關(guān)中農(nóng)田土壤物理狀態(tài)與分析

王加旭，王益權(quán)，李 欣，梁化學(xué)，史紅平，石宗琳

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

關(guān)中農(nóng)田土壤物理狀態(tài)與分析

王加旭，王益權(quán)，李 欣，梁化學(xué)，史紅平，石宗琳

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

針對關(guān)中農(nóng)田土壤通氣、透水能力下降，抗不良環(huán)境能力減弱，生產(chǎn)成本逐年遞增的實(shí)際問題，以關(guān)中11個(gè)縣區(qū)農(nóng)田土壤為研究對象，以土壤耕作層厚度、容重及團(tuán)聚體特征為指標(biāo)，開展了現(xiàn)代利用強(qiáng)度及土壤管理模式下農(nóng)田土壤物理狀態(tài)及其退化特征研究。結(jié)果表明：關(guān)中地區(qū)土壤發(fā)生學(xué)層次厚度盡管很厚，但受下層土體緊實(shí)化的影響，農(nóng)田土壤耕作層普遍淺薄，疏松良好的土壤耕作層厚度變化在5～21 cm。調(diào)查范圍內(nèi)耕作層厚度在20 cm左右的僅占18%，10～15 cm之間的占64%，<10 cm占18%左右。關(guān)中地區(qū)農(nóng)田0～20 cm耕層土壤容重變化在1.04～1.34 g·cm-3，平均容重為1.21 g·cm-3，屬于良好物理狀態(tài)；而20～40 cm土壤容重變化在1.46～1.70 g·cm-3之間，平均容重為1.58 g·cm-3，屬于很緊實(shí)土壤狀態(tài)。約36%的農(nóng)田在20～40 cm處容重達(dá)到或超過了1.60 g·cm-3的極限容重值。用干、濕篩技術(shù)測定的土壤團(tuán)聚體的組成，關(guān)中農(nóng)田1～5 mm的“(質(zhì)量)優(yōu)勢團(tuán)聚體”、團(tuán)聚體的幾何均重直徑(GMD)、標(biāo)準(zhǔn)化平均當(dāng)量直徑(NMWD)以及土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)(Kctp)均顯示，耕作層土壤團(tuán)聚狀態(tài)處于良好級別，其下層64%的土壤團(tuán)聚狀態(tài)較差，關(guān)中農(nóng)田土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性差，各地土壤團(tuán)聚體狀態(tài)以及穩(wěn)定性差別明顯。結(jié)論：關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤耕層變淺薄，是因?yàn)?0～40 cm土層緊實(shí)化程度增大和犁底層上移與變厚所致；20～40土壤容重已經(jīng)增大到極限值；0～20 cm土壤團(tuán)聚體狀態(tài)良好，但穩(wěn)定性不強(qiáng)是引起其下層土壤緊實(shí)化的重要原因。關(guān)中農(nóng)田土壤亞表層緊實(shí)化問題普遍，有愈加嚴(yán)重的發(fā)展態(tài)勢。從空間上緊實(shí)化土層具有很強(qiáng)的隱蔽性，難以被人們所覺察，屬于隱型土壤物理退化特征，不可小覷。

農(nóng)田土壤；耕層；容重；團(tuán)聚體；土壤結(jié)構(gòu)；關(guān)中地區(qū)

