免耕覆蓋技術(shù)下土壤氮素遷移的研究進(jìn)展

王靜　潘天任　馮婉君

摘 要：氮素是化肥中施用量最大的營(yíng)養(yǎng)元素，其循環(huán)途徑對(duì)環(huán)境有著重大而深刻的影響。筆者根據(jù)近年來國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究成果，對(duì)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?fù)p失遷移的狀況進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：免耕；土壤；氮素

中圖分類號(hào)：F303.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jìn)行播種，播種前后均不使用農(nóng)機(jī)具進(jìn)行土壤管理的一種耕作方法[1]。免耕種植技術(shù)對(duì)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(zhǎng)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(jī)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(xué)性質(zhì) [2-3]。同時(shí)，具有節(jié)省能源、時(shí)間和機(jī)械，以及減少土壤風(fēng)蝕和水蝕等優(yōu)點(diǎn)。

氮素作為植物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)元素之一，是評(píng)價(jià)土壤生產(chǎn)力的重要指標(biāo)。土壤氮庫(kù)中多以有機(jī)態(tài)氮的形式存在，而植物吸收氮素多以無機(jī)態(tài)為主，因此了解土壤中氮素的轉(zhuǎn)化有著客觀的價(jià)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(huì)引發(fā)一系列環(huán)境問題，如硝態(tài)氮的淋溶作用對(duì)于地下水的污染、淡水的酸化[4]、湖泊、海洋等水體的富營(yíng)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(shí)意義。

20世紀(jì)90年代以來，隨著農(nóng)機(jī)具的改進(jìn)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(guó)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(jī)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(dǎo)致土壤中硝化和反硝化細(xì)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(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

我國(guó)的免耕技術(shù)始于20世紀(jì)80年代，由于免耕覆蓋技術(shù)的經(jīng)濟(jì)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(rèn)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(shí)狀況的主要指標(biāo)之一。就免耕覆蓋技術(shù)對(duì)其的影響而言，研究結(jié)論存在分歧，有研究認(rèn)為免耕使表層土壤容重增加，有的則認(rèn)為免耕使土壤容重降低[17-20]。亦有研究認(rèn)為耕作對(duì)土壤容重的影響與作物生長(zhǎng)關(guān)系較小[21-23]。但對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)，大量研究認(rèn)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(qiáng)，增加了植物可利用水分的土層厚度[24-25]。同時(shí)增加了土壤水穩(wěn)性團(tuán)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(jī)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(qiáng)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性以及增加有機(jī)肥在表層的含量，將有助于進(jìn)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(jìn)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(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量增加2～6倍，硝化和反硝化細(xì)菌數(shù)量增加更多。高云超等[28]對(duì)連續(xù)多年免耕土壤微生物群落進(jìn)行研究并得出，免耕顯著增加了0～10 cm土層的細(xì)菌總數(shù)、放線菌數(shù)、棒狀細(xì)菌數(shù)和貧營(yíng)養(yǎng)細(xì)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(duì)土壤氮素的影響

免耕覆蓋技術(shù)對(duì)土壤理化性質(zhì)，土壤固氮菌和反硝化細(xì)菌的影響，導(dǎo)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(xì)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(yàn)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(xì)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(dòng)，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(huì)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(huì)因?yàn)樽魑餁埐绺采w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(dǎo)致氨揮發(fā)的增加[39]。

大量研究證實(shí)，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(yùn)移良好的條件下發(fā)生的[43]，這導(dǎo)致進(jìn)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(jìn)入地下水的硝態(tài)氮量顯著增加，并在土體90 cm以下檢測(cè)到硝態(tài)氮的存在。孫強(qiáng)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(dòng)。且1 m土層內(nèi)土壤無機(jī)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(jī)氮損失較為嚴(yán)重。

4 結(jié)論與展望

當(dāng)前，糧食生產(chǎn)和環(huán)境問題已成為影響社會(huì)發(fā)展和進(jìn)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(huì)帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，其對(duì)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(duì)環(huán)境的影響已引起人類的高度關(guān)注，而免耕覆蓋對(duì)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(fù)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(chǔ)上，應(yīng)探索與該技術(shù)相適應(yīng)的新的作物栽培和管理方法，以減少氮素?fù)p失為環(huán)境帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 北京農(nóng)業(yè)大學(xué).耕作學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1981：253.

