喬金友，張 丹，張宏彬，張 斌，陳海濤，諶禮鵬，鄭大明，孫 健

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

0 引 言

土壤是非常寶貴的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源，土壤質(zhì)量對(duì)國家和地區(qū)糧食安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)有至關(guān)重要的作用[1-2]。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平逐步提升，機(jī)械作業(yè)環(huán)節(jié)增多，農(nóng)業(yè)機(jī)械對(duì)土壤的壓實(shí)作用也隨之增加。機(jī)械壓實(shí)會(huì)導(dǎo)致土壤孔隙度變小，致使機(jī)耕阻力增加，作物根系生長受阻，進(jìn)而影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)；同時(shí)，機(jī)械壓實(shí)會(huì)使土壤的含水率降低，飽和導(dǎo)水率變差，增加地表溢流和土壤侵蝕的可能性，造成土地退化。

20 世紀(jì)60 年代，發(fā)達(dá)國家科研工作者就開始對(duì)土壤的壓實(shí)機(jī)理及危害進(jìn)行研究，1966 年，Taylor 等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)貫穿阻力接近2 MPa 時(shí)，穿透土壤的作物根數(shù)急劇減少[3]。1972 年，Charreu 研究發(fā)現(xiàn)，在西非國家，土壤壓實(shí)已經(jīng)導(dǎo)致作物產(chǎn)量減少了40%以上，而在歐洲的一些地區(qū)，因土壤壓實(shí)而造成作物產(chǎn)量減少了25%~50%[4]。1985 年，Mckyes 等研究發(fā)現(xiàn)，作物產(chǎn)量開始隨著土壤堅(jiān)實(shí)度的增大而增加，但是當(dāng)土壤堅(jiān)實(shí)度增加到某一數(shù)值后作物產(chǎn)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[5]。1990 年，Smith等研究表明：壓實(shí)后試驗(yàn)區(qū)土壤堅(jiān)實(shí)度隨著車輪載荷的增加而增大[6]。1995 年，Heisler 等研究表明，農(nóng)業(yè)機(jī)械壓實(shí)主要影響了0~10 cm 深度的表層土壤，且土壤孔隙度比正常土壤的降低了18%[7]。1997 年，Salinas 等研究表明更密集的耕作方式、翻耕、深松可使土壤容重降低[8]。2001 年，Tobias 等研究發(fā)現(xiàn)：采用大型機(jī)械作業(yè)，會(huì)造成土壤堅(jiān)實(shí)度明顯增大，并且使得60~70 cm 的心土層產(chǎn)生形變[9]。2008 年，Tekeste 等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：單次壓實(shí)致使20~25 cm 深度的土壤堅(jiān)實(shí)度峰值達(dá)到4.02 MPa[10]。2010年，Botta 等研究發(fā)現(xiàn)，在小、大型2 種機(jī)械作業(yè)條件下，大豆產(chǎn)量分別減少了250 和450 kg/hm2[11]。2011 年，Becerra 等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，免耕播種時(shí)測(cè)區(qū)的玉米產(chǎn)量比其他深松和犁耕方式降低了15%左右[12]。2014 年，Jabro 等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)可以減輕黏土土壤中30 cm 以上土層的壓實(shí)負(fù)面影響[13]。2017 年，Shah 綜述土壤壓實(shí)對(duì)土壤健康和作物產(chǎn)量的影響[14]；2018 年，Bogunovic 等研究發(fā)現(xiàn)，免耕試驗(yàn)區(qū)比常規(guī)耕作、深耕試驗(yàn)區(qū)在0~10 cm深度的體積密度平均增加了8%和7%[15]，Sivarajan 等研究了拖拉機(jī)輪子壓實(shí)對(duì)玉米、大豆生長和產(chǎn)量的影響[16]。

