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(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130102；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

0 引 言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量秸稈，全球每年大約產(chǎn)生秸稈40億t[1]，而我國每年產(chǎn)生秸稈8.4億t[2]。秸稈中富含大量碳、氮等營養(yǎng)元素，不僅是物質(zhì)和能量的載體，也是寶貴的自然資源[3]。而傳統(tǒng)性耕作中農(nóng)民為了能夠在較低成本下快速清除秸稈，在收獲期間廣泛采用焚燒秸稈的處理方式[4]。秸稈焚燒會加速土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的流失，增加碳排放，引起空氣污染，并降低土壤微生物活性[5-7]。因此，秸稈等作物殘?jiān)馁Y源化利用對提高農(nóng)業(yè)和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[8]，也是保護(hù)性耕作的重要環(huán)節(jié)。同時秸稈也是促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤物理、化學(xué)和生物循環(huán)的關(guān)鍵[9]，已被視為保證糧食安全和減少人為CO2排放的環(huán)境友好戰(zhàn)略[10]。

秸稈還田是固定土壤有機(jī)碳的有效途徑之一，同時還可以提高土壤的固碳能力，從而減緩?fù)寥烙袡C(jī)碳負(fù)平衡現(xiàn)象[11-12]。據(jù)估計(jì)，全球每年大約有0.6～1.2 Pg碳可以通過秸稈還田固定到土壤當(dāng)中，增加了土壤有機(jī)碳含量，提升了土壤地力[13-14]。Liu等[15]對基于全球176個研究結(jié)果的萃取分析得出，秸稈還田可以使有機(jī)碳含量增加12.8%。Zhao等[16]研究表明，秸稈還田可以使我國農(nóng)田土壤0～30 cm土層有機(jī)碳含量增加0.81 g·kg-1。Powlson等[17]通過秸稈添加100年后的模擬實(shí)驗(yàn)得出，土壤有機(jī)碳含量比未添加秸稈增加了20.4 t·hm-2。

土壤有機(jī)碳對秸稈還田后作物殘?bào)w的分解轉(zhuǎn)化是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及養(yǎng)分周轉(zhuǎn)平衡的一個至關(guān)重要環(huán)節(jié)[18-19]，秸稈還田后的分解轉(zhuǎn)化過程會直接影響土壤碳氮含量，并導(dǎo)致土壤物理行為和功能的變化。秸稈自身特性(秸稈化學(xué)組成)、秸稈還田方式(覆蓋地表和翻埋還田)及還田作物秸稈類型等都會影響土壤有機(jī)碳對秸稈還田的響應(yīng)，而且不同氣候條件和不同土壤類型下其效應(yīng)也會不同，甚至出現(xiàn)相反的響應(yīng)[20-21]。因此，探明秸稈還田在土壤中的分解轉(zhuǎn)化特征以及影響因素，對了解碳周轉(zhuǎn)規(guī)律、促進(jìn)農(nóng)業(yè)管理和生產(chǎn)，以及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

1 秸稈還田后土壤碳的周轉(zhuǎn)特征及研究方法

土壤碳庫主要包含無機(jī)碳和有機(jī)碳兩部分。碳酸鹽是土壤無機(jī)碳的主要成分，能夠在土壤中穩(wěn)定存在，因此很少參與碳循環(huán)過程。土壤有機(jī)碳主要來源于動植物及微生物殘?bào)w、排泄分泌物、土壤腐殖質(zhì)以及人為施加的有機(jī)物料[22-23]?；钚杂袡C(jī)碳(LOC)是土壤有機(jī)碳的重要組成部分，它可以反應(yīng)土壤的微小變化，又直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，同時也是微生物活動的能源和動力[24]。許多研究表明，秸稈還田可以增加土壤有機(jī)碳含量，但對土壤有機(jī)碳不同組分會產(chǎn)生不同效應(yīng)。周歡等[25]通過在黃土高原旱作農(nóng)田進(jìn)行玉米秸稈還田的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可以顯著增加總有機(jī)碳(TOC)和LOC的含量。李琳等[26]通過雙季稻區(qū)保護(hù)性耕作試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈還田后可以同時增加TOC和LOC含量。陳尚洪等[27]在四川盆地兩種不同母質(zhì)的土壤上進(jìn)行4年定位試驗(yàn)研究，也得到水稻秸稈還田不僅可以提高TOC含量，還增加LOC含量。有的學(xué)者通過進(jìn)一步研究證明，秸稈還田不僅可以增加土壤LOC的含量，而且與還田量呈正相關(guān)關(guān)系[28]。Riffaldi等[29]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可以增加土壤溶解性有機(jī)碳(DOC)含量。

