秸稈還田對土壤有機碳庫及微生物群落影響的研究進展

中圖分類號：S181：S141.4 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2025）08-0174-07

AbstractCrop straw is a very valuable renewable bioresource in agricultural production，and returning it to the field is a major pathway for resource utilization. This study focused on the research topic of crop straw returning to analyze the efects of diferent crop straw returning techniques on soil carbon sequestration and biological properties in agricultural fields from four aspects ： straw decomposition characteristics，soil aggregates and carbon pols，soil microbial communities，and organic carbon mineralization. On this basis，future research directions for crop straw returning and the shortcomings and solutions in current technologies were proposed.In the future，targeted returning measures should be taken according to different crop planting systems， climates，and soil conditions to further achieve the goals of fertilization enhancement through straw returning and carbon sequestration reduction in farmland soils.

KeywordsStraw returning; Decomposition characteristics ； Soil aggregates； Microbial community； Qr-ganic carbon mineralization

秸稈是農(nóng)作物的副產(chǎn)物，是我國重要的農(nóng)業(yè)廢棄物資源[1-2]。據(jù)《中國統(tǒng)計年鑒》[3]數(shù)據(jù)，2022年我國糧食產(chǎn)量達6.8億t，與此同時，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量也在逐年增長。秸稈燃燒會造成環(huán)境污染，產(chǎn)生大量PM2.5，嚴重危害大氣質量及人體健康[4]。He等[5]研究表明，PM2.5增加10μg/m³ ，心肺疾病等死亡率則增加 3.25% 。因此，對于如何有效利用秸稈這一廢棄物資源，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。秸稈中含有豐富的 _N，P，K 及各種微量元素[6-7]，大量研究表明，秸稈還田可以顯著提升土壤肥力及作物產(chǎn)量[8-9]。我國是農(nóng)業(yè)大國，土壤肥力的高低對我國糧食安全有著不可忽視的影響。土壤有機質（SOM）作為土壤肥力的重要指標，是土壤健康和作物高產(chǎn)的基礎[10-11]。土壤有機碳（SOC）是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，是大氣碳庫的2倍、生物碳庫的3倍[12]。土壤碳庫的微小變化，都會導致大氣中二氧化碳濃度的較大波動，從而對全球變暖以及溫室效應產(chǎn)生深遠影響[13]。秸稈進入土壤后，通過微生物的作用，一部分轉化為二氧化碳被釋放，一部分進入土壤碳庫，以維持或增加土攘中有機碳的含量[14]。因此，系統(tǒng)論述秸稈還田對農(nóng)田土壤碳庫的影響具有十分重要的意義。為此，本文綜述了近年來秸稈還田對土壤有機碳庫及微生物群落功能影響的研究進展，并提出了秸稈還田未來研究方向及技術中存在的不足與解決辦法，以期為秸稈還田科學管理提供依據(jù)。

