秸稈直接還田及炭化還田對土壤活性有機碳組分的影響綜述

中圖分類號：S153.6 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2025）10-0021-08

土壤有機碳是土壤重要的組成部分，是評價土壤肥力及土壤質量狀況的重要指標。但土壤有機碳的數量僅表征有機碳礦化分解與合成平衡的結果，難以反映出土壤有機碳質量和轉化速率的變化情況，且短時間內很難監測到土壤有機碳含量的變化情況；而土壤有機碳的活性組分，包括可溶性有機碳、易氧化有機碳和微生物量碳，被認為是土壤質量變化、土壤有機碳早期變化的敏感指標[1-7] 。

始重視秸稈資源的綜合利用，2013年國務院辦公廳發布《大氣污染防治行動計劃》，開始在全國范圍內嚴格執行禁止秸稈焚燒的規定，2023年中央一號文件提出支持秸稈綜合利用。秸稈綜合利用的一種重要方式就是秸稈還田[9-12]。因為作物秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀大量元素，微量元素以及有機能源物質，是一種重要的農業資源[13]

我國是農業大國，同時也是秸稈大國，生產糧食的同時產生了很多作物秸稈[8]。但秸稈資源綜合利用水平和效率較低，農戶更傾向于秸稈直接就地焚燒，不僅浪費資源，還污染環境。因此，我國開

秸稈還田方式可分為秸稈直接和間接還田兩大類，其中秸稈直接還田是一種傳統的有機物料還田方式，在全球范圍被廣泛使用[14-16]。但秸稈直接還田仍存在一些弊端，一方面短期條件下秸稈不能完全腐解可能會導致病蟲害的加劇，另一方面還會增加溫室氣體的排放[17-18]。近些年來，在我國大力支持秸稈綜合利用的形勢下，秸稈炭化還田作為秸稈間接還田的方式之一，其研究熱度逐漸升高。秸稈炭化還田是以秸稈為原料制備的生物炭還田方式，生物炭是將各種生物質材料在高溫和限制氧氣條件下熱解產生的穩定和富碳的材料[19-22]。秸稈還田是增加土壤有機碳最直接的方法之一，且不同有機物料還田對土壤有機碳及其活性組分的組成、活性和存在方式的影響存在顯著差異[23-25] 。

關于土壤有機碳組分的劃分，當前仍存在劃分標準各異的問題。本文在梳理土壤有機碳庫的分類時，重點闡述了活性有機碳的分類和定義，以秸稈直接還田和炭化還田作為2種主要的有機物料還田方式，分析了可能影響活性有機碳組分變化的因素，以期探索其變化規律，為秸稈等農業生產廢棄物還田提供科學支撐。

1土壤有機碳庫的定義與分類

王壤有機碳的分類有3種方式，主要是根據有機碳的物理分類、化學分類和微生物分類[26]。近些年來，多數研究人員綜合土壤的物理、化學和生物性質，按照土壤有機碳周轉時間分為活性有機碳庫、慢性有機碳庫和惰性有機碳庫，該分類方法目前使用較多，且該分類方法能更好地反映土壤有機碳的循環轉化過程[27-29]。其中，活性有機碳庫組分主要包括易氧化有機碳、可溶性有機碳和微生物量碳等，因其在土壤中的周轉速度較快，較易被微生物分解，常用作土壤碳循環和土壤質量變化早期敏感的指標[27.30-31]。慢性有機碳庫組分主要為顆粒態有機碳，介于活性有機碳和惰性有機碳之間，并且是腐殖化程度較低但活性較強的部分[27.32]。惰性有機碳組分主要包括難降解有機碳、礦物結合態有機碳、腐殖酸有機碳等，其在土壤中周轉時間長，不易分解[27，33] 。