農(nóng)田土壤有機(jī)碳變化主要由輸入和輸出有機(jī)碳的相對關(guān)系來決定，即有機(jī)物質(zhì)的分解礦化損失和腐殖化、團(tuán)聚作用累積的動態(tài)平衡[30]。秸稈還田后，一部分被土壤微生物分解轉(zhuǎn)化成簡單無機(jī)物(例如CO2、碳酸鹽等)，稱為礦化過程；或者是先被土壤微生物分解成簡單化合物，然后同微生物生命活動產(chǎn)物(例如：氨基酸、肽等)形成一類分子量大、無定形的聚合產(chǎn)物，稱為腐殖化過程。而這一類大分子物質(zhì)因難以降解，成為了土壤有機(jī)碳的主要組成部分。因此，腐殖質(zhì)成為衡量土壤有機(jī)質(zhì)含量和穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。秸稈含有的木質(zhì)素、纖維素等難降解的大分子物質(zhì)，大部分被降解轉(zhuǎn)化成為富里酸(FA)、胡敏酸(HA)，從而對土壤原有腐殖質(zhì)組分進(jìn)行更新，形成新的土壤腐殖質(zhì)[31]。小麥玉米秸稈還田配施化肥處理，可以增加HA、FA含量，使HA/FA的值增加，提高腐殖質(zhì)含量[32]。曾木祥等[33]通過研究稻草還田量對土壤腐殖質(zhì)含量發(fā)現(xiàn)，隨著還田量增加，F(xiàn)A和腐殖酸的含量也相應(yīng)增加。但萬曉曉等[34]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田之后，會增加腐殖質(zhì)和HA的含碳量，卻使HA的含量降低、HA/FA的值減小。

土壤微生物在很大程度上決定著土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和能量流動，能敏感地反映氣候以及土壤微生態(tài)環(huán)境的變化，較早指示土壤有機(jī)質(zhì)的變化[35]。而且，還可以通過調(diào)節(jié)土壤環(huán)境，維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和土壤的可持續(xù)利用[36-37]。而秸稈還田后,由于添加了外源有機(jī)物質(zhì)，會促進(jìn)大量的微生物生長繁殖,形成土壤微生物活動層,加速了對秸稈中有機(jī)態(tài)養(yǎng)分的分解釋放,可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[11,38]。張紅等[39]研究表明，不同秸稈腐解的程度與土壤微生物群落優(yōu)勢度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，分解速率也受土壤微生物的影響。