不同類型秸稈還田后的腐解特征

水稻、小麥和玉米是我國三大糧食作物，探究這三種作物秸稈的腐解特性及養(yǎng)分釋放規(guī)律有利于為秸稈的資源化利用提供理論依據(jù)。有研究指出，在旱地和水田中，玉米、小麥、水稻的累積腐解率各不一致，均表現(xiàn)為水稻gt;玉米 gt; 小麥[15]。戴志剛等[16]采用埋袋法進行不同作物秸稈還田試驗研究，結果表明，在淹水條件下小麥和水稻秸稈的腐解速率均表現(xiàn)為前期較快，后期逐漸變慢，129天累積腐解率分別達 52.2% 和 49.2% 。Wang等[17]在一項209天的玉米秸稈培養(yǎng)試驗中發(fā)現(xiàn)，與恒定水分條件相比，干濕循環(huán)條件下秸稈的累積腐解量降低 9.8% ；反復干濕交替條件下累積PE（primingeffect，添加外源底物后SOM礦化的變化）顯著增加 19.3% ，導致土壤的凈固碳量（秸稈衍生的碳結合到土壤中減去秸稈引發(fā)的碳損失）顯著降低 22.3% 。岳丹等[18]在小麥和玉米秸稈還田的研究中發(fā)現(xiàn)，相較于小麥秸稈，玉米秸稈更易腐解，其原因可能是玉米秸稈中易分解的水溶性物質和粗蛋白質較多，難分解的纖維素和木質素相對較少，而小麥秸稈中難分解的纖維素和木質素相對較多。Chen等[19]在一項10年的小麥和玉米秸稈還田試驗中發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈增加了輕組分和粗顆粒有機碳的比例，這與土壤細菌群落組成顯著相關;而玉米秸稈增加了細顆粒有機碳和芳香碳的比例，這與土壤真菌群落組成顯著相關。作物秸稈的腐解除了受本身性質影響外，還受到外界環(huán)境的影響。例如，王景等[20]對比研究了小麥秸稈在好氣和厭氧條件下的腐解規(guī)律，結果發(fā)現(xiàn)好氣條件下小麥秸稈中碳、氮元素釋放速率常數(shù)分別是其在厭氧條件下的1.79倍和1.67倍。這可能是由于淹水條件下加劇了還原性物質的積累，導致微生物的種群和數(shù)量發(fā)生變化，進而抑制了小麥秸稈的腐解礦化。Latifmanesh 等[21]進行了玉米秸稈不同土層深度的還田試驗，分別設置TI （0～10cm） 、MI（10～20cm） 和DI（20～30cm）3個處理，結果表明，在10個月的還田期里，TI處理的秸稈腐解率顯著高于MI、DI，分別提高24.5%.16.5% 。同時，秸稈還田時的粒徑也會影響秸稈的腐解率，Ji等[22]在人造土壤中添加兩種粒徑小麥秸稈 （0.10～0.20cm.lt;0.25mm） 的研究中發(fā)現(xiàn)，小粒徑的小麥秸稈添加后存在更高的CO₂ 累積率。Zhang 等[23]在不同粒徑玉米秸稈（ lt; 0.15mm 和 lt;0.25mm ）加入土壤后的研究中也發(fā)現(xiàn)，添加較小粒徑的玉米秸稈可產(chǎn)生較高的 CO₂ 呼吸量。此外，秸稈腐解還會受到氣候（溫度和降水）、土壤性質（養(yǎng)分含量、 pH 值和礦物組成等）及農(nóng)田管理措施等因素的影響[24]。

2 秸稈還田對土壤團聚體及碳庫的影響

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，具有碳固存和養(yǎng)分保持等生態(tài)功能，是土壤質量的重要指標之—[25-26]。土壤團聚體根據(jù)其膠結劑的類型可分為大團聚體（ gt;0.25mm ）和微團聚體（ lt;0.25mm） [27]。通常大團聚體在土壤中所占的比例越高，說明土壤結構越好。Li等[28]在一項48天的玉米秸稈腐解試驗中發(fā)現(xiàn)， 2～5mm 團聚體的生成比例最高，較不添加秸稈對照提高5.29倍。土壤團聚體一方面能包裹土壤有機碳，從而對土壤有機碳形成物理保護；另一方面，土壤有機碳又能促進團聚體的形成[29-30]。有研究指出，表土中有接近 90% 的有機碳賦存在團聚體中[31] 。

