免耕覆蓋技術(shù)下土壤氮素遷移的研究進展

王靜　潘天任　馮婉君

摘 要：氮素是化肥中施用量最大的營養(yǎng)元素，其循環(huán)途徑對環(huán)境有著重大而深刻的影響。筆者根據(jù)近年來國內(nèi)外在該領域的研究成果，對免耕覆蓋下土壤理化屬性、土壤氮素形態(tài)含量以及土壤氮素損失遷移的狀況進行了綜述。

關(guān)鍵詞：免耕；土壤；氮素

中圖分類號：F303.2 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.12.007

免耕（又稱零耕）是指直接在田間進行播種，播種前后均不使用農(nóng)機具進行土壤管理的一種耕作方法[1]。免耕種植技術(shù)對協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱之間的關(guān)系發(fā)揮了重要的作用，為作物生長發(fā)育提供了良好的環(huán)境，避免了由于頻繁耕作所引起的土壤物理結(jié)構(gòu)的破壞，并能增加土壤有機質(zhì)含量、土壤含水量和水分的有效性，有效地改善土壤化學性質(zhì) [2-3]。同時，具有節(jié)省能源、時間和機械，以及減少土壤風蝕和水蝕等優(yōu)點。

氮素作為植物生長所必須的營養(yǎng)元素之一，是評價土壤生產(chǎn)力的重要指標。土壤氮庫中多以有機態(tài)氮的形式存在，而植物吸收氮素多以無機態(tài)為主，因此了解土壤中氮素的轉(zhuǎn)化有著客觀的價值。此外，近年來的研究表明，氮素已成為重要的污染元素之一，往往會引發(fā)一系列環(huán)境問題，如硝態(tài)氮的淋溶作用對于地下水的污染、淡水的酸化[4]、湖泊、海洋等水體的富營養(yǎng)化[5]以及反硝化作用產(chǎn)生的溫室氣體[6]等。因此，研究氮素在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化具有一定的現(xiàn)實意義。

20世紀90年代以來，隨著農(nóng)機具的改進和技術(shù)的成熟，免耕覆蓋技術(shù)在世界各地得以推廣和發(fā)展。我國玉米免耕技術(shù)也在近兩年發(fā)展迅速，華北平原小麥一玉米兩熟制農(nóng)田中，90%以上的玉米已經(jīng)采用了免耕播種技術(shù)[7]。免耕覆蓋技術(shù)下土壤水分[8-9]、土壤溫度以及土壤的理化性質(zhì)都與傳統(tǒng)耕作有所區(qū)別[10]。研究指出，免耕技術(shù)下土壤有機質(zhì)呈表聚現(xiàn)象，微生物活性提高，影響表層土壤酸度和氧化還原狀況[11]，并導致土壤中硝化和反硝化細菌數(shù)量增加 [12-13]。這些因素的改變均有可能影響土壤中氮素的遷移。

1 免耕覆蓋技術(shù)對土壤理化性質(zhì)的影響

我國的免耕技術(shù)始于20世紀80年代，由于免耕覆蓋技術(shù)的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，現(xiàn)已得到迅速發(fā)展。大量研究表明，免耕之所以能夠提高作物產(chǎn)量是由于土壤含水量的增加[8，14]。一般認為，免耕覆蓋下土壤具有良好的孔隙狀況，水分入滲增加，土體含水量提高，而覆蓋又抑制了蒸發(fā)，所以免耕具有較好的保水效果[2，15]。此外，有研究表明，免耕土壤上下層次間水分含量相差不大，而翻耕和鐵茬土壤在作物苗期土體上層含水量低[16]。

容重是反映土壤緊實狀況的主要指標之一。就免耕覆蓋技術(shù)對其的影響而言，研究結(jié)論存在分歧，有研究認為免耕使表層土壤容重增加，有的則認為免耕使土壤容重降低[17-20]。亦有研究認為耕作對土壤容重的影響與作物生長關(guān)系較小[21-23]。但對于土壤結(jié)構(gòu)，大量研究認為該技術(shù)有利于減少大、中孔隙數(shù)量，增加小孔隙數(shù)量，土壤孔隙的連續(xù)性增強，增加了植物可利用水分的土層厚度[24-25]。同時增加了土壤水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量，有利于土壤結(jié)構(gòu)的發(fā)展[26]。

研究表明，免耕覆蓋技術(shù)下，土壤有機質(zhì)、速效磷和速效鉀在土壤表層呈現(xiàn)顯著的積累現(xiàn)象[27]。此外，由于免耕提高了水分利用率，能增強土壤團聚體的穩(wěn)定性以及增加有機肥在表層的含量，將有助于進一步培肥地力[26]。

