平原農區空心村典型土壤的壓實程度及利用導向*
——以山東省禹城市為例

李裕瑞，李 峰，范朋燦，曹 智，王志煒，龍花樓，劉彥隨※

(1.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101； 2.國土資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，北京 100101； 3.山東省土地綜合整治服務中心，濟南 250014;4. 中國科學院大學，北京 100049))

0 引言

快速工業化、城鎮化進程中，農村人減地增、空心化問題日益突出[1-2]。空心村空廢土地整治成為提高農村建設用地利用效率的重要途徑，對優化城鄉用地結構、人地關系具有積極意義[3-4]。“十二五”期間，空心村整治成為農村土地綜合整治的重要內容，全國共整理農村閑置、散亂、粗放建設用地15.58萬hm2，通過增減掛鉤補充耕地12.67萬hm2。2016年底，國務院批復同意《全國土地整治規劃(2016-2020)》，規劃提出整治農村建設用地40萬hm2，較“十二五”的30萬hm2規劃目標增加了10萬hm2，對空心村整治提出了更高要求。

空心村整治必然面臨的一個問題是如何將居民點用地快速復墾為結構良好、不易沉降、養分充足、保水保肥的耕地。由于長期壓占而導致的土壤壓損是空心村復墾時面臨的主要障礙因子。土壤壓損的危害主要表現為土壤容重增加、通氣孔隙減少、水分滲透能力降低、土壤生物活性降低等，會導致作物根系生長機械阻力增加，進而導致作物產量大幅度下降。關于土壤壓實問題，學界針對不同地區的不同土壤壓實方式展開了深入研究，包括農田土壤機械壓實[5]、礦山復墾土壤機械壓實[6]、黃土區土地整理土壤壓實[7]、煤炭基地村莊壓實[8]、城市土壤壓實[9]等，深度剖析了土壤壓實的產生原因及其對土壤物理特性的影響機理，對復墾土壤壓實的時空變異特征進行了探討[10]，取得了豐富的研究成果。在空心村整治過程中需要面對不同利用類型的壓實土體，而前述研究尚未針對不同利用類型土體的土壤壓實狀況進行具體分析，難以完全滿足工程實踐需求。

不同利用類型土體受到外界環境影響差異較大，壓實程度各不相同，資源化利用的導向理應有差異，空心村整治中不宜采用“一刀切”的方式進行土體營造。通常，壓實程度高的土體，疏松的時間成本和經濟成本較高，宜作墊層； 土壤結構良好，并具有一定肥力的土體，可作為耕層土體，有助于快速熟化。鑒于此，文章擬對空心村中不同利用類型土體進行分類取樣，研究其土壤壓實狀況，對壓實程度進行分級，探討不同壓實程度土體的優化利用方案及土壤改良措施，為空心村整治中的土體有機重構和土壤快速熟化提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

禹城市位于山東省西北部黃河沖積平原，氣候屬暖溫帶季風氣候區，四季分明，光照充足，年均氣溫13°C，年均降水610mm，土壤類型以潮土和鹽化潮土為主，是我國黃淮海傳統農區的典型代表。20世紀80～90年代以來該地區的鄉村聚落大多急速外擴，空心化問題突出[1]。近年來，禹城市深入推進了增減掛鉤政策驅動下的空心村整治與新社區建設，取得明顯成效，在魯西北地區具有一定的典型性。

1.2 樣品采集與分析方法

土壤疏松狀況是影響作物生長發育的重要因素，其差異會直接影響到土壤中水、肥、氣、熱交換，進而影響作物的生長發育，而土壤壓實程度可直接反映土壤的疏松狀況。土壤壓實的主要表征指標有土壤緊實度、土壤容重、土壤孔隙度等[10-12]，基于現有實驗條件及實驗需求，該文將土壤容重作為衡量土壤壓實程度的主要指標，通過文獻研閱，以不同土壤容重下作物的生長狀況差異作為參考，構建土壤壓實程度分級標準，更直觀清晰地反映土壤壓實程度。土壤孔隙度和土壤含水量主要作為輔助解析指標，用來分析土壤結構特性，并以此為基礎探索不同類型土壤的資源化利用途徑。

