還田作物秸稈腐解特性及相關影響因素的研究進展

葛選良，于 洋，錢春榮

（黑龍江省農業科學院耕作栽培研究所/農業部東北地區作物栽培科學觀測實驗站，哈爾濱150086）

還田作物秸稈腐解特性及相關影響因素的研究進展

葛選良，于 洋，錢春榮

（黑龍江省農業科學院耕作栽培研究所/農業部東北地區作物栽培科學觀測實驗站，哈爾濱150086）

為實現還田作物秸稈有效腐解，本文總結了還田作物秸稈腐解特性及其自身條件、水熱條件、土壤條件、外源氮素等相關影響因素，同時重點介紹了還田作物秸稈腐解的土壤微生物效應方面的研究之現狀，并在此基礎上對還田作物秸稈有效腐解的研究做出了些許設想，以期對科學制定作物秸稈還田工藝、指導合理施肥和科學用養地等研究領域提供有效參考。

作物；秸稈；腐解特性；影響因素

0 引言

隨著農業科學技術的進步，中國農業獲得迅速發展的同時亦產生了大量的農作物秸稈。畢于運等[1]、王亞靜等[2]研究表明，中國每年可產出作物秸稈7億t以上，約占全世界作物秸稈總量的30%，其中以水稻、玉米和小麥秸稈主，三者的秸稈總量約占中國秸稈總量的80%。但目前大量作物秸稈被廢棄或焚燒，造成資源浪費的同時亦對環境產生了嚴重的危害，因此作物秸稈的有效利用已成為迫在眉睫的農業生產和環境問題。隨著農業生產集約化程度的提高，化肥施用量日益增長的同時，廄肥、綠肥的施用量大幅度降低，作物秸稈將成為提升土壤肥力的重要有機肥源。張曉文[3]、高利偉[4]認為，秸稈還田不僅可增加土壤有機質含量，改善土壤理化性狀，優化農田生態環境，還可促進農村養分資源的循環利用和農業可持續發展。但楊濱娟等[5]研究表明，有機物適于微生物分解利用的碳氮比大約是25:1，大量作物秸稈還田后會導致微生物汲取土壤氮素，從而與作物爭奪土壤氮素，引起耕層土壤礦質氮降低和碳氮比失調，進而影響還田作物秸稈的有效腐解。因此，探討還田作物秸稈在土壤中的腐解特性及其影響因素對科學制定作物秸稈還田工藝、指導合理施肥和科學用養地具有十分重要的意義。

1 還田作物秸稈的腐解特性

還田作物秸稈的腐解過程包括3個階段，即快速腐解期，緩慢腐解期和停滯期。江永紅等[6]研究發現作物秸稈進入土壤后，其水溶性組分在次生代謝的作用下迅速分解；隨著作物秸稈腐解過程的進行，其碳、氮的比例逐漸發生變化，加之木質素、單寧和蠟質等物質難以分解，作物秸稈腐解的速度逐漸變慢至幾乎停止。李新舉等[7]研究表明，作物秸稈還田前4周的腐解率可達40%；隨著易分解物質逐漸被微生物耗盡，作物秸稈腐解率逐漸降低；最后由于剩下的組分均難以分解利用，腐解過程基本停止。陳尚洪等[8]研究認為作物秸稈腐解過程中不同養分的釋放速度亦存在差異，其表現為鉀＞磷＞氮；而王允青等[9]對釋放率的研究發現，不同養分表現為磷＞氮＞鉀，碳氮比亦呈下降趨勢。沈海軍等[10]研究表明，還田作物秸稈70%～90%的碳素以微生物呼吸的形式被釋放；作物秸稈還田90天后，小麥和玉米秸稈的碳素釋放量為50%～55%；二者養分的釋放量表現為碳＞鉀＞氮＞磷；二者養分的釋放率則表現為鉀＞磷＞碳＞氮。

