秸稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的研究進(jìn)展

于美婷，李春雅，李華泰，劉長(zhǎng)莉

(東北林業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

秸稈還田對(duì)保護(hù)土壤資源有很大益處，不僅促進(jìn)碳素回歸土壤，減少溫室氣體排放，改善土壤理化性質(zhì)，提升耕地質(zhì)量和土壤生產(chǎn)力；還可以使秸稈中含有的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)返還到土壤中，補(bǔ)償作物的吸收，促進(jìn)養(yǎng)分平衡[1]。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，現(xiàn)年秸稈總量已超過(guò)9億t[2]，相當(dāng)于N 776.8萬(wàn)t、P2O5221.34萬(wàn)t、K2O 1258.2萬(wàn)t，若將這些秸稈全量還田，相當(dāng)于化肥用量的38.4%(N)、18.9%(P2O5)、85.5%(K2O)[3]。但我國(guó)并未將秸稈全量還田轉(zhuǎn)化為土壤所需的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，秸稈還田率僅為54.6%[4]，尤其在東北地區(qū)，平均溫度低，加之秸稈還田技術(shù)粗放，還田率更低，極不利于黑土資源保護(hù)與地力恢復(fù)。而且東北是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，秸稈產(chǎn)量巨大，秸稈綜合利用任務(wù)艱巨，亟待國(guó)家政策幫扶和科研攻關(guān)提高秸稈還田率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)循環(huán)發(fā)展。

1 秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

土壤有機(jī)碳調(diào)節(jié)著土壤水、肥、氣、熱等因素，調(diào)控土壤中生化反應(yīng)，在作物增產(chǎn)、恢復(fù)土壤肥力方面具有重要作用[5]。秸稈中富含有機(jī)物，還田能帶來(lái)大量新鮮碳源[6-7]。而且秸稈中含碳物質(zhì)在土壤中的轉(zhuǎn)化和分布會(huì)直接影響土壤有機(jī)碳的組成和含量，進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分循環(huán)[8]。

團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量隨團(tuán)聚體粒徑的增大呈先降低后升高的趨勢(shì)[9]。土壤中的有機(jī)碳主要分布在<0.53 mm的土壤團(tuán)聚體上。Song等在上海的研究證明，秸稈還田比保護(hù)性耕作在底土中產(chǎn)生更多的團(tuán)聚體碳。免耕結(jié)合秸稈還田對(duì)表層土壤中大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體的保碳能力最高[10]。Huang等在西南大學(xué)的研究證明，在旱地施用油菜秸稈和水稻秸稈，能提高大團(tuán)聚體(>0.25 mm)和小團(tuán)聚體(0.053～0.25 mm)的含量和穩(wěn)定性，進(jìn)而增加土壤有機(jī)碳含量。已有學(xué)者指出這是由于秸稈在分解過(guò)程中可提供有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，促進(jìn)團(tuán)聚體的形成，同時(shí)秸稈分解轉(zhuǎn)化成的有機(jī)質(zhì)直接或間接地促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的生長(zhǎng)[11-12]。王興等人的研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期秸稈還田增加0～10 cm土層中大團(tuán)聚體比重。總體來(lái)看，稻田土壤團(tuán)聚體以>2 mm粒徑為主(占35.02%～64.44%)，其中碳、氮貢獻(xiàn)率分別達(dá)52.12%和52.16%；秸稈還田有利于微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化，外源碳、氮更多被大團(tuán)聚體固持和保護(hù)[13]。

有學(xué)者通過(guò)秸稈粉碎鋪于溝槽還田研究對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響，證明了在耕作處理相同的條件下，還田主要增加了0～20 cm土層中大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量，且隨土層深度的增加而減少，秸稈還田處理各土層的團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)均有所提高，在0～10 cm和10～20 cm土層達(dá)到顯著水平(P<0.05)。最新研究表明，秸稈還田能提高0～20 cm和20～40 cm土層中土壤有機(jī)碳和可溶性有機(jī)碳含量，但增加幅度隨著還田后時(shí)間的延長(zhǎng)而降低[14]。