土壤有機(jī)碳分解轉(zhuǎn)化研究方法，主要可以分為兩類：常規(guī)方法和同位素示蹤法。常規(guī)方法主要是常觀測定實(shí)驗(yàn)小區(qū)和對照小區(qū)土壤有機(jī)碳含量的變化，以及這些小區(qū)中各種有機(jī)組分碳含量的差異。該方法的不足在于無法準(zhǔn)確測定短時間內(nèi)土壤有機(jī)碳的變化。原因是土壤有機(jī)碳背景值比較高，對土地管理方式等外在因素變化反應(yīng)不夠靈敏，會出現(xiàn)一定的滯后性，因此無法測定短期內(nèi)的影響。同位素示蹤法是一種常被用于測定土壤有機(jī)質(zhì)組分轉(zhuǎn)化速率的有效方法。主要包括：放射性同位素示蹤法(一般用同位素14C標(biāo)記)、穩(wěn)定性同位素示蹤法(一般是用同位素13C標(biāo)記)。14C同位素示蹤法可用于監(jiān)測14C均勻標(biāo)記的有機(jī)物質(zhì)在土壤中的轉(zhuǎn)化及其分解產(chǎn)物，研究14C-HA、FA參與的轉(zhuǎn)化過程[30]。王志明等[40]通過14C同位素示蹤研究秸稈在稻麥輪作系統(tǒng)中的分解轉(zhuǎn)化過程，表明秸稈還田能夠加速土壤微生物碳(MBC)的周轉(zhuǎn)，使土壤原有機(jī)碳分解速率以及分解量增加，從而使有機(jī)碳含量減少。大量學(xué)者利用13C自然豐度法研究有機(jī)碳來源及其周轉(zhuǎn)速率[30]。竇森等[41]通過720 d室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，利用13C穩(wěn)定同位素示蹤法研究玉米秸稈腐解對土壤有機(jī)質(zhì)變化時發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈以及原土有機(jī)碳含量均減少，同時后者的降解速率較低；與新形成的FA、HA的相互轉(zhuǎn)化速度相比，原土有機(jī)質(zhì)的HA、FA的轉(zhuǎn)化速度更慢。Doane等[42]通過對比兩種不同耕作方式下玉米農(nóng)田土壤腐殖質(zhì)的3種主要組分含量的差異，研究表明，土壤中的有機(jī)質(zhì)含量處于動態(tài)變化之中，且對外部輸入的有機(jī)質(zhì)變化有靈敏的響應(yīng)，同時也證明腐殖質(zhì)的3種組分在碳循環(huán)中起到了不同作用。

總體來說，秸稈還田不僅增加土壤表層的TOC含量，還增加土壤LOC含量，促進(jìn)土壤碳循環(huán)，而且還增加了土壤微生物的生命活動，更進(jìn)一步地促進(jìn)秸稈中養(yǎng)分的分解釋放，增加土壤肥力。

2 秸稈質(zhì)量及還田方式對土壤有機(jī)碳的影響

2.1 不同類型還田作物

由于不同作物秸稈化學(xué)組成不同，導(dǎo)致在相同土壤條件中分解時，可能表現(xiàn)出不同行為，從而對有機(jī)碳的固定產(chǎn)生很大影響[43]。從元素組成來看，作物秸稈主要由碳(C)、氮(N)、磷(P)及鉀(K)等營養(yǎng)元素構(gòu)成，不同作物秸稈的各元素含量會有所不同。腐解前期，C/N值低、體積小的作物秸稈分解占主導(dǎo)地位；腐解后期，C/N值比高、體積小的秸稈會加速分解[39]。因此，作物秸稈C/N值是植物殘?bào)w礦化速率的主要影響因素[44]。從物質(zhì)組成來看，作物秸稈主要由木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等營養(yǎng)物質(zhì)構(gòu)成[25,45]，共同組成植物體的骨架[46]。三者的總量大約占秸稈總量的80%以上，其中木質(zhì)素含量為15%～20%[47]。而木質(zhì)素是一種天然有機(jī)高分子化合物，由苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，具有三維空間結(jié)構(gòu)，與其他組分相比，更難被微生物降解[48]，因此，木質(zhì)素含量高的作物秸稈其分解速度較慢[49]。了解作物秸稈在分解過程中化學(xué)成分的變化對闡明秸稈還田對土壤碳固定和營養(yǎng)循環(huán)的影響機(jī)制至關(guān)重要。在對煙草田土壤碳氮養(yǎng)分供應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)，分別添加1%玉米秸稈、煙草秸稈、水稻秸稈及水稻秸稈生物炭后，有機(jī)碳礦化速率與對照相比均有所提高，其中有機(jī)碳礦化速率最大的是玉米秸稈；而有機(jī)氮礦化速率隨著還田時間增加，呈現(xiàn)出先減少后增加，最后趨于平衡的規(guī)律[50]。但也存在不同的研究結(jié)論，魯耀等[51]認(rèn)為玉米秸稈在土壤中分解速率最慢。不同秸稈還田后，分解速率也存在差異，小麥秸稈還田后，分解速率最快；同時與水稻、油菜秸稈相比，釋放出的氮含量最高[52]。主要是因?yàn)樾←溄斩捴心举|(zhì)素的含量較低，易于分解。因此，相比玉米秸稈還田，添加小麥秸稈后土壤TOC及LOC均有顯著增加[53-54]。

