土壤壓實對土壤生化循環和生態效應的影響

羅友進　王武　余端　胡佳羽　程玥晴　陳霞　謝永紅

摘要：土壤壓實改變了土壤的物理屬性，從而對土壤化學屬性、生物性狀等產生影響。對國內外關于土壤壓實對土壤物質生化循環、生態效應研究進行了回顧，重點闡述了土壤壓實對土壤碳氮循環的影響，并對下一步的研究方向進行了展望。

關鍵詞：土壤壓實；生化循環；生態效應

中圖分類號： S154.1文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）02-0317-03

收稿日期：2013-06-04

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2013BAJ10B07-04B）。

作者簡介：羅友進（1984—），男，浙江玉環人，博士，助理研究員，主要從事土地利用與生態變化研究。E-mail：luoyoujin1984@163.com。土壤是一個復雜多層次的開放性體系，它在各種因素的共同作用下，處于不斷變化之中。土壤壓實是指土壤顆粒重新排列達到更緊密結合、降低孔隙度、增加密度的過程。土壤壓實會引起土壤物理屬性的改變，進一步對土壤化學屬性、土壤生物性狀以及植物生長產生影響。只有在極少數情況下，輕微的土壤壓實會對土壤性質、生產性能產生正面影響[1]，絕大多數都是負面影響。在耕作土壤中，機械壓實主要集中于土壤表層，隨著農業機械化的發展，耕作機械的牽引力、載重逐漸增加，壓實作用也隨之增加，從而對心土層土壤產生影響。心土層壓實后難以恢復[2]。土壤機械壓實問題若得不到解決，土壤環境將遭到嚴重破壞，農田生產力嚴重下降，從而對農業可持續發展產生影響。土壤機械壓實對農業的主要危害表現為土壤密度增加、通氣孔隙減少、水滲透能力降低，從而對土壤生化屬性、生物多樣性產生影響，進而導致作物生長受阻、產量降低、土壤環境遭到破壞[3]。近年來，不少學者對土壤機械壓實的誘因、特征、危害以及消除或避免措施進行了大量研究[3-5]。本研究對國內外有關機械壓實對土壤生化屬性、生態環境的影響研究進行了歸納，旨在為我國土壤機械壓實研究提供參考。

1土壤物理屬性

在農機重力、剪切力的作用下，土壤大孔隙、充氣孔隙逐漸減少，團聚體相互靠近，甚至發生變形，土壤密度明顯增加。經耕作機械壓實后，黏性土土壤密度從1.1～1.3 g/cm3 增至1.5～1.7 g/cm3，沙性土壤密度可以增至2.2 g/cm3[6]。土壤壓實造成土壤表面局部土壤密度明顯增加，大孔隙減少，持水能力、水分滲透率明顯降低，導致水土流失加劇。目前，土壤壓實已成為農田土壤水土流失加劇的主要因素之一。Singh等研究表明，隨著土壤密度的增加，水分滲漏率由12.35 cm/h降為3.46 cm/h，導致土壤水分減少[7]。土壤壓實后，充氣孔隙明顯減少，氣體擴散率下降，進而影響土壤溶液流動。土壤嚴重壓實后，土壤通氣大孔隙降為3%以下，團聚體相互靠近并發生摩擦，穩定性明顯降低，土壤環境質量下降。Nadian等在作物收獲前測定土壤空氣中的氧氣含量，壓實土壤為10%，未壓實土壤為18%[8]。在寒溫帶地區，壓實土壤中表層土壤白天地溫均較未壓實的低。總之，機械壓實對土壤物理屬性的影響主要表現為土壤密度增大，土壤孔隙度、通氣性下降，水滲透能力下降等，從而對土壤物質循環、抗侵蝕性能、生態環境產生影響，進而影響作物生長。

2土壤生化循環

2.1還原性

土壤壓實導致土壤物理屬性發生改變，如土壤水分滲透率、通氣性降低，進而影響著土壤化學屬性。土壤壓實會導致土壤中氧氣擴散速度下降，當土壤氧氣消耗快于擴散時，土壤趨于缺氧環境[9]。拖拉機及其牽引的機具在農田行走作業時，輪胎及機具對土壤產生碾壓作用，導致土壤水分滲透率下降。壓實土壤中，地表水滯留以及厭氧環境降低了土壤溶液的還原勢，形成還原性鐵，增加了土壤溶液中氫氧化鐵含量，從而形成復雜的含鐵化合物，可以在壓實土壤中看到含鐵礦物如纖鐵礦。Herbauts等研究發現，經過采伐作業后，森林表層土壤（0～30 cm）易還原性鐵含量顯著增加[10]。

