李海明，師學義，田毅

(中國地質大學 土地科學技術學院，北京100083)

黃土高原地區(qū)煤炭基地范圍內，由于土地塌陷、水資源枯竭、生態(tài)環(huán)境惡化等災害性問題，以及被壓占煤炭資源的開發(fā)、人口向城鎮(zhèn)遷移、新農(nóng)村建設等，有大量村莊土地被或即將被廢棄，村莊土地復墾整理已成為該地區(qū)土地綜合整治的重要內容。土壤壓實是影響土地復墾質量的主要障礙，導致了土壤理化性狀的改變，難以滿足作物生長的要求。有必要對土壤理化性質進行改善，改良土壤，為作物生長構造一個良好的土壤物理、化學和生物條件。

目前對壓實土壤物理性質變化的研究主要集中在礦山復墾重型設備對復墾土壤的碾壓導致土壤物理性質變化和農(nóng)業(yè)機械行駛對農(nóng)田土壤的壓實導致土壤物理性質變化兩方面。對復墾村莊壓實土壤物理性質變化的研究不多。土壤壓實產(chǎn)生的機制、物理性質變化和改良技術還未得到深入研究，急需開展研究以指導提高復墾質量和效益、革新復墾技術和制訂有關技術標準［1］。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西郜村位于澤州城北25 km，歷史上的郜村山清水秀，繁盛而富庶，文風鼎盛。延續(xù)至今，老宅高墻大院已不同程度的殘破，但風骨猶存。現(xiàn)有農(nóng)戶600 余，人口3 000 多，但常住人口不多，以老年人為主，多數(shù)人外出打工。

山西省晉城市澤州縣是我國北方地區(qū)的煤炭生產(chǎn)大縣，全縣因煤炭開采導致9 個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))、86 個行政村的21 778 間民房裂縫甚至倒塌，其中12 個村因大面積的房屋裂縫、水源枯竭等不得不實施整村搬遷。村莊土地復墾已成為全縣實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的焦點問題。

1.2 土壤的采樣與測定方法

對土路、廢棄院落土壤進行取樣，另取耕作土樣作對比。土路、廢棄院落土壤各選10 個不同樣點進行取樣，每個樣點用環(huán)刀取27 個土樣，間隔10 cm 采集土樣，同一深度采集3 個土樣。用環(huán)刀法測定土壤物理指標，取同一深度3 個土樣的平均值作為這一深度土壤物理指標的記錄值。最后求取10 個不同樣點同一深度記錄值的平均值，用來與耕作土壤指標值進行對比。

2 結果與分析

2.1 土壤壓實成因

2.1.1 土壤特征特性 澤州縣巴公鎮(zhèn)土壤為紅黃土質褐土性土，受母質的影響較大，碳酸鈣含量一般。表層由于受黃土長期覆蓋的影響，碳酸鈣含量可高達2%以上，一般均在0.8% ～5.4%，且隨著深度的增加，碳酸鈣含量逐漸減少。至底土層便將至0.2% ～3%，PH 值較為穩(wěn)定。一般保持在7.8 ～8.0。在土體中經(jīng)常可見到料姜層出現(xiàn)，對農(nóng)作物根系發(fā)育很有影響［2］。

土壤質地自上而下由輕變重。底土層質地多屬粘壤土或粘土，而表層則多屬壤土或粘壤土，粘化發(fā)育較差，粘化層大都不太明顯。由于紅黃質褐土性土質地粘重，使得其耕作性能變劣。全剖面通體緊實，結構緊密。多呈核狀。顏色上淺下深，由表層的黃褐色逐漸過渡為底土層的紅棕色(表1)。

表1 耕種粘壤紅黃土質褐土性土土壤剖面物理性狀Tab.1 Cultivated clay loam red and yellow soil in cinnamon soil profile physical traits table

2.1.2 土壤壓實自然成因 土壤壓實與土壤的固有特性有關，如土壤結構、水分等［3］。不同性質的土壤、不同的含水量，壓實的影響程度都不同。一般而言，質地粘重均勻的土壤易于壓實，且有較高的使根難以鉆進的極限容重;土壤越干燥，其壓實度就會越低，在含水量較高或接近飽和時，更容易壓實土壤［4－6］。研究區(qū)紅黃質褐土性土粘化發(fā)育較差，粘化層大都不太明顯，粘粒含量通體分布比較均勻一致，土壤潮濕，屬于易壓實的土料，而且黃土在自然沉降時發(fā)生壓實，排除孔隙水使土壤增密［7］。