因此，土壤團聚體的形成影響著有機碳的固持與穩(wěn)定。秸稈還田作為一種向土壤中直接輸入有機物料的重要途徑[32]，研究其對土壤團聚體及有機質的影響具有十分重要的意義。Ndzelu等[33]在對南非東開普省的艾利夫山進行5年的玉米秸稈還田研究中發(fā)現(xiàn)，相較于秸稈不還田，在 0～20cm 土層中，土壤團聚體平均重量直徑提升達 24.2%. 40.5% 。黃璐等[34]在黃土旱塬麥田連續(xù)3年的研究中發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈還田促進了水穩(wěn)性微團聚體向大團聚體的轉化，而且隨著還田量的增加，gt;0.25mm 團聚體質量百分數(shù)逐漸增加；同時，兩倍秸稈還田的SOC含量較不還田提高 28.1% 。于博等[35]在旱地土壤上連續(xù)4年進行玉米秸稈還田后發(fā)現(xiàn)，王壤 gt;0.25mm 團聚體比例及團聚體平均質量直徑（MWD）分別提高 8.81% 和 12.6% 。然而，徐海靜等[36]研究發(fā)現(xiàn)，與不還田對照相比，長期秸稈還田并沒有顯著改變稻田紅壤各粒徑團聚體質量占比，但使SOC含量顯著提高 13.6% 。同時，Xin等[37]用來自184篇文獻的3297項數(shù)據(jù)基于薈萃分析，得出3種秸稈類型對提升SOC含量的效果依次為小麥秸稈（ 15.9% ）、水稻秸稈（ 12.7%） 和玉米秸稈（ 12.4% ）。耕地類型的不同也影響秸稈還田后對 SOM含量的影響，Cai等[38]在一項坡耕地秸稈覆蓋還田的試驗中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過5次降雨后，秸稈覆蓋可使徑流量減少 54.7% ，因此，盡管桔稈覆蓋增加了徑流中的平均DOC 濃度，但使總徑流DOM損失減少 48.3% 。

此外，有學者還對比研究了秸稈還田配施其他物質與單一秸稈還田對土壤團聚體組成及有機碳含量的影響。例如，裴亞楠等[39]研究發(fā)現(xiàn)，與單一秸稈還田相比，配施促腐菌劑顯著提高了 0～ 20cm 和 20～40cm 土層中水穩(wěn)性大團聚體比例，增幅分別為 26.4% 和 18.2% ，同時，配施菌劑也顯著提高了大團聚體中有機碳的累計貢獻率。王威等[40]研究發(fā)現(xiàn)，較單一秸稈全量還田，秸稈全量還田配施 750m³/hm² 沼液顯著提高了砂姜黑土0～20cm 土層中大團聚體比例（ 100% ）及有機碳含量（ 65.9%～74.3%） 。Liu等[41]在黃河三角洲開展了為期4年的秸稈還田配施氮肥試驗研究，結果發(fā)現(xiàn)在施氮量為 255kg/hm² 時配施秸稈（0、4500、9000kg/hm² ）處理，其秸稈衍生碳轉化為SOC的比例達 21%～25% ；在施氮量為400kg/hm² 時配施秸稈 （0.4500?9 000kg/hm²） 處理，其秸稈衍生碳轉化為SOC的比例為 15%～20% 。近年來的研究表明，將秸稈處理后還田對土壤碳庫影響顯著。陳碩桐等[42]對烏柵土稻田一次性添加不同方式處理的玉米秸稈（ 10t/hm² 后發(fā)現(xiàn)，還田當年和兩年后，過腹還田和炭化還田處理均顯著增加耕層土壤的有機碳含量 （8%～36%） 0但還田4年后，僅炭化處理顯著增加耕層土壤有機碳含量（ 24% ）。Yan等[43在吉林省梨樹縣黑土地秸稈還田的研究中發(fā)現(xiàn)，從20世紀80年代到2007年，未進行秸稈還田，平均SOM含量從24.4g/kg 降到 18.9g/kg ，但從2007年以來開始秸稈還田，并加以保護性耕作，到2018年，SOM含量達到 20～30g/kg 的區(qū)域面積從 32.2% 提升到 60.5% 。

