论文标题：Impact of mechanical compaction on crop growth and sustainable agriculture

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Zijian LONG, Yifei WANG, Baoru SUN, Xiaoyan TANG, Kemo JIN

发表时间：15 Jun 2024

DOI：10.15302/J-FASE-2024566

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耕地保育与产能提升

Soils for Food Security

专 辑 文 章 介 绍

· 第三篇 ·

▎论文ID

Impact of mechanical compaction on crop growth and sustainable agriculture

土壤机械压实对作物生长和可持续农业的影响

发表年份：2024年

第一作者：龙梓健

通讯作者：金可默

 kemo.jin@cau.edu.cn

作者单位：中国农业大学资源与环境学院，国家农业绿色发展研究院

Cite this article :

Zijian LONG, Yifei WANG, Baoru SUN, Xiaoyan TANG, Kemo JIN. Impact of mechanical compaction on crop growth and sustainable agriculture. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(2): 243–252 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024566

· 文 章 摘 要 ·

随着农业技术的发展，为满足不断增长的人口和经济发展的需求，全球范围内广泛采用了集约化农业耕作方式。然而，集约化程度的加剧和重型农用机械使用的增加，对土壤结构产生了不利影响。土壤压实问题日益严重，它会导致土壤的物理、化学和生物性质退化，对作物生长产生负面影响，降低产量，进而对粮食安全和农业系统的整体可持续性构成重大威胁。鉴于这些挑战，本综述旨在加深对导致土壤压实的因素的理解，并制定有效的缓解策略。凭借这些方式，能够减轻土壤压实的不利影响，改善土壤结构，提高作物产量，并最终提高农业生产的可持续性。

· 文 章 亮 点 ·

1. 集约化农业导致的土壤压实问题威胁着土壤质量、作物生长和粮食安全。

2. 本研究探讨了导致压实的因素，旨在开发有效的缓解方法。

3. 目标是减少土壤压实，提升土壤质量，提高作物产量，增强农业可持续性。

4. 现代农业需要创新来解决土壤压实问题。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

土壤压实是由内外部压力导致的土壤结构破坏现象，它会通过增加机械阻力限制根系伸长，并影响土壤水分、养分和空气流动，进一步降低养分有效性，对作物产量产生不利影响。全球范围内，土壤压实已达到临界水平，威胁粮食安全。中国也面临此挑战，66%的农田耕层过薄，26%的地点土壤容重超标。集约化耕作和重型农用机械的应用导致土壤压实问题，并受到机器重量、通过频率、耕作方式等多种因素的影响。尽管耕作可疏松土壤，但也可能在耕层下导致犁底层的形成。生物耕作被视为缓解土壤压实的有效方法。本研究旨在挖掘土壤压实问题的成因，并提出有效的缓解策略。为此，本文全面总结了影响土壤压实问题的因素，评估了土壤机械压实对农业生产的影响，并特别关注生物耕作方法在缓解土壤压实问题的潜力。

▎机械压实对作物生长的影响

土壤穿透阻力和孔隙分布：土壤机械压实会影响土壤的穿透阻力和孔隙分布，这是决定根系生长的关键因素。土壤容重增加和土壤孔径减小会阻碍根系的穿透，限制根系的分布，最终导致根系生长速度减慢。

养分吸收：在压实的土壤中，根系难以获取水和必需的营养物质。这会导致作物对氮、磷和钾等养分的吸收率降低。例如，有研究表明，在机械压实的影响下，小麦的氮吸收降低了12%–35%，磷吸收降低了17%–27%，钾吸收则降低了24%。

温室气体排放：机械压实还会通过影响温室气体产生的物理和化学条件，从而对环境产生影响。例如，土壤压实可能会改变氧气条件并影响反硝化过程，从而增加N2O的排放。

作物生长和产量：机械压实会显著限制作物的生长，干扰地上和地下部分的生物量分配，最终导致作物产量下降。有观察发现，机械压实会使玉米的根长、根干重、茎伸长和叶面积指数分别减少29%、38%、27%和68%。同时，也有研究报告指出，由于压实处理，小麦的谷物和秸秆产量分别减少了38%和12%。

综上所述，机械压实会通过多种方式影响作物的生长，包括阻碍根系发展、降低养分吸收、增加温室气体排放以及减少作物产量。因此，随着农业机械在集约化农业中的越来越多使用，亟待开发有效的方法减轻土壤压实的负面影响。

▎集约化农业系统中导致机械压实的因素

土壤压实受自然因素 (如土壤层密度、质地、干湿交替) 和人为管理因素 (如种植强度增加、重型机械使用) 共同影响。本部分着重探讨了管理因素，特别是机械压实，它已成为集约化农业中土壤压实的关键驱动因素，通过增加土壤穿透阻力和容重，降低孔隙度、水力传导率和渗透率，严重威胁农业系统的可持续性。研究发现，使用重型拖拉机多次作业会严重破坏土壤结构，降低土壤渗透性。

