李裕瑞，李 峰，范朋灿，曹 智，王志炜，龙花楼，刘彦随※

(1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101； 2.国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，北京 100101； 3.山东省土地综合整治服务中心，济南 250014;4. 中国科学院大学，北京 100049))

0 引言

快速工业化、城镇化进程中，农村人减地增、空心化问题日益突出[1-2]。空心村空废土地整治成为提高农村建设用地利用效率的重要途径，对优化城乡用地结构、人地关系具有积极意义[3-4]。“十二五”期间，空心村整治成为农村土地综合整治的重要内容，全国共整理农村闲置、散乱、粗放建设用地15.58万hm2，通过增减挂钩补充耕地12.67万hm2。2016年底，国务院批复同意《全国土地整治规划(2016-2020)》，规划提出整治农村建设用地40万hm2，较“十二五”的30万hm2规划目标增加了10万hm2，对空心村整治提出了更高要求。

空心村整治必然面临的一个问题是如何将居民点用地快速复垦为结构良好、不易沉降、养分充足、保水保肥的耕地。由于长期压占而导致的土壤压损是空心村复垦时面临的主要障碍因子。土壤压损的危害主要表现为土壤容重增加、通气孔隙减少、水分渗透能力降低、土壤生物活性降低等，会导致作物根系生长机械阻力增加，进而导致作物产量大幅度下降。关于土壤压实问题，学界针对不同地区的不同土壤压实方式展开了深入研究，包括农田土壤机械压实[5]、矿山复垦土壤机械压实[6]、黄土区土地整理土壤压实[7]、煤炭基地村庄压实[8]、城市土壤压实[9]等，深度剖析了土壤压实的产生原因及其对土壤物理特性的影响机理，对复垦土壤压实的时空变异特征进行了探讨[10]，取得了丰富的研究成果。在空心村整治过程中需要面对不同利用类型的压实土体，而前述研究尚未针对不同利用类型土体的土壤压实状况进行具体分析，难以完全满足工程实践需求。

不同利用类型土体受到外界环境影响差异较大，压实程度各不相同，资源化利用的导向理应有差异，空心村整治中不宜采用“一刀切”的方式进行土体营造。通常，压实程度高的土体，疏松的时间成本和经济成本较高，宜作垫层； 土壤结构良好，并具有一定肥力的土体，可作为耕层土体，有助于快速熟化。鉴于此，文章拟对空心村中不同利用类型土体进行分类取样，研究其土壤压实状况，对压实程度进行分级，探讨不同压实程度土体的优化利用方案及土壤改良措施，为空心村整治中的土体有机重构和土壤快速熟化提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

禹城市位于山东省西北部黄河冲积平原，气候属暖温带季风气候区，四季分明，光照充足，年均气温13°C，年均降水610mm，土壤类型以潮土和盐化潮土为主，是我国黄淮海传统农区的典型代表。20世纪80～90年代以来该地区的乡村聚落大多急速外扩，空心化问题突出[1]。近年来，禹城市深入推进了增减挂钩政策驱动下的空心村整治与新社区建设，取得明显成效，在鲁西北地区具有一定的典型性。

1.2 样品采集与分析方法

土壤疏松状况是影响作物生长发育的重要因素，其差异会直接影响到土壤中水、肥、气、热交换，进而影响作物的生长发育，而土壤压实程度可直接反映土壤的疏松状况。土壤压实的主要表征指标有土壤紧实度、土壤容重、土壤孔隙度等[10-12]，基于现有实验条件及实验需求，该文将土壤容重作为衡量土壤压实程度的主要指标，通过文献研阅，以不同土壤容重下作物的生长状况差异作为参考，构建土壤压实程度分级标准，更直观清晰地反映土壤压实程度。土壤孔隙度和土壤含水量主要作为辅助解析指标，用来分析土壤结构特性，并以此为基础探索不同类型土壤的资源化利用途径。

