典型粘潮土中控制交通耕作对土壤物理质量和作物产量的长期效应

《Soil and Tillage Research》：Long-term effects of controlled traffic farming on soil physical quality and crop yield in Typic Argiudolls

　　

* 受控交通耕作结合免耕提高了软黏土（Argiudolls）的质量作物产量。
* 当相对压实度超过 88% 时，最小限制水分范围急剧下降。
* 边界线分析确定 88% 的相对压实度是作物产量下降的阈值。
* 入土阻力随有效应力增加而增加，将水分动态与机械阻抗联系起来。

1. 引言
土壤压实是阿根廷作物产量下降的主要原因，因为它破坏了对于根系生长和土壤 - 植物互作至关重要的土壤物理性质（Imhoff 等，2004）。在压实土壤中，表层和深层的团聚体大小和孔隙系统分布发生改变，导致孔隙数量减少、体积变小且曲折度增加，从而限制根系伸长（Botta 等，2010）。因此，根系发育受到限制，作物产量下降（Hamza 和 Anderson，2005）。在阿根廷圣菲省，典型软黏土（Typic Argiudolls）表层具有较高的粉砂含量（60–70%），且由于长期农业利用导致有机质含量低，这使得这些土壤特别容易受到压实影响（Imhoff 等，2010a, Imhoff 等，2016, Ghiberto 等，2015）。

土壤压实可以使用几种土壤物理指标进行评估。尽管土壤容重（ρb）与作物产量之间存在间接关系（Letey，1985），但它是最广泛使用的指标；然而，其解释深受土壤质地和有机质含量的影响（Betioli Junior 等，2012）。为了克服这一局限性，提出了相对压实指数（RC）作为不同土壤间压实程度的比较指标，将实际土壤容重与由普氏试验确定的最大容重联系起来（ASTM，1982）。

Letey (1985) 提出了一个土壤含水量范围，在此范围内根系生长不会受到土壤通气不足、水分有效性不足或入土阻力过大等因素的限制——这些因素直接制约植物生长。研究表明，该范围随土壤容重而变化。随后，da Silva 等 (1994) 将这些限制因素整合为一个参数，称为最小限制水分范围（LLWR），明确纳入了土壤容重对植物有效水和根系生长条件的影响。根系发育的最佳土壤含水量通常由田间持水量和永久萎蔫点界定，两者共同定义了植物有效水。此外，根际需要充分的气体交换以维持根系代谢，这一条件通常与 10% 至 15% 的空气充满孔隙度值相关，这些值常作为临界阈值被报道（Letey，1985; Zou 等，2001; da Silva 等，2004）。随着土壤入土阻力从 1 增加到 5 MPa，根系伸长率下降；然而，2 至 3 MPa 之间的临界阈值最常被采用，因为在此范围内根系生长减少约 50%（Dexter，1987, Materechera 等，1991, da Silva 等，1994, Lipiec 和 Hatano，2003, Imhoff 等，2010b, de Lima 等，2017）。通过整合这些物理约束，LLWR 已被证明是识别可能不利于作物生产的土壤压实水平的可靠指标。

在全球范围内，农业机械交通被认为是旱地土壤压实的主要驱动因素（Lipiec 等，2003, Antille 等，2015）。现代农业机械重量的增加促进了大团聚体的崩解，减少了颗粒间距离，并增加了颗粒间和团聚体间的摩擦（Keller 等，2019）。因此，由于有效应力上升，特别是在干燥条件下，土壤入土阻力增加（Ley 等，1995）。在非饱和土壤中，有效应力代表通过水膜结合土壤颗粒的力，因此取决于土壤含水量和基质势（Mullins 和 Panayiotopoulos，1984）。有效应力的变化与入土阻力的变化有关，特别是在受机械交通破坏结构的土壤中，最终导致根系生长减少（Ley 等，1995）。

受控交通耕作（CTF）被提出作为一种有效策略，以避免田间随机机械交通造成的广泛土壤压实。该系统将机械交通限制在永久作业道（PTL）内，这些作业道通常占总面积的 10–15%，既可以种植作物也可以保持无作物状态（Chamen，2015）。在 PTL 内重复的交通增加了土壤强度和有效应力，从而增强了土壤承载力。相比之下，田间剩余的被称为永久作物床（PCB）的区域保持免受交通压实的影响，随着时间推移，通常表现出土壤物理条件的改善，这与更高的作物产量相关（Antille 等，2019）。当 PTL 种植作物时，作物表现预计主要取决于相对压实程度，这决定了土壤物理约束是否限制根系生长。在阿根廷，CTF 的采用逐渐增加，主要在 PTL 种植的管理体系下。Masola 等 (2020) 报道，土壤压实从 PTL 中心向 PCB 方向减少，尽管存在地点差异。他们还观察到研究年份内作物响应的对比情况。作者强调了监测土壤性质随时间演变的必要性，因为 PTL 中的重复交通会逐步增加土壤压实，从而可能加剧其对作物表现的负面影响。基于此框架，本研究旨在补充和扩展 Masola 等 (2020) 的研究成果。

本研究的假设是：(i) 当受控交通耕作系统启动时土壤高度压实，PTL 内的结构恢复不太可能；(ii) 当土壤仅轻微压实且正确实施 CTF 原则时，PTL 内的进一步退化极小，作物产量基本不受影响；以及 (iii) CTF 应用对作物产量的田间尺度影响取决于 PTL 内的相对压实程度和 PCB 中土壤结构恢复的程度。