劉玉學等[44]研究發(fā)現(xiàn)，在配施氮肥的情況下，水稻秸稈炭化還田（ 能顯著提高SOC含量 62.3% 。柯躍進等[45]研究也發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈生物炭的施加可以大幅度提升土壤的固碳能力。Zheng等[46]在一項兩年的秸稈還田試驗中發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈與生物炭和豬糞混合還田，較之單一的玉米秸稈還田，顯著提高了土壤的SOC、DOC、EOC、POC和 MBC含量，增幅分別達 26.9% ！25.4% ） 56.9% ！ 16.1% 和 43.5% 。同時，孟祥天等[47]研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)5年施用不同碳源均顯著提高了紅壤土有機碳含量，各處理增幅順序依次為：生物質炭還田 gt; 秸稈-豬糞配施 gt; 秸稈還田。張鵬等[48]在對寧南旱區(qū)土壤的研究中發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈粉粹后按 4500、9000kg/hm² 和 13500kg/hm² 還田，各處理 0～60cm 王層土壤有機碳和活性有機碳含量分別比對照顯著提高 24.2%.20.8%.9.5% 和 50.3%.46.6%.34.8% 。秸稈還田后，不同耕作方式也對土壤碳庫起著重要影響，Pang等[49]在小麥玉米輪作地塊中，設置RS（旋耕秸稈還田）、DS（深耕秸稈還田） .15 （RS 每年實施、DS 隔年實施的輪耕模式）3種處理，結果顯示，與RS和DS相比，TS使 0～30cm 土層中大團聚體的SOC儲存量分別增加 0.66t/hm² 和 。Huang等[50]在我國西南丘陵地區(qū)對比研究了4種不同玉米秸稈還田方式，包括旋耕秸稈混合還田（RTM）、常規(guī)耕作秸稈深埋還田（CTB）、不耕作秸稈覆蓋還田（NTC）和深松秸稈覆蓋還田（STC），結果發(fā)現(xiàn)， 0～30cm 土層內(nèi) SOC 含量上升 17.2%～88.0% ;顯著改變了土壤結構，土壤有機碳與團聚體穩(wěn)定性指標的相關系數(shù)為 0.68～ 0.90，且STC處理對上層土的改良效果更為顯著，RTM處理則對下層土的改良更為有利。

3 秸稈還田對土壤微生物群落及功能的影響

微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，是土壤有機質和養(yǎng)分循環(huán)轉化的驅動力，是維持土壤健康的關鍵與核心[51-52]。微生物的數(shù)量和群落結構通常可以有效反映土壤養(yǎng)分和能量循環(huán)的活躍程度[53]。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物數(shù)量和群落結構會隨著不同管理措施（如秸稈還田）而改變。Zhang等[54］對安徽省蒙縣兩年的小麥-玉米輪作模式研究中發(fā)現(xiàn)，小麥季秸稈還田降低了細菌密度，增加了細菌多樣性，但對真菌多樣性沒有影響。而玉米季秸稈還田增加了土壤細菌和真菌的多樣性。吳憲等[55]對華北潮土麥玉輪作田研究發(fā)現(xiàn)，與單施化肥相比，化肥與秸稈配施顯著降低了真菌群落Shannon 多樣性指數(shù)（ 29.9% ）和油壺菌門的相對豐度。陳士更等[56]通過小區(qū)試驗總結發(fā)現(xiàn)，與未還田對照相比，秸稈單一還田或配施腐熟劑均顯著提高了根際土壤細菌和放線菌的數(shù)量，細菌數(shù)量分別提高 10.8% 和23.9% ，放線菌數(shù)量分別提高 20.6% 和 8.4% ;此外，秸稈還田配施腐熟劑較不還田或僅秸稈還田顯著降低土壤真菌數(shù)量。張燕等[57結合高通量測序技術對植煙土壤微生物群落結構和多樣性進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)，相較于常規(guī)施肥，施加小麥秸稈顯著提升細菌Shannon指數(shù)、ACE指數(shù)和Chao1指數(shù)，增幅分別為 2.64% 、 14.2% 和 14.2% 。Wei等[58進行了一項連續(xù)5年不同秸稈還田深度的研究，分別設置SO（秸稈不還田） S1（0～20 cm土層還田）、S2（ 0～40cm 土層還田）、 S3（0～ 60cm 土層還田）處理，結果發(fā)現(xiàn)，在 20～40cm 土層，S2和S3處理的Shannon指數(shù)與SO相比增幅最大，分別為 8.6% 和 7.7% 。每個土層的優(yōu)勢細菌門分別是Proteobacteria（ 14.9%～44.2% ）、Ac-idobacteria（ 14. 9%～ 28. 3%） 、Actinobacteria（ 12.1%～28.6% ）、Gemmatimonadetes（ 6.4% ～14.1% ）、Chloroflexi（ 3.9%～9.9% ）。總體來講，秸稈還田能夠顯著影響土壤微生物群落結構及多樣性，但變化程度受秸稈類型、輪作制度及土壤條件等因素的影響。此外，微生物多樣性及群落結構還受到秸稈還田量的影響。Wang等[59]研究了我國東北地區(qū)水稻秸稈不同還田量 （0%，50% ！75%.100% ）對土壤微生物群落多樣性的影響，結果發(fā)現(xiàn)秸稈低量還田主要影響細菌群落，而秸稈高量還田主要影響真菌群落，而且，高量水稻秸稈還田提高了微生物網(wǎng)絡復雜性及有關碳和鐵循環(huán)功能的微生物豐度。Zhang等[6」收集了729個來自秸稈還田和不還田的田地原始細菌測序樣本，進行薈萃分析后發(fā)現(xiàn)，還田時間 （lt;1、1～5、gt;5 年）還田量（ 8000kg/hm² ）、還田方式（覆蓋、掩埋）的不同顯著改變了土壤細菌群落組成，提升了土壤中Proteobacteria（ （+3.2%） ）、Bacteroidetes（ + 10.3% ）豐度，但對Acidobacteria、Planctomycetes沒有顯著影響。于淼等[61]對旱地玉米秸稈深埋還田研究發(fā)現(xiàn)，低量秸稈還田（ 0.5kg/m² ）提高了耕層土壤細菌群落的多樣性和豐富度，而中量（ 1.0kg/m² ）和高量（ 1.5kg/m² ）秸稈還田則起相反的作用，說明在實際生產(chǎn)中，應根據(jù)具體需要確定秸稈還田量。