國內(nèi)對(duì)土壤壓實(shí)方面的研究相對(duì)較晚。1981 年，廖植樨研究表明，不同類型的拖拉機(jī)均會(huì)造成土壤壓實(shí)，機(jī)械作業(yè)后測(cè)區(qū)的最高土壤容重可達(dá)到1.72 g/cm3[17]。1998 年，孫忠英等研究了行走裝置參數(shù)和負(fù)荷對(duì)土壤壓實(shí)作用的影響，提出了減小土壤壓實(shí)程度的措施[18]。2001 年，遲仁立等研究表明：不同程度壓實(shí)具有系統(tǒng)累積效應(yīng)，為免耕、保護(hù)性耕作技術(shù)應(yīng)用提供依據(jù)[19]。2002 年，李汝莘等研究表明，小四輪拖拉機(jī)壓實(shí)使土壤容積密度明顯增加并且超過作物的適應(yīng)范圍，孔隙度減小20%~30%[20]。2002 年，張興義等研究表明：拖拉機(jī)對(duì)小麥試驗(yàn)區(qū)0~5 cm 土層有顯著的壓實(shí)作用，并且隨著碾壓次數(shù)的增加，小麥的有效穗數(shù)降低[21]。2006 年，高愛民等研究表明，新疆-2 號(hào)聯(lián)合收割機(jī)對(duì)土壤3~5次碾壓程度相當(dāng)于4GG-170型收割碾壓10 次以上[22]。2008 年，王恩姮等測(cè)定結(jié)果表明：中型機(jī)械作業(yè)區(qū)的土壤在17.5~30 cm 范圍內(nèi)形成了新的土壤板結(jié)[23]。2009 年，焦彩強(qiáng)等研究表明：旋耕處理的試驗(yàn)地在15~40 cm 土層土壤堅(jiān)實(shí)度明顯高于其他處理，證實(shí)了旋耕方法會(huì)明顯導(dǎo)致深層土壤堅(jiān)實(shí)化[24]。2011 年，張娟利等試驗(yàn)表明，當(dāng)載荷大于3 000 kg的拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)會(huì)造成0~100 mm 土層的土壤容重增大，當(dāng)載荷為4 400 kg 的拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤堅(jiān)實(shí)度比前者增加了59%[25]。2013年，陳溢等研究表明：機(jī)械作業(yè)對(duì)10~20 cm 范圍土壤造成了壓實(shí)，壓實(shí)后土壤容重和機(jī)械作業(yè)阻力增加，孔隙度減少，水分下滲受到抑制[26]。2014 年，劉寧等研究指出壓實(shí)機(jī)械、壓實(shí)次數(shù)和土層深度均是影響壤堅(jiān)實(shí)度的顯著性因素[27]；同年，楊榮仲等研究發(fā)現(xiàn)：甘蔗收割機(jī)和收集車碾壓使宿根蔗發(fā)株減少，而且生長勢(shì)變差[28]。2017 年，王憲良等研究表明，免耕對(duì)0~30 cm 土層土壤堅(jiān)實(shí)度影響較大，而且深松則會(huì)使該層土壤堅(jiān)實(shí)度相對(duì)減小[29]。2018 年，李毅杰等研究發(fā)現(xiàn)：機(jī)械作業(yè)后，土壤容重、堅(jiān)實(shí)度分別增大了13.34%、127.27%；而深層土壤變化幅度較小[30-31]。

綜合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)可知，國內(nèi)外學(xué)者在土壤壓實(shí)成因、壓實(shí)模型，機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤特性以及作物產(chǎn)量影響效果等方面均取得了一定研究成果；但是，這些試驗(yàn)大多集中于研究某一型號(hào)農(nóng)業(yè)機(jī)械單次作業(yè)對(duì)土壤相關(guān)指標(biāo)或作物產(chǎn)量的影響。隨著農(nóng)機(jī)裝備水平和全程農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高，農(nóng)業(yè)機(jī)械種類逐步增加，機(jī)械進(jìn)地作業(yè)次數(shù)增多，農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)對(duì)田間土壤的壓實(shí)作用越發(fā)嚴(yán)重和復(fù)雜。因此，結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化實(shí)際，研究不同型號(hào)拖拉機(jī)作業(yè)、不同次數(shù)壓實(shí)處理對(duì)試驗(yàn)區(qū)土壤堅(jiān)實(shí)度及作物產(chǎn)量的變化規(guī)律不但具有重要理論意義，而且對(duì)合理使用農(nóng)業(yè)機(jī)械、保護(hù)有限耕地資源、恢復(fù)和提升耕地生產(chǎn)能力、更好地保障國家糧食安全，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2018 年4 月—2018 年11 月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)地處松嫩平原南部，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量505.4 mm，年平均氣溫3.3 ℃。2017 年玉米收獲后翻耕土壤并耙碎，2018 年春適期平播大豆后選用相應(yīng)拖拉機(jī)按試驗(yàn)方案要求實(shí)施壓實(shí)處理，于2018 年8 月1 日測(cè)量土壤堅(jiān)實(shí)度。試驗(yàn)區(qū)種植大豆品種為東農(nóng)252。

