涂張煥, 豐文慶,徐唐奇,3

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 土地工程學(xué)院,陜西 西安 710054；2.西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院有限公司,陜西 西安 710100；3.陜西省土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)

土壤作為人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，近年來其生態(tài)狀況不容樂觀，土壤質(zhì)量日益惡化，但人們對(duì)它的重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。不合理的耕作、使用土地致使土地的退化加劇，近年來其惡性后果逐漸突顯出來。我國土地退化的總面積高達(dá)4.6 x 108hm2，占我國土地總面積的2/5，全球土地退化面積的1/4，人地矛盾尖銳，已經(jīng)威脅到了我國的糧食安全。土壤板結(jié)屬土壤的性質(zhì)惡化，其通過影響表層土壤的通氣性和透水性直接危害到作物根系的生長(zhǎng)和養(yǎng)分的吸收，研究土壤板結(jié)的成因、預(yù)防及解決措施對(duì)作物增產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)而遠(yuǎn)大的意義。

1 土壤板結(jié)的概念

1.1 正應(yīng)力式土壤板結(jié)

土壤的氣相和液相一般是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，但在人為不合理耕種或外力作用下這種平衡會(huì)被打破，土壤原本疏松的結(jié)構(gòu)被破壞、土料分散，當(dāng)土壤表層水分蒸發(fā)后，土壤會(huì)變得質(zhì)地堅(jiān)硬。當(dāng)土壤受到外部承重載荷時(shí)(如農(nóng)用機(jī)的碾壓)，土壤被夯實(shí)，使原有的疏松土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)被破壞，由于土壤中的固相和液相是相對(duì)不可壓縮的，因此主要被壓縮的是氣相即土壤孔隙，使土壤的容重和密度增大，作物根系向下生長(zhǎng)遇到巨大阻力。當(dāng)土壤比較干燥時(shí)，土壤受到承重載荷時(shí)主要是在垂直方向的正應(yīng)力(壓力)，這種垂直方向上的壓力使土壤孔徑縮小，使土壤變得緊實(shí)。當(dāng)土壤含水量較高時(shí)，土壤受到承重荷載時(shí)除了受到垂直方向上的正應(yīng)力外還要受到切應(yīng)力(剪切力)作用，在這兩種力的作用下，土壤顆粒變得排布緊密，毛細(xì)管增多，使土壤的毛管作用強(qiáng)烈，保水通氣能力急劇下降，在土壤表層形成緊密的外殼和龜裂。

1.2 水分沖刷地表土粒粘結(jié)式土壤板結(jié)

當(dāng)田面遭受漫灌或者強(qiáng)降水時(shí)，土地表層的水分不能及時(shí)排除，對(duì)田面造成強(qiáng)烈沖刷，形成淤積。過量的水分使田間持水量達(dá)到飽和，剩余水分從田面流走，使細(xì)小的土壤粘粒沉積在地表，隨著水分蒸發(fā)，細(xì)小的土壤顆粒由于水的表面張力、范德華力、H鍵的綜合作用粘結(jié)在一起，在土壤顆粒-水-靜電力體系下斥力和引力達(dá)到平衡，形成牢固的土壤粘聚力。根據(jù)土壤顆粒的大小可將土壤劃分為黏土、壤土、沙土。土壤顆粒越小，土壤的粘聚力越大，且黏土中所含的有機(jī)質(zhì)少，土壤的通氣透水性能較差，難以鎖住水分，當(dāng)漫灌之后土壤中的孔隙被水分代替，隨著水分蒸發(fā)由于粘聚力和膠結(jié)作用，土粒粘結(jié)在一起，土壤孔隙急劇減少，劇增的毛細(xì)管將土壤中的水分牽引至土壤表層，加劇水分的蒸發(fā)，致使田面結(jié)成緊密、堅(jiān)硬的泥殼。當(dāng)表層板結(jié)硬化之后，水分就難以下滲，灌溉效果會(huì)大大減弱，若不配合深耕與有機(jī)質(zhì)的追加，土壤肥力難以恢復(fù)。

2 土壤板結(jié)的主要成因

2.1 農(nóng)用機(jī)械的使用

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)投入了大量農(nóng)機(jī)，雖然大大解放了勞動(dòng)力，但在一定程度上對(duì)農(nóng)田造成了破壞。在不超出土壤塑性范圍時(shí)，農(nóng)用機(jī)械駛過田面表層土壤由于車輪的壓力發(fā)生塑流下陷，土壤表層的團(tuán)聚體被破壞。土壤較干燥時(shí)，壓力作用下團(tuán)聚體崩裂，團(tuán)聚體間的孔隙被壓縮，土粒分散并被夯實(shí)，由于大型機(jī)械的巨大壓力，土壤往往被夯實(shí)的厚度超過作物根系的活動(dòng)層。當(dāng)土壤較濕潤時(shí)，在壓力下土粒之間相粘結(jié)，表層土壤水分蒸發(fā)后變得堅(jiān)硬。雖然旋耕機(jī)廣泛使用，但耕地的深度難以達(dá)到作物生長(zhǎng)的需求，其耕地深度通常為12～15 cm，深耕達(dá)不到要求，土壤原有結(jié)構(gòu)體系不能得到恢復(fù)，作物生長(zhǎng)時(shí)根系的下行和水分吸收會(huì)受到影響，最終影響作物產(chǎn)量。