土壤活性有機碳雖然占全碳的組分較小，但能夠敏感地反映出土壤微小的變化且能夠準確地反映出土壤肥力和土壤物理性質的變化[34]。土壤活性有機碳組分包括：（1）易氧化有機碳（EOC），指土壤有機碳中能夠被 333mmol/LKMnO₄ 溶液氧化法進行測定的活性有機碳，是土壤有機碳中最容易被氧化分解的部分[35-36]。（2）可溶性有機碳（DOC），是指在土壤有機碳中可溶于水或稀鹽溶液的部分有機碳，其中可溶于水的稱為土壤水溶性有機碳（WSOC）、稀鹽溶液提取的有機碳被稱為溶性有機碳（DOC），可溶性有機碳可以直接被微生物新陳代謝利用，同時也可以是微生物新陳代謝的產物，因此土壤中微生物的活性可以直接被可溶性有機碳含量所展現[27.37-38]。（3）微生物量碳（MBC），是指王壤中細菌、真菌、藻類和微小動物等微生物體中直徑小于 0.5mm 活的和死的土壤微生物體所含的碳含量[39]。土壤微生物量碳與土壤有機碳含量和土壤養分的降解呈顯著的相關性，且微生物量碳是土壤中最活躍的有機碳組分[27.40]

2秸稈直接還田對土壤活性有機碳組分的影響

秸稈直接還田對土攘活性有機碳組分的影響因素較多，本文僅從秸稈直接還田的2種方式、還田量的大小以及還田年份的長短3個方面分析不同影響因素導致的活性有機碳組分含量的變化情況。

2.1秸稈直接還田方式對活性有機碳組分的影響

秸稈直接還田包括秸稈覆蓋還田和翻埋還田，秸稈直接還田的不同方式對活性有機碳組分含量具有較大的影響。秸稈覆蓋還田是將作物秸稈或者殘茬直接鋪蓋于土壤表面的一種還田方式[41]。秸稈覆蓋還田能增加土壤DOC、MBC、EOC的含量[42-44]。在秸稈覆蓋還田條件下，與 DOC、MBC 相比，EOC能更敏感地指示土壤總有機碳的變化，且EOC 對耕作方式變化的反應也更為敏感[42 -43] ○

秸稈翻埋還田是目前普遍使用的一種還田方式，秸稈翻埋還田是將秸稈或者殘茬進行粉碎、破茬，然后進行旋耕、耙壓等機械作業，將秸稈埋在表層和淺層土壤的一種還田方式[41]。不論翻埋還田的深度如何，活性有機碳組分DOC、MBC、EOC的含量均變化顯著。李新華等發現，秸稈粉碎后埋于表層還田顯著提高了土壤活性有機碳組分DOC、MBC和EOC的含量[25]。孫印漢研究發現，秸稈粉碎旋耕直接還田提高土壤SWOC和MBC含量，在關中平原地區秸稈粉碎旋耕還田是較為合理的還田方式[45]。劉必東等發現，秸稈粉碎后深埋于 30cm 還田顯著提高了土壤EOC和DOC的含量，認為EOC和DOC可作為評價土壤短期內質量變化影響的指標，且秸稈還田配施氮肥也能顯著提高EOC、DOC的含量，發現秸稈還田配施氮肥 180kg/hm² 是黑土地區最佳施氮量處理組合[46] O

秸稈翻埋還田比覆蓋還田對土壤活性組分EOC、MBC、DOC的影響更顯著，因為秸稈粉碎還田后，秸稈能更充分地與土壤結合，給微生物提供了適宜的生存環境，利于秸稈的分解和養分的釋放[47-49]。也有研究結果表明，秸稈覆蓋利于土壤活性有機碳的積累，秸稈翻埋還田利于有機碳的積累[50]。秸稈翻埋還田是目前使用較多的秸稈直接還田的方式，但在干旱區、半濕潤半干旱區和半干旱區，使用較多的仍為秸稈覆蓋還田，覆蓋還田更有利于土壤抗旱保[51] C

2.2還田量對活性有機碳組分的影響

與秸稈不還田相比，秸稈還田可顯著提高土壤活性有機碳組分含量。還田量對活性有機碳組分存在一定的影響，按照秸科產量分為1/4量還田、1/2量還田、全量還田和2倍量還田進一步闡明不同還田量對活性有機碳組分的影響。

