大中小型拖拉机压实对土壤坚实度和大豆产量的影响

2019-02-21乔金友张宏彬陈海涛谌礼鹏郑大明

农业工程学报 2019年21期

乔金友，张丹，张宏彬，张斌，陈海涛，谌礼鹏，郑大明，孙健

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

0 引言

土壤是非常宝贵的农业生产资源，土壤质量对国家和地区粮食安全及农业可持续有至关重要的作用[1-2]。随着农业机械化水平逐步提升，机械作业环节增多，农业机械对土壤的压实作用也随之增加。机械压实会导致土壤孔隙度变小，致使机耕阻力增加，作物根系生长受阻，进而影响作物产量和品质；同时，机械压实会使土壤的含水率降低，饱和导水率变差，增加地表溢流和土壤侵蚀的可能性，造成土地退化。

20 世纪60 年代，发达国家科研工作者就开始对土壤的压实机理及危害进行研究，1966 年，Taylor 等研究发现，当贯穿阻力接近2 MPa 时，穿透土壤的作物根数急剧减少[3]。1972 年，Charreu 研究发现，在西非国家，土壤压实已经导致作物产量减少了40%以上，而在欧洲的一些地区，因土壤压实而造成作物产量减少了25%~50%[4]。1985 年，Mckyes 等研究发现，作物产量开始随着土壤坚实度的增大而增加，但是当土壤坚实度增加到某一数值后作物产量呈现下降趋势[5]。1990 年，Smith等研究表明：压实后试验区土壤坚实度随着车轮载荷的增加而增大[6]。1995 年，Heisler 等研究表明，农业机械压实主要影响了0~10 cm 深度的表层土壤，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 等研究发现：采用大型机械作业，会造成土壤坚实度明显增大，并且使得60~70 cm 的心土层产生形变[9]。2008 年，Tekeste 等试验发现：单次压实致使20~25 cm 深度的土壤坚实度峰值达到4.02 MPa[10]。2010年，Botta 等研究发现，在小、大型2 种机械作业条件下，大豆产量分别减少了250 和450 kg/hm2[11]。2011 年，Becerra 等试验发现，免耕播种时测区的玉米产量比其他深松和犁耕方式降低了15%左右[12]。2014 年，Jabro 等试验发现，冻融循环可以减轻黏土土壤中30 cm 以上土层的压实负面影响[13]。2017 年，Shah 综述土壤压实对土壤健康和作物产量的影响[14]；2018 年，Bogunovic 等研究发现，免耕试验区比常规耕作、深耕试验区在0~10 cm深度的体积密度平均增加了8%和7%[15]，Sivarajan 等研究了拖拉机轮子压实对玉米、大豆生长和产量的影响[16]。

国内对土壤压实方面的研究相对较晚。1981 年，廖植樨研究表明，不同类型的拖拉机均会造成土壤压实，机械作业后测区的最高土壤容重可达到1.72 g/cm3[17]。1998 年，孙忠英等研究了行走装置参数和负荷对土壤压实作用的影响，提出了减小土壤压实程度的措施[18]。2001 年，迟仁立等研究表明：不同程度压实具有系统累积效应，为免耕、保护性耕作技术应用提供依据[19]。2002 年，李汝莘等研究表明，小四轮拖拉机压实使土壤容积密度明显增加并且超过作物的适应范围，孔隙度减小20%~30%[20]。2002 年，张兴义等研究表明：拖拉机对小麦试验区0~5 cm 土层有显著的压实作用，并且随着碾压次数的增加，小麦的有效穗数降低[21]。2006 年，高爱民等研究表明，新疆-2 号联合收割机对土壤3~5次碾压程度相当于4GG-170型收割碾压10 次以上[22]。2008 年，王恩姮等测定结果表明：中型机械作业区的土壤在17.5~30 cm 范围内形成了新的土壤板结[23]。2009 年，焦彩强等研究表明：旋耕处理的试验地在15~40 cm 土层土壤坚实度明显高于其他处理，证实了旋耕方法会明显导致深层土壤坚实化[24]。2011 年，张娟利等试验表明，当载荷大于3 000 kg的拖拉机作业时会造成0~100 mm 土层的土壤容重增大，当载荷为4 400 kg 的拖拉机作业时，试验区内土壤坚实度比前者增加了59%[25]。2013年，陈溢等研究表明：机械作业对10~20 cm 范围土壤造成了压实，压实后土壤容重和机械作业阻力增加，孔隙度减少，水分下渗受到抑制[26]。2014 年，刘宁等研究指出压实机械、压实次数和土层深度均是影响壤坚实度的显著性因素[27]；同年，杨荣仲等研究发现：甘蔗收割机和收集车碾压使宿根蔗发株减少，而且生长势变差[28]。2017 年，王宪良等研究表明，免耕对0~30 cm 土层土壤坚实度影响较大，而且深松则会使该层土壤坚实度相对减小[29]。2018 年，李毅杰等研究发现：机械作业后，土壤容重、坚实度分别增大了13.34%、127.27%；而深层土壤变化幅度较小[30-31]。

