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浅析长期施用化肥对土壤生物隐性退化的影响,
分类:科技生活

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长期施肥可改变植物残体、根系分泌物等有机物输入土壤的种类和数量,间接使土壤动物群落组成发生改变。单施大量单种氮肥会导致土壤动物数量的减少,且变化出明显的垂直结构差异,即土层化肥含量越高,土壤动物数量越少。

机械化保护性耕作核心技术包括免耕、秸秆或残茬覆盖、深松、除草及其配套的专用机具等。根据对土壤的影响程度,主要划分为以下两种类型。

这些研究是该课题组从土壤结构的定量化往土壤结构与功能的发展,提升了人们对土壤结构与生物活动相互作用的科学认识,对田间管理具有一定的实际指导意义。

长期大量施用化肥会破坏土壤原有的生态结构,引起土壤酸化等问题,造成土壤生物隐性退化。例如,土壤动物如蚯蚓、线虫等种类与数量的减少。而缺少了土壤动物的活动,又会引起土壤紧实、团粒结构减少、有机物分解缓慢等问题,反作用于土壤,造成土壤结构、营养功能的破坏。化肥的长期大量施用影响着土壤微生物的生长发育,只有将化肥施用量控制在一定范围内,才会为微生物提供适宜的生长环境,从而促进微生物的生长发育,进而促进土壤营养元素的转化,而超出了这个范围,则会对微生物产生不利影响。化肥的施用对土壤酶活性具有促进作用,但土壤酶活性是由土壤、土壤动物、土壤植物、微生物共同作用的结果,土壤酶主要是有土壤微生物、植物、动物分泌或者残体分解而来,土壤动物、微生物的退化会减少土壤酶产生的途径,从而对土壤酶活性产生负面影响。

4.高保蓄

Bottinelli等(2017, Biol Fertil Soils, 53, 951–955)研究了两种生态类型的蚯蚓,内栖类(D. Sinica)和深栖类分别对红壤和砂姜黑土土壤结构的影响,发现这两种不同生态类型的蚯蚓活动形成的洞穴在数量、角度和连通性等三维特征上存在显著差异。Amynthas蚯蚓洞的直径比Sinica的大,连接性好,并且分布更加垂直。Amynthas产生的连接土壤表面与底部的蚯蚓洞显著高于Sinica的蚯蚓洞,导致前者的饱和导水率也显著高于后者。该研究说明不同生态类型的蚯蚓对土壤结构及其水分运动的贡献差异显著。

365体育开户,曹志平等在华北高产农田研究化肥投入对土壤原生动物群落丰度的影响,结果表明,化肥对原生动物丰度表现出明显的抑制作用,施用化肥处理土壤原生动物丰度显著低于不施用化肥处理,但施用化肥量对原生动物丰度无显著影响。梁文举通过研究辽河平原稻田,设计了氮磷肥(NP)、氮钾肥(NK)、氮磷钾(NPK)、对照(CK)4个处理研究化肥与土壤线虫之间的关系,结果表明,各处理间线虫总数顺序为:NP< NK< NPK< CK,而食细菌线虫数量顺序为:CK > NK > NPK > NP。齐莎等在内蒙古典型草原上的研究得出相同结论,连续施用氮磷肥料显著降低了土壤线虫的数量。

机械化保护性耕作的另一个重要作用就是提高土壤有机质含量,培肥地力,实现土壤资源的可持续利用。传统的耕作方式重用轻养导致土壤有机质下降。据相关研究显示,吉林省黑土区土壤有机质由开垦初期的5%下降到现在的2%左右,秸秆还田后有机质含量每年增加0.01—0.03个百分点。实行保护性耕作3年地块10厘米耕层有机质含量比传统耕作方式的地块增加了25%。总之,保护性耕作作物根茬或秸秆直接还田腐烂,可明显提高土壤有机质含量,起到培肥地力的作用。

365体育在线投注,房焕等(2018, Plant Soil, 430, 233-243)研究了水稻土物理结构和水分管理对水稻苗期根系特征的影响。结果表明容重相同的情况下,孔隙结构对水稻根系的生长有非常显著的影响,大孔隙的增加可以显著促进根系的长度和数量;与长期淹水相比,虽然干湿交替的穿透阻力增大4倍,但由于其产生了裂隙,大孔隙增多,促进了根系的生长,说明孔隙结构在根系生长的过程中发挥了更重要的作用。此研究对于改善水稻田物理结构和田间管理具有十分重要的启示意义。

