秸稈添加與土壤基質勢對棕壤壓縮回彈特性的影響

安 晶， 黎 明， 肖質秋， 虞 娜， 鄒洪濤， 張玉龍

(沈陽農業大學土地與環境學院，沈陽 110866)

土壤板結是傳統農業和現代農業共同面臨的一個重要問題。隨著農業機械化程度提高，由土壤板結造成的土壤退化面積正逐年增大。土壤板結將會導致土壤孔隙度降低、硬度增大和通氣性降低等一系列問題。土壤板結的形成與土壤壓縮回彈特性密切相關。前人通常采用計算壓縮曲線中的相關指標來評價土壤壓縮回彈特性，這些指標包括預固結壓力值、壓縮指數和回彈指數等。預固結壓力值代表土壤的承壓能力，當外施壓力超過預固結壓力值時，土壤發生塑性形變。壓縮指數被認為是評價土壤板結敏感性的指標，壓縮指數越大，土壤發生板結的風險性越高?；貜椫笖当碚魍寥辣粔嚎s后膨脹回彈的能力，回彈指數越大，說明土壤被壓縮后回彈能力越強。有機質含量及土壤水分是影響土壤板結的重要因素，但二者及其交互作用對土壤壓縮回彈特性的影響的研究結果不盡相同。有研究表明，土壤預固結壓力值、回彈指數均與有機質呈顯著正相關關系。林琳等研究認為，黑土回彈指數未隨有機質含量的增加而表現出明顯的變化規律，有機質含量對相同壓實程度土壤的恢復能力無顯著影響；關于土壤水分對土壤壓縮回彈指標的影響，有研究認為，土壤預固結壓力值隨著土壤基質勢增加而增大。土壤基質勢同壓縮指數無相關性，但黑土的壓縮指數同土壤基質勢呈負相關關系。Lima等認為，土壤的壓縮性與土壤含水量間呈現拋物線關系。Blano-Canqui等研究指出，在相同含水量條件下，秸稈的添加將改變土壤的基質勢。秸稈添加對土壤壓縮特性的影響很可能是由于基質勢的改變而造成的，從而掩蓋了秸稈添加對土壤壓縮特性的直接作用。因此，研究土壤基質勢對土壤壓縮特性的影響更具有意義。秸稈中含有豐富的有機物料且富有活力。秸稈還田是增加土壤有機質含量的重要措施之一，在農業生產中已經廣泛應用。但是秸稈還田后，秸稈還田量和土壤基質勢及其交互作用對土壤壓縮回彈特性的影響尚不明確。本研究通過室內模擬固結試驗，探討土壤壓縮回彈特性同秸稈添加量和土壤基質勢間的關系，研究結果將為秸稈資源化利用和降低土壤板結風險提供理論依據和指導作用。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

自沈陽農業大學后山試驗基地采集棕壤樣品，采樣深度為0—20 cm，容重為1.36 g/cm。pH為5.70，有機質含量13.24 g/kg,顆粒組成：砂粒64.54%，粉粒9.81%，黏粒25.71%。土樣經自然風干，挑除植物根系、動植物殘體及其他異物，過2 mm篩，充分混勻后，裝入保鮮袋中備用。裝袋之前測定風干土的含水量。

1.2 試驗設計

試驗于2021年6月在室內且通風良好條件下進行。將秸稈粉碎成細末過60目篩，按照0，3，5 g/kg的比例添加于供試土壤中(相當于大田秸稈還田量0，7 800，15 000 kg/hm)，制備成不同秸稈添加量的供試土樣，其相應代碼分別為CK,AD3和AD5。以土壤基質勢為試驗因素，設高(1 000 kPa)、中(100 kPa)和低(10 kPa)3個水平。初始容重設定為1.30 g/cm，2因素完全組合，共9個試驗處理。

1.3 測定項目與方法

所用單個供試土樣用容重環制作，容重環高2 cm,體積為60 cm。為了確保單個供試土樣內部密度均一，填裝前先稱取欲充填的濕土，分2層逐次填至容重環內。供試土樣進行飽和后，通過水頭法和壓力膜儀控制土壤基質勢，得到不同土壤基質勢的供試土壤樣品。

土壤壓縮-回彈試驗采用GZQ-1型全自動氣壓固結儀進行。按照12.5，25，50，75，100，150，200，150，100，75，50，25，12.5，25，50，75，100，150，200，400，800，1 200，1 600 kPa荷載次序對試樣施加壓力()，每個壓強下持續10 min，記錄土壤形變量并計算對應孔隙比()，得到壓縮曲線、回彈曲線和再壓縮曲線，每個處理3次重復。