机械压实对土壤性质的影响因土壤类型和地点特征而异，如土壤质地、有机质含量和水分条件 (图1)。研究表明，黏粒和粉粒含量增加与土壤容重降低相关，而土壤容重则随砂粒含量增加而增加。低黏粒含量土壤更易受压实影响。土壤压实增加土壤机械强度，尤其在表层土中。虽然高黏粒土壤对机械压实敏感性较低，但同等容重下对根系生长的抑制却可能更明显。研究发现，有机质可以降低土壤容重和土壤紧实度，提高土壤孔隙度。高土壤有机碳水平降低了土壤对外部压实的敏感性。土壤含水量过高时土壤的承载能力降低，在排水不良的田地上进行机械工作增加了土壤压实的风险。

随着农业机械尺寸和重量增加，压实应力加剧，从而降低作物产量。此外，轮胎压力等机械参数也影响土壤压实的效果，相比标准轮胎，低压轮胎的应用能够增加土壤大孔隙。相比农业机械的单次应用，多次机械通行将压实应力传递至土壤深层，加剧土壤退化。机械压实已成为土壤退化的主要驱动因素。

图1 影响土壤机械压实的因素及其对土壤性质和作物产量的影响：(a) 机器重量，(b) 通过频率，(c) 土壤有机质含量和 (d) 土壤含水量。

在集约化农业中，旋耕导致土壤压实和结构退化，阻碍根系生长。免耕耕作虽能降低容重、改善土壤质量，但对土壤扰动的减少可能导致表层土壤压实，同时免耕对土壤压实的影响复杂，可能因地而异。过量施肥不仅不能增产，还导致环境污染和土壤结构恶化。因此，优化施肥对提升土壤质量和生产力至关重要。总体而言，集约化农业虽提高生产效率，但也增加了土壤压实风险。

理解现代农业中土壤压实因素后，可采取措施减轻其对农业生产的不利影响，包括控制交通、减少机械通过次数、使用低胎压或低荷载机械、在适宜土壤湿度下进行机械作业，并增加土壤有机质。同时，需创新方法以应对土壤压实风险，促进可持续农业发展。

▎生物耕作对机械压实的影响

当代农业采用多种策略缓解土壤压实，但传统耕作可能加剧土壤压实问题。生物耕作，利用作物根系改善土壤质量，成为缓解土壤压实的潜在有效方法。它强调根系在创造生物孔隙和改善土壤结构中的作用。生物耕作能改善土壤物理性质，特别是免耕条件下，能够降低土壤容重和穿透阻力，增加土壤孔隙度和团聚体稳定性等。通过覆盖作物增加土壤有机质含量，也可以间接改善土壤性质。

生物耕作形成的生物孔隙可促进后续作物的根系生长 (图2)。前茬根系在土壤创造通道后分解，留下孔隙，使后续作物优先在孔隙中生长并探索深层土壤。压实土壤中的犁底层限制根系生长，但前茬作物根系形成的生物孔隙为后续作物根系生长提供了低阻力途径，使其能穿透犁底层，从深层土壤获取养分和水分。覆盖作物根系能够通过形成生物孔隙，有效改善土壤结构。

图2 生物耕作形成的生物孔隙促进后续作物根系生长。

生物耕作的开发和应用主要聚焦在选择和培育具有不同根系结构的作物品种，定向塑造有利于后续作物生长的土壤孔隙结构。研究表明，直根系作物在压实土壤中穿透能力更强。例如，直根系的萝卜和油菜能够比须根系的黑麦更有效穿透压实土壤。通过选择特定作物组合，生物耕作能有效应对不同地区和类型的土壤压实问题，促进可持续农业发展，为传统耕作提供替代方案。

· 未 来 展 望 ·

土壤压实受多因素影响，如土壤类型、作物种类、气候和农机操作。重型机械和不当管理导致外部压力过大，减少土壤孔隙度，破坏连通性，阻碍水分和养分循环。后果包括土壤结构退化、作物生长受阻、产量下降，以及增加径流、侵蚀、温室气体排放、水体富营养化、地下水补给减少和生物多样性丧失。未来，植物根系有望成为对抗土壤压实的利器。通过选择特定根系结构的植物，能重建土壤孔隙，优化土壤与植物的相互作用。深入理解调控根区土壤结构的方法，对提升作物产量、保障粮食安全及环境可持续性至关重要。这种面向未来的方法强调采用综合土壤管理策略，涵盖土壤健康的物理和生物方面。

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