2 還田作物秸稈腐解的影響因素

2.1 自身條件

還田作物秸稈的腐解過程是一個復雜的物質和能量相互轉化的生物化學過程，受自身和外界環境條件的共同影響。顏麗等[11]、鄭立臣等[12]、張靜等[13]研究認為影響還田作物秸稈腐解的自身因素包括：還田量、還田時間、大小、埋深、種類、C/N、含水量等，其中還田量、還田時間和大小（粉碎程度）通過影響土壤水分含量、土壤溫度、土壤微生物C/N等指標來而還田作物秸稈的腐解。Ma等[14]、李新舉等[15]研究發現，埋深5 cm的作物秸稈腐解最快，埋深15 cm的作物秸稈稍慢，而覆蓋在土壤表面的作物秸稈最慢；而遲鳳琴等[16]認為作物秸稈還田32周后，埋深5 cm和15 cm的作物秸稈腐解率分別為65%和62%，而覆蓋在表層的作物秸稈腐解率為50%左右。玉米秸稈碳素的釋放速率比大豆秸稈快，同時當C/N升高時，玉米秸稈有機碳的腐解率亦升高。楊志謙等[17]的研究表明，作物秸稈C/N比在一定程度上影響作物秸稈腐解的速度。一般情況下含氮量大于1.5%～1.7%的有機物不需外源氮源即可滿足分解過程中微生物對氮素的需要，這相當于C/N比值為(25～30):1。南雄雄等[18]研究發現土壤-秸稈混合體的C/N直接制約著作物秸稈的腐解程度，C/N較低的土壤-秸稈混合體更適合土壤微生物的新陳代謝，利于作物秸稈的腐解和土壤有機碳的礦化，較高的則相反；Iqbal等[19]認為腐解前期C/N低、體積小的作物秸稈分解速度快，而在腐解后期微生物活性最大時C/N高、體積小的作物秸稈時迅速分解并趨于穩定。

2.2 水熱條件

溫度影響微生物胞外酶的產生和周轉，從而間接地影響有機物分解。Cusack等[20]、Wallenstein等[21]研究表明，在一定范圍內，酶活性隨著溫度升高而升高，當基質或能源不足時，微生物會抑制酶的產生。微生物胞外酶對溫度的敏感性隨季節變化而變化，季節可權衡酶的結合能力和催化作用。Hochachka等[22]研究發現，當溫度升高時，微生物會完善和權衡自身的進化來適應因溫度變化而導致的呼吸代謝變化。Thomsen等[23]研究發現，降水影響土壤水分含量，而土壤水分含量對水溶性有機碳(SOC)的周轉影響顯著，而Vanhala等[24]發現作為一種重要的微生物易于利用的碳源，SOC與微生物的活性和微生物生物量有正相關關系。此外，Coppens等[25]、Kimura等[26]也認為降水導致的干濕交替會影響微生物的活性，進而導致厭氧和好氧微生物群落的交替。Castro等[27]、董志新等[28]研究氣候條件對作物秸稈腐解的影響發現，溫度和降水通過影響土壤中一些微生物群落的生長繁殖和生理機能，進而影響可溶性有機物含量以及還田作物秸稈分解的快慢，同時造成底物供給差異，進而影響相關微生物群落活性和功能。

2.3 土壤條件

Xu等[29]、Jarvis等[20]研究表明，土壤pH、質地及養分（特別是N）含量影響還田作物秸稈的腐解及秸稈表面的微生物群落結構，Motavalli等[31]研究發現，土壤pH低導致微生物活性和還田作物秸稈的腐解速率下降；Hassink等[32]、Yadvinder等[33]、Henriksen等[34]研究認為，還田作物秸稈在土壤中的腐解速率與土壤中黏粒含量呈負相關，其在粉沙質土壤中的腐解速率低于砂質土壤，其中小麥和黑麥秸稈在壤土中的礦化速率要明顯高于沙土。Feng等[35]認為，在適宜的溫度范圍內，土壤溫度的升高致使降解還田作物秸稈的微生物生物量增加、微生物活性和呼吸率增強，進而加速還田作物秸稈的分解。左玉萍等[36]、江長勝等[37]、左玉萍等[38]的研究發現還田作物秸稈的腐解過程是一個需水過程，土壤含水量主要影響還田作物秸稈的前期分解，對后期影響的差異不大。當土壤水分為16%～20%時，秸稈的分解速率最快；土壤水分含量過高或過低都會對降解還田作物秸稈的微生物活動產生不利影響，從而減緩還田作物秸稈的腐解速度。

