长期保护性耕作对土壤生物与肥力的影响研究进展

2016-05-14李娟韩霁昌

现代农业科技 2016年7期

李娟　韩霁昌

摘要从保护性耕作的优势及其技术体系、农田土壤生物种类、土壤生物与土壤肥力的关系、农作措施对农田土壤生物演变的影响等方面概述了长期保护性耕作对土壤生物与肥力的影响研究进展，以期为改善农田生态环境提供参考。

关键词保护性耕作；土壤生物；土壤肥力；影响

中图分类号 S121；S154.3；O657.3 文献标识码 A 文章编号 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、动态的生态系统，其组成包括水、空气、有机物质、各种无机矿物质、生命体。土壤生物由土壤微生物、土壤动物和低等植物组成。土壤生物活性是外源有机物质分解转化的驱动力，它包括土壤微生物、土壤动物以及它们推动的一系列土壤生化、物理作用，对促进土壤生态良性循环有着重要的作用[1]。土壤微生物、土壤动物和土壤酶的数量及种类的多样性是评价土壤肥力水平的重要生物指标。农田土壤中，人类通过不同的农作方式会影响到土壤生物的活性和多样性。与传统翻耕相比，保护性耕作技术能减少耕作，增加地表覆盖度，对于改善土壤环境具有多种独特的生态经济作用[2-3]。对保护性耕作方式下土壤生物变化进行研究，能够具体地阐述保护性耕作通过生物作用改善农田生态环境的过程。

与传统翻耕相比，农田土壤生态系统在保护性耕作方式下，土壤中的微生物和动物群落的数量及多样性呈现增加趋势。免耕和有机物质覆盖还田的保护性耕作措施减少了对土层的扰动，增加了土壤有机质积累，为土壤生物活动保持了良好的微生境。土壤生物与土壤的养分运动密切相关，土壤动物、土壤微生物及其分泌的土壤酶广泛地参与了有机物质、矿质养分的转化过程，对养分利用的有效性也起着重要的作用。研究表明，长期地保护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 保护性耕作的优势及其技术体系

1.1 优势

耕作的目的主要是为作物生长创造良好的条件。如翻耕将地表的作物残茬、杂草、肥料翻入土中，清洁耕层表面；旋耕切碎土壤，创造了平整细碎的种床；耙耱在地面形成松软的土层，切断土中的毛细管，减少水分蒸发，起防旱保墒作用。但传统耕作同时也破坏了作物残体对地面的保护，导致土壤风蚀水蚀加剧，减少了土壤中微生物与蚯蚓的数量，使土壤失去活性[4-5]。耕作强度愈大，自然本身的营养恢复功能、保护功能就丧失愈多。出于对农田土壤保护的考虑，减少土壤风蚀和水蚀，国外在20世纪30年代兴起了保护性耕作技术。保护性耕作技术是以减少土壤体系破坏为原则，考虑以较低能耗和物质投入来维持相对高产[6]。

1.2 保护性耕作的技术体系

保护性耕作在耕作技术层面是一项基础技术，还需要一系列合适的配套技术。保护性耕作是机械化的农作方式，需要技术模式系统化和机具标准化、系列化。保护性耕作技术体系包括：一是深松作业。根据情况，2～4年深松1次。深松是在地表有秸秆覆盖的情况下进行的，要求深松机有较强的防堵能力[7-8]。对新采用保护性耕作的地块，应先进行1次深松，打破犁底层。二是秸秆覆盖与地表处理作业。收获后秸秆和残茬留在地表作覆盖物，且要把秸秆尽可能多的保留在地表，在进行除草、播种、整地等时尽可能减少对覆盖的破坏。三是病虫害防治和杂草作业。病虫害防治主要靠农药拌种，有病虫害出现时喷药。保护性耕作一般一季作物喷1次除草剂，人工或机械锄草1次即可。四是免耕施肥与播种作业。与传统耕作不同，保护性耕作须使用免耕播种机施肥与播种。收获后在经过浅松、耙地等作业或未经任何耕作的土地上直接播种，但需要同时深施化肥，播后适当镇压。

2 农田土壤生物

土壤是生物最重要的栖息地之一，包含着丰富的生命物种，同时土壤生态系统是隐蔽的、微观的生态系统，绝大多数土壤生物在肉眼下不可见。土壤动物、土壤微生物等在土壤中各占据一定的生态位，它们之间有着密切联系，各种生物一起推动着土壤的物质转化和能量流动。土壤中生物的种类和数量多少可表征土壤中物质代谢的旺盛程度。土壤生物通常按形体大小进行分类[9]（表1）。

2.1 土壤微生物

土壤养分含量影响着微生物的分布。一年四季的气候不同，土壤性质在变化，微生物活性也会变化[10]。在通气良好的土壤中，细菌和真菌占绝对优势，而在含氧量少或不含氧的土壤中，细菌几乎进行着全部的生物化学反应和作用，所以细菌在土壤中具有突出的作用。真菌适宜较宽的pH值范围，因此在不适宜细菌、放线菌生长的酸性环境中，真菌占很大比例。丝状真菌是严格好氧型的，因而大部分聚集在土壤表层。放线菌通常进行的是需氧代谢，较为耐旱，适宜偏碱性环境。放线菌的生长发育比细菌、真菌的生长发育缓慢得多。在生态方面，放线菌能够分泌抗生素，对细菌和真菌产生拮抗作用。

