周艷麗，劉 娜，於麗華，盧秉福，張文彬，劉曉雪

（1黑龍江大學(xué)/國(guó)家糖料改良中心，哈爾濱 150080；2北京工商大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，北京 100048）

0 引言

土壤是一個(gè)國(guó)家最重要的自然資源，是發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。在玉米、甜菜、小麥等作物整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，耕翻、整地、播種、中耕、收獲，以及田間運(yùn)輸，各種作業(yè)機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械在田間通過(guò)達(dá)10～15次[2-3]，會(huì)嚴(yán)重壓實(shí)土壤，這也是農(nóng)田每年播種前需要翻耕的主要原因。土壤壓實(shí)是指在農(nóng)業(yè)機(jī)械作用下，土壤結(jié)構(gòu)被破壞，土壤顆粒排列變得緊密，含有空氣和水的微孔體積減小，土壤容重增加、孔隙度降低、透水能力下降，導(dǎo)致土壤質(zhì)量惡化[4]。實(shí)際上土壤機(jī)械壓實(shí)已經(jīng)成為一個(gè)世界性的環(huán)境問(wèn)題[5-6]，也越來(lái)越引起人們的重視[7]。因此，探討土壤機(jī)械壓實(shí)及其對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 機(jī)組對(duì)土壤的壓實(shí)

1.1 輪胎壓力對(duì)土壤壓實(shí)的影響

土壤壓實(shí)主要是由于拖拉機(jī)組、農(nóng)用運(yùn)輸車等田間作業(yè)碾壓土壤，土壤在受到外力作用下，顆粒排列緊密進(jìn)而引起土壤孔隙度、容重、堅(jiān)實(shí)度、含水率等指標(biāo)發(fā)生變化[8]。在作物整個(gè)生育期內(nèi)，農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)用運(yùn)輸車輛的進(jìn)地作業(yè)會(huì)對(duì)田間土壤產(chǎn)生壓實(shí)作用，進(jìn)而引起土壤質(zhì)量下降[9]，圖1為壓實(shí)土壤剖面。

圖1 拖拉輪胎作用下土壤變形的橫斷面

機(jī)組作業(yè)時(shí)，土壤表面會(huì)受到來(lái)自機(jī)組輪胎的壓力，一般認(rèn)為地面接觸應(yīng)力近似等于輪胎充氣壓力。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明接觸區(qū)域的應(yīng)力分布不均勻，接觸區(qū)域的應(yīng)力與輪胎壓力呈線性關(guān)系（圖2），最大應(yīng)力可能是輪胎充氣壓力的幾倍[10]。這是由胎體剛度、輪胎的胎面花紋和凸耳花紋以及輪胎在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)所受的動(dòng)態(tài)力所致[11]。

圖2 輪胎下方最大垂直應(yīng)力與輪胎充氣壓力的關(guān)系

1.2 輪胎類型對(duì)土壤壓實(shí)的影響

1948年法國(guó)米其林公司發(fā)明子午線輪胎，農(nóng)用輪胎得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，輪胎變大了、變寬了，允許使用充氣壓力較低的輪胎[12]。在載荷為40 kN時(shí)，輪胎寬度為0.4 m、充氣壓力為300 kPa的窄輪胎和寬度為0.7 m、充氣壓力為80 kPa的寬輪胎對(duì)比，高壓的窄輪胎對(duì)土壤的壓實(shí)更為嚴(yán)重，尤其是對(duì)0～30 cm的表層土壤的壓實(shí)較重，但對(duì)40 cm以下的深層土壤的壓實(shí)作用相對(duì)較輕；而低壓的寬輪胎對(duì)土壤的壓實(shí)作用較輕，但對(duì)40 cm以下的深層土壤的壓實(shí)作用相對(duì)較重，壓實(shí)應(yīng)力傳遞較深，可達(dá)100 cm[10]（圖3）。

圖3 拖拉機(jī)組輪胎下的垂直應(yīng)力

2 土壤壓實(shí)應(yīng)力的計(jì)算模型

2.1 有限元分析法

有限元分析是利用物體或系統(tǒng)有限的既相互聯(lián)結(jié)又獨(dú)立的點(diǎn)建立幾何模型求解，將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，所以這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解。土壤壓實(shí)問(wèn)題極其復(fù)雜，適于應(yīng)用有限元分析。在土壤中按次序放置同一土壤的染色層，當(dāng)拖拉機(jī)通過(guò)后，在土壤中作垂直剖面（見(jiàn)圖1），根據(jù)染色層的曲度求出輪胎作用于土壤時(shí)產(chǎn)生的變形應(yīng)力和變形方向。土壤變形區(qū)域向下的擴(kuò)展規(guī)律，可近似限制在與地面約為60o角的范圍內(nèi)，這為采用“60o法”研究土壤壓應(yīng)力在一定程度上提供了依據(jù)[13]。用一正方形模塊模擬機(jī)械對(duì)土壤的壓實(shí)，在模塊上施加力G（見(jiàn)圖4），模塊底座面積是S0，假定土壤為均勻的彈性介質(zhì)，模塊底座下土壤中任意一點(diǎn)的應(yīng)力σ0如式(1)所示。