1.4 土壤壓縮回彈特性指標的計算

利用Gompertz方程對壓縮曲線進行擬合:

=+exp{-exp[(log-)]}

(1)

式中：、、和為擬合參數。

壓縮指數()計算公式為：

(2)

壓縮曲線曲率()計算公式為：

(3)

令公式(3)的二階導數為0，即可求得土壤壓縮曲線最大曲率()處的壓力值()，即預固結壓力值(，kPa)。

回彈指數為回彈曲線和再壓縮曲線兩交點斜率。

1.5 基于主成分分析的土壤壓縮回彈特性綜合評價模型

不同秸稈添加量和土壤基質勢處理下土壤壓縮回彈特性指標(最大曲率、預固結壓力值、壓縮指數和回彈指數)組成矩陣進行主成分分析，選取累積百分率≥75%的主成分因子，選取主成分的特征向量構成主成分方程。再根據主成分貢獻率，構建土壤回彈和抗壓縮特性的綜合評價模型。

1.6 數據處理

采用SPSS 24軟件進行單因素及二因素方差分析，處理間差異顯著性用Duncan 單因素方差分析法。使用 Matlab 2016最小二乘法lsqcurvefit 函數對壓縮、回彈和再壓縮曲線進行擬合，并計算壓縮指數和回彈指數。采用R Soilphysics包計算最大曲率和預固結壓力值。采用主成分分析法，構建綜合模型來反映秸稈添加量和土壤基質勢對土壤回彈和抗壓縮特性的影響。使用Origin 2017軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 壓縮曲線的最大曲率

壓縮曲線最大曲率是壓縮曲線由“彈性”向“塑性”階段過渡部分的斜率，它的數值大小代表著土壤受外力作用下失去彈性的快慢及發生土壤板結的速度。

相同基質勢條件下，最大曲率隨秸稈添加量變化規律相同，即隨著秸稈添加量的增加，最大曲率呈下降趨勢(圖1)。同CK相比，AD5處理顯著降低了最大曲率(<0.05)。在中高基質勢條件下，AD3處理對最大曲率的影響差異顯著(<0.05)。但是在低基質勢條件下，AD3處理對最大曲率無顯著影響(>0.05)。在中基質勢條件下，AD3和AD5處理對最大曲率影響不顯著(>0.05)。

注：圖柱上方不同小寫字母表示相同基質勢條件下不同秸稈添加量間差異顯著(p<0.05)；不同大寫字母表示相同秸稈添加量條件下不同基質勢間差異顯著(p<0.05)。下同。圖1 秸稈添加量和土壤基質勢對土壤壓縮曲線最大曲率的影響

相同秸稈添加量條件下，土壤壓縮曲線最大曲率隨土壤基質勢的增加總體呈現上升趨勢(圖1)。AD5處理下，中高基質勢處理下的最大曲率顯著高于低基質勢處理下的最大曲率(<0.05)。AD3處理下，各基質勢處理對最大曲率影響差異不顯著(>0.05)。

雙因素方差分析結果表明，秸稈添加量與土壤基質勢對土壤壓縮曲線最大曲率影響的差異顯著(<0.05)，但二者的交互作用對最大曲率的影響未達到顯著性水平(>0.05)(表1)。

表1 秸稈添加量及土壤基質勢對土壤壓縮曲線最大曲率的方差分析

2.2 預固結壓力值

預固結壓力值()被認為是受到外力作用后，土壤形變由彈性階段向塑性階段轉變的壓力值分界點(kPa)，其數值越大，則該土壤抵抗外力壓縮、保持原有結構不變的能力越強。不同秸稈添加量和土壤基質勢處理下，預固結壓力值的變化范圍為42.34～71.07 kPa，秸稈添加量為3 g/kg、土壤基質勢為1 000 kPa時，預固結壓力值最大(圖2)。

圖2 秸稈添加量和土壤基質勢對預固結壓力值的影響

相同秸稈添加量處理下，預固結壓力值隨著土壤基質勢的增加而增大(圖2)。同CK相比，AD3處理下，土壤基質勢對預固結壓力值的影響差異不顯著，但比CK處理在相同基質勢條件下的預固結壓力值分別增加了57.57%，35.45%和1.50%。當土壤基質勢為100 kPa時，AD5處理的預固結壓力值顯著高于CK處理。