1.1 試驗(yàn)用拖拉機(jī)與測(cè)試儀器設(shè)備

依據(jù)黑龍江省實(shí)際農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)情況，選擇大型（CASE-210）、中型（JD-904）、小型（JD-280）3 種不同型號(hào)拖拉機(jī)作為代表機(jī)型進(jìn)行土壤壓實(shí)試驗(yàn)。其中，CASE-210 型拖拉機(jī)是黑龍江省農(nóng)場(chǎng)及現(xiàn)代農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社標(biāo)準(zhǔn)配置機(jī)型之一；JD-904 型拖拉機(jī)在農(nóng)業(yè)農(nóng)機(jī)合作社中常用于較輕負(fù)荷田間作業(yè)和道路運(yùn)輸作業(yè)，農(nóng)戶經(jīng)營小規(guī)模生產(chǎn)地區(qū)常配置該型拖拉機(jī)完成主要農(nóng)田作業(yè)；JD-280 型拖拉機(jī)是黑龍江省農(nóng)村小規(guī)模生產(chǎn)單位配置的功率最小的拖拉機(jī)，在實(shí)際生產(chǎn)中保有量非常大。試驗(yàn)用拖拉機(jī)的基本參數(shù)如表1 所示。

在大豆生產(chǎn)中期，采用荷蘭Eijkelkamp 公司生產(chǎn)的PV6.08 貫穿阻力儀測(cè)試各試驗(yàn)小區(qū)壓實(shí)截面的土壤堅(jiān)實(shí)度，該儀器測(cè)試精度為0.1 MPa。大豆成熟后，采用JE1002型號(hào)電子天平測(cè)試試驗(yàn)小區(qū)收獲大豆籽粒的樣本量（精度0.01 g）；采用DG-101-1S 電熱恒溫干燥箱測(cè)試收獲大豆籽粒含水率（精度±1 ℃）。

表1 試驗(yàn)用拖拉機(jī)基本參數(shù) Table 1 Basic parameters of experiment tractors

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

設(shè)置壓實(shí)和對(duì)照（CK）2 種試驗(yàn)測(cè)區(qū)。壓實(shí)測(cè)區(qū)完成大豆播種后，依次采用3 種不同型號(hào)拖拉機(jī)完成不同次數(shù)的壓實(shí)處理。參照大豆全程機(jī)械化實(shí)際生產(chǎn)過程，機(jī)組的年進(jìn)地次數(shù)為10 次左右，確定試驗(yàn)區(qū)的拖拉機(jī)壓實(shí)次數(shù)為2~12 次，分為6 種處理且壓實(shí)次數(shù)等間隔遞增；為了消除因試驗(yàn)區(qū)土壤分布不均勻?qū)υ囼?yàn)數(shù)據(jù)造成的誤差，每種型號(hào)拖拉機(jī)的壓實(shí)處理均設(shè)置3 次重復(fù)，并且分別位于3 個(gè)不同測(cè)試列區(qū)，3 種機(jī)型的壓實(shí)區(qū)共有9 個(gè)試驗(yàn)列區(qū)。2 個(gè)對(duì)照列區(qū)寬度均為2.6 m，分別位于壓實(shí)測(cè)試列區(qū)的兩側(cè)，對(duì)照列區(qū)無任何機(jī)械壓實(shí)處理。

試驗(yàn)列區(qū)縱向均勻分為6 個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)長度為20 m，2 試驗(yàn)小區(qū)間距6 m，為供試驗(yàn)的拖拉機(jī)轉(zhuǎn)彎、轉(zhuǎn)移空間，同時(shí)也是各試驗(yàn)小區(qū)間的隔離區(qū)。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)列區(qū)邊界與近側(cè)壓實(shí)輪轍間的距離為1.3 m。依據(jù)隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)原理，同型號(hào)拖拉機(jī)不同壓實(shí)次數(shù)試驗(yàn)小區(qū)在相應(yīng)各列區(qū)上均有分布，且同次壓實(shí)處理的試驗(yàn)小區(qū)在不同列區(qū)縱向上的不同位置均有分布。為了消除試驗(yàn)地塊土壤的不均質(zhì)性和便于進(jìn)行分析比較，每個(gè)對(duì)照列區(qū)縱向也對(duì)應(yīng)分為6 個(gè)小區(qū)。

