免耕覆盖技术下土壤氮素迁移的研究进展

王静　潘天任　冯婉君

摘 要：氮素是化肥中施用量最大的营养元素，其循环途径对环境有着重大而深刻的影响。笔者根据近年来国内外在该领域的研究成果，对免耕覆盖下土壤理化属性、土壤氮素形态含量以及土壤氮素损失迁移的状况进行了综述。

关键词：免耕；土壤；氮素

中图分类号：F303.2 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2014.12.007

免耕（又称零耕）是指直接在田间进行播种，播种前后均不使用农机具进行土壤管理的一种耕作方法[1]。免耕种植技术对协调土壤水、肥、气、热之间的关系发挥了重要的作用，为作物生长发育提供了良好的环境，避免了由于频繁耕作所引起的土壤物理结构的破坏，并能增加土壤有机质含量、土壤含水量和水分的有效性，有效地改善土壤化学性质 [2-3]。同时，具有节省能源、时间和机械，以及减少土壤风蚀和水蚀等优点。

氮素作为植物生长所必须的营养元素之一，是评价土壤生产力的重要指标。土壤氮库中多以有机态氮的形式存在，而植物吸收氮素多以无机态为主，因此了解土壤中氮素的转化有着客观的价值。此外，近年来的研究表明，氮素已成为重要的污染元素之一，往往会引发一系列环境问题，如硝态氮的淋溶作用对于地下水的污染、淡水的酸化[4]、湖泊、海洋等水体的富营养化[5]以及反硝化作用产生的温室气体[6]等。因此，研究氮素在土壤中的迁移转化具有一定的现实意义。

20世纪90年代以来，随着农机具的改进和技术的成熟，免耕覆盖技术在世界各地得以推广和发展。我国玉米免耕技术也在近两年发展迅速，华北平原小麦一玉米两熟制农田中，90%以上的玉米已经采用了免耕播种技术[7]。免耕覆盖技术下土壤水分[8-9]、土壤温度以及土壤的理化性质都与传统耕作有所区别[10]。研究指出，免耕技术下土壤有机质呈表聚现象，微生物活性提高，影响表层土壤酸度和氧化还原状况[11]，并导致土壤中硝化和反硝化细菌数量增加 [12-13]。这些因素的改变均有可能影响土壤中氮素的迁移。

1 免耕覆盖技术对土壤理化性质的影响

我国的免耕技术始于20世纪80年代，由于免耕覆盖技术的经济效益和生态效益，现已得到迅速发展。大量研究表明，免耕之所以能够提高作物产量是由于土壤含水量的增加[8，14]。一般认为，免耕覆盖下土壤具有良好的孔隙状况，水分入渗增加，土体含水量提高，而覆盖又抑制了蒸发，所以免耕具有较好的保水效果[2，15]。此外，有研究表明，免耕土壤上下层次间水分含量相差不大，而翻耕和铁茬土壤在作物苗期土体上层含水量低[16]。

容重是反映土壤紧实状况的主要指标之一。就免耕覆盖技术对其的影响而言，研究结论存在分歧，有研究认为免耕使表层土壤容重增加，有的则认为免耕使土壤容重降低[17-20]。亦有研究认为耕作对土壤容重的影响与作物生长关系较小[21-23]。但对于土壤结构，大量研究认为该技术有利于减少大、中孔隙数量，增加小孔隙数量，土壤孔隙的连续性增强，增加了植物可利用水分的土层厚度[24-25]。同时增加了土壤水稳性团聚体的数量，有利于土壤结构的发展[26]。

研究表明，免耕覆盖技术下，土壤有机质、速效磷和速效钾在土壤表层呈现显著的积累现象[27]。此外，由于免耕提高了水分利用率，能增强土壤团聚体的稳定性以及增加有机肥在表层的含量，将有助于进一步培肥地力[26]。

