田间不同有机肥遗产对土壤物理压实抗性的影响

《European Journal of Soil Science》：Soil Physical Resilience to Compaction as Influenced by a Legacy of Different Organic Amendments in the Field

　　

土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）影响农业土壤对压实的响应，然而鲜见研究评估不同速率下差异显著的有机改良剂的影响。本研究利用一项长期田间试验，设置不同梯度的粪肥（slurry，0、10、20和40 Mg ha^?1）和堆肥（compost，0、35、100和200 Mg ha^?1）处理，以构建土壤有机碳梯度。将松散土壤过筛后，平衡至?5 kPa并进行快速单轴压缩，随后进行湿润/干燥循环以评估土壤抗性和恢复力。土壤有机碳随改良剂施用量的增加而升高。在等效有机碳水平下，粪肥和堆肥改良土壤表现出相似的响应，表明碳改良剂对降低田间压实风险具有益处。所有堆肥处理以及40 Mg ha^?1粪肥处理均比对照和低量粪肥处理具有更高的可压缩性，其中100–200 Mg ha^?1堆肥处理土壤（碳含量55–69 g kg^?1）的压缩指数（compression index, C_c）> 0.38，40 Mg ha^?1粪肥处理为0.35，而对照、10和20 Mg ha^?1粪肥处理（有机碳含量35–45 g kg^?1）仅为0.30。以复压指数（recompression index, C_r）衡量的结构恢复力在100–200 Mg ha^?1堆肥（0.15）和40 Mg ha^?1粪肥（0.12）处理中高于低土壤有机碳含量处理。在这些土壤中，第二次200 kPa应力后的孔隙度恢复仅比第一次低3%–6%，表明湿润-干燥循环促进了持续的恢复力。微孔隙度（microporosity）和饱和导水率（saturated hydraulic conductivity, K_s）随土壤有机碳增加而增大。较高有机碳含量的土壤对初始50 kPa应力更具抗性，但对较高的200 kPa应力抗性较低，表现出更大的回弹，并且对团聚体崩塌的抗性大于较低有机碳含量的土壤。

本研究发表于《European Journal of Soil Science》，旨在探讨长期有机改良剂施用背景下土壤有机碳对土壤压实行为及恢复力的影响机制。

研究背景方面，土壤有机碳是农业土壤管理中最关键的属性之一，从物理学角度调控着生物介导的团聚化、耕作后土壤破碎及物理风化等关键水力-力学过程。尽管已有大量研究探讨了土壤有机碳对团聚体稳定性、孔隙结构及传输性质的影响，但关于土壤有机碳如何影响土壤力学行为，特别是土壤压实的抗性和恢复力的研究相对匮乏。土壤压实会物理性地改变土壤孔隙网络，降低入渗、水流和储水能力，增加地表积水或径流从而加速侵蚀，同时阻碍空气传导，限制微生物和根系所需的氧气供应，最终反馈影响作物性能和环境可持续性。传统准静态加载方法因加载时间无法反映农田中拖拉机车轮或牲畜践踏产生的瞬态应力脉冲，往往会高估预压应力（pre-compression stress, σ_p）和压缩指数。此外，现有研究多集中于单一有机改良剂类型，而不同类型有机改良剂在组成、形态和分解速率上存在差异，其对土壤压缩响应的长期田间效应尚不明确。自然风化过程通过水文循环可改善土壤从压实中的恢复，但大多数研究仅关注压缩测试中的即时回弹，忽视了由自然风化驱动的长期恢复力。

基于上述研究空白，研究人员提出假设：长期施用粪肥和堆肥将导致可测量的碳含量差异及土壤抗性和恢复力差异；较高土壤有机碳水平将增强恢复力；湿润/干燥循环将进一步塑造这些效应。研究目标为：（1）评估长期粪肥和堆肥施用如何影响土壤有机碳含量及递增应力下的土壤压缩行为；（2）评价湿润/干燥循环和土壤有机碳对土壤结构恢复、土壤功能及其与土壤有机碳关系的影响。

