土壤壓實(shí)對(duì)土壤生化循環(huán)和生態(tài)效應(yīng)的影響

羅友進(jìn)　王武　余端　胡佳羽　程玥晴　陳霞　謝永紅

摘要：土壤壓實(shí)改變了土壤的物理屬性，從而對(duì)土壤化學(xué)屬性、生物性狀等產(chǎn)生影響。對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤壓實(shí)對(duì)土壤物質(zhì)生化循環(huán)、生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)行了回顧，重點(diǎn)闡述了土壤壓實(shí)對(duì)土壤碳氮循環(huán)的影響，并對(duì)下一步的研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：土壤壓實(shí)；生化循環(huán)；生態(tài)效應(yīng)

中圖分類號(hào)： S154.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）02-0317-03

收稿日期：2013-06-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2013BAJ10B07-04B）。

作者簡(jiǎn)介：羅友進(jìn)（1984—），男，浙江玉環(huán)人，博士，助理研究員，主要從事土地利用與生態(tài)變化研究。E-mail：luoyoujin1984@163.com。土壤是一個(gè)復(fù)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(shí)是指土壤顆粒重新排列達(dá)到更緊密結(jié)合、降低孔隙度、增加密度的過程。土壤壓實(shí)會(huì)引起土壤物理屬性的改變，進(jìn)一步對(duì)土壤化學(xué)屬性、土壤生物性狀以及植物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。只有在極少數(shù)情況下，輕微的土壤壓實(shí)會(huì)對(duì)土壤性質(zhì)、生產(chǎn)性能產(chǎn)生正面影響[1]，絕大多數(shù)都是負(fù)面影響。在耕作土壤中，機(jī)械壓實(shí)主要集中于土壤表層，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，耕作機(jī)械的牽引力、載重逐漸增加，壓實(shí)作用也隨之增加，從而對(duì)心土層土壤產(chǎn)生影響。心土層壓實(shí)后難以恢復(fù)[2]。土壤機(jī)械壓實(shí)問題若得不到解決，土壤環(huán)境將遭到嚴(yán)重破壞，農(nóng)田生產(chǎn)力嚴(yán)重下降，從而對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生影響。土壤機(jī)械壓實(shí)對(duì)農(nóng)業(yè)的主要危害表現(xiàn)為土壤密度增加、通氣孔隙減少、水滲透能力降低，從而對(duì)土壤生化屬性、生物多樣性產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致作物生長(zhǎng)受阻、產(chǎn)量降低、土壤環(huán)境遭到破壞[3]。近年來，不少學(xué)者對(duì)土壤機(jī)械壓實(shí)的誘因、特征、危害以及消除或避免措施進(jìn)行了大量研究[3-5]。本研究對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)機(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤生化屬性、生態(tài)環(huán)境的影響研究進(jìn)行了歸納，旨在為我國(guó)土壤機(jī)械壓實(shí)研究提供參考。

1土壤物理屬性

在農(nóng)機(jī)重力、剪切力的作用下，土壤大孔隙、充氣孔隙逐漸減少，團(tuán)聚體相互靠近，甚至發(fā)生變形，土壤密度明顯增加。經(jīng)耕作機(jī)械壓實(shí)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(shí)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(dǎo)致水土流失加劇。目前，土壤壓實(shí)已成為農(nóng)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(dǎo)致土壤水分減少[7]。土壤壓實(shí)后，充氣孔隙明顯減少，氣體擴(kuò)散率下降，進(jìn)而影響土壤溶液流動(dòng)。土壤嚴(yán)重壓實(shí)后，土壤通氣大孔隙降為3%以下，團(tuán)聚體相互靠近并發(fā)生摩擦，穩(wěn)定性明顯降低，土壤環(huán)境質(zhì)量下降。Nadian等在作物收獲前測(cè)定土壤空氣中的氧氣含量，壓實(shí)土壤為10%，未壓實(shí)土壤為18%[8]。在寒溫帶地區(qū)，壓實(shí)土壤中表層土壤白天地溫均較未壓實(shí)的低?？傊瑱C(jī)械壓實(shí)對(duì)土壤物理屬性的影響主要表現(xiàn)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(duì)土壤物質(zhì)循環(huán)、抗侵蝕性能、生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)。

2土壤生化循環(huán)

