長期保護(hù)性耕作對土壤生物與肥力的影響研究進(jìn)展

李娟　韓霽昌

摘要 從保護(hù)性耕作的優(yōu)勢及其技術(shù)體系、農(nóng)田土壤生物種類、土壤生物與土壤肥力的關(guān)系、農(nóng)作措施對農(nóng)田土壤生物演變的影響等方面概述了長期保護(hù)性耕作對土壤生物與肥力的影響研究進(jìn)展，以期為改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境提供參考。

關(guān)鍵詞 保護(hù)性耕作；土壤生物；土壤肥力；影響

中圖分類號 S121；S154.3；O657.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）07-0217-03

Abstract Compared with conventional tillage，soil ecosystem under conservation tillage method，the amount of soil microbes and animals in the community and diversity showed increasing trend.No-till and returning organic material covering the conservation tillage measures to reduce the disturbance of soil，increase the soil organic matter accumulation，kept good microenvironment for soil biological activity.Soil organisms was closely related to the soil nutrient，soil animals，soil microorganism and soil enzyme secretion widely involved in the change process of organic matter and mineral nutrients，on the effectiveness of nutrient utilization also plays an important role.Studies have shown that long-term conservation tillage is beneficial to improve soil biological activity，improve the health status of soil and increase fertilizer use efficiency and protect storage in soil.

Key words conservation tillage；soil organism；soil fertility；effect

土壤是有生命的、動態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)，其組成包括水、空氣、有機物質(zhì)、各種無機礦物質(zhì)、生命體。土壤生物由土壤微生物、土壤動物和低等植物組成。土壤生物活性是外源有機物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化的驅(qū)動力，它包括土壤微生物、土壤動物以及它們推動的一系列土壤生化、物理作用，對促進(jìn)土壤生態(tài)良性循環(huán)有著重要的作用[1]。土壤微生物、土壤動物和土壤酶的數(shù)量及種類的多樣性是評價土壤肥力水平的重要生物指標(biāo)。農(nóng)田土壤中，人類通過不同的農(nóng)作方式會影響到土壤生物的活性和多樣性。與傳統(tǒng)翻耕相比，保護(hù)性耕作技術(shù)能減少耕作，增加地表覆蓋度，對于改善土壤環(huán)境具有多種獨特的生態(tài)經(jīng)濟作用[2-3]。對保護(hù)性耕作方式下土壤生物變化進(jìn)行研究，能夠具體地闡述保護(hù)性耕作通過生物作用改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的過程。

與傳統(tǒng)翻耕相比，農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)在保護(hù)性耕作方式下，土壤中的微生物和動物群落的數(shù)量及多樣性呈現(xiàn)增加趨勢。免耕和有機物質(zhì)覆蓋還田的保護(hù)性耕作措施減少了對土層的擾動，增加了土壤有機質(zhì)積累，為土壤生物活動保持了良好的微生境。土壤生物與土壤的養(yǎng)分運動密切相關(guān)，土壤動物、土壤微生物及其分泌的土壤酶廣泛地參與了有機物質(zhì)、礦質(zhì)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化過程，對養(yǎng)分利用的有效性也起著重要的作用。研究表明，長期地保護(hù)性耕作有利于提高土壤生物活性，增加肥料在土壤中的保蓄。

1 保護(hù)性耕作的優(yōu)勢及其技術(shù)體系

1.1 優(yōu)勢

耕作的目的主要是為作物生長創(chuàng)造良好的條件。如翻耕將地表的作物殘茬、雜草、肥料翻入土中，清潔耕層表面；旋耕切碎土壤，創(chuàng)造了平整細(xì)碎的種床；耙耱在地面形成松軟的土層，切斷土中的毛細(xì)管，減少水分蒸發(fā)，起防旱保墑作用。但傳統(tǒng)耕作同時也破壞了作物殘體對地面的保護(hù)，導(dǎo)致土壤風(fēng)蝕水蝕加劇，減少了土壤中微生物與蚯蚓的數(shù)量，使土壤失去活性[4-5]。耕作強度愈大，自然本身的營養(yǎng)恢復(fù)功能、保護(hù)功能就喪失愈多。出于對農(nóng)田土壤保護(hù)的考慮，減少土壤風(fēng)蝕和水蝕，國外在20世紀(jì)30年代興起了保護(hù)性耕作技術(shù)。保護(hù)性耕作技術(shù)是以減少土壤體系破壞為原則，考慮以較低能耗和物質(zhì)投入來維持相對高產(chǎn)[6]。