综合国内外相关文献可知，国内外学者在土壤压实成因、压实模型，机械压实对土壤特性以及作物产量影响效果等方面均取得了一定研究成果；但是，这些试验大多集中于研究某一型号农业机械单次作业对土壤相关指标或作物产量的影响。随着农机装备水平和全程农业机械化水平的提高，农业机械种类逐步增加，机械进地作业次数增多，农业机械作业对田间土壤的压实作用越发严重和复杂。因此，结合农业生产机械化实际，研究不同型号拖拉机作业、不同次数压实处理对试验区土壤坚实度及作物产量的变化规律不但具有重要理论意义，而且对合理使用农业机械、保护有限耕地资源、恢复和提升耕地生产能力、更好地保障国家粮食安全，促进农业可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

试验于2018 年4 月—2018 年11 月在东北农业大学向阳试验基地进行，试验区地处松嫩平原南部，属北温带大陆性季风气候，年平均降水量505.4 mm，年平均气温3.3 ℃。2017 年玉米收获后翻耕土壤并耙碎，2018 年春适期平播大豆后选用相应拖拉机按试验方案要求实施压实处理，于2018 年8 月1 日测量土壤坚实度。试验区种植大豆品种为东农252。

1.1 试验用拖拉机与测试仪器设备

依据黑龙江省实际农业机械化生产情况，选择大型（CASE-210）、中型（JD-904）、小型（JD-280）3 种不同型号拖拉机作为代表机型进行土壤压实试验。其中，CASE-210 型拖拉机是黑龙江省农场及现代农机专业合作社标准配置机型之一；JD-904 型拖拉机在农业农机合作社中常用于较轻负荷田间作业和道路运输作业，农户经营小规模生产地区常配置该型拖拉机完成主要农田作业；JD-280 型拖拉机是黑龙江省农村小规模生产单位配置的功率最小的拖拉机，在实际生产中保有量非常大。试验用拖拉机的基本参数如表1 所示。

在大豆生产中期，采用荷兰Eijkelkamp 公司生产的PV6.08 贯穿阻力仪测试各试验小区压实截面的土壤坚实度，该仪器测试精度为0.1 MPa。大豆成熟后，采用JE1002型号电子天平测试试验小区收获大豆籽粒的样本量（精度0.01 g）；采用DG-101-1S 电热恒温干燥箱测试收获大豆籽粒含水率（精度±1 ℃）。

表1 试验用拖拉机基本参数 Table 1 Basic parameters of experiment tractors

1.2 试验方案设计

设置压实和对照（CK）2 种试验测区。压实测区完成大豆播种后，依次采用3 种不同型号拖拉机完成不同次数的压实处理。参照大豆全程机械化实际生产过程，机组的年进地次数为10 次左右，确定试验区的拖拉机压实次数为2~12 次，分为6 种处理且压实次数等间隔递增；为了消除因试验区土壤分布不均匀对试验数据造成的误差，每种型号拖拉机的压实处理均设置3 次重复，并且分别位于3 个不同测试列区，3 种机型的压实区共有9 个试验列区。2 个对照列区宽度均为2.6 m，分别位于压实测试列区的两侧，对照列区无任何机械压实处理。

试验列区纵向均匀分为6 个试验小区，每个试验小区长度为20 m，2 试验小区间距6 m，为供试验的拖拉机转弯、转移空间，同时也是各试验小区间的隔离区。为保证数据的准确性，试验列区边界与近侧压实轮辙间的距离为1.3 m。依据随机区组试验原理，同型号拖拉机不同压实次数试验小区在相应各列区上均有分布，且同次压实处理的试验小区在不同列区纵向上的不同位置均有分布。为了消除试验地块土壤的不均质性和便于进行分析比较，每个对照列区纵向也对应分为6 个小区。

