土壤机械压实及其对作物生长的影响

周艳丽，刘 娜，於丽华，卢秉福，张文彬，刘晓雪

（1黑龙江大学/国家糖料改良中心，哈尔滨 150080；2北京工商大学经济学院，北京 100048）

0 引言

土壤是一个国家最重要的自然资源，是发展农业生产的物质基础[1]。在玉米、甜菜、小麦等作物整个生长过程中，耕翻、整地、播种、中耕、收获，以及田间运输，各种作业机械、运输机械在田间通过达10～15次[2-3]，会严重压实土壤，这也是农田每年播种前需要翻耕的主要原因。土壤压实是指在农业机械作用下，土壤结构被破坏，土壤颗粒排列变得紧密，含有空气和水的微孔体积减小，土壤容重增加、孔隙度降低、透水能力下降，导致土壤质量恶化[4]。实际上土壤机械压实已经成为一个世界性的环境问题[5-6]，也越来越引起人们的重视[7]。因此，探讨土壤机械压实及其对农作物生长的影响具有现实意义。

1 机组对土壤的压实

1.1 轮胎压力对土壤压实的影响

土壤压实主要是由于拖拉机组、农用运输车等田间作业碾压土壤，土壤在受到外力作用下，颗粒排列紧密进而引起土壤孔隙度、容重、坚实度、含水率等指标发生变化[8]。在作物整个生育期内，农业机械、农用运输车辆的进地作业会对田间土壤产生压实作用，进而引起土壤质量下降[9]，图1为压实土壤剖面。

图1 拖拉轮胎作用下土壤变形的横断面

机组作业时，土壤表面会受到来自机组轮胎的压力，一般认为地面接触应力近似等于轮胎充气压力。实际测量结果表明接触区域的应力分布不均匀，接触区域的应力与轮胎压力呈线性关系（图2），最大应力可能是轮胎充气压力的几倍[10]。这是由胎体刚度、轮胎的胎面花纹和凸耳花纹以及轮胎在现场工作时所受的动态力所致[11]。

图2 轮胎下方最大垂直应力与轮胎充气压力的关系

1.2 轮胎类型对土壤压实的影响

1948年法国米其林公司发明子午线轮胎，农用轮胎得到了长足的发展，轮胎变大了、变宽了，允许使用充气压力较低的轮胎[12]。在载荷为40 kN时，轮胎宽度为0.4 m、充气压力为300 kPa的窄轮胎和宽度为0.7 m、充气压力为80 kPa的宽轮胎对比，高压的窄轮胎对土壤的压实更为严重，尤其是对0～30 cm的表层土壤的压实较重，但对40 cm以下的深层土壤的压实作用相对较轻；而低压的宽轮胎对土壤的压实作用较轻，但对40 cm以下的深层土壤的压实作用相对较重，压实应力传递较深，可达100 cm[10]（图3）。

图3 拖拉机组轮胎下的垂直应力

2 土壤压实应力的计算模型

2.1 有限元分析法

有限元分析是利用物体或系统有限的既相互联结又独立的点建立几何模型求解，将复杂问题简单化，所以这个解不是准确解，而是近似解。土壤压实问题极其复杂，适于应用有限元分析。在土壤中按次序放置同一土壤的染色层，当拖拉机通过后，在土壤中作垂直剖面（见图1），根据染色层的曲度求出轮胎作用于土壤时产生的变形应力和变形方向。土壤变形区域向下的扩展规律，可近似限制在与地面约为60o角的范围内，这为采用“60o法”研究土壤压应力在一定程度上提供了依据[13]。用一正方形模块模拟机械对土壤的压实，在模块上施加力G（见图4），模块底座面积是S0，假定土壤为均匀的弹性介质，模块底座下土壤中任意一点的应力σ0如式(1)所示。

图4 土壤中压应力示意图

在土壤任意耕深z处做一与边长为l0正方形冲模平行的平面，在与冲模底座成60°角画出线段AB，AB=lz，则lz=l0+1.15z，那么边长为AB的方形面积如式(2)。

进一步假定，从被研究平面的土层下面任意面积sz作用的应力为σz，则如式(3)。

利用式(1)～(3)可求得σz，如式(4)所示。

如果冲模底座是直径为d0的圆，如式(5)所示。

2.2 准解析模型

1885年Boussinesq假定土壤为半无限均匀、各向同性的理想弹性介质，在此基础上提出了土壤压实应力σ在土壤中传播模型[10]。垂直点荷载P作用于土壤，r是从点载荷到C点的径向距离，θ是从点载荷到C点的法向载荷矢量和位置矢量之间的角度（见图5），土壤中任意一点C的压实应力σ如式(6)所示。