2.2碳氮循環

土壤中CO2含量，有機碳、氮的礦化過程都受到土壤壓實的影響。Jensen等認為，土壤呼吸或氮礦化對土壤壓實的敏感性要優于土壤物理屬性[11]。Tan等對北方森林土壤壓實現象研究發現，壓實作用影響土壤中碳、氮等礦質元素的礦化[12]。室內模擬試驗發現，將沙壤土壓實，其土壤密度從 1.1 g/cm3 升至1.5 g/cm3，9個月后，土壤中有機碳礦化速度、凈硝化速率明顯下降。Pengthamkeeratia等通過田間試驗、室內模擬試驗發現，適度的壓實會增加土壤總有機碳含量，增強轉化酶活性，降低可溶性碳含量[13]。盧偉等調查采伐方式對土壤理化性質影響發現，表層土壤pH值增大，有機質、氮素含量增加，可溶性FeO含量明顯下降[14]。土壤壓實最明顯的后果是土壤排放CO2量減少。Jensen等研究發現，土壤壓實后土壤呼吸強度下降了57%～69%，但是由于使用機械翻耕會消耗化石燃料從而產生更多的CO2，因此，土壤壓實最終會導致更多的CO2排放[11]。同時，Ruser等研究指出，施用硝態氮肥的土壤CO2排放量與土壤含水量關系并不密切，只有當其受到壓實，90%以上的土壤孔隙充滿水時，CO2排放量才會顯著下降[15]。壓實導致土壤趨于厭氧環境，土壤中產甲烷細菌數量增加，甲烷營養細菌數量減少，土壤產甲烷速率明顯高于其氧化速率。土壤壓實同時也會增強土壤反硝化作用過程，使得N2O排放量增加。由土壤壓實引起N2O排放的增加量要遠遠大于施用氮肥所引起的增加量。Ruser等研究指出，在施用硝態氮肥的土壤中，N2O排放量隨著土壤含水孔隙率的增加而增加[15]。另外，當壓實土壤回潤時，其N2O產生速率最高。Sitaula等研究發現，與不施肥的土壤相比，在施用氮、磷、鉀肥的土壤中，由壓實導致的N2O排放量增加了3倍，但室內模擬表明，這種效應并非永久[16]。Uchida等研究了壓實與團聚體粒徑大小對土壤N2O排放量的影響，結果表明，在施用牛糞肥培養試驗中，粒徑為0～1 mm團聚體在土壤壓實最強時N2O排放量最大[17]。事實上，在土壤中，不論是硝化作用還是反硝化作用都會產生N2O，在同一土壤團聚體中也可能同時存在著硝化、反硝化反應。土壤壓實導致土壤含水量增加，從而增強土壤的反硝化作用[18]。Soane等研究指出，土壤壓實使得土壤反硝化作用以及N2O排放量增加4～5倍。在壓實土壤中同時也導致土壤向大氣排放N2O過程受阻[19]。Ball等通過研究壓實土壤在降雨條件下土壤N2O排放量情況，發現施用氮肥之后，與未壓實土壤相比，降雨使得壓實土壤中N2O的排放量明顯增加[20]。Bessou等嘗試模擬土壤壓實后N2O的排放量，但其得到的模型不能用于模擬種植周期[21]。土壤壓實導致土壤水含量增加、反硝化過程增強、減少了NOx的排放，同時增強氨的揮發。

3土壤生物

土壤壓實對土壤生物多樣性的影響取決土壤本身性質、氣候以及土壤壓實程度。Beylich等研究指出，當土壤密度大于 1.7 g/cm3 時，壓實會導致土壤微生物量減少以及碳礦化速率降低[22]。土壤壓實使得土壤通氣性下降13%～36%，土壤微生物數量下降[23-26]。Shestak等研究指出，當土壤強度為 75～3 800 kPa 時，土壤物理性狀將發生改變，但不會對土壤的生物屬性產生影響[27]。任何干擾都會對土壤的酶活性產生影響[28]。土壤壓實引起土壤理化性質的改變，最終導致土壤磷酸酶、脲酶、酰胺酶、脫氫酶活性下降，但在有些情況下土壤磷酸酶活性會提高。在缺氧條件下，土壤微生物群落發生改變。因此，壓實土壤中Fe、S還原性增強，產甲烷細菌含量增加。土壤動物在土壤有機物降解、形成中扮演著重要角色。土壤動物居住于土壤孔隙中，土壤壓實會改變這些孔隙的大小、分布，從而對線蟲、大型土壤動物的活動產生影響。土壤線蟲類動物生活習慣不同，在土壤食物鏈中扮演著重要角色。土壤壓實嚴重時可能會影響著線蟲的數量及其分布。嚴重壓實土壤中食細菌性、雜食性線蟲數量減少，食草性線蟲數量增加[1]。土壤中蚯蚓數量、分布同樣受到土壤壓實的影響，其數量隨著土壤壓實程度的增加而減少。

4土壤生態環境

區域土壤壓實不僅影響土壤本身，同時也影響區域環境。在一些土壤中由于提高了機械翻耕效率，也會起到節能的效果[29]。厭氧環境下，除草劑降解速率會降低，最終導致其進入地下水或蓄水層[30]。同時，導水性能下降也會降低水體下滲速度。在陡坡上，土壤壓實會導致其徑流增加，最終導致土壤流失嚴重[31]。此外，在泥漿區域，徑流增加會導致進入水體的泥漿增加，使得水體含氧量下降，影響水生植物生長。在沙土等土壤中，土壤壓實提高了土壤強度、侵蝕度，在徑流量相同的情況下，土壤流失量會減少。因此，土壤壓實所引起土壤物理屬性的改變對環境是否呈正效應，主要取決于土壤的物理性狀、環境條件[32]。

5結論

隨著農業機械化發展，農業機械壓實已成為現代農業發展過程中無法回避的問題。只有首先弄清壓實危害及其產生的原因，才能為避免或減輕土壤機械壓實提供依據，避免土壤資源被破壞。目前我國主要農業種植區已基本實現機械化耕作，但各地區發展不均衡，如西南丘陵山區受其地形地貌的限制，農業機械化水平仍然較低。西南丘陵山區土地整治、土地復墾等工程的開展，為實現農業機械化提供了基本保障，但由于西南丘陵山區處于生態脆弱區，其機械化耕作帶來的危害，尤其在水土流失等方面的危害要較其他區域嚴重，如何避免或減輕農業機械化壓實帶來的危害是該區域實施機械化耕作所必須面對的問題。現今普遍采用的保護性耕作如“少耕法”“免耕法”是減少耕作次數、有效降低或避免機械壓實的措施之一。

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