研究采用的关键方法包括：样本来源于2004年建立的James Hutton研究所Lower Pilmore长期田间试验平台，该试验采用随机完全区组设计（randomised complete block design, RCBD），设置3个区组，土壤类型为砂质壤土型贫 dystric cambisol（dystric cambisol）。处理包括对照、三种梯度的牛粪肥（slurry）和三种梯度的堆肥（compost）。2023年5月种子床准备后采集松散土壤样品。实验过程中，土壤样品经4 mm筛分模拟耕翻后的松散种子床，在砂性漏斗上饱和12小时后排水至?5 kPa平衡24小时。采用ZN5材料试验机进行快速单轴限位压缩测试，初始施加50 kPa应力模拟滚轮压实，随后进行湿润/干燥循环（底部饱和24小时，排水至?5 kPa 12小时），再进行两个连续的200 kPa加载循环以模拟拖拉机机械载荷。通过Crosshead位移记录动态测量总体积变化，利用soilphysics R包从四次多项式模型的三阶导数数值最大曲率点计算预压应力，从加载和卸载阶段孔隙比与对数应力的斜率分别获得压缩指数和复压指数。将孔隙比转换为总孔隙度，并测定饱和导水率、宏孔隙度（macroporosity, ε_Ma）和微孔隙度（microporosity, ε_Mi）。统计分析采用异方差混合效应协方差分析（ANCOVA）和随机完全区组设计方差分析（RCBD ANOVA），必要时采用Gamma广义线性混合模型（GLMM）。

研究结果部分，"土壤有机碳、颗粒有机质、颗粒密度、初始容重、总孔隙度和含水量"显示：土壤有机碳和颗粒有机质含量随堆肥或粪肥施用水平的增加而显著增加，颗粒密度和初始容重略有降低，初始含水量随土壤有机碳输入增加而上升，初始总孔隙度在各处理间保持稳定（0.68 m³ m^?3），仅200 Mg ha^?1堆肥处理略高（0.69 m³ m^?3）。40 Mg ha^?1粪肥与35 Mg ha^?1堆肥处理间无显著差异，使得两种改良剂在等效有机碳水平下可直接比较压缩特性和土壤功能。

"压缩特性及孔隙动态受压缩和不同粪肥、堆肥水平的影响"部分显示：预压应力在初始低预载和湿润/干燥后各处理间相似（约60–61 kPa）；随重复湿润/干燥和后续加载，预压应力随堆肥施用率增加而降低，尤其在100和200 Mg ha^?1处理中，而粪肥改良土壤在各施用率下呈现相似的降低且与对照无差异；等效土壤有机碳含量下，预压应力在粪肥和堆肥改良土壤间无差异。压缩指数在初始50 kPa加载时最高，粪肥改良土壤通常与对照相当，但最高量粪肥在两个200 kPa加载下表现出更高的压缩指数；堆肥效应更强，100和200 Mg ha^?1处理的压缩指数显著高于35 Mg ha^?1和对照；40 Mg ha^?1粪肥与35 Mg ha^?1堆肥在各加载阶段压缩指数相似。复压指数在初始50 kPa加载时相似，在第一个200 kPa加载时达到峰值，随粪肥和堆肥施用率的增加而增大；第二次200 kPa压缩循环时复压指数最低，但100和200 Mg ha^?1堆肥处理略好。总孔隙度动态反映了力学响应，机械加载降低所有土壤的总孔隙度，但孔隙度损失随改良剂施用率的增加而减少，在堆肥改良土壤中尤为明显；卸载后的即时回弹通常极小；湿润/干燥促进了第一次和第二次200 kPa压缩后的孔隙恢复，其中堆肥改良土壤在第二次200 kPa应力后的孔隙恢复仅比第一次低3%–6%。宏孔隙度随压缩应力水平增加而降低，微孔隙度则增加；堆肥改良土壤的饱和导水率显著增加，200 Mg ha^?1堆肥处理比对照高约60%，而40 Mg ha^?1粪肥仅增加23%；粪肥处理间无显著差异且与对照无显著差异。