根据利用现状和理化特性的可能差异，传统农区空心村整治通常主要涉及表1第1～8类土体(由于坑塘底泥极为松软，不在该文的压实程度分析之列)，该文还选取了第9～10类土壤样品作为比较，基本涵盖了空心村整治中可能涉及的土体类型。2015年4月，选取牌子、杨桥、朱王3个典型空心村，在典型土体区域随机采集表1所示相关土体的样本。10类土壤共采集样品70个，每类7个样品。土壤容重借助环刀法测定，具体根据取样点的实地情况差异，选择环刀横向插入或纵向插入取土，取土完毕后立即称重记录，结合后期测定的土壤含水量进行计算。土壤孔隙度依据土壤容重与土壤比重数据计算，土壤比重取固定平均值2.65 g/cm3。测定土壤含水量时，将土样放在105℃的烘箱内烘干至恒重，然后依据经典公式进行计算。

表1 传统农区空心村整治涉及的典型土壤类型

类型编号类型典型特征所涉土壤1村内道路多为素土路面或碎石路面，由于长期用于村民和车辆通行，压损程度较高2晾晒场院主要用于小麦、玉米及其秸秆的晾晒，可能受到一定程度的压损3林地表土村内和村边林地的表土，通常具有较好的土壤理化特性4院落农地民宅院落内的菜园土壤，通常具有较好的土壤理化特性5院落实土民宅院落内的空地土壤，已被一定程度压实6土墙墙体土坯房的土墙墙体，多为数十年前从农田或坑塘取土压实而成7坑塘底泥多因取土建房等形成坑塘，现为雨污汇集之处，底泥养分较好8房基实土房屋地基下方的压实土体，体量较小其他土壤9普通农田长期用于小麦、玉米等大宗作物种植的现状耕地10复垦农田前期通过常规方法原土复垦形成的新增耕地

表2 平原农区空心村典型土壤压实程度分级标准

级别土壤容重(g/cm3)分值区间Ⅰ级1 00～1 101～2Ⅱ级1 10～1 352～3Ⅲ级1 35～1 503～4Ⅳ级1 50～1 604～5Ⅴ级≥1 605 注：分值区间是文中精确划分土壤压实程度等级时，对应等级的取值范围

图1 平原农区空心村典型土体土壤容重与含水量散点图

2 土壤压实程度分级标准

对于土壤压实问题，国内外大量学者在研究中均提到不同土壤容重条件下的土壤结构差异及其对作物生长发育的影响，但对土壤压实程度的划分目前尚没有明确的分级标准。根据研究需求，为更直观地表征不同类型土体的压实程度，尝试从现有的研究成果中提取土壤容重数据，构建土壤压实程度分级标准。现有研究多将1.0g/cm3作为未压实土壤的容重，该研究将其作为土壤压实程度分级标准中土壤容重的起点[13]。一般土壤耕作层容重在1.05～1.35g/cm3之间，有学者认为一般适于植物生长发育的表层土壤容重为1.1～1.3g/cm3，该研究综合之后将1.1g/cm3作为Ⅰ、Ⅱ级分界点，1.35g/cm3作为Ⅱ、Ⅲ级分界点[9,14-15]。土壤容重1.4g/cm3是根系生长的限制值，容重达到1.5g/cm3时作物产量受到明显影响，因此将1.4～1.5g/cm3作为Ⅲ级压实标准[15-17]。当容重大于1.6g/cm3时，土壤通气孔隙度接近于零，土壤微生物活性受到影响，氮、磷等营养元素的吸收受到抑制，作物基本无法存活，因此该研究将其作为Ⅳ、Ⅴ级分界点，大于1.6g/cm3的土壤统一定为Ⅴ级[9，16， 18]。经整理，提出土壤压实程度分级标准详见表2。

