大中小型拖拉機壓實對土壤堅實度和大豆產量的影響

喬金友，張 丹，張宏彬，張 斌，陳海濤，諶禮鵬，鄭大明，孫 健

（1.東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030；2.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

0 引 言

土壤是非常寶貴的農業生產資源，土壤質量對國家和地區糧食安全及農業可持續有至關重要的作用[1-2]。隨著農業機械化水平逐步提升，機械作業環節增多，農業機械對土壤的壓實作用也隨之增加。機械壓實會導致土壤孔隙度變小，致使機耕阻力增加，作物根系生長受阻，進而影響作物產量和品質；同時，機械壓實會使土壤的含水率降低，飽和導水率變差，增加地表溢流和土壤侵蝕的可能性，造成土地退化。

20 世紀60 年代，發達國家科研工作者就開始對土壤的壓實機理及危害進行研究，1966 年，Taylor 等研究發現，當貫穿阻力接近2 MPa 時，穿透土壤的作物根數急劇減少[3]。1972 年，Charreu 研究發現，在西非國家，土壤壓實已經導致作物產量減少了40%以上，而在歐洲的一些地區，因土壤壓實而造成作物產量減少了25%~50%[4]。1985 年，Mckyes 等研究發現，作物產量開始隨著土壤堅實度的增大而增加，但是當土壤堅實度增加到某一數值后作物產量呈現下降趨勢[5]。1990 年，Smith等研究表明：壓實后試驗區土壤堅實度隨著車輪載荷的增加而增大[6]。1995 年，Heisler 等研究表明，農業機械壓實主要影響了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 等研究發現：采用大型機械作業，會造成土壤堅實度明顯增大，并且使得60~70 cm 的心土層產生形變[9]。2008 年，Tekeste 等試驗發現：單次壓實致使20~25 cm 深度的土壤堅實度峰值達到4.02 MPa[10]。2010年，Botta 等研究發現，在小、大型2 種機械作業條件下，大豆產量分別減少了250 和450 kg/hm2[11]。2011 年，Becerra 等試驗發現，免耕播種時測區的玉米產量比其他深松和犁耕方式降低了15%左右[12]。2014 年，Jabro 等試驗發現，凍融循環可以減輕黏土土壤中30 cm 以上土層的壓實負面影響[13]。2017 年，Shah 綜述土壤壓實對土壤健康和作物產量的影響[14]；2018 年，Bogunovic 等研究發現，免耕試驗區比常規耕作、深耕試驗區在0~10 cm深度的體積密度平均增加了8%和7%[15]，Sivarajan 等研究了拖拉機輪子壓實對玉米、大豆生長和產量的影響[16]。

國內對土壤壓實方面的研究相對較晚。1981 年，廖植樨研究表明，不同類型的拖拉機均會造成土壤壓實，機械作業后測區的最高土壤容重可達到1.72 g/cm3[17]。1998 年，孫忠英等研究了行走裝置參數和負荷對土壤壓實作用的影響，提出了減小土壤壓實程度的措施[18]。2001 年，遲仁立等研究表明：不同程度壓實具有系統累積效應，為免耕、保護性耕作技術應用提供依據[19]。2002 年，李汝莘等研究表明，小四輪拖拉機壓實使土壤容積密度明顯增加并且超過作物的適應范圍，孔隙度減小20%~30%[20]。2002 年，張興義等研究表明：拖拉機對小麥試驗區0~5 cm 土層有顯著的壓實作用，并且隨著碾壓次數的增加，小麥的有效穗數降低[21]。2006 年，高愛民等研究表明，新疆-2 號聯合收割機對土壤3~5次碾壓程度相當于4GG-170型收割碾壓10 次以上[22]。2008 年，王恩姮等測定結果表明：中型機械作業區的土壤在17.5~30 cm 范圍內形成了新的土壤板結[23]。2009 年，焦彩強等研究表明：旋耕處理的試驗地在15~40 cm 土層土壤堅實度明顯高于其他處理，證實了旋耕方法會明顯導致深層土壤堅實化[24]。2011 年，張娟利等試驗表明，當載荷大于3 000 kg的拖拉機作業時會造成0~100 mm 土層的土壤容重增大，當載荷為4 400 kg 的拖拉機作業時，試驗區內土壤堅實度比前者增加了59%[25]。2013年，陳溢等研究表明：機械作業對10~20 cm 范圍土壤造成了壓實，壓實后土壤容重和機械作業阻力增加，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機械、壓實次數和土層深度均是影響壤堅實度的顯著性因素[27]；同年，楊榮仲等研究發現：甘蔗收割機和收集車碾壓使宿根蔗發株減少，而且生長勢變差[28]。2017 年，王憲良等研究表明，免耕對0~30 cm 土層土壤堅實度影響較大，而且深松則會使該層土壤堅實度相對減小[29]。2018 年，李毅杰等研究發現：機械作業后，土壤容重、堅實度分別增大了13.34%、127.27%；而深層土壤變化幅度較小[30-31]。

