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农田土壤板结治理方案
2017年7月
目 录
第一章 概论 1
1 引言 1
第二章 土壤板结的危害 2
2.1 对土壤肥力特性的影响 3
2.1.1物理性质 3
2.1.2化学性质 4
2.1.3生物学性质 5
2.2对作物生长的影响 6
2.3对当地环境与生态条件的影响 7
第三章 土壤板结的影响因素 7
3.1机械压实 7
3.2施肥 8
3.3土壤自身特性 9
3.3.1含水量及容重 9
3.3.2有机质含量 10
3.3.3土壤质地 10
3.3.4土壤团聚体 11
第四章 土壤板结的评价指标 12
4.1容重和孔隙度 12
4.2硬度 13
4.3导水与持水性能指标 13
4.4透气性指标 15
4.5压缩特性指标 15
第五章 土壤板结的改良方法 15
5.1提高土壤有机质含量 16
5.2控制农业机械的使用 17
5.3机械深松 17
5.4作物轮作 18
5.5秸秆还田 18
第一章 概论
1.1 引言
土壤板结是指在人为耕作、机械碾压、植物根系穿插和动物穿行等外力作用下，土壤孔隙减小、数量减少乃至结构遭到破坏、硬度增大的现象；它是传统农业和现代农业共同面临的一个重要问题。同时，土壤板结作为土壤退他的一种类型具有特殊性，它不像土壤侵蚀和盐溃化等土壤退化过程在表层有明显的迹象，确定土壤板结是否已经发生需要对其结构进行检测和鉴定。
土壤板结既能够发生于冻融作用这样的自然过程，也可产生于机械碾压等人为过程。农业机械发明和使用之前，土壤板结问题集中存在于犁底层。现代农业技术的应用、特别是机械的过度使用，增大了土壤板结的风险。高频率种植、不恰当的作物轮作以及密集放牧和不合理的土壤管理都会导致土壤板结。例如，土壤有机质含量降低、在高含水量条件下进行耕翻操作或者放牧都会加大土壤板结的风险。
土壤板结会提高土壤的硬度，造成土壤蓄水、保水和导水的能为下降。土壤板结通过降低水分和养分的储存与供应能为来降低土壤的生产力，最终导致更多的肥料投入，从而使生产成本增加。土壤板结会影响有机质碳氮的循环和矿化过程，使土壤中二氧化碳的浓度增加、微生物的活性下降。同时，土壤板结还会引起土壤侵蚀，进而造成养分流失和环境污染等一系列问题。
第二章 土壤板结的危害
板结给土壤带来的不良影响容重增加、孔隙度降低、孔隙形状改变以及孔隙尺寸的改变。土壤基本物理性质的改变导致土壤持水和导水特性发生变化，土壤孔隙度下降、特别是大孔隙减少，会明显地影响土壤的入渗性能和改变土壤有效水的储存性能。总之，土壤板结能严重影响土壤容重、孔隙度等物理性状，也能影响到有机质矿化、养分供应等土壤化学和养分性质，进而影响作物生长和农田环境质量。
2.1 对土壤肥力特性的影响
2.1.1物理性质
板结直接影响到土壤容重；容重是单位体积烘干土的质量，因此一般来说土壤板结会使土壤容重增加。土壤的最佳容重要依土壤质地等性状来决定。一般说来，容重超过了一定的范围，总会阻止作物根系的生长。而耕作则是调控土壤容重的重要途径之一。同耕作土壤相比，非耕种土壤容重一般较高，然而由于未耕种、非耕作土壤有机质含量较高且生物活性较强，非耕种、非耕作土壤的结构往往比耕作土壤更适合作物根系生长。
在同一土壤上，容重增加必然导致孔隙度降低。首先，粗大的团聚体内部大孔隙减少，小孔隙相应增加。如果土壤容重继续增大，团聚体乃至较小团聚体内部孔隙也会受到影响，结果使土壤总孔隙度明显下降，孔隙分布趋于变得均匀、小孔隙相对增加，孔隙连通性降低。与此同时，土壤耕作机械阻力增加，渗透性和导水性降低，最终影响土壤-植物关系并使变物理化学过程改变。研究表明，大部分植物根系适宜生产在有10％以上孔隙充满空气的土壤上。值得注意的是，己经板结了的土壤再次被耕作时更易于发生板结。板结导致土壤结构破坏，而土壤结构破坏会使土壤失去大孔隙、降低总孔隙度。草甸牧场等处的非耕种土壤，由于高有机质含量和较为密集的根系系统，其土壤结构发育良好。这样的土壤即使面临暴雨也不会发生流失，这是因为土壤中的团聚体稳定，入渗能力高的缘故。而且由于有土壤动物活动及根系生长穿插作用存在，在表土层下也有较粗大的孔隙。但是，受到耕作的具有犁底层的农田，其表层土壤结构都较差。在这样的场所，当受到雨水击溅时地面会迅速被淤闭，从而导致入渗速率迅速降低；耕层以下土壤变得异常致密，由土壤动物等穿行所形成的孔隙也较少，少量的己经腐解了的根系清晰可见。对此要改善土壤结构性和提高土壤生物的活性，需要合理地降低耕作次数并増加有机质的投入。