2.1還原性

土壤壓實(shí)導(dǎo)致土壤物理屬性發(fā)生改變，如土壤水分滲透率、通氣性降低，進(jìn)而影響著土壤化學(xué)屬性。土壤壓實(shí)會(huì)導(dǎo)致土壤中氧氣擴(kuò)散速度下降，當(dāng)土壤氧氣消耗快于擴(kuò)散時(shí)，土壤趨于缺氧環(huán)境[9]。拖拉機(jī)及其牽引的機(jī)具在農(nóng)田行走作業(yè)時(shí)，輪胎及機(jī)具對(duì)土壤產(chǎn)生碾壓作用，導(dǎo)致土壤水分滲透率下降。壓實(shí)土壤中，地表水滯留以及厭氧環(huán)境降低了土壤溶液的還原勢(shì)，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(fù)雜的含鐵化合物，可以在壓實(shí)土壤中看到含鐵礦物如纖鐵礦。Herbauts等研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過采伐作業(yè)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(huán)

土壤中CO2含量，有機(jī)碳、氮的礦化過程都受到土壤壓實(shí)的影響。Jensen等認(rèn)為，土壤呼吸或氮礦化對(duì)土壤壓實(shí)的敏感性要優(yōu)于土壤物理屬性[11]。Tan等對(duì)北方森林土壤壓實(shí)現(xiàn)象研究發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)作用影響土壤中碳、氮等礦質(zhì)元素的礦化[12]。室內(nèi)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將沙壤土壓實(shí)，其土壤密度從 1.1 g/cm3 升至1.5 g/cm3，9個(gè)月后，土壤中有機(jī)碳礦化速度、凈硝化速率明顯下降。Pengthamkeeratia等通過田間試驗(yàn)、室內(nèi)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適度的壓實(shí)會(huì)增加土壤總有機(jī)碳含量，增強(qiáng)轉(zhuǎn)化酶活性，降低可溶性碳含量[13]。盧偉等調(diào)查采伐方式對(duì)土壤理化性質(zhì)影響發(fā)現(xiàn)，表層土壤pH值增大，有機(jī)質(zhì)、氮素含量增加，可溶性FeO含量明顯下降[14]。土壤壓實(shí)最明顯的后果是土壤排放CO2量減少。Jensen等研究發(fā)現(xiàn)，土壤壓實(shí)后土壤呼吸強(qiáng)度下降了57%～69%，但是由于使用機(jī)械翻耕會(huì)消耗化石燃料從而產(chǎn)生更多的CO2，因此，土壤壓實(shí)最終會(huì)導(dǎo)致更多的CO2排放[11]。同時(shí)，Ruser等研究指出，施用硝態(tài)氮肥的土壤CO2排放量與土壤含水量關(guān)系并不密切，只有當(dāng)其受到壓實(shí)，90%以上的土壤孔隙充滿水時(shí)，CO2排放量才會(huì)顯著下降[15]。壓實(shí)導(dǎo)致土壤趨于厭氧環(huán)境，土壤中產(chǎn)甲烷細(xì)菌數(shù)量增加，甲烷營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量減少，土壤產(chǎn)甲烷速率明顯高于其氧化速率。土壤壓實(shí)同時(shí)也會(huì)增強(qiáng)土壤反硝化作用過程，使得N2O排放量增加。由土壤壓實(shí)引起N2O排放的增加量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于施用氮肥所引起的增加量。Ruser等研究指出，在施用硝態(tài)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(dāng)壓實(shí)土壤回潤(rùn)時(shí)，其N2O產(chǎn)生速率最高。Sitaula等研究發(fā)現(xiàn)，與不施肥的土壤相比，在施用氮、磷、鉀肥的土壤中，由壓實(shí)導(dǎo)致的N2O排放量增加了3倍，但室內(nèi)模擬表明，這種效應(yīng)并非永久[16]。Uchida等研究了壓實(shí)與團(tuán)聚體粒徑大小對(duì)土壤N2O排放量的影響，結(jié)果表明，在施用牛糞肥培養(yǎng)試驗(yàn)中，粒徑為0～1 mm團(tuán)聚體在土壤壓實(shí)最強(qiáng)時(shí)N2O排放量最大[17]。事實(shí)上，在土壤中，不論是硝化作用還是反硝化作用都會(huì)產(chǎn)生N2O，在同一土壤團(tuán)聚體中也可能同時(shí)存在著硝化、反硝化反應(yīng)。土壤壓實(shí)導(dǎo)致土壤含水量增加，從而增強(qiáng)土壤的反硝化作用[18]。Soane等研究指出，土壤壓實(shí)使得土壤反硝化作用以及N2O排放量增加4～5倍。在壓實(shí)土壤中同時(shí)也導(dǎo)致土壤向大氣排放N2O過程受阻[19]。Ball等通過研究壓實(shí)土壤在降雨條件下土壤N2O排放量情況，發(fā)現(xiàn)施用氮肥之后，與未壓實(shí)土壤相比，降雨使得壓實(shí)土壤中N2O的排放量明顯增加[20]。Bessou等嘗試模擬土壤壓實(shí)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(shí)導(dǎo)致土壤水含量增加、反硝化過程增強(qiáng)、減少了NOx的排放，同時(shí)增強(qiáng)氨的揮發(fā)。