2.2 不同秸稈部位還田

由于同一作物不同部位生長環(huán)境存在差異，其物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分就存在很大不同[55]，因此還田后會對土壤產(chǎn)生不同效應(yīng)。玉米根茬還田后，土壤微生物量碳、氮含量均低于秸稈還田[56]。主要是由于根部木質(zhì)素/氮高于秸稈的木質(zhì)素/氮，不利于土壤微生物量的增加和碳氮循環(huán)。劉四義等[57]通過探究秸稈不同部位還田對微生物量的影響，也證明木質(zhì)素與全氮含量的比值能夠更好地說明秸稈分解以及有機(jī)碳固定的差異。由于木質(zhì)素含量：根>莖>葉[58]，因此根部礦化分解主要受木質(zhì)素含量的影響。但是，Shahbaz等[59]研究表明，添加低濃度水平的有機(jī)物料，根部的礦化程度同莖和葉相似；高水平濃度下，根部礦化程度才會降低。說明保證秸稈還田量一定的條件下，根部的木質(zhì)素含量才會成為秸稈腐解的主要受限因素。

2.3 秸稈還田量

不同數(shù)量的秸稈還田均促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)含量增加，提高土壤肥力，主要是因?yàn)榻斩掃€田為微生物的生長繁殖提供物質(zhì)基礎(chǔ)，增加微生物的數(shù)量以及活性，從而加速秸稈分解，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。高粱秸稈還田量為6 390 kg·hm-2時，土壤有機(jī)碳、全氮含量達(dá)到最大[60]。袁曉明等[61]研究表明，全量還田較半量還田相比，有機(jī)質(zhì)含量提升效果更好，提升率達(dá)10%以上。還有研究表明，秸稈50%還田量對0～10 cm土層的土壤有機(jī)碳含量影響不大，但200%還田量顯著增加了土壤有機(jī)碳含量，與對照相比增加了49%[62]。秸稈還田能使土壤全氮、堿解氮含量增加，隨還田量的增加而幅度加大[63-64]。大多數(shù)研究表明，在適宜范圍內(nèi)，土壤有機(jī)碳含量會隨秸稈還田量增加而增加。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)含量會隨秸稈還田量的增加，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。胡乃娟等[65]認(rèn)為，稻麥兩季連續(xù)半量還田顯著增加TOC和MBC含量，而DOC、易氧化有機(jī)碳含量在25%秸稈還田量處理下達(dá)到峰值，與秸稈全部還田相比，50%或25%秸稈還田顯著提高了土壤有機(jī)碳含量。