陜西省關(guān)中地區(qū)素有土層深厚、土體疏松、氣候條件優(yōu)越，適宜多種農(nóng)作物種植的優(yōu)勢，自古以來這里就是糧、棉、油、果和菜的生產(chǎn)基地。土地集約化經(jīng)營導(dǎo)致農(nóng)田土壤物理質(zhì)量發(fā)生著特征鮮明的“隱型退化”。盡管土層依然深厚，但土體已不再疏松，制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的健康發(fā)展。土壤物理狀態(tài)退化使得農(nóng)田肥料、農(nóng)藥投入量逐年遞增，灌溉量及灌溉次數(shù)增加，生產(chǎn)性成本增大，生產(chǎn)效益卻遞減；農(nóng)田透水性變差，降雨期間非水田地面長時(shí)間積水時(shí)有發(fā)生，地面徑流引起農(nóng)田養(yǎng)分流失，污染河流問題已成事實(shí)。世界范圍內(nèi)土地集約化利用造成了耕地面積萎縮、糧食復(fù)種增加、土地休耕期縮短和喪失[1]。Nachtergaele等[2]提出，土地不可持續(xù)利用，全球近24%土地的質(zhì)量及生產(chǎn)力在過去25年持續(xù)下降。世界一些地區(qū)傳統(tǒng)集約型農(nóng)業(yè)目前引發(fā)的土壤侵蝕速度超過大自然的土壤再生速度100倍[1]。張?zhí)伊值萚3]對農(nóng)業(yè)高度集約化系統(tǒng)中土壤質(zhì)量退化進(jìn)行了研究，提出土壤退化的主要表現(xiàn)形式有農(nóng)田養(yǎng)分失衡、污染物質(zhì)積累、土壤酸化和鹽漬化等化學(xué)性質(zhì)退化，未曾涉及到農(nóng)田土壤物理狀態(tài)的退化問題。事實(shí)上集約農(nóng)業(yè)不僅導(dǎo)致了土壤的化學(xué)性質(zhì)退化，也同樣導(dǎo)致了土壤物理及生物質(zhì)量的退化。目前涉及農(nóng)田土壤物理性狀演變的研究文獻(xiàn)有很多，Chen[4]、李志洪[5]等研究了土壤容重增加、土壤緊實(shí)度增大等土壤理化性質(zhì)變化以及對作物生長的影響。周虎等[6]開展了耕作制度對土壤團(tuán)聚狀況的影響研究，認(rèn)為免耕有利于土壤表層團(tuán)聚體的形成并提高了其穩(wěn)定性，旋耕和翻耕降低了土壤團(tuán)聚度和團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。關(guān)中地區(qū)同樣受到輪作制度、耕作和施肥措施等農(nóng)田管理制度變化的影響，土壤內(nèi)部緊實(shí)化普遍發(fā)生，影響到水分入滲和土壤保持，誘發(fā)地表徑流，影響土壤協(xié)調(diào)水、肥、氣、熱等能力。張育林[7]，祝飛華等[8]分別以陜西楊凌附近地區(qū)農(nóng)田土壤為對象，研究發(fā)現(xiàn)亞表層容重急劇增大，嚴(yán)重制約根系延伸和水分傳導(dǎo)。祁迎春[9]，徐爽[10]等分別研究了不同土地利用方式和不同肥力水平下土壤團(tuán)聚體的組成及穩(wěn)定性，揭示了土壤緊實(shí)化發(fā)生的機(jī)理。學(xué)者們的研究普遍得出，農(nóng)業(yè)機(jī)械的小型化使土壤耕作深度降低，土壤亞表層容重變大，犁底層變厚、上移，土壤耕作層變淺是土壤物理退化的主要形式。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低，土壤結(jié)構(gòu)變差是土壤物理性質(zhì)退化的原因。盡管如此，對于關(guān)中農(nóng)田土壤物理狀態(tài)的研究范圍不夠，物理退化特征表征得不夠鮮明，對于現(xiàn)代農(nóng)田管理、利用現(xiàn)狀條件下土壤物理特性演化態(tài)勢分析觀點(diǎn)不全面。本文將以涵蓋關(guān)中大部分地區(qū)的農(nóng)田土壤為對象，以0～40 cm的土壤物理狀態(tài)特征研究作為切入點(diǎn)，采用了“橫向參照標(biāo)準(zhǔn)”研究方法，參閱了國內(nèi)外提出的土壤物理質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)等，對關(guān)中農(nóng)田土壤物理退化狀態(tài)做了初步評價(jià)，企圖探索現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)條件下農(nóng)田土壤物理性狀的退化部位、退化特征與發(fā)展態(tài)勢，為關(guān)中糧食主產(chǎn)區(qū)的土壤物理質(zhì)量評估、阻控和改善關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤物理質(zhì)量退化趨勢提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