3 结果与分析

3.1 土壤容重及土壤含水量分析

根据实验测定结果，对受试土体的土壤容重、含水量数据进行统计分析(表3)：(1)普通农田的土壤容重最低，仅为1.27g/cm3，土壤含水量为8.82%，耕性良好；(2)林地表土由于土壤动物、微生物、植物根系等的作用，土壤孔隙发达，达到51.2%，土壤结构良好，土壤容重与普通农田最为接近；(3)复垦农田是当地农民在原居民点上经简单翻耕进行重新利用的农田，实验发现其土壤容重明显高于普通农田，很可能是由于在复垦时忽视了对不同压实程度土体的分层利用并受到土壤不均匀沉降的影响；(4)院落农地由于农户的精耕细作而结构良好，与普通农田土壤容重较为接近；(5)由于受到行人、车辆等的常年碾压，村内道路土壤容重高达1.67g/cm3，土壤孔隙度只有37.1%，且主要为毛管孔隙，土壤生物活性受到影响；(6)晾晒场院即打谷场，受原有利用方式的影响土壤容重偏高；(7)土墙墙体在建房时虽然经过分层压实，但主要是由粘土与草、秸秆等混合而成，加之风化作用，其土壤容重比村内道路、晾晒场院、房基实土略低。

表3 不同类型土体土壤容重、含水量数据统计特征

类型土壤容重(g/cm3)土壤含水量(%)平均值标准差变异系数平均值标准差变异系数普通农田1 270 070 068 823 280 37林地表土1 290 090 076 571 110 17院落农地1 330 120 096 543 170 49复垦农田1 470 030 029 014 950 55土墙墙体1 490 080 054 422 900 66院落实土1 490 090 069 154 830 53晾晒场院1 550 100 0614 731 100 07房基实土1 550 080 0512 753 290 26村内道路1 670 090 0510 942 950 27

对不同类型土体的土壤容重与含水量进行散点图分析和线性拟合(图1，R2=0.302，Sig=0.126>0.1)，结果发现无法通过显著性检验，说明两者之间没有明显的正向线性相关关系。进一步分析发现，同一类型土体内各样品间土壤容重与含水量也没有显著的相关性。表明单纯的土壤含水量与土壤容重之间不存在特定的线性变化规律。已有研究发现，随着土壤容重的增加，其田间持水量增加，萎蔫点含水量增加，土壤有效水含量减少[9]。在同一土地利用类型内部，土壤容重的变异系数普遍小于土壤含水量(表3)。综上说明土壤含水量的变化除受到土壤物理结构特性及土壤环境的影响外，还易受到外界自然环境与人为活动的影响，差异明显，而各类型土体的土壤容重变异系数均小于0.1，数值较为稳定，可以准确反映土壤压实程度。由此，拟重点基于土壤容重分析平原农区空心村典型土体压实程度。

3.2 基于数据分布特征的土壤容重校正

表4 平原农区空心村典型土体的土壤容重校正结果

类型最大值平均值最小值校正系数校正值普通农田1 401 271 190 681 25院落农地1 561 331 210 521 27林地表土1 421 291 151 091 30院落实土1 651 491 350 781 46复垦农田1 511 471 440 841 47土墙墙体1 571 491 401 221 51晾晒场院1 671 551 411 231 58房基实土1 631 551 391 831 62村内道路1 771 671 531 361 70

表5 平原农区空心村典型土体的压实指数及压实等级

表3中的土壤容重数据虽然在一定程度上可以代表某一特定利用类型土体的总体状况，但部分土体的容重测定结果存在差异性，仅用平均容重来代表该类型土体的实际容重存在一定偏差，无法消除部分异常值对实际容重的影响。为更好地判断不同利用类型土体的土壤压实状况，建立校正系数k对土壤容重平均值进行校正。设计校正系数与校正公式的基本原理是：若土壤容重平均值与最小值间距小，则该利用类型土体总体容重应小于平均值；若平均值与最大值间距小，则该利用类型土体总体容重应大于平均值。

k=(d-dmin)/(dmax-d)

(1)

(2)

