羅友進　王武　余端　胡佳羽　程玥晴　陳霞　謝永紅

摘要：土壤壓實改變了土壤的物理屬性，從而對土壤化學屬性、生物性狀等產生影響。對國內外關于土壤壓實對土壤物質生化循環(huán)、生態(tài)效應研究進行了回顧，重點闡述了土壤壓實對土壤碳氮循環(huán)的影響，并對下一步的研究方向進行了展望。

關鍵詞：土壤壓實；生化循環(huán)；生態(tài)效應

中圖分類號： S154.1文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）02-0317-03

收稿日期：2013-06-04

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2013BAJ10B07-04B）。

作者簡介：羅友進（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。土壤是一個復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。土壤壓實是指土壤顆粒重新排列達到更緊密結合、降低孔隙度、增加密度的過程。土壤壓實會引起土壤物理屬性的改變，進一步對土壤化學屬性、土壤生物性狀以及植物生長產生影響。只有在極少數情況下，輕微的土壤壓實會對土壤性質、生產性能產生正面影響[1]，絕大多數都是負面影響。在耕作土壤中，機械壓實主要集中于土壤表層，隨著農業(yè)機械化的發(fā)展，耕作機械的牽引力、載重逐漸增加，壓實作用也隨之增加，從而對心土層土壤產生影響。心土層壓實后難以恢復[2]。土壤機械壓實問題若得不到解決，土壤環(huán)境將遭到嚴重破壞，農田生產力嚴重下降，從而對農業(yè)可持續(xù)發(fā)展產生影響。土壤機械壓實對農業(yè)的主要危害表現為土壤密度增加、通氣孔隙減少、水滲透能力降低，從而對土壤生化屬性、生物多樣性產生影響，進而導致作物生長受阻、產量降低、土壤環(huán)境遭到破壞[3]。近年來，不少學者對土壤機械壓實的誘因、特征、危害以及消除或避免措施進行了大量研究[3-5]。本研究對國內外有關機械壓實對土壤生化屬性、生態(tài)環(huán)境的影響研究進行了歸納，旨在為我國土壤機械壓實研究提供參考。

1土壤物理屬性

在農機重力、剪切力的作用下，土壤大孔隙、充氣孔隙逐漸減少，團聚體相互靠近，甚至發(fā)生變形，土壤密度明顯增加。經耕作機械壓實后，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，導致水土流失加劇。目前，土壤壓實已成為農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，導致土壤水分減少[7]。土壤壓實后，充氣孔隙明顯減少，氣體擴散率下降，進而影響土壤溶液流動。土壤嚴重壓實后，土壤通氣大孔隙降為3%以下，團聚體相互靠近并發(fā)生摩擦，穩(wěn)定性明顯降低，土壤環(huán)境質量下降。Nadian等在作物收獲前測定土壤空氣中的氧氣含量，壓實土壤為10%，未壓實土壤為18%[8]。在寒溫帶地區(qū)，壓實土壤中表層土壤白天地溫均較未壓實的低。總之，機械壓實對土壤物理屬性的影響主要表現為土壤密度增大，土壤孔隙度、通氣性下降，水滲透能力下降等，從而對土壤物質循環(huán)、抗侵蝕性能、生態(tài)環(huán)境產生影響，進而影響作物生長。

2土壤生化循環(huán)