表1 關(guān)中地區(qū)農(nóng)田的基本性狀

1.2 采樣及性質(zhì)測定方法

為了擴(kuò)大采樣點(diǎn)的范圍，擴(kuò)大研究信息的覆蓋面，與以往不同，本次采樣地點(diǎn)的布設(shè)橫貫關(guān)中東西走向的渭河盆地和黃土臺塬地農(nóng)田，分布在臨渭區(qū)的官路鎮(zhèn)、臨潼的關(guān)山鎮(zhèn)、閻良的新興鄉(xiāng)、三原縣東郊、涇陽縣城南、興平縣城東、楊凌區(qū)五泉鎮(zhèn)、扶風(fēng)縣杏林鎮(zhèn)，眉縣的蔡家坡以及岐山縣城西等11個(gè)地點(diǎn)，在每個(gè)點(diǎn)選取了3個(gè)地塊作為重復(fù)。采樣地點(diǎn)分布見圖1所示，研究工作將11個(gè)樣點(diǎn)作為重復(fù)對待。在各地域隨機(jī)選取小麥農(nóng)田，并在每塊農(nóng)田內(nèi)隨機(jī)選點(diǎn)進(jìn)行采樣。試驗(yàn)于2013年11月中旬小麥苗期進(jìn)行，這是因?yàn)榇藭r(shí)耕作土層經(jīng)過播種后已處于沉實(shí)的相對穩(wěn)定狀態(tài)，易于在剖面上觀察和區(qū)分出多年耕作擾動(dòng)的耕作土層深度和小麥根系的分布情況。因?yàn)楦鞯赝寥谰o實(shí)化土層埋層深度不同，為了便于比較，故用鑲有100 cm3環(huán)刀的原狀土取土鉆分別采取了狀態(tài)疏松的耕層0～10 cm和緊實(shí)的20～40 cm土層處的原狀土樣，以便測定不同物理狀態(tài)土層的容重，10～20 cm屬于過渡性土層沒有取樣，在每塊農(nóng)田設(shè)置3次重復(fù)；在各農(nóng)田挖掘3個(gè)深度為40 cm以上的土壤剖面坑，依據(jù)觀察耕作層土壤物理狀態(tài)劃分邊界，多方位測量農(nóng)田疏松耕作土層的深度；在耕層0～20 cm和底層20～40 cm用鐵鏟分別采集原狀土柱樣品，用硬質(zhì)飯盒帶回實(shí)驗(yàn)室，在風(fēng)干期間沿自然裂隙掰成不小于1 cm左右的土塊，用于土壤團(tuán)聚體狀況分析；用土鉆分別采取0～20 cm與20～40 cm土樣，在每個(gè)農(nóng)田各取3個(gè)點(diǎn)，將相同土層土壤樣品混合，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，供測定有關(guān)土壤化學(xué)性質(zhì)和顆粒組成等。

圖1 關(guān)中地區(qū)農(nóng)田采樣分布圖

土壤性質(zhì)的測定方法：在剖面點(diǎn)多方位用直尺準(zhǔn)確測量耕作擾動(dòng)土層的厚度，并求其平均值；土壤容重用環(huán)刀法測定；土壤團(tuán)聚體組成測定時(shí)，干篩法采用了8411型電動(dòng)振篩機(jī)(轉(zhuǎn)速1 400 r·min-1)連續(xù)振動(dòng)篩分5 min。濕篩法采用了約得法(篩分震蕩5 min)；土壤顆粒組成采用了沉降分析的吸管法；有機(jī)碳含量測定采用了硫酸-重鉻酸鉀氧化法；pH采用電位計(jì)法[11]。

土壤團(tuán)聚體狀況分別采用了標(biāo)準(zhǔn)化平均當(dāng)量直徑[12-13](NMWD)、平均幾何直徑(GMD)、結(jié)構(gòu)系數(shù)(Kctp)[14]等指標(biāo)來表示，分別詳見式1～式4。

(1)

(2)

(3)

(4)

式4中Kctp是團(tuán)聚體系數(shù)，分子表示10～0.25 mm團(tuán)聚體的總量；分母是直徑大于10 mm團(tuán)聚體和小于0.25 mm微團(tuán)聚體量之和。10～0.25 mm的團(tuán)聚體是最有農(nóng)業(yè)價(jià)值的，而直徑>10 mm的團(tuán)聚體過多，影響土壤保墑性，而直徑<0.25 mm微團(tuán)聚體過多易堵塞土壤通氣孔隙，影響通透性[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及繪制相關(guān)圖形和表格，SPSS19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行LSD0.05差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 關(guān)中農(nóng)田土壤耕層厚度現(xiàn)狀與演化趨勢