依據(jù)前述的方案設(shè)計(jì)，試驗(yàn)區(qū)的總寬度為53.3 m，總長度為162 m。在實(shí)際執(zhí)行時(shí)，按上述方案劃分小區(qū)，并在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)邊界及壓實(shí)位置插入不同標(biāo)簽，并注好標(biāo)號(hào)。試驗(yàn)區(qū)劃分及壓實(shí)小區(qū)分布如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)規(guī)劃與壓實(shí)小區(qū)分布簡圖 Fig. 1 Schematic of planning of test area and distribution of compacted plots

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試與處理方法

1.3.1 土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)試

拖拉機(jī)壓實(shí)后，于8 月1 日測(cè)取各對(duì)照小區(qū)和壓實(shí)試驗(yàn)小區(qū)土壤堅(jiān)實(shí)度。為消除因土壤分布不均勻?qū)υ囼?yàn)結(jié)果造成的誤差，在每個(gè)壓實(shí)測(cè)試小區(qū)壓實(shí)輪轍處隨機(jī)選取3 個(gè)截面測(cè)取土壤堅(jiān)實(shí)度，每個(gè)供試土壤截面沿壓實(shí)輪轍中心線向兩側(cè)對(duì)稱等間隔測(cè)取9 個(gè)點(diǎn)，每測(cè)點(diǎn)間隔10 cm，測(cè)試截面寬度為80 cm；測(cè)試時(shí)貫穿阻力儀測(cè)試桿與所測(cè)地面垂直，以5 m/s 的速度勻速插入土壤，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)處依次測(cè)取0~80 cm 深度的土壤堅(jiān)實(shí)度數(shù)，采樣間隔為1 cm。測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)分布如圖2 所示。

1.3.2 大豆產(chǎn)量測(cè)試

大豆成熟后，在每個(gè)測(cè)試小區(qū)壓實(shí)輪轍兩側(cè)隨機(jī)選取長1.54 m、寬1.3 m（大約2 m2）范圍作為測(cè)產(chǎn)區(qū)，每個(gè)測(cè)試小區(qū)3 次重復(fù)。人工收割、裝袋，同時(shí)將編號(hào)標(biāo)簽對(duì)應(yīng)放入袋中，收割、裝袋時(shí)注意動(dòng)作要輕，避免因炸莢丟粒影響測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。人工脫粒后，使用電子天平稱取籽粒質(zhì)量。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5009.3-2016，采用整粒烘干法測(cè)取大豆籽粒干物質(zhì)質(zhì)量[32]，采用式（1）計(jì)算試驗(yàn)小區(qū)大豆籽粒含水率。

式中C0為測(cè)取的大豆籽粒含水率，%；m0為烘干前樣本及鋁盒質(zhì)量，g；m1為烘干后樣本及鋁盒質(zhì)量，g；m 為鋁盒質(zhì)量，g。

采用式（2）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)含水率條件下試驗(yàn)小區(qū)大豆產(chǎn)量。

式中M 為標(biāo)準(zhǔn)含水率下測(cè)試小區(qū)大豆產(chǎn)量，g；C 為大豆標(biāo)準(zhǔn)含水率，%（取13%[33]）。

圖2 測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)分布 Fig.2 Distribution of test points in test section

1.3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性檢驗(yàn)

按照機(jī)型、測(cè)試時(shí)間、壓實(shí)次數(shù)等因素分別歸類整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了消除試驗(yàn)數(shù)據(jù)的人為誤差以及因土壤質(zhì)地分布不均勻造成的數(shù)據(jù)誤差，提高試驗(yàn)的可靠性，首先采用常用的χ2檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布[34]，針對(duì)符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中3σ原則剔除異常數(shù)據(jù)。由于試驗(yàn)測(cè)取的土壤堅(jiān)實(shí)度數(shù)據(jù)非常龐大，采用Matlab(R2016b)編制程序，將剔除異常值后的有效數(shù)據(jù)代入程序中計(jì)算同種機(jī)型、相同壓實(shí)次數(shù)處理下各測(cè)試小區(qū)土壤堅(jiān)實(shí)度平均值等指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 拖拉機(jī)壓實(shí)對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響

采用Sufer12.0 軟件繪制不同型號(hào)拖拉機(jī)、不同次數(shù)壓實(shí)處理下測(cè)試截面各測(cè)點(diǎn)的土壤堅(jiān)實(shí)度等值線圖，依圖分析不同型號(hào)拖拉機(jī)、不同次數(shù)壓實(shí)處理對(duì)測(cè)區(qū)截面的土壤堅(jiān)實(shí)度影響規(guī)律。