不同耕作方法造就了不同的土壤環(huán)境，進而影響了土壤微生物的數(shù)量與組成。Doran[12-13]發(fā)現(xiàn)由于秸稈覆蓋可使細菌、放線菌、真菌數(shù)量增加2～6倍，硝化和反硝化細菌數(shù)量增加更多。高云超等[28]對連續(xù)多年免耕土壤微生物群落進行研究并得出，免耕顯著增加了0～10 cm土層的細菌總數(shù)、放線菌數(shù)、棒狀細菌數(shù)和貧營養(yǎng)細菌數(shù)量，特別是免耕使芽孢桿菌數(shù)量增多幾倍。諸多研究表明，免耕技術(shù)下土壤微生物的數(shù)量有所提高。

2 免耕覆蓋技術(shù)對土壤氮素的影響

免耕覆蓋技術(shù)對土壤理化性質(zhì)，土壤固氮菌和反硝化細菌的影響，導致了土壤氮素在其組成和含量上均與其他耕作方式存在差異。研究表明，免耕覆蓋技術(shù)下土壤表層硝化和反硝化細菌數(shù)量顯著增加[12-13]。此外，高云超等[29]通過多年連續(xù)秸稈覆蓋免耕試驗得出，好氧固氮菌和厭氧固氮菌數(shù)量較鐵茬處理的土壤中顯著增加。其中，土壤中厭氧固氮菌數(shù)量亦高于翻耕處理。但其關(guān)于反硝化細菌的研究表明：翻耕>免耕>鐵茬。

就土壤氮素的組成和含量而言，由于免耕技術(shù)減少了土壤表面擾動，土體中氮素的組分和分布往往取決于土壤的質(zhì)地、灌溉和降雨條件等因素[30-32]。Grant等[33]研究發(fā)現(xiàn)，沙壤土免耕處理表層土壤積累了較多硝態(tài)氮。此外，免耕覆蓋條件下施肥方式的改變，在一定程度上影響了氮肥的肥效[34-35]。侯雪坤等[36]研究發(fā)現(xiàn)，輪作與連作處理的氮肥利用率均比常規(guī)耕作要高，免耕最低。朱文珊等[24]研究指出，低N施肥水平下玉米產(chǎn)量免耕與翻耕無明顯差異，而高N施肥水平下免耕高于常規(guī)耕作。其結(jié)果表明免耕條件下，氮肥的施用量可能會增加。

3 免耕覆蓋技術(shù)下土壤氮素的遷移與損失

農(nóng)田土壤中氮素遷移的主要途徑有氨揮發(fā)、 硝化—反硝化、 淋溶和徑流。向土壤施入銨態(tài)氮肥后，免耕技術(shù)下?lián)]發(fā)作用會因為作物殘茬覆蓋的表面而增加[31-38]。亦有研究指出免耕覆蓋技術(shù)下，土壤表層銨態(tài)氮含量的升高亦有可能導致氨揮發(fā)的增加[39]。

大量研究證實，免耕覆蓋技術(shù)下作物殘茬覆蓋降低了地表徑流，減少了土壤水分蒸發(fā)，增加了土壤水分入滲[40-42]。而硝態(tài)氮的淋溶損失是在土壤硝態(tài)氮含量較高和水分運移良好的條件下發(fā)生的[43]，這導致進入地下水的硝態(tài)氮量顯著增加，污染地下水[30，44]。Thomas[45]的研究表明，免耕技術(shù)下進入地下水的硝態(tài)氮量顯著增加，并在土體90 cm以下檢測到硝態(tài)氮的存在。孫強等[43]指出免耕覆蓋條件下，土體表層0～20 cm氮素硝化速率偏低，而20～100 cm土層硝態(tài)氮各層含量和積累量顯著高于常規(guī)耕翻處理，這表明土壤硝態(tài)氮由表層向深層縱向顯著移動。且1 m土層內(nèi)土壤無機氮積累量顯著低于常規(guī)耕翻處理，這表明免耕覆蓋技術(shù)下，土壤無機氮損失較為嚴重。

4 結(jié)論與展望

當前，糧食生產(chǎn)和環(huán)境問題已成為影響社會發(fā)展和進步的重要課題，這為免耕覆蓋技術(shù)提供了發(fā)展空間。然而，免耕覆蓋在給社會帶來經(jīng)濟效益的同時，其對土壤本身的影響亦不可忽視，尤其是不利于環(huán)境健康發(fā)展的因素。氮素的遷移對環(huán)境的影響已引起人類的高度關(guān)注，而免耕覆蓋對氮素在環(huán)境中遷移的影響，現(xiàn)有研究其主要體現(xiàn)在硝酸鹽淋溶量的增加上，這可能帶來方方面面的環(huán)境問題。關(guān)于該方面的研究，因區(qū)域土壤質(zhì)地的差異，研究技術(shù)的復雜，仍存在研究的空間，徹底弄清免耕覆蓋技術(shù)下氮素的去向。在此基礎上，應探索與該技術(shù)相適應的新的作物栽培和管理方法，以減少氮素損失為環(huán)境帶來的風險。

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