土壤耕層作為植物根系發(fā)育的重要基礎(chǔ)，對作物高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著決定性的作用。土壤耕作層厚度直接影響到作物根系的分布空間及覓水覓肥空間，影響植物根系的抗旱、抗低溫和高溫、抗凍害、抗病蟲等性能。深厚的耕作層也有利于防止表層撒施農(nóng)藥對根系造成危害[15]。所以，土壤耕作層厚度作為表征土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，在土壤科學(xué)和土地工程質(zhì)量管理方面被格外重視。

關(guān)中地區(qū)耕地經(jīng)過了多年連續(xù)的高強(qiáng)度的利用以及耕作技術(shù)措施的變更等，盡管土壤耕層物理狀態(tài)似乎變化不大，但物理狀態(tài)良好的耕層厚度卻在逐年變淺，“犁底層”加厚位置上移的態(tài)勢明顯。這已成為農(nóng)田易受干旱、洪澇威脅，水土流失及土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重的主要原因，也直接影響著作物的生長發(fā)育。自實(shí)施土地承包以來，生產(chǎn)中大型農(nóng)機(jī)具使用率急劇下降，土壤深翻、深松作業(yè)面積越來越少。用小型動(dòng)力機(jī)械作業(yè)，翻動(dòng)的土層淺，機(jī)械壓實(shí)以及土壤自然沉實(shí)共同作用，土壤的亞表層緊實(shí)化，耕地質(zhì)量退化，土壤肥力下降等[16-17]。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)(見圖2和表2)，疏松適宜的耕作層厚度變化在5～21 cm之間，其中耕層厚度在10～15 cm的占調(diào)查總數(shù)的64%，而>15 cm和<10 cm的各占18%。關(guān)中農(nóng)田土壤耕層的平均厚度只有13 cm，僅眉縣和扶風(fēng)縣城關(guān)鎮(zhèn)土壤耕層厚度接近20 cm，可視為較好狀態(tài)；楊凌等地點(diǎn)次之；官路鎮(zhèn)和三原縣等地土壤耕作層厚度還不足10 cm，屬于最差狀態(tài)。關(guān)中地區(qū)約占調(diào)查總數(shù)82%的農(nóng)田土壤耕層已經(jīng)小于15 cm，證實(shí)關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤耕層普遍存在著薄層化。關(guān)于土壤耕層厚度的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一直是學(xué)術(shù)界探討的課題，有人曾提出分級標(biāo)準(zhǔn)是，>40 cm屬于Ⅰ級，25～40 cm為Ⅱ級，15～25 cm為Ⅲ級，10～15 cm為Ⅳ級，<10 cm屬于Ⅴ級。依此為依據(jù)可以看出，關(guān)中農(nóng)田土壤耕作層厚度多屬于IV級以下標(biāo)準(zhǔn)。耕作層厚度還需要依據(jù)作物類型來評價(jià)，在這方面目前可借鑒的定量化研究指標(biāo)與文獻(xiàn)極為鮮見，一般認(rèn)為肥沃土壤耕層厚度需在30 cm以上，主要農(nóng)作物80%的根系分布在0～50 cm土層范圍等。那么，無論如何厚度<20 cm的土壤耕層顯然是不良性狀的退化特征之一，尤其在干旱地區(qū)，淺薄的耕作層無疑對于作物抗旱極為不利。關(guān)中農(nóng)田土壤耕層表現(xiàn)為薄層化的特征，實(shí)質(zhì)是在20～40 cm土層處緊實(shí)化問題較為嚴(yán)重的緣故。

圖2 關(guān)中農(nóng)田耕作土層現(xiàn)狀

表2 土壤耕層厚度和容重的變化

2.2 關(guān)中農(nóng)田土壤容重狀況及演化趨勢

農(nóng)田耕層變淺薄在各地普遍發(fā)生，其發(fā)生機(jī)理已成為眾位學(xué)者極大關(guān)注的科學(xué)問題。張興義等[18]在東北平原通過人為移除表土的研究方法，得出了隨著土壤侵蝕程度的增加，在耕層逐漸薄層化的同時(shí)土壤容重也逐漸增大。關(guān)中地區(qū)絕大多數(shù)農(nóng)田地勢平坦，似乎不存在因耕層流失而變淺薄的條件，但在深厚土體上土壤耕層變淺的現(xiàn)象確有發(fā)生，原因在于亞表層逐漸發(fā)生著緊實(shí)化性狀的障礙問題，在這一點(diǎn)與其它地方土壤耕層薄層化機(jī)理有所不同。