2.1.3 土壤壓實人為原因 村莊房屋建筑、道路對土壤產(chǎn)生壓實，致使土壤的物理性狀發(fā)生了很大的變化。人為因素是導致村莊土壤壓實的主要原因，解決房屋建筑、道路長期以來對土壤產(chǎn)生的壓實，構造一個最優(yōu)的土壤物理、化學和生物條件［8］，是使復墾土壤達到最優(yōu)的生產(chǎn)力的基礎。

2.2 土壤物理性狀變化

2.2.1 容重 測定土路、院落、耕作土壤容重，繪制不同深度容重變化圖，見圖1。

對圖1 數(shù)據(jù)進行分析，可知在土壤深度不超度60 cm 時，壓實導致土路容重明顯高于耕地，院落容重較耕地稍高。土路表層容重高達1.75 g/cm3，院落表層土壤容重接近1.60 g/cm3，都高于土壤耕作層容重1.40 g/cm3。土路、院落壓實土壤隨著土壤加深，容重有所減小，這與人為因素對土壤壓實影響減弱有關。對耕地而言，隨著土層加厚，耕作影響減弱，承受壓力增大，土壤逐漸變緊，容重相應增大，當土體深度超過60 cm 時，村莊壓實土壤與周邊的耕作土壤容重基本相同。

圖1 壓實土壤容重變化Fig.1 Change of compacted soil bulk density

2.2.2 容積含水量 在測定土路、院落、耕作土壤容重和重量含水量的基礎上，根據(jù)如下公式計算土壤容積含水量:

繪制不同深度容積含水量變化(圖2)。

土壤容積含水量可反映土壤孔隙的充水程度，從圖2 中可以看出土路、院落、耕地土壤容積含水量在23% ～30%。在土壤深度不超過70 cm 時，土壤容積含水量高低依次為:耕地、土路、院落，壓實導致土路大空隙減少，小空隙被水封閉，容積含水量較院落土壤高，院落土壤容積含水量最低。當土壤深度超過70 cm 時，土路、院落、耕地土壤容積含水量在25% ～30%，這與該區(qū)域土壤潮濕和人為因素對土路、院落、耕地影響減弱有關。

2.2.3 土壤孔隙度 孔隙度反映土壤孔隙狀況和松緊程度，繪制不同深度土壤孔隙度變化(圖3)。

一般粘質土孔隙度約為45% ～60%，對圖3 數(shù)據(jù)進行分析可知，土壤深度不超過60 cm時，土壤孔隙度大小依次為:耕地、院落、土路，耕作土壤孔隙度在45% ～50%，土路、廢棄院落土壤孔隙度在35% ～45%，可以看出壓實導致土壤孔隙度由適宜作物生長的45% ～50%減小為35% ～45%。這與壓實導致土壤中大孔隙減少，小孔隙被水封閉有關。當土壤深度超過60 cm 時，土壤孔隙度差距減小，土路、院落、耕地土壤孔隙度基本相同。

圖2 壓實土壤容積含水量變化Fig.2 Change of compacted soil bulk density water content

圖3 壓實土壤孔隙度變化Fig.3 Change of compacted soil porosity

2.2.4 土壤三相比 土壤三相的不同分配和比率，影響土壤的通氣、透水、供水、保水等物理性質，可作為評價土壤水、肥、氣、熱相互關系的重要參數(shù)。根據(jù)土壤容重、土壤密度(取2.65 g/cm3)、土壤容積含水量，求得土壤三相比(表2)。

對實驗數(shù)據(jù)進行分析可知，在土壤深度不超過60 cm 時，耕作土壤三相比維持在5∶3∶2，是比較適合作物生長的狀態(tài);土路三相比保持在6∶3∶1，說明對土路的壓實導致土壤固相百分比增大，同時大空隙減少、小空隙被水封閉、透氣性減弱;院落三相比變?yōu)?∶2∶2，這說明對院落土壤的壓實也導致土壤固相百分比增大，同時土壤保水能力減弱。因此，需要對土路、院落壓實土壤結構進行改善，改良土壤，使土壤三相比達到5∶3∶2，從而為作物生長創(chuàng)造良好的土壤條件。