图5 垂直点载荷引起的土壤应力

1934年Fróhlich应用式(6)计算土壤应力时发现，在土壤中测量的应力与根据式(6)计算的应力之间存在偏差[10]。显然，土壤不是均匀的、各向同性的、理想的弹性介质，于是他引入了集中因子v对式(6)进行修正，如式(7)所示。集中因子v不是一个可直接测量的参数，v与土壤的容重和含水量有关，土壤越软，v值越大（图6）。

图6 集中因子ν与压实应力传递的关系

3 机械压实后土壤结构的变化

3.1 机械压实对土壤容重的影响

土壤多次湿润和干燥会产生自然的紧实，这是土壤在潮湿时膨胀，干燥时收缩而形成的[14]。但在土壤屈服极限内，卸载后土壤的变形会自然恢复，一方面是土壤硬物质及卸载后被挤压空气自身的弹性使变形恢复，另一方面是被压出的水在毛细管力的作用下重返土壤微孔中使变形缓慢恢复[15]。只有在巨大载荷作用下或连续加载才能使土壤最大程度的压实，当然，在土壤强度较低时加载也会导致土壤严重压实。在外力作用下，土壤被压实时土壤结构会遭到破坏，土壤容重会增加，坚实度变大[16]。土壤的压实与碾压次数和接地比压有关，在相同的接地比压情况下，随着压实次数的增加，土壤容重、坚实度增大[17]；接地压力100 kPa碾压1～4次，土壤容重增加3.60%～8.63%，而接地压力160 kPa碾压1～4次，土壤容重增加7.19%～9.71%[18-19]；在碾压次数相同的情况下，随着接地比压的增大，土壤容重增加，碾压1次，接地压力100～160 kPa，土壤容重增加3.60%～7.19%，碾压4次，接地压力100～160 kPa，土壤容重增加8.63%～9.71%[18-19]（图7）。一般情况下，土壤压实后0～10 cm耕层土壤容重增加最显著。深层土壤变化幅度较小，拐点在10 cm处[1]，压实影响深度可达到50 cm[20]。

图7 机械压实对0～20 cm耕层土壤容重的影响

3.2 机械压实对土壤孔隙度的影响

在玉米、甜菜、小麦等农作物生长过程中，农业机械作业压实土壤，几乎所有土壤面积都会受到碾压的影响[21]，即使是免耕的地块也有30%的土壤受到影响[22]。土壤压实后表现为地表下沉，土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度降低[23]，尤其大孔隙减低显著[24]，在接地比压的相同情况下，随着压实次数的增加，土壤孔隙度减低。接地压力100 kPa碾压1～4次，土壤孔隙度降低1.90～4.54个百分点，而接地压力160 kPa碾压1～4次，土壤孔隙度降低3.78～6.10个百分点[18-19]；在碾压次数相同的情况下，接地比压越大，土壤孔隙度减低的越多，碾压1次，接地压力100～160 kPa，土壤孔隙度降低1.90～3.78个百分点，碾压4次，接地压力100～160 kPa，土壤孔隙度减低4.54～6.10个百分点[18-19]（图8）。机械压实对表层土壤较重，随着土层越深土壤压实越轻，拐点在耕深10 cm处[25]，土壤压实具有累积效果[26]，通常碾压1～2次后土壤总孔隙度迅速减小，但继续碾压土壤总孔隙度减小幅度放缓[27-28]。沙性土壤较粘性土壤受到碾压后孔隙度降低程度低很多，不同机械作业对耕层土壤通气性影响的变化幅度不大，但土壤压实积累区的垂直范围存在明显差[29]。

图8 机械压实对0～20 cm耕层土壤孔隙度的影响

3.3 机械压实对土壤水分的影响

土壤压实后土壤容重增加，孔隙度降低，水分入渗率减低，对自然水分的接纳能力减弱，土壤的水分分配、蓄水能力下降[30]。将一无底塑料桶压入土中5 cm，加水3 L，土壤碾压1、3、5、7次后渗水时间比未压实土壤分别增加20%、58.54%、81.27%、116.59%（表1），土壤碾压5次后不仅水渗入缓慢，还在表层土壤向周围扩散，渗入地下水分减少。

表1 碾压次数与土壤渗透率之间的关系

由此可见，表层土壤含水率损失较深层土壤多，随着土壤耕层的不断加深，水分损失越来越少，拐点在耕层10 cm处[31]。

土壤压实后，渗透速度递减严重，降雨40 min水分入渗率仅为未压实土壤的13.2%，地表径流系数高达76%，总径流量比未压实土壤高2.2倍，已成为农田土壤水土流失加剧的主要因素之一。土壤机械压实表面土壤受到的影响最为明显，易形成拖拉机道，引起细沟侵蚀，导致水土流失加剧[33]。此外，随着土壤压实程度的加重，土壤中的水分损失增加，土壤含水量会降低。一般表层0～5 cm土壤含水量变化不大；5～25 cm土壤含水量减少，尤其是压实较严重时含水量减少较多，深层土壤含水量变化较小[34]。