2.2 不合理的灌溉方式

漫灌是一種較為原始的灌溉方式，又稱重力灌水法，水流借助重力在田面流動(dòng)，邊流邊下滲，其操作簡(jiǎn)單，在過去是一種主要的灌溉方式，但這種灌溉方式存在極大的弊端，其對(duì)田面平整度要求高，水的利用率低，同時(shí)也對(duì)田面造成巨大損害，帶走田間土壤，使田面淤積，田面土體團(tuán)粒結(jié)構(gòu)被破壞，田面干燥后毛細(xì)管增多，田面板結(jié)，同時(shí)劇增的毛細(xì)管將較高含鹽量的地下水通過毛管作用帶到土壤上層造成土壤反鹽，造成鹽堿化的同時(shí)進(jìn)一步加劇土壤板結(jié)。

2.3 不合理的施肥結(jié)構(gòu)

自從化肥問世以來，很快成為農(nóng)業(yè)的新寵，化肥的不斷追加使土壤營養(yǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大改變，長(zhǎng)期單一的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)難免帶來副作用。無機(jī)肥料的使用同時(shí)加速了有機(jī)物的分解，破壞土壤成分構(gòu)成比例，致使土壤結(jié)構(gòu)被破壞。土壤微生物消耗N與C的比例為1/25,過量的氮肥追加會(huì)引起土壤有機(jī)質(zhì)的快速分解。通常過磷酸鈣、重過磷酸鈣等被用作磷肥，但磷肥過量追加，磷酸根容易與土壤中的陽離子生成難溶性沉淀，不利于作物吸收，影響土壤組成結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)。如果長(zhǎng)期不追加有機(jī)肥，土壤中的有機(jī)質(zhì)會(huì)大大減少，土壤將逐漸失去蓬松結(jié)構(gòu)，易造成土壤板結(jié)。

3 土壤板結(jié)的危害

3.1 水分下滲困難

當(dāng)發(fā)生土壤板結(jié)時(shí)，灌溉水或者自然降水進(jìn)入田間，由于表層土壤質(zhì)密緊促，在相同時(shí)間內(nèi)健康狀態(tài)的土壤水分下滲深度要遠(yuǎn)大于板結(jié)土壤水分下滲深度。板結(jié)土壤內(nèi)部失去了像健康土壤一樣的蓬松團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，孔隙量大大減少，單位體積的土體涵水能力遠(yuǎn)不及擁有團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的土壤。另一方面由于水的表面張力使得水分下滲更加困難，往往進(jìn)入田間的水分還未穿透上層土壤，多數(shù)水分就以地表徑流的方式流失掉，留在地表的水分由于下滲不及時(shí)，又以地表蒸發(fā)的方式散失掉大部分。

3.2 影響植物根系水分及礦物養(yǎng)分的吸收

存在于土壤中的水分有三種形態(tài)，即固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。當(dāng)土壤中存在固態(tài)水時(shí)，作物根系一般發(fā)生凍害，屬于不可利用水。氣態(tài)水存在于土壤孔隙中，凝結(jié)為液態(tài)水時(shí)可被作物吸收利用。根據(jù)液態(tài)水的運(yùn)動(dòng)特性可以分為毛管水、重力水、吸著水。毛管水是懸著在土壤毛細(xì)管內(nèi)的液態(tài)水，是作物根系吸收利用的主要水分來源，其最大含量被稱為田間持水量。重力水是能在土壤孔隙中自由運(yùn)動(dòng)的水分，是毛管水達(dá)到最大無法吸附的部分，在地下水位較低時(shí)，重力水很快流失掉，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，由于地下水位的頂托作用，重力水停留在根系層內(nèi)，影響根系的呼吸，易造成根系的腐爛，屬于過剩水。吸著水僅僅吸附在土粒表面，是作物所不能利用的，屬于無效水。

土壤發(fā)生板結(jié)時(shí)，團(tuán)粒間的孔隙減少，土粒與土粒之間粘結(jié)在一起，毛細(xì)管之間直連相通，通向地表，將原有土壤顆粒之間的毛管水牽引至地表蒸發(fā)散失，作物的主要水分來源被切斷，作物吸收營養(yǎng)是通過吸收溶解在水分中的無機(jī)物，失去水分后根系也將失去營養(yǎng)供給，導(dǎo)致作物發(fā)生缺素癥、萎蔫等癥狀。土壤中的吸附水緊緊吸附在土粒表面，無溶解能力，呈現(xiàn)固態(tài)水性質(zhì)，不可被利用?？紫吨械闹亓λ聦訚B漏掉或者被毛管力牽引至地表蒸發(fā)散失，此時(shí)土壤表面堅(jiān)硬、質(zhì)密，外在補(bǔ)充水分難以下滲。板結(jié)土壤使作物根系難以向下生長(zhǎng)，土壤間孔隙少，氧氣不足，作物根系呼吸困難，影響作物的正常生長(zhǎng)。