1.2 保護(hù)性耕作的技術(shù)體系

保護(hù)性耕作在耕作技術(shù)層面是一項基礎(chǔ)技術(shù)，還需要一系列合適的配套技術(shù)。保護(hù)性耕作是機械化的農(nóng)作方式，需要技術(shù)模式系統(tǒng)化和機具標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。保護(hù)性耕作技術(shù)體系包括：一是深松作業(yè)。根據(jù)情況，2～4年深松1次。深松是在地表有秸稈覆蓋的情況下進(jìn)行的，要求深松機有較強的防堵能力[7-8]。對新采用保護(hù)性耕作的地塊，應(yīng)先進(jìn)行1次深松，打破犁底層。二是秸稈覆蓋與地表處理作業(yè)。收獲后秸稈和殘茬留在地表作覆蓋物，且要把秸稈盡可能多的保留在地表，在進(jìn)行除草、播種、整地等時盡可能減少對覆蓋的破壞。三是病蟲害防治和雜草作業(yè)。病蟲害防治主要靠農(nóng)藥拌種，有病蟲害出現(xiàn)時噴藥。保護(hù)性耕作一般一季作物噴1次除草劑，人工或機械鋤草1次即可。四是免耕施肥與播種作業(yè)。與傳統(tǒng)耕作不同，保護(hù)性耕作須使用免耕播種機施肥與播種。收獲后在經(jīng)過淺松、耙地等作業(yè)或未經(jīng)任何耕作的土地上直接播種，但需要同時深施化肥，播后適當(dāng)鎮(zhèn)壓。

2 農(nóng)田土壤生物

土壤是生物最重要的棲息地之一，包含著豐富的生命物種，同時土壤生態(tài)系統(tǒng)是隱蔽的、微觀的生態(tài)系統(tǒng)，絕大多數(shù)土壤生物在肉眼下不可見。土壤動物、土壤微生物等在土壤中各占據(jù)一定的生態(tài)位，它們之間有著密切聯(lián)系，各種生物一起推動著土壤的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量流動。土壤中生物的種類和數(shù)量多少可表征土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度。土壤生物通常按形體大小進(jìn)行分類[9]（表1）。

2.1 土壤微生物

土壤養(yǎng)分含量影響著微生物的分布。一年四季的氣候不同，土壤性質(zhì)在變化，微生物活性也會變化[10]。在通氣良好的土壤中，細(xì)菌和真菌占絕對優(yōu)勢，而在含氧量少或不含氧的土壤中，細(xì)菌幾乎進(jìn)行著全部的生物化學(xué)反應(yīng)和作用，所以細(xì)菌在土壤中具有突出的作用。真菌適宜較寬的pH值范圍，因此在不適宜細(xì)菌、放線菌生長的酸性環(huán)境中，真菌占很大比例。絲狀真菌是嚴(yán)格好氧型的，因而大部分聚集在土壤表層。放線菌通常進(jìn)行的是需氧代謝，較為耐旱，適宜偏堿性環(huán)境。放線菌的生長發(fā)育比細(xì)菌、真菌的生長發(fā)育緩慢得多。在生態(tài)方面，放線菌能夠分泌抗生素，對細(xì)菌和真菌產(chǎn)生拮抗作用。

2.2 土壤動物

土壤動物是指其生活史中有一段時間定期在土壤中度過，對土壤有一定影響的動物。線蟲、寡毛類、蜱螨類和彈尾類為農(nóng)業(yè)上具有重要影響的類群。土壤動物營養(yǎng)方式以植食性為主（以植物及其殘體為主要食物來源是土壤動物營養(yǎng)型的特征），捕食性土壤動物最少，反映出土壤動物對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)。土壤動物的分布具有明顯的地區(qū)性，熱帶亞熱帶最豐富。土壤動物數(shù)量一般隨著土壤有機質(zhì)的含量的增加而增加；土壤含水量、土壤溫度均會影響土壤動物的組成和分布，一般隨著土壤層次的加深而呈現(xiàn)出遞減的趨勢。土壤動物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，在生態(tài)系統(tǒng)中的生物循環(huán)過程中具有重要的功能性作用。

3 土壤生物與土壤肥力的關(guān)系

3.1 土壤微生物與腐殖質(zhì)

沒有微生物的活動，就不可能有肥沃的土壤。據(jù)估計，土壤中微生物體的最高含量可達(dá)500～700 kg/hm2 [11]。在土壤中，微生物體不僅數(shù)量大，而且是最易變化的有機體部分。微生物死亡后的分解產(chǎn)物能夠進(jìn)入土壤的腐殖質(zhì)。土壤腐殖質(zhì)的形成是一個長期的過程，新鮮的有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化為腐殖酸和更新腐殖質(zhì)過程中，微生物起到積極作用。在有機質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中，有兩大類微生物參與活動，一群為發(fā)酵性微生物，分解新鮮有機物質(zhì)，形成腐殖質(zhì)；另一群為土著性微生物，主要礦化腐殖質(zhì)。這兩大類群微生物的優(yōu)勢種隨有機質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成和再分解，不斷交替變化。

3.2 土壤微生物與礦質(zhì)養(yǎng)分

微生物體是植物營養(yǎng)重要的氮庫和轉(zhuǎn)運站。微生物對氮的生物固定作用對減少土壤中氮的流失具有重要意義。微生物參與氮化合物的轉(zhuǎn)化，在旱地土壤中，無論有機質(zhì)還是銨態(tài)氮和酰胺態(tài)氮，最終均被微生物轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，供作物吸收利用。分解磷化合物的微生物：霉菌有30%～50%菌株具有植酸霉活性，可將植酸或植素分解為磷酸和肌醇。土壤中有不少微生物代謝過程中產(chǎn)生多元有機酸（如檸檬酸等），可促進(jìn)難溶性磷酸鹽溶解。