圖4 土壤中壓應(yīng)力示意圖

在土壤任意耕深z處做一與邊長(zhǎng)為l0正方形沖模平行的平面，在與沖模底座成60°角畫(huà)出線段AB，AB=lz，則lz=l0+1.15z，那么邊長(zhǎng)為AB的方形面積如式(2)。

進(jìn)一步假定，從被研究平面的土層下面任意面積sz作用的應(yīng)力為σz，則如式(3)。

利用式(1)～(3)可求得σz，如式(4)所示。

如果沖模底座是直徑為d0的圓，如式(5)所示。

2.2 準(zhǔn)解析模型

1885年Boussinesq假定土壤為半無(wú)限均勻、各向同性的理想彈性介質(zhì)，在此基礎(chǔ)上提出了土壤壓實(shí)應(yīng)力σ在土壤中傳播模型[10]。垂直點(diǎn)荷載P作用于土壤，r是從點(diǎn)載荷到C點(diǎn)的徑向距離，θ是從點(diǎn)載荷到C點(diǎn)的法向載荷矢量和位置矢量之間的角度（見(jiàn)圖5），土壤中任意一點(diǎn)C的壓實(shí)應(yīng)力σ如式(6)所示。

圖5 垂直點(diǎn)載荷引起的土壤應(yīng)力

1934年Fróhlich應(yīng)用式(6)計(jì)算土壤應(yīng)力時(shí)發(fā)現(xiàn)，在土壤中測(cè)量的應(yīng)力與根據(jù)式(6)計(jì)算的應(yīng)力之間存在偏差[10]。顯然，土壤不是均勻的、各向同性的、理想的彈性介質(zhì)，于是他引入了集中因子v對(duì)式(6)進(jìn)行修正，如式(7)所示。集中因子v不是一個(gè)可直接測(cè)量的參數(shù)，v與土壤的容重和含水量有關(guān)，土壤越軟，v值越大（圖6）。

圖6 集中因子ν與壓實(shí)應(yīng)力傳遞的關(guān)系

3 機(jī)械壓實(shí)后土壤結(jié)構(gòu)的變化

3.1 機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤容重的影響

土壤多次濕潤(rùn)和干燥會(huì)產(chǎn)生自然的緊實(shí)，這是土壤在潮濕時(shí)膨脹，干燥時(shí)收縮而形成的[14]。但在土壤屈服極限內(nèi)，卸載后土壤的變形會(huì)自然恢復(fù)，一方面是土壤硬物質(zhì)及卸載后被擠壓空氣自身的彈性使變形恢復(fù)，另一方面是被壓出的水在毛細(xì)管力的作用下重返土壤微孔中使變形緩慢恢復(fù)[15]。只有在巨大載荷作用下或連續(xù)加載才能使土壤最大程度的壓實(shí)，當(dāng)然，在土壤強(qiáng)度較低時(shí)加載也會(huì)導(dǎo)致土壤嚴(yán)重壓實(shí)。在外力作用下，土壤被壓實(shí)時(shí)土壤結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞，土壤容重會(huì)增加，堅(jiān)實(shí)度變大[16]。土壤的壓實(shí)與碾壓次數(shù)和接地比壓有關(guān)，在相同的接地比壓情況下，隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，土壤容重、堅(jiān)實(shí)度增大[17]；接地壓力100 kPa碾壓1～4次，土壤容重增加3.60%～8.63%，而接地壓力160 kPa碾壓1～4次，土壤容重增加7.19%～9.71%[18-19]；在碾壓次數(shù)相同的情況下，隨著接地比壓的增大，土壤容重增加，碾壓1次，接地壓力100～160 kPa，土壤容重增加3.60%～7.19%，碾壓4次，接地壓力100～160 kPa，土壤容重增加8.63%～9.71%[18-19]（圖7）。一般情況下，土壤壓實(shí)后0～10 cm耕層土壤容重增加最顯著。深層土壤變化幅度較小，拐點(diǎn)在10 cm處[1]，壓實(shí)影響深度可達(dá)到50 cm[20]。