因此，本研究旨在：a) 基于土壤物理质量指标，评估受控交通耕作（CTF）系统下具有不同初始相对压实水平的永久作业道内土壤物理性质的时间变化；b) 评估阿根廷圣菲省中部典型软黏土中永久作业道和永久作物床内的相对压实对作物产量的长期影响。

2. 材料与方法
2.1. 实验地点与土壤采样
在阿根廷圣菲省的奥雷利亚（31°29′06.67″ S, 61°07′25.29″ W）和维德拉（30°54′41.46″ S, 60°37′35.26″ W）两个地点的典型软黏土上进行了两项田间试验。两个地点表层（0–25 cm）的土壤质地均为粉壤土。在奥雷利亚，土壤含砂 2%、粉砂 72%、粘土 26%、有机碳 1.57%；而在维德拉，土壤含砂 5%、粉砂 70%、粘土 25%、有机碳 1.9%（Masola 等，2020）。圣菲省属于湿润温带气候，西部（奥雷利亚地点）年均降水量约为 900 mm，东部（维德拉地点）约为 1000 mm，年均气温为 19 °C（国家气象服务局，2025）。在奥雷利亚地点，测量年份（2014 年、2016 年和 2019 年）的年降雨量分别约为 1179、1414 和 924 mm，显示出明显的年际变异性。相比之下，维德拉地点在同一时期的降雨量接近长期平均水平，约为 1050 mm。

在建立处理之前，通过使用深松机（paratill）深松至 300 mm 深度，缓解了之前随机机械交通造成的土壤压实。然后，在小区（n = 9）上应用了三种处理，分别对应于各地点使用的联合收割机的工作宽度，如图 1 所示。

图 1. 奥雷利亚和维德拉地点永久作业道和采样位置示意图。灰色区域：永久作业道（PTL）。棕色区域：收割平台。灰色线：作物行。A：永久作业道中心；B：永久作物床（PCB）中心。

实验设计旨在模拟受控交通耕作（CTF）系统启动时永久作业道（PTL）内不同的初始土壤压实水平：T0：最小压实，实验开始时未施加任何额外压实或交通；T1：中度压实，增加压实直到 0–25 cm 层入土阻力达到 2 MPa；T2：高度压实，增加压实直到 0–25 cm 层入土阻力达到 4 MPa。位于 PTL 之间的田间区域，称为永久作物床（PCB），保持无压实状态。在每个小区内，定义了两个采样位置：PTL 中心和 PCB 中心。实验设计为随机完全区组设计的裂区排列，设有三次重复。总观测数为 162（3 区组 × 3 处理 × 3 重复 × 2 采样位置 × 3 采样年份）。

在 T0 中，PTL 是由播种设备（拖拉机 + 播种机）在第一次播种操作期间的通过产生的，该操作在所有小区的同一天进行。在 T1 和 T2 中，PTL 是由联合收割机多次通过产生的，直到达到所需的压实水平。每次机械通过后，在 PTL 中心进行配对的土壤含水量和入土阻力测量（n = 10；0–250 mm 深度），以验证目标压实水平。使用 TDR（MPM 160-B）测量的土壤含水量略低于田间持水量（奥雷利亚地点为 0.29 cm3 cm?3，维德拉地点为 0.25 cm3 cm?3）。使用田间 penetrometer（PNT-2000?, DLG Automa??o）记录土壤入土阻力，该设备是根据 ASABE (2006) 标准设计的。选择入土阻力来定义处理，因为它提供了土壤压实的直接量化测量，考虑了质地和湿度等地点特定因素，与仅依赖机械通过次数相比，确保了明确区分的压实水平。

奥雷利亚地点使用的机械包括一辆 Pauny 拖拉机（160 HP），配备 14.9 × 26 前轮胎和 23.1 × 30 后轮胎，总重 5.6 Mg，以及一辆 John Deere 1174 联合收割机，配备 23.1 × 30 前轮胎和 12.4 × 24 后轮胎，总重 8.3 Mg。维德拉地点使用的机械包括一辆 Deutz-Fahr AX4190 拖拉机（190 HP），配备 16.9 × 28 前轮胎和 24.5 × 32 后轮胎，重 5.4 Mg，以及一辆 Claas Tucano 560 联合收割机，配备 800/65 R32 前轮胎和 500/70 R24 后轮胎，总重 13 Mg。轮胎充气压力根据制造商基于负载和作业速度的建议进行了调整。

在两个地点，在 CTF 实验开始前，土壤已至少进行了 15 年的免耕管理。实验建立后（种植第一茬作物），所有小区均接受相同的农艺管理，采用免耕和 CTF。PTL 和 PCB 均种植作物。奥雷利亚和维德拉地点的作物轮作分别为小麦（Triticum aestivum L.）–大豆（Glycine max L. Merr.）–玉米（Zea mays L.）和大豆–玉米–向日葵（Helianthus annuus L.）–玉米。作物营养、病虫害及杂草管理遵循当地推荐的每种作物的农艺实践。

未扰动土壤样品（直径 5 cm、高度 5 cm 的土芯）在三个时间点从两个采样位置（PTL 和 PCB）的 A 层中部（0–20 cm）采集：实验开始时（2014 年，称为第 0 年）、中期（2016 年，称为第 3 年）和最终评估（2019 年，称为第 6 年），均在夏收作物收获后进行。每次采样时收集 54 个土芯（3 区组 × 3 处理 × 3 重复 × 2 采样位置）。在田间，土芯用铝箔包裹，放入塑料容器中，运输至实验室进行分析。