2.2 土壤动物

土壤动物是指其生活史中有一段时间定期在土壤中度过，对土壤有一定影响的动物。线虫、寡毛类、蜱螨类和弹尾类为农业上具有重要影响的类群。土壤动物营养方式以植食性为主（以植物及其残体为主要食物来源是土壤动物营养型的特征），捕食性土壤动物最少，反映出土壤动物对农田生态系统的适应。土壤动物的分布具有明显的地区性，热带亚热带最丰富。土壤动物数量一般随着土壤有机质的含量的增加而增加；土壤含水量、土壤温度均会影响土壤动物的组成和分布，一般随着土壤层次的加深而呈现出递减的趋势。土壤动物是土壤生态系统中的重要组成部分，在生态系统中的生物循环过程中具有重要的功能性作用。

3 土壤生物与土壤肥力的关系

3.1 土壤微生物与腐殖质

没有微生物的活动，就不可能有肥沃的土壤。据估计，土壤中微生物体的最高含量可达500～700 kg/hm2 [11]。在土壤中，微生物体不仅数量大，而且是最易变化的有机体部分。微生物死亡后的分解产物能够进入土壤的腐殖质。土壤腐殖质的形成是一个长期的过程，新鲜的有机物质转化为腐殖酸和更新腐殖质过程中，微生物起到积极作用。在有机质转化过程中，有两大类微生物参与活动，一群为发酵性微生物，分解新鲜有机物质，形成腐殖质；另一群为土著性微生物，主要矿化腐殖质。这两大类群微生物的优势种随有机质的分解、腐殖质的形成和再分解，不断交替变化。

3.2 土壤微生物与矿质养分

微生物体是植物营养重要的氮库和转运站。微生物对氮的生物固定作用对减少土壤中氮的流失具有重要意义。微生物参与氮化合物的转化，在旱地土壤中，无论有机质还是铵态氮和酰胺态氮，最终均被微生物转化为硝态氮，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，可将植酸或植素分解为磷酸和肌醇。土壤中有不少微生物代谢过程中产生多元有机酸（如柠檬酸等），可促进难溶性磷酸盐溶解。

3.3 土壤动物与土壤肥力

土壤动物在农业生态系统中，以其巨大的生物量参与了土壤有机质的分解和矿化作用。同时，土壤动物对微生物群落起着生物和能量的过滤作用，改善了土壤的理化性质。土壤动物的生态功能主要包括生物扰动作用和有机物分解作用2个方面。生物扰动作用表现在对土壤的疏松与混合作用，如蚯蚓、蚂蚁、白蚁等大型土壤动物对土壤中空气和水的传输产生了重要的影响，对于保持土壤结构起着非常重要的作用。有机物分解作用表现在对植物残体的粉碎、同微生物联合分解作用；土壤动物尸体能被微生物分解为植物所需要的养分。

3.4 土壤酶活性作为土壤肥力指标

土壤酶是指土壤中“脱离活体的酶”，包括土壤中游离的胞外酶、与土壤固体组分结合的酶、非增殖细胞中的酶、死亡细胞中具有活性的酶和与死亡细胞的碎片结合的酶。土壤酶主要是以物理的或化学的结合形式吸附在土壤有机和无机颗粒上，或与腐殖质络合，土壤溶液中的酶含量很少。土壤酶的活性能表征土壤中有关物质的转化或循环进程：测定土壤蛋白分解酶的活性，可以反映土壤氮素循环的进程；土壤纤维素酶和其他糖酶的活性能表征含碳有机物质的分解速率；土壤脲酶的活性在一定程度上决定了植物对尿素氮的利用程度；土壤磷酸酶的活性与土壤含磷有机化合物中磷的有效转化有关。

4 农作措施对农田土壤生物演变的影响

4.1 作物残体覆盖还田

作物残体是土壤生物活动的主要能源，是农田土壤物质生物循环中的一个重要构成部分。作物残体是各种土壤动物的主要食物来源，为土壤微生物提供易利用碳源，促进土壤微生物生长和繁殖；腐解产生的腐殖酸调节了土壤酸碱性，有利于真菌生存；秸秆分解后留给土壤大量的有机质，能激发各种土壤酶的活性。保护性耕作通过秸秆还田能显著改善土壤生物的生存环境，其土壤生物活性优于传统的无秸秆覆盖的农田。

4.2 免耕

微生物对土壤扰动非常敏感，与常规耕作相比，免耕能显著提高土壤微生物的数量及活性；而传统的翻耕，旋耕会减少土壤中蚯蚓等动物数量。免耕覆盖改变了生态条件，为土壤动物创造了良好的生存条件，也减少土壤有机质的矿化，利于有机质的积累[12]。

4.3 除草剂

各种除草剂对土壤微生物及其酶活性影响的研究已有很多，研究结果之间差异较大。一般除草剂施于土壤中，培养第1周就显示出对细菌和真菌的影响，但不久微生物就得以恢复到对照水平。对不同浓度的旱地除草剂氟乐灵对土壤细菌、放线菌、真菌和固氮菌影响研究的结果表明，在低浓度时对霉菌、固氮菌、放线菌、细菌的数量有促进作用，但超出一定的浓度则表现抑制作用。不同微生物从促进作用转向抑制作用的临界阈值不同。

4.4 施肥

施肥主要影响土壤动物主要类群的种群密度，对类群多样性影响较小。长期使用有机肥和合理施用化肥可改善土壤的物理、化学性状，同时也为植物及土壤微生物提供了丰富的营养[13-15]。有机肥本身也含有一定数量的酶，并可促进作物根系代谢；而化肥能促进作物根系代谢，从而有利于提高土壤酶活性。

4.5 作物轮作

植物群落类型初步决定了微生物群落的组成，农田土壤微生物种群的多样性与覆盖于土壤上的作物多样性呈正相关[16-17]。不同作物的根系在代谢过程中分泌出胞外酶及在作物残体分解时释放出胞内酶存在差异；作物可通过根际效应作用于不同的微生物区系，作物根系分泌物刺激了微生物的发育，因此轮作时的土壤微生物和土壤酶的多样性及活性比连作时高。

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