圖7 機(jī)械壓實(shí)對(duì)0～20 cm耕層土壤容重的影響

3.2 機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤孔隙度的影響

在玉米、甜菜、小麥等農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中，農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)壓實(shí)土壤，幾乎所有土壤面積都會(huì)受到碾壓的影響[21]，即使是免耕的地塊也有30%的土壤受到影響[22]。土壤壓實(shí)后表現(xiàn)為地表下沉，土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度降低[23]，尤其大孔隙減低顯著[24]，在接地比壓的相同情況下，隨著壓實(shí)次數(shù)的增加，土壤孔隙度減低。接地壓力100 kPa碾壓1～4次，土壤孔隙度降低1.90～4.54個(gè)百分點(diǎn)，而接地壓力160 kPa碾壓1～4次，土壤孔隙度降低3.78～6.10個(gè)百分點(diǎn)[18-19]；在碾壓次數(shù)相同的情況下，接地比壓越大，土壤孔隙度減低的越多，碾壓1次，接地壓力100～160 kPa，土壤孔隙度降低1.90～3.78個(gè)百分點(diǎn)，碾壓4次，接地壓力100～160 kPa，土壤孔隙度減低4.54～6.10個(gè)百分點(diǎn)[18-19]（圖8）。機(jī)械壓實(shí)對(duì)表層土壤較重，隨著土層越深土壤壓實(shí)越輕，拐點(diǎn)在耕深10 cm處[25]，土壤壓實(shí)具有累積效果[26]，通常碾壓1～2次后土壤總孔隙度迅速減小，但繼續(xù)碾壓土壤總孔隙度減小幅度放緩[27-28]。沙性土壤較粘性土壤受到碾壓后孔隙度降低程度低很多，不同機(jī)械作業(yè)對(duì)耕層土壤通氣性影響的變化幅度不大，但土壤壓實(shí)積累區(qū)的垂直范圍存在明顯差[29]。

圖8 機(jī)械壓實(shí)對(duì)0～20 cm耕層土壤孔隙度的影響

3.3 機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤水分的影響

土壤壓實(shí)后土壤容重增加，孔隙度降低，水分入滲率減低，對(duì)自然水分的接納能力減弱，土壤的水分分配、蓄水能力下降[30]。將一無(wú)底塑料桶壓入土中5 cm，加水3 L，土壤碾壓1、3、5、7次后滲水時(shí)間比未壓實(shí)土壤分別增加20%、58.54%、81.27%、116.59%（表1），土壤碾壓5次后不僅水滲入緩慢，還在表層土壤向周圍擴(kuò)散，滲入地下水分減少。

表1 碾壓次數(shù)與土壤滲透率之間的關(guān)系

由此可見(jiàn)，表層土壤含水率損失較深層土壤多，隨著土壤耕層的不斷加深，水分損失越來(lái)越少，拐點(diǎn)在耕層10 cm處[31]。

土壤壓實(shí)后，滲透速度遞減嚴(yán)重，降雨40 min水分入滲率僅為未壓實(shí)土壤的13.2%，地表徑流系數(shù)高達(dá)76%，總徑流量比未壓實(shí)土壤高2.2倍，已成為農(nóng)田土壤水土流失加劇的主要因素之一。土壤機(jī)械壓實(shí)表面土壤受到的影響最為明顯，易形成拖拉機(jī)道，引起細(xì)溝侵蝕，導(dǎo)致水土流失加劇[33]。此外，隨著土壤壓實(shí)程度的加重，土壤中的水分損失增加，土壤含水量會(huì)降低。一般表層0～5 cm土壤含水量變化不大；5～25 cm土壤含水量減少，尤其是壓實(shí)較嚴(yán)重時(shí)含水量減少較多，深層土壤含水量變化較小[34]。

4 土壤機(jī)械壓實(shí)對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)質(zhì)量的影響

4.1 土壤壓實(shí)對(duì)作物生長(zhǎng)的影響

土壤容重處于1.1～1.35 g/cm3、空氣容量在3.4%～9.6%之間[35-36]時(shí)較適宜玉米、甜菜、小麥等作物生長(zhǎng)[37-38]。土壤被壓實(shí)后，合理的土壤三相比例被破壞，土壤硬度達(dá)到1 MPa以上，容重為1.52 g/cm3，土壤穿透阻力大于2 MPa時(shí)，孔隙率低于3%～10%，導(dǎo)水率降低，碳的礦化作用減緩，氮的硝化作用減弱，反硝化作用增強(qiáng)[39]，土壤的熱導(dǎo)率和熱容量也會(huì)受到影響[40]。農(nóng)作物根長(zhǎng)、根系分布和土壤的機(jī)械阻力相關(guān)性高達(dá)93%[43]，在土壤壓實(shí)區(qū)甜菜、玉米、小麥等作物根系的生長(zhǎng)受到明顯限制[41-42]，作物主根向下生長(zhǎng)受抑制尤為明顯，主根變短，貼著主根生長(zhǎng)的側(cè)根數(shù)量增加，表現(xiàn)為表層土壤作物根系分布較多、密度大，而深層土壤作物根系分布較少、密度低，幾乎沒(méi)有過(guò)渡區(qū)；而在非壓實(shí)區(qū)，作物根系在土壤中曾梯度分布，分布均勻[44-45]。一般土壤壓實(shí)可使作物根長(zhǎng)減少19%～36%[46-47]。