板结使土壤中的大孔隙减少，水分入渗速率和饱和导水率下降。饱和导水率是土壤被完全饱和时水分通过土壤断面的速度，非饱和导水率则是在土壤未被水分完全饱和时水分在土壤中流动的速度。非饱和导水率的大小对于水分自远处到植物根部的流动是十分重要的。非饱和导水率对土壤板结的反应不一，有时板结土壤对干旱的反应反倒没有非板结土壤那样敏感。另一方面，由于受板结作用使作物根系生长受阻、数量较少，所此总体上在板结土壤作物更容易受到干旱的影响。
2.1.2化学性质
板结改变了土壤的物理性质，例如土壤水分入渗速率和空气扩散速率降低，会使土壤的化学性质受到影响。土壤板结引起氧气扩散率降低，就土壤局部而言如果其氧气消耗速度比扩散速度快，将会表现出板结造成土壤缺氧状况现象，另外，板结土壤地表易于积水而发生缺氧过程，会导致土壤氧化还原电位下降，致使氨氧化铁溶解度升高、铁的存在形式更加复杂，含铁矿物例如纤铁矿在板结土壤中变得肉眼可见，因为其颜色为澄色。受到车轮镇压后的车徹等低处土壤水分入渗速率下降且容易滞水，结果土壤生物化学过程发生改变，直接影响到铁的氧化还原形态及其地球化学过程的研究表明，经过礙压的0-30cm的森林土壤的二价铁浓度较高。由于板结地表积水，在这样的土壤中，15-30％自由铁是以还原态的二价铁形式存在的；发生板结两年以后，土壤中可萃取的铁氧化物数量也会增加。
板结影响土壤中二氧化碳浓度和有机碳、氮的矿化过程。试验表明，对受到人工压实处理容重从1.1g/cm3增加到1.5g/cm3的土壤，经过9个月培养后，碳的矿化率与氮的硝化速率均明显降低。板结直接造成土壤二氧化碳通量下降，间接造成的是机械使用量增加而带来的石油用量上升以及二氧化碳排放量的增加。随着土壤板结反硝化作用増加，这导致更多的N2O扩散到大气中。
板结减少了土壤中可利用的氮素数量，降低了氮素的利用效率，进而导致肥料的投入量增加。有研究表明，土壤板结最终会增加土壤水分含量和强化反硝化过程，很可能使氮氧化物的排放量减少，但是会增加氨的挥发。
通常土壤板结会影响植物根系生长，不利于植物对养分元素的吸收，但使会植物根系与土壤颗粒的接触更加紧密，使二者之间的离子交换更加迅速。同通过质流进行养分吸收的方式相比，通过扩散进行的养分吸收受土壤板结影响更大。Dolanetal等人研究证明土壤板结会降低作物对钾素和磷素对养分的吸收，而Shierlaw 等人的研究则表明板结能提高黑麦草和作物对磷素的吸收，这可能是由于土壤性质及板结类型不同所致。
在湿润气候区，土壤板结能够增加反硝化损失和降低氮素矿化数量。有研究表明，在湿润气候区的沙壤土，氮素矿化数量可降低巧33％、而反硝化速率则增加了20％。土壤板结对作物的磷素吸收影响较大，这是因为磷素在土壤的移动性很小的缘故。为此，根系要吸收充足的磷素必须不断地延展自身的长度。土壤板结抑制了植物根系的生长，必然会对磷的吸收产生阻碍。而钾素的吸收受到的影响则相对较小。
2.1.3生物学性质
板结引起土壤物理和化学性质改变，最终对土壤生物产生各种各样的影响。板结对土壤生物多样性以及微生物量的影响方向和程度，取决于土壤性质、板结程度以及当地的气候条件。土壤板结可以使充满空气的孔隙降低13-36%，土壤通气性明湿降低造成微生物量碳和微生物量氮明显降低。也报道过土壤板结后，微生物量磷降低。
对土壤的任何扰动和镇压引起土壤通气性能的改变，都会影响到土壤中酶的活性。己有研究表明，板结造成土壤物理和化学性质的变化，使得磷酸酶，尿酶，酰胺酶和脱氨酶活性降低，但是也有研究表明土壤板结有时会增加磷酸酶活性。板结造成的厌氧条件使得土壤中的微生物群落发生改变使之能适应新的土壤条件，这样一来真核和原核的比值降低，更多的铁和硫酸盐被还原，并产生更多的产甲烷菌。