依据前述的方案设计，试验区的总宽度为53.3 m，总长度为162 m。在实际执行时，按上述方案划分小区，并在每个试验小区边界及压实位置插入不同标签，并注好标号。试验区划分及压实小区分布如图1 所示。

图1 试验区规划与压实小区分布简图 Fig. 1 Schematic of planning of test area and distribution of compacted plots

1.3 试验数据测试与处理方法

1.3.1 土壤坚实度测试

拖拉机压实后，于8 月1 日测取各对照小区和压实试验小区土壤坚实度。为消除因土壤分布不均匀对试验结果造成的误差，在每个压实测试小区压实轮辙处随机选取3 个截面测取土壤坚实度，每个供试土壤截面沿压实轮辙中心线向两侧对称等间隔测取9 个点，每测点间隔10 cm，测试截面宽度为80 cm；测试时贯穿阻力仪测试杆与所测地面垂直，以5 m/s 的速度匀速插入土壤，在每个测点处依次测取0~80 cm 深度的土壤坚实度数，采样间隔为1 cm。测试截面测点分布如图2 所示。

1.3.2 大豆产量测试

大豆成熟后，在每个测试小区压实轮辙两侧随机选取长1.54 m、宽1.3 m（大约2 m2）范围作为测产区，每个测试小区3 次重复。人工收割、装袋，同时将编号标签对应放入袋中，收割、装袋时注意动作要轻，避免因炸荚丢粒影响测试数据的准确性。人工脱粒后，使用电子天平称取籽粒质量。依据国家标准GB/T5009.3-2016，采用整粒烘干法测取大豆籽粒干物质质量[32]，采用式（1）计算试验小区大豆籽粒含水率。

式中C0为测取的大豆籽粒含水率，%；m0为烘干前样本及铝盒质量，g；m1为烘干后样本及铝盒质量，g；m 为铝盒质量，g。

采用式（2）计算标准含水率条件下试验小区大豆产量。

式中M 为标准含水率下测试小区大豆产量，g；C 为大豆标准含水率，%（取13%[33]）。

图2 测试截面测点分布 Fig.2 Distribution of test points in test section

1.3.3 试验数据有效性检验

按照机型、测试时间、压实次数等因素分别归类整理试验数据。为了消除试验数据的人为误差以及因土壤质地分布不均匀造成的数据误差，提高试验的可靠性，首先采用常用的χ2检验方法检验原始试验数据是否服从正态分布[34]，针对符合正态分布的数据采用统计学中3σ原则剔除异常数据。由于试验测取的土壤坚实度数据非常庞大，采用Matlab(R2016b)编制程序，将剔除异常值后的有效数据代入程序中计算同种机型、相同压实次数处理下各测试小区土壤坚实度平均值等指标。

2 结果与分析

2.1 拖拉机压实对土壤坚实度的影响

采用Sufer12.0 软件绘制不同型号拖拉机、不同次数压实处理下测试截面各测点的土壤坚实度等值线图，依图分析不同型号拖拉机、不同次数压实处理对测区截面的土壤坚实度影响规律。

2.1.1 CASE-210 型拖拉机压实对土壤坚实度的影响

CASE-210 型拖拉机不同压实次数土壤坚实度等值线图如图3 所示。

图3 CASE-210 拖拉机压实后测区截面土壤坚实度等值线图 Fig.3 Contour map of soil compactness compacted with CASE-210 tractor

