤紧实度的空间变异性反映了土壤结构在不同土层之间的差异程度。测定结果表明，在0～25 cm土层范围内，FB3比FB1和FB2的土壤结构空间变化程度较小。

表2 土壤紧实度空间变异系数[CV(S)]

2.1.2 土壤紧实度时间变异特征 图1所示的土壤紧实度时间变异在不同的监测时间之间没有呈现出明显的特征或规律，但在试验期内，3个目标田块土壤紧实度的监测记录可以看出，同一地块在不同时间测得的土壤紧实度存在一定差异，不同田块间的差异程度也有明显不同。表3为3个供试田块不同土壤深度下在不同时间监测的土壤紧实度时间变异系数[CV(T)]。供试土壤紧实度的时间变异性均在中等变异范围内。表3所列的CV(T)值显示，3个田块的时间变异性在总体上都随着土壤层次的加深而逐渐减弱，15 cm以下土层的变异特征规律不明显。CV(T)值反映了同一土壤层次在不同监测时间所获得的土壤紧实度数据之间的变异特征，能够显示各个土壤层次的土壤坚实度受环境条件干扰的程度[18-19]。测定结果说明，3个供试田块均显示出土壤层次越深，土壤紧实度受环境干扰越弱的特征。

表3 土壤紧实度时间变异系数[CV(T)]

2.2 土壤紧实度与含水量的关系

土壤紧实度与土壤质地、土壤结构和土壤含水量密切相关。土壤紧实度能够综合反应土壤的物理状态，作为限制项指标用于土壤健康（质量）综合评价和农田（耕地）质量评价具有很高的参考价值。但由于土壤紧实度随着环境条件的变异规律性不强，在土壤评价的指标拟合过程中造成了一定困难，而在一个环境条件相对稳定的区域内，土壤含水量的变化是在短时间内造成土壤紧实度变化的主要环境因子。

图2所示为土壤紧实度与含水量相关性热图，该图使用Pearson相关系数进行表达，数据之间正相关用红色表示，负相关用蓝色表示。颜色越深，代表相关性越强，带有×的位点代表二者不相关。图2横轴数值为3个供试田块0～25 cm土壤深度各个层次含水量，纵轴为3个供试田块0～25 cm土壤紧实度，二者呈现负相关关系。红色虚线覆盖区域展示的是供试土壤各层次的土壤紧实度和与其相对应的土壤含水量的相关关系，可以直观地看出，供试土壤的土壤紧实度和含水量之间均呈现明显的负相关关系，且土壤层次和肥力水平不同，其相关程度存在着明显的差异。

图2 土壤紧实度与含水量相关性

为进一步分析不同土层的土壤紧实度与含水量之间的相关关系的强弱，表4列出了各处理对应的Pearson相关系数。3个供试田块各土层的土壤紧实度与含水量之间的Pearson相关系数均为负数，相关系数的绝对值都在0.7以上，除FB2的0～5、15～20、20～25 cm土层显著性水平为P＜0.05外，其余处理的相关显著性均在P＜0.01水平，表明各土层的2个指标之间都呈现很强的负相关关系。

表4 土壤紧实度与含水量相关系数

已有部分研究得出过相似的结论[20]，其研究尺度为0～10、10～20、20～30、30～40 cm的土层土壤紧实度与含水量之间的关系，研究认为不同层次土壤结构、有机质含量等土壤条件差异很大，随着土层深度增加，含水量对紧实度的影响明显增大，该研究所得的结论基于土层之间有机质含量差异较大。随着土壤深度增加有机质含量递减，通过主成分分析发现，在该试验条件下，土壤紧实度对有机质的依赖强于对含水量的依赖，因此无法准确判别土壤紧实度对含水量的依赖程度。本研究监测0～25 cm土层，各土层之间质地和有机质含量等指标之间没有显著差异，由此获得的各土层之间土壤紧实度对含水量的依赖程度没有明显的规律，相关程度也没有显著差异。

2.3 肥力水平对土壤紧实度与含水量的相关度的影响

土壤肥力水平不仅是作物的重要生产条件，同时也影响着土壤自身的健康水平[21-22]。图3所示为不同肥力的土壤紧实度与含水量相关关系的强弱程度。红色虚线覆盖的区域为FB1、FB2、FB3田块的含水量和与其相对应的土壤紧实度的相关关系。表5列出了3个供试田块土壤紧实度和含水量之间的相关系数，FB1的土壤紧实度和含水量在P＜0.05水平上负相关，FB2和FB3在P＜0.01水平上负相关。综合分析图3和表5表明，不同肥力的土壤紧实度与含水量之间呈显著的负相关关系，土壤紧实度对含水量的依赖程度FB1＜FB2＜FB3。

表5 不同肥力土壤紧实度与含水量相关系数

图3 不同肥力土壤紧实度与含水量的相关性

土壤紧实度是土壤健康评价指标体系中重要的限制项指标之一，同时长期作为综合表达土壤物理条件的主要指标之一，已有的研究在对土壤紧实度进行模拟分析时，多以相关的物理指标和水分运移条件性指标作为背景。而大量的研究表明，土壤有机质含量，甚至是一些无机盐含量都对土壤紧实度有一定的影响[23-26]。土壤紧实度与土壤水分含量密切相关也获得充分证实，但不同土壤肥力条件下，土壤含水量对土壤紧实度影响的强弱程度存在明显差异。土壤肥力越低，土壤紧实度对土壤含水量的依赖性越强。因此，将土壤紧实度作为土壤健康评价的限制指标进行讨论时，其干扰因子不仅要考虑测定时的土壤水分含量，还要考虑土壤的肥力状况，以及肥力和含水量对土壤紧实度的综合作用。

3 结论

（1）土壤紧实度的空间变异性能够指征不同土层间土壤结构的差异，本研究中肥力较低的土壤结构空间差异比中高肥力土壤的空间差异小。土壤紧实度的时间变异性指示土壤紧实度受环境干扰的程度，土壤层次越深，受环境干扰越弱。0～25 cm土层范围内，不同肥力间土壤紧实度受环境干扰的状况没有明显差异。

（2）土壤紧实度与含水量之间呈显著的负相关关系。控制土壤含水量为单一环境变量的条件下，能够准确判断土壤紧实度对土壤水分含量的依赖程度。在肥力条件均匀的土壤层次(0～25 cm)范围内，同一田块各土层之间的土壤紧实度对含水量的依赖程度没有显著差异。

（3）土壤紧实度作为土壤健康评价体系中重要的限制项指标之一，与土壤质地、有机质含量、水分含量均密切相关。在土壤质地相同、肥力条件不同的情况下，土壤含水量对土壤紧实度影响的强弱程度存在明显差异，表现为土壤肥力越低，土壤紧实度对含水量的依赖程度越强。在土壤健康评价过程中，对于肥力条件较好的土壤，可以适当降低土壤水分对紧实度影响的权重水平，而肥力条件差的土壤，在对土壤紧实度进行拟合时，应充分考虑土壤水分条件的影响。