2.2. 土壤水分保持曲线和入土阻力曲线
为了确定土壤水分保持曲线，将 54 个未扰动土壤样品根据处理和采样位置分为 6 组。每组由 9 个土芯组成，放置在托盘中，并用蒸馏水逐渐饱和。然后称量每个样品，并使用张力板在以下基质势之一进行平衡：?1、?3、?6、?8 和 ?10 kPa，以及使用理查兹压力室在 ?33、?100、?400 和 ?1500 kPa。

经过平衡处理后，对样品进行称重，并使用电子贯入仪测量贯入阻力，该仪器配备直径4 mm、锥角60°的圆锥探头，贯入速率为1.0 cm min?1。在每个土壤柱中心进行单次贯入操作。测量以0.2 mm为间隔记录，在4 cm贯入深度内共获得200个读数。对所有读数取平均值，得到每个土壤样品的平均贯入阻力值。锥角为60°的贯入仪可确保土壤贯入阻力的重复性测量，并与已确立的根系生长阈值（2–3 MPa）保持一致，从而能够与此前的LLWR和土壤压实研究进行直接比较（Dexter, 1987; da Silva et al., 1994; Lipiec and Hatano, 2003; Imhoff et al., 2016）。随后将样品在105 °C下烘干，以确定体积含水量（θ）和土壤容重（ρb）。土壤水分保留曲线（SWRC）使用Le?o等（2006）提出的模型进行拟合：

(1) θ = exp(a + b*ρb) * ψc

其中θ为体积含水量（cm3 cm?3），ρb为土壤容重（g cm?3），ψ为基质势（kPa），a、b和c为拟合参数。

贯入阻力数据使用Busscher（1990）提出的模型进行拟合：

(2) PR = d * θe * ρb^f

其中PR为贯入阻力（MPa），θ为体积含水量（cm3 cm?3），ρb为土壤容重（g cm?3），d、e和f为拟合参数。

**2.3. 相对压实度**

相对压实度（RC）计算为土壤容重（ρb）与最大容重（ρm）之比。最大容重在每个试验地点建立试验前通过Proctor试验确定（Masola等，2020）。试验进行三次重复，后续分析中使用平均值。

**2.4. 最少限制性水范围（LLWR）**

通过定义与贯入阻力、有效水分和气孔孔隙率相关的水分含量界限，确定每个土壤样品的LLWR。利用SWRC模型（公式1）预测田间持水量（θFC, ?33 kPa）和永久凋萎点（θPWP, ?1500 kPa）处的水分含量。利用贯入阻力模型（公式2）估算对应于3 MPa临界贯入阻力的水分含量（θPR）。临界贯入阻力值的选取参照H?kansson和Lipiec（2000）、Imhoff等（2010b）以及de Lima等（2017）的研究。

气孔孔隙率等于15%时的水分含量（θAP）按以下公式计算：

(3) θAP = (1 ? ρb/ρp) ? 0.15

其中ρp为颗粒密度（2.58 g cm?3）。气孔孔隙率的临界值选取参照da Silva等（2004）的研究。

LLWR计算为上限水分含量与下限水分含量之差，作为相对压实度的函数。上限定义为θFC和θAP中的较小值，下限定义为θPWP和θPR中的较大值。当LLWR等于零时，认为根系生长受到严重限制；此时对应的土壤容重称为临界土壤容重（ρbc）（da Silva等，1994）。在本研究中，LLWR等于零时的相对压实度值被视为植物生长的临界相对压实度（RCc）。

**2.5. 有效应力**

非饱和土壤中的有效应力（ES）按Mullins和Panayiotopoulos（1984）的方法，利用水分保留数据进行计算：

(4) ES = S * |ψ|

其中ES为有效应力（kPa），S为饱和度（θ/θs），θ为体积含水量（cm3 cm?3），θs为饱和状态下的体积含水量（cm3 cm?3），ψ为基质势（kPa）。

贯入阻力与有效应力之间的关系使用线性模型进行评价：

(5) PR = g + h * ES

其中PR为贯入阻力（MPa），ES为有效应力（kPa），g和h为拟合系数。

**2.6. 相对作物产量与边界线分析**

在每个小区和采样位置，通过手动收获三行作物中各两米长的样条来确定夏播作物产量。在Aurelia地点，第0年和第3年种植玉米，第6年种植大豆；在Videla地点，第0年和第3年种植大豆，第6年种植玉米。记录商业含水量下的籽粒重量并换算为产量（kg ha?1）（表S1和表S2）。为了便于在不同处理、位置和年份之间进行比较，产量以相对值表示。相对作物产量（RCY）计算为各处理及位置的产量与试验中记录的最大产量之比。

利用边界线分析法分析RCY与相对压实度之间的关系（Imhoff等，2010b）。该方法假设对于给定的控制因子水平，作物产量存在一个上限生物学极限，而较低的产量值则反映了其他限制因子的影响。数据以散点图形式绘制，并将边界线拟合到最外缘的数据点上，这些点代表未受其他约束影响的最大产量响应。

以下模型用于拟合边界线数据（Hajjarpoor等，2018）：

(6) RCY = 1 ? (RC/m)^n

其中RCY为相对作物产量，RC为相对压实度，m和n为拟合参数。

**2.7. 统计分析**

所有统计分析均使用R软件完成（R Core Team, 2023）。采用线性和非线性回归模型描述变量之间的关系。通过决定系数（R2）评价模型性能。利用方差分析评估土壤压实处理、采样位置及其交互作用对回归系数的影响（α = 0.05）。在适当情况下，利用emmeans包（Lenth, 2023）中的对比方法探索平均值之间的差异。