2.1.1 CASE-210 型拖拉機(jī)壓實(shí)對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響

CASE-210 型拖拉機(jī)不同壓實(shí)次數(shù)土壤堅(jiān)實(shí)度等值線圖如圖3 所示。

圖3 CASE-210 拖拉機(jī)壓實(shí)后測(cè)區(qū)截面土壤堅(jiān)實(shí)度等值線圖 Fig.3 Contour map of soil compactness compacted with CASE-210 tractor

由圖3 可以看出，采用CASE-210 型拖拉機(jī)壓實(shí)后，試驗(yàn)小區(qū)測(cè)試截面內(nèi)土壤堅(jiān)實(shí)度呈現(xiàn)出隨著壓實(shí)次數(shù)的增加而逐漸遞增的趨勢(shì)，并且表層區(qū)域的土壤堅(jiān)實(shí)度變化十分明顯。當(dāng)拖拉機(jī)壓實(shí)2 次時(shí)，在測(cè)區(qū)截面輪胎車轍壓實(shí)中心下方10~30 cm 深度形成了寬度為35 cm左右的壓實(shí)核，核內(nèi)的土壤堅(jiān)實(shí)度峰值達(dá)到3.2 MPa，相較于同區(qū)位對(duì)照測(cè)區(qū)的土壤堅(jiān)實(shí)度峰值增大了4 倍，即壓實(shí)2 次就對(duì)表層土壤造成了明顯的壓迫作用；隨著拖拉機(jī)壓實(shí)次數(shù)的增加，壓實(shí)核內(nèi)的土壤堅(jiān)實(shí)度逐漸增大，且壓實(shí)核的影響范圍由輪轍中心逐漸向四周擴(kuò)散；壓實(shí)6 次時(shí)，壓實(shí)核位于5~35 cm 土層，寬度達(dá)50 cm，壓實(shí)核內(nèi)土壤堅(jiān)實(shí)度最大值為3.4 MPa；壓實(shí)12 次時(shí)，壓實(shí)核內(nèi)土壤堅(jiān)實(shí)度峰值增至4.0 MPa，相較于2 次的壓實(shí)核土壤堅(jiān)實(shí)度峰值增大了1.25 倍，比對(duì)照區(qū)同深度土壤堅(jiān)實(shí)度增加了5 倍，隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，拖拉機(jī)作業(yè)對(duì)深層土壤的壓迫效果逐漸積累；同時(shí)，壓實(shí)核的影響范圍也擴(kuò)大至輪胎下方5~40 cm 土層范圍，影響寬度增至60 cm 左右，并且該處壓實(shí)核內(nèi)土壤堅(jiān)實(shí)度的密集程度達(dá)到最大。壓實(shí)后輪胎下方深層土壤的堅(jiān)實(shí)度明顯增大，當(dāng)壓實(shí)2 次時(shí)，40~80 cm 土層土壤堅(jiān)實(shí)度比對(duì)照區(qū)同深度土壤堅(jiān)實(shí)度峰值增大了約0.4 MPa；當(dāng)壓實(shí)4~10 次時(shí)，深層土壤堅(jiān)實(shí)度稍有增加但是變化不大，影響范圍隨著壓實(shí)次數(shù)增加由壓實(shí)輪胎下方向兩側(cè)擴(kuò)展；當(dāng)壓實(shí)12 次時(shí)，壓實(shí)對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響深度由下方向上逐漸擴(kuò)展至表層壓實(shí)核區(qū)域，且向兩側(cè)幾乎擴(kuò)展到整個(gè)測(cè)試寬度（輪胎中心左右各40 cm)，在65~80 cm深層的土壤堅(jiān)實(shí)度峰值最大，達(dá)到了2.8 MPa。

2.1.2 JD-904 型拖拉機(jī)壓實(shí)對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響

依據(jù)各試驗(yàn)小區(qū)壓實(shí)測(cè)試截面土壤堅(jiān)實(shí)度數(shù)值，得到JD-904 型拖拉機(jī)不同壓實(shí)次數(shù)下的土壤堅(jiān)實(shí)度等值線圖；如圖4 所示。