土壤动物对土壤中有机质的分解起到很大作用。土壤动物的栖息地在土壤中。土壤板结改变了孔隙大小和分布，使得土壤大孔隙比例降低，影响着线虫及其他较大土壤动物的移动方向。线虫的食物比较多样化，在土壤食物链中占据重要位置，同时对有机质的分解乃至对植物的养分供应都起到十分重要的作用。一般来说，即使是严重的土壤板结也不会影响线虫的数量，但会影响到线虫的空间分布。Bouwman and Arts的研究表明，严重的土壤板造成食细菌性和杂食性线虫数量的降低，同时造成食草性线虫数量的増加。蚯蚓同样受到土壤板结的影响，它们的数量随着土壤板结程度的增加而降低，但它们能够以摄取土壤颗粒的方式贯穿阻力达3000kpa的土壤而使局部板结的土壤得到改良。
2.2对作物生长的影响
植物需要从土壤中获取水分和必要的矿物元素、养分。植物根系只能吸收其近傍的水分和养分，所发达的植物根系有利于从土壤中获得水分和养分。植物根系从土壤中汲取水分，从根尖分泌粘液，但根系遇到阻碍时，根系将会膨胀、变得粗大。由于土壤板结后，土壤硬度增加会阻止植物根系贯入而降低根系的延伸，最终影响植物的生长、致使产量下降的综述中提到，土壤板结会影响供应植物根系水分的通量和浓度。通常，土壤板结会降低植物根系长度，使根系的贯入能为相对降低、下扎深度下降。试验表明，在有机质含量5％的板结壤土上，根系就无法穿透20cm厚的上层。另外，也有研究表明土壤板结还可以加剧某些植物根系病虫危害。同亚表层土壤板结相比，表层土壤板结对根系生长影响更大。Saqibeta研究表明，当沙粘壤土的容重由1.21g/cm3增加到1.65g/cm3时，土壤的盐分浓度上升，而小麦的根系密度降低，生长受到影响。该研究结果还指出，由于土壤板结和盐度的交互作用，土壤中的Ｋ＋浓度下降、K+/Na+比值变小。
植物不同，其对土壤板结的反应敏感性不同。一些根系有着较好的贯入能为的作物，受土壤板结的影响较小。这些作物可以被用改良板结严重的土壤。根系生长、直径变粗，这种挤压作用也可以提高根系附近土壤的容重，而且这也将改变近根系土壤的物理化学及生物学过程。虽然植物的根系易于受到土壤板结的影响，但是植物枝干并不是总是会表现出明显的负效应。这主要是因为植物地上部生长取决于从土壤中获取的营养元素的种类和数量等多种因素；如果土壤严重板结以至于降低了土壤中离子的活性，根系生长受到限制，那么植物地上部的生长就可能会表现出明显影响。研究表明，土壤板结不会影响作物植株高度，但是会造成其产量的下降。作物不同生长时期受到土壤板结的影响程度也大不相同，一般说来出苗期受到的影响更为明显。在砾树上的试验结果表明，将土壤容重由1.3g/cm3增加到1.8g/cm3时，栋树出苗推迟，且出苗率仅为70％。在该试验中还发现，土壤板结影响幼苗高度。但是，即使同为幼苗，也会因土壤类型和植物种类不同而对土壤板结的响应不同，例如对于沙王而言中等程度的板结对木本植物幼苗的生长是则有益的。
2.3对当地环境与生态条件的影响
板结影响土壤的物理、化学和生物学性质，影响植物生长，必须会对当地环境产生复杂的影响。首先，土壤板结增加了温室气体的排放量。其次，还会增加能源消耗，因为土壤板结、耕作阻力增加，耕作的能源投入必然增加；土壤养分利用效率下降，要获得同样高额的产量，必须要增加农田肥料用量。
另外，板结造成土壤的厌氧环境，使得杀虫剂的降解率降低，最终导致杀虫剂等农用化学物质向地下水及含水层淋失的风险增加。同样，由于土壤板结造成的土壤导水率降低，使水分向下运动变慢，可能会使地下水流动性降低、硝酸盐含量上升。
尤其要指出的是，如果板结发生在地面是斜坡的土壤上，则极易造成地表径流増加，进而导致地表土壤受到侵蚀、水土发生强烈的迁移。当然，这样的径流进入到地表水，则会对该地表水水体中的水生生物造成威胁，因为泥浆的进入会降低地表水的氧气含量水平。然而，板结对径流冲刷土壤的影响也因条件而异，对于沙土而言由于板结增加了土壤硬度，会使在相同径流量下的土壤侵蚀数量下降。因此，土壤板结造成的土壤物理性质的改变往往是益害并存，其总体效果取决于具体的环境条件和土壤性质。
第三章 土壤板结的影响因素
土壤板结是在外力作用下被压缩、变形而造成的，因此引起土壤板结发生及其程度的影响因素可分为土壤自身因素和外力作用因素（外部因素）两大类。
3.1机械压实
即使在同一地块、相同的土壤上，不同的压实方式、压实强度也会有不同的压实结果。Seed and Chan的研究表明，不同压实方法、在不同含水量土壤上，产生的剪切力大不相同。因此，在生产实践中，在不同类型土壤上、用不同的机械耕作，产生的土壤板结效果相差甚远。然而，即使是对土壤压实试验研究而言，到目前为止也没有公认的固定的土壤处理方法。重击、捏合、压迫、振动和动态压实是比较常见的几种压实方法。有人建议采用动态压力方法或振动方法处理粗颗粒土壤，也有人建议根据土壤改良措施有针对性地选择合适不同土壤的压实方法。
