免耕耕作条件下黏质氧化土的结构特征及其抗压性

《Soil and Tillage Research》：Structural organization and susceptibility to compaction of clayey Oxisol under no-till farming

土壤压实机制与免耕管理下淋溶砖红壤的物理化学特性研究，揭示矿物组成（吉贝石）和土壤酸碱度是影响压实的主因，吉贝石富集土壤抗压实能力更强。

　　

若昂·塔瓦雷斯·菲略

巴西巴拉那州朗德里纳州立大学，农业科学中心，塞尔索·加西亚·西德公路/PR 445公里380处，朗德里纳

摘要

由于具有深厚的土层、颗粒状微观结构和较高的孔隙度，源自玄武岩的粘土质氧化土在巴西农业中得到了广泛应用。然而，在长期采用免耕系统的条件下，反复的机械作业加剧了土壤压实，从而损害了土壤的物理性质。本研究评估了免耕条件下粘土质氧化土的土壤结构、压实程度及其物理、化学和矿物学特性之间的关系。研究选择了两个具有相同土壤分类和管理历史但坡度不同的地点（2–6%和10–12%）来探讨地形位置对土壤结构组织及压实敏感性的影响。通过文化剖面法对土壤结构进行了分析，并参考了天然森林下的对照剖面数据。从结构上等效的人为干扰层中采集了未受干扰和受干扰的样本，以测定其容重、粒径分布、化学性质、矿物组成和比表面积。结果表明，土壤压实受到间接和直接因素的共同控制。坡度位置通过影响粒径分布和矿物组成间接影响压实程度；矿物组成和土壤酸度则是直接控制土壤物理行为的主要因素，它们调节着土壤团聚体的形成和结构稳定性。富含铝氢氧化物（吉布bsite）的氧化土表现出更高的团聚体稳定性和更低的压实敏感性，而缺乏铝氢氧化物的土壤则表现出更严重的结构退化。这些发现表明，矿物组成是控制氧化土压实程度的关键因素，在免耕系统的土壤管理策略中应予以充分考虑。

引言

氧化土覆盖了巴西约35%的领土，在国家农业中发挥着重要作用，支持多种经济作物的生产（Klink和Machado，2005年）。这类土壤具有颗粒状结构、较大的深度、较高的持水能力和总孔隙度，在自然条件下能够促进水分快速渗透和充足的空气流通，这对植物生长和发育至关重要（Tavares Filho和Tessier，2010年）。

然而，集约化的农业管理，特别是重型机械的频繁作业，尤其是在湿润土壤条件下，加上不合理的保护措施（如缺乏轮作、覆盖作物和交通控制的不完善免耕系统），加速了土壤压实过程（Hamza和Anderson，2005年）。这种物理退化会导致多种负面效应，如水分渗透减少、侵蚀敏感性增加、根系生长和养分吸收受限，以及由于空气流通减少和土壤温度升高而导致的微生物活性下降（Holloway和Dexter，1991年；Reichert等人，2009年；Tavares Filho和Tessier，2010年）。除了影响作物产量外，氧化土的压实还会改变流域尺度上的水文过程，增加地表径流，从而加剧土壤侵蚀并影响相邻水体的水质（Centeri，2022年）。此外，压实还会影响土壤气体交换，可能增加二氧化碳（CO?）和氧化亚氮（N?O）等温室气体的排放，这对可持续土壤管理和气候变化缓解带来了额外挑战（Lal，2004年；Pulido-Moncada等人，2022年）。

在以玄武岩衍生的粘土质氧化土为主的农业区域，土壤压实问题尤为严重。多年集约化耕作后，土壤容重的增加会严重损害土壤的物理性质和作物产量（Derpsch，2003年）。这类土壤具有独特的物理、化学和矿物学特性，这些特性显著影响其物理退化的敏感性（Ker，1997年；Alvarenga和Davide，1999年）。Tavares Filho（1995年）指出，巴拉那州高度粘土质玄武岩衍生土壤的稳定性受多种因素共同影响。因此，评估这些环境中的土壤压实情况需要考虑土壤质地和矿物组成，以及调节土壤结构和稳定性的化学相互作用和环境条件。这些知识对于制定旨在维持或提高土壤质量和长期农业产量的可持续管理策略至关重要（Tavares Filho，1995年；Lal，2004年；Obade，2019年）。