**3. 结果**

**3.1. 土壤水分保留曲线（SWRC）和贯入阻力曲线（PRC）**

表1给出了Aurelia和Videla两地点土壤水分保留曲线的回归参数。处理与位置之间的模型差异不显著（p > 0.05），因此为每个年份拟合了一个通用模型。

表1. Aurelia和Videla地点土壤水分保留曲线的拟合参数。θ = exp(a + b*ρb) * ψc。

| | Aurelia | | | Videla | | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| | a* | b* | c* | a* | b* | c* |
| 第0年 | ?0.473 (p < 0.05) | ?0.322 (p < 0.05) | ?0.066 (p < 0.05) | ?0.873 (p < 0.05) | ?0.056 (p = 0.592) | ?0.073 (p < 0.05) |
| 第3年 | ?1.067 (p < 0.05) | 0.146 (p = 1.296) | ?0.076 (p < 0.05) | ?1.147 (p < 0.05) | 0.181 (p = 0.296) | ?0.076 (p < 0.05) |
| 第6年 | ?0.751 (p < 0.05) | ?0.135 (p = 0.233) | ?0.068 (p < 0.05) | ?1.009 (p < 0.05) | 0.085 (p = 0.601) | ?0.074 (p < 0.05) |

*处理与位置之间的模型差异不显著（p > 0.05），因此为每个年份拟合了一个通用模型。

在所有地点和采样时间中，系数a始终为负值。系数b在大多数情况下无统计学显著性，仅在Aurelia地点的第0年除外；但因其纳入模型后改善了整体拟合优度，故予以保留。系数a和b的负号表明随着土壤容重的增加，土壤水分保留能力降低。系数c显示基质势与体积含水量之间存在负相关关系，表明随着基质势负值减小，含水量增大。

表2为贯入阻力曲线的回归结果。处理与位置之间的模型差异不显著（p > 0.05），因此为每个年份拟合了一个通用模型。系数d在大多数情况下无统计学显著性，仅在Aurelia地点的第6年除外。系数e（土壤含水量）在大多数情况下对贯入阻力有显著的负效应，仅在两个地点的第0年除外，表明在给定土壤容重下，贯入阻力随土壤含水量的增加而降低。系数f（土壤容重）始终对贯入阻力表现出正效应，表明在给定含水量下，较高的土壤容重导致更大的贯入阻力。在第3年和第6年，两个地点中土壤容重效应的幅度均有所增加。

表2. Aurelia和Videla地点土壤贯入阻力曲线模型的拟合参数。PR = d * θe * ρb^f。

| | Aurelia | | | Videla | | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| | d* | e* | f* | d* | e* | f* |
| 第0年 | 0.191 (p = 0.18) | ?0.461 (p = 0.44) | 5.189 (p < 0.05) | 0.109 (p = 0.53) | ?0.745 (p = 0.63) | 7.229 (p < 0.05) |
| 第3年 | 0.002 (p = 0.10) | ?5.129 (p < 0.05) | 7.282 (p < 0.05) | 0.009 (p = 0.33) | ?3.315 (p < 0.05) | 5.963 (p < 0.05) |
| 第6年 | 0.035 (p < 0.05) | ?1.596 (p < 0.05) | 6.609 (p < 0.05) | 0.002 (p = 0.51) | ?3.521 (p < 0.05) | 9.937 (p < 0.05) |

*处理与位置之间的模型差异不显著（p > 0.05），因此为每个年份拟合了一个通用模型。

**3.2. 相对压实度**

Proctor试验得到的最大土壤容重（ρm）在Aurelia地点为1.58 ± 0.03 Mg m?3，在Videla地点为1.62 ± 0.05 Mg m?3。相对压实度（RC）值见表3。

表3. Aurelia和Videla地点各处理及位置的相对压实度值。

| 年份 | 处理-采样位置 | Aurelia相对压实度(%) | 标准差 | Videla相对压实度(%) | 标准差 |
|---|---|---|---|---|---|
| | | | | | |
| 第0年 | T0-PCB | 80.4a | 0.7 | 72.9a | 3.1 |
| | T1-PCB | 78.7a | 4.6 | 78.2a | 2.8 |
| | T2-PCB | 78.6a | 0.3 | 74.7a | 9.4 |
| | T0-PTL | 83.4b | 2.6 | 83.6b | 3.2 |
| | T1-PTL | 88.1b | 7.9 | 83.4b | 10.4 |
| | T2-PTL | 90.5b | 3.8 | 89.7b | 8.2 |
| 第3年 | T0-PCB | 71.5a | 2.8 | 75.7a | 5.9 |
| | T1-PCB | 70.9a | 0.3 | 77.7a | 7.6 |
| | T2-PCB | 72.9a | 2.3 | 78.4a | 3.7 |
| | T0-PTL | 79.7b | 4.3 | 82.6b | 1.9 |
| | T1-PTL | 82.2b | 5.1 | 79.2b | 1.0 |
| | T2-PTL | 89.2b | 2.4 | 82.8b | 1.6 |
| 第6年 | T0-PCB | 73.3a | 3.2 | 79.3a | 5.9 |
| | T1-PCB | 74.4a | 3.9 | 77.9a | 3.7 |
| | T2-PCB | 77.5a | 1.3 | 77.2a | 0.5 |
| | T0-PTL | 88.2b | 3.1 | 80.3b | 2.2 |
| | T1-PTL | 91.8b | 2.1 | 82.7b | 6.3 |
| | T2-PTL | 92.0b | 3.7 | 83.9b | 1.9 |