綜合國內外相關文獻可知，國內外學者在土壤壓實成因、壓實模型，機械壓實對土壤特性以及作物產量影響效果等方面均取得了一定研究成果；但是，這些試驗大多集中于研究某一型號農業機械單次作業對土壤相關指標或作物產量的影響。隨著農機裝備水平和全程農業機械化水平的提高，農業機械種類逐步增加，機械進地作業次數增多，農業機械作業對田間土壤的壓實作用越發嚴重和復雜。因此，結合農業生產機械化實際，研究不同型號拖拉機作業、不同次數壓實處理對試驗區土壤堅實度及作物產量的變化規律不但具有重要理論意義，而且對合理使用農業機械、保護有限耕地資源、恢復和提升耕地生產能力、更好地保障國家糧食安全，促進農業可持續發展具有重要意義。

1 材料與方法

試驗于2018 年4 月—2018 年11 月在東北農業大學向陽試驗基地進行，試驗區地處松嫩平原南部，屬北溫帶大陸性季風氣候，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拖拉機按試驗方案要求實施壓實處理，于2018 年8 月1 日測量土壤堅實度。試驗區種植大豆品種為東農252。

1.1 試驗用拖拉機與測試儀器設備

依據黑龍江省實際農業機械化生產情況，選擇大型（CASE-210）、中型（JD-904）、小型（JD-280）3 種不同型號拖拉機作為代表機型進行土壤壓實試驗。其中，CASE-210 型拖拉機是黑龍江省農場及現代農機專業合作社標準配置機型之一；JD-904 型拖拉機在農業農機合作社中常用于較輕負荷田間作業和道路運輸作業，農戶經營小規模生產地區常配置該型拖拉機完成主要農田作業；JD-280 型拖拉機是黑龍江省農村小規模生產單位配置的功率最小的拖拉機，在實際生產中保有量非常大。試驗用拖拉機的基本參數如表1 所示。

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

表1 試驗用拖拉機基本參數 Table 1 Basic parameters of experiment tractors

1.2 試驗方案設計

設置壓實和對照（CK）2 種試驗測區。壓實測區完成大豆播種后，依次采用3 種不同型號拖拉機完成不同次數的壓實處理。參照大豆全程機械化實際生產過程，機組的年進地次數為10 次左右，確定試驗區的拖拉機壓實次數為2~12 次，分為6 種處理且壓實次數等間隔遞增；為了消除因試驗區土壤分布不均勻對試驗數據造成的誤差，每種型號拖拉機的壓實處理均設置3 次重復，并且分別位于3 個不同測試列區，3 種機型的壓實區共有9 個試驗列區。2 個對照列區寬度均為2.6 m，分別位于壓實測試列區的兩側，對照列區無任何機械壓實處理。

試驗列區縱向均勻分為6 個試驗小區，每個試驗小區長度為20 m，2 試驗小區間距6 m，為供試驗的拖拉機轉彎、轉移空間，同時也是各試驗小區間的隔離區。為保證數據的準確性，試驗列區邊界與近側壓實輪轍間的距離為1.3 m。依據隨機區組試驗原理，同型號拖拉機不同壓實次數試驗小區在相應各列區上均有分布，且同次壓實處理的試驗小區在不同列區縱向上的不同位置均有分布。為了消除試驗地塊土壤的不均質性和便于進行分析比較，每個對照列區縱向也對應分為6 個小區。

依據前述的方案設計，試驗區的總寬度為53.3 m，總長度為162 m。在實際執行時，按上述方案劃分小區，并在每個試驗小區邊界及壓實位置插入不同標簽，并注好標號。試驗區劃分及壓實小區分布如圖1 所示。

圖1 試驗區規劃與壓實小區分布簡圖 Fig. 1 Schematic of planning of test area and distribution of compacted plots

