陳秀琴， 杜國強(qiáng)， 楊德軍①

(1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院, 江蘇 徐州 221116; 2.徐州徐工環(huán)境技術(shù)有限公司， 江蘇 徐州 221116)

土壤緊實(shí)度(soil compaction)又叫土壤硬度或土壤堅(jiān)實(shí)度或土壤穿透阻力,是指土壤抵抗外力壓實(shí)和破碎的能力,是土壤性質(zhì)的一個(gè)方面[1]。通常將容重作為土壤緊實(shí)度衡量指標(biāo)[2],用于評(píng)價(jià)土壤耕作條件,衡量耕作質(zhì)量[3]。當(dāng)土壤被壓實(shí),孔隙率會(huì)下降,其他的理化性質(zhì)(如含水率、透氣性、孔隙率、抗剪強(qiáng)度等)備受影響[4],從而影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)及繁殖[5-6]。所以,土壤緊實(shí)度在作物生產(chǎn)和環(huán)境管理上備受關(guān)注[7]。此外,土壤緊實(shí)度與土壤質(zhì)地、容重和含水率關(guān)系密切[8],土壤含水率通常是影響土壤壓實(shí)過程的最重要因素[9-10],且影響程度隨深度的增加而增大[11]。

目前各學(xué)者對(duì)土壤緊實(shí)度提出了許多預(yù)測(cè)模型。AYERS等[12]、UPADHYAYA等[13]和BUSSCHER[14]在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法分別提出了不同的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵越沂就寥浪峙c容重對(duì)緊實(shí)度的影響規(guī)律。HERNANZ等[15]認(rèn)為測(cè)量過程中土壤受緊實(shí)度壓迫會(huì)產(chǎn)生一定程度的彈性形變,因此在Busscher模型的基礎(chǔ)上增加了深度作為獨(dú)立變量,試圖提高模型的預(yù)測(cè)精度[16]。林劍輝等[17]以決定系數(shù)R2與統(tǒng)計(jì)殘差作為檢驗(yàn)指標(biāo),針對(duì)容重預(yù)測(cè)精度,對(duì)4種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行檢驗(yàn)與比較分析,結(jié)果表明,Ayers和Upadhyaya模型預(yù)測(cè)精度較高,Busscher與Hernanz模型預(yù)測(cè)精度較低。

干旱半干旱農(nóng)業(yè)區(qū)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性通常很差,在暴雨或大暴雨條件下土壤極易遭受侵蝕[18-19]。因此,土壤含水率和緊實(shí)度就成為影響植被成活率的關(guān)鍵因素[20]。該研究基于典型半干旱煤礦區(qū)農(nóng)田進(jìn)行布點(diǎn)采樣,測(cè)定不同時(shí)間段各樣點(diǎn)的土壤含水率和緊實(shí)度,通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出了不同區(qū)域土壤含水率和緊實(shí)度的分布規(guī)律及線性關(guān)系;并結(jié)合4種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臎Q定系數(shù),對(duì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較,從而確定研究區(qū)域的最優(yōu)應(yīng)用模型,為礦區(qū)農(nóng)田的耕作制度和土壤結(jié)構(gòu)改善提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

大柳塔礦區(qū)(39.1°～39.4° N,110.5°～111.2° E)位于陜西省神木縣城西北約52.5 km處,神府東勝煤田中部,陜北黃土高原北緣與毛烏素沙漠過渡地帶。最大勘探深度為356.33 m,境內(nèi)地勢(shì)西北高,東南低,海拔738～1 448 m;年平均降水量368.2 mm,蒸發(fā)量1 319 mm,無霜期179 d,屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)[21]。

