陕西省农田土壤物理障碍评价

石　磊，许明祥，董丽茹，师晨迪，邱宇洁

(1.陕西省农业厅土壤肥料工作站， 陕西 西安 710000； 2.西北农林科技大学水土保持研究所， 陕西 杨凌 712100；3.国土资源部退化及未利用地重点实验室，陕西省土地工程建设集团工程技术部， 陕西 西安 710075)



陕西省农田土壤物理障碍评价

石磊1，许明祥2，董丽茹2，师晨迪3，邱宇洁3

(1.陕西省农业厅土壤肥料工作站， 陕西 西安 710000； 2.西北农林科技大学水土保持研究所， 陕西 杨凌 712100；3.国土资源部退化及未利用地重点实验室，陕西省土地工程建设集团工程技术部， 陕西 西安 710075)

摘要：为了探明陕西省农田土壤物理障碍状况，2013年在全省选取了228个调查点，对1100多块地的农田土壤紧实度进行了调查，从土层厚度、土壤容重和紧实度几方面评价了农田土壤物理障碍状况。结果表明：(1)陕西省农田土壤耕层厚度平均为17.3 cm，其中陕北地区耕层较薄，平均为14.4 cm；全省犁底层平均厚度接近20 cm，其中陕北、关中和陕南犁底层厚度平均为14.5、18.1 cm和20.1 cm。(2)全省耕层土壤容重平均为1.25 g·cm-3，其中陕北耕层土壤容重平均为1.35 g·cm-3，容重偏大；全省犁底层土壤容重平均为1.49 g·cm-3，陕北、关中和陕南地区犁底层容重都明显偏大，影响作物根系生长。(3)陕西省农田耕层土壤紧实度平均为781 kPa，犁底层紧实度平均为2901 kPa。全省耕层土壤紧实度尚合适，但犁底层土壤紧实度过大，形成明显的障碍层。

关键词：农田土壤；物理障碍；耕层；犁底层；紧实度；陕西省

维持和提高土壤质量是土壤管理的中心任务。随着我国人口和粮食需求的增长，提高农田土壤质量以保障粮食安全显得尤其重要。土壤物理性状是土壤质量的重要方面，制约着土壤协调水、肥、气、热的能力。近几十年来随着土地集约化经营和农业机械化的迅速发展，农作效率得到极大提高，然而耕作和经营方式的改变引起了土壤物理质量发生退化[1-2]。长期机械化耕作以及单一耕作、施肥和种植方式导致我国大部分粮食主产区农田出现明显的影响作物生长的土壤物理障碍，主要表现在耕层变薄，犁底层加厚，土壤紧实度增加，孔隙度和渗透性降低，加剧土壤侵蚀，增加机耕阻力，作物根系生长受阻，土壤环境破坏，导致作物产量降低[3-6]。

有关土壤紧实障碍相关研究已经开展较多，涉及土壤紧实发生原因及影响因素、紧实度对作物根系生长的影响、土壤紧实的防治措施等方面[3]。相关研究表明，农业机械、耕作制度和水肥管理是导致农田土壤紧实的重要外因[1,7]，同时，土壤紧实度还受土壤质地、容重和含水量的影响[1,8-9]。土壤紧实度影响作物根系穿透和生长，阻止水分入渗，降低化肥利用率，进而影响作物产量[1-3]。但不同作物对土壤紧实的耐受能力有所差别[7]。

陕西省是一个农业大省，机械化程度较高，农业生产在国民经济中占有重要的地位[10-11]。有研究发现关中地区农田土壤过紧实问题已呈区域化发生的态势[1,12]。然而有关陕西省域农田土壤物理障碍状况、土壤紧实度空间分布特征及影响因素等还缺乏研究报道。为此，本文对全省农田土壤耕层和犁底层厚度、容重和紧实度进行了调查，就省域农田土壤物理障碍现状进行了分析评价，以期对陕西省区域土壤耕作管理和农业生产具有一定现实指导意义。

1材料与方法

1.1研究区概况

1.2样地选取

土壤类型、耕作制度及方法、农田管理措施等差异是土壤障碍形成的重要影响因素[1,3]，为此，考虑到陕西省不同区域气候、土壤类型及耕作制度的差异，调查路线沿省级及以下公路沿线展开，在陕北、关中及陕南主要耕作区均衡分布。调查样点按10 km左右的间隔，选择距离主干道路较近、耕地成片、具有代表性的田块设置采测田块，每调查点选典型田块4～6个。全省调查点228个(包括1100多块样地)，其中陕北44个点、关中122个点、陕南62个点(图1)。