*同一列同一年内带有相同字母的平均值之间差异不显著（p < 0.05）。处理T0——PTL中未施加初始土壤诱导压实；处理T1——PTL中施加初始土壤诱导压实至达到2 MPa贯入阻力；处理T2——PTL中施加初始土壤诱导压实至达到4 MPa贯入阻力；采样位置PTL：永久交通轮迹；采样位置PCB：永久作物垄；第0年：试验开始；第3年：试验中期；第6年：最终评估。

在两个地点，RC在采样位置之间均存在显著差异。在所有处理和采样年份中，永久作物垄（PCB）的相对压实度值始终低于永久交通轮迹（PTL）。在Aurelia地点，PCB的平均RC值为75.4%，PTL为87.2%；在Videla地点，PCB的平均RC值为76.9%，PTL为83.1%。PTL中各处理之间未检测到统计学显著差异，尽管在两个地点和所有年份中，T0的平均值始终低于T1和T2。部分数据集中较高的变异性可能限制了统计学显著差异的检测能力。

**3.3. 最少限制性水范围（LLWR）**

**3.3.1. Aurelia地点**

第0年，LLWR由θFC和θPWP定义，直至相对压实度达到85%，平均值为0.070 cm3 cm?3。超过此阈值后，LLWR因θAP的影响而降低；当相对压实度超过92%时，因θPR的影响进一步降低。当相对压实度超过94%时，22%的样品观测到LLWR等于零，分布在T2-PTL（12%）、T2-PCB（5%）和T1-PTL（5%）中（图2）。

图2. Aurelia地点LLWR值与相对压实度的关系。处理0——未施加初始土壤诱导压实；处理1——PTL中施加初始土壤诱导压实至达到2 MPa贯入阻力；处理2——PTL中施加初始土壤诱导压实至达到4 MPa贯入阻力；位置PTL：永久交通轮迹；位置PCB：永久作物垄；第0年：试验开始；第3年：试验中期；第6年：最终评估。

第3年，累计降雨量比长期平均值多出约514 mm，导致水淹条件。在此条件下，LLWR由θAP和θPR定义，平均值为0.022 cm3 cm?3，显著降低。当相对压实度达到78%时，LLWR降为零，发生在50%的样品中，全部位于PTL位置（图2）。

第6年，LLWR再次由θFC和θPWP定义，直至相对压实度达到85%，平均值为0.071 cm3 cm?3，与第0年类似。超过此阈值后，LLWR因θPR的影响而降低；当相对压实度超过87%时，因θAP的影响进一步降低。当相对压实度超过90%时，33%的样品观测到LLWR等于零，主要出现在PTL位置（图2）。

**3.3.2. Videla地点**

第0年，LLWR由θFC和θPWP定义，直至相对压实度达到80%，平均值为0.040 cm3 cm?3。超过此值后，LLWR因θPR的影响而降低，直至相对压实度达到83%时降为零。共33%的样品表现出LLWR = 0，主要出现在PTL位置，PCB中少量出现（图3）。

图3. Videla地点LLWR值与相对压实度的关系。处理0——未施加初始土壤诱导压实；处理1——PTL中施加初始土壤诱导压实至达到2 MPa贯入阻力；处理2——PTL中施加初始土壤诱导压实至达到4 MPa贯入阻力；位置PTL：永久交通轮迹；位置PCB：永久作物垄；第0年：试验开始；第3年：试验中期；第6年：最终评估。

第3年，LLWR由θFC和θPWP定义，直至相对压实度达到73%，平均值为0.074 cm3 cm?3。超过此阈值后，LLWR因θPR的影响而降低；当相对压实度超过85%时，θAP成为限制因素。当相对压实度值超过86%时，LLWR降为零，发生在12%的样品中，全部位于PTL。

在PCB区域，LLWR始终未降至零，平均值为0.052 cm3 cm?3，其降低主要由θPR驱动（图3）。在第6年，LLWR最初由θFC和θPWP界定，在相对压实度达79%之前，平均值为0.077 cm3 cm?3。与第3年类似，在更高压实水平下θPR和θAP成为限制因素，当相对压实度超过86%时，LLWR降至零。共有17%的样品LLWR=0，主要集中在PTL位置（图3）。

3.4 有效应力

两个地点及所有采样年份中，渗透阻力与有效应力之间的关系如图4所示。在所有情况下，渗透阻力随有效应力增加呈线性增长。回归方程和决定系数见表4。由于年份、采样位置和压实处理之间的交互作用，截距（g）和斜率（h）存在显著差异。

图4 Aurelia和Videla地点第0年、第3年和第6年渗透阻力值随有效应力的变化函数关系。处理0——PTL无初始土壤诱导压实；处理1——PTL初始土壤诱导压实至渗透阻力达2 MPa；处理2——PTL初始土壤诱导压实至渗透阻力达4 MPa；位置PTL：永久交通车道；位置PCB：永久作物床。