4 治理措施

4.1 離子替換法

在我國西北干燥黏土區(qū)，由于不合理的耕作，土壤反鹽嚴(yán)重，土壤表面由于鹽分的作用固化板結(jié)，地表質(zhì)地堅(jiān)硬，作物根系向下生長(zhǎng)困難，大量灌溉水以地表徑流和蒸發(fā)的形式散失。此類土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要是鹽-土粒系統(tǒng)，黏土的微觀結(jié)構(gòu)成小片狀，在土片周圍粘結(jié)了大量的鹽分，鹽分包裹的土片成平面分布，構(gòu)成一張攔截水分的“網(wǎng)”，在灌溉水中加入一定濃度的可溶性鈣可以打破這種平衡。當(dāng)可溶性鈣溶液進(jìn)入堅(jiān)固難以透水的鹽-土片體系時(shí)，鈣離子替換土片周圍的鈉離子，吸附在土片上的鈣離子更薄，土片可在在垂直結(jié)構(gòu)上重疊，平面布置的攔水“網(wǎng)”出現(xiàn)漏洞，水分便可以下滲，在同樣時(shí)間內(nèi)，可溶性鈣溶液下滲深度是普通灌溉水下滲深度的2～3倍，水分的下滲率增加可以有效減少灌溉水用水量，避免水分對(duì)田面的過分沖刷和地下水?dāng)y帶水分上移造成土壤板結(jié)。

4.2 綠肥輪作與秸稈還田

在農(nóng)閑季節(jié)通過種植綠肥可以讓土壤得到間歇性恢復(fù)，綠肥投資成本低、管理投入少但卻能帶來很高的綜合效益，通過對(duì)田面的覆蓋可以減少雨水對(duì)土壤的沖刷，避免水土流失。某些豆科綠肥可以有效固氮，吸收鉀元素，提高土壤肥力。綠肥和秸稈還田能夠?yàn)橥寥姥a(bǔ)充大量新鮮有機(jī)質(zhì)，在土壤中分解形成腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)在土壤中與鈣結(jié)合可以形成疏松多孔的土壤團(tuán)粒，使土壤的耕作層變得疏松多孔，提高土壤的通氣透水性和保水保肥能力。這些新鮮殘?bào)w在土壤分解過程可以促進(jìn)土壤微生物數(shù)量的增加，加快土壤的熟化，同時(shí)配合深耕能夠有效避免土壤的板結(jié)。值得注意的是不經(jīng)過處理的綠肥、秸稈中可能含有蟲卵，造成蟲害的發(fā)生。

4.3 使用土壤改良劑

土壤改良劑分為天然改良劑、人工合成改良劑、生物改良劑等。天然改良劑有天然礦石、有機(jī)、無機(jī)固體廢物和天然高分子化合物等，其中如石灰、石膏，通過中和反應(yīng)改良土壤的pH值，改善土壤酸堿環(huán)境，保證作物的正常生長(zhǎng)，還有另一些天然礦物改良劑施加在土壤中可以黏著土壤顆粒，形成土壤團(tuán)聚體，增強(qiáng)保水能力。生物改良劑主要是有益微生物制劑類，通過增加土壤有益菌群，改變土壤的理化性質(zhì)和營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤生態(tài)的穩(wěn)定。人工合成改良劑主要是高分子化合物，如聚乙烯醇類、聚丙烯酸類等，此類改良劑施加到土壤中會(huì)粘結(jié)土壤中的小土粒，形成大的土壤團(tuán)聚體，增加土壤孔隙和毛管孔隙度，從而使土壤的容重降低，可以明顯的改善土壤的通氣透水性，增加水分下滲率，減少灌溉水的地表徑流和地面蒸發(fā)損失，起到保水保肥，避免土壤板結(jié)的效果。

5 結(jié)語

自古以來中國農(nóng)業(yè)模式都是以精耕細(xì)作為主，耕作者為求在有限的土地中獲得更大收益。在近幾十年，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，機(jī)械化耕作普及，化肥成了高產(chǎn)的保證，人們漸漸忽視了對(duì)耕地的保護(hù)，土壤板結(jié)是人們不合理利用土地造成的后果，但也不是不可避免、不可修復(fù)的問題。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的均衡協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展是我國的基本方略，生態(tài)文明建設(shè)不可或缺的，這就需要改變以前先破壞再治理的發(fā)展模式，除了大氣污染、水污染，土地退化問題也應(yīng)該被高度重視，土地是我們生存的支柱，關(guān)系著我國的糧食安全，國家戰(zhàn)略安全，而土地內(nèi)部的污染往往是肉眼不可見的，也容易被忽視，相比治理，預(yù)防要容易的多。土地問題一直都是我國的一道傷疤，我們應(yīng)該正視這些問題，在政策上給予支持，提高大眾對(duì)土地退化的認(rèn)識(shí)，積極保護(hù)我們的耕地，避免現(xiàn)在普遍存在的土地板結(jié)問題進(jìn)一步加重。