3土壤生物

土壤壓實(shí)對(duì)土壤生物多樣性的影響取決土壤本身性質(zhì)、氣候以及土壤壓實(shí)程度。Beylich等研究指出，當(dāng)土壤密度大于 1.7 g/cm3 時(shí)，壓實(shí)會(huì)導(dǎo)致土壤微生物量減少以及碳礦化速率降低[22]。土壤壓實(shí)使得土壤通氣性下降13%～36%，土壤微生物數(shù)量下降[23-26]。Shestak等研究指出，當(dāng)土壤強(qiáng)度為 75～3 800 kPa 時(shí)，土壤物理性狀將發(fā)生改變，但不會(huì)對(duì)土壤的生物屬性產(chǎn)生影響[27]。任何干擾都會(huì)對(duì)土壤的酶活性產(chǎn)生影響[28]。土壤壓實(shí)引起土壤理化性質(zhì)的改變，最終導(dǎo)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(huì)提高。在缺氧條件下，土壤微生物群落發(fā)生改變。因此，壓實(shí)土壤中Fe、S還原性增強(qiáng)，產(chǎn)甲烷細(xì)菌含量增加。土壤動(dòng)物在土壤有機(jī)物降解、形成中扮演著重要角色。土壤動(dòng)物居住于土壤孔隙中，土壤壓實(shí)會(huì)改變這些孔隙的大小、分布，從而對(duì)線蟲、大型土壤動(dòng)物的活動(dòng)產(chǎn)生影響。土壤線蟲類動(dòng)物生活習(xí)慣不同，在土壤食物鏈中扮演著重要角色。土壤壓實(shí)嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)影響著線蟲的數(shù)量及其分布。嚴(yán)重壓實(shí)土壤中食細(xì)菌性、雜食性線蟲數(shù)量減少，食草性線蟲數(shù)量增加[1]。土壤中蚯蚓數(shù)量、分布同樣受到土壤壓實(shí)的影響，其數(shù)量隨著土壤壓實(shí)程度的增加而減少。

4土壤生態(tài)環(huán)境

區(qū)域土壤壓實(shí)不僅影響土壤本身，同時(shí)也影響區(qū)域環(huán)境。在一些土壤中由于提高了機(jī)械翻耕效率，也會(huì)起到節(jié)能的效果[29]。厭氧環(huán)境下，除草劑降解速率會(huì)降低，最終導(dǎo)致其進(jìn)入地下水或蓄水層[30]。同時(shí)，導(dǎo)水性能下降也會(huì)降低水體下滲速度。在陡坡上，土壤壓實(shí)會(huì)導(dǎo)致其徑流增加，最終導(dǎo)致土壤流失嚴(yán)重[31]。此外，在泥漿區(qū)域，徑流增加會(huì)導(dǎo)致進(jìn)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(zhǎng)。在沙土等土壤中，土壤壓實(shí)提高了土壤強(qiáng)度、侵蝕度，在徑流量相同的情況下，土壤流失量會(huì)減少。因此，土壤壓實(shí)所引起土壤物理屬性的改變對(duì)環(huán)境是否呈正效應(yīng)，主要取決于土壤的物理性狀、環(huán)境條件[32]。

5結(jié)論

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械壓實(shí)已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中無法回避的問題。只有首先弄清壓實(shí)危害及其產(chǎn)生的原因，才能為避免或減輕土壤機(jī)械壓實(shí)提供依據(jù)，避免土壤資源被破壞。目前我國(guó)主要農(nóng)業(yè)種植區(qū)已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化耕作，但各地區(qū)發(fā)展不均衡，如西南丘陵山區(qū)受其地形地貌的限制，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平仍然較低。西南丘陵山區(qū)土地整治、土地復(fù)墾等工程的開展，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化提供了基本保障，但由于西南丘陵山區(qū)處于生態(tài)脆弱區(qū)，其機(jī)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(qū)域嚴(yán)重，如何避免或減輕農(nóng)業(yè)機(jī)械化壓實(shí)帶來的危害是該區(qū)域?qū)嵤C(jī)械化耕作所必須面對(duì)的問題。現(xiàn)今普遍采用的保護(hù)性耕作如“少耕法”“免耕法”是減少耕作次數(shù)、有效降低或避免機(jī)械壓實(shí)的措施之一。

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