容重是表征土壤松緊狀況的指標(biāo)，是影響作物根系發(fā)育的重要因素之一，不同類型的作物因根系類型不同對土壤耕層容重及其剖面其它土層的容重要求差異很大。國內(nèi)外學(xué)者對土壤容重與作物生長關(guān)系做了大量而又深入的研究。土壤容重對作物生長的影響程度與質(zhì)地類別有很大關(guān)系，對于輕壤質(zhì)土壤及輕粘土壤，適宜作物生長的最佳容重應(yīng)在1.00～1.30 g·cm-3，限制根系延伸的極限容重為1.60 g·cm-3[19-20]。宋家祥等[21]依據(jù)棉花產(chǎn)量得出：很疏松土壤的容重為0.90～1.05 g·cm-3，正常土壤容重為1.05～1.20 g·cm-3，緊實(shí)土壤的容重為1.20～1.40 g·cm-3，很緊實(shí)土壤的容重大于1.40 g·cm-3。Васильeв和Ревут[22]曾提出，當(dāng)土壤容重在1.05～1.20 g·cm-3時(shí)，小麥子粒和玉米子粒產(chǎn)量最高，當(dāng)小于1.05 g·cm-3和大于1.20 g·cm-3時(shí)產(chǎn)量顯著下降。De Neve[23]研究表明作物根系正常生長的土壤臨界容重值為1.50 g·cm-3，Acuna[24]認(rèn)為土壤容重1.80 g·cm-3是對玉米根系生長的閾值。

研究發(fā)現(xiàn)目前關(guān)中農(nóng)田0～10 cm疏松耕作土層的容重變化范圍是1.04～1.34 g·cm-3，符合農(nóng)作物根系正常生長的需要；但在20～40 cm緊實(shí)化土層處容重卻在1.46～1.70 g·cm-3之間變化，已經(jīng)超越了作物根系適宜生長的閾值，特別是在官路鎮(zhèn)、楊凌、眉縣、岐山縣等地，均超過了極限容重1.60 g·cm-3。20～40 cm土層土壤容重分別比0～10 cm土層處增大了32%～64%，亞表層土壤容重增大，阻礙著作物根系延伸與生長，阻礙著水分入滲與土壤內(nèi)部氣體交換與更新。

上述分析不難看出，關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤的亞表層土壤緊實(shí)化(lower subsoil compaction)問題極為嚴(yán)重，緊實(shí)化的土層埋藏較淺，是在具有深厚土體黃土地區(qū)土壤耕層變淺的主要原因。緊實(shí)化的土層因?yàn)槁癫卦谑杷傻母鲗右韵拢灰妆挥X察，具有隱型物理退化的特征。土壤壓實(shí)原因是因不合理的運(yùn)輸、耕作、踐踏或土木工程施工等引起的“誘導(dǎo)壓實(shí)”，和源于成土過程諸如粘粒淋溶與淀積過程所產(chǎn)生的“自然壓實(shí)”兩種機(jī)制[25]。關(guān)中農(nóng)田的亞表層緊實(shí)化主要屬于自然壓實(shí)，因?yàn)椴シN耕作多采樣旋耕破土，其余作業(yè)機(jī)械化水平低，犁機(jī)具的壓實(shí)強(qiáng)度不大，其誘導(dǎo)壓實(shí)程度較小。土壤自然壓實(shí)發(fā)生的根本原因在于表層土壤團(tuán)聚體的狀態(tài)差和穩(wěn)定性不強(qiáng)等。

2.3 土壤團(tuán)聚體的狀態(tài)及其評價(jià)