由于秸稈還田，土壤表層積累大量秸稈殘?bào)w，為微生物生命活動(dòng)提供了充足的能量，促進(jìn)了土壤表層的生物活性，有利于在團(tuán)聚體內(nèi)部形成有機(jī)質(zhì)[12]。并使土壤中微生物源碳、溶解性有機(jī)碳含量一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生變化[15]。各處理各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均隨著土層深度的增加而減少，說(shuō)明秸稈轉(zhuǎn)化有機(jī)質(zhì)與氧氣含量、土壤微生物數(shù)量密切相關(guān)。Muhammad等[16]在德國(guó)的研究表明，秸稈還田提高土壤呼吸的同時(shí)會(huì)造成碳素虧損。提示長(zhǎng)期秸稈還田才能使土壤指標(biāo)更穩(wěn)定，秸稈還田第2年是有機(jī)碳的主要積累時(shí)期，且土壤有機(jī)碳受秸稈倍量的影響更大。

秸稈配合無(wú)機(jī)肥料還田對(duì)土壤碳固率有積極影響。在較高的有機(jī)碳密度下，施用無(wú)機(jī)肥加秸稈還田處理的土壤固碳率(CSR)高于單純施用無(wú)機(jī)肥處理[17]。且秸稈還田處理的土壤固存率與秸稈碳年投入量呈高度正相關(guān)。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量對(duì)秸稈還田的響應(yīng)大于單獨(dú)使用礦物肥料的響應(yīng)。此外，處理的初始有機(jī)碳儲(chǔ)量和有機(jī)碳固存率呈高度負(fù)相關(guān)。這些研究都說(shuō)明秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳的影響受到肥料管理、耕作制度、土壤類(lèi)型、持續(xù)時(shí)間和初始有機(jī)碳含量的影響[18]。

2 秸稈還田對(duì)土壤氮含量的影響

秸稈中的有機(jī)氮是土壤氮源的一個(gè)重要來(lái)源，秸稈還田對(duì)土壤氮素的影響取決于秸稈還田的類(lèi)型和數(shù)量。對(duì)土壤性質(zhì)初步分析表明，秸稈還田處理的土壤總氮含量高于未還田土壤[19]。

董林林等在江蘇的研究指出，輕組有機(jī)質(zhì)氮對(duì)秸稈還田較為敏感，重組氮相對(duì)穩(wěn)定，是維持土壤肥力的關(guān)鍵組分。隨著秸稈還田時(shí)間的延長(zhǎng)，總氮與不同氮素組分之間的關(guān)系發(fā)生了變化[20]，因?yàn)榻斩捴械牡行п尫诺酵寥乐校嬖谛问桨l(fā)生變化，有機(jī)氮礦化并促進(jìn)了固定氮的轉(zhuǎn)化。更利于恢復(fù)土壤生產(chǎn)力。在不同秸稈還田方式對(duì)土壤氮的影響研究中表明，0～20 cm土層的全氮含量要比20～50 cm土層的含量要高，說(shuō)明全氮的含量主要集中在作物的根系層[21]。

Yang等在北京的研究證明，在小麥季，半還田和全還田在減少90 cm深度土壤硝態(tài)氮流失方面優(yōu)于常規(guī)不還田施肥管理[22]。吳立鵬等對(duì)稻田秸稈還田的研究表明，與未秸稈還田的處理相比，秸稈還田增加了水稻成熟期土壤硝態(tài)氮含量(P<0.05)[23]。基于這樣的現(xiàn)象有研究表明，秸稈還田后，一方面，土壤容重降低，土壤孔隙度增加，土壤通透性增強(qiáng)，有利于氮的硝化，使NH4+轉(zhuǎn)化為NO3-；另一方面，氮肥用量也是影響稻田土壤中銨態(tài)氮含量的重要因素。將秸稈還田釋放的氮素作為水稻整個(gè)生育期總供氮量的一部分，可相應(yīng)地調(diào)減氮肥投入量，因而也相應(yīng)降低了土壤銨態(tài)氮含量[24]。

秸稈分別結(jié)合纖維素降解菌和復(fù)合菌還田3年后，從土壤氮含量平均值來(lái)看，復(fù)合菌處理土壤全氮含量最高，分別比纖維素分解菌處理和對(duì)照氮含量提高2.94%和4.79%，其中纖維素分解菌處理比對(duì)照提高1.79%，這是因?yàn)槲⑸飶?fù)合菌劑提高了秸稈降解速度使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)加速返還土壤。秸稈還田使土壤微生物多樣性更豐富、酶種類(lèi)更豐富，有利于秸稈迅速轉(zhuǎn)化。秸稈配施復(fù)合菌劑還田，一方面，為好氧或兼性的自生固氮菌提供碳源，促進(jìn)土壤的固氮作用；另一方面，豐富的碳源有利于固氮菌將空氣中氮源轉(zhuǎn)化為氨氣促進(jìn)土壤中氮含量的增加[25]。