式(1)(2)中，dmax与dmin分别为某类土壤的所有样品中土壤容重的最大值和最小值;d为该类土壤容重的平均值;D为该类土壤校正后的容重。

经校正(表4)，普通农田、院落农地与院落实土的总体容重与平均值相比有所降低，村内道路、晾晒场院、土墙墙体、林地表土与房基实土总体容重则有所增加，而复垦农田不同地点土壤容重较稳定并与平均值接近。从不同土体压实程度相对大小及校正前后的变化来看：(1)校正后的院落农地土壤容重略小于林地表土，说明院落农地在土壤结构方面略优于林地表土；(2)晾晒场院与房基实土相对压实程度在校正后发生了类似变化，这与房基实土曾经过人为深度压实的事实相符；(3)土墙墙体与院落实土的校正值差距比平均值差距有所增加，两者的区分度更加明显，更符合实际情况。总体而言，基于数值分布特征进行校正后的容重结果更符合实际情况。

3.3 土壤压实指数及压实程度分级

与全国土壤养分含量分级标准类似，依据该文制定出的土壤压实程度分级标准(表2)，对不同利用类型土体校正后的土壤容重进行土壤压实程度等级划分，增强不同压实程度之间的区分度。其中普通农田、院落农地、林地表土的土壤压实程度为Ⅱ级，复垦农田与院落实土为Ⅲ级，晾晒场院、土墙墙体为Ⅳ级，村内道路与房基实土属于Ⅴ级。为更精确地区分相同等级内不同类型土体的土壤压实程度差异，按照式(3)对土壤容重校正值D进行处理。

(3)

式(3)中，Fi是第i种利用类型土体经处理后的土壤压实指数；Di是第i种利用类型土体土壤容重的校正值；dij是分级标准中第j级土壤压实程度的下限值，j=1， 2，…， 4。

经细化处理，土壤压实指数越高，土壤容重越大，则土壤耕性越差。不同利用类型土体压实指数及压实程度分级结果如表5。(1)普通农田、院落农地和林地表土的容重介于1.1～1.35之间，压实指数小于3，压实等级为Ⅱ级； (2)院落实土与复垦农田的容重介于1.35～1.50之间，压实指数介于3～4，压实等级为Ⅲ级； (3)土墙墙体与晾晒场院的容重介于1.50～1.60之间，压实指数介于4～5，压实等级为Ⅳ级； (4)房基实土与村内道路的容重大于1.60，压实指数为5，压实等级为Ⅴ级。总体来看，采用校正后的土壤容重，计算压实指数、划分压实等级，能有效揭示平原农区空心村典型土体的压实程度特征。

3.4 不同压实程度土体的资源化利用方案

常规复垦方式或采取客土法或采用忽视土体压实程度差异性的一刀切的挖填方式。前者面临成本较高且土源较少的问题，难以大面积推广； 后者熟化困难且易造成不均匀沉降，影响耕作。压实土体改良的初步目标是改良土壤孔隙结构、降低土壤容重，最终达到增强土壤的水、肥、气、热协调能力，进而激发土壤活性的目的。已有研究表明，压实程度较高的土壤，其改良措施相对复杂，除进行深耕松土外，还需辅以一些化学、生物措施。化学措施主要是合理施配化肥与有机肥，在提升土壤肥力的同时还可以提高土壤生物活性[19-20]，除此之外，还有学者研究发现生物炭、腐殖酸对土壤结构的改良效果较好[21-23]； 生物措施则主要有共生菌法与放养蚯蚓法，力图通过提高土壤生物活性达到改良土壤结构的目的[24-26]。

表6 空心村典型土体利用导向及改良方案

压实等级空心村内土体类型利用导向改良措施①改良时间改良成本Ⅰ—②直接用作耕层土壤———Ⅱ院落农地、林地表土、坑塘底泥③直接用作耕层土壤———Ⅲ院落实土改良后作为耕层土壤深耕松土深耕后即可耕种★Ⅳ晾晒场院、土墙墙体改良后作为耕层土壤施加生物炭、腐殖酸等；共生菌法；放养蚯蚓1～2年★★Ⅴ村内道路、房基实土优先作为垫层资源使用；必要时也可经适当改良后作为耕层土壤深耕松土；施加生物炭、腐殖酸等化学物质；培养共生菌、蚯蚓等土壤生物2～3年★★★ 注：①表格中的改良措施仅针对土壤压实状况而言；②“—”代表“不需要”或“无”；③该研究没有对坑塘底泥进行取样测试压实程度，暂将其压实等级归为Ⅱ级，即可直接用于耕层土体营造

