秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳積累影響的研究進(jìn)展

段 燕，夏雨龍，盧恩佳，張晉京，李翠蘭

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130118）

我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，伴隨農(nóng)業(yè)進(jìn)步的同時(shí)，會(huì)大量產(chǎn)生秸稈，造成秸稈資源過剩現(xiàn)象或以不環(huán)保的方式處理秸稈等行為。現(xiàn)今對(duì)秸稈的處理技術(shù)較為豐富[1-3]，目前我國秸稈年產(chǎn)量超過9×108t，在此基礎(chǔ)上將近20%被直接燃燒處理或廢棄[4]，在空氣中釋放大量固體顆粒物，不僅對(duì)大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，還威脅人體的健康[5]，因此如何環(huán)保并有效地處理秸稈成為了社會(huì)焦點(diǎn)。秸稈還田不僅減少了因燃燒帶來的大氣污染，改善了生態(tài)環(huán)境，還可增加土壤肥力，豐富土壤礦物質(zhì)，提高資源利用效率，對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量也有積極影響[6]。除此之外，秸稈還田還具有吸附和溶解土壤中所殘留的重金屬與農(nóng)藥等有害物質(zhì)的功能[7]。

有機(jī)碳是養(yǎng)分良好的貯藏所，同時(shí)它對(duì)土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)及生物特征都有相對(duì)直接的影響[8]，較為豐富的有機(jī)碳，能影響土壤形成良好的結(jié)構(gòu)與質(zhì)地[9-10]，創(chuàng)造適合作物生長的有利條件，對(duì)作物的生長有明顯的促進(jìn)作用。秸稈還田在是土壤有機(jī)碳的最直接有效且最為主要的投入來源[11]，不僅通過分解和腐解作用直接增加土壤有機(jī)碳的含量，并且秸稈還田還可以減少有機(jī)碳的礦化和分解作用[12-13]。

1 秸稈不同還田方式對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

秸稈中富含營養(yǎng)物質(zhì)，在還田后經(jīng)過一段時(shí)間腐解后成為土壤腐殖質(zhì)，而不同還田方式對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)變化存在差異。目前我國秸稈還田方式主要分為直接還田和間接還田，而前者又可分為免耕覆蓋還田、留高茬還田[14]、淺旋以及深翻還田等直接性的方式；后者則是包括過腹還田、堆漚還田、秸稈氨化還田以及食用菌基質(zhì)還田等在內(nèi)的將秸稈經(jīng)過一定處理的還田方式[15]。我國大部分地區(qū)采用直接還田的方式更為普遍，這也突出直接還田簡單直接、經(jīng)濟(jì)有效同時(shí)又省時(shí)的特點(diǎn)。

最常用的就是免耕覆蓋還田、淺旋還田、深翻還田。其腐解率呈現(xiàn)出淺旋還田大于深翻還田和覆蓋還田的規(guī)律，土壤有機(jī)碳增加量也呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律。這是由于覆蓋還田沒有使秸稈與土壤和水分充分接觸，也沒有微生物適宜的條件，但是與此同時(shí)，免耕對(duì)土層擾動(dòng)少，減少深層土壤與外界的接觸，降低有機(jī)碳的礦化率，有助于有機(jī)碳的積累，增加團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[12,16]，反之，頻繁耕作會(huì)破壞土壤表層結(jié)構(gòu)，降低對(duì)有機(jī)碳的物理保護(hù)，加速有機(jī)質(zhì)的分解，致使降低土壤有機(jī)碳含量[17-18]。而淺旋還田相對(duì)于深耕還田而言不僅能改善土壤的透氣性和透水性，還有利于增強(qiáng)土壤中微生物的活性，從而加速微生物對(duì)秸稈的分解作用[19]，且深耕還田使土壤與外界接觸更加密切，在一定程度上加速土壤的礦化[20]。更有研究表明[21]，作物秸稈粉碎與土壤混合后覆蓋還田條件下腐殖質(zhì)的含量均高于以上還田方式，這可能是因?yàn)樵谳^短的時(shí)間內(nèi)，粉碎混合覆蓋的方式不僅讓秸稈中的纖維素和木質(zhì)素等粉碎，還使其與土壤表面腐殖質(zhì)的接觸更加充分，增強(qiáng)了微生物的活性，且土壤動(dòng)物多生活于土壤表層，加快秸稈的分解，從而增加有機(jī)碳含量[22]。

在秸稈間接還田中，較為常見的則是堆漚還田、過腹還田和食用菌菌渣還田。堆漚還田利用了較強(qiáng)生物活性的酶，讓秸稈經(jīng)過短時(shí)間的發(fā)酵，并在這段時(shí)間內(nèi)將秸稈中的粗纖維和各種營養(yǎng)物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥[23]，在此基礎(chǔ)上還田能夠有效且快速地增加土壤有機(jī)碳含量，但此方法在堆漚過程中會(huì)有一定養(yǎng)分流失[24]。過腹還田能有效增加土壤有機(jī)碳則是由于秸稈通過動(dòng)物的腸胃轉(zhuǎn)化為糞便，糖類、纖維素、蛋白質(zhì)部分被動(dòng)物吸收[25]，剩余部分再加入到土壤中，促進(jìn)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成，進(jìn)而加速有機(jī)碳的積累與固存。此外，糞便本身還能改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，達(dá)到增加有機(jī)碳含量的目的[26]，過腹還田將秸稈資源利用實(shí)現(xiàn)了效益最大化。食用菌菌渣還田是因?yàn)槠浔旧砗休^高的有機(jī)質(zhì)，且菌渣的C/N值較高，在土壤中腐解更快，促進(jìn)了土壤微生物分解菌渣過程中對(duì)碳素的固定，增加了微生物量碳的含量，又由于土壤中微生物量碳與有機(jī)碳呈現(xiàn)出較為明顯的相關(guān)關(guān)系[27]，從而提高了碳穩(wěn)定性，增加土壤有機(jī)碳的含量及質(zhì)量[28]。