由图3 可以看出，采用CASE-210 型拖拉机压实后，试验小区测试截面内土壤坚实度呈现出随着压实次数的增加而逐渐递增的趋势，并且表层区域的土壤坚实度变化十分明显。当拖拉机压实2 次时，在测区截面轮胎车辙压实中心下方10~30 cm 深度形成了宽度为35 cm左右的压实核，核内的土壤坚实度峰值达到3.2 MPa，相较于同区位对照测区的土壤坚实度峰值增大了4 倍，即压实2 次就对表层土壤造成了明显的压迫作用；随着拖拉机压实次数的增加，压实核内的土壤坚实度逐渐增大，且压实核的影响范围由轮辙中心逐渐向四周扩散；压实6 次时，压实核位于5~35 cm 土层，宽度达50 cm，压实核内土壤坚实度最大值为3.4 MPa；压实12 次时，压实核内土壤坚实度峰值增至4.0 MPa，相较于2 次的压实核土壤坚实度峰值增大了1.25 倍，比对照区同深度土壤坚实度增加了5 倍，随着压实次数的增加，拖拉机作业对深层土壤的压迫效果逐渐积累；同时，压实核的影响范围也扩大至轮胎下方5~40 cm 土层范围，影响宽度增至60 cm 左右，并且该处压实核内土壤坚实度的密集程度达到最大。压实后轮胎下方深层土壤的坚实度明显增大，当压实2 次时，40~80 cm 土层土壤坚实度比对照区同深度土壤坚实度峰值增大了约0.4 MPa；当压实4~10 次时，深层土壤坚实度稍有增加但是变化不大，影响范围随着压实次数增加由压实轮胎下方向两侧扩展；当压实12 次时，压实对土壤坚实度的影响深度由下方向上逐渐扩展至表层压实核区域，且向两侧几乎扩展到整个测试宽度（轮胎中心左右各40 cm)，在65~80 cm深层的土壤坚实度峰值最大，达到了2.8 MPa。

2.1.2 JD-904 型拖拉机压实对土壤坚实度的影响

依据各试验小区压实测试截面土壤坚实度数值，得到JD-904 型拖拉机不同压实次数下的土壤坚实度等值线图；如图4 所示。

由图4 可以看出，采用JD-904 型拖拉机压实后，测试区截面的土壤坚实度变化明显。当拖拉机压实2 次时，在压实轮辙中心下方5~20 cm 土层形成宽度为35 cm 的压实核，核内土壤坚实度峰值为2.3 MPa，比对照区同深度土壤坚实度峰值增大了1.5 MPa；随着压实次数的增加，压实核内的土壤坚实度也随之增大，并且压实核的影响范围也随之扩散，当压实8 次时，压实核深度范围扩至10~30 cm、宽度达40 cm,压实12 次时，表层区域的压实核内土壤坚实度扩大至轮胎下方5~40 cm 的土层、宽度为50 cm，核内土壤坚实度峰值达3.4 MPa，比压实2 次时压实核内的土壤坚实度峰值增大了1.48 倍、比对照区同深土壤坚实度增加了4.25 倍。轮胎下方的深层土壤坚实度也随着JD-904 拖拉机压实次数增加而逐渐增大,压实2~6 次时，40~80 cm 土层的土壤坚实度稍有增加；随着压实次数增加，压实的影响范围由轮胎中心下方60~80 cm 的深层土壤开始向上方和两侧扩展，当压实8~12 次时，65~80 cm的土壤坚实度峰值增至2.4 MPa，比对照测区同深度土壤坚实度峰值增大0.6 MPa。

2.1.3 JD-280 型拖拉机压实对土壤坚实度的影响

依据各试验小区压实截面土壤坚实度数值，可得JD-280 型拖拉机不同压实次数对土壤坚实度的影响规律等值线图如图5 所示。

图4 JD-904 拖拉机压实后测区截面土壤坚实度等值线图 Fig.4 Contour map of compactness in soil compacted with JD-904 tractor

图5 JD-280 拖拉机压实后测区截面土壤坚实度等值线图 Fig.5 Contour map of compactness in soil compacted with JD-208 tractor

由图5 可以看出，采用JD-280 型拖拉机压实后，测试截面的土壤坚实度随着压实次数的增加而呈现出增加的趋势；当拖拉机压实2 次时，压实截面轮辙中心下方5~15 cm 的表层深度处形成宽度约为20 cm 压实核，核内土壤坚实度峰值2.3 MPa，相较于对照测区同区位土壤坚实度峰值增大了约1.3 MPa；随着压实次数的增加，压实核内的土壤坚实度增加，并且影响范围逐步扩散，压实8次时，压实核位于地表下方10~25 cm、宽度达50 cm，压实核内土壤坚实度峰值达3.0 MPa，比对照区同深度土壤坚实度增加了3.75 倍；压实10~12 次时，该压实核的影响范围逐渐扩大至轮胎下方5~45 cm 的土层，压实核内的土壤坚实度峰值达到3.2~3.6 MPa，比对照区同深度土壤坚实度峰值增大2.29~2.57 倍。采用JD-280 拖拉机压实2~6 次时，压实轮胎下方深层的土壤坚实度影响范围由40 cm 的深层区域扩散至表层区域压实核的影响区域处，并且影响范围几乎扩展到整个测试宽度，与对照区深层土壤坚实度相比，压实后同区域的土壤坚实度略有增加；压实8~12 次时，65~80 cm 深度土壤坚实度明显增加，影响范围由轮胎下方向两侧扩展，压实12 次时，该深度土壤坚实度峰值增至3.2 MPa，比对照区同深度土壤坚实度峰值增大了1.4 MPa，增加了1.68 倍。