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免耕播种作业:节省作业费,同时增强土壤的蓄水保墒能力。由于地表有秸秆覆盖,土壤的水、肥、气、热可协调供给,干旱时土壤不易裂缝,雨后不易积水。

张中彬等(2018, Plant Soil, 428, 453–467)为了排除耕作的影响,研究了不同施肥和土地利用方式对犁底层土壤生物性孔隙的影响。提出了区分生物性和非生物性孔隙的方法,发现生物性孔隙在土壤大孔隙中占比超过50%;与种植玉米的旱地相比,水田土壤的生物性孔隙多垂直分布,平均体积和孔径较小,分支较少,这主要是玉米和水稻根系特征的差异导致的;施用有机肥增加旱地大孔径的生物性孔隙,增加了水田生物性孔隙的弯曲度,这可能是由于施用有机肥增加了蚯蚓等动物的活动。该研究表明尽管犁底层土壤较为紧实,但生物活动仍然可以影响土壤孔隙结构的形成与演变。利用方式和施用有机肥能够显著改变下层土壤生物性孔隙结构,这为通过合理的轮作和施肥措施改良犁底层土壤的压实状况提供了新思路。

在农业生产中,化肥农药投入量居高不下,利用率低下,对土壤质量和粮食生产造成了不良影响,化肥使用问题已成为当前农业生产及环境生态关注的重要议题。然而,目前的研究主要集中于化肥对土壤物理性质、化学性质的影响,多数的改良措施也是以改善土壤理化性质作为主要目的。

机械化保护性耕作技术与传统耕作技术相比具有显着降低风蚀和水蚀的作用。据监测表明,玉米立茬覆盖保护性耕作土壤风蚀量较传统耕作方式降低13.30%、水蚀量降低17.90%;也有资料显示,保护性耕作可以减少地表径流50%—60%,减少土壤流失80%左右。少耕、免耕等保护性耕作技术减少了对土壤的扰动,作物根系起到固土作用,加上地表常年有残茬和作物的覆盖,大大减少了降水对表土的冲刷,起到降低风蚀水蚀的作用。

植物根系和蚯蚓等生物活动对土壤结构的形成和演变具有极其重要的作用,而土壤结构也可以显著影响根系生长和蚯蚓等土壤动物活动。围绕土壤结构和生物活动的相互作用,中国科学院南京土壤研究所研究员彭新华课题组应用X射线CT技术开展了一系列研究工作。

土壤酶是土壤生态的重要组成部分,主要来源于微生物、植物和动物的分泌物或残体,参与有机物分解、碳水化合物的转化、养分循环等,是评价土壤健康状况的重要指标。经证明,脲酶与土壤有效磷、有机碳之间呈现出极显著或显著正相关,碱性磷酸酶与全氮、有效磷、有机碳之间呈显著正相关,过氧化氢酶与全氮、有效磷呈显著负相关。相比不施肥处理,长期施用化肥,土壤脲酶、磷酸酶活性增加,土壤过氧化氢酶活性显著降低。相比施用有机肥处理,土壤脲酶、磷酸酶活性显著降低。樊军等在黄土高原旱地黑垆土上进行了连续16年的定位施用化肥试验,对脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、蛋白酶的分析结果表明,土壤脲酶活性随着施肥量的增加而增加,过氧化氢酶活性随着磷肥施用量的增加而降低,对照施氮水平的增加,蔗糖酶活性有降低的趋势,但较不施肥处理高。土壤碱性磷酸酶随着施氮量的增加有增加的趋势,这是由于土壤N/P基本保持一定,氮肥施用改变了土壤N/P,从而诱导土壤微生物和植物根系分泌磷酸酶,促进含量有机化合物的分解,释放更多的有效磷,以恢复N/P。长期施用化肥对蛋白酶影响不明显。