根據利用現狀和理化特性的可能差異，傳統農區空心村整治通常主要涉及表1第1～8類土體(由于坑塘底泥極為松軟，不在該文的壓實程度分析之列)，該文還選取了第9～10類土壤樣品作為比較，基本涵蓋了空心村整治中可能涉及的土體類型。2015年4月，選取牌子、楊橋、朱王3個典型空心村，在典型土體區域隨機采集表1所示相關土體的樣本。10類土壤共采集樣品70個，每類7個樣品。土壤容重借助環刀法測定，具體根據取樣點的實地情況差異，選擇環刀橫向插入或縱向插入取土，取土完畢后立即稱重記錄，結合后期測定的土壤含水量進行計算。土壤孔隙度依據土壤容重與土壤比重數據計算，土壤比重取固定平均值2.65 g/cm3。測定土壤含水量時，將土樣放在105℃的烘箱內烘干至恒重，然后依據經典公式進行計算。

表1 傳統農區空心村整治涉及的典型土壤類型

類型編號類型典型特征所涉土壤1村內道路多為素土路面或碎石路面，由于長期用于村民和車輛通行，壓損程度較高2晾曬場院主要用于小麥、玉米及其秸稈的晾曬，可能受到一定程度的壓損3林地表土村內和村邊林地的表土，通常具有較好的土壤理化特性4院落農地民宅院落內的菜園土壤，通常具有較好的土壤理化特性5院落實土民宅院落內的空地土壤，已被一定程度壓實6土墻墻體土坯房的土墻墻體，多為數十年前從農田或坑塘取土壓實而成7坑塘底泥多因取土建房等形成坑塘，現為雨污匯集之處，底泥養分較好8房基實土房屋地基下方的壓實土體，體量較小其他土壤9普通農田長期用于小麥、玉米等大宗作物種植的現狀耕地10復墾農田前期通過常規方法原土復墾形成的新增耕地

表2 平原農區空心村典型土壤壓實程度分級標準

級別土壤容重(g/cm3)分值區間Ⅰ級1 00～1 101～2Ⅱ級1 10～1 352～3Ⅲ級1 35～1 503～4Ⅳ級1 50～1 604～5Ⅴ級≥1 605 注：分值區間是文中精確劃分土壤壓實程度等級時，對應等級的取值范圍

圖1 平原農區空心村典型土體土壤容重與含水量散點圖

2 土壤壓實程度分級標準

對于土壤壓實問題，國內外大量學者在研究中均提到不同土壤容重條件下的土壤結構差異及其對作物生長發育的影響，但對土壤壓實程度的劃分目前尚沒有明確的分級標準。根據研究需求，為更直觀地表征不同類型土體的壓實程度，嘗試從現有的研究成果中提取土壤容重數據，構建土壤壓實程度分級標準。現有研究多將1.0g/cm3作為未壓實土壤的容重，該研究將其作為土壤壓實程度分級標準中土壤容重的起點[13]。一般土壤耕作層容重在1.05～1.35g/cm3之間，有學者認為一般適于植物生長發育的表層土壤容重為1.1～1.3g/cm3，該研究綜合之后將1.1g/cm3作為Ⅰ、Ⅱ級分界點，1.35g/cm3作為Ⅱ、Ⅲ級分界點[9,14-15]。土壤容重1.4g/cm3是根系生長的限制值，容重達到1.5g/cm3時作物產量受到明顯影響，因此將1.4～1.5g/cm3作為Ⅲ級壓實標準[15-17]。當容重大于1.6g/cm3時，土壤通氣孔隙度接近于零，土壤微生物活性受到影響，氮、磷等營養元素的吸收受到抑制，作物基本無法存活，因此該研究將其作為Ⅳ、Ⅴ級分界點，大于1.6g/cm3的土壤統一定為Ⅴ級[9，16， 18]。經整理，提出土壤壓實程度分級標準詳見表2。

