黃土旱區土壤物理隱性退化研究與思考

劉 哲

(1.陜西省土地工程建設集團有限責任公司， 陜西 西安 710075； 2.自然資源部 退化及未利用土地整治工程重點實驗室， 陜西 西安 710075； 3.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心， 陜西 西安 710075)

土壤物理性狀包括土壤質地、孔隙、容重、結構以及水熱動態等，直接影響作物的生長發育，能夠直觀指征土壤供給養分的能力[1-4]。土壤物理質量問題在表征土壤的質量特點上具有重要作用，因為良好的土壤物理狀態能夠很好地協調水、肥、氣、熱的循環和供應[5-6]，維持作物根系生長的各項生理功能，提高根系對土壤水分與養分的利用效率；同時也能提高土壤結構的穩定性，增加作物對外界環境的協調適應能力等[7-8]。土壤的質量好壞是關乎未來我國農產品安全和人類健康可持續發展的根本保障[9]。

1 土壤退化與土壤隱性退化

土壤退化是在自然因素和人為因素的共同作用下使得土壤質量性狀變壞和數量明顯減少、土壤生產力減退直至荒蕪變為不毛之地的過程。土壤退化可分為顯型退化和隱形退化，顯型退化發生在表面，顯而易見，能夠被人們所察覺而得到重視；隱性退化發生在土壤下層，隱蔽性強，不易被察覺，未能引起人們足夠的重視[10]。土壤性型退化又可以細分為隱性退化和隱形退化，二者的發生部位都是在土壤下層，但隱性退化是指土壤物理性質的退化，包括容重、通氣性、孔隙、透水性等；隱形退化是指土體構型的退化，其對土壤的功能具有深刻影響，包括土壤整體剖面構型變化、剖面內部緊實化等[11]。土壤物理退化導致農田土壤10 cm以下土層普遍緊實，犁底層增厚并上移，形成了明顯的機械障礙層，土壤團聚體數量減少，結構穩定性變差，土壤易被侵蝕，土壤肥力下降，農藥殘留量增大等生態環境問題[12-14]。

2 黃土旱區土壤物理隱性退化

陜西黃土旱區關中和渭北一帶隨著土地高強度、集約化利用及化學物質如化肥、農藥、地膜等的大量施用，使陜西黃土旱區土壤物理隱性退化問題越來越突出[15-16]。自從實行土地承包制以來，不僅復種指數增加，大量施用化肥，土地多采用旋耕的耕作方式，這些都是誘導土壤物理退化的外部因素[17-18]。目前，關中和渭北一帶存在施肥不增產、不施肥便減產，化肥的使用量居高不下等問題；歷史上曾提倡的“一炮轟”施肥技術已經不能滿足作物各個生育階段對養分的需求，追肥次數在不斷增加，而在涇陽、三原、高陵一帶，非水田長時間地表積水和逢雨田邊河水必漲等，都與農田土壤物理隱性退化密切相關。由于土壤內部已經產生了隱性變化，容重、緊實度、飽和導水率、團聚體等的變化所引起的土壤物理隱性退化將嚴重制約農業的健康可持續發展，已經成為制約陜西糧食安全生產、環境及生態安全的關鍵問題，亟待研究其發生機理，以便得到及時有效地改良與矯正，科學調控土壤物理性狀，保證土壤健康可持續發展和糧食安全。

3 現代黃土旱區土壤物理隱性退化評價及研究內容

3.1 黃土旱區土壤物理隱性退化狀況調查與評價

借助探地雷達技術，結合打鉆和挖剖面等方法，大范圍調查現代黃土旱區農田、果園等土體剖面特征，輔助于對剖面容重、緊實度、孔隙度、飽和導水率等指標逐層測定，全面普查農田土壤內部土壤物理隱性退化狀況，明確需要重點調控改良的土層現狀。采用偏光顯微技術和CT掃描等現代土壤微結構分析技術，逐步分析不同物理退化土層的微觀結構，分析不同隱性退化條件下農田土壤的微形態結構特征與理化性狀的異同點，綜合評價黃土旱區土壤物理隱性退化狀況。