團(tuán)聚體具有協(xié)調(diào)土壤中水、肥、氣、熱能力、影響土壤酶種類與活性、維持和穩(wěn)定土壤疏松熟化土層[23]等功能。團(tuán)聚體的粒級與組成比例表征著土壤肥力水平高低，不同級別的土壤團(tuán)聚體在營養(yǎng)元素的保持、供給及轉(zhuǎn)化能力等方面發(fā)揮著不同程度的作用[24]。土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性指抵御外界各種破碎應(yīng)力的能力，是評價(jià)土壤團(tuán)聚體質(zhì)量和土壤物理性狀的重要指標(biāo)。

在學(xué)術(shù)界對土壤團(tuán)聚體狀況的評價(jià)已有不少研究成果可借鑒，其中最先是由Bильямс得出土壤中直徑1～3 mm的團(tuán)聚體含量與作物產(chǎn)量有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系[22]；Bильямс、Coколовский 和 Cавинов認(rèn)為土壤中直徑在 1～5 mm的團(tuán)聚體是最有價(jià)值的[26]，其含義并不在于它的含量占絕對優(yōu)勢，而在于它的質(zhì)量性狀非常突出，故將這種團(tuán)聚體稱之為“(質(zhì)量) 優(yōu)勢團(tuán)聚體”[27]。直徑過大的團(tuán)聚體之間孔徑較大，對于旱地來說不利于保墑和水分傳輸，直徑太小的微團(tuán)聚體容易堵塞土壤孔隙，影響土壤通透性能。

表3 關(guān)中農(nóng)田土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的基本狀況

關(guān)中農(nóng)田土壤團(tuán)聚狀況見表3，經(jīng)干篩和濕篩后0～20 cm耕層1～5 mm“質(zhì)量優(yōu)勢團(tuán)聚體”的含量分別為59.39%和17.40%，20～40 cm亞表層分別為21.92%和11.54%，相同土層的土壤1～5 mm團(tuán)聚體含量在干篩與濕篩之間差異很大，證實(shí)該土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性較差，亞表層土壤團(tuán)聚狀態(tài)明顯比耕層土壤差。依據(jù)Шеин[14]對不同級別團(tuán)聚體農(nóng)藝特性研究，他提出以干篩后10～0.25 mm團(tuán)聚體含量和濕篩后≥0.25 mm團(tuán)聚體的含量作指標(biāo)，評價(jià)土壤的團(tuán)聚狀態(tài)與質(zhì)量的閾值。干篩后10～0.25 mm的團(tuán)聚體含量>60%，表示為優(yōu)良團(tuán)聚狀態(tài)；40%～60%屬于良好狀態(tài)；<40%屬于不良狀態(tài)；濕篩后≥0.25 mm團(tuán)聚體含量<30%，表明土壤團(tuán)聚體屬不良狀態(tài)；30%～40%為略差狀態(tài)；40%～75%屬良好狀態(tài)，>75%則屬于很好狀態(tài)。依此為判斷可以看出，關(guān)中農(nóng)田土壤耕層和亞表層土壤經(jīng)干篩后10～0.25 mm團(tuán)聚體含量分別為94.66%和92.48%，顯然屬于優(yōu)良團(tuán)聚狀態(tài)；那么，濕篩后耕層和亞表層土壤≥0.25 mm的團(tuán)聚體含量分別為47.45%和37.93%，耕層土壤仍然屬于團(tuán)聚良好狀態(tài)，而亞表層土壤則屬略差團(tuán)聚狀態(tài)。可見關(guān)中農(nóng)田土壤團(tuán)聚狀態(tài)良好，但水穩(wěn)性很差是農(nóng)田土壤團(tuán)聚體的主要特征。

表4 土壤團(tuán)聚體的NMWD和GMD的變化

注：不同小寫字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

Note: Different small letters represent significant difference at 0.05 level.

以土壤團(tuán)聚體農(nóng)藝性狀為基礎(chǔ)的，對土壤“質(zhì)量優(yōu)勢團(tuán)聚體”分析的同時(shí)，仍需要對各地農(nóng)田土壤團(tuán)聚體組成的整體狀況進(jìn)行分析(見表4)。首先從表4看出，以GMD為參數(shù)表征土壤團(tuán)聚體狀況時(shí)，因?yàn)楦鞯刂g的變化區(qū)間大，差別明顯，似乎比以NMWD為團(tuán)聚體狀況參數(shù)要更加敏感一些。