在免耕法的研究及应用中,人们经常引用“生物代耕”这一术语。免耕法的实质是依靠生物进行土壤耕作,包括作物根系、土壤微生物、蚯蚓等小动物的活动在内。作物根系不断穿插、分割土壤,在其死亡和被分解后形成大大小小的孔隙,使土壤三相比得到调整。土壤微生物分解作物残体,为作物提供矿物质营养,同时形成腐殖质,把土粒胶结成团粒。蚯蚓被誉为“生物犁”,其活动留下的洞穴能改善土壤的通气性。所有生物活动留下的“地下渠道”不会被翻耕、深松等截断或破坏,从而创造一个结构良好、孔隙度高的表土层;同时,“地下渠道”的数量会随着免耕的连续而逐渐积累,从而得以在一定年限内代替土壤耕作的作用。

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土壤生物退化,是土壤中动物、微生物、土壤酶活性等一系列土壤生物指标的退化,其是一种隐性的退化,仅凭肉眼较难分辨。土壤生物作为土壤圈物质循环及能量流动的重要参与者,其生物活性直接反映了土壤质量。介于目前人们对土壤生物退化及其危害性重视不够,本文从长期化肥施用对农耕地土壤动物、微生物、土壤酶活性等角度的影响进行了讨论,以引起有关方面的重视,加强土壤生物隐性退化修复的研究,将土壤生物指标纳入作为土壤质量提升的一个重要指标,阻止土壤生物退化继续恶化。

1.有效蓄水保墒

1 长期施用化肥对土壤动物的影响

2.降低土壤侵蚀

3 长期施用化肥对土壤酶活性的影响

传统耕作方式灭茬打垄不留茬、翻耕、旋耕等耕作方式秸秆覆盖率低,农田裸露,土壤水分蒸发量大,土壤风蚀水蚀严重,容易引起沙尘暴发生。保护性耕作技术通过作物根茬覆盖、秸秆覆盖以及绿色覆盖等地表覆盖技术,减少地表裸露,降低土壤水分蒸发和水土流失,提高土壤蓄水保墒能力。国外通常以残茬覆盖度为标准,在一季作物收获后地表留茬覆盖度大于30%为保护性耕作,残茬覆盖度在15%—30%为少耕。因此,地表裸露程度是判断保护性耕作的主要标准。

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5.实现节本增效

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3.培肥保育土壤

综上所述,化肥的长期、大量施用不利于耕地资源的可持续利用。在我国化肥利用率过低的情况下,化肥的长期、大量投入不但会造成农业生产成本的增加与浪费,还会引发土壤板结、结构破坏、土壤生物退化、环境污染等问题,在农作物减产的同时带来了大量的生态问题。因此,应该减少化肥的使用,改为施用有机肥或者有机——无机配施。

机械化保护性耕作技术是以保持水土为核心,通过免耕、少耕、作物秸秆地表覆盖等技术手段,减少土壤耕作次数,降低土壤风蚀、水蚀,提高土壤蓄水保墒能力,节约成本,增加作物产量,增加效益。因此,机械化保护性耕作技术的基本原理可归纳为“三少两高”,即少动土、少裸露、少污染、高保蓄和高效益。 1.少动土。传统的灭茬打垄、翻耕、旋耕等耕作方式动土量大,土壤风蚀、水蚀严重。少动土是相对于传统耕作方式而言的,并不是完全不动土,而是通过合理减少机械对土壤的扰动,使作物能够正常生长发育。保护性耕作技术减少对土壤的耕作次数或耕作面积,避免大面积翻耕、旋耕后土壤水分散发和风蚀的发生,主要是通过免耕、深松等技术代替灭茬打垄、翻耕、翻耙耕作方式,有时利用土壤中的生物作用代替机械耕作,降低了对土壤的扰动。

蚯蚓作为土壤动物中常见的种类,其活动能提高土壤养分的有效性和养分周转率。长期施用化肥会导致某些无脊椎动物(例如蚯蚓)数量的减少。Edward等人早在1982年设计了3个长期试验和2个短期试验来研究蚯蚓与无机化肥之间的关系,结果表明:无机氮施用条件下土壤中蚯蚓含量最高,远远高于对照,蚯蚓数量与无机氮肥间存在着一定的相关性(r=0.9825)。而Estevez等人指出,经过4年的玉米(Zea mays L.)——小麦(Triticum aestivum L..)——大麦(Hordeum vulgare L.)——油菜(Brassica campestris L.)轮作,N、P、K、Mg的施用对蚯蚓的影响不大。许多试验更证明,长期氮肥可导致土壤酸化、蚯蚓死亡。