3 結果與分析

3.1 土壤容重及土壤含水量分析

根據實驗測定結果，對受試土體的土壤容重、含水量數據進行統計分析(表3)：(1)普通農田的土壤容重最低，僅為1.27g/cm3，土壤含水量為8.82%，耕性良好；(2)林地表土由于土壤動物、微生物、植物根系等的作用，土壤孔隙發達，達到51.2%，土壤結構良好，土壤容重與普通農田最為接近；(3)復墾農田是當地農民在原居民點上經簡單翻耕進行重新利用的農田，實驗發現其土壤容重明顯高于普通農田，很可能是由于在復墾時忽視了對不同壓實程度土體的分層利用并受到土壤不均勻沉降的影響；(4)院落農地由于農戶的精耕細作而結構良好，與普通農田土壤容重較為接近；(5)由于受到行人、車輛等的常年碾壓，村內道路土壤容重高達1.67g/cm3，土壤孔隙度只有37.1%，且主要為毛管孔隙，土壤生物活性受到影響；(6)晾曬場院即打谷場，受原有利用方式的影響土壤容重偏高；(7)土墻墻體在建房時雖然經過分層壓實，但主要是由粘土與草、秸稈等混合而成，加之風化作用，其土壤容重比村內道路、晾曬場院、房基實土略低。

表3 不同類型土體土壤容重、含水量數據統計特征

類型土壤容重(g/cm3)土壤含水量(%)平均值標準差變異系數平均值標準差變異系數普通農田1 270 070 068 823 280 37林地表土1 290 090 076 571 110 17院落農地1 330 120 096 543 170 49復墾農田1 470 030 029 014 950 55土墻墻體1 490 080 054 422 900 66院落實土1 490 090 069 154 830 53晾曬場院1 550 100 0614 731 100 07房基實土1 550 080 0512 753 290 26村內道路1 670 090 0510 942 950 27

對不同類型土體的土壤容重與含水量進行散點圖分析和線性擬合(圖1，R2=0.302，Sig=0.126>0.1)，結果發現無法通過顯著性檢驗，說明兩者之間沒有明顯的正向線性相關關系。進一步分析發現，同一類型土體內各樣品間土壤容重與含水量也沒有顯著的相關性。表明單純的土壤含水量與土壤容重之間不存在特定的線性變化規律。已有研究發現，隨著土壤容重的增加，其田間持水量增加，萎蔫點含水量增加，土壤有效水含量減少[9]。在同一土地利用類型內部，土壤容重的變異系數普遍小于土壤含水量(表3)。綜上說明土壤含水量的變化除受到土壤物理結構特性及土壤環境的影響外，還易受到外界自然環境與人為活動的影響，差異明顯，而各類型土體的土壤容重變異系數均小于0.1，數值較為穩定，可以準確反映土壤壓實程度。由此，擬重點基于土壤容重分析平原農區空心村典型土體壓實程度。

3.2 基于數據分布特征的土壤容重校正

表4 平原農區空心村典型土體的土壤容重校正結果

類型最大值平均值最小值校正系數校正值普通農田1 401 271 190 681 25院落農地1 561 331 210 521 27林地表土1 421 291 151 091 30院落實土1 651 491 350 781 46復墾農田1 511 471 440 841 47土墻墻體1 571 491 401 221 51晾曬場院1 671 551 411 231 58房基實土1 631 551 391 831 62村內道路1 771 671 531 361 70

表5 平原農區空心村典型土體的壓實指數及壓實等級

表3中的土壤容重數據雖然在一定程度上可以代表某一特定利用類型土體的總體狀況，但部分土體的容重測定結果存在差異性，僅用平均容重來代表該類型土體的實際容重存在一定偏差，無法消除部分異常值對實際容重的影響。為更好地判斷不同利用類型土體的土壤壓實狀況，建立校正系數k對土壤容重平均值進行校正。設計校正系數與校正公式的基本原理是：若土壤容重平均值與最小值間距小，則該利用類型土體總體容重應小于平均值；若平均值與最大值間距小，則該利用類型土體總體容重應大于平均值。

k=(d-dmin)/(dmax-d)

(1)

(2)

