徐 爽，闞雨晨

（1漢中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 漢中 723000；2上海綠樂生物科技有限公司，上海 201108）

0 引言

土壤緊實(shí)脅迫（耕地土壤壓實(shí)度）是土壤健康評價(jià)體系中重要的限制項(xiàng)指標(biāo)之一[1]。土壤緊實(shí)度在形態(tài)上表現(xiàn)為土壤顆粒之間結(jié)持的松緊程度，直接與土壤顆粒之間的結(jié)持力大小有關(guān)[2]，同時(shí)與土壤溶液和土壤孔隙狀態(tài)有關(guān)[3]。從土壤功能的角度來講，土壤緊實(shí)度作為土壤健康評價(jià)的限制項(xiàng)指標(biāo)，其后果不僅僅是對植物根系的物理性壓迫，更重要的是由于土壤緊實(shí)度增加造成的土壤顆粒排列的緊密化，改變了水分運(yùn)移條件，使土壤水分入滲能力明顯衰減，土壤的持水能力明顯降低，給作物生長帶來了比其對根系的機(jī)械脅迫更加嚴(yán)重的威脅[4-7]。

長期研究表明，土壤緊實(shí)度與土壤粘粒含量（土壤質(zhì)地）、有機(jī)質(zhì)含量和土壤含水量密切相關(guān)[8-9]。對同一土壤而言，土壤質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)含量是長期因子，它們對土壤緊實(shí)度的影響是相對穩(wěn)定的。但實(shí)測土壤緊實(shí)度的數(shù)值往往是不斷變化的，該現(xiàn)象與土壤含水量的關(guān)系十分密切。土壤緊實(shí)度受到含水量的直接影響，呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系[10]。土壤緊實(shí)度的測定結(jié)果在不同水分條件下并不一致，不同土壤的緊實(shí)度受含水量影響的程度也有著很大的差異。多年來，關(guān)于不同土壤的緊實(shí)度研究主要集中在不同耕作措施對土壤緊實(shí)度的影響[11-12]。而這些研究在測定土壤緊實(shí)度時(shí)，并未特殊強(qiáng)調(diào)土壤的實(shí)時(shí)水分條件，這使得不同濕度條件下測定的土壤緊實(shí)度數(shù)據(jù)不具有可比性，數(shù)據(jù)的可參考性不強(qiáng)。在建立土壤健康評價(jià)體系的過程中，限制項(xiàng)指標(biāo)通常是以乘數(shù)計(jì)算的，合理地確立各限制項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重是建立土壤健康評價(jià)體系的重要內(nèi)容。在已有的土壤緊實(shí)度與含水量相關(guān)性研究[13-15]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索不同土壤的緊實(shí)度與含水量的相關(guān)程度，比較不同土壤條件下，土壤緊實(shí)度與含水量相關(guān)度的差異，對更加科學(xué)地確定土壤健康評價(jià)體系中土壤緊實(shí)脅迫的權(quán)重，具有重要的參考價(jià)值。

本文通過分析土壤的緊實(shí)度與含水量的相關(guān)度，探討不同肥力條件下土壤緊實(shí)脅迫作用對土壤水分含量的依賴程度，以期為進(jìn)一步探明土壤緊實(shí)度作為限制性因子參與土壤健康評價(jià)的權(quán)重系數(shù)的確定提供參考。

1 材料與方法

1.1 采樣地區(qū)概況

土壤樣本采自渭河楊凌段三級階地耕地，由黃土母質(zhì)發(fā)育而來。該地區(qū)土壤耕作歷史悠久，受人為活動影響非常明顯，稱為土（系統(tǒng)分類為土墊旱耕人為土，Earth-cumuli-orthic anthrosols）。土的土糞堆墊層是因?yàn)殚L期施用大量土雜肥形成的，人們在早期施肥的過程中，因運(yùn)輸條件有限，土糞施用量長期不均勻，使得同一區(qū)域的土壤發(fā)育基礎(chǔ)長期不同，從而出現(xiàn)土壤形成后質(zhì)地相近，但肥力存在明顯差異。

供試地區(qū)多年平均降水量為635.1mm、多年平均氣溫為12.9℃。長年實(shí)行小麥—玉米一年兩熟輪作種植。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 采樣及測定方法 采樣時(shí)間為2020年3月初，在同一個(gè)地區(qū)選擇農(nóng)業(yè)管理模式相同的區(qū)域，通過田間小麥長勢和農(nóng)業(yè)管理措施等歷史條件調(diào)查，初步判斷土壤肥力水平。每個(gè)地塊按照“S”型分布布置15個(gè)采樣點(diǎn)，采集耕層(0～20 cm)擾動土樣，在室內(nèi)經(jīng)風(fēng)干過篩后用于土壤質(zhì)地和肥力指標(biāo)的測定。

