保护性耕作对土壤影响的研究进展

摘 要：耕作是影响土壤性质和作物产量的关键因素之一，在农业生产系统中，合理耕作可有效改善土壤结构、提高土壤保水保肥能力以及防除田间杂草等，相反则会产生一些不良后果，如破坏土壤结构、加速土壤侵蚀和使土壤有机质、肥力流失并中断土壤水分等。目前，农业生产中最重视且最关键的问题是如何利用不同耕作方式对土壤产生有利影响，进而有益于农业可持续发展并减缓环境问题。本文综述保护性耕作在农业生产中的应用对土壤的影响，为找到适宜的耕作方式提供理论依据。

关键词：保护性耕作;土壤;理化性质;肥力

耕作是农业生产系统中的关键环节，其通过影响土壤理化性质来影响土壤资源的可持续利用，并以此来调控作物的生长发育。近年来，随着农业机械化的发展、劳动力和能源成本的增加以及环境问题的日益突出，保护性耕作已被广泛应用于农业生产中，以此减少过度常规耕作对土壤产生的不利影响。保护性耕作不仅能减少经济投入，还可获得显著的生态效益，如二氧化碳当量显著降低，并使作物增产，同时可改善土壤资源和保护自然环境。

一、保护性耕作对土壤物理性质的影响

土壤物理性质制约土壤肥力水平，进而影响作物生长发育，因此其是制订合理耕作和排灌等田间管理措施的重要依据。

保护性耕作下，在土层0～15 cm处，作物根密度达到最大值，浅犁能提高土壤质量，以此促进作物根系发育和土壤中水分的移动。免耕下在土层0～2 cm处，土壤垂直穿入阻力显著增强，在土层0～30 cm处土壤水稳性团聚体的含量增加，在土层0～15 cm和15～30 cm处，大于2 mm的土壤大团聚体、水稳性大团聚体和大于0.02 mm的团聚体数量增加，并使土壤团聚体的稳定性提高，同时增加土壤有机碳（SOC）含量。

土壤pH值对土壤中各种反应有重要作用，如土壤矿物风化、微生物活性强度和有机质矿化等。免耕下沙质土壤的pH值在6.5～7.5是水稻增产的最佳条件;在非沙质水稻土中，免耕下水稻增产。在酸性土壤中（pH值≤6.5），免耕下水稻产量无明显变化;而在中性土壤中（pH值6.5～7.5），免耕下水稻增产;但在碱性土壤中（pH值≥7.5），免耕下水稻减产量。通常，土壤阳离子交换量（Cation Exchange Capacty，CEC）随着土壤pH值的升高而增加。免耕下土壤pH值升高，土层0～20 cm处CEC显著增强。

由此可见，保护性耕作尤其是免耕能使土壤物理性质得到较好改善，这有益于改善环境并促进作物生长发育及最终的产量形成。

二、保护性耕作对土壤化学性质的影响

在缓解农业生产对气候变化的问题上，由于土表固碳成本低且能有效保存各种碳元素，因此保护性耕作是最好的选择。

土壤中保存的SOC不仅能提高土壤质量和作物产量，而且可为土壤中碳循环储存碳，并减少来自土表温室气体，如二氧化碳、甲烷等的排放。同时，SOC的保存降低了氮肥的使用成本和氮素的溶解速度，而且减少了引起全球变暖的破坏性温室气体的排放，如二氧化碳、甲烷和一氧化二氮等。保护性耕作能减缓二氧化碳的排放，并使SOC含量增加，这在一定程度上缓解了环境问题[1]。

保护性耕作下较少的土体扰动及土表作物残体的大量积累，使土壤中有机磷占总磷的比例升高，并且在提取的总磷中单脂和双脂所占的比例也较高。保护性耕作下在土层0～5 cm处，土壤中磷酸钙和钾的含量较高，且SOC和氮的含量最高;在土层0～10 cm处，土壤总有机碳含量显著提高。

土壤获得SOC的20%来自免耕，免耕使土壤总碳、活性炭和土壤总氮含量显著增加。免耕下土壤储存的SOC、有机氮和土壤总氮在土层0～5 cm处增加;在土层0～5 cm处，土壤有机质（Soil Organic Matter，SOM）含量随耕作强度的减小而增加，在保护性耕作下增加较多[2]。