人們普遍認(rèn)為將農(nóng)田地上部分還田可以維持或增加土壤碳儲(chǔ)量，而Xia等的研究證明，自然界中碳和氮的生物地球化學(xué)循環(huán)緊密耦合，秸稈還田也可能影響土壤反應(yīng)性氮(Nr)損失，但這些影響仍不確定，特別是秸稈還田條件下土壤固碳與Nr損失之間的相互作用有待深入研究。氧化亞氮(N2O)排放形式的Nr損失減少，稻田(17.3%)、氮淋溶(8.7%)和徑流(25.6%)，這主要是由于增強(qiáng)了微生物氮固定化。然而，秸稈還田后，農(nóng)田N2O排放量(21.5%)和氨氮排放量(17.0%)增加，這主要是由于硝化/反硝化作用和土壤脲酶活動(dòng)總結(jié)的緣故。NH3和N2O排放量的增加與秸稈C/N比和土壤黏粒含量呈負(fù)相關(guān)。秸稈還田后土壤有機(jī)碳含量的增加與氮素淋失和徑流的減少呈正相關(guān)。然而，在全球范圍內(nèi)，秸稈還田增加了稻田和旱地的凈Nr損失，這是由于對(duì)NH3排放的刺激大于對(duì)氮淋失和徑流的減少。凈Nr損失的增加與土壤碳固存之間的權(quán)衡強(qiáng)調(diào)了合理管理秸稈還田以限制NH3排放而不降低相關(guān)碳固存潛力的重要性[26]。由此可見(jiàn)，秸稈還田對(duì)碳含量和氮含量的影響也可能顧此失彼，但不同研究得出的結(jié)論不盡相同，秸稈還田對(duì)土壤的影響受到很多其他因素的調(diào)節(jié)，不是一成不變的。

3 秸稈還田對(duì)土壤微生物多樣性的影響

秸稈還田對(duì)土壤微生物群落多樣性增加的效果是顯著的，有研究表明[27]，秸稈分解后的有機(jī)質(zhì)可促進(jìn)土壤細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量增加2～6倍。秸稈還田配合施用磷肥與單純施用磷肥相比，細(xì)菌豐富度提高63.6%，物種多樣性Shannon指數(shù)提高27.9%[28]，其中纖維素降解細(xì)菌數(shù)量增加了84%，土壤中的Streptomycetaceae、Flavobacterium、Sphingobium相對(duì)豐度明顯多于秸稈不還田處理土壤，說(shuō)明秸稈是否還田影響了土壤纖維素降解細(xì)菌的多樣性[29]。定量PCR和高通量測(cè)序深入解析秸稈還田對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈還田改變了變形桿菌和氯氟立克次體的垂直分布。Yu等的加權(quán)均勻矩陣的主坐標(biāo)分析顯示，秸稈還田處理土層5～25 cm深度的細(xì)菌群落有中度分離，但土層25～45 cm深度處無(wú)顯著區(qū)別[30]。分析認(rèn)為，積累于土表的秸稈能刺激土壤微生物活性，能利用秸稈生長(zhǎng)代謝的微生物成為新的優(yōu)勢(shì)菌種[31-33]。秸稈有機(jī)質(zhì)還田還顯著增加0～20 cm土層中大團(tuán)聚體中的關(guān)節(jié)孢菌和20～40 cm土壤中大團(tuán)聚體中的脈孢菌等微生物數(shù)量。真菌菌絲對(duì)于改善土壤質(zhì)量和與植物共生生長(zhǎng)也很重要[34]。此外，秸稈還田降低了病原真菌(Alternara屬)的數(shù)量，減少土壤病害風(fēng)險(xiǎn)，主要原因是能在數(shù)量和結(jié)構(gòu)上為土壤微生物群落的健康發(fā)展提供了適宜的養(yǎng)分和鹽分[35]。Burkholderia、Pseudomonas、Clostridium、Rudaea、Bacillus和Gemmationas有助于調(diào)節(jié)耕作和殘茬下表層土壤有機(jī)碳的吸收。多因素分析顯示，Rudaea、Spingomonas、Pseudomonas、Dyella、Burkholderia、Clostridium、Pseudolabrys、Arcicella、Bacillus與土壤有機(jī)碳相關(guān)[36]。同時(shí)，秸稈還田還豐富了根瘤菌等氮循環(huán)細(xì)菌屬的相對(duì)豐度[19]，有利于土壤氮素吸收。這說(shuō)明秸稈還田對(duì)土壤一系列有利影響之間也有相互促進(jìn)作用。