通過初選確定土壤質(zhì)地基本相同、肥力存在明顯差異的3個(gè)田塊作為供試田塊（土壤質(zhì)地及肥力指標(biāo)見1.2.2），進(jìn)行樣點(diǎn)標(biāo)記，用于土壤緊實(shí)度和含水量的測定。

土壤緊實(shí)度和含水量測定時(shí)間為3月中旬至4月中旬關(guān)中冬小麥返青期。土壤緊實(shí)度采用SC-900土壤緊實(shí)度儀測定，3月11日—4月15日期間，每隔5天測定一次。為排除土壤剖面肥力變化的干擾，本研究中土壤緊實(shí)度和含水量的記錄深度為25 cm，每隔5 cm讀取一個(gè)數(shù)值。每次測定的同一時(shí)間，在每個(gè)采樣點(diǎn)上用土鉆采集土壤樣品，對應(yīng)緊實(shí)度的測定范圍，每隔5 cm土壤采集一個(gè)樣品裝入鋁盒內(nèi)用于土壤實(shí)時(shí)含水量的測定。

因土壤緊實(shí)度儀敏感度高，測定過程中干擾因素較多，為獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，每個(gè)地塊設(shè)置15個(gè)采樣點(diǎn)，剔除無效數(shù)據(jù)后，取平均值記錄土壤緊實(shí)度和含水量。

1.2.2 土壤理化性狀 供試土壤質(zhì)地采用吸管法測定，供試土壤砂粒(0.05～1mm)含量為17.9%～19.8%，粉粒(0.001～0.05mm)含量為46.2%～47.5%，粘粒(＜0.001mm)含量為32.9%～35.6%，物理性粘粒(＜0.01mm)含量為55.3%～56.8%。依據(jù)卡慶斯基制對供試土壤質(zhì)地進(jìn)行分類，該土壤屬于重壤土，選定的3個(gè)供試田塊的土壤質(zhì)地?zé)o顯著差異。

土壤肥力水平均采用常規(guī)方法進(jìn)行測定，3個(gè)供試田塊的土壤肥力狀況見表1。

對供試土樣進(jìn)行測定后，選取肥力指標(biāo)差異明顯的3個(gè)田塊作為供試目標(biāo)，將供試田塊分為高、中、低3個(gè)肥力等級（如表1所示）。供試土壤屬于石灰性母質(zhì)，Ca2+和碳酸鈣是土壤的團(tuán)聚體的重要膠結(jié)物質(zhì)，對土壤緊實(shí)度具有重要作用。3個(gè)目標(biāo)田塊土壤碳酸鈣含量和交換性鈣含量水平無顯著差異，排除了膠結(jié)物質(zhì)差異對土壤緊實(shí)度的影響。

表1 供試田塊土壤肥力狀況

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSSAU進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)、多重比較；使用Excel和Hiplot進(jìn)行相關(guān)性比較和可視化制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 供試田塊土壤緊實(shí)度時(shí)空變異特征

2.1.1 土壤緊實(shí)度空間變異特征 圖1顯示3個(gè)供試田塊土壤緊實(shí)度的監(jiān)測結(jié)果。0～25 cm土層空間內(nèi)，土壤緊實(shí)度總體呈現(xiàn)隨著土層深度增加而增大的趨勢，3個(gè)田塊空間變異總體規(guī)律較為一致，但變異程度有著明顯的差別。

圖1 土壤緊實(shí)度變化

表2列出了3個(gè)供試田塊在不同監(jiān)測時(shí)間測定的0～25 cm土層范圍內(nèi)土壤緊實(shí)度空間變異系數(shù)[CV(S)]。CV≤0.1為弱變異，0.1＜CV≤1.0為中等變異，CV＞1.0為強(qiáng)變異。供試土壤緊實(shí)度的空間變異性均在中等變異范圍內(nèi)。從CV(S)值來看，在不同時(shí)間監(jiān)測到的土壤緊實(shí)度空間變異性存在一定差異但沒有明顯規(guī)律，表明土壤緊實(shí)度是不斷變化的，并且很大程度受到田間環(huán)境的影響；將3個(gè)供試田塊在不同時(shí)間的CV(S)值分別取平均數(shù)進(jìn)行比較，可以看到FB3的土壤緊實(shí)度變異性明顯弱于FB1和FB2，說明FB3的土壤緊實(shí)度在0～25 cm土層范圍內(nèi)的變化幅度比FB1和FB2小很多。已有研究表明，土壤緊實(shí)度能夠綜合反映土壤的結(jié)構(gòu)性[16-17]，土壤緊實(shí)度的空間變異性反映了土壤結(jié)構(gòu)在不同土層之間的差異程度。測定結(jié)果表明，在0～25 cm土層范圍內(nèi)，F(xiàn)B3比FB1和FB2的土壤結(jié)構(gòu)空間變化程度較小。

