有机质与粘粒含量对非饱和黑土压实行为的影响

Black soil region of Northeast China is one of the most important commodity grain production bases. As agricultural mechanization increasing, soil compaction of black soil becomes more serious. Previous studies mainly focus on negative effects of soil compaction on soil structure and crop production. Researches on soil resistance and resilience are scare. This project will be conducted in machinery - tillage black soil region with the primary objective of discussing stress-strain relationship to compaction process based on soil mechanics theory. We also evaluate the role of soil organic carbon and clay content, mainly through bonding and bonding mechanisms, on soil compaction path and soil physical properties, such as texture pores, structure pores.Accomplishing the project, will lay a theoretical foundation for black soil resilience from compaction.

东北黑土区是我国重要的商品粮生产基地，随着农业机械化程度的提高，土壤压实问题日益突显，但其研究仅局限在压实对土壤结构和作物产量的影响方面，没有广泛关注和深入研究黑土压实及恢复机制。本项目以黑土区机械耕作土壤为研究对象，针对黑土有机质和粘粒含量高两个重要的特征，基于有效应力原理，开展压实过程对非饱和黑土应力-应变关系、结构孔隙、质地孔隙影响机制的研究。研究结果将证明有机质和粘粒作为固相颗粒的胶结物质，可以通过改变土壤结构性阻抗应力来决定有效应力，进而影响土壤力学的性质和土壤物理性质；同时也可为压实黑土结构恢复方面的相关研究奠定理论基础。

东北黑土区是我国最重要的商品粮生产基地，机械耕作已全面取代了人畜耕作，但尚未同步实施保护性耕作，导致农田黑土积累压实及土壤侵蚀问题日益加剧，土壤肥力明显下降，有机碳库储量锐减。土壤压实与侵蚀均属应力-应变的研究范畴。本项目采用传统土壤学与土力学结合、室外采样与室内模拟研究相结合的研究方法，首先定量评价了农田黑土的压实敏感性，其次描述了非饱和压实黑土土力学特性，再次探明了压实后黑土结构孔隙变化特征，最后通过秸秆还田长度、量以及位置的模拟试验确定了黑土抗压与抗蚀最优的秸秆还田方案。研究发现：因开垦而导致土壤有机质含量的降低是造成黑土表层土壤压缩性与回弹能力降低的首要原因；有机质-黏粒与黑土力学的关系受非饱和含水量的显著影响；机械耕作过程中因压实而显著改变的是大孔隙（≥100μm）及中微孔隙（≤30μm），次大孔隙（30-100μm）无影响；秸秆还田量、长度及位置均显著影响黑土力学特性，还田量为50% - 100%，秸秆长度为15mm，且在表还和耕层中部还田时能够显著改善黑土力学行为，有效减缓压实和侵蚀风险。虽然从土力学角度阐释了秸秆还田对耕层黑土的改善机制，但由于田间实际作业过程中所产生的应力-应变差别较大，未来需进一步结合实际耕作过程、秸秆种类、秸秆分解与养分归还情况综合确定黑土区最优还田方式，同时考虑养分归还、有机质提升以及黑土力学特性的保护与恢复。本项目实现了传统土壤学与土力学的交叉，其研究成果为黑土区现代化农业推进过程中，科学合理调整机械耕作制度奠定了理论依据，同时为有效减缓压实黑土以及压实后的恢复提供了理论参考。