雙因素方差分析結果(表2)表明，秸稈添加量、土壤基質勢以及二者間的交互作用均顯著影響土壤預固結壓力(<0.05)。

表2 秸稈添加量及土壤基質勢對壓縮指數的方差分析

2.3 壓縮指數

壓縮指數()為壓縮曲線的塑性階段土壤體積隨外力(荷載壓強)增加的變化速率，其數值越大，土壤可壓縮性越高，對外力作用越敏感，發生土壤板結的風險越高。

土壤基質勢不同，壓縮指數隨秸稈添加量變化的趨勢也不同。低基質勢條件下，壓縮指數隨著秸稈添加量增加呈先上升后下降的趨勢，但AD3和AD5處理下壓縮指數差異不顯著(>0.05)。中基質勢條件下，壓縮指數隨著秸稈添加量的增加而增大，同CK相比，AD3和AD5處理下壓縮指數分別提高了16.49%和19.03%。高基質勢條件下，壓縮指數隨著秸稈添加量增加先減小后增大，AD3處理下壓縮指數最小(圖3)。

CK和AD5處理下，壓縮指數隨著土壤基質勢的升高呈現上升趨勢。AD3處理下的壓縮指數隨土壤基質勢變化趨勢與之相反。AD3和AD5處理下，土壤基質勢對土壤壓縮指數的影響差異不顯著(>0.05)(圖3)。

圖3 秸稈添加量和土壤基質勢對壓縮指數的影響

雙因素方差分析結果(表3)表明，秸稈添加量和土壤基質勢對壓縮指數的影響均到達顯著性差異(<0.05)，且二者的交互作用對壓縮指數的影響也達到顯著性水平(<0.05)。

表3 秸稈添加量及土壤基質勢對壓縮指數的方差分析

2.4 回彈指數

由回彈曲線和再壓縮曲線確定的土壤回彈指數，數值越大，表明該土壤被壓縮后膨脹回彈的能力越強。如圖4所示，相同基質勢條件下，回彈指數有隨秸稈添加量增加而增大的趨勢。AD3和AD5處理下的回彈指數均高于對照處理，且差異達到顯著性水平(<0.05)。但AD3和AD5處理下的回彈指數無顯著性差異。

圖4 土壤秸稈添加量和土壤基質勢對回彈指數的影響

相同秸稈添加量處理下，回彈指數均在中基質勢條件下有最小值。AD3處理下，高基質勢條件下的回彈指數顯著高于中低基質勢條件下壓縮指數；AD5處理下，各基質勢處理間的壓縮指數差異不顯著(>0.05)。

以國家超聲檢測標準JB/T 10659—2015《無損檢測 鍛鋼材料超聲檢測 連桿的檢測》為依據對汽車連桿進行無損評價。由于單振元的聚焦能力弱，而多振元對同一個點進行聚焦后會通過疊加作用大幅度提高該點的聲壓幅值，這樣能夠提高聚焦點處的回撥幅值，提高缺陷回波識別效果，因此參與子振元的數量越多,其聚焦效果越好 [19]。

雙因素方差分析結果(表4)表明，秸稈添加量與土壤基質勢對土壤回彈指數影響的差異性達到極顯著水平(<0.01)。但秸稈添加量與土壤基質勢二者的交互作用對土壤回彈指數的影響差異不顯著(>0.05)。

表4 秸稈添加量及土壤基質勢對土壤回彈指數的方差分析

2.5 土壤壓縮回彈特性綜合評價

壓縮曲線的最大曲率、預固結壓力值、壓縮指數和回彈系數4個指標從不同的方面來評價土壤的回彈和抗壓縮特性，但是結論不統一。因此，綜合評價土壤的回彈和抗壓縮特性十分必要。

以基本特征值大于1取得2個主成分，累計貢獻率達77.7%。利用2個主成分各指標相對應的特征向量值建立2個主成分的函數表達式：=0539+0527-0544-0369和=0493+0362-0362+0704。根據主成分貢獻率，土壤回彈和抗壓縮特性的綜合評價模型為：=0483×+0294×。

由圖5可知，中低基質勢條件下，同CK相比，秸稈添加了提高值，但AD3和AD5處理間差異不顯著。高基質勢條件下，秸稈添加量各處理間的值差異不顯著。相同秸稈添加量條件，值隨著土壤基質勢的增加而增大。其中，AD5處理下，高基質勢和低基質勢條件下的值差異顯著(<0.05)。