"土壤有机碳、压缩特性、结构特性与水力特性之间的关系"部分显示：在第一个200 kPa应力下，土壤有机碳和颗粒有机质与总孔隙度和微孔隙度的相关性在两种改良剂中均存在，但堆肥改良土壤显示出额外且更强的关系；在第二个200 kPa应力下，两种改良剂中的相关关系数量和强度均增加，堆肥土壤还表现出与总孔隙度和复压指数的正相关。回归分析表明土壤有机碳是土壤压缩特性的主导控制因子，尤其在较高应力水平下；土壤有机碳和初始含水量共同解释了第一个200 kPa应力下压缩指数、复压指数和孔隙度的变异，堆肥改良土壤中效应更强；在第二个200 kPa应力下，土壤有机碳继续驱动堆肥改良土壤的压缩和恢复；土壤有机碳还显著解释了应力后湿润/干燥后孔隙度恢复的变异，堆肥改良土壤中关系更强。

讨论部分，研究人员指出近20年有机改良剂显著影响土壤压缩特性及相关物理性质。由于筛分造成的初始松散条件（容重<0.8 Mg m^?3）模拟了耕作后的种子床，50 kPa加载模拟滚轮作用，与先前田间测得的改良土壤容重范围一致。土壤有机碳和颗粒有机质的增加伴随着初始含水量的增加和颗粒密度、容重的降低，表明土壤有机碳对土壤团聚和结构完整性的影响日益增强。预压应力在不同加载阶段的变化反映了湿润/干燥通过收缩-膨胀过程改变土壤应力容量的机制。较高土壤有机碳土壤在初始50 kPa下表现出更大的压缩指数，表明其对低应力的抗性增强，但在200 kPa高应力下压缩指数更大，表明抗性降低，同时具有最大的复压指数和即时回弹能力。堆肥改良土壤中有机结合和团聚体稳定性更强，缓冲了应力下的团聚体崩塌；而粪肥改良土壤在压缩过程中因孔隙水压力更易于发生团聚体崩塌。湿润/干燥循环驱动了显著的孔隙度恢复，尤其在堆肥改良土壤中，体现了孔隙重新开放和结构重组，土壤有机碳作为土壤恢复力的关键驱动因子，即使在第二次200 kPa应力后仍能促进显著孔隙恢复，表明高土壤有机碳土壤在严重加载后可持续进行结构重组。40 Mg ha^?1粪肥与35 Mg ha^?1堆肥因土壤有机碳和颗粒有机质含量相当而表现出相似的压缩行为、孔隙动态、孔径分布和饱和导水率，表明长期碳稳定化使不同有机输入通过对比分解途径产生了相似的有效土壤有机碳，土壤力学和水力响应由稳定化的土壤有机碳而非改良剂类型本身所控制。但研究也强调，选择有机改良剂时需考虑污染风险，且由于环境法规限制，粪肥施用量可能受到更严格约束，从而限制粪肥来源的土壤有机碳输入和长期土壤结构稳定性的提升潜力。

研究结论翻译如下：长期施用有机改良剂主要通过其对土壤有机碳的影响来改变土壤压缩行为和孔隙动态。湿润/干燥循环将预压应力降低至先前施加应力水平以下，证实预压应力是衡量当前应力容量的指标，而非明确代表最大应力历史。压缩、复压和孔隙响应取决于应力和土壤有机碳，较高的土壤有机碳增加了对初始低应力50 kPa的抗性，同时促进了200 kPa较高应力水平下更大的可压缩性、弹性回弹和孔隙恢复。在可比较的土壤有机碳水平下，粪肥或堆肥改良土壤表现出相似的结构、压缩和水力行为，表明充足的碳输入量而非有机改良剂类型控制土壤响应。增加土壤有机碳含量减少了不可逆变形，与堆肥改良土壤较高土壤有机碳相比，粪肥改良土壤的较低土壤有机碳含量使土壤团聚体更易于崩塌。虽然主要是土壤有机碳含量而非改良剂类型控制压缩和水力行为，但为保护免受污染而实施的粪肥施用法规限制可能制约粪肥来源的土壤有机碳输入，从而限制土壤结构稳定性和恢复力的长期改善潜力。针对压实的长期弹性土壤管理需要结合谨慎的交通管理以避免损害，同时采取增碳措施以优化对应力的抗性和恢复。