微生物作用于作物秸稈，使其分解釋放出大量可溶性有機物，促使DOC含量增加；但是過量秸稈的輸入會導致土壤C/N失衡，進一步降低土壤微生物的數量和活性，從而影響MBC含量;高C/N會導致秸稈不能完全降解，從而影響 EOC 含量[52-53]。秸稈還田量過少，也不利于活性有機碳含量的積累。在不同的地區不同的耕作制度下，最適宜還田量存在一定的差異。例如，在亞熱帶水稻土中，Dai等發現，全量秸稈還田的土壤活性有機碳組分SWOC、EOC、MBC含量高于1/2量秸稈還田，在 0～ 20cm 土層WSOC和EOC含量隨著秸稈還田率的增加而增加，MBC在 10～20cm 土層隨著秸稈還田率的增加而增加[6]。在成都平原水稻一油菜輪作體系中，李霞等發現秸稈還田增加土壤DOC、EOC、MBC的含量，雖然全量還田和2倍量還田的EOC、DOC、MBC的含量均顯著高于1/2量秸稈還田，但是兩者之間的差異不顯著，在成都平原水稻一油菜輪作體系下，全量秸稈還田為最佳還田量，利于活性有機碳組分含量的積累，可敏感地指示土壤有機碳含量的早期變化[54]。在東北黑土玉米區， Xu 等發現全量秸稈還田提高土壤活性有機碳組分含量的效果顯著高于1/2量秸稈還田[5]。在稻麥輪作體系中，胡乃娟等發現，稻麥輪作體系秸稈還田能顯著增加土壤DOC和MBC含量，但其中在稻麥輪作農田2季均以 1/2 量秸稈還田MBC含量增加最大，連續2季以1/4量秸稈還田DOC含量增幅最大[53]。在黃土高原小麥玉米一年兩熟區，張靜等發現 9000kg/hm² 秸稈還田作為最適宜的秸稈還田量能顯著提高MBC含量，且土壤碳的固持和供給效果最佳[55]。

2.3還田時間對活性有機碳組分的影響

按照還田時間，將1＼～4年還田視為短期秸稈還田，5年及以上為長期秸稈還田來闡明有機碳組分含量的變化規律。

有研究表明，在短期秸稈還田條件下， 0～10cm 王層活性有機碳組分含量主要受秸稈還田因素的影響， 10～20cm 土層活性有機碳組分含量不僅受秸稈還田因素的影響，還受耕作方式的影響[56]。關于秸稈短期還田對活性有機碳含量的影響，目前沒有一致的研究結果。例如，Chen等發現，與EOC相比，秸稈在3年短期還田更能顯著增加MBC、DOC含量，可能因為EOC占總有機碳的比例相對較高[57]。但有研究表明，2 年短期秸稈還田不僅能顯著增加MBC、DOC含量，還能顯著增加EOC含量[56]。也有研究表明，1年短期秸稈直接還田能顯著提高土壤SWOC和EOC的含量，雖對土壤MBC的影響并不顯著，但有提高土壤MBC含量的趨勢，長期秸稈還田將利于提高土壤 MBC 含量[34]。Hu等通過4年中短期秸稈還田試驗也發現，秸稈還田能顯著增加土壤DOC含量，但對EOC和MBC含量的影響不顯著，但秸稈還田后土壤EOC、MBC均有增加的趨勢，長期秸稈還田將利于提高EOC、MBC含量[52]。關于短期秸稈還田活性有機碳組分含量變化情況各不相同，可能是由于地理位置、生態條件及還田量的差異所致。

長期秸稈還田均可增加土壤活性有機碳組分EOC、DOC、MBC的含量。例如，Yuan等通過6年長期秸稈還田試驗發現，秸稈還田能顯著增加土攘EOC、DOC、MBC的含量，通過數據分析發現秸稈還田后土壤EOC和MBC含量增幅程度小于秸稈還田配施鉀肥[58]； Xu 等研究發現，10年長期秸稈還田能顯著增加土壤SWOC、MBC的含量，且從長遠角度來看，秸稈還田是提高有機碳固存的有效手段[5]；皇甫呈惠等的研究結果也表明，10年長期秸稈還田能顯著增加土壤DOC、EOC 的含量[59];Yan等研究也發現，10年長期秸稈還田能顯著增加土壤DOC、MBC的含量，且MBC和DOC是影響土壤微生物群落的主要因素[60]