由圖4 可以看出，采用JD-904 型拖拉機(jī)壓實(shí)后，測(cè)試區(qū)截面的土壤堅(jiān)實(shí)度變化明顯。當(dāng)拖拉機(jī)壓實(shí)2 次時(shí)，在壓實(shí)輪轍中心下方5~20 cm 土層形成寬度為35 cm 的壓實(shí)核，核內(nèi)土壤堅(jiān)實(shí)度峰值為2.3 MPa，比對(duì)照區(qū)同深度土壤堅(jiān)實(shí)度峰值增大了1.5 MPa；隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，壓實(shí)核內(nèi)的土壤堅(jiān)實(shí)度也隨之增大，并且壓實(shí)核的影響范圍也隨之?dāng)U散，當(dāng)壓實(shí)8 次時(shí)，壓實(shí)核深度范圍擴(kuò)至10~30 cm、寬度達(dá)40 cm,壓實(shí)12 次時(shí)，表層區(qū)域的壓實(shí)核內(nèi)土壤堅(jiān)實(shí)度擴(kuò)大至輪胎下方5~40 cm 的土層、寬度為50 cm，核內(nèi)土壤堅(jiān)實(shí)度峰值達(dá)3.4 MPa，比壓實(shí)2 次時(shí)壓實(shí)核內(nèi)的土壤堅(jiān)實(shí)度峰值增大了1.48 倍、比對(duì)照區(qū)同深土壤堅(jiān)實(shí)度增加了4.25 倍。輪胎下方的深層土壤堅(jiān)實(shí)度也隨著JD-904 拖拉機(jī)壓實(shí)次數(shù)增加而逐漸增大,壓實(shí)2~6 次時(shí)，40~80 cm 土層的土壤堅(jiān)實(shí)度稍有增加；隨著壓實(shí)次數(shù)增加，壓實(shí)的影響范圍由輪胎中心下方60~80 cm 的深層土壤開始向上方和兩側(cè)擴(kuò)展，當(dāng)壓實(shí)8~12 次時(shí)，65~80 cm的土壤堅(jiān)實(shí)度峰值增至2.4 MPa，比對(duì)照測(cè)區(qū)同深度土壤堅(jiān)實(shí)度峰值增大0.6 MPa。

2.1.3 JD-280 型拖拉機(jī)壓實(shí)對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響

依據(jù)各試驗(yàn)小區(qū)壓實(shí)截面土壤堅(jiān)實(shí)度數(shù)值，可得JD-280 型拖拉機(jī)不同壓實(shí)次數(shù)對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響規(guī)律等值線圖如圖5 所示。

圖4 JD-904 拖拉機(jī)壓實(shí)后測(cè)區(qū)截面土壤堅(jiān)實(shí)度等值線圖 Fig.4 Contour map of compactness in soil compacted with JD-904 tractor

圖5 JD-280 拖拉機(jī)壓實(shí)后測(cè)區(qū)截面土壤堅(jiān)實(shí)度等值線圖 Fig.5 Contour map of compactness in soil compacted with JD-208 tractor

由圖5 可以看出，采用JD-280 型拖拉機(jī)壓實(shí)后，測(cè)試截面的土壤堅(jiān)實(shí)度隨著壓實(shí)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)；當(dāng)拖拉機(jī)壓實(shí)2 次時(shí)，壓實(shí)截面輪轍中心下方5~15 cm 的表層深度處形成寬度約為20 cm 壓實(shí)核，核內(nèi)土壤堅(jiān)實(shí)度峰值2.3 MPa，相較于對(duì)照測(cè)區(qū)同區(qū)位土壤堅(jiān)實(shí)度峰值增大了約1.3 MPa；隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，壓實(shí)核內(nèi)的土壤堅(jiān)實(shí)度增加，并且影響范圍逐步擴(kuò)散，壓實(shí)8次時(shí)，壓實(shí)核位于地表下方10~25 cm、寬度達(dá)50 cm，壓實(shí)核內(nèi)土壤堅(jiān)實(shí)度峰值達(dá)3.0 MPa，比對(duì)照區(qū)同深度土壤堅(jiān)實(shí)度增加了3.75 倍；壓實(shí)10~12 次時(shí)，該壓實(shí)核的影響范圍逐漸擴(kuò)大至輪胎下方5~45 cm 的土層，壓實(shí)核內(nèi)的土壤堅(jiān)實(shí)度峰值達(dá)到3.2~3.6 MPa，比對(duì)照區(qū)同深度土壤堅(jiān)實(shí)度峰值增大2.29~2.57 倍。采用JD-280 拖拉機(jī)壓實(shí)2~6 次時(shí)，壓實(shí)輪胎下方深層的土壤堅(jiān)實(shí)度影響范圍由40 cm 的深層區(qū)域擴(kuò)散至表層區(qū)域壓實(shí)核的影響區(qū)域處，并且影響范圍幾乎擴(kuò)展到整個(gè)測(cè)試寬度，與對(duì)照區(qū)深層土壤堅(jiān)實(shí)度相比，壓實(shí)后同區(qū)域的土壤堅(jiān)實(shí)度略有增加；壓實(shí)8~12 次時(shí)，65~80 cm 深度土壤堅(jiān)實(shí)度明顯增加，影響范圍由輪胎下方向兩側(cè)擴(kuò)展，壓實(shí)12 次時(shí)，該深度土壤堅(jiān)實(shí)度峰值增至3.2 MPa，比對(duì)照區(qū)同深度土壤堅(jiān)實(shí)度峰值增大了1.4 MPa，增加了1.68 倍。