研究區(qū)位于大柳塔礦區(qū)礦井3盤區(qū)12304與12305工作面附近。研究區(qū)邊界主要以地形、溝壑、道路為界進(jìn)行確定。由于該區(qū)特殊的氣候條件、特殊的土壤和植被類型以及高強(qiáng)度的煤炭開采,水土流失較嚴(yán)重[22]。該區(qū)域主要土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土,區(qū)內(nèi)基巖巖性以砂巖、砂質(zhì)泥巖及泥巖為主。土壤養(yǎng)分含量缺磷、少氮、鉀有余,有機(jī)質(zhì)含量低,肥力極低,地表土壤平均pH值為8.5。該區(qū)域作物種植以大豆、玉米、小雜糧等為主,耕作方式為深松翻土,灌溉較困難。

研究區(qū)土壤質(zhì)地、酸堿度和養(yǎng)分水平均能代表大柳塔礦區(qū)農(nóng)田土壤性質(zhì),且其作物種類和耕作方式在當(dāng)?shù)鼐哂泻芎玫牡湫托?。所以該區(qū)域?qū)τ诖罅V區(qū)農(nóng)田砂壤土含水率和緊實(shí)度的研究具有代表性和典型性,對(duì)于提高礦區(qū)農(nóng)田化肥的利用率、促進(jìn)半干旱礦區(qū)植物根系生長(zhǎng)和改善耕作方式具有實(shí)際的科學(xué)意義。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用美國SPECTRUM公司研制的 6120型指針式土壤緊實(shí)度儀,其遵循ASAES 313.3標(biāo)準(zhǔn),測(cè)量范圍:0～600 psi(1 psi=6.89 kPa),測(cè)量深度為60 cm,分辨率為7.6 cm,測(cè)量精度為±20 psi。表盤標(biāo)示有綠色刻度(0～200 psi)指示良好的土壤生長(zhǎng)條件;黃色刻度(>200～300 psi)指示一般土壤生長(zhǎng)條件;紅色刻度(>300 psi)指示較差的土壤生長(zhǎng)條件;探桿錐頭:小錐頭(直徑約1.27 cm)用于堅(jiān)硬土壤的測(cè)量,大錐頭(直徑約1.90 cm)用于軟土的測(cè)量。測(cè)量選用大錐頭,儀器測(cè)量過程中以30 mm·s-1的速度勻速向下?lián)u動(dòng)上位機(jī)手柄。采用美國SPECTRUM便攜式POGO土壤多參數(shù)測(cè)定系統(tǒng)和Hydra便攜式土壤含水率測(cè)定儀測(cè)定土壤體積含水率。

該區(qū)黃豆、玉米、大豆和綠豆4種作物為同類地區(qū)典型的糧食作物,具有一定的代表性,對(duì)于研究半干旱地區(qū)作物-土壤力學(xué)性能具有重要意義。選取這4類作物種植區(qū)進(jìn)行研究,分別命名為A、B、C、D區(qū)。采用等距網(wǎng)格布點(diǎn),網(wǎng)格面積為3～5 m2,根據(jù)樣點(diǎn)設(shè)置原則和地塊大小,A、B、C區(qū)均設(shè)置12個(gè)樣點(diǎn),D區(qū)可設(shè)置15個(gè)樣點(diǎn)。采用環(huán)刀法采集樣品,樣點(diǎn)采集深度和質(zhì)量均保持一致,共采集51個(gè)混合土樣。試驗(yàn)在作物收割前(9月3日)、收割初期(9月24日)和收割后期(10月28日)3個(gè)時(shí)期進(jìn)行。每次試驗(yàn)分別對(duì)研究區(qū)51個(gè)樣點(diǎn)地表0～10 cm土層測(cè)定土壤緊實(shí)度Ci(i=1,2,…,n)和土壤體積含水率θi(i=1,2,…,n),再換算成土壤質(zhì)量含水率(土壤質(zhì)量含水率=土壤體積含水率×100/干土壤密度),每個(gè)樣點(diǎn)均測(cè)量5次,取平均值進(jìn)行分析。使用烘干法測(cè)量所取樣品干土壤密度Di(i=1,2,…,n)。每個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)測(cè)定3～4次,取平均值用作數(shù)據(jù)分析。