不同耕作方法造就了不同的土壤环境，进而影响了土壤微生物的数量与组成。Doran[12-13]发现由于秸秆覆盖可使细菌、放线菌、真菌数量增加2～6倍，硝化和反硝化细菌数量增加更多。高云超等[28]对连续多年免耕土壤微生物群落进行研究并得出，免耕显著增加了0～10 cm土层的细菌总数、放线菌数、棒状细菌数和贫营养细菌数量，特别是免耕使芽孢杆菌数量增多几倍。诸多研究表明，免耕技术下土壤微生物的数量有所提高。

2 免耕覆盖技术对土壤氮素的影响

免耕覆盖技术对土壤理化性质，土壤固氮菌和反硝化细菌的影响，导致了土壤氮素在其组成和含量上均与其他耕作方式存在差异。研究表明，免耕覆盖技术下土壤表层硝化和反硝化细菌数量显著增加[12-13]。此外，高云超等[29]通过多年连续秸秆覆盖免耕试验得出，好氧固氮菌和厌氧固氮菌数量较铁茬处理的土壤中显著增加。其中，土壤中厌氧固氮菌数量亦高于翻耕处理。但其关于反硝化细菌的研究表明：翻耕>免耕>铁茬。

就土壤氮素的组成和含量而言，由于免耕技术减少了土壤表面扰动，土体中氮素的组分和分布往往取决于土壤的质地、灌溉和降雨条件等因素[30-32]。Grant等[33]研究发现，沙壤土免耕处理表层土壤积累了较多硝态氮。此外，免耕覆盖条件下施肥方式的改变，在一定程度上影响了氮肥的肥效[34-35]。侯雪坤等[36]研究发现，轮作与连作处理的氮肥利用率均比常规耕作要高，免耕最低。朱文珊等[24]研究指出，低N施肥水平下玉米产量免耕与翻耕无明显差异，而高N施肥水平下免耕高于常规耕作。其结果表明免耕条件下，氮肥的施用量可能会增加。

3 免耕覆盖技术下土壤氮素的迁移与损失

农田土壤中氮素迁移的主要途径有氨挥发、 硝化—反硝化、 淋溶和径流。向土壤施入铵态氮肥后，免耕技术下挥发作用会因为作物残茬覆盖的表面而增加[31-38]。亦有研究指出免耕覆盖技术下，土壤表层铵态氮含量的升高亦有可能导致氨挥发的增加[39]。

大量研究证实，免耕覆盖技术下作物残茬覆盖降低了地表径流，减少了土壤水分蒸发，增加了土壤水分入渗[40-42]。而硝态氮的淋溶损失是在土壤硝态氮含量较高和水分运移良好的条件下发生的[43]，这导致进入地下水的硝态氮量显著增加，污染地下水[30，44]。Thomas[45]的研究表明，免耕技术下进入地下水的硝态氮量显著增加，并在土体90 cm以下检测到硝态氮的存在。孙强等[43]指出免耕覆盖条件下，土体表层0～20 cm氮素硝化速率偏低，而20～100 cm土层硝态氮各层含量和积累量显著高于常规耕翻处理，这表明土壤硝态氮由表层向深层纵向显著移动。且1 m土层内土壤无机氮积累量显著低于常规耕翻处理，这表明免耕覆盖技术下，土壤无机氮损失较为严重。

4 结论与展望

当前，粮食生产和环境问题已成为影响社会发展和进步的重要课题，这为免耕覆盖技术提供了发展空间。然而，免耕覆盖在给社会带来经济效益的同时，其对土壤本身的影响亦不可忽视，尤其是不利于环境健康发展的因素。氮素的迁移对环境的影响已引起人类的高度关注，而免耕覆盖对氮素在环境中迁移的影响，现有研究其主要体现在硝酸盐淋溶量的增加上，这可能带来方方面面的环境问题。关于该方面的研究，因区域土壤质地的差异，研究技术的复杂，仍存在研究的空间，彻底弄清免耕覆盖技术下氮素的去向。在此基础上，应探索与该技术相适应的新的作物栽培和管理方法，以减少氮素损失为环境带来的风险。

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