机械施加给土壤的压力强度及压实效果取决于机械自身重量、加载到地面的压强和机械的碾压次数等Daum指出当施加给地面的压强大于0.27kg/cm3时土壤易发生板结。机械压实最为常见的是发生在机械行走后留下的车徹部分。多次碾压对车辙的影响研究中发现，车辙深度的90％由第一次碾压造成。Daum的研究也获得了类似的结果，即土壤板结80％的可能性来源于第一次碾压之后，而四次以后的碾压其效果很小甚至可忽略不计。
另外，Hornetal的研究表明，在适宜条件下（土壤水基质势为-10到-30KPa），机械振压后只有地表30cm土层的土壤会发生变形和板结，30cm以下的深层土壤受到的影响很小、则可以认为能够抵抗碾压作用。然而，如果土壤水分含量较高（土壤水基质势为-6KPa），碾压所施加的压为会超过土壤强度而最终将导致板结在深层土壤中发生。
3.2施肥
向土壤中施用肥料、特别是化学肥料能够改变土壤溶液中离子组威、提高离子强度进而改变土壤pH值。土壤中带有负电荷的土壤粘粒及有机质官能团通过带正电荷的多价阳离子联接而将颗粒胶结在一起是土壤团聚体形成的主要机制之一；在一定浓度范围内，多价阳离子含量越高，其以键桥形式将土壤颗粒连接成的大土壤团结体数量就越多、形成的团聚体也越稳定。例如，土壤中的阳离子以２价的钙镁离子为主，向土壤中过量施入磷肥时，磷肥中的磷酸根离子与土壤中钙镁等阳离子结合形成难溶性磷酸盐，结果使土壤溶液中的钙镁离子减少，使土壤团粒结构的稳定性下降；向土壤中过量施入钾肥时，钾肥中的钟离子置换能为上升，能将土壤团粒结构中的多价阳离子置换出来，而一价的钾离子不具有键桥作用，结果土壤团粒结构就会遭到破坏。Ｈatietal的研究结果表明施肥处理使酸性淋溶土的土壤团结体稳定性下降，易发生土壤板结。
3.3土壤自身特性
3.3.1含水量及容重
在农业生产实践中，一般的农事操作需要在土壤湿润甚至是在田间持水量条件进行，这样的土壤水分含量条件大大增加了其板结发生的风险。虽然机械作业的压力直接施加于地表土壤，但这一压力会向下传递且传递效果依赖于土壤水分状况及其剖面分布。如果土壤干燥坚实，那么机械压力对土壤板结的影响则相对较小。如果表层土壤湿润且柔软并覆盖于相对干燥的土层之上，那么上层土壤会被强烈压缩。如果表土层干燥且坚实，其下层为湿润土壤，那么压力会向下传递进而使下层较为湿润、软弱的土壤受到压缩。
土壤对压实的抵抗能力可用“强度”来表达。实际上这种土壤“强度”具有极高的变异性，从而使其测定变得十分困难。在测定过程中，己变形的土壤有可能提高或降低对进一步形变的抵抗能力，这主要是取决于其他土壤状况，特别是土壤水分含量。总体来说，对于非饱和土壤，随着土壤的压实程度加深，其硬度逐渐增加，而短暂的压实则会使土壤饱和程度提高、抵抗压实的能力发生明显改变。
土壤水分对土壤板结的发生关系十分密切。土壤受到一定压力作用后，其容重大小最终取决于土壤水分含量的高低。在普罗科特试验中，供试体的容重随着水分含量的增加呈现先増加后降低的趋势，在最优含水量处有最大容重。这是由于土壤颗粒具有较大的硬度、颗粒间有一定的粘合力、颗粒发生相对位移时又受到摩擦阻力的作用的缘故。当水分含量増加时，较厚的水膜使带有低电荷的土壤颗粒间的连接变弱，从而使其吸引为降低，土壤团聚体内部颗粒间连接也会发生断裂。此外，随着含水量的增加，颗粒间的摩擦力降低，水分起到了润滑剂的作用。水分继续增加、超过最优含水量后，被排出的空气体积减少，増加的水分事实上开始降低土壤容重和土壤硬度。
3.3.2有机质含量
有机质的种类和数量影响着土壤的硬度、左右着土壤的板结性状，这是由于有机物质对于土颗粒及其结构体具有胶结作用。有研究结果表明，中度腐解的有机质比髙度腐解的有机质具有更高的结合力。有机质含量越高，土壤团聚体则越大，越稳定。有机质含量较低的土壤则对板结作用比较敏感，易发生土壤板结。
土壤保持足够的有机质含量能够稳定结构、提高抵抗土壤退化的能力，能够降低土壤容重和硬度。有机质影响土壤结构和土壤板结的机理主要有以下几点：（ａ）粘结土壤矿物颗粒；（ｂ）有助于保持土壤水分，进而能够降低土壤板结的发生风险；（c）影响团聚体的机械硬度，该机械硬度是表征颗粒内部凝聚力的指标。
