《Soil and Tillage Research》：Dynamics and consequences of compaction process in agricultural soil under vehicular loading – High-sampling-rate measurements and structural analyses
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为解决农业重型机械压实土壤威胁土壤健康的问题，研究人员通过高采样率Bolling探针（BP）和连续Percometer（PM）测量系统，结合X射线断层扫描（X-ray tomography）和土壤强度分析，研究了车辆载荷对土壤应力动态和水分状态的影响。研究发现，车辆通过会导致土壤压实，表现为大孔隙减少、土壤体积含水量增加和贯入阻力改变。研究揭示了土壤应力振荡等动态效应，强调了高采样率测量的重要性，为深入理解土壤压实过程提供了新视角。
在现代农业生产中，功能日益强大、重量日益增加的农业机械已成为提高效率的关键。然而，这些重型机械在农田中穿梭时，其车轮下的土壤却承受着巨大的压力，由此引发的土壤压实问题正成为一个严重且持久的威胁。土壤压实不仅直接降低土壤的承载能力，尤其是在含水量较高时更为显著，而且会破坏土壤结构，影响其多种重要功能，如水分入渗与储存、养分循环和土壤生物多样性。压实会减少土壤的通气性和呼吸作用，增加厌氧条件的风险，进而可能导致地表径流和土壤侵蚀加剧、养分流失以及温室气体排放增加。更棘手的是，压实效应往往在土壤深层更为持久，恢复时间可能长达数十年甚至数个世纪。尽管耕作可以疏松表层土壤，但无法完全消除压实的长期影响。因此，深入研究车辆载荷如何动态影响土壤，特别是土壤应力和水分状态在载荷作用下的实时变化，对于评估和缓解土壤压实、保护土壤健康至关重要。本研究正是在此背景下展开，相关成果发表在《Soil and Tillage Research》期刊上。
为了精确捕捉车辆载荷下土壤的动态响应，研究人员在芬兰Jokioinen的一处农田试验场开展了一项综合性的现场与实验室研究。他们部署了一套高采样率（2000 Hz）的Bolling探针（Bolling probe, BP）系统，用于连续测量不同深度（0.2、0.4和0.6 m）的土壤压力动态。同时，利用高测量频率（约70 Hz）的Percometer（PM）传感器连续监测土壤的体积含水量（volumetric water content, θv）变化。试验中，一台四轮驱动农用拖拉机在一条25米长的仪器化测试道上进行了十次碾压，并在第十一次尝试了高速通过。此外，研究团队在车辆碾压前后，从试验地采集了原状土样，随后在实验室通过X射线断层扫描（X-ray tomography）进行土壤结构成像分析，并测量了土壤的持水特性、体积密度（bulk density）、贯入阻力（penetration resistance）以及剪切强度（包括内摩擦角φ和粘聚力C）等物理力学性质。数据分析结合了信号处理、图像分析和统计学方法，旨在从多角度揭示土壤压实的动态过程与结构后果。
3.1. 车辆通过期间的连续测量结果
通过Bolling探针的测量数据发现，在0.71–0.82 m/s的正常行驶速度下，测量系统能够高精度地捕捉由车辆载荷引起的应力动态，在所有安装深度都能清晰识别出拖拉机前后轴的应力峰值。数据分析显示，前两次碾压引起的土壤压力基准水平变化远大于后续碾压，表明最初的碾压对土壤密度增加和变形的影响最大。这一观察与实验室分析结果一致。Percometer的测量结果表明，所有传感器的土壤体积含水量均因车辆通过而明显增加。安装在最浅处（0.21 m深）的Percometer 1表现出弹性土壤行为，含水量在车轴经过时出现峰值而后回落；而安装在更深或更远处的Percometer 2-4则表现为含水量水平整体升高，尤其是在第一次碾压时。这表明测量到的含水量变化更多是土壤压实、孔隙度减少的结果，而非土壤中水分的实际位移或释放。在高速（4.26 m/s）通过试验中，Bolling探针数据显示，靠近地表的传感器观测到了频率低于20 Hz的土壤压力振荡现象。这表明在较高速度下，土壤-轮胎系统的动态相互作用可能引发土壤振动，构成另一个土壤压实因素，而这一动态效应无法在较低采样频率的测量中观察到。
3.2. 土壤性质表征
实验室分析为现场测量结果提供了有力支持。随着碾压次数增加，土壤的体积密度显著增大，从碾压前的1.30 g cm-3增加到碾压10次后的1.47 g cm-3。通过持水特性分析得到的孔隙度数据显示，总孔隙度从49%显著下降到41%。其中，直径大于30 μm的大孔隙度从22%大幅减少至8%，而直径小于30 μm的小孔隙度则从26%增加至33%，表明大孔隙在车辆载荷下坍塌，转化为更小的孔隙。X射线断层扫描的图像分析和孔隙度计算结果也显示了大孔隙度的类似下降趋势，中值孔径从96 μm减小到73 μm。土壤体积含水量的实验室测量结果从0.25增加到0.30，这与Percometer的观测趋势相符，进一步证实了土壤压实导致孔隙体积减少，从而使得单位体积土壤中的含水量相对增加。土壤贯入阻力测量显示，在0-18 cm深的耕作层，贯入阻力随着碾压次数增加而增加，这与预期一致。但令人意外的是，在30-50 cm深度，碾压10次后的贯入阻力反而显著低于碾压前和碾压2次后。剪切强度测试表明，土壤同时具有粘聚性和摩擦性。随着碾压次数增加，土壤的粘聚力（C）显著增加（从10.19 kPa增至26.94 kPa），而内摩擦角（φ）则略有但不显著地下降，这反映了土壤密实度和压实状态的增加。
综合以上研究结果，可以得出以下结论：本研究开发并验证的高采样率Bolling探针测量系统，能够以前所未有的细节揭示车辆与地面相互作用对土壤应力状态的影响。在千赫兹级别的采样率下，该系统成功捕捉到了土壤在载荷过程中的动态应力变化，特别是在高速通过时观测到的土壤应力振荡现象，凸显了高采样率对于研究土壤流变学和动态效应的必要性。同时，连续的Percometer水分测量被证明是研究土壤水分状态和动态的有效工具。实验室的多项分析结果与现场动态测量高度吻合，共同证实了车辆碾压导致土壤压实，具体表现为土壤体积密度增加、总孔隙度下降、大孔隙减少而小孔隙增加、土壤体积含水量上升以及表层土壤贯入阻力增强。这些结构变化直接影响了土壤的物理健康。虽然研究中观察到的深层土壤贯入阻力异常下降需要未来进一步探究，但整体而言，本研究所采用的实验方法为全面研究土壤压实这一复杂过程提供了强有力的工具。它表明，要深入理解土壤压实及其对土壤功能的长期影响，需要在不同土壤类型、水分条件、管理措施以及不同车辆配置和运行速度下进行更广泛的野外研究。这项研究不仅增进了我们对农业机械作业下土壤动态响应机制的认识，也为发展更可持续的农业土壤管理策略提供了重要的科学依据。
