保護性耕作對土壤影響的研究進展

摘 要：耕作是影響土壤性質和作物產量的關鍵因素之一，在農業生產系統中，合理耕作可有效改善土壤結構、提高土壤保水保肥能力以及防除田間雜草等，相反則會產生一些不良后果，如破壞土壤結構、加速土壤侵蝕和使土壤有機質、肥力流失并中斷土壤水分等。目前，農業生產中最重視且最關鍵的問題是如何利用不同耕作方式對土壤產生有利影響，進而有益于農業可持續發展并減緩環境問題。本文綜述保護性耕作在農業生產中的應用對土壤的影響，為找到適宜的耕作方式提供理論依據。

關鍵詞：保護性耕作;土壤;理化性質;肥力

耕作是農業生產系統中的關鍵環節，其通過影響土壤理化性質來影響土壤資源的可持續利用，并以此來調控作物的生長發育。近年來，隨著農業機械化的發展、勞動力和能源成本的增加以及環境問題的日益突出，保護性耕作已被廣泛應用于農業生產中，以此減少過度常規耕作對土壤產生的不利影響。保護性耕作不僅能減少經濟投入，還可獲得顯著的生態效益，如二氧化碳當量顯著降低，并使作物增產，同時可改善土壤資源和保護自然環境。

一、保護性耕作對土壤物理性質的影響

土壤物理性質制約土壤肥力水平，進而影響作物生長發育，因此其是制訂合理耕作和排灌等田間管理措施的重要依據。

保護性耕作下，在土層0～15 cm處，作物根密度達到最大值，淺犁能提高土壤質量，以此促進作物根系發育和土壤中水分的移動。免耕下在土層0～2 cm處，土壤垂直穿入阻力顯著增強，在土層0～30 cm處土壤水穩性團聚體的含量增加，在土層0～15 cm和15～30 cm處，大于2 mm的土壤大團聚體、水穩性大團聚體和大于0.02 mm的團聚體數量增加，并使土壤團聚體的穩定性提高，同時增加土壤有機碳（SOC）含量。

土壤pH值對土壤中各種反應有重要作用，如土壤礦物風化、微生物活性強度和有機質礦化等。免耕下沙質土壤的pH值在6.5～7.5是水稻增產的最佳條件;在非沙質水稻土中，免耕下水稻增產。在酸性土壤中（pH值≤6.5），免耕下水稻產量無明顯變化;而在中性土壤中（pH值6.5～7.5），免耕下水稻增產;但在堿性土壤中（pH值≥7.5），免耕下水稻減產量。通常，土壤陽離子交換量（Cation Exchange Capacty，CEC）隨著土壤pH值的升高而增加。免耕下土壤pH值升高，土層0～20 cm處CEC顯著增強。

由此可見，保護性耕作尤其是免耕能使土壤物理性質得到較好改善，這有益于改善環境并促進作物生長發育及最終的產量形成。

二、保護性耕作對土壤化學性質的影響

在緩解農業生產對氣候變化的問題上，由于土表固碳成本低且能有效保存各種碳元素，因此保護性耕作是最好的選擇。

土壤中保存的SOC不僅能提高土壤質量和作物產量，而且可為土壤中碳循環儲存碳，并減少來自土表溫室氣體，如二氧化碳、甲烷等的排放。同時，SOC的保存降低了氮肥的使用成本和氮素的溶解速度，而且減少了引起全球變暖的破壞性溫室氣體的排放，如二氧化碳、甲烷和一氧化二氮等。保護性耕作能減緩二氧化碳的排放，并使SOC含量增加，這在一定程度上緩解了環境問題[1]。

保護性耕作下較少的土體擾動及土表作物殘體的大量積累，使土壤中有機磷占總磷的比例升高，并且在提取的總磷中單脂和雙脂所占的比例也較高。保護性耕作下在土層0～5 cm處，土壤中磷酸鈣和鉀的含量較高，且SOC和氮的含量最高;在土層0～10 cm處，土壤總有機碳含量顯著提高。

土壤獲得SOC的20%來自免耕，免耕使土壤總碳、活性炭和土壤總氮含量顯著增加。免耕下土壤儲存的SOC、有機氮和土壤總氮在土層0～5 cm處增加;在土層0～5 cm處，土壤有機質（Soil Organic Matter，SOM）含量隨耕作強度的減小而增加，在保護性耕作下增加較多[2]。

耕作通過改變土壤理化性質來影響SOM的礦化和腐解以及生物群體和酶的多樣性及活性，而這些又影響土壤中磷的含量和組成。在寒冷氣候下，耕作主要通過影響土壤徑流量來影響土壤中磷的含量;在溫帶和熱帶地區，保護性耕作使土壤中總磷、有機磷和作物可利用的磷含量增加。保護性耕作下土壤中出現了大量的生化毛孔，因此土壤中磷素的滲透率和滲水率提高，且土表的SOC、微生物量碳和氮、潛在的氮礦化、總氮和有效磷的含量較高，但隨著土層深度的增加，其含量逐漸降低。免耕下土壤總氮、磷、鉀、硫和NO3--N的含量增加。