土壤酶在一系列生物化學反應中起著不可忽視的作用。土壤中幾乎所有生物化學過程都是在土壤酶的參與下進行的[62-63]。過氧化氫酶和蔗糖酶是最常用的土壤酶活性指標[64]，對促進活性碳轉化起著不可忽視的作用[65]。李世忠等[66]在對寧夏引黃灌區(qū)玉米秸稈還田研究中發(fā)現(xiàn)，粉碎秸稈與腐熟劑混施顯著提高 0～20cm 土層土壤蔗糖酶 （6.6%） 和過氧化氫酶活性 （13.0%） 。郭偉等[67]在玉米秸稈還田減量施用化肥（較常規(guī)減少 15% ）并配施腐植酸的盆栽試驗中發(fā)現(xiàn)，玉米抽雄期、成熟期，秸稈還田配施腐植酸處理土壤脲酶活性較化肥常量對照分別顯著提高 78.7% ！64.3% （2019年）和 119.0% 、 134.0% （2020年）。鄧歐平等[68]在稻麥輪作區(qū)根際土壤研究中發(fā)現(xiàn)，在常規(guī)施肥條件下，僅全量稻稈還田較稻稈與豬糞配施顯著降低了根際土壤過氧化氫酶和蔗糖酶活性，說明秸稈與豬糞聯(lián)合還田能夠活化根際土壤中碳轉化酶活性。Guan 等[]在一項3年的秸稈還田試驗中發(fā)現(xiàn)，變形菌、氨化菌和溶鉀菌對過氧化物酶活性有貢獻。磷酸單酯酶的主要貢獻者是酸桿菌、脫硫桿菌、氨化菌、纖維素分解菌和溶鉀菌。變形菌、氨化細菌、纖維素分解細菌和溶鉀細菌對脲酶活性有貢獻。脫硫菌、氨化菌、纖維素分解菌和溶鉀菌對中性轉化酶活性有貢獻。