图1陕西省农田土壤物理障碍调查点分布图

Fig.1Survey sites distribution of physical obstacles

on farmland soil in Shaanxi Province

1.3调查指标及方法

调查于2013年11月中旬至下旬进行。依据设计的调查点，选取代表性田块，在田块中间进行GPS定位，记录位置、土壤类型、立地条件，并通过走访调查样地的耕作方式、作物及耕作管理等信息。然后，挖剖面测定耕层和犁底层的厚度和紧实度，并取样测定耕层及犁底层的土壤容重和土壤含水量。其中，耕层和犁底层厚度依据紧实度突变点的位置判定。容重采用环刀法测定，含水量用烘干法测定。紧实度采用SC900(美国，空间分辨率为2.5 cm，精确度为35 kPa)土壤紧实度测定仪(单位kPa)。

1.4数据分析

根用SPSS 18.0软件对土层厚度及紧实度指标进行描述性统计和分布频率分析。

2结果与分析

2.1土层厚度

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陕西省耕地土壤中，大于100 cm的深厚土层土壤占到84%，60～100 cm的厚土层土壤7.2%，即全省90%以上的耕地土层厚度不成为耕地的障碍因素[13]。

耕层厚度与耕作方式有关，深耕土壤耕层厚度一般可达30.0 cm，机械旋耕导致耕层厚度降低，土壤紧实度增加，影响降水入渗，妨碍作物根系下扎，不利于蓄水保墒及根系对深层土壤水分的利用[1]。调查结果表明(表1)，陕西省农田耕层土壤平均厚度为17.3 cm，其中陕北最薄，为14.4 cm，陕北北部的定边、榆阳、横山、子洲、绥德、佳县、清涧、延川等县耕层厚度不足14.0 cm。关中地区农田耕层较厚，平均为19.0 cm，其中周至、户县、淳化、宝鸡、长武等县农田耕层厚度大于30.0 cm。陕南农田耕层居中，平均为16.0 cm，其中西乡、石泉、汉阴、洋县、城固、旬阳等县耕层不足14.0 cm。

从分布频率看(表2)，全省耕层较薄的<15 cm的样点占27.2%，耕层较厚的>20 cm的样点占32.9%。陕北地区耕层<15 cm的样点占52.3%，耕层>20 cm的样点仅占9.1%。关中地区耕层<15 cm的样点占19.8%，耕层>20 cm的样点达到49.4%。陕南地区耕层<15 cm的样点占22.6%，耕层>20 cm的样点占27.9%。整体而言，全省农田土壤耕层较薄，以陕北地区比较严重，陕南次之，关中地区尚可。

犁底层是位于耕作层以下较为紧实的土层，由于长期耕作经常受到犁的挤压和降水时黏粒随水沉积所致。对耕作土壤来说，具有不太紧实的犁底层对保持养分、保存水分有益。但犁底层过厚、坚实，对作物根系下伸不利。调查表明，陕西省不同区域农田土壤均存在明显的犁底层，全省土壤犁底层平均厚度接近20.0 cm。陕北犁底层厚度最小，平均为14.5 cm，其中陕北北部的榆阳、佳县、绥德等区县调查点未发现犁底层，而定边、甘泉、子洲、清涧等县(区)犁底层厚度超过25.0 cm。关中次之，平均可达18.1 cm，但蒲城、富平、眉县、高陵、武功、户县、白水、长武、凤翔、周至、杨凌、扶风等县犁底层厚度超过25.0 cm。陕南犁底层厚度最大，平均为20.1 cm，其中石泉、汉阴、西乡县、旬阳、柞水、镇安等县犁底层厚度超过30.0 cm。从变异性可见，犁底层厚度变异较大，陕南犁底层厚度变异较强(CV=35%)，关中和陕北两个区域耕层与犁底层厚度变异性较弱。

农田土壤耕层厚度一般按照20 cm计，但未见有关犁底层厚度适宜性分级相关资料。为了量化研究区农田耕层和犁底层厚度分布状况，依据研究区农田耕层和犁底层厚度分布频率，划分了耕层和犁底层厚度分级并统计调查样点在各个级别的分布特征。从分布频率看(表2)，全省犁底层较薄的<15 cm的样点占19.%，犁底层较厚的>20 cm的样点占53.5%。陕北地区耕层<15 cm的样点占38.6%，耕层>20 cm的样点达54.5%。关中地区耕层<15 cm的样点占9.9%，耕层>20 cm的样点达到51.7%。陕南地区耕层<15 cm的样点占19.4%，耕层>20 cm的样点占54.8%。整体而言，全省农田土壤犁底层较厚，大于20 cm的样点占到调查样点的一半以上，较厚的犁底层可能已经影响到作物正常生长发育。