圖5 秸稈還田量和土壤基質勢對土壤回彈和抗壓縮能力的影響

進一步分析秸稈還田量和土壤基質勢對值的影響，結果表明，秸稈添加量、土壤基質勢及二者間的交互作用均顯著影響值(<0.05)(表5)。值越高，說明土壤回彈和抗壓縮能力越強；反之，則表示土壤回彈和抗壓縮能力低。

表5 秸稈添加量及土壤基質勢對Z值的方差分析

3 討 論

最大曲率受到邊界條件的影響，與初始孔隙比呈正相關關系，即供試土壤越疏松，則壓縮曲線最大曲率也越大，由彈性階段過渡到塑性階段變化越迅速，這與本研究前提有所不同。本研究中，初始容重相同，即初始孔隙度相同，最大曲率只受到有機質和土壤基質勢的影響。相同土壤基質勢條件下，土壤最大曲率隨著秸稈添加量的增加而降低，即土壤的抗壓性能隨著秸稈添加量增加而不斷提高，土壤由彈性向塑性過渡的較為平緩。這可能是由于作為有機質重要來源的秸稈，進入到土壤中作為有彈性的物質而起作用。有機質是多種大分子有機化合物的復合體，具有良好的伸縮性；在受到外力作用時會表現出可壓縮性，而當外力撤去之后又會使土壤顯現出較大的彈性，據此有學者認為，有機質是土壤中的“減震器”。雖然秸稈的添加增加了彈性，但是從孔隙上來看，秸稈添加可能提高了中等大小孔隙的數量，因此隨著土壤基質勢的增加，孔隙水壓力和有效壓力下降，抗壓能力降低，從而增大了最大曲率。

前人研究表明，含水量低的土壤具有較高的預固結壓力值。提高土壤的預固結壓力值，降低壓縮指數，將大大降低土壤板結的風險。本研究中，預固結壓力值和壓縮指數同秸稈添加量和土壤基質勢均呈現正相關關系。預固結壓力值隨著土壤基質勢的增加而增大，主要原因可能是孔隙內水分降低，或者包裹在土壤顆粒表面的水膜變薄，土壤顆粒間觸點上的水膜彎月面力增大所致。水膜彎月面將顆粒拉到一起，其有效應力及接觸點數量的不同最終導致了在不同基質勢條件下預固結壓力值的差異。秸稈添加量的增加可能提高了顆粒間的摩擦力以及硬度，從而提高了土壤承壓能力。壓縮指數同秸稈添加量總體呈現正相關關系，這可能是因為秸稈未腐解前，秸稈添加體現出的是自身彈性，增加了土壤的可壓縮性，因此隨著秸稈添加量的增加，壓縮指數隨之增大。當土壤基質勢較高、水分含量較低時，大多數孔隙內的水分排出，土壤孔隙中水分無法承擔作用于土壤中的部分外力，包裹在顆粒表面的水膜也喪失了潤滑和緩沖的作用，因此壓縮指數隨之增大。

同樣受到秸稈自身彈性影響的還有回彈指數，回彈指數隨著秸稈添加量的增加而增大，抗壓縮性能提高；隨著土壤基質勢的增加，回彈指數呈現先降低后增大的趨勢。這可能是因為當土壤基質勢較低(10 kPa)，含水量較高時，包被顆粒的水膜厚、土粒之間距離較大，此時受到外力作用后除土壤顆粒間易于滑動外，存在于其間的水分也會起到支撐作用，結果使土壤變得不易被壓縮。隨著土壤基質勢增加(100 kPa)，黏粒受到壓實作用后極易發生定向排列而變得緊實、回彈系數下降；當水分含量很低時(1 000 kPa)，土壤顆粒之間的黏結力和摩擦力都很強，表現出不易被壓縮的特性，回彈系數再次增加。

4 結 論

(1)秸稈添加量、土壤基質勢及二者間的交互作用對土壤壓縮曲線最大曲率、壓縮指數和回彈指數的影響都達到顯著性水平。

(2)預固結壓力值、壓縮指數和回彈系數總體呈現隨著秸稈添加量的增加而增大的趨勢，而最大曲率則隨著秸稈添加量的提高而降低。

(3)土壤基質勢同壓縮曲線最大曲率、預固結壓力值和壓縮指數呈現正相關關系?；貜椫笖惦S著土壤基質勢的增加呈現先降低后增加的趨勢。

(4)通過主成分分析構建模型，綜合評價土壤基質勢和秸稈添加量對土壤回彈和抗壓縮特性的影響可知，添加秸稈可以提高中低土壤基質勢條件下的土壤回彈和抗壓縮特性。