此外，Yuan等和皇甫呈惠等均發現，長期秸稈還田配施氮肥或者鉀肥比單獨秸稈還田對土壤活性有機碳組分含量的影響大[58-59]，方凱等也發現，長期定位試驗秸稈還田配施化肥顯著增加DOC含量[61]。而且眾多研究也表明，短期秸稈還田配施化肥比單獨秸稈還田更顯著的增加活性有機碳組分的含量[52.62]。目前對于化肥使用方面仍存在一定的爭論，主要問題在于農田種植時化肥對土壤以及農產品造成污染，從而對農產品質量和安全造成一定的影響，需嚴格控制化肥用量[63]。秸稈還田是目前使用較多來改善土壤污染和退化問題的一種方式[64]。綜上可知，秸稈還田配施適量的化肥對于有機碳活性組分含量的增加、土壤固碳以及土壤質量和土壤肥力的提升存在一定的益處（表1），為今后化肥減量施用提供一定的參考。

3秸稈炭化還田對土壤活性有機碳組分的影響

生物質炭是由成分復雜各異的含碳物質構成，輸入到土壤中可直接影響土壤中有機碳組成的變化，尤其是土壤活性有機碳組分[65]。對于秸稈炭化還田對土壤活性有機碳組分的影響，將從秸稈炭的自身特性和外在因素2個方面展開分析相關組分的變化情況及對農業生產的影響。

3.1秸稈炭自身特性對活性有機碳組分的影響

目前，生物炭制備工藝使用最多的是慢速熱裂解，由于炭化的原材料、制炭工藝和熱解條件的不同，生物炭的理化性質也表現出一定的差異[66-67] 。接下來將從秸稈炭熱解溫度、炭化原材料2個方面闡述對土壤活性有機碳組分的影響。

3.1.1不同熱解溫度對土壤活性有機碳組分的影響研究證明， 500^qC 左右制備的生物炭是能被農田土壤利用的一個最佳制備溫度，因為較高炭化溫度制備的生物炭還田會造成土壤活性有機碳組分含量下降，一方面是因為高溫制備的生物質炭的脂肪族碳和其他活性有機碳的成分較低，且脂肪族碳能快速被微生物分解利用；另一方面是由于高溫制備的生物質炭具有較大的比表面積，比表面積是決定生物質炭吸附力的關鍵因素，而生物質炭可以吸附土壤WSOC及其他小分子有機物質到其空隙內或外表面上，隔離微生物及其產生的胞外酶與孔隙內有機質的接觸，強烈抑制被吸附有機質的可利用性[5]。例如，趙世翔等發現，不論溫度高低（300、400，500，600°C ）制備的生物炭還田在初期均提高土壤MBC、WSOC、EOC的含量，但隨著熱解溫度的升高，其含量降低;在培養后期，相對低溫（ ?400?C ）

制備的生物炭還田依然增加土壤活性有機碳組分的含量，而相對高溫（ Φgt;400^°C ）制備的生物炭還田則降低了土壤MBC、EOC、WSOC的含量，可能是因為低溫的生物質炭芳香化程度較低，保留了較多的脂肪族結構及其他活性有機碳成分；而高溫制備的生物質炭芳香化程度較高，脂肪族碳及其他活性有機碳成分較低，且在黃土高原區， 500‰ 制備的生物質炭是農田土壤利用的最佳制備溫度[65]。馬莉等將棉花秸稈分別在4 5 0 ～ 6 0 0～ 5 0 下熱解制備，發現低溫熱解生物炭（ 450‰ ）對土壤EOC、MBC含量的提高作用顯著高于高溫熱解生物炭 （600，750^°C） ），且發現土壤DOC含量主要受生物炭施用量的影響，受生物炭熱解溫度的影響不大，可能是因為一方面生物炭熱解溫度越高，對土壤DOC的吸附能力越強，使得DOC淋洗越少；另一方面是熱解溫度升高，使得其自身的DOC 含量下降[68]

500^°C 左右制備生物質炭還田不僅在黃土高原區、新疆灰漠土區適宜，通過文獻搜集發現在大部分地區多數秸稈炭化還田一般都是秸稈在 500^°C 左右的厭氧條件下進行高溫裂解制備而成的[69-72]3.1.2炭化原材料不同對土壤活性有機碳組分的影響目前，大部分生物炭的原材料為農作物的秸稈，且作物秸稈炭化還田可顯著增加土壤活性有機碳組分的含量。例如，羅梅等以油菜秸稈為原料進行炭化還田發現，適量的油菜秸稈生物炭還田可顯著提高土壤 DOC、MBC、EOC 的含量[73];Chen 等以煙草秸稈為原料進行炭化還田也發現，秸稈炭化還田后提高了土壤中 DOC、EOC、MBC 的敏感性[74]；Yang等以稻草為原料進行炭化還田也發現，秸稈炭化還田后顯著提高了土壤MBC、SWOC 的含量[75]。