由此可見，保護性耕作對土壤質量有較大影響，其通過改變土壤中各種營養元素的含量對土壤化學性質產生影響，進而影響作物生長發育，最終影響農業生產及環境質量。

三、保護性耕作對土壤微生物的影響

不同耕作方式對土壤微生物量和繁殖影響較大，耕作方式通過改變土表作物殘體數量和質量來影響土壤微生物活性。長期保護性耕作使土壤微生物聚集到土表，并使土壤微生物在土表的分布增加，這有利于土表作物殘體的腐解，增加土壤肥力[3]。保護性耕作下土壤微生物質量、活性、磷脂脂肪酸含量和群落多樣性增加，這有利于土壤養分的高效利用。同時，可促進土壤真菌的生長及真菌菌絲的繁殖，使真菌群落數、生物量、球霉菌素和外生菌根的孢子數增加，并使活性菌絲長度達到最大。

由上所述，保護性耕作使土壤微生物活性增強，并使其數量和生物量增加，這可改善土壤結構并使土壤肥力提高，為作物生長創造有利環境，最終使作物增產增效。

四、保護性耕作對土壤中酶的影響

土壤酶活力被視為評價可持續農業生態系統質量的指標，在土壤理化性質中，土壤酶活性和總體穩定性表現出更高的靈敏度。不同耕作方式對土壤中酶的種類及活性產生影響，進而影響土壤質量。

保護性耕作下可有效促進水溶性碳、脫氫酶及蛋白酶等的活力和總體穩定性，同時可促進磷轉換成有機磷的形式并以此儲存，還可增強磷酸酶的活性。例如，在土層0～5 cm處，土壤磷酸化酶活性提高;在土層0～10 cm處，木聚糖酶、蛋白酶和磷酸酶的活性提高。

一般保護性耕作是提高土壤理化性質最有效的耕作方式，但由于常年實施保護性耕作導致土壤板結，不利于農業生產。因此，大多數情況下，在農業生產中農民不采用連年保護性耕作模式，這造成了保護性耕作的諸多優勢無法發揮。因此，找到合理的保護性耕作使用方法，并將其更好地應用于農業生產中具有重要的實踐意義。

五、保護性耕作對土壤肥力的影響

保護性耕作下，聚集在土表的大量微生物高效分解作物殘體，使營養元素更多地進入土壤，從而提高SOM的腐化速率和碳的礦化速率。目前，保護性耕作的應用表明，在干旱和半干旱地區可減少土壤侵蝕、化肥施用量、降低水分蒸發并可恢復土壤肥力，同時增加土表作物殘體積累量、SOC含量及土壤有機碳、微生物量碳和氮、總氮和有效磷的含量，并使土壤腐殖質含量增加，同時加速土壤中腐殖酸的溶解度和凝聚度，提高土壤肥力和作物產量。

在保護性耕作下，土表微生物的大量聚集以及土表各種酶活性的提高加速了土表作物殘體的分解，這有利于土壤中有機質及腐殖質的形成，因此提高了土壤肥力。

六、展望

在中國，土壤耕作作為傳統的農業實踐已延續千年。隨著社會高科技的發展以及機械化的推廣與應用，一些現代耕作方式逐漸取代了古老的耕作方式，這在提高勞動效率的同時對土壤狀況、作物產量和環境造成了不同程度的影響，最終影響農業可持續發展和環境安全。因此，找出既適宜作物生長又環保的耕作方式已成為解決這一問題的主要措施。

首先，為使土壤環境更適宜作物生長，應選擇不同耕作方式，如淺根作物應多采用保護性耕作，在多年應用保護性耕作方式后使用一次常規耕作方式。其次，一年多熟制地區，應將不同耕作方式配合使用，以充分利用土壤不同深度的養分，并且有利于土壤氣體交換、呼吸作用及儲水保濕等。最后，切勿連年使用同一種耕作方式，在使用過程中應充分考慮當地土壤及氣候條件，這樣有利于土壤狀況的改善并充分利用土壤肥力。

參考文獻：

[1]Moussa-Machraoui S B，Errouissi F，Ben-Hammouda M，et al. Comparative effects of conventional and no-tillage management on some soil properties under Mediterranean semi-arid conditions in northwestern Tunisia[J]. Soil amp; Tillage Research，2010（2）：47-53.

[2]Tu C，Li F. Responses of greenhouse gas fluxes to experimental warming in wheat season under conventional tillage and no-tillage fields[J]. Journal of Environmental Sciences，2016（4）：314-327.

[3]Aziz I，Mahmood T，Islam K R. Effect of long term no-till and conventional tillage practices on soil quality[J].Soil amp; Tillage Research，2013（7）：28-35.

通訊作者：朱開才。