黄土旱区土壤物理隐性退化研究与思考

刘 哲

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司， 陕西 西安 710075； 2.自然资源部 退化及未利用土地整治工程重点实验室， 陕西 西安 710075； 3.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心， 陕西 西安 710075)

土壤物理性状包括土壤质地、孔隙、容重、结构以及水热动态等，直接影响作物的生长发育，能够直观指征土壤供给养分的能力[1-4]。土壤物理质量问题在表征土壤的质量特点上具有重要作用，因为良好的土壤物理状态能够很好地协调水、肥、气、热的循环和供应[5-6]，维持作物根系生长的各项生理功能，提高根系对土壤水分与养分的利用效率；同时也能提高土壤结构的稳定性，增加作物对外界环境的协调适应能力等[7-8]。土壤的质量好坏是关乎未来我国农产品安全和人类健康可持续发展的根本保障[9]。

1 土壤退化与土壤隐性退化

土壤退化是在自然因素和人为因素的共同作用下使得土壤质量性状变坏和数量明显减少、土壤生产力减退直至荒芜变为不毛之地的过程。土壤退化可分为显型退化和隐形退化，显型退化发生在表面，显而易见，能够被人们所察觉而得到重视；隐性退化发生在土壤下层，隐蔽性强，不易被察觉，未能引起人们足够的重视[10]。土壤性型退化又可以细分为隐性退化和隐形退化，二者的发生部位都是在土壤下层，但隐性退化是指土壤物理性质的退化，包括容重、通气性、孔隙、透水性等；隐形退化是指土体构型的退化，其对土壤的功能具有深刻影响，包括土壤整体剖面构型变化、剖面内部紧实化等[11]。土壤物理退化导致农田土壤10 cm以下土层普遍紧实，犁底层增厚并上移，形成了明显的机械障碍层，土壤团聚体数量减少，结构稳定性变差，土壤易被侵蚀，土壤肥力下降，农药残留量增大等生态环境问题[12-14]。

2 黄土旱区土壤物理隐性退化

陕西黄土旱区关中和渭北一带随着土地高强度、集约化利用及化学物质如化肥、农药、地膜等的大量施用，使陕西黄土旱区土壤物理隐性退化问题越来越突出[15-16]。自从实行土地承包制以来，不仅复种指数增加，大量施用化肥，土地多采用旋耕的耕作方式，这些都是诱导土壤物理退化的外部因素[17-18]。目前，关中和渭北一带存在施肥不增产、不施肥便减产，化肥的使用量居高不下等问题；历史上曾提倡的“一炮轰”施肥技术已经不能满足作物各个生育阶段对养分的需求，追肥次数在不断增加，而在泾阳、三原、高陵一带，非水田长时间地表积水和逢雨田边河水必涨等，都与农田土壤物理隐性退化密切相关。由于土壤内部已经产生了隐性变化，容重、紧实度、饱和导水率、团聚体等的变化所引起的土壤物理隐性退化将严重制约农业的健康可持续发展，已经成为制约陕西粮食安全生产、环境及生态安全的关键问题，亟待研究其发生机理，以便得到及时有效地改良与矫正，科学调控土壤物理性状，保证土壤健康可持续发展和粮食安全。

3 现代黄土旱区土壤物理隐性退化评价及研究内容

3.1 黄土旱区土壤物理隐性退化状况调查与评价

借助探地雷达技术，结合打钻和挖剖面等方法，大范围调查现代黄土旱区农田、果园等土体剖面特征，辅助于对剖面容重、紧实度、孔隙度、饱和导水率等指标逐层测定，全面普查农田土壤内部土壤物理隐性退化状况，明确需要重点调控改良的土层现状。采用偏光显微技术和CT扫描等现代土壤微结构分析技术，逐步分析不同物理退化土层的微观结构，分析不同隐性退化条件下农田土壤的微形态结构特征与理化性状的异同点，综合评价黄土旱区土壤物理隐性退化状况。

3.2 黄土旱区农田土壤物理隐性退化的时空变异特征及发生机理分析

现代黄土旱区土壤的物理状态存在着潜在的退化现象，土壤物理机能呈现出一定的疲劳状态，对土壤物理退化指标与土壤含水量变化过程进行监测，分析不同质地性状、团聚水平的土壤对水分变化的敏感性，再结合对紧实度、容重、孔隙等状态指标以及颗粒组成、碳酸钙含量指标等进行大尺度调研，明确现代黄土旱区典型农田土壤物理退化指标的时空变异特征，通过对比分析不同机耕方式、种植方式、施肥方式及灌溉方式的单一或共同作用等对土壤物理退化的影响机制，探求人为因素导致还是自然因素造成的土壤物理退化，揭示土壤物理退化的发生条件与机理。

3.3 物理隐性退化的危害性分析及评价

土壤物理退化的危害性研究及评价主要从以下3个方面进行。一是土壤物理退化对水分入渗能力及作物抗旱性影响。分析土体退化对土壤水库储水、地面长时间积水、地面径流、养分流失以及面源污染的作用与影响情况。二是土壤物理退化对养分利用率作用与影响。探究对土体退化响应敏感的营养元素，揭示目前土壤贪肥的基础与背景，为实施减量施用化肥提供科学依据。三是土壤内部退化对不同类型作物根系延伸阻力的作用与影响。探究退化土壤对主要农作物根系空间分布、根系活动以及对根系衰老的作用机理，揭示退化对作物抗寒、抗旱、抗热、抗倒伏及产量、品质的作用规律。

3.4 土壤物理隐性退化综合调控技术试验

针对现代黄土旱区典型农田内部土壤物理退化现状、发生机理以及对作物根系生长发育的影响机制，通过田间定位实验和室内模拟实验相结合的方式，分别采用耕作方式、施肥方式、不同有机物料改良试验等进行土壤物理退化综合调控，研究这些综合调控措施对作物根系、土壤环境及水分效应的改善效应，以防控土壤物理退化对土壤及作物的影响。

4 土壤物理隐性退化研究方法

以关中地区及陕北地区农田土壤为主要研究对象，前期借助3S技术，将通过野外实地调查，田间长期定位监测以及室内模拟方法相结合，对土壤物理退化现象进行全面调查和研究。一是野外实地调研，根据不同机耕方式、种植方式、施肥方式等条件，采用探地雷达技术，结合打钻和挖剖面法，逐层测定分析剖面容重、紧实度、孔隙度、饱和导水率值等土壤物理指标，运用高倍电子镜检技术等现代技术和ImageJ等数字图像处理技术，分析土壤物理退化土层的微观结构特征。二是田间长期定位监测，逐层进行不同耕作方式、不同有机物料及不同种植方式下土壤物理退化的指标的测定与统计分析，建立黄土旱区农田土壤质量评价指标体系与预警模型。三是室内模拟实验，模拟不同土体有机重构材料、不同耕作措施及不同种植方式对土壤物理退化指标的改良影响，探索不同方式对土壤物理退化状况的调控贡献率。

5 结语

通过室内模拟实验和田间长期定位实验，探究不同种植方式、耕作模式、施肥方式等综合调控技术下，土壤物理退化状况的变化特征、作物生理生长指标和对氮磷钾钙等营养元素的吸收特征，构建适合改善现代黄土旱区的土壤物理退化状况综合调控技术，建立黄土旱区农田土壤质量评价指标体系与预警模型，进一步加强土壤的科学管理，关注土壤的健康状态，对于保障黄土旱区粮食安全、保护生态环境和维持土壤健康可持续发展具有重要的理论价值。