然而，有的研究结果表明有机质含量同土壤板结性状间并没有表现出正相关关系，另一些研究则报道了不同类型有机物质对土壤板结性状的影响作用不同，还有一些研究认为相同类型有机物质在不同土壤上其表现也是不一样的。这些研究的不同结果可能是由于有机物质类型、碳氮比、腐解程度以及土壤类型、环境条件的差异等因素造成的。
同总有机质含量相比，易氧化有机质含量同土壤的机械性质具有更密切的相关性。另一方面，有机质的腐殖化程度越低，提高团聚体孔隙度的作用越大，因此越能降低团聚体的拉伸强度。因为有机质能够降低土壤容重和増加土壤孔隙，因此向土壤中混合有机质、提高土壤有机质含量会改善土壤容重和孔隙度性状。
3.3.3土壤质地
土壤质地对土壤板结性状的影响是深刻的。不同类型土壤其机械组成、孔隙分布及土壤颗粒表面的电化学性质等都可能相差很大。通常非塑性土壤的硬度来自内部颗粒和团粒间的摩擦，而塑性土壤的硬度则来自于土壤颗粒和团粒的凝聚力。沙土的硬度或是对板结的阻力来自于颗粒间和团粒间的摩擦，当颗粒淆过彼此时这种摩擦力自然产生。而粘土的硬度来自于土壤颗粒、团粒间的凝聚力，而这种凝聚力主要产生于粘粒以及粉粒表面的电化学性质。土壤阻抗剪切或抵抗形变的内部凝聚力来自于颗粒间的分子吸引力，它在很大程度上取决于水分含量。就质地而言，粘粒含量越高，其表面电荷与比表面积越大。电荷量较高的粘土凝聚力强度受质地影响最大，而电荷量较低的粘土则受质地影响较小。粉粒含量较多的土壤其凝聚力或摩擦力要远低于粘止。当土壤的水分含量超过流限时，凝聚力消失；随着土壤逐渐变干，土壤的凝聚力和硬度随之增加。
粘粒颗粒之间有较强的吸附能力，同时对水分子也有很强的吸附能力。因此，粘土发生板结的水分变化范围很窄，即在含水量较低和较高的情况下土壤都难以发生板结，这是由于粘土小孔隙具有较强的持水能力、水分很难排出所致。通常流限和塑性指数越高的粘性土壤，越难发生板结，水分含量对土壤压实、板结的作用越重要。壤土和粘土在低含水量条件下，土壤对机械压力具有较强的抵抗力；在高含水量条件下，即在塑限和流限之间，壤土和粘土则对压实十分敏感。
3.3.4土壤团聚体
土壤团聚体是评价土壤肥力的重要指标。土壤团聚体遭到破坏会使土壤保水和保肥能力下降、通透性降低，最终导致土壤板结。土壤板结易于发生程度同土壤团聚体稳定性之间越表现出高度相关，当施加的外力相同或者相近时团聚体稳定性好、土壤越难被压缩，也就越不易发生板结。Balletal的长期定位试验的结果表明，团聚体稳定系数同土壤容重之间存在着极显著的负相关关系。而土壤团聚体的稳定性又与有机质含量、粘粒数量及其矿物类型等因素紧密相关。有关土壤有机质数量、组分与土壤结构性、各组团聚体的数量及其稳定性等方面的研究己经有很多，增施有机质是改善土壤板结性状的最有效的措施之一，也己为人们所公认。
第四章 土壤板结的评价指标
土壤板结对作物的影响以及与土壤性质间的关系是复杂的，因此需要找到一个参数来很好的描述和评价土壤板结的特性。评价土壤板结特性常用的物理指标有容重、孔隙度、硬度、水分入渗速率、通气状况和压缩指标等。
4.1容重和孔隙度
容重是单位体积内的干燥土壤的质量；在其它条件相同时，土壤容重的大小反映了土壤储存、传输水分和空气的能力，与土壤总孔隙度紧密相关。因此，土壤容重常被用来描述土壤的板结状态。然而，对于膨胀或收缩性较强的土壤，不同水分含量条件下容重会有很大不同，所以容重的测定需要在标准含水量条件下进行。另外，也有相对容重来表达土壤板结状况的；它是指在做标准单轴压缩试验时土壤承受200kPa压为时的容重，这一指标则可以直接来比较所有土壤的板结状况。因为容重随着土壤的质地和有机质含量变化而变化，所以Hakanson提出了“板结度”的概念，用于描述植物对土壤硬度机械作用的响应。Hakanson将板结度定义为容重与相对容重的比值。迄一参数对于非常疏松的土壤、特别是没有机械阻力或通气问题的土壤是有用的，但是对于根系与土壤紧密接触且导水状况不良的土壤来说其使用则要受到限制。从这个意义上说，想要用容重一个指标来表征土壤板结特征是不充分的，必须考虑同时使用土壤硬度、通气性（孔隙度）、水分含量等性状指标。
4.2硬度
土壤硬度也经常被用作土壤板结的测定指标，这是因为土壤硬度可以较好地反映土壤对根系贯入的阻抗能力的缘故。