2.1還原性

土壤壓實導致土壤物理屬性發(fā)生改變，如土壤水分滲透率、通氣性降低，進而影響著土壤化學屬性。土壤壓實會導致土壤中氧氣擴散速度下降，當土壤氧氣消耗快于擴散時，土壤趨于缺氧環(huán)境[9]。拖拉機及其牽引的機具在農田行走作業(yè)時，輪胎及機具對土壤產生碾壓作用，導致土壤水分滲透率下降。壓實土壤中，地表水滯留以及厭氧環(huán)境降低了土壤溶液的還原勢，形成還原性鐵，增加了土壤溶液中氫氧化鐵含量，從而形成復雜的含鐵化合物，可以在壓實土壤中看到含鐵礦物如纖鐵礦。Herbauts等研究發(fā)現，經過采伐作業(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，有機碳、氮的礦化過程都受到土壤壓實的影響。Jensen等認為，土壤呼吸或氮礦化對土壤壓實的敏感性要優(yōu)于土壤物理屬性[11]。Tan等對北方森林土壤壓實現象研究發(fā)現，壓實作用影響土壤中碳、氮等礦質元素的礦化[12]。室內模擬試驗發(fā)現，將沙壤土壓實，其土壤密度從 1.1 g/cm3 升至1.5 g/cm3，9個月后，土壤中有機碳礦化速度、凈硝化速率明顯下降。Pengthamkeeratia等通過田間試驗、室內模擬試驗發(fā)現，適度的壓實會增加土壤總有機碳含量，增強轉化酶活性，降低可溶性碳含量[13]。盧偉等調查采伐方式對土壤理化性質影響發(fā)現，表層土壤pH值增大，有機質、氮素含量增加，可溶性FeO含量明顯下降[14]。土壤壓實最明顯的后果是土壤排放CO2量減少。Jensen等研究發(fā)現，土壤壓實后土壤呼吸強度下降了57%～69%，但是由于使用機械翻耕會消耗化石燃料從而產生更多的CO2，因此，土壤壓實最終會導致更多的CO2排放[11]。同時，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系并不密切，只有當其受到壓實，90%以上的土壤孔隙充滿水時，CO2排放量才會顯著下降[15]。壓實導致土壤趨于厭氧環(huán)境，土壤中產甲烷細菌數量增加，甲烷營養(yǎng)細菌數量減少，土壤產甲烷速率明顯高于其氧化速率。土壤壓實同時也會增強土壤反硝化作用過程，使得N2O排放量增加。由土壤壓實引起N2O排放的增加量要遠遠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，當壓實土壤回潤時，其N2O產生速率最高。Sitaula等研究發(fā)現，與不施肥的土壤相比，在施用氮、磷、鉀肥的土壤中，由壓實導致的N2O排放量增加了3倍，但室內模擬表明，這種效應并非永久[16]。Uchida等研究了壓實與團聚體粒徑大小對土壤N2O排放量的影響，結果表明，在施用牛糞肥培養(yǎng)試驗中，粒徑為0～1 mm團聚體在土壤壓實最強時N2O排放量最大[17]。事實上，在土壤中，不論是硝化作用還是反硝化作用都會產生N2O，在同一土壤團聚體中也可能同時存在著硝化、反硝化反應。土壤壓實導致土壤含水量增加，從而增強土壤的反硝化作用[18]。Soane等研究指出，土壤壓實使得土壤反硝化作用以及N2O排放量增加4～5倍。在壓實土壤中同時也導致土壤向大氣排放N2O過程受阻[19]。Ball等通過研究壓實土壤在降雨條件下土壤N2O排放量情況，發(fā)現施用氮肥之后，與未壓實土壤相比，降雨使得壓實土壤中N2O的排放量明顯增加[20]。Bessou等嘗試模擬土壤壓實后N2O的排放量，但其得到的模型不能用于模擬種植周期[21]。土壤壓實導致土壤水含量增加、反硝化過程增強、減少了NOx的排放，同時增強氨的揮發(fā)。

3土壤生物

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

4土壤生態(tài)環(huán)境

區(qū)域土壤壓實不僅影響土壤本身，同時也影響區(qū)域環(huán)境。在一些土壤中由于提高了機械翻耕效率，也會起到節(jié)能的效果[29]。厭氧環(huán)境下，除草劑降解速率會降低，最終導致其進入地下水或蓄水層[30]。同時，導水性能下降也會降低水體下滲速度。在陡坡上，土壤壓實會導致其徑流增加，最終導致土壤流失嚴重[31]。此外，在泥漿區(qū)域，徑流增加會導致進入水體的泥漿增加，使得水體含氧量下降，影響水生植物生長。在沙土等土壤中，土壤壓實提高了土壤強度、侵蝕度，在徑流量相同的情況下，土壤流失量會減少。因此，土壤壓實所引起土壤物理屬性的改變對環(huán)境是否呈正效應，主要取決于土壤的物理性狀、環(huán)境條件[32]。

5結論

隨著農業(yè)機械化發(fā)展，農業(yè)機械壓實已成為現代農業(yè)發(fā)展過程中無法回避的問題。只有首先弄清壓實危害及其產生的原因，才能為避免或減輕土壤機械壓實提供依據，避免土壤資源被破壞。目前我國主要農業(yè)種植區(qū)已基本實現機械化耕作，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，農業(yè)機械化水平仍然較低。西南丘陵山區(qū)土地整治、土地復墾等工程的開展，為實現農業(yè)機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)域嚴重，如何避免或減輕農業(yè)機械化壓實帶來的危害是該區(qū)域實施機械化耕作所必須面對的問題?，F今普遍采用的保護性耕作如“少耕法”“免耕法”是減少耕作次數、有效降低或避免機械壓實的措施之一。

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