4秸稈還田對土壤有機碳礦化的影響

土壤有機碳的礦化作用是土壤微生物通過自身活動，分解和利用土壤中有機質來完成自身代謝，同時向外界釋放出 CO₂ 的過程。有研究指出，秸稈還田對土壤有機碳的礦化具有不可忽視的影響。余潔等[將小麥秸稈添加到不同類型土壤中后發(fā)現(xiàn)，與未添加秸稈處理相比，添加秸稈處理整個培養(yǎng)期間土壤 CO₂ 累計排放量提升了2.5～3.4倍。各類型土壤 CO₂ 累計排放量大小依次為黑土、風沙土、黃棕壤與紫色土。除了受土壤類型影響外，不同施肥管理方式也顯著影響秸稈還田下土壤有機碳的礦化量。冷雪梅等[71]研究發(fā)現(xiàn)，在江蘇溧陽白土和如皋高砂土中添加玉米秸稈，在優(yōu)化施肥（ 240kg/hm² ）基礎上用牛糞替代20% 的化學氮肥，可產(chǎn)生較低的正激發(fā)效應或負激發(fā)效應。有研究表明，在亞熱帶森林土壤上，秸稈直接還田會產(chǎn)生土壤礦化的正激發(fā)效應，但秸稈炭化還田后則產(chǎn)生負激發(fā)效應[72]。王佳盟等[73]在玉米秸稈生物質炭施用對不同深度稻田土壤有機碳礦化影響的研究中發(fā)現(xiàn)，與不施加生物質炭相比，施加生物質炭顯著降低 0～40cm 土層土壤有機碳的礦化強度， cm 和 30～40cm 土層的降幅分別達 23.7% ！37.6%.37.6% 和 16.0% ，并降低了 10～40cm 土層土壤微生物生物量碳和 0～40cm 土層土壤微生物代謝熵。劉志偉等[7在對水田和旱地土壤有機碳礦化研究中發(fā)現(xiàn)，生物質炭還田與秸稈直接還田均降低了旱地和水田土壤礦化量（ 36.0% 和21.5% ）與礦化率（ 47.0% 和 34.7% ）。楊宏偉等[75]在水稻秸稈直接還田和炭化還田對土壤有機碳礦化的研究中發(fā)現(xiàn)，秸稈直接還田及配施化肥處理土壤中的累計礦化量均高于單施化肥，生物炭配施化肥和不施肥處理的增幅為 10.4%～ （2040.9%Wu 等[76]分別向NS（無秸稈還田）、DS（小麥秸稈粉碎還田）和IS（小麥秸稈過牛腹還田）處理土壤樣本中添加 ¹³C 的小麥秸稈，結果發(fā)現(xiàn)秸稈新形成的SOC（ 2.41～2.59g/kg） 補償了土壤原有 SOC礦化損失 （0.91～1.37g/kg） ，進而導致各處理土壤均出現(xiàn)凈碳固存;且DS處理相較于IS和NS，其原有有機碳礦化量增加 40%～50% ，因此導致DS中的凈碳固存量（ （1.21g/kg） 低于IS和 NS 處理（分別為 1.43g/kg 和 1.65g/kg ）

5 研究展望

秸稈還田作為一項農(nóng)業(yè)廢棄物資源化綜合利用技術目前已廣泛應用。將不同秸稈還田方式與氣候變化、土壤類型、農(nóng)田管理措施等因素相結合，分析它們對土壤有機碳含量及礦化規(guī)律的影響，有助于制定更具針對性的農(nóng)田管理策略，以適應未來氣候變化和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要。對于未來的研究，應注意以下幾個方面：

（1）總體來說，秸稈炭化還田較秸稈直接還田更有利于王壤有機碳的固持，但秸稈炭化還田因制作成本較高，還未能大面積普及應用，研發(fā)秸稈炭化還田固碳減排技術具有重要意義。

（2）秸稈還田改變了土壤團粒組成及微生物群落結構，土壤團聚體結構與微生物如何相互作用促進土壤固碳的內(nèi)在機制還不明確，需進一步研究。

（3）秸稈還田下土壤有機碳礦化規(guī)律受作物秸稈類型、土壤性質等因素的影響。未來針對不同類型的土壤環(huán)境，應分別制定不同的秸稈還田建議，以期為秸稈資源化利用提供科學依據(jù)。

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