土壤硬度一般用将锥形探头插入土壤时读取探头受力大小的方法进行测定。这一测定结果间接地反映了土壤壤对根系贯入的阻力相对大小，因为根系生长伸长时需要一种力来克服土壤颗粒和团聚体移位、变形而产生的机械阻为，而土壤硬度理论上就等同于贯入阻力了。硬度受到土壤质地、有机质含量、容重和水分含量的影响。测定贯入阻为时应该注意当时的土壤水分含量状况，水分含量不同贯入阻为可能相差很大。土壤硬度一般随着容重增加呈指数型增加，但在低水势条件下，其増加的速度会更大。
4.3导水与持水性能指标
板结使土壤的基本物理性质发生了改变，也使土壤的导水和持水能为发生变化，因此，土壤的入渗速率（导水速度）和持水曲线均可以作为评价土壤板状况的指标。由于板结降低了土壤的总孔隙度，因此水分入渗速率经常被用来在田间监测土壤板结状况的变化。同类型土壤如果未发生板结则由于大孔隙数量多而比发生板结后土壤的水分入渗速率要大得多。这与土壤的总孔隙度变化并不呈简单的相关关系，而是同大孔隙数量及孔隙间的连通程度直接相关。土壤中水分的储存和运移都受到土壤板结的影响；大量的研究结果表明，土壤水分入渗速率随着机械碾压次数和压力的增加而降低。
Hill and Summer在研究板结对9种不同质地土壤的持水特征曲线的影响时将这9种土壤按照质地分为三类：沙土、沙壤土或沙粘壤土、粘壤土或者粘土。对于粘壤土或者沙粘壤土，在相同基质势的水分条件下，土壤板结使其持水能力上升。对于沙土，这种影响会随着水分基质势的降低而减小：对于粘土这种影响则会随着水分基质势的降低而増大。对于沙壤土和沙粘土，容重的增加导致其持水能力下降，但是在低基质势下这种趋势发生逆转。然而，该研究只考虑了基质势大于-10KPa的情况，而且随着容重的增加，并未发现土壤持水曲线趋于“平缓”的现象。然而，Zhang等人的研究结果表明，随着土壤板结程度的增加，土壤水分特征曲线庭于“平缓”。Croney and Coleman的研究表明土壤板结会使水分特征曲线的＂滞后环＂变窄。基质势-5KPa处的体积含水量随着土壤板结程度的增加而増大，直到容重达到某一阔值后，其体积含水量则迅速下降。
另外，土壤板结主要是造成土壤的物理性质的改变，这些物理性质主要受到了土壤结构的影响。土壤结构的改变则主要表现在土壤孔隙的分布的变化。土壤的持水曲线常被用来确定土壤孔隙的分布，因此用土壤持水特征曲线的巧合参数求出的热质量评价参数S值，可以用来评价土壤板结最终状况；研究结果表明，S值随着容重的增加而降低。在相同容重条件下，土壤粘粒含量越高，S值越小。目前，压实程度对土壤持水性的影响研究较多，关于不同有机质和粘粒添加量土壤在不同承压条件下的持水特性研究较少，特别是对土壤物理质量评价参数的影响研究是少见。此方面研究的开展将有助于进一步了解有机质添加对板结土壤的持水特性及土壤物理质量的改良效果，明确不同质地土壤在发生板结后持水特性和物理质量变化规律。
4.4透气性指标
通气性降低也是土壤板结带来的另一后果。土壤通气性大小直接表达出土壤孔隙几何特性，其影响因素有总孔隙度、大小孔隙分布、孔隙连通性、孔隙曲度和形状等。土壤通气性孔隙空间和连通性决定着水分含量和气体浓度以及水分和空气的运动。
土壤通气性可用空气占据孔隙、氧气扩散速率（ODR）、氧化还原电位和空气渗透率来定量表达。对于板结程度相同的土壤，空气透过速率受到土壤物理性质的影响较大；ORD的测定需要用到电极，需要额外小心、；测定氧化还原电位是一个很好的方法，但需在原位进行且用时较长，还必须在湿土中进行。
板结影响着土壤中氧气的数量，这对于土壤生物来说是十分重要的。板结极大地降低了土壤中的氧气含量和氧气扩散率（ODR），显然这对于土壤中的生物来说都是不利的。土壤容重同ODR之间有着高度的相关性，ODR随着容重的增加呈线性降低，该相关关系同土壤质地无关，但受水分含量的影响明显。
4.5压缩特性指标
压缩特性是一个较为宽泛的概念。测定土壤压缩特性的方法有很多，常被用到的两个方法是：（a）单轴压缩试验，用该试验可以获得纵坐标为容重或者孔隙度、横坐标为施加的外力压力的压缩曲线；（b）普罗科特试验，即让土壤经受若干次特定水平的冲击力后，测定土壤所达到的容重。从试验过程来看，单轴压缩试验更符合土壤受到机械压实后发生形变的过程，因此常将单轴压缩试验作物测定土壤压缩性的方法。