3.2 黃土旱區農田土壤物理隱性退化的時空變異特征及發生機理分析

現代黃土旱區土壤的物理狀態存在著潛在的退化現象，土壤物理機能呈現出一定的疲勞狀態，對土壤物理退化指標與土壤含水量變化過程進行監測，分析不同質地性狀、團聚水平的土壤對水分變化的敏感性，再結合對緊實度、容重、孔隙等狀態指標以及顆粒組成、碳酸鈣含量指標等進行大尺度調研，明確現代黃土旱區典型農田土壤物理退化指標的時空變異特征，通過對比分析不同機耕方式、種植方式、施肥方式及灌溉方式的單一或共同作用等對土壤物理退化的影響機制，探求人為因素導致還是自然因素造成的土壤物理退化，揭示土壤物理退化的發生條件與機理。

3.3 物理隱性退化的危害性分析及評價

土壤物理退化的危害性研究及評價主要從以下3個方面進行。一是土壤物理退化對水分入滲能力及作物抗旱性影響。分析土體退化對土壤水庫儲水、地面長時間積水、地面徑流、養分流失以及面源污染的作用與影響情況。二是土壤物理退化對養分利用率作用與影響。探究對土體退化響應敏感的營養元素，揭示目前土壤貪肥的基礎與背景，為實施減量施用化肥提供科學依據。三是土壤內部退化對不同類型作物根系延伸阻力的作用與影響。探究退化土壤對主要農作物根系空間分布、根系活動以及對根系衰老的作用機理，揭示退化對作物抗寒、抗旱、抗熱、抗倒伏及產量、品質的作用規律。

3.4 土壤物理隱性退化綜合調控技術試驗

針對現代黃土旱區典型農田內部土壤物理退化現狀、發生機理以及對作物根系生長發育的影響機制，通過田間定位實驗和室內模擬實驗相結合的方式，分別采用耕作方式、施肥方式、不同有機物料改良試驗等進行土壤物理退化綜合調控，研究這些綜合調控措施對作物根系、土壤環境及水分效應的改善效應，以防控土壤物理退化對土壤及作物的影響。

4 土壤物理隱性退化研究方法

以關中地區及陜北地區農田土壤為主要研究對象，前期借助3S技術，將通過野外實地調查，田間長期定位監測以及室內模擬方法相結合，對土壤物理退化現象進行全面調查和研究。一是野外實地調研，根據不同機耕方式、種植方式、施肥方式等條件，采用探地雷達技術，結合打鉆和挖剖面法，逐層測定分析剖面容重、緊實度、孔隙度、飽和導水率值等土壤物理指標，運用高倍電子鏡檢技術等現代技術和ImageJ等數字圖像處理技術，分析土壤物理退化土層的微觀結構特征。二是田間長期定位監測，逐層進行不同耕作方式、不同有機物料及不同種植方式下土壤物理退化的指標的測定與統計分析，建立黃土旱區農田土壤質量評價指標體系與預警模型。三是室內模擬實驗，模擬不同土體有機重構材料、不同耕作措施及不同種植方式對土壤物理退化指標的改良影響，探索不同方式對土壤物理退化狀況的調控貢獻率。

5 結語

通過室內模擬實驗和田間長期定位實驗，探究不同種植方式、耕作模式、施肥方式等綜合調控技術下，土壤物理退化狀況的變化特征、作物生理生長指標和對氮磷鉀鈣等營養元素的吸收特征，構建適合改善現代黃土旱區的土壤物理退化狀況綜合調控技術，建立黃土旱區農田土壤質量評價指標體系與預警模型，進一步加強土壤的科學管理，關注土壤的健康狀態，對于保障黃土旱區糧食安全、保護生態環境和維持土壤健康可持續發展具有重要的理論價值。