表4 Aurelia和Videla地点有效应力作为渗透阻力函数的回归参数。PR=g+h×ES。

*同列中后跟相同字母的均值无显著差异（p<0.05）。处理0——PTL无初始土壤诱导压实；处理1——PTL初始土壤诱导压实至渗透阻力达2 MPa；处理2——PTL初始土壤诱导压实至渗透阻力达4 MPa；采样位置PTL：永久交通车道；采样位置PCB：永久作物床；年份0：实验开始；年份3：实验中期；年份6：最终评估。

在Aurelia地点，接近田间持水量的有效应力值产生的渗透阻力低于3 MPa的临界阈值，尤其是在压实程度较低的处理中。在第3年，经历渍水条件后，该关系的斜率（h）显著增加，特别是在PTL中。相比之下，在第6年，斜率下降，特别是在PCB中，导致在相当的有效应力水平下渗透阻力更低。

在Videla地点，研究期间的降雨量接近历史平均水平。在所有年份中，PTL的截距（g）和斜率（h）值均高于PCB，导致在相当的有效应力水平下PTL的渗透阻力更高。最高值出现在处理T1和T2中。

在最压实处理T2-PTL中，Aurelia地点的平均渗透阻力为3.65 MPa，Videla地点为2.43 MPa。在T0-PTL和T1-PTL中，仅Aurelia地点的渗透阻力超过2 MPa。在PCB中，两个地点的渗透阻力均低于1.18 MPa。

3.5 相对作物产量与边界线分析

边界线模型（公式6）展示了相对土壤压实度（RC）增加对每个地点所评估作物（Aurelia地点为玉米、玉米和大豆；Videla地点为大豆、大豆和玉米）相对作物产量（RCY）的负效应。模型参数值见表5。在两个地点，参数m对相对作物产量对相对土壤压实度响应的影响有限，而参数n的影响更大。它决定了随着RC增加，产量下降的速率和严重程度。随着n减小，RCY的下降从较低的RC值开始，并随着土壤压实度进一步增加而变得更加明显。总体而言，这些结果表明Videla地点的作物产量对土壤压实度增加比Aurelia地点更敏感。

表5 Aurelia和Videla地点相对作物产量（RCY）作为相对土壤压实度（RC）函数的模型参数。RCY=1-(RC/m)^n。

图5 Aurelia地点所有评估作物的相对作物产量作为相对压实度的函数。边界线拟合至数据云的顶部区域（黑色显示），说明在无非其他变量限制产量的情况下相对作物产量与相对压实度之间的关系。处理0——无初始土壤诱导压实；处理1——PTL初始土壤诱导压实至渗透阻力达2 MPa；处理2——PTL初始土壤诱导压实至渗透阻力达4 MPa；位置PTL：永久交通车道；位置PCB：永久作物床；年份0：实验开始；年份3：实验中期；年份6：最终评估。

图6 Videla地点所有评估作物的相对作物产量作为相对压实度的函数。边界线拟合至数据云的顶部区域（黑色显示），说明在无非其他变量限制产量的情况下相对作物产量与相对压实度之间的关系。处理0——无初始土壤诱导压实；处理1——PTL初始土壤诱导压实至渗透阻力达2 MPa；处理2——PTL初始土壤诱导压实至渗透阻力达4 MPa；位置PTL：永久交通车道；位置PCB：永久作物床；年份0：实验开始；年份3：实验中期；年份6：最终评估。

在Aurelia地点，当相对压实度达到约80%时，RCY仍接近100%。超过此阈值后，产量逐渐下降，直到相对压实度达到88%，此后产量急剧下降。当相对压实度接近95%时，RCY降至最大值的约50%。较高的相对作物产量（>75%）主要与PCB相关（77%），其次是T0-PTL（18%）和T1-PTL（5%）（图5）。

在Videla地点，相对作物产量在相对压实度达约77%之前仍接近最大值，此后产量逐渐下降，直到相对压实度达88%，之后急剧下降。在相对压实度接近95%时，RCY降低了约55%。较高的相对作物产量主要与PCB相关（63%），其余分布于PTL处理中（图6）。

4. 讨论

由农业机械交通引发的土壤压实仍然是全球范围内土壤物理质量和作物生产的主要制约因素之一。通过破坏土壤结构，压实改变了孔隙大小分布，从而影响多种土壤物理过程。在本研究中，相对土壤压实度的变化始终与土壤水分保持和渗透阻力曲线、有效应力、最小限制水分范围以及最终的作物产量的变化相关联。

4.1 土壤水分保持和渗透阻力对压实的响应

两个地点多年间土壤水分保持曲线拟合参数的变化表明，机械交通及随后的土壤结构演化改变了土壤孔隙结构。所获得的数值与类似质地（即粉质壤土）土壤的报道一致（da Silva等, 1994, Imhoff等, 2016）。

根据Vallejos等（2024）的研究，他们使用相同的函数来确定WRC，参数a主要受大孔隙率影响，而参数b与土壤容重直接相关，反映与水分储存相关的孔隙。a值越高，土壤大孔隙率越低。因此，本研究中两个地点在第0年观察到的a值较高，可归因于实验开始时PTL中的诱导压实，这减少了大孔隙体积。系数a对诱导压实的敏感性证实了大孔隙率在控制粉质壤土土壤中水分释放中的主导作用。Vallejos等（2024）报道了a值随土壤压实度增加表现出类似的响应。

参数b在大多数情况下无统计学显著性，这与Le?o（2019）对粉质壤土土壤的发现一致，表明压实引起的土壤水分保持变化主要由大孔隙减少驱动，而非储存孔隙的变化。当b具有显著性时，b和土壤容重对水分保持的负效应支持了以往关于容重增加与总孔隙率和持水能力降低之间联系的证据（da Silva和Kay, 1997, Tormena等, 1999, Zhai和Horn, 2018）。