耕作通过改变土壤理化性质来影响SOM的矿化和腐解以及生物群体和酶的多样性及活性，而这些又影响土壤中磷的含量和组成。在寒冷气候下，耕作主要通过影响土壤径流量来影响土壤中磷的含量;在温带和热带地区，保护性耕作使土壤中总磷、有机磷和作物可利用的磷含量增加。保护性耕作下土壤中出现了大量的生化毛孔，因此土壤中磷素的渗透率和渗水率提高，且土表的SOC、微生物量碳和氮、潜在的氮矿化、总氮和有效磷的含量较高，但随着土层深度的增加，其含量逐渐降低。免耕下土壤总氮、磷、钾、硫和NO3--N的含量增加。

由此可见，保护性耕作对土壤质量有较大影响，其通过改变土壤中各种营养元素的含量对土壤化学性质产生影响，进而影响作物生长发育，最终影响农业生产及环境质量。

三、保护性耕作对土壤微生物的影响

不同耕作方式对土壤微生物量和繁殖影响较大，耕作方式通过改变土表作物残体数量和质量来影响土壤微生物活性。长期保护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，这有利于土表作物残体的腐解，增加土壤肥力[3]。保护性耕作下土壤微生物质量、活性、磷脂脂肪酸含量和群落多样性增加，这有利于土壤养分的高效利用。同时，可促进土壤真菌的生长及真菌菌丝的繁殖，使真菌群落数、生物量、球霉菌素和外生菌根的孢子数增加，并使活性菌丝长度达到最大。

由上所述，保护性耕作使土壤微生物活性增强，并使其数量和生物量增加，这可改善土壤结构并使土壤肥力提高，为作物生长创造有利环境，最终使作物增产增效。

四、保护性耕作对土壤中酶的影响

土壤酶活力被视为评价可持续农业生态系统质量的指标，在土壤理化性质中，土壤酶活性和总体稳定性表现出更高的灵敏度。不同耕作方式对土壤中酶的种类及活性产生影响，进而影响土壤质量。

保护性耕作下可有效促进水溶性碳、脱氢酶及蛋白酶等的活力和总体稳定性，同时可促进磷转换成有机磷的形式并以此储存，还可增强磷酸酶的活性。例如，在土层0～5 cm处，土壤磷酸化酶活性提高;在土层0～10 cm处，木聚糖酶、蛋白酶和磷酸酶的活性提高。

一般保护性耕作是提高土壤理化性质最有效的耕作方式，但由于常年实施保护性耕作导致土壤板结，不利于农业生产。因此，大多数情况下，在农业生产中农民不采用连年保护性耕作模式，这造成了保护性耕作的诸多优势无法发挥。因此，找到合理的保护性耕作使用方法，并将其更好地应用于农业生产中具有重要的实践意义。

五、保护性耕作对土壤肥力的影响

保护性耕作下，聚集在土表的大量微生物高效分解作物残体，使营养元素更多地进入土壤，从而提高SOM的腐化速率和碳的矿化速率。目前，保护性耕作的应用表明，在干旱和半干旱地区可减少土壤侵蚀、化肥施用量、降低水分蒸发并可恢复土壤肥力，同时增加土表作物残体积累量、SOC含量及土壤有机碳、微生物量碳和氮、总氮和有效磷的含量，并使土壤腐殖质含量增加，同时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产量。

在保护性耕作下，土表微生物的大量聚集以及土表各种酶活性的提高加速了土表作物残体的分解，这有利于土壤中有机质及腐殖质的形成，因此提高了土壤肥力。

六、展望

在中国，土壤耕作作为传统的农业实践已延续千年。随着社会高科技的发展以及机械化的推广与应用，一些现代耕作方式逐渐取代了古老的耕作方式，这在提高劳动效率的同时对土壤状况、作物产量和环境造成了不同程度的影响，最终影响农业可持续发展和环境安全。因此，找出既适宜作物生长又环保的耕作方式已成为解决这一问题的主要措施。

首先，为使土壤环境更适宜作物生长，应选择不同耕作方式，如浅根作物应多采用保护性耕作，在多年应用保护性耕作方式后使用一次常规耕作方式。其次，一年多熟制地区，应将不同耕作方式配合使用，以充分利用土壤不同深度的养分，并且有利于土壤气体交换、呼吸作用及储水保湿等。最后，切勿连年使用同一种耕作方式，在使用过程中应充分考虑当地土壤及气候条件，这样有利于土壤状况的改善并充分利用土壤肥力。

参考文献：

[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.

通讯作者：朱开才。