表2 土壤緊實(shí)度空間變異系數(shù)[CV(S)]

2.1.2 土壤緊實(shí)度時(shí)間變異特征 圖1所示的土壤緊實(shí)度時(shí)間變異在不同的監(jiān)測時(shí)間之間沒有呈現(xiàn)出明顯的特征或規(guī)律，但在試驗(yàn)期內(nèi)，3個(gè)目標(biāo)田塊土壤緊實(shí)度的監(jiān)測記錄可以看出，同一地塊在不同時(shí)間測得的土壤緊實(shí)度存在一定差異，不同田塊間的差異程度也有明顯不同。表3為3個(gè)供試田塊不同土壤深度下在不同時(shí)間監(jiān)測的土壤緊實(shí)度時(shí)間變異系數(shù)[CV(T)]。供試土壤緊實(shí)度的時(shí)間變異性均在中等變異范圍內(nèi)。表3所列的CV(T)值顯示，3個(gè)田塊的時(shí)間變異性在總體上都隨著土壤層次的加深而逐漸減弱，15 cm以下土層的變異特征規(guī)律不明顯。CV(T)值反映了同一土壤層次在不同監(jiān)測時(shí)間所獲得的土壤緊實(shí)度數(shù)據(jù)之間的變異特征，能夠顯示各個(gè)土壤層次的土壤堅(jiān)實(shí)度受環(huán)境條件干擾的程度[18-19]。測定結(jié)果說明，3個(gè)供試田塊均顯示出土壤層次越深，土壤緊實(shí)度受環(huán)境干擾越弱的特征。

表3 土壤緊實(shí)度時(shí)間變異系數(shù)[CV(T)]

2.2 土壤緊實(shí)度與含水量的關(guān)系

土壤緊實(shí)度與土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)和土壤含水量密切相關(guān)。土壤緊實(shí)度能夠綜合反應(yīng)土壤的物理狀態(tài)，作為限制項(xiàng)指標(biāo)用于土壤健康（質(zhì)量）綜合評價(jià)和農(nóng)田（耕地）質(zhì)量評價(jià)具有很高的參考價(jià)值。但由于土壤緊實(shí)度隨著環(huán)境條件的變異規(guī)律性不強(qiáng)，在土壤評價(jià)的指標(biāo)擬合過程中造成了一定困難，而在一個(gè)環(huán)境條件相對穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)，土壤含水量的變化是在短時(shí)間內(nèi)造成土壤緊實(shí)度變化的主要環(huán)境因子。

圖2所示為土壤緊實(shí)度與含水量相關(guān)性熱圖，該圖使用Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行表達(dá)，數(shù)據(jù)之間正相關(guān)用紅色表示，負(fù)相關(guān)用藍(lán)色表示。顏色越深，代表相關(guān)性越強(qiáng)，帶有×的位點(diǎn)代表二者不相關(guān)。圖2橫軸數(shù)值為3個(gè)供試田塊0～25 cm土壤深度各個(gè)層次含水量，縱軸為3個(gè)供試田塊0～25 cm土壤緊實(shí)度，二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。紅色虛線覆蓋區(qū)域展示的是供試土壤各層次的土壤緊實(shí)度和與其相對應(yīng)的土壤含水量的相關(guān)關(guān)系，可以直觀地看出，供試土壤的土壤緊實(shí)度和含水量之間均呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且土壤層次和肥力水平不同，其相關(guān)程度存在著明顯的差異。

圖2 土壤緊實(shí)度與含水量相關(guān)性

為進(jìn)一步分析不同土層的土壤緊實(shí)度與含水量之間的相關(guān)關(guān)系的強(qiáng)弱，表4列出了各處理對應(yīng)的Pearson相關(guān)系數(shù)。3個(gè)供試田塊各土層的土壤緊實(shí)度與含水量之間的Pearson相關(guān)系數(shù)均為負(fù)數(shù)，相關(guān)系數(shù)的絕對值都在0.7以上，除FB2的0～5、15～20、20～25 cm土層顯著性水平為P＜0.05外，其余處理的相關(guān)顯著性均在P＜0.01水平，表明各土層的2個(gè)指標(biāo)之間都呈現(xiàn)很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表4 土壤緊實(shí)度與含水量相關(guān)系數(shù)