参数c在各年份保持稳定，表明土壤团聚体内部的微孔隙——主要负责低基质势下的水分保持——受压实影响极小，这与以往研究报道一致（Le?o等, 2006, Vallejos等, 2024）。系数c的时间稳定性突显了孔隙域对机械交通的不同敏感性。

渗透阻力对土壤含水量和土壤容重变化的响应一致，随含水量增加而降低，随土壤容重增加而升高。对于与研究土壤质地类似的土壤，类似的响应已被广泛报道（Miretti等, 2010, Imhoff等, 2016, Tian等, 2022），反映了机械交通引起的颗粒重新排列、颗粒间摩擦增加和孔隙连续性降低的综合效应（Vallejos等, 2024）。较高的土壤含水量通过促进施加外力下的颗粒位移而降低渗透阻力（Le?o等, 2006, Vizioli等, 2021）。

4.2 相对压实度作为综合指标

机械交通增加了土壤容重，但其绝对效应因土壤性质而异。使用相对压实度而非土壤容重或孔隙率，得出的实验结果的地域特异性较低，从而具有更广泛的适用性（H?kansson和Lipiec, 2000）。在本研究中，PCB中的相对压实度始终低于PTL，证实了CTF系统在空间上限制压实的有效性。尽管PTL处理之间的相对压实度差异较小，尤其是T1和T2之间，但这种模式与以往研究一致，表明第一次机械通行造成最大的结构损伤，而后续通行主要影响较深层或渗透阻力，而非土壤容重（Hamza和Anderson, 2005, Botta等, 2006）。这解释了尽管PTL中交通强度差异较大，但相对压实度值变化却较小。

与H?kansson和Lipiec（2000）一致，低于约85%的相对压实度值对土壤物理条件的制约最小；然而，超过此阈值后，作物响应越来越受土壤通气性和渗透阻力相关限制的控制，这从LLWR的缩小中得到了证实。

相对压实度始终综合了不同地点和年份机械交通施加的土壤结构、水力学和水力学约束，提供了压实对作物产量限制作用的一个稳健指标。

4.3 LLWR作为土壤物理约束指标

LLWR有效综合了水分供应、通气性和渗透阻力的共同效应。在Aurelia地点，第3年的过量降雨即使在相对较低的RC水平下也大幅降低了LLWR。在这些条件下，充气孔隙度（θAP）成为主导限制因素，突显了低有机质粉质壤土土壤在长期饱和条件下的结构退化脆弱性（Taboada等, 2011）。高粉土含量、低有机质和渍水的组合可能促进了大孔隙塌陷并减少了氧气扩散，加剧了根系生长限制。在无渍水的年份（第0年和第6年），当相对压实度超过85–87%时，LLWR的下降主要归因于渗透阻力增加和通气性降低，这与以往的LLWR研究一致（H?kansson和Lipiec, 2000）。

在Videla地点也出现了类似模式，当相对压实度超过85–87%时，LLWR急剧下降，受渗透阻力和通气性约束的双重驱动。这些阈值与H?kansson和Lipiec（2000）报道的紧密吻合，强化了相对压实度作为根生长土壤物理限制预测指标的相关性。

最高的LLWR值始终与接近80%的相对压实度值和PCB位置相关。在PCB中观察到的残留限制表明，长期历史随机交通可能导致团聚体内致密化，减少了团聚体内大孔隙率和生物活性，从而限制了完整的结构恢复（Lipiec等, 2003）。

LLWR被证明是土壤压实和暂时性气候胁迫的敏感指标。

值得注意的是，LLWR不仅识别出压实对土壤性质的影响，还捕捉到了土壤对极端天气事件的脆弱性，而在气候变化情景下，这类事件预计将增加。在各个试验站和年份中，当相对压实度超过85–87%时，LLWR急剧下降，其中贯入阻力和充空气孔隙度成为主要的限制因子。这些阈值在不同条件下表现出的高度一致性，进一步印证了LLWR作为反映根系生长限制功能指标的可靠性。

**4.4 有效应力与贯入阻力的关系**

贯入阻力与有效应力的综合分析为理解土壤结构动态提供了新的视角。虽然贯入阻力通常被解释为主要受容重和土壤含水量的影响，但我们的结果表明，有效应力更能捕捉从压实程度较低的土壤中由毛细管力主导的阻力向高压实条件下由应力主导的阻力的转变过程。土壤贯入阻力随有效应力的增加呈线性增长，这反映了土壤水势和含水量对颗粒间粘结力所产生的综合影响（Vepraskas, 1984）。与PCB相比，PTL中贯入阻力对有效应力的响应更为强烈，表明土壤压实增强了土壤干燥过程中颗粒重排和摩擦阻力的作用。

在压实程度较低的处理中，贯入阻力主要受土壤水毛细管力的控制；而在压实程度较高的处理中，有效应力和容重则成为主要控制因素，这与Whalley等人（2005）的报道一致。

在Aurelia站发生水涝事件后，贯入阻力与有效应力关系曲线的斜率显著增大，表明发生了结构坍塌和颗粒重排，从而在后续干燥过程中加剧了机械阻力，这与Ley等人（1995）、Giarola等人（2003）以及To和Kay（2005）的报道相符。