干篩后關(guān)中農(nóng)田土壤耕層和亞表層土壤團(tuán)聚體的GMD分別變化在1.29～1.88 mm，1.41～2.04 mm，各縣地土壤之間差異明顯，20～40 cm的亞表層土壤GMD普遍高于0～20 cm耕層土壤，平均值也高于耕作層，與10～0.25 mm團(tuán)聚體為指標(biāo)表征的結(jié)果有所不同，顯示出20～40 cm土層的較大直徑的團(tuán)聚體含量較高，體現(xiàn)著亞表層土壤具有較強(qiáng)的團(tuán)聚性和不易破碎的特征，這正是亞表層土壤緊實(shí)化的又一個(gè)具體表現(xiàn)。

濕篩后關(guān)中農(nóng)田耕層和亞表層土壤的GMD分別為0.45～0.55 mm和0.32～0.51 mm，在各縣地之間差異較小，表示關(guān)中農(nóng)田土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)定均較差，其中0～20 cm耕作層土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性略好于20～40 cm土層，這一點(diǎn)又與干篩的基本情況相一致，進(jìn)一步說明20～40 cm土層團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性極差，是降雨或者灌溉期間抑制透水性的主要障礙性土層。

關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤團(tuán)聚體在干、濕篩之間GMD和NMWD差別很大，說明其團(tuán)聚體的水定性較差，尤其是20～40 cm土層處差異最大。

盡管GMD和NMWD被認(rèn)為是評價(jià)土壤團(tuán)聚體整體狀態(tài)的理想指標(biāo)，但是，用它們作為指標(biāo)只能表征不同類型和性狀土壤間團(tuán)聚狀況的差別，不能表征其土壤團(tuán)聚體的農(nóng)藝性狀。因?yàn)榻刂聊壳埃袩o人提出過用團(tuán)聚體的GMD或NMWD作指標(biāo)，評價(jià)其農(nóng)藝性狀的閾值。Шеин等人依據(jù)不同直徑團(tuán)聚體的基本農(nóng)藝特性，提出了用團(tuán)聚體系數(shù)(Kctp，見式4)作參數(shù)評價(jià)的相關(guān)閾值。他認(rèn)為當(dāng)Kctp>1.5時(shí)屬于優(yōu)良級團(tuán)聚狀態(tài)、1.5～0.67屬于中等質(zhì)量、<0.67屬于不良狀態(tài)的級別。由圖3可以看出，關(guān)中農(nóng)田土壤團(tuán)聚體的Kctp均未達(dá)到優(yōu)質(zhì)團(tuán)聚體狀態(tài)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，表層土壤的Kctp介于0.76～1.10之間，屬于中等質(zhì)量；底層土壤的Kctp介于0.31～0.77之間，僅關(guān)山鎮(zhèn)、興平縣、楊凌、眉縣4地的Kctp大于0.67，屬于中等質(zhì)量，其它地區(qū)均屬于不良狀態(tài)的團(tuán)聚體。關(guān)中農(nóng)田土壤表層團(tuán)聚體相對較好，底層土壤團(tuán)聚狀態(tài)質(zhì)量水平較差，成為底土層緊實(shí)化的根本原因。

圖3 土壤結(jié)構(gòu)系數(shù)Kctp的變化趨勢

3 結(jié) 論

1) 關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤耕層有薄層化的發(fā)展趨勢，物理狀態(tài)良好的耕作層變化在5～21 cm，約64%的土壤耕層厚度處于10～15 cm之間，有18%的土壤耕層厚度小于10 cm。關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤耕層逐漸變淺薄的機(jī)理是耕層以下底層土壤的緊實(shí)化問題，而非耕層流失所致。

2) 關(guān)中地區(qū)農(nóng)田耕層土壤容重變化在1.04～1.34 g·cm-3，平均容重為1.21 g·cm-3，屬于良好物理狀態(tài)，但底層20～40 cm的容重變化在1.46～1.70 g·cm-3之間，平均容重為1.58 g·cm-3，底層土壤容重不僅顯著高于耕層0～20 cm，且達(dá)到或超過了極限容重1.60 g·cm-3。底土層土壤緊實(shí)化問題較為普遍，并因其土層位置具有隱蔽性，不易被人們覺察，具有典型隱形退化的基本特征。