已有部分研究得出過相似的結(jié)論[20]，其研究尺度為0～10、10～20、20～30、30～40 cm的土層土壤緊實(shí)度與含水量之間的關(guān)系，研究認(rèn)為不同層次土壤結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量等土壤條件差異很大，隨著土層深度增加，含水量對緊實(shí)度的影響明顯增大，該研究所得的結(jié)論基于土層之間有機(jī)質(zhì)含量差異較大。隨著土壤深度增加有機(jī)質(zhì)含量遞減，通過主成分分析發(fā)現(xiàn)，在該試驗(yàn)條件下，土壤緊實(shí)度對有機(jī)質(zhì)的依賴強(qiáng)于對含水量的依賴，因此無法準(zhǔn)確判別土壤緊實(shí)度對含水量的依賴程度。本研究監(jiān)測0～25 cm土層，各土層之間質(zhì)地和有機(jī)質(zhì)含量等指標(biāo)之間沒有顯著差異，由此獲得的各土層之間土壤緊實(shí)度對含水量的依賴程度沒有明顯的規(guī)律，相關(guān)程度也沒有顯著差異。

2.3 肥力水平對土壤緊實(shí)度與含水量的相關(guān)度的影響

土壤肥力水平不僅是作物的重要生產(chǎn)條件，同時(shí)也影響著土壤自身的健康水平[21-22]。圖3所示為不同肥力的土壤緊實(shí)度與含水量相關(guān)關(guān)系的強(qiáng)弱程度。紅色虛線覆蓋的區(qū)域?yàn)镕B1、FB2、FB3田塊的含水量和與其相對應(yīng)的土壤緊實(shí)度的相關(guān)關(guān)系。表5列出了3個(gè)供試田塊土壤緊實(shí)度和含水量之間的相關(guān)系數(shù)，F(xiàn)B1的土壤緊實(shí)度和含水量在P＜0.05水平上負(fù)相關(guān)，F(xiàn)B2和FB3在P＜0.01水平上負(fù)相關(guān)。綜合分析圖3和表5表明，不同肥力的土壤緊實(shí)度與含水量之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤緊實(shí)度對含水量的依賴程度FB1＜FB2＜FB3。

表5 不同肥力土壤緊實(shí)度與含水量相關(guān)系數(shù)

圖3 不同肥力土壤緊實(shí)度與含水量的相關(guān)性

土壤緊實(shí)度是土壤健康評價(jià)指標(biāo)體系中重要的限制項(xiàng)指標(biāo)之一，同時(shí)長期作為綜合表達(dá)土壤物理?xiàng)l件的主要指標(biāo)之一，已有的研究在對土壤緊實(shí)度進(jìn)行模擬分析時(shí)，多以相關(guān)的物理指標(biāo)和水分運(yùn)移條件性指標(biāo)作為背景。而大量的研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量，甚至是一些無機(jī)鹽含量都對土壤緊實(shí)度有一定的影響[23-26]。土壤緊實(shí)度與土壤水分含量密切相關(guān)也獲得充分證實(shí)，但不同土壤肥力條件下，土壤含水量對土壤緊實(shí)度影響的強(qiáng)弱程度存在明顯差異。土壤肥力越低，土壤緊實(shí)度對土壤含水量的依賴性越強(qiáng)。因此，將土壤緊實(shí)度作為土壤健康評價(jià)的限制指標(biāo)進(jìn)行討論時(shí)，其干擾因子不僅要考慮測定時(shí)的土壤水分含量，還要考慮土壤的肥力狀況，以及肥力和含水量對土壤緊實(shí)度的綜合作用。

3 結(jié)論

（1）土壤緊實(shí)度的空間變異性能夠指征不同土層間土壤結(jié)構(gòu)的差異，本研究中肥力較低的土壤結(jié)構(gòu)空間差異比中高肥力土壤的空間差異小。土壤緊實(shí)度的時(shí)間變異性指示土壤緊實(shí)度受環(huán)境干擾的程度，土壤層次越深，受環(huán)境干擾越弱。0～25 cm土層范圍內(nèi)，不同肥力間土壤緊實(shí)度受環(huán)境干擾的狀況沒有明顯差異。

（2）土壤緊實(shí)度與含水量之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系?？刂仆寥篮繛閱我画h(huán)境變量的條件下，能夠準(zhǔn)確判斷土壤緊實(shí)度對土壤水分含量的依賴程度。在肥力條件均勻的土壤層次(0～25 cm)范圍內(nèi)，同一田塊各土層之間的土壤緊實(shí)度對含水量的依賴程度沒有顯著差異。

（3）土壤緊實(shí)度作為土壤健康評價(jià)體系中重要的限制項(xiàng)指標(biāo)之一，與土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、水分含量均密切相關(guān)。在土壤質(zhì)地相同、肥力條件不同的情況下，土壤含水量對土壤緊實(shí)度影響的強(qiáng)弱程度存在明顯差異，表現(xiàn)為土壤肥力越低，土壤緊實(shí)度對含水量的依賴程度越強(qiáng)。在土壤健康評價(jià)過程中，對于肥力條件較好的土壤，可以適當(dāng)降低土壤水分對緊實(shí)度影響的權(quán)重水平，而肥力條件差的土壤，在對土壤緊實(shí)度進(jìn)行擬合時(shí)，應(yīng)充分考慮土壤水分條件的影響。