1.3 土壤含水率與緊實(shí)度模型

選取Ayers模型、Upadhyaya模型、Busscher模型和Hernanz模型進(jìn)行預(yù)測(cè)擬合和對(duì)比研究。Ayers和Perumpral提出了土壤圓錐指數(shù)(緊實(shí)度)-容重-土壤質(zhì)量含水率相關(guān)關(guān)系的模型。

Ci=(A1×DA4)/[A2+(θg-A3)2]。

(1)

Upadhyaya等提出了土壤圓錐指數(shù)-土壤含水率-容重模型。

Ci=B1DB2e-B3θg。

(2)

Busscher在考慮對(duì)Ci的影響時(shí)用冪函數(shù)替換式(2)中的指數(shù)項(xiàng),給出一種冪函數(shù)模型。

Ci=C1θgC2DC3。

(3)

Hernanz等認(rèn)為測(cè)量過程中土壤受圓錐壓迫會(huì)產(chǎn)生一定程度的彈性形變,因此在Busscher模型的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)深度影響因子。

Ci=D1θgD2DD3dD4。

(4)

式(1)～(4)中,Ci為土壤圓錐指數(shù)(緊實(shí)度),kPa;D為土壤容重,g·cm-3;θg為土壤質(zhì)量含水率,%;A1～A4、B1～B4、C1～C4和D1～D4為依賴于土壤類型的擬合常數(shù)。

根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)次數(shù)用最大殘差法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)，測(cè)量?jī)x器精度以及誤差率來表征試驗(yàn)精度。采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件繪制圖表并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率與緊實(shí)度時(shí)空分布及相關(guān)關(guān)系

研究區(qū)土壤含水率和緊實(shí)度時(shí)空分布狀況如圖1所示。土壤平均含水率w為8.3%～16.14%。在收割前、初、后期各作物種植區(qū)土壤含水率和緊實(shí)度均值間差異顯著;收割初期含水率明顯高于其他時(shí)期,緊實(shí)度測(cè)量值明顯低于其他時(shí)期,其中B和C區(qū)土壤平均含水率差異顯著;土壤緊實(shí)度在B、C、D區(qū)差異顯著。同一測(cè)量時(shí)間下,各作物種植區(qū)土壤含水率和緊實(shí)度均值間差異不顯著,B區(qū)土壤含水率最高,D區(qū)土壤緊實(shí)度最低。土壤緊實(shí)度和含水率均屬于中等變異,且變異程度較大,符合正態(tài)分布。這是由于種植作物的差異和田間存在較大的空間變異性[23]。

AYERS等[12]研究發(fā)現(xiàn)砂土和黏土的緊實(shí)度(圓錐指數(shù))與含水率之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而OHU等[24]發(fā)現(xiàn)壤土和黏土的緊實(shí)度(圓錐指數(shù))與含水率之間呈指數(shù)關(guān)系。從圖2可知,土壤含水率w均介于8.30%～16.14%之間,在此區(qū)間內(nèi),A、B、C、D區(qū)土壤含水率和緊實(shí)度之間Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.624、-0.888、-0.592和-0.659,均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),這與AYERS等[12]的結(jié)論一致。且B區(qū)R2為0.79,相關(guān)性較顯著,A、C、D區(qū)均小于0.50。因此,礦區(qū)農(nóng)田砂壤土緊實(shí)度與土壤含水率之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且B區(qū)的相關(guān)性最好。