3) 從土壤1～5 mm團(tuán)聚體的含量、團(tuán)聚體的幾何均重直徑(GMD)、標(biāo)準(zhǔn)化平均當(dāng)量直徑(NMWD)以及結(jié)構(gòu)系數(shù)(Kctp)為指標(biāo)分析可知，關(guān)中地區(qū)農(nóng)田表層和底層的土壤結(jié)構(gòu)存在較大差異。土壤中1～5 mm“(質(zhì)量)優(yōu)勢團(tuán)聚體”在干篩和濕篩的情況下，表層土壤含量是底層的2.7倍和1.5倍。團(tuán)聚體的質(zhì)量指標(biāo)均反映出，關(guān)中農(nóng)田土壤表層土壤團(tuán)聚狀態(tài)優(yōu)于底土層，表層和底層土壤團(tuán)聚狀態(tài)處于良好級，只因?yàn)閳F(tuán)聚體的水穩(wěn)定性很差，尤其是20～40 cm土壤團(tuán)聚體狀態(tài)與穩(wěn)定性差，是導(dǎo)致土壤底層容重變大、緊實(shí)化和耕層薄層化的主要原因。在現(xiàn)代土地集約化利用與管理情況下，關(guān)中地區(qū)農(nóng)田亞表層土壤物理狀態(tài)有著明顯的退化趨勢，而且其隱蔽性很強(qiáng)，應(yīng)給予足夠的重視。

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EvaluationofsoilphysicalstateinGuanzhongfarmland

WANG Jia-xu, WANG Yi-quan, LI Xin, LIANG Hua-xue, SHI Hong-ping, SHI Zong-lin

(CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

In the face of soil aeration and water permeability declining, the ability of resistance to harmful environment diminishing, and the productive cost increasing year by year in Guanzhong farmland, the farmland soil sample from 11 counties in Guanzhong was taken and the thickness of arable layer, the soil density and aggregate characteristics was determined to study the soil physical state and its degradation characteristics under the condition of modern utilization intensity and soil management. The results showed that the soil arable layer generally became thin because of the compaction of lower soil, although the thickness in Guanzhong area was very thick in soil genesis. The thickness of soil arable layer was 5～21 cm. The sample number of the thickness of about 20 cm accounted for only 18%, the sample for 10～15 cm accounted for 64%, the sample of less than 10 cm accounted for about 18%. The soil bulk density in 0～20 cm layer in Guanzhong farmland were 1.04～1.34 g·cm-3and the average value was 1.21 g·cm-3, which is good physical state. However, the soil bulk density in 20～40 cm layer was from 1.46～1.70 g·cm-3and the average was 1.58 g·cm-3. The soil density in subsoil layer for about 36% of farmland reached or exceeded the limit value of 1.60 g·cm-3. Soil aggregate composition was determined by dry and wet sieving. The proportion of optimum aggregates of 1～5 mm, GMD, NMWD and coefficient of soil structure (Kctp) demonstrated that soil aggregate in arable layer was in good state, and 64% of soil aggregate in subsoil layer was in poor state. The water-stability of aggregates in farmland was worse. The state and stability of soil aggregate differenced largely in Guanzhong farmland. The reason that the arable layer becomes thin might be the subsoil compaction happened in 20～40 cm layer and plow-pan moved up and thickened. The soil bulk density in 20～40 cm has increased to a limit value. In 0～20 cm layer, soil aggregates were in good condition, but its poor water stability was the important reason of subsoil compaction. Soil compaction in Guanzhong farmland was widespread and became more serious. The soil compaction was a concealed soil physical degradation. Thus, more attention should be paid to soilcompaction in subsoil.

farmland soil; arable layer; soil density; soil aggregate; soil structure; guanzhong area

1000-7601(2017)03-0245-08doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2017.03.38

2016-04-12

：2017-03-07

：陜西省農(nóng)業(yè)廳項(xiàng)目“陜西蘋果土壤與施肥標(biāo)準(zhǔn)化管理技術(shù)研究”(K332021312)

王加旭(1988—)，男，山東荷澤人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥寥牢锢砀牧肌-mail:wjx86909884@163.com。

王益權(quán)，男，教授，從事土壤物理改良研究。E-mail:soilphysics@163.com。

S152.5

： A