[2] 由愁正，王會(huì)肖.農(nóng)田水資源評(píng)價(jià)研究[M]//劉昌明，于滬寧.土壤一作物一大氣系統(tǒng)水分運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)研究.北京：氣象出版社，1997：1-2.

[3] Papendick R I. The way of the future for a sustainable dry land agriculture[J].Annals of Arid Zone，1997（36）：193-208.

[4] 陳剛才，甘露，王士祿.土壤氮素及其環(huán)境效應(yīng)[J].地質(zhì)地球化學(xué)，2001，29（1）：63-67.

[5] 朱兆良，孫波.我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染的控制政策和措施[J].科技導(dǎo)報(bào)，2005，23（4）：47-51.

[6] Ramanathan V. The greenhouse theory of climate change[J].Science，1988，240：293-299.

[7] 陳軍勝，苑麗娟，呼格吉樂圖. 免耕技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2005， 21 （5）：184-190.

[8] Blevins R L. Influence of no-tillage on soil moisture[J].Agron J，1971，41：796-807.

[9] Jones O R. No-tillage effects on infiltration， runoff and water conservation on dry land[J].American Society of Agriculture engineers，1994，37（2）：473-479.

[10] Hammel J E.Long term tillage and crop rotation effects on bulk density and soil impedance in northern Idaho[J].Soil Sci Soc Am J，1989，53：1 515-1 519.

[11] 黃東邁. 免耕少耕條件下土壤肥力與施肥[J].土壤通報(bào)，1988， 26（2）：25-28.

[12] Doran J W.Soil microbial and biochemical changes associated with reduced tillage[J].Soil Sci Soe Am J，1980，44：765-771.

[13] Doran J W.Microbial changes associated with reduced management with reduced tillage[J].Soil Sci Soc Am J，1980，44：518-524.

[14] Bruce R R.Tillage and crop rotation effect on characteristics of sands surface soil[J].Soil Sci Soc Am J，1990，54（6）： 1 744-1 747.

[15] Jones O R. No-tillage effects on infiltration，runoff and water conservation on dryland[J].American Society of Agriculture engineers，1994，37（2）：473-479.

[16] Hammel J E.Long term tillage and crop rotation effects on bulk density and soil impedance in northern Idaho[J].Soil Sci Soc Am J，1989，53：1 515-1 519.

[17] 王志明，朱培立.14c，15N雙標(biāo)記秸稈對(duì)土壤微生物量碳、氮?jiǎng)討B(tài)變化的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，1999，15（3）：173-176.

[18] 杜守宇，田恩平.秸稈覆蓋還田的整體功能效應(yīng)與系列化技術(shù)研究[J].干早地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，1994，12（2）：88-94.

[19] 張志國(guó)，徐琪. Blevins R L.長(zhǎng)期秸稈覆蓋免耕對(duì)土壤某些理化性質(zhì)及玉米產(chǎn)量的影響[J].土壤學(xué)報(bào)，1998，35（3）：384-391.

[20] 牟正國(guó).免耕對(duì)土壤松緊狀況的影響M]//牟正國(guó)，朱文珊.中國(guó)少耕免耕與覆蓋技術(shù)研究.北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社，1991.

[21] 高云超，朱文珊， 陳文新 . 秸稈覆蓋免耕土壤微生物量與養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，1994，27（6）：41-49.

[22] 嚴(yán)慧峻，魏由慶，左余寶，等 .鹽漬土麥秸還田效應(yīng)研究初探[J].土壤肥料，1993（5）：15-18.

[23] 武志杰，張海軍，許廣山，等.玉米秸稈還田培肥士壤的效果[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，13（5）：539-542.

[24] 朱文珊，高云超.北方一年兩熟地區(qū)秸稈覆蓋免耕技術(shù)原理及應(yīng)用效果研究[M]//牟正國(guó)，朱文珊.中國(guó)少免耕與覆蓋技術(shù)研究.北京：科學(xué)出版社，1991：11-21.