与第二次土壤普查相比，全省农田耕层厚度减少了2.7 cm，减幅为14.1%；犁底层厚度增加了6.4 cm，增幅为64%(表3)。就不同区域而言，陕北耕层厚度减少7.5 cm，减幅为35.9%，其中分布面积最大的黄绵土耕层厚度减少5 cm以上。陕北地区犁底层厚度增加了2.1 cm，增幅为21.6%，其中黄绵土犁底层厚度增加了6.6 cm。关中地区耕层厚度减少0.4 cm，其中分布面积最大的褐土耕层厚度减少0.7 cm。关中犁底层厚度增加了8.1 cm，增幅为80.2%，其中褐土犁底层厚度增加了8.7 cm。陕南地区耕层厚度减少1.3 cm，其中分布面积较大的黄棕壤耕层厚度减少1.5 cm。陕南犁底层厚度增加了9 cm，增幅为87.4%，其中黄棕壤和棕壤犁底层厚度分别增加了13.1 cm和6.8 cm。综上所述，陕北地区耕层厚度明显减少，犁底层厚度也明显增加。关中和陕南地区耕层厚度变化较小，但犁底层厚度增加幅度较大。

土壤容重反映土壤结构、透气性、透水性能以及保水能力的高低，也常用于反映土壤的紧实度。一般认为耕层土壤容重以1.14～1.30 g·cm-3为适宜，犁底层容重以不超过1.45 g·cm-3为适宜[12,14-17]。不同作物适宜的土壤容重因土壤质地而异，有研究提出不同质地土壤容重的适宜范围[14]，粘土和轻粘土为1.00～1.30 g·cm-3，轻壤为1.10～1.40 g·cm-3，砂壤为1.20～1.45 g·cm-3，砂土为1.25～1.60 g·cm-3。

陕西省农田耕层土壤容重均值为1.25 g·cm-3，而犁底层土壤容重均值为1.49 g·cm-3(表4)，全省农田耕层土壤容重适宜，犁底层土壤过紧实。有研究表明[16]，土壤容重与小麦根量呈显著的直线负相关，根系适宜的容重为1.30 g·cm-3左右，限制根系生长的土壤紧实度阈值为容重大于1.50 g·cm-3。玉米适宜土壤容重为1.20～1.30 g·cm-3，当土壤容重超过1.40 g·cm-3时，会严重限制玉米根系的伸展，根系不能穿过容重为1.60 g·cm-3的土壤。可见，陕西省犁底层土壤在一定程度上限制了小麦与玉米根系的发育和分布，特别是严重影响了玉米根系的下扎，成为农田作物生长的物理障碍。

就区域分布而言，陕北地区耕层土壤容重平均为1.35 g·cm-3。陕北地区土壤质地以轻壤和沙壤为主，因此该区耕层土壤容重尚在适宜范围。犁底层土壤容重在陕北、关中和陕南都明显偏大。北部榆林地区，包括府谷、神木、榆阳区、米脂、佳县、吴堡和横山县北部以及关中地区表现突出，其农田犁底层土壤容重均在1.50 g·cm-3以上，其中关中的部分县，如宝鸡地区陇县、千阳、陈仓区、太白、眉县，西安地区户县和渭南地区的蒲城和大荔部分老农耕区犁底层土壤容重甚至可高达1.55 g·cm-3，成为明显的物理障碍。

基于前人对土壤容重与作物适宜性相关研究结果[12,14,16-17]，我们对陕西省农田耕层和犁底层土壤容重进行了分级。从调查样点在各级别的分布频率看(表5)，全省耕层容重在1.10～1.30 g·cm-3适宜范围的样点占53.1%，耕层容重1.30～1.40 g·cm-3的样点占27.9%，耕层容重>1.40 g·cm-3的样点占11%。陕北地区耕层容重在1.20～1.30 g·cm-3适宜范围的样点占20.5%，耕层容重1.30～1.40 g·cm-3的样点占54.5%，耕层容重>1.40 g·cm-3的样点占25%。关中地区耕层容重在1.10～1.30 g·cm-3适宜范围的样点占59.6%，耕层容重1.30～1.40 g·cm-3的样点占21.3%，耕层容重>1.40 g·cm-3的样点占9%。陕南地区耕层容重在1.10～1.30 g·cm-3适宜范围的样点占62.3%，耕层容重1.30～1.40 g·cm-3的样点占21.5%，耕层容重>1.40 g·cm-3的样点占6.5%。