1.3 試驗數據測試與處理方法

1.3.1 土壤堅實度測試

拖拉機壓實后，于8 月1 日測取各對照小區和壓實試驗小區土壤堅實度。為消除因土壤分布不均勻對試驗結果造成的誤差，在每個壓實測試小區壓實輪轍處隨機選取3 個截面測取土壤堅實度，每個供試土壤截面沿壓實輪轍中心線向兩側對稱等間隔測取9 個點，每測點間隔10 cm，測試截面寬度為80 cm；測試時貫穿阻力儀測試桿與所測地面垂直，以5 m/s 的速度勻速插入土壤，在每個測點處依次測取0~80 cm 深度的土壤堅實度數，采樣間隔為1 cm。測試截面測點分布如圖2 所示。

1.3.2 大豆產量測試

大豆成熟后，在每個測試小區壓實輪轍兩側隨機選取長1.54 m、寬1.3 m（大約2 m2）范圍作為測產區，每個測試小區3 次重復。人工收割、裝袋，同時將編號標簽對應放入袋中，收割、裝袋時注意動作要輕，避免因炸莢丟粒影響測試數據的準確性。人工脫粒后，使用電子天平稱取籽粒質量。依據國家標準GB/T5009.3-2016，采用整粒烘干法測取大豆籽粒干物質質量[32]，采用式（1）計算試驗小區大豆籽粒含水率。

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

采用式（2）計算標準含水率條件下試驗小區大豆產量。

式中M 為標準含水率下測試小區大豆產量，g；C 為大豆標準含水率，%（取13%[33]）。

圖2 測試截面測點分布 Fig.2 Distribution of test points in test section

1.3.3 試驗數據有效性檢驗

按照機型、測試時間、壓實次數等因素分別歸類整理試驗數據。為了消除試驗數據的人為誤差以及因土壤質地分布不均勻造成的數據誤差，提高試驗的可靠性，首先采用常用的χ2檢驗方法檢驗原始試驗數據是否服從正態分布[34]，針對符合正態分布的數據采用統計學中3σ原則剔除異常數據。由于試驗測取的土壤堅實度數據非常龐大，采用Matlab(R2016b)編制程序，將剔除異常值后的有效數據代入程序中計算同種機型、相同壓實次數處理下各測試小區土壤堅實度平均值等指標。

2 結果與分析

2.1 拖拉機壓實對土壤堅實度的影響

采用Sufer12.0 軟件繪制不同型號拖拉機、不同次數壓實處理下測試截面各測點的土壤堅實度等值線圖，依圖分析不同型號拖拉機、不同次數壓實處理對測區截面的土壤堅實度影響規律。

2.1.1 CASE-210 型拖拉機壓實對土壤堅實度的影響

CASE-210 型拖拉機不同壓實次數土壤堅實度等值線圖如圖3 所示。

圖3 CASE-210 拖拉機壓實后測區截面土壤堅實度等值線圖 Fig.3 Contour map of soil compactness compacted with CASE-210 tractor

由圖3 可以看出，采用CASE-210 型拖拉機壓實后，試驗小區測試截面內土壤堅實度呈現出隨著壓實次數的增加而逐漸遞增的趨勢，并且表層區域的土壤堅實度變化十分明顯。當拖拉機壓實2 次時，在測區截面輪胎車轍壓實中心下方10~30 cm 深度形成了寬度為35 cm左右的壓實核，核內的土壤堅實度峰值達到3.2 MPa，相較于同區位對照測區的土壤堅實度峰值增大了4 倍，即壓實2 次就對表層土壤造成了明顯的壓迫作用；隨著拖拉機壓實次數的增加，壓實核內的土壤堅實度逐漸增大，且壓實核的影響范圍由輪轍中心逐漸向四周擴散；壓實6 次時，壓實核位于5~35 cm 土層，寬度達50 cm，壓實核內土壤堅實度最大值為3.4 MPa；壓實12 次時，壓實核內土壤堅實度峰值增至4.0 MPa，相較于2 次的壓實核土壤堅實度峰值增大了1.25 倍，比對照區同深度土壤堅實度增加了5 倍，隨著壓實次數的增加，拖拉機作業對深層土壤的壓迫效果逐漸積累；同時，壓實核的影響范圍也擴大至輪胎下方5~40 cm 土層范圍，影響寬度增至60 cm 左右，并且該處壓實核內土壤堅實度的密集程度達到最大。壓實后輪胎下方深層土壤的堅實度明顯增大，當壓實2 次時，40~80 cm 土層土壤堅實度比對照區同深度土壤堅實度峰值增大了約0.4 MPa；當壓實4~10 次時，深層土壤堅實度稍有增加但是變化不大，影響范圍隨著壓實次數增加由壓實輪胎下方向兩側擴展；當壓實12 次時，壓實對土壤堅實度的影響深度由下方向上逐漸擴展至表層壓實核區域，且向兩側幾乎擴展到整個測試寬度（輪胎中心左右各40 cm)，在65~80 cm深層的土壤堅實度峰值最大，達到了2.8 MPa。