玄武岩母岩在控制粘土质氧化土的结构组织和机械行为方面起着核心作用。玄武岩的强烈风化形成了高粘土含量的土壤，其矿物组成以铁氧化物和铝氧化物为主（Ker，1997年；Schaefer等人，2008年）。这些氧化物促进了颗粒间的强结合，形成了稳定的微观颗粒结构，解释了玄武岩衍生氧化土通常具有的高团聚体稳定性（Tisdall和Oades，1982年；Tavares Filho和Tessier，2010年）。然而，在农业利用和反复的机械作业下，这种矿物学控制机制反而会导致稳定微团聚体的重新排列和更紧密的堆积，而不是团聚体的分解，从而降低大孔隙度、增加容重，并提高土壤的压实敏感性，即使在免耕系统下也是如此（Reichert等人，2009年；Tavares Filho等人，2023年）。

尽管关于土壤压实的研究很多，但关于源自玄武岩的粘土质氧化土的物理、化学和矿物学特性在其集约化农业利用下对压实敏感性的具体作用仍存在显著的知识空白（White，1975年；Gupta，1988年；Becher，1994年；Assouline等人，1997年；Radford等人，2001年；Motavalli等人，2003年；Spagnoli和Shimobe，2020年；Mudarisov等人，2020年；Tavares Filho等人，2023年；Frene和Pandey，2024年）。这一空白在重型机械频繁作业的地区尤为明显。本研究旨在探讨粘土质氧化土的固有特性如何影响其土壤结构组织、压实过程及其对免耕管理的响应。

我们假设，在免耕条件下，源自玄武岩的粘土质氧化土中，铁氧化物和铝氧化物的主导作用促进了强而稳定的微团聚体的形成，这限制了团聚体的分解，但同时也因微团聚体的重新排列和孔隙塌陷而在反复机械负荷下增加了土壤的压实敏感性。

因此，本研究的目的是评估免耕条件下粘土质氧化土的土壤结构与压实程度之间的关系，以及其物理、化学和矿物学特性。

研究地点和土壤

本研究在巴西朗德里纳州立大学（PR）的一个专门用于谷物生产（大豆、玉米、小麦）的农业区进行，该地区采用免耕系统，土壤为高度粘土质的氧化土（粘土含量>800克/千克），源自玄武岩（坐标：23°19'55.5"S，51°09'00.4"W）。研究地点海拔约610米，根据K?ppen-Geiger分类法，该地区属于湿润亚热带气候（Cfa）。

人为干扰土壤剖面的结构组织

在文化剖面尺度上观察到了不同的土壤结构。下文对区域1和区域2的土壤剖面描述基于Tavares Filho（1999年）和Boizard（2017年）的研究。

首先需要指出的是，森林土壤剖面（图1）在整个剖面中都表现出微团聚体结构（μ）。经过农业利用后，土壤的宏观形态发生了显著变化，表明尽管有保护措施，但其物理退化仍然存在。

结论

氧化土的压实受到直接和间接因素的共同控制。坡度影响侵蚀强度，进而改变粒径分布和矿物组成，从而间接影响土壤结构和压实敏感性。矿物组成和土壤酸度是直接控制土壤物理行为的主要因素，它们调节着土壤团聚体的形成和结构稳定性。在这种情况下，富含铝氢氧化物的氧化土表现出较低的压实程度和更高的团聚体稳定性。

CRediT作者贡献声明

若昂·塔瓦雷斯·菲略：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿创作，可视化处理，验证，监督，资源提供，方法论设计。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本论文的过程中，作者使用了GPT工具来提升文本的可读性。使用该工具/服务后，作者对内容进行了彻底的审阅和编辑，并对最终发表的版本承担了全部责任。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我想感谢朗德里纳州立大学（UEL）和国家科学技术发展委员会（CNPq）的支持。