全省犁底层土壤容重>1.45 g·cm-3的样点占70.8%，犁底层容重>1.55 g·cm-3的样点占26.1%(表6)。陕北地区犁底层土壤容重>1.45 g·cm-3的样点占68.1%，犁底层容重>1.55 g·cm-3的样点占4.5%。关中地区犁底层土壤容重>1.45 g·cm-3的样点占89.8%，犁底层容重>1.55 g·cm-3的样点占35.9%。陕南地区犁底层土壤容重>1.45 g·cm-3的样点占53.7%，犁底层容重>1.55 g·cm-3的样点占24.7%。整体而言，全省农田70%以上的样点犁底层容重较大，形成物理障碍，其中严重障碍的样点接近1/3。以关中地区尤为严重，近90%的样点存在犁底层物理障碍且1/3以上的样点障碍程度较严重，陕南地区有50%以上样点存在犁底层障碍，陕北地区近70%的样点存在犁底层障碍但障碍程度较轻。

与第二次土壤普查相比，全省各类土壤耕层容重无明显变化，犁底层容重大约增加了0.10 g·cm-3，增幅为6.4%(表7)。就不同区域而言，陕北耕层和犁底层土壤容重略有增加，其中分布面积最大的黄绵土耕层容重增加了0.1 g·cm-3。关中地区耕层土壤容重略有减小，但犁底层容重明显增加，增幅为8.6%，其中犁底层容重增加了0.13 g·cm-3。第二次土壤普查时关中地区各类土壤犁底层容重平均为1.39 g·cm-3，当前犁底层容重普遍大于1.45 g·cm-3这一临界值。陕南地区耕层容重有所减小，犁底层容重整体上变化不大。综上所述，陕北地区耕层和犁底层容重都有所增加，关中地区犁底层容重有明显增加，陕南地区耕层和犁底层容重变化不大。第二次土壤普查时全省各类土壤的犁底层容重有30%超过1.45 g·cm-3，目前全省耕地土壤犁底层容重有70%超过1.45 g·cm-3。

2.3土壤紧实度评价

土壤紧实度是衡量土壤抵抗外力压实和破碎能力的一个指标。土壤紧实度影响作物根系穿透和生长、水分入渗等，进而影响作物产量。土壤紧实度主要受土壤质地、容量和含水量的影响，其中含水量的影响最大。土壤紧实度对根系的影响与作物类型及土壤质地有关。一般认为，植物根系细胞在土壤中穿插受到细胞壁和周围土壤强度的限制,根系细胞膨压是根在土壤中穿插的驱动力。根细胞的膨压一般约为700～1 200 kPa，土壤紧实度若高于此值，植物就会受到机械胁迫作用[18]。砂壤土上穿透阻力大于1 470 kPa时根系生长开始受阻，阻力大于2 450 kPa时则严重阻碍根系的生长[19]。Lhotskv和Zrubec依据土壤质地类型提出限制作物根系生长的土壤紧实度范围，粘土为2 800～3 200 kPa、重壤土为3 200～3 700 kPa、中壤土为3 700～4 200 kPa、轻壤为4 500～5 000 kPa、壤土5 500 kPa、砂土为6 000 kPa[12]。

陕西省农田耕层土壤紧实度平均为781 kPa，变化于250 ～2 080 kPa之间(表8)，变异性中等。陕北、关中、陕南耕层土壤紧实度分别为514、779、989 kPa，从北至南呈增加趋势。全省各区犁底层紧实度平均为2 901 kPa，变化于716～5 650 kPa之间，中等变异。陕北、关中、陕南犁底层土壤紧实度分别为1 824、3 382、2 792 kPa，关中地区犁底层紧实度最大。全省犁底层土壤紧实度显著高于耕层，平均紧实度是耕层的3.7倍，特别是关中地区，犁底层平均紧实度达到耕层的4.3倍。全省耕层土壤紧实度适宜，但犁底层土壤紧实度过大，形成明显的障碍层。