2.1.2 JD-904 型拖拉機壓實對土壤堅實度的影響

依據各試驗小區壓實測試截面土壤堅實度數值，得到JD-904 型拖拉機不同壓實次數下的土壤堅實度等值線圖；如圖4 所示。

由圖4 可以看出，采用JD-904 型拖拉機壓實后，測試區截面的土壤堅實度變化明顯。當拖拉機壓實2 次時，在壓實輪轍中心下方5~20 cm 土層形成寬度為35 cm 的壓實核，核內土壤堅實度峰值為2.3 MPa，比對照區同深度土壤堅實度峰值增大了1.5 MPa；隨著壓實次數的增加，壓實核內的土壤堅實度也隨之增大，并且壓實核的影響范圍也隨之擴散，當壓實8 次時，壓實核深度范圍擴至10~30 cm、寬度達40 cm,壓實12 次時，表層區域的壓實核內土壤堅實度擴大至輪胎下方5~40 cm 的土層、寬度為50 cm，核內土壤堅實度峰值達3.4 MPa，比壓實2 次時壓實核內的土壤堅實度峰值增大了1.48 倍、比對照區同深土壤堅實度增加了4.25 倍。輪胎下方的深層土壤堅實度也隨著JD-904 拖拉機壓實次數增加而逐漸增大,壓實2~6 次時，40~80 cm 土層的土壤堅實度稍有增加；隨著壓實次數增加，壓實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擴展，當壓實8~12 次時，65~80 cm的土壤堅實度峰值增至2.4 MPa，比對照測區同深度土壤堅實度峰值增大0.6 MPa。

2.1.3 JD-280 型拖拉機壓實對土壤堅實度的影響

依據各試驗小區壓實截面土壤堅實度數值，可得JD-280 型拖拉機不同壓實次數對土壤堅實度的影響規律等值線圖如圖5 所示。

圖4 JD-904 拖拉機壓實后測區截面土壤堅實度等值線圖 Fig.4 Contour map of compactness in soil compacted with JD-904 tractor

圖5 JD-280 拖拉機壓實后測區截面土壤堅實度等值線圖 Fig.5 Contour map of compactness in soil compacted with JD-208 tractor

由圖5 可以看出，采用JD-280 型拖拉機壓實后，測試截面的土壤堅實度隨著壓實次數的增加而呈現出增加的趨勢；當拖拉機壓實2 次時，壓實截面輪轍中心下方5~15 cm 的表層深度處形成寬度約為20 cm 壓實核，核內土壤堅實度峰值2.3 MPa，相較于對照測區同區位土壤堅實度峰值增大了約1.3 MPa；隨著壓實次數的增加，壓實核內的土壤堅實度增加，并且影響范圍逐步擴散，壓實8次時，壓實核位于地表下方10~25 cm、寬度達50 cm，壓實核內土壤堅實度峰值達3.0 MPa，比對照區同深度土壤堅實度增加了3.75 倍；壓實10~12 次時，該壓實核的影響范圍逐漸擴大至輪胎下方5~45 cm 的土層，壓實核內的土壤堅實度峰值達到3.2~3.6 MPa，比對照區同深度土壤堅實度峰值增大2.29~2.57 倍。采用JD-280 拖拉機壓實2~6 次時，壓實輪胎下方深層的土壤堅實度影響范圍由40 cm 的深層區域擴散至表層區域壓實核的影響區域處，并且影響范圍幾乎擴展到整個測試寬度，與對照區深層土壤堅實度相比，壓實后同區域的土壤堅實度略有增加；壓實8~12 次時，65~80 cm 深度土壤堅實度明顯增加，影響范圍由輪胎下方向兩側擴展，壓實12 次時，該深度土壤堅實度峰值增至3.2 MPa，比對照區同深度土壤堅實度峰值增大了1.4 MPa，增加了1.68 倍。

2.2 拖拉機壓實對大豆產量的影響

按照前述試驗方案及測試方法測試不同試驗區域大豆籽粒收獲量，計算標準含水率條件下收獲大豆籽粒質量，剔除數據后，采用SPSS23.0 軟件進行各測區大豆產量的方差分析與多重性比較，分析同種機型、不同次數壓實處理下大豆產量的顯著性，不同拖拉機、不同壓實次數對大豆產量影響差異顯著性分析結果如表2 所示。