表2 土壤三相比Tab.2 The rate of soil phases

3 結論與討論

對村莊壓實土壤進行取樣分析，通過容重、容積含水量、土壤孔隙度、土壤三相比4 項指標反映土壤物理性質的變化。結果表明，壓實導致土路、院落土壤容重明顯高于耕作土壤容重，當土體深度超過60 cm 時，人為因素對土壤壓實影響減弱，村莊壓實土壤與周邊的耕作土壤容重基本相同;土壤深度不超過70 cm 時，土壤容積含水量高低依次為耕地、土路、院落，土壤深度超過70 cm 時，無明顯變化規(guī)律;對土路、院落土壤的壓實，導致土壤孔隙度由適宜作物生長的45% ～50%減小為35% ～45%;土路、廢棄院落、耕作土壤三相比依次為6∶3∶1，6∶2∶2，5∶3∶2，壓實導致土壤固相體積增大，大空隙減少、小空隙被水封閉、透氣性減弱，導致土壤保水能力減弱。

壓實導致土壤物理性質的變化，當土壤深度超過60 cm，村莊壓實土壤與周邊的耕作土壤物理性質基本相同。因此，村莊土地復墾要對深度為60 cm 土壤結構進行改善，改良土壤。常用的措施有松土和土壤改良。

松土比較常用的方法是深松法和爆破法。深松法是一種機械松土法，復墾土壤深松不是深翻土，而是通過特制的機械耕作松碎被壓實的土壤，且土層順序不變。有研究表明，深松作業(yè)后土壤密度下降15% ～18%，土壤孔隙率有較大提高，能形成疏松的團粒結構層，通氣性增強，有利于作物根系生長。深松打破犁底層后，土壤滲水速率提高5 ～10 倍，能更好地吸納降水［9］。爆破法與一般工程上的松動爆破不同，對壓實土壤的松動爆破屬低強度爆破，既要形成穩(wěn)定的爆破空腔，又要形成貫穿整個上部介質的爆破裂隙［10］。

土壤改良，通過改良土壤質地和結構的辦法來緩解或消除土壤壓實問題。常用土壤改良方法有客土改良、化學土壤改良、施礦質肥料、生物土壤改良、粉煤灰復田改良［11］。加砂鋪煤，墊爐渣改良土質，協(xié)調土壤中水氣熱狀況;粉煤灰可改變土壤結構，增加土層的保水能力和孔隙度;增施有機肥料，增加土壤有機質含量，能夠促進土壤團聚化，形成良好的結構，提高土壤抗壓實性。

［1］劉雪冉.礦區(qū)復墾土壤壓實特征及蘑菇料施用改良效果研究［D］.泰安:山東農(nóng)業(yè)大學，2010.

［2］山西省晉城市土壤普查辦公室.晉城土壤［M］.晉城:晉城市印刷廠，1988.

［3］張學禮，胡振琪，初士立.礦山復墾土壤壓實問題分析［J］.能源環(huán)境保護，2004，18(3):1 －4.

［4］陳浩，楊亞莉.農(nóng)業(yè)機械土壤壓實影響因素分析［J］.農(nóng)機化研究，2011，32(6):245 －248.

［5］曾德超.機械土壤動力學［M］.北京:北京科學技術出版社，1995.

［6］王恩姮，趙雨森，陳祥偉.前期含水量對機械壓實土壤結構特征的影響［J］.水土保持學報，2009，23(1):159 －163.

［7］孟會生，王靜，郭建奎，等.黃土區(qū)土地整理壓實土壤物理性狀的初步研究［J］.中國農(nóng)學通報，2009，25(24):549－552.

［8］National Research Council. Surface mining:soil，coal and society［M］.Washington D C:National Academy Press，1981. 246.

［9］林振江，崔立勇，王闖，等.農(nóng)田土壤機械壓實的發(fā)生、影響及改良［J］.農(nóng)機化研究，2011，32(11):249 －252.

［10］黨進謙，嚴寶文，李靖，等.爆破成腔技術在旱作農(nóng)業(yè)中的應用［J］.水利學報，2002，46(10):103 －107.

［11］Hamza M A，Anderson W K. Soil compaction in cropping systems:A review of the nature，causes and possible solutions［J］.Soil ＆ Tillage Research，2005，82:121 －145.