第五章 土壤板结的改良方法
由于土壤板结对作物、土壤性质和生态环境产生不良影响主要源于土壤孔隙度的降低（或者土壤容重增加），那么增加土壤孔隙度（或者降低土壤容重）就成了解决土壤板结问题、消除板结不良影响的最直接的途径。特别是在干旱或者半干旱地区，以下措施能够有效地管理土壤、消除板结（降低土壤板结）障碍因素：（ａ）添加有机质，提高土壤有机质含量；（ｂ）控制农业机械的使用，减少碾压次数及压实强度；（c）机械疏松，合理地进行深松、耕翻、耙压并合理搭配多种耕作措施；（ｄ）选择作物与牧草轮作方式，利用牧草强壮根系打破板结土壤层。
5.1提高土壤有机质含量
有机质含量高、土壤生物活动枉盛的土壤抵抗板结能力强，可从轻微的土壤板结中很快地恢复过来。为了提高土壤有机质含量，常用的方法有将作物残茬、稻秆回归土壤，增施有机肥，合理地进行复种和套种增加土壤有机物料的来源，实行粮食作物和绿肥轮作等。事实上，就我国大多数地区而言，有机质含量是最重要的土壤肥力指标；提升有机质含量可使土壤生产力得到持续提升。
将植物残体残茬和动物粪便作为有机物料施用到田间改良和培肥土壤的措施历史悠久，这方面的研究也已经有很多。然而，施用有机物料来改善亚表层土壤板结的研究却并不常见。这是由于经济和技术的原因所致。要想将有机物料施入到亚表层土壤，必须深松20-30cm土层，这不仅对农机具有特殊的要求，而且机具的使用也需要大量投入。植物残体残茬是普遍存在的有机质资源，动物粪便也广泛被农民用来加工成肥料施用到农田，这些有机物质的施入不仅消减了板结等障碍因子，也大大増加了养分数量、改善了土壤物理化学性状，使土壤肥力得到明显提高。另一方面，有机物料施入土壤后，土壤结构性改善、弹性増强，可以减轻农业机械行走所产生的压力向亚表层土壤传递，使上层土壤扮演“缓冲带”作用，从而降低农业机械使用产生的对亚表层土壤的影响。研究表明田间施肥50t/hm2和100t/hm2牛粪能明显消减机械行走产生的压力及其与土壤湿度协同对土壤容重和硬度的影响。
绿肥作为有机质来源施用于农田以增加土壤有机质含量在许多地方并不经济，但对于改善土壤物理性质、消减板结却是有效的。Reddy的研究表明，施用10t/hm2绿肥使得沙壤土容重降低了0.02ｇ/cm3，土壤硬度降低了11.8KPa，入渗速率增加了化4cm/h。然而，这样的土壤改良效果既受施入材料的植物种类的影响，也因施用方法不同而效果相异，而且这种影响会贯穿施入有机物料发挥作用的整个过程。来源于不同植物种类的有机物料，最大差异在于其碳氮比不同，它导致了有机物料的腐解速率不同。
5.2控制农业机械的使用
应选择适宜的土壤水分含量状态进行耕作，因为土壤板结只发生在特定的土壤湿润状态下。如果土壤湿润或者水分含量高于塑限，就不该在农田中使用农业机械。同时，耕作时应对自重不同的农业机械做出选择，使用自重过重的农业机械不仅影响表层土壤、也会引起亚表层土壤发生板结。一般来说，亚表层土壤板结的改良相对困难；减少农业机械的使用和选择使用自重较轻、对田面产生压力较小的机械就成了防止亚表层土壤板结的有效措施。
另外，降低农业机械同土壤的接触压力对于减轻土壤板结现象发生也是有效的。降低机械给与农田接触部分造成的压为的措施有选择自重相同、承载面积更大或者轮胎数量更多的机械，把农业机械的轮胎压力调整到适当范围，减少农业机械行走的区域、即使用不变的车道等。
5.3机械深松
深松是消除土壤板结，打破限制水分下渗及根系贯入的致密犁底层、改善坚硬土壤的一个重要措施，Henderson的研究表明，对板结土壤进行深松后，作物花期的干物质量增加了近30%，种子产量增加了近64%。Hamza and Anderson的研究表明，深松40cm和向土壤中添加2.5t/hm2石膏的组合措施显著地提高了豆类和小麦的产量。产量增加的原因是深松降低了土壤的硬度并提高了水分的入渗量。
对板结土壤进行深松还可改善土壤质量、提高植物抵抗疾病的能力。减轻植物病害可使作物产量大幅增加的研究还表明，同传统作业方式相比，深松提高了烟草的质量，种植烟草的经济效益随之增加。对于沙土而言，即使土壤发生板结对水分的深层入渗并无明显影响，但却阻碍了根系的延伸队及根系对水分的利用，结果导致水分利用效率降低、灌概的费用增加。Tennant在西澳大利亚沙壤土农田上的研究表明，同未深松的田块相比，深松35cm处理田块小麦根系长度明显増加、产量提高。