[25] Unger P W.Managing irrigated winter wheat residues for water storage and sebsequent dryland grin sorghum production[J].Soil Sei Soe Am J，1979，43：582-588.

[26] 永藩.我國(guó)少耕與免耕技術(shù)推廣應(yīng)用情況與發(fā)展前景[J].耕作與栽培，1991 （2）：1-7.

[27] Blevins R H.Influence of no-tillage and nitrogen fertilization on soil properties after 5 years of continuous corn[J].Agron， 1997，69：383-386.

[28] 高云超，朱文珊，陳文新.秸稈覆蓋免耕對(duì)土壤細(xì)菌群落區(qū)系的影響[J].生態(tài)科學(xué)，2000（9）：27-32.

[29]高云超，蔡作新，朱文珊，等. 秸稈覆蓋免耕對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化細(xì)菌區(qū)系的影響[J]. 生態(tài)科學(xué)，2003，22（5）：150-152.

[30] Thomas F J. Origin and distribution of nitrogen in soil [C]// Stevenson F J. Nitrogen in agricultural soils. Wisconsin： American Society of Agronomy，1982：1-42.

[31] 李新舉，張志國(guó)，鄧基先，等.免耕對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境的影響[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，29（4）：520-526.

[32] 李新舉，張志國(guó)，趙美蘭，等 .免耕對(duì)土壤養(yǎng)分的影響[J].土壤通報(bào)，2000，31（6）：267-270.

[33] Grant C A. Nitrogen and phosphorus fertilization in the production of winter wheat under zero tillage management[D]. Manitoba ：University of Manitoba，1982.

[34] 楊晶秋，劉金城，白成云.玉米秸稈直接還田后的轉(zhuǎn)化及對(duì)土壤養(yǎng)分平衡的影響[J].土壤通報(bào)，1993，24（3）：123-125.

[35] 張樹梅，籍增順.旱地玉米免耕覆蓋系統(tǒng)對(duì)土壤氮磷鉀的影響[J]. 科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2000，10（4），48-49.

[36] 侯雪坤， 翟瑞常， 朱桂華，等.連作及不同耕法對(duì)氯磷肥料利用率的影響[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，8（2）：44-52.

[37] Mccalla T M.Stubble mulch farming[J].Advances in Agronomy，1961，13：135-150.

[38] Fox R H.Nitrogen utilization with no-tillage[M]//Sprague M A， Triplett G B.No-tillage and surface-tillage agriculture.New York：John Wiley & Sons Inc，1986：117-148.

[39] 孫強(qiáng). 免耕覆蓋模式對(duì)小麥產(chǎn)量、品質(zhì)以及土壤氮素和水分變化的影響[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004：60-74.

[40] 王世學(xué).旱地機(jī)械化保護(hù)性耕作技術(shù)的研究[C]//2002年中國(guó)作物學(xué)會(huì)理事年會(huì)暨全國(guó)作物栽培科學(xué)發(fā)展研討會(huì)資料匯編.北京：中國(guó)作物學(xué)會(huì)，2002.

[41] 李洪文，陳君達(dá)，高煥文 .旱地農(nóng)業(yè)三種耕作措施的對(duì)比研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，1997，15（1）：7-11.

[42] 董竹蔚.早地玉米及高梁免耕整株秸稈覆蓋蓄水肥田增產(chǎn)效應(yīng)[M] //牟正國(guó)，朱文珊.中國(guó)少免耕與覆蓋技術(shù)研究.北京：科學(xué)出版社，1991 .

[43] Bailey I D. Effects of temperature on NO3 and NO2 reduction， nitrogenous gas production， and redox potential in a saturated soil[J]. Can J Soll Sci，1973，53：213-218.

[44] Ulen B.Leaching and balances of phosphorus and other nutrients in lysimeters after application of organic manures or fertilizers[J].Soil Use Manage，1999 （15）：56-61.

[45] Thomas F J. Origin and distribution of nitrogen in soil [C]// Stevenson F J. Nitrogen in agricultural soils. Wisconsin： American Society of Agronomy，1982：1-42.