A區(qū)—黃豆,B區(qū)—玉米,C區(qū)—大豆,D區(qū)—綠豆。

A區(qū)—黃豆,B區(qū)—玉米,C區(qū)—大豆,D區(qū)—綠豆。

2.2 模型擬合

表1為土壤含水率與緊實(shí)度模型的擬合參數(shù)結(jié)果?？傮w來看,Ayers模型對(duì)該研究區(qū)的模擬效果優(yōu)于其他4個(gè)模型。Ayers模型和Upadhyaya模型R2相比于線性模型略有增加;Busscher模型和Hernanz模型R2相比于線性模型略有減小。Ayers模型在各區(qū)域的相關(guān)系數(shù)均大于其他模型,相關(guān)性最強(qiáng),Upadhyaya模型和線性模型次之,Busscher和Hernanz模型相關(guān)性最差。此外,5種模型在B區(qū)的相關(guān)性較大,R2均大于0.7;A、C、D區(qū)的相關(guān)系數(shù)較小,均小于0.5,這主要是由于這3塊區(qū)域種植作物的多樣性和土壤參數(shù)空間變異性較大所致。雖然A區(qū)統(tǒng)一種植黃豆,但每個(gè)地塊黃豆產(chǎn)量差別較大;B區(qū)R2較大,主要是因?yàn)锽區(qū)統(tǒng)一種植玉米,且土壤參數(shù)空間變異性很小。

對(duì)B區(qū)運(yùn)用4種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行擬合,結(jié)果如圖3所示。Ayers模型模擬值較其他模型更接近實(shí)測(cè)值,在B區(qū)模擬效果最好,其均方誤差和均方根誤差也較小,模型的計(jì)算精度較高,誤差較小。Busscher模型和Hernanze模型的擬合結(jié)果一致。當(dāng)含水率w小于9%時(shí),4種模型的模擬值均小于實(shí)測(cè)值,且Ayers模型模擬值小于其他3種模型模擬值;當(dāng)含水率w大于14%時(shí),4種模型模擬值均大于實(shí)驗(yàn)值,且Ayers模型模擬值大于其他3種模型模擬值。

綜上所述,從4種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄M合結(jié)果看來,實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果僅與Ayers模型基本吻合,能夠較好地反映半干旱區(qū)土壤狀況;而Upadhyaya模型與Busscher模型在含水率對(duì)緊實(shí)度的影響趨勢(shì)上與試驗(yàn)結(jié)果存在差異。

表1土壤含水率與緊實(shí)度模型的擬合參數(shù)

Table1Fittingparametersofthemodelforsoilmoisturecontentandsoilcompactness

試驗(yàn)區(qū)線性模型Ayers模型Upadhyaya模型abR2A1A2A3A4R2B1B2B3R2A區(qū)-65731810303731516567876206604315200080005037B區(qū)-127102901807839056923564264908021258256300080C區(qū)-721318802033730616414132254403616747100006036D區(qū)-111602292304340823560835209504616485234010043試驗(yàn)區(qū)Busscher模型Hernanz模型C1C2C3R2D1D2D3D4R2A區(qū)35999-061670034004-061-2440400033B區(qū)20200-1311642078010-131-4266519078C區(qū)29419-072921035001-073-2085400035D區(qū)51396-1221070042001-122-2336400042

圖3 B區(qū)4種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Comparison of the simulated data of the four semi-empirical models with the measured in the experiment in B region

2.3 模型預(yù)測(cè)

土壤緊實(shí)度預(yù)測(cè)模型的形式多種多樣，對(duì)于某種特定的土壤可以得到1個(gè)預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)最優(yōu)的模型[25]。結(jié)合4種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃脱芯克玫木€性模型對(duì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析，從而檢驗(yàn)線性模型的正確性和使用范圍，并確定研究區(qū)域的最優(yōu)應(yīng)用模型。圖4為5種模型的預(yù)測(cè)情況， Upadhyaya模型、Busscher模型、Hernanz模型和線性模型是一類模型，這類模型表明含水率和土壤緊實(shí)度呈一種單調(diào)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即土壤緊實(shí)度隨質(zhì)量含水率的增大而減小。而Ayers模型認(rèn)為含水率和土壤緊實(shí)度的關(guān)系曲線存在拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)左右兩側(cè)含水率和土壤緊實(shí)度分別呈一種單調(diào)的正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系：即含水率w小于10%時(shí)，緊實(shí)度隨含水率的增加而顯著增大，當(dāng)含水率w在10%～50%之間，緊實(shí)度隨含水率的增大而減小，且減小程度下降。