2.2 拖拉机压实对大豆产量的影响

按照前述试验方案及测试方法测试不同试验区域大豆籽粒收获量，计算标准含水率条件下收获大豆籽粒质量，剔除数据后，采用SPSS23.0 软件进行各测区大豆产量的方差分析与多重性比较，分析同种机型、不同次数压实处理下大豆产量的显著性，不同拖拉机、不同压实次数对大豆产量影响差异显著性分析结果如表2 所示。

由表2 可知，3 种拖拉机压实均致使大豆减产，各机型压实对产量的影响程度不同。CASE-210 型拖拉机压实后大豆产量随压实次数增加呈降低趋势，压实2次时，大豆产量下降约230.76 kg/hm2，降低了9.12%；压实12 次的大豆产量比对照区下降了537.35 kg/hm2，降低了21.24%。采用JD-904 型拖拉机压实2 次时，测试小区大豆产量比对照区下降124.2 kg/hm2，降低约4%；压实12 次的大豆产量下降459.1 kg/hm2，降低了18.15%；采用JD-280 型拖拉机压实2 次时，小区大豆产量下降约355.26 kg/hm2，降低14.04%，压实12 次时对产量影响最明显，大豆产量下降约18.15 kg/hm2，降低了12.38%。

表2 不同拖拉机压实大豆产量 Table 2 Soybean yield of different compaction times of different tractor (kg·hm-2)

3 讨论

3.1 不同机型压实对土壤坚实度的影响

3 种型号拖拉机压实后各测试小区土壤坚实度均明显增大；在5~30 cm 土层深度，CASE-210 拖拉机压实后测区的土壤坚实度影响程度和影响范围明显大于JD-904、JD-280 两种机型；压实2~8 次时，JD-280 拖拉机压实的测区土壤坚实度影响程度最小，而CASE-210拖拉机测区坚实度的影响程度最大；当拖拉机压实10~12次时，60~80 cm 的土层深度，JD-280 拖拉机压实小区的土壤坚实度值最大，CASE-210 拖拉机压实小区的坚实度值最小，表明较多压实次数对深层土壤造成严重的压迫作用。试验表明，大型拖拉机压实对浅表层土壤坚实度影响较大，小型拖拉机压实对深层土壤坚实度影响较大。压实机械、压实次数和压实深度都是影响土壤坚实度的显著因素，不同压实机械的质量不同、接地面积不同会产生不同的压实效果，并且不同次数的压实对土壤坚实度的影响深度和程度不同，这与刘宁等研究相似[27]。

无论哪种型号拖拉机压实后，在测区截面不同的土层深度均出现压实核，测试截面的压实核内土壤坚实度值均呈现出随着压实次数增加而递增的规律。不同拖拉机压实后，压实核出现的位置以及压实核随压实次数变化规律不同，CASE-210 型号拖拉机压实后出现的压实核的影响范围、影响面积最大，小型拖拉机压实后土壤截面出现的压实核相对不明显。与对照区相比，大型拖拉机（CASE-210）压实10～12 次、中型拖拉机（JD-904）压实6～12 次时大豆产量差异显著，其他次数压实处理下，3 种机型对测区内的大豆产量影响不显著具有累积效果，这与Botta 和周艳丽等研究相似[11,31]。

3.2 拖拉机压实对大豆产量的影响

研究表明，无论哪种型号拖拉机压实均使试验区大豆减产，与对照区相比，与对照区相比，大型拖拉机（CASE-210）压实10～12 次、中型拖拉机（JD-904）压实6～12 次时大豆产量差异显著，其他次数压实处理下，3 种机型对测区内的大豆产量影响不显著（P<0.05）。此结果与Charreu 和Shah 等的研究成果基本一致[4,14]。主要原因是由于拖拉机压实破坏土壤结构，使土壤坚实度增加，并且压实次数增加对土壤物理性能影响加剧，致使大豆减产[4-5]。在实际生产中，应减少拖拉机压实次数，有针对性合理选择拖拉机型号，以改善土壤结构，提高耕层质量，进而提高作物产量。