该文揭示了不同土体的压实程度差异性，建议结合压实程度差异采取精细化的资源化利用方案(表6)：(1)对于院落农地和林地表土而言，压实指数小于3，压实等级为Ⅱ级，可直接用作耕层土壤； (2)院落实土的容重介于1.35～1.50之间，压实指数介于3～4，压实等级为Ⅲ级，可通过深耕松土改良后用作耕地； (3)土墙墙体与晾晒场院的容重介于1.50～1.60之间，压实指数介于4～5，压实等级为Ⅳ级，压实程度较高，宜通过施加生物炭、腐殖酸，或用共生菌法、借助蚯蚓放养，改善土壤结构，然后用作耕地； (4)房基实土与村内道路的容重大于1.60，压实指数为5，压实等级为Ⅴ级，通常宜优先作为垫层资源使用，必要时也可经适当改良后用作耕地，改良的时间成本和经济成本相对较高。

具体到空心村整治、新农村建设实践中，道路、房屋、广场等工程建设常需对项目区土体进行深度压实，可将压实程度较高的土体用于此，甚至与项目区压实度较低的土壤进行空间置换； 在对废弃坑塘进行复垦时，可先将坑塘底泥剥离，然后将建筑废物、重度压实土体、轻度压实土体等合理分层配置，坑塘底泥可作为表层土体提升养分指数； 将废弃宅院复垦为耕地时，鉴于院落实土和院落农地压实程度的明显差异，房屋拆除时应尽量减少对院落农地的二次压占，以利其直接复垦为耕地。基于土体理化特性、空间分布进行精细施工，推进耕层土体有机重构，既能避免宜耕土体二次破坏，减少压实成本，又能降低改良成本、压缩熟化时间，最终实现对稀缺土壤资源的优化利用。

4 结论与建议

(1)该文对平原农区空心村内典型土体的压实程度进行了取样测试和等级划分。结果表明，普通农田、院落农地与林地表土压实程度相对较低，压实等级为Ⅱ； 院落实土与复垦农田压实程度略高，压实等级为Ⅲ； 晾晒场院与土墙墙体压实程度较高，压实等级为Ⅳ； 村内道路与房基实土压实等级最大为Ⅴ。根据土壤压实等级分值进行排序：普通农田<院落农地<林地表土<院落实土<复垦农田<土墙墙体<晾晒场院<村内道路和房基实土。

(2)基于空心村典型土壤压实程度等级划分，提出不同土体利用导向及其改良方案。普通农田、院落农地与林地表土等Ⅱ级压实土体可直接作为耕层土壤； 院落实土等Ⅲ级压实土体经深耕翻土等改良措施后即可作为耕层土壤； 晾晒场院与土墙墙体等Ⅳ级压实土体也可改良后作为耕层土壤，但需综合措施且需经1～2年的时间改良； 村内道路与房基实土等Ⅴ级压实土体应优先作为复垦时的垫层使用，若当地土壤资源匮乏，也可经过2～3年的改良后作为耕层土壤，但改良成本相对较高。

(3)空心村整治复垦工作中，明确不同土壤的压实程度只是要点之一，还应充分考虑土壤肥力特征以及污染情况，以促进不同类型土体的高效化、无害化综合利用。在考虑不同类型土体的空间调配前，还应先确定待整治村庄中不同类型土体的空间分布规律。下一步应研究形成一套行之有效的确定空心村不同类型土体数量的技术方法，以及调配方案的优化设计方法，为精准施工提供更好的技术方法支撑。

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