基于有关土壤紧实度与作物生长关系研究结果[12,18-19]，对研究区土壤紧实度分布状况进行了分级。从分布频率看(表9，10)，全省耕层紧实度>1 000 kPa的样点占25.4%，其中陕北地区耕层紧实度均小于1 000 kPa，关中地区耕层紧实度>1 000 kPa的样点仅占7.7%，而陕南地区耕层紧实度>1 000 kPa的样点占54.9%。全省犁底层紧实度>1 500 kPa的样点占94.3%，其中陕北地区90%以上的样点犁底层紧实度小于1 500 kPa，在1 500～2 500 kPa紧实度的样点仅占9.1%；关中地区犁底层紧实度>1 500 kPa的样点达95.6%，紧实度>2 500 kPa的样点达76.9%，有34%的样点紧实度超过3 500 kPa；陕南地区犁底层紧实度几乎全部大于1 500 kPa，紧实度>2 500 kPa的样点达73.1%，有41.9%的样点紧实度超过3 500 kPa。整体而言，陕北和关中地区耕层土壤紧实度适中，而陕南地区50%的样点耕层土壤紧实度偏大，可能影响作物正常生长。全省90%以上样点犁底层土壤紧实度偏大，近70%的样点紧实度过大，形成明显的物理障碍，其中关中和陕南地区30%以上的样点障碍程度严重。

3小结

1) 全省农田土壤耕层较薄，以陕北地区比较严重，陕南次之，关中地区尚可。与第二次土壤普查相比，陕北减少5 cm，关中减少1.5 cm，陕南减少2 cm。犁底层较厚，全省超过5成农田犁底层过厚(>20 cm)，较厚的犁底层可能已经影响到作物正常生长发育。

2) 全省农田耕层土壤容重适宜，犁底层土壤容重偏大。犁底层土壤容重平均为1.49 g·cm-3，超出了小麦、玉米生长的适宜范围，在一定程度上限制了小麦与玉米根系的发育和分布，成为农田作物生长的物理障碍。

3) 全省耕层土壤紧实度尚合适，但犁底层土壤紧实度过大，形成明显的障碍层。粮食主产区关中地区最为突出，近90%的样点存在犁底层物理障碍，且1/3以上的样点障碍程度较严重；陕南地区50%以上样点存在犁底层障碍；陕北地区近70%的样点存在犁底层障碍但程度较轻。

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Evaluation of soil physical obstacles on cropland in Shaanxi Province

SHI Lei1, XU Ming-xiang2, DONG Li-ru2, SHI Chen-di1, QIU Yu-jie1

(1.SoilandFertilizerWorkstation,DepartmentofAgricultureofShaanxiProvince,Xi'an,Shaanxi710000,China;2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;3.ShaanxiLandEngineeringConstructionGroup,InstituteofLandEngineeringTechnologyinShaanxiProvinceCo.,Ltd.,KeyLaboratoryofDegradedandUnusedLandConsolidationEngineering,MinistryofLandandResources,PRC,Xi'an,Shaanxi710075,China)

Keywords:crop land soil; physical obstacles; tillage layer; plow pan; compaction; Shaanxi Province

Abstract：In order to understand the situation of soil physical obstacles on farmland in Shaanxi Province, a comprehensive investigation of soil layer thickness, soil bulk density and compaction was conducted in 1100 plots from 228 sites over the whole province in 2013. Soil physical obstacles were evaluated based on the indicators mentioned above. The results showed that the average thickness of top soil was 17.3 cm in the whole province, and a thinner value of 14.4 cm was found in northern Shaanxi. The average thickness of plow pan was around 20 cm, and 14.5 cm, 18.1 cm and 20.1 cm were present in northern Shaanxi, Guanzhong and southern Shaanxi, respectively. In addition, the bulk density of topsoil averaged at 1.25 g·cm-3in the whole province. However, bulk density in northern Shaanxi Province was 1.35 g·cm-3in average. The average bulk density of plow pan was 1.49 g·cm-3in the province, which was higher than the threshold value of 1.45 g·cm-3and could be an obstacle for crop root growth. Moreover, the average compaction of tillage layer and plow pan in the province was 781 kPa and 2901 kPa, respectively. The compaction of tillage layer was suitable for crop growth; however, the compaction of plow pan was too tight for crops to growth normally.

文章编号：1000-7601(2016)03-0046-08

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.03.07

收稿日期：2015-07-30

基金项目：科技基础性工作专项“黄土高原生态系统与环境考察”(2014FY210100)

作者简介：石磊(1972—)，男，陕西洋县人，学士，主要从事土壤肥料及农田土壤管理工作。E-mail:shilei@163.com。 通信作者：许明祥(1972—)，男，陕西吴起人，副研究员，主要从事土壤质量演变与调控研究。E-mail:xumx@nwsuaf.edu.cn。

中图分类号：S152.5

文献标志码：A