核心技术

4  结论与展望

传统耕作方式动土量大,土壤失墒严重。免耕技术降低了耕作次数或强度,保持了土壤的自然结构,避免了由于耕作造成土壤水分的散失,起到保墒的作用。地表覆盖不仅可以切断地面与下层土壤的毛管联系,有效抑制土壤水分蒸发,还能有效减少地表径流和雨水的冲击,增加降水入渗土壤,减少水土流失。深松技术可以打破犁底层,储存自然降水,提高水分利用效率。可见,免耕技术、地表覆盖以及深松等保护性耕作技术通过不同途径,提高了土壤蓄水保墒功能。

有机肥的施用不但会改善土壤理化性状(降低土壤密度、增加土壤孔隙度、改善土壤的持水性等),而且有机肥的施用会为土壤动物、微生物提供养分,有利于土壤生物的生长发育。有机肥对土壤原生动物丰度具有明显的促进作用。朱新玉等的研究表明,四川盐亭地区紫色土上秸秆还田处理和有机——无机肥配施处理土壤中线虫、蚯蚓和甲螨的个体数量显著高于施用化肥处理,而秸秆还田处理线虫、蚯蚓和甲螨的总个体数量最高,有机肥的施用有助于线虫、蚯蚓和甲螨的生长发育。曹志平等在华北高产田升天系统进行不同的土壤培肥试验也得出了相似的结论:化肥投入量一定的情况下,有机物施用越多,蚯蚓生物量越大:化肥投入<化肥+麦秸还田<化肥+玉米秸麦秸还田<化肥+玉米秸麦秸还田+有机肥。有机肥的施用有利于微生物生长发育和土壤酶活性的提高。林新坚等在闽东红壤茶园的研究结果表明,单施化肥不利于微生物的生长和酶活性的提高,相比之下,有机——无机配施可以显著增加土壤微生物数量,提高土壤酶活性。王伟华等在湖南省宁乡县稻田的研究也得出相同结论:施用有机肥处理土壤微生物量、微生物群落结构和活性显著高于单施化肥处理。

深松作业:实现土壤疏松,打破犁底层,增强雨水入渗速度和数量,减少径流,减少水分蒸发。作业后使耕层土壤不乱,动土量小,特别适合于黑土层浅、不宜耕翻作业的土壤。

2 长期施用化肥对土壤微生物的影响

机械化保护性耕作的主要作用就是蓄水保墒。以吉林省为例,当地常常出现季节性干旱,特别是在西部半干旱地区,情况更为严重。在西部半干旱区秸秆覆盖与裸露栽培相比,秸秆覆盖的土壤含水量比裸露栽培高12.86%。在梨树县,应用免耕播种技术3年的地块,土壤耕层含水量较传统种植方式增加12.39%,相当于增加了50毫米降雨量;在公主岭市,玉米立茬覆盖少耕保护性耕作0—50厘米土壤含水量高于春灭茬打垄21.60%,高于秋灭茬打垄17.80%。可见,免耕、少耕、秸秆覆盖等保护性耕作可明显增加土壤含水量,起到蓄水保墒的作用。

化肥对土壤微生物的影响已经做了大量的研究。适量的氮肥施用对微生物有利,研究表明,当适量的氮肥与纤维素结合时,可以促进真菌生长;氮肥与易分解底物结合时,促进细菌生长。在一定的氮肥施用量范围内,随着施肥量的增加,作物根际微生物数量和多样性均呈增加趋势,但是超过这个范围,微生物生长受抑制,数量和多样性均呈降低趋势。侯彦林等的研究表明,氮肥施用肥土比以1∶400为界,低于这个水平时,放线菌和硝化细菌随着施氮量的增加而增加,高于这个水平时,放线菌和硝化细菌数量随着施氮量的增加显著下降,这可能与长期施用大量氮肥导致土壤酸化进而抑制微生物生长发育有关。施用化肥时间也会对土壤微生物产生影响。短期施用氮肥、磷肥对菌数和群落结构均无影响,而连续8年施用氮肥,微生物量下降了20%~30%,但微生物活性增加,连续37年施用氮、磷肥,微生物群落结构和功能均发生转变。