2.4 外源氮素

周海燕等[39]、匡恩俊等[40]研究表明，還田作物秸稈還田配合施用氮肥有利于微生物繁殖，進而促進秸稈腐解和養分釋放，但氮肥的施用量及方式均對秸稈腐解的影響較大。張靜等[13]認為，作物秸稈還田后的養分釋放是一個較為緩慢的過程，通常認為與作物秸稈C/N的高低有關。Geisseler[41]研究發現，在還田作物秸稈腐解的過程中，耕層土壤有效氮的含量通常能滿足微生物的需求，但微生物腐解還田作物秸稈會消耗大量的土壤有效氮，使得土壤礦質態氮含量急劇減少；但Lvaro-Fuentes[42]認為若還田作物秸稈本身的C/N過高，微生物分解還田作物秸稈時需要消耗土壤中原有的氮素，進而導致秸稈腐解微生物和作物發生競爭養分的現象，降低還田作物秸稈的腐解率。Nicolardot等[43]、Wang等[44]的研究表明，微生物分解有機體的最優C/N為25:1，其中微生物體的C/N為5:1，其余20個單位的碳作為能源消耗。一般來說，還田作物秸稈的C/N均高于25:1，因此氮素就成為分解還田作物秸稈微生物活性的限制因素。還田作物秸稈腐解過程中氮素對微生物群落的作用主要是抑制真菌的生長，而對細菌生物量的影響并不顯著。Fog[45]認為施用氮肥會因為C/N的改變而促進C/N高的物質如纖維素等物料的腐解，而Leung和Pointing[46]則認為無機氮的施用會降低白腐菌（木質素的主要分解菌）的活性，抑制還田作物秸稈腐解。Arcand等[47]研究表明，適量增施氮肥能提高土壤有效氮的含量，避免腐解微生物與作物爭氮，促進微生物的繁殖，刺激非木質化植物殘體碳素的礦化腐解過程，進而加速還田作物秸稈腐解。

3 還田作物秸稈腐解的土壤微生物效應

還田作物秸稈在土壤中被微生物分解分為三個階段，首先是在喜糖霉菌、白霉菌和無芽飽細菌的作用下，分解水溶性糖和淀粉；之后以芽飽細菌和纖維素分解細菌為主，分解蛋白質、果膠類物質和纖維素等；最后以放線菌和某些真菌為主，分解木質素、單寧和蠟質等。因此土壤微生物活性和土壤微生物群落結構的變化易于直觀反映作物秸稈的腐解狀況。Baumann等[48]研究表明，還田作物秸稈腐解過程中，分解作物秸稈殘體的微生物群落結構與作物秸稈殘體的化學結構特別是芳香碳和含氧烷基碳呈現出一定的相關性，而張紅等[49]、Pascault等[50]認為，還田作物秸稈腐解殘留率與土壤微生物群落的優勢度呈顯著負相關，且易分解秸稈對細菌多樣性和活性的影響更大。喻曼等[51]研究表明，還田作物秸稈腐解前期，cy17:0與半纖維素、纖維素的降解有一定相關性，后期的微生物種群則以木質素分解微生物為主。楊軍等[52]研究表明，參與小麥和玉米秸稈分解的微生物生物量相當，但微生物種類有所不同，其差別主要與革蘭氏陽性菌14:0、i14:0、3OH-16:0、i17:0和革蘭氏陰性菌cy17:0以及放線菌10Me18:0有關。Bastian等[53]研究認為小麥秸稈腐解前期和后期的微生物優勢菌群不同，主要表現在放線菌、δ-變形菌和β-變形菌的增加以及纖維桿菌和γ-變形菌的減少上。