然而，各处理间存在显著的年际变异性。特别是，在Aurelia站第6年贯入阻力与有效应力关系曲线斜率的降低，以及PTL中T0、T1和T2之间斜率值的趋同（尤其在Videla站），表明即使在最高压实水平（T2）下，土壤结构也发生了部分恢复。Taboada等人（2011）研究了水涝对潘帕斯地区畜牧管理土壤的影响，强调土壤孔隙系统可通过多次干湿循环实现再生。然而，这种恢复取决于外部应力消除后土壤的胀缩能力，且主要与土壤干燥过程中微裂缝的形成有关（Dexter, 1988）。土壤的内禀特性，如黏土和有机质含量，以及生物过程——尤其是根系生长和土壤生物活动——在此过程中起着至关重要的作用。在此背景下，PTL区域进行了耕作，这很可能促进了第6年观察到的结构恢复。相反，在PCB区域，水涝事件后未施加额外的机械应力，这有利于结构恢复，这一点反映在贯入阻力与有效应力关系曲线斜率的降低上。在两个试验站，随着时间推移，该斜率呈逐步下降趋势（在PCB中尤为明显），表明一旦排除机械作业影响，土壤结构会逐步恢复；从而证实了采用受控交通耕作系统的长期效益。有效应力成功解释了贯入阻力的年际和空间变异性，尤其是在极端气候事件之后，这凸显了土壤水动力学、容重和机械阻抗之间的强耦合关系。

**4.5 将土壤物理质量与作物产量相联系**

本研究的一项重要贡献在于，利用边界线分析明确建立了土壤物理指标与作物产量之间的联系。研究确定了一个约88%的关键相对压实阈值，超过该阈值后作物产量急剧下降，这为土壤管理提供了定量且可操作的标准。适度增加相对压实度（75–88%）仅导致产量轻微下降（约10–12%），而超过该范围的值则对最大产量造成了严重限制。这些发现与此前关于免耕系统中土壤压实增加导致产量下降的研究结果一致（Ferreira et al., 2021, Obour and Ugarte, 2021），尤其是当压实导致LLWR严重下降时（Cecagno et al., 2016, Li et al., 2020, de Moura et al., 2021）。

基于LLWR的限制与产量响应在相同相对压实值（约88%）附近的汇聚，进一步支持了如下解释：超过该阈值后，作物响应主要受土壤物理限制而非其他限制因子的主导，并支持将该值作为粉壤土（如本研究土壤）管理决策的实用阈值。这一综合证据超越了相关性分析，支持了将压实、土壤物理退化与产量损失相联系的因果框架。几乎所有LLWR=0的实例均出现在PTL区域内，这凸显了受控交通耕作系统在空间上管理土壤压实并维持/改善耕作区（PCB）土壤物理质量的能力。在Aurelia站，PTL和PCB分别占耕作面积的38%和62%；而在Videla站，这两者分别占24%和76%。因此，通过将关键压实水平限制在PTL区域内，CTF使得大部分田地能够保持一致的高产。

**4.6 总体启示**

尽管压实对容重、贯入阻力和作物产量的影响已被广泛研究，但在受控交通耕作（CTF）条件下，土壤持水、贯入阻力、有效应力、LLWR、相对压实度与作物产量之间的综合长期相互作用仍未得到充分量化，特别是在细质地、易压实土壤中的情况更为突出。

本研究提供了为期六年、跨越不同气候年份的田间证据，将这些过程联系起来，证明相对压实度是连接土壤结构、水力行为、机械阻力和作物产量的统一指标。此外，LLWR与贯入阻力—有效应力分析的整合揭示了产量下降的机制。这些发现为现代农业中土壤压实管理提供了更具机制性和可操作性的理解，并支持将受控交通耕作作为维持免耕系统土壤物理质量的关键策略。

**5. 结论**

研究表明，受控交通耕作（CTF）对土壤物理质量和作物产量的影响取决于土壤压实的初始水平以及土壤结构的后续演变，部分支持了所提出的假设。高初始压实水平（如T2的PTL区域）限制了土壤结构恢复并增加了生产约束；而在低初始压实条件下（T0），配合恰当的CTF实施，土壤退化保持最小，即使在PTL区域作物产量也得以维持。尽管响应的幅度在各站和年份间有所不同，但土壤压实始终对关键物理指标和作物产量产生影响。LLWR和边界线分析均识别出一个约88%的关键相对压实阈值，超过该阈值后土壤物理约束加剧，作物产量显著下降，进一步印证了相对压实度作为生产限制指标的农学意义。这些发现对于提高生产者的信心和支持CTF技术在相关地区的更广泛应用具有重要启示，在这些地区，关于PTL区域重复通行导致产量下降的担忧仍然制约着该技术的推广。

**CRediT作者贡献声明**

Silvia Imhoff：撰写—审阅与编辑，验证，监督，项目管理，方法论，调查研究，资金获取，形式化分析，概念化。Eugenia Oggero：撰写—原稿，方法论，调查研究。Juan Gabriel Nicolier：方法论，调查研究。Maria Josefina Masola：调查研究。Carlos Agustin Alesso：撰写—原稿，形式化分析。

**资助**

作者感谢阿根廷国家科学和技术研究委员会（CONICET）（项目711-2021-23）和阿根廷国家科学技术促进局（项目PICT-2016-4168）对本研究提供的资金支持。匿名审稿人的意见与建议深表感谢。

Eugenia Oggero | Juan Gabriel Nicolier | Maria Josefina Masola | Carlos Agustin Alesso | Silvia Imhoff