地面覆盖技术主要包括秸秆覆盖、留茬或残茬覆盖,作物收获后秸秆和残茬留在地表做覆盖物,是减少水土流失、抑制扬沙的有效措施。地表覆盖的作用表现在多个方面,如防止雨水冲击造成土壤板结,减缓土壤水分蒸发,保蓄土壤水分,促进土壤有机质的积累和团粒结构的形成,控制杂草,防止水土流失和风蚀,调节土壤温度等。

机械化保护性耕作能够调节土壤孔隙,改善土壤结构。传统的耕作方式使土壤板结,犁底层加厚,不利于作物根系的生长发育。玉米立茬覆盖深松保护性耕作与传统耕法比较,0—40厘米土层土壤容重和土壤硬度有降低趋势,总孔隙度增加,固相、液相、气相三相比趋于合理。秸秆覆盖技术增加0—10厘米土壤孔隙度,土壤容重比对照降低0.09—0.103克/厘米,连续两年秸秆覆盖后土壤孔隙度比常规耕作增加了13.10%—8.37%。不同的保护性耕作方法能降低土壤容重,增加土壤孔隙度,调节土壤固、液和气三相比,进而改善土壤结构,为作物的根系生长发育提供良好的土壤环境。

机械化保护性耕作具有节本增效的作用。保护性耕作方式种植的玉米可减少耕整地环节,用免耕播种可降低成本500—700元/公顷;在干旱地区,实行保护性耕作技术可以节肥、节水、节省劳力,节省能耗成本750元/公顷以上。保护性耕作技术机械一次进地完成多项作业,节省了清理秸秆、整地起垄、镇压、浇水等程序,降低了能耗成本,增加了经济效益。

5.高效益

2.地面覆盖技术

技术原理

因地制宜,科学采用机械化保护性耕作技术可以提高作物产量。在吉林省敦化市和四平市两地分别实施3年和2年保护性耕作,玉米增产均达到10%。

一般认为,翻耕的土壤经过一个生长季后会沉实变紧,通气孔隙减少,通透性变差,从而不利于作物生长。翻耕的目的在于疏松紧实的土壤,调整耕层构造,以满足作物对水、肥、气、热诸因素协调供应的要求。对潜在的肥力高、有效肥力低、质地黏重、结构性差、通透不良的土壤来说,翻耕的作用是无可置疑的。但对土壤熟化程度较高,质地较轻的地块而言,减少某些耕作措施或者采取免耕措施种植是能满足下季作物生长要求的。

综合各地区的少耕、免耕的研究和应用,无论是旱地还是水田,一定自然生产条件下,采用各种形式的少耕、免耕,基本上都遵循这一技术原理,即尽量减少耕作次数和强度,以保持土壤的自然结构。与此同时调稳了有机质的矿化过程,这是依靠环境、作物、土壤之间的相互作用,加上人为的投入或干预,使农田生态系统趋向于良性发展。

2.少裸露

少耕、免耕技术保持土壤自然结构

6.持续增产稳产

以生物松土代替机械松土

3.少污染

作用

1.少耕、免耕技术

传统耕作方式田间作业程序多、繁琐、费工、费时及投入成本高。机械保护性耕作技术可直接或间接地给农民带来经济效益。一方面,机械化保护性耕作技术简化了工序,降低作业成本,改善作物生长环境,增加了粮食产量,节省劳动力,直接增加了收入。另一方面,采用机械化保护性耕作技术后,剩余的劳动力可以外出打工,间接增加了农民收入。

4.改善土壤结构

秸秆还田作业:不仅杜绝了秸秆焚烧所造成的大气污染,还有增肥增产作用,能增加土壤有机质,改善土壤结构,使土壤疏松,孔隙度增加,促进微生物活力和作物根系的发育。

传统耕作方式秸秆不还田,肥料和农药投入量大,大量秸秆焚烧污染环境,过多的肥料和农药造成土壤和地下水污染。保护性耕作技术采用秸秆覆盖、残茬覆盖及配套水肥调控技术,降低了秸秆焚烧造成的大气污染,降低了化肥、农药用量过大对地下水和土壤的污染,起到了保护生态环境的效果。

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