4 秸稈還田對(duì)土壤鉀含量的影響

鉀素能促進(jìn)碳水化合物合成，增強(qiáng)植物抗干旱、抗嚴(yán)寒和抗病蟲(chóng)害的能力，農(nóng)田土壤中鉀的豐缺及生物有效性與作物鉀素營(yíng)養(yǎng)狀況密切相關(guān)，直接影響作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)。但土壤中鉀素多以礦物鉀和固定鉀形式存在，不能被植物根系直接吸收，這成為制約植物獲取所需營(yíng)養(yǎng)的一大阻礙。而秸稈中的鉀以離子態(tài)存在，容易被淋洗出來(lái)，所以秸稈還田能有效地緩解鉀肥資源的不足[37-38]。

秸稈還田處理可增加土壤速效鉀含量，比不還田處理提高6.07%。秸稈還田還提高作物對(duì)鉀的吸收，還田處理的小麥和玉米秸稈中鉀含量分別比不還田處理提高了15.9%和21.8%。且對(duì)小麥和玉米植株全鉀吸收有影響，分別提高32.7%和30.9%。有研究表明，作物產(chǎn)量與植株吸鉀量呈相關(guān)。小麥和玉米植株生產(chǎn)100 kg谷物所需的K2O分別為3.26和2.24 kg[39]。

長(zhǎng)期秸稈還田會(huì)使土壤中礦物成分發(fā)生變化進(jìn)而影響土壤理化性質(zhì)。長(zhǎng)期秸稈還田，土壤中伊利石和高嶺石增加，蛭石和1.4 nm過(guò)渡礦物(HIV)減少，土壤中全鉀、非交換性鉀和交換性鉀含量與伊利石含量呈正相關(guān)，與高嶺石和HIV含量則呈負(fù)相關(guān)，土壤鉀素的釋放量與土壤非交換性鉀、全鉀含量呈正相關(guān)，證明長(zhǎng)期秸稈還田增加了土壤鉀素釋放量，伊利石和HIV是影響土壤鉀素釋放的主要黏土礦物，且二者間存在相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。長(zhǎng)期秸稈還田可以增加土壤的供鉀能力[40]。上述秸稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的具體指標(biāo)如表1所示。

表1 還田方式對(duì)土壤理化指標(biāo)影響一覽表

5 寒地秸稈還田方式及成效

秸稈被分解轉(zhuǎn)化主要是土壤微生物分泌的木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化酶在起作用，而木質(zhì)纖維素酶的最佳酶活溫度是30～55 ℃。木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化的菌劑根據(jù)最佳轉(zhuǎn)化溫度可以分為高溫菌、常溫菌和低溫菌三類(lèi)(表2)，我國(guó)北方寒地年均溫度較低，低溫限制秸稈轉(zhuǎn)化分解是限制秸稈還田的主要因素，尤其是冬季時(shí)間長(zhǎng)且平均氣溫低的黑龍江省。秸稈配合菌劑還田的方法可以在一定程度上提高降解速率，低溫秸稈轉(zhuǎn)化菌劑能夠在低于20 ℃條件下轉(zhuǎn)化秸稈，對(duì)于北方地區(qū)，有可以在4～15 ℃正常生長(zhǎng)代謝的低溫菌。這些菌劑可以提高秸稈還田效率，加快秸稈還田推行進(jìn)程。

表2 不同溫度下秸稈還田的優(yōu)勢(shì)微生物種類(lèi)