4.2 土壤壓實(shí)對(duì)作物產(chǎn)量的影響

機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)造成破壞，對(duì)作物生長(zhǎng)造成不利影響[48]，但卻很少將作物的減產(chǎn)與土壤壓實(shí)聯(lián)系在一起[49-50]，實(shí)際上土壤壓實(shí)對(duì)作物產(chǎn)量的影響是顯而易見(jiàn)的。土壤壓實(shí)可使甜菜塊根直徑減小6.67%～16.08%，甜菜塊根長(zhǎng)度縮短1.96%～17.65%，根產(chǎn)量減產(chǎn) 5.81%～24.13%，含糖率降低 0.49～0.81°Z[25,51]；張興義[52]、李汝莘[53]、楊曉娟[54]、遲仁立[55]、盧秉福[56]、Ghulam Rasool Mari等[57]研究認(rèn)為土壤機(jī)械壓實(shí)可導(dǎo)致大豆減產(chǎn)3.8%～13.4%、玉米減產(chǎn)9.5%～14.4%、小麥減產(chǎn)4.0%～20.0%、向日葵減產(chǎn)10%～21%，向日葵含油率降低2.9個(gè)百分點(diǎn)，甜菜含糖率降低1.7個(gè)百分點(diǎn)；喬金友等[58]用JD-904和JD-280拖拉機(jī)壓實(shí)土壤12次，大豆產(chǎn)量分別降低了21.24%、18.15%和12.38%。當(dāng)空氣容量降低到2%左右，約50%的甜菜由于生長(zhǎng)受阻而死亡，每公頃產(chǎn)量降低到4.94～9.88 t[59-60]。總之，土壤壓實(shí)對(duì)作物產(chǎn)質(zhì)量影響非常嚴(yán)重，應(yīng)引起足夠重視。

5 結(jié)論與建議

（1）隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷提高，土壤壓實(shí)越來(lái)越嚴(yán)重。研究人員確定了土壤壓實(shí)應(yīng)力在土壤中的傳遞的研究方法，建立了相應(yīng)的分析模型，為獲知土壤壓實(shí)程度提供了重要的理論支撐，對(duì)土壤耕作和農(nóng)機(jī)具的正確使用具有重要的指導(dǎo)意義。土壤壓實(shí)與農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)組的質(zhì)量、輪胎、作業(yè)速度以及土壤類型、土壤含水量等作業(yè)環(huán)境有密切關(guān)系，土壤系統(tǒng)也極其復(fù)雜，并且分析模型都是在一定的假設(shè)條件下建立起來(lái)的，其模擬壓實(shí)應(yīng)力的準(zhǔn)確性只能參考使用，具體的土壤壓實(shí)應(yīng)力分布需依據(jù)本地實(shí)際情況而定。

（2）土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，機(jī)械壓實(shí)后會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生一系列的負(fù)面影響，土壤容重、堅(jiān)實(shí)度增加，孔隙度、含水量降低，土壤的滲透性變差，引起水土流失，嚴(yán)重惡化了土壤質(zhì)量，機(jī)組作業(yè)阻力也隨之增大，導(dǎo)致成本上升。但在生產(chǎn)中農(nóng)業(yè)機(jī)械替代人畜力從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)是必然的趨勢(shì)，不可阻擋，因此，在實(shí)際耕作過(guò)程中，盡可能避免高濕作業(yè)，使用低壓胎，減少拖拉機(jī)機(jī)組進(jìn)地次數(shù)，減輕機(jī)械作業(yè)對(duì)土壤的壓實(shí)。

（3）土壤壓實(shí)導(dǎo)致的土壤質(zhì)量下降抑制了作物的根系生長(zhǎng)發(fā)育，主根變短，側(cè)根數(shù)量增加，根系多分布在表層土壤，對(duì)作物吸收土壤中的水分、養(yǎng)分產(chǎn)生不利影響，可造成玉米減產(chǎn)9.5%～14.4%，小麥減產(chǎn)4.0%～20.0%，大豆減產(chǎn)3.8%～13.4%，甜菜根產(chǎn)量降低5.81%～24.13%，含糖率降低0.49～0.81°Z。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤壓實(shí)問(wèn)題必須要給與足夠的重視，采取切實(shí)可行的農(nóng)藝、農(nóng)機(jī)技術(shù)措施，減輕農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)對(duì)土壤造成的負(fù)面影響，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高農(nóng)藝綜合效益。