因為生物炭還田增加了外源有機物的投入，促進不 穩定有機碳的積累，進一步改善了土壤性質和肥力。

但Bednik等，以廚房垃圾、切割的綠草、咖啡渣、小麥秸稈、向日葵殼和山毛櫸木屑為原材料在550‰ 氮氣條件下進行熱解，發現培養早期（ lt;90d） 施用生物炭后土壤DOC含量迅速增加，但切割的綠草制備的生物炭施用后土壤DOC含量沒有變化，且發現只有廚房垃圾在整個培養周期（360d）均顯著提高了活性有機碳組分含量，可見廚房食物垃圾生物炭含有更多的不穩定化合物，且更容易受到微生物的攻擊[76]

綜上可知，不同的炭化原材料對活性有機碳組分含量的影響不同，通過大量文獻搜集發現，目前研究的大多數農作物秸稈生物炭還田后均能顯著提高土壤活性有機碳組分的含量；且有研究表明，廚房食物垃圾生物炭相比農作物秸稈生物炭還田對活性有機碳組分含量、土壤質量的提高均具有更好的效果，給后續生物炭還田研究提供了一條新的思路。

3.2外在因素對秸稈炭還田后土壤活性有機碳組分的影響

秸稈炭化還田對土壤活性有機碳組分的影響不僅受到生物質炭自身特性，還受到還田量、土壤條件等的影響，下面將從還田量和土壤條件2個方面闡明其變化規律。

3.2.1秸稈生物炭還田量對活性有機碳組分的影響秸稈生物炭不同還田量對活性有機碳組分具有顯著的影響，有研究表明，土壤DOC含量受熱解溫度的影響不大，主要受到生物炭的施用量的影響[68]。高濃度生物炭還田均能增加土壤活性有機碳組分DOC、MBC、EOC的含量，例如， Hu 等以香蕉和木薯為原料制備生物炭開展研究，發現生物炭施用對活性有機碳組分的影響不僅與原材料有關，還與生物炭的還田量有關；高濃度的香蕉秸稈生物炭還田可顯著提高土壤DOC含量，但低濃度香蕉秸稈生物炭和所有濃度的木薯秸稈生物炭均對土壤DOC的影響不顯著，可能是因為不同濃度的添加對土壤微生物生活環境造成一定的影響[77]。Wang等也發現，低濃度的生物炭對土壤DOC影響不大，高濃度的生物炭則顯著增加了土壤 DOC 濃度[78]。Zhang等研究發現，土壤MBC的含量隨著生物炭添加比例的增加而增加，可能一方面是由于秸稈生物炭的添加對土壤理化性質的改善；另一方面是因為土壤MBC很大程度上依賴土壤有機質作為基質，有機碳的增加也會進一步導致土壤MBC含量的增加[79]。趙世翔等也發現，生物炭輸入后的前期（ 1～ 60d）提高了土壤MBC、DOC、EOC的含量，且隨著生物炭添加比例的增加而增加，但在生物炭輸入后的后期（ （61～360d） ，相對低溫 （?400‰ ）制備的生物質炭輸入依然增加了土壤活性有機碳的含量，并且隨著添加比例的增加而增加，而相對高溫0 gt;400^°C ）制備的生物質炭則降低了土壤MBC、DOC以及EOC的含量，且隨著添加比例的增加而降低[65]

3.2.2生物炭還田后土壤類型對其活性有機碳組分的影響不同土壤類型對土壤活性有機碳組分的影響不同。Durenkamp等研究發現，黏土中MBC含量隨著生物炭的添加而增加，研究者發現生物炭對土壤MBC含量的影響與生物炭自身特性和土壤類型相關[80]。例如，Yang等發現，在大陸性季風氣候、年降雨量 705mm 的褐土上，秸稈炭化還田增加土壤活性有機碳組分含量[81]；羅梅等的研究結果表明，在亞熱帶季風氣候、年降水量 1086.6mm 的紫色土中，適宜的生物炭還田可以提高DOC、MBC和EOC 含量[73]。但Yan 等研究發現，在亞熱帶濕潤季風氣候、年平均降水量為 1 410～1 762mm 的紫色土和水稻土中進行秸稈炭化還田均能增加土壤EOC、MBC的含量，而在紫色土中DOC含量沒有顯著變化，但在水稻土中DOC含量顯著增加，導致差異的原因可能是土壤質地、 pH 值和土壤C/N的差異[82]

