耕作力學(xué)研究的土壤結(jié)構(gòu)及其評價(jià)方法.pdf

1、土壤耕作力學(xué)的核心任務(wù)是調(diào)控農(nóng)地的土壤生物環(huán)境，因此，需要利用工程的理論與方法去認(rèn)識(shí)、描述以土壤結(jié)構(gòu)為中心的土壤生物環(huán)境，并進(jìn)而建立力學(xué)的、機(jī)械的因素以及管理措施與農(nóng)地土壤結(jié)構(gòu)形成之間的聯(lián)系，從而最終實(shí)現(xiàn)通過合理的耕作提供最佳的苗床，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。 耕作力學(xué)是建立在拓展的土壤結(jié)構(gòu)定義基礎(chǔ)上的。由于土壤結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到土壤中水的入滲、傳導(dǎo)、存儲(chǔ)，影響著溶質(zhì)的運(yùn)移以及氣體的交換與傳導(dǎo)，從而決定著植物、生物及微生物群落生存環(huán)境的好壞。因

2、此，研究土壤耕作是一個(gè)改善土壤生物環(huán)境的重要途徑。 以土壤生物環(huán)境為對象的耕作力學(xué)的研究方法必須同時(shí)注重室內(nèi)的與室外的實(shí)驗(yàn)手段的使用。室內(nèi)的研究方法關(guān)注人工結(jié)構(gòu)土壤基的制作、人工結(jié)構(gòu)土壤基土壤結(jié)構(gòu)的生成及其在力學(xué)與模擬環(huán)境因子作用下的演變及動(dòng)力學(xué)過程，從而能夠在可控的量化的基礎(chǔ)上為描述大田土壤的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)提供參考。室外的對于土壤結(jié)構(gòu)的研究包括農(nóng)地土壤的調(diào)查以及在大田中進(jìn)行實(shí)際的耕作研究，從而描述在大田真實(shí)環(huán)境下土壤結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)及其動(dòng)

3、力學(xué)規(guī)律。 本文首先在南京的周邊地區(qū)進(jìn)行農(nóng)地的土壤結(jié)構(gòu)狀況調(diào)查，結(jié)果顯示，在一定的條件下農(nóng)地土壤表現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)性特征，而且這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)在水壩農(nóng)地明顯地體現(xiàn)為機(jī)械耕作的特征，而在林場則明顯體現(xiàn)為生物學(xué)特征。 水壩農(nóng)地的機(jī)械耕作能夠生成致密的土垡，這種致密的土垡能夠在一個(gè)作物季內(nèi)被完整地保存。致密土垡阻礙作物根系的穿透，同時(shí)也必然對水與溶質(zhì)的傳遞與分布帶來不良影響，這也影響到土壤生物群落的發(fā)展。機(jī)械耕作對于土壤生物環(huán)境的不

4、良影響可以通過對根區(qū)土壤結(jié)構(gòu)及作物根系的發(fā)育形態(tài)的定性觀察體現(xiàn)出來。與此不同的是，林場的農(nóng)地具有良好的土壤結(jié)構(gòu)性表現(xiàn)，其土壤的生物環(huán)境具有良性的循環(huán)。 在南京地區(qū)農(nóng)地的定性調(diào)查研究為提出土壤的廣義結(jié)構(gòu)概念提供了前提條件。土壤的廣義結(jié)構(gòu)由土壤單粒、復(fù)粒、團(tuán)聚體、耕作生成的土垡等所有尺度范圍的土壤顆粒構(gòu)成，是土壤顆粒的空間排列或拓?fù)潢P(guān)系。這種土壤顆粒間的空間拓?fù)潢P(guān)系決定著土壤結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)也決定著顆粒間孔隙網(wǎng)絡(luò)的空間構(gòu)成，

5、從而在最根本上決定著水、溶質(zhì)、氣體的運(yùn)移，以及以此提供的土壤生物環(huán)境的好壞。 本文針對土壤耕作力學(xué)的最基本問題—土壤的破碎—提出了土壤結(jié)構(gòu)多尺度多分辨率分析的應(yīng)力小波方法，該方法在物理意義上與小波理論具有良好的一致性。應(yīng)力小波理論運(yùn)用了小波分析的理念，該理論同時(shí)考慮到?jīng)_擊破碎過程中的尺度與能量分布的特點(diǎn)，并將二者綜合運(yùn)用到破碎分析的過程中，從而能夠真正體現(xiàn)出多尺度多分辨率分析的優(yōu)勢，為沖擊破碎法分析土壤結(jié)構(gòu)提供了全新的思想。室內(nèi)

6、的實(shí)驗(yàn)研究顯示，應(yīng)力小波分析方法具有很好的穩(wěn)定性。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)除了驗(yàn)證應(yīng)力小波理論外，還進(jìn)行了人工結(jié)構(gòu)土壤基制作的初步探索。在進(jìn)行沖擊破碎實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，與自然條件的土塊相比，人工結(jié)構(gòu)土壤基具有不同的結(jié)構(gòu)性表現(xiàn)，這種不同的結(jié)構(gòu)性表現(xiàn)體現(xiàn)在沖擊破碎的能量以及破碎后的土壤碎塊形態(tài)上。 除室內(nèi)實(shí)驗(yàn)外，本文進(jìn)一步進(jìn)行了室外耕作實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在南京郊區(qū)盤城鎮(zhèn)的農(nóng)地進(jìn)行，其目的也是對于應(yīng)力小波理論進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與土壤破碎相關(guān)的指標(biāo)可以分為

7、兩類：土壤破碎的統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)與力學(xué)指標(biāo)。在與分形學(xué)的土壤結(jié)構(gòu)分析的對比中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力小波指標(biāo)與分形學(xué)指標(biāo)描述了土壤結(jié)構(gòu)的不同方面。分形學(xué)描述的是土壤結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)學(xué)表現(xiàn)，而應(yīng)力小波描述的是土壤結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)。在與其他的土壤破碎相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行比較中發(fā)現(xiàn)，土壤顆粒的分形維數(shù)與土壤破碎體的單粒能量消耗易于獲得并且更加敏感，因此，將二者的組合運(yùn)用能夠比較完整地描述土壤結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。 兩種方法都能夠顯示，冬季的土壤動(dòng)力學(xué)過程明顯地改善了土壤的結(jié)構(gòu)