2 不同種類作物秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

秸稈的營養(yǎng)成分十分豐富，富含各種營養(yǎng)元素如氮（N）、磷（N）、鉀（K）等[29]。不同作物秸稈所含元素的含量和所占比例受到作物種類、不同時(shí)期、生長環(huán)境以及土壤條件的影響而不同，因此土壤有機(jī)碳增加量會(huì)由于不同種類作物的秸稈還田呈現(xiàn)出不同的效果。作物秸稈中含有如纖維素、木質(zhì)素等營養(yǎng)物質(zhì)，約占秸稈的80%[30]。在秸稈分解初期是一個(gè)較快的階段，秸稈中易分解物質(zhì)會(huì)在土壤微生物的分解作用下轉(zhuǎn)化為土壤營養(yǎng)物質(zhì)，而后期是一個(gè)較為緩慢的過程[31]，這是由于木質(zhì)素是三維網(wǎng)狀高分子多酚類芳香族化合物[32]，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，因此在土壤中難以降解，但長期以來木質(zhì)素都被認(rèn)為是土壤有機(jī)碳庫的關(guān)鍵組成部分[33]。有研究表明，不同作物秸稈中木質(zhì)素的含量呈現(xiàn)出高粱、水稻、小麥、玉米、大麥依次遞減的規(guī)律[34]。因此，秸稈分解速率不僅受到作物秸稈木質(zhì)素的含量所影響，也與秸稈所處腐解的環(huán)境相關(guān)。但有的研究結(jié)果[35]呈現(xiàn)出小麥分解速率大于玉米，與上述作物秸稈木質(zhì)素含量相違背，這是由于秸稈的腐解還受C/N值的影響[36]，它能直接作用于土壤微生物的活度，當(dāng)木質(zhì)素含量相似時(shí)，C/N值高的分解快[37]。還有研究發(fā)現(xiàn)不同作物對(duì)土壤有機(jī)碳的固存作用也有所不同，因?yàn)楦递^為發(fā)達(dá)，深層根茬量較大且根茬從各個(gè)土層深入耕層的作物更有利于土壤碳素的固持[38]。由于這些因素的影響，不同種類作物秸稈還田后腐解的速率以及其對(duì)土壤有機(jī)碳的作用均存在差異。

3 不同還田量對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

多數(shù)研究表明，不同還田量的秸稈均有增加土壤有機(jī)碳的作用[39-40]，這是因?yàn)榻斩掃€田能從各個(gè)方面改變土壤結(jié)構(gòu)，增大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量[41]，并且還具有增大土壤孔隙度及降低密度的作用[42-43]，從而為土壤微生物在生活和繁殖方面上提供了相對(duì)有利的條件，在增加微生物量的基礎(chǔ)上促進(jìn)秸稈腐解，再進(jìn)一步影響土壤有機(jī)碳的含量[9]。研究表明，隨著作物秸稈還田量的增加，土壤有機(jī)碳含量增加的趨勢更為顯著[44-45]；秸稈倍量還田更優(yōu)于秸稈年年還田，一方面，還田后立即對(duì)土壤有機(jī)碳呈現(xiàn)出大幅度提高的優(yōu)勢，另一方面，避免了每年還田耕作而破壞土壤表層結(jié)構(gòu)，降低團(tuán)聚體穩(wěn)定性的破壞[51]，且常年秸稈還田易引起病蟲害等問題[25]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)還田量超過一定范圍時(shí)，即使增加還田量，土壤有機(jī)質(zhì)的含量也不會(huì)伴隨其同步提升[47]，這可能是由于高量的秸稈還田會(huì)降低土壤的pH值影響土壤酶的活性，以至于降低秸稈的分解率[48]，且高量秸稈還田會(huì)影響作物出苗率和根系生長等問題[19]。也有觀點(diǎn)認(rèn)為，在過量還田條件下土壤有機(jī)碳增加并不顯著，甚至?xí)捎谕寥鲤B(yǎng)分供應(yīng)不足，不利于部分微生物的生存，導(dǎo)致秸稈腐解率相比適量還田較低[50]。

4 展望

土壤的物理化學(xué)性質(zhì)深受土壤有機(jī)碳含量的影響，而秸稈還田作為土壤有機(jī)碳庫的重要輸入來源，意義重大。雖然目前關(guān)于這方面的研究范圍較廣，研究結(jié)果也較為顯著，但仍有部分方面有待研究。

秸稈還田即使可以提高土壤有機(jī)碳并且對(duì)其礦化作用有一定的影響，但在秸稈不還田的條件下，有機(jī)碳的礦化的研究較少，并較少有關(guān)于有機(jī)碳礦化的程度及其影響因素。

大多研究均體現(xiàn)的是秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳的短期的積極作用，而這方面長期的消極影響還有一定的研究空間。

適量秸稈還田能夠提高微生物的活性，而具體對(duì)微生物的種類和提高程度都需要進(jìn)一步的研究；或者過量秸稈還田抑制了某些微生物也有待研究。