GF-20是一種玉米秸稈低溫降解菌劑，青格爾在內(nèi)蒙古的研究表明，秸稈還田配合GF-20菌劑還田的結(jié)果顯示，施用GF-20降解菌的玉米秸稈，降解率高于未施秸稈降解菌的對(duì)照，施用復(fù)合菌GF-20后的第50天的秸稈降解率為32.12%，未施用秸稈降解菌處理降解率為26.43%，差異顯著。且試驗(yàn)各時(shí)期均以施用秸稈降解復(fù)合菌GF-20土壤養(yǎng)分含量較高，施入30 d后，土壤堿解氮、土壤速效磷、土壤速效鉀、土壤有機(jī)質(zhì)較不施菌劑處理分別增加21.39 mg/kg、6.86 mg/kg、62.82 mg/kg、4.41 g/kg，均達(dá)到差異顯著水平，很多研究表明，秸稈還田配施秸稈降解菌對(duì)土壤養(yǎng)分的提高效果明顯，對(duì)作物產(chǎn)量的增加效果顯著。胡萬(wàn)吉等對(duì)GF-20進(jìn)行PCR-DGGE檢測(cè)共得到18個(gè)條帶，其中關(guān)鍵菌株分別為Bacilluslicheniformis、Azonexushydrophilusd、Azospiraoryzae、Arobactercloacae、Cellvibriomixtussubsp. Mixtus、Bacillustequilensis、Clostridiumpopuleti和Clostridiumxylanolyticum，DGGE圖譜證明，GF-20菌系的主要菌種組成沒(méi)有因連續(xù)繼代培養(yǎng)而發(fā)生變化，說(shuō)明GF-20菌系組成穩(wěn)定受外界干擾較小，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)秸稈還田促腐菌劑提供保障[53-54]。

在東北地區(qū)開(kāi)展的低溫菌劑應(yīng)用試驗(yàn)中，首先將玉米秸稈晾干粉碎，同時(shí)秸稈噴施常溫菌劑和低溫菌劑處理，在下一輪播種時(shí)，測(cè)土壤理化性質(zhì)結(jié)果顯示常溫菌劑處理秸稈土壤各個(gè)指標(biāo)與單純秸稈還田處于同一水平，幾乎沒(méi)有變化，證明常溫菌劑對(duì)寒地秸稈還田沒(méi)有促進(jìn)作用。低溫菌劑處理的秸稈降解速度高于常溫組，而且施加低溫菌劑土壤全氮含量較對(duì)照提高7.4%～14.81%，土壤有機(jī)質(zhì)含量高于對(duì)照0.93%～5.61%。高通量測(cè)序結(jié)果表明，低溫菌劑由低溫纖維素分解菌枝孢屬 (Cladosporium)和低溫生物表面活性劑理研菌屬(Petrimonassp.)組成[4]。由上述試驗(yàn)得知，低溫環(huán)境中，秸稈還田配施低溫菌劑不僅可以促進(jìn)秸稈降解，還可以增加土壤養(yǎng)分含量，提升腐殖質(zhì)含量進(jìn)而提升土壤肥力和農(nóng)作物產(chǎn)量，低溫菌劑為解決寒地秸稈腐解緩慢的問(wèn)題指明了方向。

6 展望

中國(guó)秸稈資源豐富且尚有廣闊的開(kāi)發(fā)和利用空間，秸稈還田是資源循環(huán)利用的有效途徑，可改善土壤理化性狀、提高作物產(chǎn)量，對(duì)制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展的因素有一定改善作用。秸稈與綠肥和菌劑混合施加可以緩解秸稈單獨(dú)還田見(jiàn)效慢的不足。目前我國(guó)秸稈還田率遠(yuǎn)低于歐美地區(qū)，仍需要大力推廣秸稈還田以促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)耕地腐殖質(zhì)逐年變薄變淺，為了保護(hù)耕地，秸稈原位腐解還田將成為一種趨勢(shì)，原位還田既實(shí)現(xiàn)了資源循環(huán)利用，又節(jié)約秸稈離田生產(chǎn)有機(jī)肥的運(yùn)輸、人力和物力費(fèi)用，然而在生產(chǎn)實(shí)踐中原位腐解還田菌劑的篩選是關(guān)鍵，菌劑應(yīng)根據(jù)作物種類(lèi)、土壤、溫度條件而調(diào)整；其次，應(yīng)該確定最佳秸稈還田量及其適合水田或是旱田的耕地種類(lèi)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)配套規(guī)模化還田模式。最后，秸稈原位腐解還田方式需要政府的支持、農(nóng)民的配合和先進(jìn)的科技實(shí)力，一旦技術(shù)成熟投入使用，功在當(dāng)代，利在千秋。