4 土壤机械压实对作物生长及产质量的影响

4.1 土壤压实对作物生长的影响

土壤容重处于1.1～1.35 g/cm3、空气容量在3.4%～9.6%之间[35-36]时较适宜玉米、甜菜、小麦等作物生长[37-38]。土壤被压实后，合理的土壤三相比例被破坏，土壤硬度达到1 MPa以上，容重为1.52 g/cm3，土壤穿透阻力大于2 MPa时，孔隙率低于3%～10%，导水率降低，碳的矿化作用减缓，氮的硝化作用减弱，反硝化作用增强[39]，土壤的热导率和热容量也会受到影响[40]。农作物根长、根系分布和土壤的机械阻力相关性高达93%[43]，在土壤压实区甜菜、玉米、小麦等作物根系的生长受到明显限制[41-42]，作物主根向下生长受抑制尤为明显，主根变短，贴着主根生长的侧根数量增加，表现为表层土壤作物根系分布较多、密度大，而深层土壤作物根系分布较少、密度低，几乎没有过渡区；而在非压实区，作物根系在土壤中曾梯度分布，分布均匀[44-45]。一般土壤压实可使作物根长减少19%～36%[46-47]。

4.2 土壤压实对作物产量的影响

机械压实对土壤结构造成破坏，对作物生长造成不利影响[48]，但却很少将作物的减产与土壤压实联系在一起[49-50]，实际上土壤压实对作物产量的影响是显而易见的。土壤压实可使甜菜块根直径减小6.67%～16.08%，甜菜块根长度缩短1.96%～17.65%，根产量减产 5.81%～24.13%，含糖率降低 0.49～0.81°Z[25,51]；张兴义[52]、李汝莘[53]、杨晓娟[54]、迟仁立[55]、卢秉福[56]、Ghulam Rasool Mari等[57]研究认为土壤机械压实可导致大豆减产3.8%～13.4%、玉米减产9.5%～14.4%、小麦减产4.0%～20.0%、向日葵减产10%～21%，向日葵含油率降低2.9个百分点，甜菜含糖率降低1.7个百分点；乔金友等[58]用JD-904和JD-280拖拉机压实土壤12次，大豆产量分别降低了21.24%、18.15%和12.38%。当空气容量降低到2%左右，约50%的甜菜由于生长受阻而死亡，每公顷产量降低到4.94～9.88 t[59-60]。总之，土壤压实对作物产质量影响非常严重，应引起足够重视。

5 结论与建议

（1）随着农业机械化水平的不断提高，土壤压实越来越严重。研究人员确定了土壤压实应力在土壤中的传递的研究方法，建立了相应的分析模型，为获知土壤压实程度提供了重要的理论支撑，对土壤耕作和农机具的正确使用具有重要的指导意义。土壤压实与农业机械机组的质量、轮胎、作业速度以及土壤类型、土壤含水量等作业环境有密切关系，土壤系统也极其复杂，并且分析模型都是在一定的假设条件下建立起来的，其模拟压实应力的准确性只能参考使用，具体的土壤压实应力分布需依据本地实际情况而定。

（2）土壤是农业生产的基础，机械压实后会对土壤产生一系列的负面影响，土壤容重、坚实度增加，孔隙度、含水量降低，土壤的渗透性变差，引起水土流失，严重恶化了土壤质量，机组作业阻力也随之增大，导致成本上升。但在生产中农业机械替代人畜力从事农业生产劳动是必然的趋势，不可阻挡，因此，在实际耕作过程中，尽可能避免高湿作业，使用低压胎，减少拖拉机机组进地次数，减轻机械作业对土壤的压实。

（3）土壤压实导致的土壤质量下降抑制了作物的根系生长发育，主根变短，侧根数量增加，根系多分布在表层土壤，对作物吸收土壤中的水分、养分产生不利影响，可造成玉米减产9.5%～14.4%，小麦减产4.0%～20.0%，大豆减产3.8%～13.4%，甜菜根产量降低5.81%～24.13%，含糖率降低0.49～0.81°Z。在农业生产中土壤压实问题必须要给与足够的重视，采取切实可行的农艺、农机技术措施，减轻农业机械化作业对土壤造成的负面影响，促进作物生长，提高农艺综合效益。