2.2 拖拉機(jī)壓實(shí)對(duì)大豆產(chǎn)量的影響

按照前述試驗(yàn)方案及測(cè)試方法測(cè)試不同試驗(yàn)區(qū)域大豆籽粒收獲量，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)含水率條件下收獲大豆籽粒質(zhì)量，剔除數(shù)據(jù)后，采用SPSS23.0 軟件進(jìn)行各測(cè)區(qū)大豆產(chǎn)量的方差分析與多重性比較，分析同種機(jī)型、不同次數(shù)壓實(shí)處理下大豆產(chǎn)量的顯著性，不同拖拉機(jī)、不同壓實(shí)次數(shù)對(duì)大豆產(chǎn)量影響差異顯著性分析結(jié)果如表2 所示。

由表2 可知，3 種拖拉機(jī)壓實(shí)均致使大豆減產(chǎn)，各機(jī)型壓實(shí)對(duì)產(chǎn)量的影響程度不同。CASE-210 型拖拉機(jī)壓實(shí)后大豆產(chǎn)量隨壓實(shí)次數(shù)增加呈降低趨勢(shì)，壓實(shí)2次時(shí)，大豆產(chǎn)量下降約230.76 kg/hm2，降低了9.12%；壓實(shí)12 次的大豆產(chǎn)量比對(duì)照區(qū)下降了537.35 kg/hm2，降低了21.24%。采用JD-904 型拖拉機(jī)壓實(shí)2 次時(shí)，測(cè)試小區(qū)大豆產(chǎn)量比對(duì)照區(qū)下降124.2 kg/hm2，降低約4%；壓實(shí)12 次的大豆產(chǎn)量下降459.1 kg/hm2，降低了18.15%；采用JD-280 型拖拉機(jī)壓實(shí)2 次時(shí)，小區(qū)大豆產(chǎn)量下降約355.26 kg/hm2，降低14.04%，壓實(shí)12 次時(shí)對(duì)產(chǎn)量影響最明顯，大豆產(chǎn)量下降約18.15 kg/hm2，降低了12.38%。

表2 不同拖拉機(jī)壓實(shí)大豆產(chǎn)量 Table 2 Soybean yield of different compaction times of different tractor (kg·hm-2)

3 討 論

3.1 不同機(jī)型壓實(shí)對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響

3 種型號(hào)拖拉機(jī)壓實(shí)后各測(cè)試小區(qū)土壤堅(jiān)實(shí)度均明顯增大；在5~30 cm 土層深度，CASE-210 拖拉機(jī)壓實(shí)后測(cè)區(qū)的土壤堅(jiān)實(shí)度影響程度和影響范圍明顯大于JD-904、JD-280 兩種機(jī)型；壓實(shí)2~8 次時(shí)，JD-280 拖拉機(jī)壓實(shí)的測(cè)區(qū)土壤堅(jiān)實(shí)度影響程度最小，而CASE-210拖拉機(jī)測(cè)區(qū)堅(jiān)實(shí)度的影響程度最大；當(dāng)拖拉機(jī)壓實(shí)10~12次時(shí)，60~80 cm 的土層深度，JD-280 拖拉機(jī)壓實(shí)小區(qū)的土壤堅(jiān)實(shí)度值最大，CASE-210 拖拉機(jī)壓實(shí)小區(qū)的堅(jiān)實(shí)度值最小，表明較多壓實(shí)次數(shù)對(duì)深層土壤造成嚴(yán)重的壓迫作用。試驗(yàn)表明，大型拖拉機(jī)壓實(shí)對(duì)淺表層土壤堅(jiān)實(shí)度影響較大，小型拖拉機(jī)壓實(shí)對(duì)深層土壤堅(jiān)實(shí)度影響較大。壓實(shí)機(jī)械、壓實(shí)次數(shù)和壓實(shí)深度都是影響土壤堅(jiān)實(shí)度的顯著因素，不同壓實(shí)機(jī)械的質(zhì)量不同、接地面積不同會(huì)產(chǎn)生不同的壓實(shí)效果，并且不同次數(shù)的壓實(shí)對(duì)土壤堅(jiān)實(shí)度的影響深度和程度不同，這與劉寧等研究相似[27]。