綜上可知，秸稈炭化還田對活性有機碳組分的影響，不僅與秸稈炭自身特性有關，還與還田量、土壤條件有關，自身特性和外在因素共同影響活性有機碳組分的含量（表2）。通過文獻搜集發現，大多數秸稈炭化還田均能顯著增加活性有機碳的組分，提高活性有機碳組分的靈敏性，作為早期土壤質量變化的敏感指標。

4結論

近些年來，人們對于秸稈還田在提高土壤有機碳庫方面存在的巨大潛力關注度越來越高[83]。土壤活性有機碳組分DOC、MBC、EOC是農業生態系統短期變化的敏感指標，掌握土壤活性有機碳組分的變化情況有助于更好地觀察土壤總有機碳的變化，更好地指導土壤固碳和作物生產[84] 。

秸稈還田相當于增加外源有機物的輸入，殘茬可能進入活性碳庫，為微生物提供充足的碳源，促進微生物的生長、繁殖，活性碳組分主要來源于微生物分解的有機物質以及秸稈腐解物，有利于進一步活性有機碳的積累，提高土壤肥力[25.56]。秸稈直接還田能增加土壤活性有機碳組分的含量，但對于可能存在的影響因素總結歸納得較少。通過文獻搜集發現，秸稈直接還田的2種方式、秸稈還田量以及秸稈還田年限均會對活性有機碳含量造成一定的影響。秸稈直接還田的2種方式均可增加土壤活性有機碳組分的含量，且土壤EOC對覆蓋還田的反應敏感性高于土壤DOC、MBC指標；長時間秸稈還田可顯著增加土壤活性有機碳組分的含量，短期還田的含量變化仍存在一定的爭議。在秸稈炭化還田方面，土壤活性有機碳組分主要受到以炭化溫度和炭化原材料為主，還包括生物炭還田量和土壤條件的影響。多數研究表明， 500^°C 左右炭化溫度制備的秸稈生物炭還田，既可以保持土壤有機碳的高穩定性，又可以保持土壤活性有機碳組分的含量[65，68]。目前，大多數炭化還田研究均以作物秸稈為原材料，近年來有研究將廚余食物垃圾作為炭化原材料進行還田，結果表明，廚余食物垃圾還田對活性有機碳的增加效果要比秸稈的效果好[76]

秸稈還田和秸稈炭化還田相比，秸稈炭化還田后的DOC含量要大于秸稈還田，因為生物炭中存在豐富的含氧官能團，有助于其吸附性能；但炭化還田的MBC含量要低于秸稈還田，Yang等認為，與秸稈相比生物炭的碳是惰性的，不易被微生物所利用[81，85]。從可持續利用的角度來看，與秸稈還田相比，秸稈炭化還田更能有效地改善土壤質量，利于土壤固碳[81，86-87] 。

5存在問題與研究展望

有機物料還田后土壤活性有機碳含量變化受到環境因素、人為因素的影響較大，目前對于有機物料還田后活性有機碳含量變化規律仍存在爭議。

目前對于有機物料還田后土壤活性有機碳組分含量變化的研究仍停留在常規角度，可進一步運用多維組學技術闡釋不同有機物料還田后造成活性有機碳組分含量變化差異的作用機理。

后續研究可借助新型技術（如地理信息系統），多學科、跨領域、大尺度、全方位地進行綜合研究，揭示有機物料還田后影響土壤活性有機碳含量的各種因素及其生態環境效應。

全球氣候變化導致溫度升高 .CO₂ 濃度升高、氮沉降等問題對秸稈等外源有機物料還田后作物-土壤-大氣之間碳循環過程造成一定的影響，研究土壤中碳的動態變化，有利于進一步深人理解陸地生態系統的碳循環過程。

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