式(1)(2)中，dmax與dmin分別為某類土壤的所有樣品中土壤容重的最大值和最小值;d為該類土壤容重的平均值;D為該類土壤校正后的容重。

經校正(表4)，普通農田、院落農地與院落實土的總體容重與平均值相比有所降低，村內道路、晾曬場院、土墻墻體、林地表土與房基實土總體容重則有所增加，而復墾農田不同地點土壤容重較穩定并與平均值接近。從不同土體壓實程度相對大小及校正前后的變化來看：(1)校正后的院落農地土壤容重略小于林地表土，說明院落農地在土壤結構方面略優于林地表土；(2)晾曬場院與房基實土相對壓實程度在校正后發生了類似變化，這與房基實土曾經過人為深度壓實的事實相符；(3)土墻墻體與院落實土的校正值差距比平均值差距有所增加，兩者的區分度更加明顯，更符合實際情況。總體而言，基于數值分布特征進行校正后的容重結果更符合實際情況。

3.3 土壤壓實指數及壓實程度分級

與全國土壤養分含量分級標準類似，依據該文制定出的土壤壓實程度分級標準(表2)，對不同利用類型土體校正后的土壤容重進行土壤壓實程度等級劃分，增強不同壓實程度之間的區分度。其中普通農田、院落農地、林地表土的土壤壓實程度為Ⅱ級，復墾農田與院落實土為Ⅲ級，晾曬場院、土墻墻體為Ⅳ級，村內道路與房基實土屬于Ⅴ級。為更精確地區分相同等級內不同類型土體的土壤壓實程度差異，按照式(3)對土壤容重校正值D進行處理。

(3)

式(3)中，Fi是第i種利用類型土體經處理后的土壤壓實指數；Di是第i種利用類型土體土壤容重的校正值；dij是分級標準中第j級土壤壓實程度的下限值，j=1， 2，…， 4。

經細化處理，土壤壓實指數越高，土壤容重越大，則土壤耕性越差。不同利用類型土體壓實指數及壓實程度分級結果如表5。(1)普通農田、院落農地和林地表土的容重介于1.1～1.35之間，壓實指數小于3，壓實等級為Ⅱ級； (2)院落實土與復墾農田的容重介于1.35～1.50之間，壓實指數介于3～4，壓實等級為Ⅲ級； (3)土墻墻體與晾曬場院的容重介于1.50～1.60之間，壓實指數介于4～5，壓實等級為Ⅳ級； (4)房基實土與村內道路的容重大于1.60，壓實指數為5，壓實等級為Ⅴ級。總體來看，采用校正后的土壤容重，計算壓實指數、劃分壓實等級，能有效揭示平原農區空心村典型土體的壓實程度特征。

3.4 不同壓實程度土體的資源化利用方案

常規復墾方式或采取客土法或采用忽視土體壓實程度差異性的一刀切的挖填方式。前者面臨成本較高且土源較少的問題，難以大面積推廣； 后者熟化困難且易造成不均勻沉降，影響耕作。壓實土體改良的初步目標是改良土壤孔隙結構、降低土壤容重，最終達到增強土壤的水、肥、氣、熱協調能力，進而激發土壤活性的目的。已有研究表明，壓實程度較高的土壤，其改良措施相對復雜，除進行深耕松土外，還需輔以一些化學、生物措施。化學措施主要是合理施配化肥與有機肥，在提升土壤肥力的同時還可以提高土壤生物活性[19-20]，除此之外，還有學者研究發現生物炭、腐殖酸對土壤結構的改良效果較好[21-23]； 生物措施則主要有共生菌法與放養蚯蚓法，力圖通過提高土壤生物活性達到改良土壤結構的目的[24-26]。

表6 空心村典型土體利用導向及改良方案

壓實等級空心村內土體類型利用導向改良措施①改良時間改良成本Ⅰ—②直接用作耕層土壤———Ⅱ院落農地、林地表土、坑塘底泥③直接用作耕層土壤———Ⅲ院落實土改良后作為耕層土壤深耕松土深耕后即可耕種★Ⅳ晾曬場院、土墻墻體改良后作為耕層土壤施加生物炭、腐殖酸等；共生菌法；放養蚯蚓1～2年★★Ⅴ村內道路、房基實土優先作為墊層資源使用；必要時也可經適當改良后作為耕層土壤深耕松土；施加生物炭、腐殖酸等化學物質；培養共生菌、蚯蚓等土壤生物2～3年★★★ 注：①表格中的改良措施僅針對土壤壓實狀況而言；②“—”代表“不需要”或“無”；③該研究沒有對坑塘底泥進行取樣測試壓實程度，暫將其壓實等級歸為Ⅱ級，即可直接用于耕層土體營造