圖4 線性模型和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)對(duì)比結(jié)果Fig.4 Comparison of the linear model with the four semi-empirical models in prediction

不同區(qū)域間不同模型土壤緊實(shí)度差異明顯，但在土壤含水量較高時(shí)差異不顯著，含水量較低時(shí)差異顯著。當(dāng)含水率小于11%時(shí)，土壤緊實(shí)度大于1 000 kPa，當(dāng)含水率w大于40%時(shí)，Ayers模型和Upadhyaya模型中土壤緊實(shí)度預(yù)測(cè)值小于200 kPa；Busscher模型和Hernanz模型中，B、C和D區(qū)土壤緊實(shí)度小于400 kPa，A區(qū)大于400 kPa。對(duì)于線性模型，當(dāng)含水率w大于20%時(shí)，D區(qū)模擬出現(xiàn)負(fù)值；當(dāng)含水率w大于26%時(shí)，A、B、C和D區(qū)模擬結(jié)果均為負(fù)值。由此，線性模型適合含水率較低條件下的模擬，當(dāng)含水率w高于26%時(shí)，其他4種模型模擬效果好于線性模型。當(dāng)含水量w<15%時(shí)，B區(qū)5種模型的預(yù)測(cè)值均高于其他區(qū)域5種模型的預(yù)測(cè)值。此外，5種模型在A和C區(qū)預(yù)測(cè)值均大于B和D區(qū)的預(yù)測(cè)值。

綜上，Ayers模型預(yù)測(cè)效果最佳，相關(guān)性最強(qiáng)，即Ayers模型能夠較好地反映半干旱農(nóng)田砂質(zhì)壤土土壤緊實(shí)度與含水率間的耦合關(guān)系。林劍輝等[26]借助于da與ead這2種獨(dú)立的深度影響因子，采用定義水分影響指數(shù)的方法檢驗(yàn)了4種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭兴峙c行進(jìn)深度的影響作用，也表明Ayers模型解析土壤緊實(shí)度(土壤圓錐指數(shù))、水分與容重的耦合關(guān)系優(yōu)于其他模型；從土壤含水率和土壤緊實(shí)度的預(yù)測(cè)結(jié)果可以得出作物生長(zhǎng)的最適宜含水率空間，能夠?yàn)楸狈礁珊缔r(nóng)田的土壤水分管理和作物生長(zhǎng)管理提供一定的理論指導(dǎo)依據(jù)。

3 結(jié)論

通過對(duì)半干旱區(qū)不同種植區(qū)域、不同時(shí)間階段土壤緊實(shí)度和質(zhì)量含水率分布狀況及相關(guān)性進(jìn)行比較分析,并利用4種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃途€性模型進(jìn)行擬合及預(yù)測(cè),得出以下結(jié)論:

(1)礦區(qū)農(nóng)田土壤緊實(shí)度和含水率在作物收割前、初、后期差異顯著。收割初期土壤緊實(shí)度最低,土壤含水率最高。D區(qū)土壤緊實(shí)度最低。土壤含水率與緊實(shí)度呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2)線性模型和4種半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途贐區(qū)的擬合效果較好,R2均大于0.70。其中Ayers模型擬合效果最好,能夠較好地反映半干旱區(qū)土壤狀況,而Upadhyaya與Busscher模型能反映高含水率對(duì)緊實(shí)度的影響。

(3)模型預(yù)測(cè)結(jié)果得出,Ayers模型和Upadhyaya模型預(yù)測(cè)效果均好于線性模型,其中Ayers模型預(yù)測(cè)效果最佳,即Ayers模型較其他模型能更好地反映土壤緊實(shí)度與含水率間的耦合關(guān)系。

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本刊編輯部2018年1月18日