需要值得注意的是，深松后地面处于疏松开放状况，后续的机械使用会更易使土壤发生再次板结。特别是在粘土田块上，再次板结甚至会由于反复的干湿交替过程而发生。为此，在实施深松的同时増施有机物料或者施用一定数量的石膏等，有助于土壤结构重建而减轻土壤板结的发生。
5.4作物轮作
实行包括多种作物在内的轮作制度，结合良好的农艺管理，将有助于降低土壤板结的风险。常用于轮作的除粮食作物外，还有豆类作物、牧草绿肥作物等；这些作物的根系长度及类型各不相同，贯穿土壤的能力也大不相同。研究表明，同直径较小的根系相比，直径较大的根系更具有贯穿坚硬土壤的能力，这为通过轮作方式来消除土壤板结提供了可能性。能贯穿硬度较大土壤的植物种类通常具有较深的主根体系，将这样的植物种类同作物进行轮作能够降低亚表层土壤板结的风险。
直径日变化较大的作物根系具有较好疏松土壤、消除周围土壤板结的作用。Hazma等人使用计算机辅助断层扫描技术发现萝卜和羽扇豆的根系直径在蒸腾开始后，先有短暂的减小，随后增大。将根直径日变化较大的作物同其他作物轮作亦可起到疏松板结土壤的作用。
好的轮作体系不仅能促进作物根系生长、打破板结土层，还能提高土壤的有机质含量，改善土壤结构，增加土壤的生物多样性。生物学上的健康土壤应具有更身板结所产生的危害的能力。
5.5秸秆还田
稻秆作为主要农业副产品，产量非常大。据调查，中国的农业作物秸秆每年的生产量达到６吨到７亿吨，只有约四分之一稻秆还田，其他的稻秆堆放在外面或者用来焚烧，不仅浪费资源，而且还污染环境。随着农业的生产技术日趋完善，我国农业生产水平的不断提高，农业作物的稻秆产量也日趋増长。稻秆还田利用率的提高，不但能够降低资源浪费及环境的污染，而且能提升农业生产的技术水平，是实现农业的可持续发展的关键。稻秆还田作为稻秆的综合利用的一项重要措施，不但可以补充和平衡土壤水分和养分，增加土壤有机质含量，提高土壤肥力，而且能够有效改善土壤结构，有利于农业的可持续发展。除此以外，稻秆还田的好处还有许多，能减少农业的面源污染及土壤的污染，提升农产品的品质。机械化稻秆还田，可以提高农业生产效率，缓解农业劳动强度，有效解决劳动力短缺问题。
目前我国稻秆还田的方式主要有直接还田和间接还田两种。稻秆直接还田包括粉碎还田、堆肥还田、覆盖还田、烧灰还田等。稻秆还田方式的不同会产生不一样的环境及经济效果。辽西旱农区耕地，长期使用浅旋还田的耕作方式，这种耕作方式不但使保墙培肥的效果差，稻秆在干燥的情况下也不能快速腐解，而且会使土层表面的孔隙增大、漏风、跑墙。特别是在干旱年份，会増加土壤表面的干旱，推迟播种，影响播种质量。因此，在我国北方旱农区用科学适宜方式进行农作物稻秆还田是非常重要的。
5.5.1机械化秸秆深还技术的作业工艺
第一步机械深开沟：机械开沟深度达到35cm以上，能够打破犁底层，降低土壤容重；
第二步秸秆深埋：在开好的深沟内大剂量回填含水量较高的青稻秆，回填的秸秆量大约为1.2×104kg/hm2。秸秆可采用粉碎后的稻秆、整秆或是切段后的稻秆，本工艺采用粉碎后的稻秆；
第三步配施化肥：在回填的稻秆上均匀撒施化肥，分别为发醇菌剂30-37.5kg/hm2、硫酸钾450kg/hm2、尿素300kg/hm2和磷酸二按600kg/hm2，配施化肥的C/N要能够符合农作物的需求；
第四步覆土起垄：将沟土回填于己填充稻秆与化肥的沟中，稻秆上方土层厚度要求10cm以上，使其不影响来年播种。起垄，平整垄型，便于后续工艺；第五步覆膜，由于是在秋季进行覆膜，为避免来年春季覆膜条件受损，一般选用较常用膜厚的膜，但为节省成本，宜采用膜厚为0.005-0.008mm的膜。
5.5.2机械化秸秆深还技术的主要技术路线
机械化稻秆深还技术的操作流程，是秋季开沟扶垄翻转犁进行机械深开沟，犁铧向两侧翻土，稻秆混肥还田机把秸秆和化肥收集并输送到沟内，覆土犁进行覆土和起垄作业，春季覆膜播种。实现土层不乱，表土集中，间隔深松和秸秆深还。
收获
灭茬
开沟
秸秆还田
施肥
整垄
覆膜
联合收割机
秸秆混肥还田
覆膜播种机
开沟扶垄多功能翻转犁
图5-1开沟回土深埋还田作业技术路线
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