該文揭示了不同土體的壓實程度差異性，建議結合壓實程度差異采取精細化的資源化利用方案(表6)：(1)對于院落農地和林地表土而言，壓實指數小于3，壓實等級為Ⅱ級，可直接用作耕層土壤； (2)院落實土的容重介于1.35～1.50之間，壓實指數介于3～4，壓實等級為Ⅲ級，可通過深耕松土改良后用作耕地； (3)土墻墻體與晾曬場院的容重介于1.50～1.60之間，壓實指數介于4～5，壓實等級為Ⅳ級，壓實程度較高，宜通過施加生物炭、腐殖酸，或用共生菌法、借助蚯蚓放養，改善土壤結構，然后用作耕地； (4)房基實土與村內道路的容重大于1.60，壓實指數為5，壓實等級為Ⅴ級，通常宜優先作為墊層資源使用，必要時也可經適當改良后用作耕地，改良的時間成本和經濟成本相對較高。

具體到空心村整治、新農村建設實踐中，道路、房屋、廣場等工程建設常需對項目區土體進行深度壓實，可將壓實程度較高的土體用于此，甚至與項目區壓實度較低的土壤進行空間置換； 在對廢棄坑塘進行復墾時，可先將坑塘底泥剝離，然后將建筑廢物、重度壓實土體、輕度壓實土體等合理分層配置，坑塘底泥可作為表層土體提升養分指數； 將廢棄宅院復墾為耕地時，鑒于院落實土和院落農地壓實程度的明顯差異，房屋拆除時應盡量減少對院落農地的二次壓占，以利其直接復墾為耕地。基于土體理化特性、空間分布進行精細施工，推進耕層土體有機重構，既能避免宜耕土體二次破壞，減少壓實成本，又能降低改良成本、壓縮熟化時間，最終實現對稀缺土壤資源的優化利用。

4 結論與建議

(1)該文對平原農區空心村內典型土體的壓實程度進行了取樣測試和等級劃分。結果表明，普通農田、院落農地與林地表土壓實程度相對較低，壓實等級為Ⅱ； 院落實土與復墾農田壓實程度略高，壓實等級為Ⅲ； 晾曬場院與土墻墻體壓實程度較高，壓實等級為Ⅳ； 村內道路與房基實土壓實等級最大為Ⅴ。根據土壤壓實等級分值進行排序：普通農田<院落農地<林地表土<院落實土<復墾農田<土墻墻體<晾曬場院<村內道路和房基實土。

(2)基于空心村典型土壤壓實程度等級劃分，提出不同土體利用導向及其改良方案。普通農田、院落農地與林地表土等Ⅱ級壓實土體可直接作為耕層土壤； 院落實土等Ⅲ級壓實土體經深耕翻土等改良措施后即可作為耕層土壤； 晾曬場院與土墻墻體等Ⅳ級壓實土體也可改良后作為耕層土壤，但需綜合措施且需經1～2年的時間改良； 村內道路與房基實土等Ⅴ級壓實土體應優先作為復墾時的墊層使用，若當地土壤資源匱乏，也可經過2～3年的改良后作為耕層土壤，但改良成本相對較高。

(3)空心村整治復墾工作中，明確不同土壤的壓實程度只是要點之一，還應充分考慮土壤肥力特征以及污染情況，以促進不同類型土體的高效化、無害化綜合利用。在考慮不同類型土體的空間調配前，還應先確定待整治村莊中不同類型土體的空間分布規律。下一步應研究形成一套行之有效的確定空心村不同類型土體數量的技術方法，以及調配方案的優化設計方法，為精準施工提供更好的技術方法支撐。

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