3.3 土壤動物與土壤肥力

土壤動物在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，以其巨大的生物量參與了土壤有機質(zhì)的分解和礦化作用。同時，土壤動物對微生物群落起著生物和能量的過濾作用，改善了土壤的理化性質(zhì)。土壤動物的生態(tài)功能主要包括生物擾動作用和有機物分解作用2個方面。生物擾動作用表現(xiàn)在對土壤的疏松與混合作用，如蚯蚓、螞蟻、白蟻等大型土壤動物對土壤中空氣和水的傳輸產(chǎn)生了重要的影響，對于保持土壤結(jié)構(gòu)起著非常重要的作用。有機物分解作用表現(xiàn)在對植物殘體的粉碎、同微生物聯(lián)合分解作用；土壤動物尸體能被微生物分解為植物所需要的養(yǎng)分。

3.4 土壤酶活性作為土壤肥力指標(biāo)

土壤酶是指土壤中“脫離活體的酶”，包括土壤中游離的胞外酶、與土壤固體組分結(jié)合的酶、非增殖細(xì)胞中的酶、死亡細(xì)胞中具有活性的酶和與死亡細(xì)胞的碎片結(jié)合的酶。土壤酶主要是以物理的或化學(xué)的結(jié)合形式吸附在土壤有機和無機顆粒上，或與腐殖質(zhì)絡(luò)合，土壤溶液中的酶含量很少。土壤酶的活性能表征土壤中有關(guān)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化或循環(huán)進(jìn)程：測定土壤蛋白分解酶的活性，可以反映土壤氮素循環(huán)的進(jìn)程；土壤纖維素酶和其他糖酶的活性能表征含碳有機物質(zhì)的分解速率；土壤脲酶的活性在一定程度上決定了植物對尿素氮的利用程度；土壤磷酸酶的活性與土壤含磷有機化合物中磷的有效轉(zhuǎn)化有關(guān)。

4 農(nóng)作措施對農(nóng)田土壤生物演變的影響

4.1 作物殘體覆蓋還田

作物殘體是土壤生物活動的主要能源，是農(nóng)田土壤物質(zhì)生物循環(huán)中的一個重要構(gòu)成部分。作物殘體是各種土壤動物的主要食物來源，為土壤微生物提供易利用碳源，促進(jìn)土壤微生物生長和繁殖；腐解產(chǎn)生的腐殖酸調(diào)節(jié)了土壤酸堿性，有利于真菌生存；秸稈分解后留給土壤大量的有機質(zhì)，能激發(fā)各種土壤酶的活性。保護(hù)性耕作通過秸稈還田能顯著改善土壤生物的生存環(huán)境，其土壤生物活性優(yōu)于傳統(tǒng)的無秸稈覆蓋的農(nóng)田。

4.2 免耕

微生物對土壤擾動非常敏感，與常規(guī)耕作相比，免耕能顯著提高土壤微生物的數(shù)量及活性；而傳統(tǒng)的翻耕，旋耕會減少土壤中蚯蚓等動物數(shù)量。免耕覆蓋改變了生態(tài)條件，為土壤動物創(chuàng)造了良好的生存條件，也減少土壤有機質(zhì)的礦化，利于有機質(zhì)的積累[12]。

4.3 除草劑

各種除草劑對土壤微生物及其酶活性影響的研究已有很多，研究結(jié)果之間差異較大。一般除草劑施于土壤中，培養(yǎng)第1周就顯示出對細(xì)菌和真菌的影響，但不久微生物就得以恢復(fù)到對照水平。對不同濃度的旱地除草劑氟樂靈對土壤細(xì)菌、放線菌、真菌和固氮菌影響研究的結(jié)果表明，在低濃度時對霉菌、固氮菌、放線菌、細(xì)菌的數(shù)量有促進(jìn)作用，但超出一定的濃度則表現(xiàn)抑制作用。不同微生物從促進(jìn)作用轉(zhuǎn)向抑制作用的臨界閾值不同。

4.4 施肥

施肥主要影響土壤動物主要類群的種群密度，對類群多樣性影響較小。長期使用有機肥和合理施用化肥可改善土壤的物理、化學(xué)性狀，同時也為植物及土壤微生物提供了豐富的營養(yǎng)[13-15]。有機肥本身也含有一定數(shù)量的酶，并可促進(jìn)作物根系代謝；而化肥能促進(jìn)作物根系代謝，從而有利于提高土壤酶活性。

4.5 作物輪作

植物群落類型初步?jīng)Q定了微生物群落的組成，農(nóng)田土壤微生物種群的多樣性與覆蓋于土壤上的作物多樣性呈正相關(guān)[16-17]。不同作物的根系在代謝過程中分泌出胞外酶及在作物殘體分解時釋放出胞內(nèi)酶存在差異；作物可通過根際效應(yīng)作用于不同的微生物區(qū)系，作物根系分泌物刺激了微生物的發(fā)育，因此輪作時的土壤微生物和土壤酶的多樣性及活性比連作時高。

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