由表2 可知，3 種拖拉機壓實均致使大豆減產，各機型壓實對產量的影響程度不同。CASE-210 型拖拉機壓實后大豆產量隨壓實次數增加呈降低趨勢，壓實2次時，大豆產量下降約230.76 kg/hm2，降低了9.12%；壓實12 次的大豆產量比對照區下降了537.35 kg/hm2，降低了21.24%。采用JD-904 型拖拉機壓實2 次時，測試小區大豆產量比對照區下降124.2 kg/hm2，降低約4%；壓實12 次的大豆產量下降459.1 kg/hm2，降低了18.15%；采用JD-280 型拖拉機壓實2 次時，小區大豆產量下降約355.26 kg/hm2，降低14.04%，壓實12 次時對產量影響最明顯，大豆產量下降約18.15 kg/hm2，降低了12.38%。

表2 不同拖拉機壓實大豆產量 Table 2 Soybean yield of different compaction times of different tractor (kg·hm-2)

3 討 論

3.1 不同機型壓實對土壤堅實度的影響

3 種型號拖拉機壓實后各測試小區土壤堅實度均明顯增大；在5~30 cm 土層深度，CASE-210 拖拉機壓實后測區的土壤堅實度影響程度和影響范圍明顯大于JD-904、JD-280 兩種機型；壓實2~8 次時，JD-280 拖拉機壓實的測區土壤堅實度影響程度最小，而CASE-210拖拉機測區堅實度的影響程度最大；當拖拉機壓實10~12次時，60~80 cm 的土層深度，JD-280 拖拉機壓實小區的土壤堅實度值最大，CASE-210 拖拉機壓實小區的堅實度值最小，表明較多壓實次數對深層土壤造成嚴重的壓迫作用。試驗表明，大型拖拉機壓實對淺表層土壤堅實度影響較大，小型拖拉機壓實對深層土壤堅實度影響較大。壓實機械、壓實次數和壓實深度都是影響土壤堅實度的顯著因素，不同壓實機械的質量不同、接地面積不同會產生不同的壓實效果，并且不同次數的壓實對土壤堅實度的影響深度和程度不同，這與劉寧等研究相似[27]。

無論哪種型號拖拉機壓實后，在測區截面不同的土層深度均出現壓實核，測試截面的壓實核內土壤堅實度值均呈現出隨著壓實次數增加而遞增的規律。不同拖拉機壓實后，壓實核出現的位置以及壓實核隨壓實次數變化規律不同，CASE-210 型號拖拉機壓實后出現的壓實核的影響范圍、影響面積最大，小型拖拉機壓實后土壤截面出現的壓實核相對不明顯。與對照區相比，大型拖拉機（CASE-210）壓實10～12 次、中型拖拉機（JD-904）壓實6～12 次時大豆產量差異顯著，其他次數壓實處理下，3 種機型對測區內的大豆產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 拖拉機壓實對大豆產量的影響

研究表明，無論哪種型號拖拉機壓實均使試驗區大豆減產，與對照區相比，與對照區相比，大型拖拉機（CASE-210）壓實10～12 次、中型拖拉機（JD-904）壓實6～12 次時大豆產量差異顯著，其他次數壓實處理下，3 種機型對測區內的大豆產量影響不顯著（P<0.05）。此結果與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壓實破壞土壤結構，使土壤堅實度增加，并且壓實次數增加對土壤物理性能影響加劇，致使大豆減產[4-5]。在實際生產中，應減少拖拉機壓實次數，有針對性合理選擇拖拉機型號，以改善土壤結構，提高耕層質量，進而提高作物產量。

4 結 論

1）拖拉機壓實后各測區截面的土壤堅實度值呈現隨著壓實次數的增加而逐漸遞增的規律；無論哪種型號的拖拉機作業，高壓實次數處理均對深層土壤造成的壓迫作用具有累積效果，壓實12 次時對測試截面土壤堅實度的影響程度和范圍最大。

2）相同壓實次數處理前提下，3 種機型壓實處理測區截面內均出現明顯的壓實核，且壓實核內的堅實度值隨壓實次數增加而逐漸增大；大型拖拉機壓實對淺表層土壤堅實度影響較大，小型拖拉機壓實對深層土壤堅實度影響較大。

3）拖拉機壓實后，測區內大豆產量降低；壓實12次時，大、中、小3 種型號拖拉機對測區內的大豆減產作用最明顯，分別達21.24%、18.15%和12.38%。合理選擇拖拉機型號，減少拖拉機壓實次數，對改善土壤結構，提高耕層質量，進而提高作物產量具有明顯效果。