4 問題與展望

（1）作物秸稈有效還田的土壤微生物效應研究

目前關于農田系統中還田作物秸稈腐解的研究主要側重于單個影響因素對微生物群落結構或某種特定微生物影響的研究，而對還田作物秸稈腐解的微生物機理的研究較少；同時現階段的研究大部分為可控試驗條件下，如溫室中控制其他條件對單一可變條件如溫度或濕度[35]或兩個條件如不同pH和C/N[29]進行研究，而對于大田間條件下影響還田作物秸稈腐解的主導因素以及不同影響因素之間的交互作用考慮較少。鑒于此，可借助目前在土壤微生物多樣性研究中應用最廣泛的Genome Sequencer FLX+(GS FLX+)高通量測序平臺[54]，在大田條件下研究秸稈腐解和土壤微生物種群組成和功能多樣性的變化特征，揭示對作物秸稈腐解特性及與多個影響因素的互作效應，為完善作物秸稈還田技術及科學用養地研究提供理論基礎和科學依據。

（2）作物秸稈機械化還田關鍵技術及配套裝備選型

針對作物秸稈還田過程中的機具不配套、作業效果不理想以及秸稈還田后腐解緩慢、腐解效果差、病蟲草害發生較重等問題，著重開展快速腐解菌劑及其施用時間、劑量等配套施用技術、土壤-作物氮素耦合調控技術、磷鉀肥減施配套關鍵技術、生態高效除草劑、殺蟲劑調控技術及減施配套關鍵技術的研究，并對玉米收獲機、秸稈粉碎機、免耕播種機等作業機械選型，通過調研、試驗等多種形式，最終篩選出一整套性能先進、可靠性高的滿足秸稈有效還田的配套裝備。

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Returning Crop Straw:A Review of Decomposing Features and Influencing Factors

Ge Xuanliang,Yu Yang,Qian Chunrong
(Institute of Crop Cultivation and Farming,Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences/Scientific Observing and Experimental Station of Crop Cultivation in Northeast China,Ministry of Agriculture,Harbin 150086,Heilongjiang,China)

In order to implement effective decomposing of returning crop straw,we summarized the research progress in decomposing features of returning crop straw and its influencing factors such as own conditions,hydrothermal conditions,soil conditions,exogenous nitrogen and so on,and focused on the research status of the soil microbial effects on decomposing of crop straw.Finally,we made suggestions on the research of effective decomposing of crop straw in order to provide references for formulating scientific techniques of returning crop straw,guiding rational fertilization and proper utilizing and nourishing land.

Crop;Straw;Decomposing Feature;Influencing Factors

S-3

A論文編號：cjas16120002

國家“十二五”科技支撐計劃項目“高效灌溉農藝配套綜合技術集成研究與示范”(2014BAD12B01-2)；公益性行業(農業)科研專項“東北半干旱地區主要農作物微灌節水關鍵技術”(201303125)；現代農業產業技術體系專項資金“國家玉米產業技術體系哈爾濱綜合試驗站”(CARS-02-40)。

葛選良，男，1984年出生，內蒙古通遼人，助理研究員，研究生，博士，主要從事作物栽培生理生化研究。通信地址：150086黑龍江省哈爾濱市南崗區學府路368號，E-mail：gexuanliang@163.com。

錢春榮，女，1973年出生，黑龍江雞西人，副研究員，研究生，博士，主要從事作物栽培生理生化研究。通信地址：150086黑龍江省哈爾濱市南崗區學府路368號，Tel：0451-86678615，E-mail：qcr3906@163.com。

2016-12-02，

2017-01-13。