2.4 秸稈還田方式

大多數(shù)研究主要針對于秸稈直接還田(覆蓋還田、深埋還田)對土壤有機(jī)碳、氮循環(huán)產(chǎn)生的影響。不同還田方式使得秸稈位于土壤層的位置有所差別，由于不同土壤層的自然條件不同，從而導(dǎo)致微生物種群多樣性以及秸稈腐解速率的不同[66-67]。秸稈翻壓還田的有機(jī)質(zhì)含量要高于秸稈覆蓋還田[68]，可能是因?yàn)榻斩挿瓑哼€田降低土壤容重，提高土壤的通氣性和改變土壤水分狀況，增加土壤含水量，提高微生物活性，從而加速秸稈分解[69]。秸稈不同土層還田對有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的影響也并不一致，董珊珊等[70]通過研究玉米秸稈不同還田方式對土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈淺施可以使土壤表層(0～20 cm)的有機(jī)碳及腐殖質(zhì)(FA、HA和胡敏素)含量增加，秸稈深還增加土壤亞表層(20～40 cm)有機(jī)碳及腐殖質(zhì)含量。同時，秸稈粉碎還田處理對土壤有機(jī)質(zhì)積累有明顯的作用，主要是由于粉碎秸稈施入田中，可以和土壤充分混合，加速微生物對秸稈的分解[71]。除此之外，近些年有許多關(guān)于秸稈配施氮肥還田的研究，證明該措施可以在一定程度上增加有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤肥力。秸稈配施氮肥還田可以顯著增加腐殖質(zhì)含量(HA、FA)[72]。特別是兩季秸稈還田配施氮肥可以通過增加芳香族化合物，提高腐殖質(zhì)活性，從而增加有機(jī)碳含量[32]。主要的原因是秸稈還田使土壤C/N迅速增加，導(dǎo)致C/N短暫失衡，因此添加適當(dāng)?shù)士梢跃徑獾厝笔В档臀⑸飳Φ氐墓潭ú⒗陴B(yǎng)分釋放。然而，也有一些國外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)物料和氮肥的長期輸入，可能不會促進(jìn)土壤有機(jī)碳的固定[73-76]。

3 展 望

近年來，關(guān)于秸稈還田可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、促進(jìn)土壤碳循環(huán)的研究涉及的方面非常廣，而且也取得了一定的進(jìn)展，但是仍存在許多不足，需要進(jìn)一步研究。如：秸稈還田在一定程度上會打破土壤生態(tài)系統(tǒng)原有的碳動態(tài)平衡，在微生物的作用下，與土壤物質(zhì)結(jié)合成為新的有機(jī)質(zhì)，而新的有機(jī)質(zhì)進(jìn)入土壤后對土壤碳周轉(zhuǎn)、穩(wěn)定和更新產(chǎn)生的影響并沒有太多的研究；秸稈還田對提高土壤碳含量以及礦化具有顯著影響，但是同土壤原有有機(jī)碳礦化的關(guān)系也有待進(jìn)一步研究。許多研究表明，秸稈還田可以增加土壤微生物的數(shù)量，但是對其活性和多樣性的影響并不是很明確，需要進(jìn)一步探明；對于目前秸稈還田的研究，主要集中于對土壤有機(jī)碳總量的影響，而還田后對土壤有機(jī)碳的化學(xué)組成和物理結(jié)構(gòu)變化特征的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。同時就產(chǎn)生的長期效應(yīng)而言，秸稈還田大多表現(xiàn)為對土壤碳周轉(zhuǎn)的積極效應(yīng)，而造成的短期效應(yīng)大多體現(xiàn)為沒有影響或者為負(fù)效應(yīng)。主要原因是秸稈還田的初期可能會降低微生物利用碳源的能力，因此土壤微生物對有機(jī)碳、氮循環(huán)的影響也成為關(guān)注的問題之一。

秸稈還田作為保護(hù)性耕作的重要組成部分，不僅優(yōu)化了當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，還減少了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對化肥、農(nóng)藥的依賴，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有利條件，是一項(xiàng)可以全面推廣的有效措施。秸稈分解后，增加了土壤養(yǎng)分和土壤碳庫儲量，同時促進(jìn)了土壤微生物生長繁殖，從而改善微生物群落結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了土壤酶活性，更好地保持了土壤適宜的溫度和水分含量，使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤結(jié)構(gòu)和肥力水平得到穩(wěn)步提升。因此，從秸稈自身?xiàng)l件以及土壤環(huán)境出發(fā)，研究秸稈分解轉(zhuǎn)化對土壤碳、氮固定的影響對我國農(nóng)業(yè)有效發(fā)展具有很重要的意義，也成為秸稈還田研究領(lǐng)域的重點(diǎn)方向之一。但是由于不同還田措施會對土壤碳周轉(zhuǎn)產(chǎn)生不同效應(yīng)，綜合土壤類型、作物類型及氣候條件等不同條件，選擇一種適宜的秸稈還田方式顯得尤為重要。