無論哪種型號(hào)拖拉機(jī)壓實(shí)后，在測(cè)區(qū)截面不同的土層深度均出現(xiàn)壓實(shí)核，測(cè)試截面的壓實(shí)核內(nèi)土壤堅(jiān)實(shí)度值均呈現(xiàn)出隨著壓實(shí)次數(shù)增加而遞增的規(guī)律。不同拖拉機(jī)壓實(shí)后，壓實(shí)核出現(xiàn)的位置以及壓實(shí)核隨壓實(shí)次數(shù)變化規(guī)律不同，CASE-210 型號(hào)拖拉機(jī)壓實(shí)后出現(xiàn)的壓實(shí)核的影響范圍、影響面積最大，小型拖拉機(jī)壓實(shí)后土壤截面出現(xiàn)的壓實(shí)核相對(duì)不明顯。與對(duì)照區(qū)相比，大型拖拉機(jī)（CASE-210）壓實(shí)10～12 次、中型拖拉機(jī)（JD-904）壓實(shí)6～12 次時(shí)大豆產(chǎn)量差異顯著，其他次數(shù)壓實(shí)處理下，3 種機(jī)型對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的大豆產(chǎn)量影響不顯著具有累積效果，這與Botta 和周艷麗等研究相似[11,31]。

3.2 拖拉機(jī)壓實(shí)對(duì)大豆產(chǎn)量的影響

研究表明，無論哪種型號(hào)拖拉機(jī)壓實(shí)均使試驗(yàn)區(qū)大豆減產(chǎn)，與對(duì)照區(qū)相比，與對(duì)照區(qū)相比，大型拖拉機(jī)（CASE-210）壓實(shí)10～12 次、中型拖拉機(jī)（JD-904）壓實(shí)6～12 次時(shí)大豆產(chǎn)量差異顯著，其他次數(shù)壓實(shí)處理下，3 種機(jī)型對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的大豆產(chǎn)量影響不顯著（P<0.05）。此結(jié)果與Charreu 和Shah 等的研究成果基本一致[4,14]。主要原因是由于拖拉機(jī)壓實(shí)破壞土壤結(jié)構(gòu)，使土壤堅(jiān)實(shí)度增加，并且壓實(shí)次數(shù)增加對(duì)土壤物理性能影響加劇，致使大豆減產(chǎn)[4-5]。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)減少拖拉機(jī)壓實(shí)次數(shù)，有針對(duì)性合理選擇拖拉機(jī)型號(hào)，以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高耕層質(zhì)量，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。

4 結(jié) 論

1）拖拉機(jī)壓實(shí)后各測(cè)區(qū)截面的土壤堅(jiān)實(shí)度值呈現(xiàn)隨著壓實(shí)次數(shù)的增加而逐漸遞增的規(guī)律；無論哪種型號(hào)的拖拉機(jī)作業(yè)，高壓實(shí)次數(shù)處理均對(duì)深層土壤造成的壓迫作用具有累積效果，壓實(shí)12 次時(shí)對(duì)測(cè)試截面土壤堅(jiān)實(shí)度的影響程度和范圍最大。

2）相同壓實(shí)次數(shù)處理前提下，3 種機(jī)型壓實(shí)處理測(cè)區(qū)截面內(nèi)均出現(xiàn)明顯的壓實(shí)核，且壓實(shí)核內(nèi)的堅(jiān)實(shí)度值隨壓實(shí)次數(shù)增加而逐漸增大；大型拖拉機(jī)壓實(shí)對(duì)淺表層土壤堅(jiān)實(shí)度影響較大，小型拖拉機(jī)壓實(shí)對(duì)深層土壤堅(jiān)實(shí)度影響較大。

3）拖拉機(jī)壓實(shí)后，測(cè)區(qū)內(nèi)大豆產(chǎn)量降低；壓實(shí)12次時(shí)，大、中、小3 種型號(hào)拖拉機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的大豆減產(chǎn)作用最明顯，分別達(dá)21.24%、18.15%和12.38%。合理選擇拖拉機(jī)型號(hào)，減少拖拉機(jī)壓實(shí)次數(shù)，對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)，提高耕層質(zhì)量，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量具有明顯效果。