秸稈還田對土壤理化性質影響的研究進展

于美婷，李春雅，李華泰，劉長莉

(東北林業大學 生命科學學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

秸稈還田對保護土壤資源有很大益處，不僅促進碳素回歸土壤，減少溫室氣體排放，改善土壤理化性質，提升耕地質量和土壤生產力；還可以使秸稈中含有的礦質營養返還到土壤中，補償作物的吸收，促進養分平衡[1]。我國是農業大國，現年秸稈總量已超過9億t[2]，相當于N 776.8萬t、P2O5221.34萬t、K2O 1258.2萬t，若將這些秸稈全量還田，相當于化肥用量的38.4%(N)、18.9%(P2O5)、85.5%(K2O)[3]。但我國并未將秸稈全量還田轉化為土壤所需的營養基質，秸稈還田率僅為54.6%[4]，尤其在東北地區，平均溫度低，加之秸稈還田技術粗放，還田率更低，極不利于黑土資源保護與地力恢復。而且東北是我國糧食主產區，秸稈產量巨大，秸稈綜合利用任務艱巨，亟待國家政策幫扶和科研攻關提高秸稈還田率，促進農業生態循環發展。

1 秸稈還田對土壤有機碳含量的影響

土壤有機碳調節著土壤水、肥、氣、熱等因素，調控土壤中生化反應，在作物增產、恢復土壤肥力方面具有重要作用[5]。秸稈中富含有機物，還田能帶來大量新鮮碳源[6-7]。而且秸稈中含碳物質在土壤中的轉化和分布會直接影響土壤有機碳的組成和含量，進而影響土壤養分循環[8]。

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

有學者通過秸稈粉碎鋪于溝槽還田研究對土壤有機碳含量的影響，證明了在耕作處理相同的條件下，還田主要增加了0～20 cm土層中大團聚體和微團聚體中有機碳含量，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土層中土壤有機碳和可溶性有機碳含量，但增加幅度隨著還田后時間的延長而降低[14]。

由于秸稈還田，土壤表層積累大量秸稈殘體，為微生物生命活動提供了充足的能量，促進了土壤表層的生物活性，有利于在團聚體內部形成有機質[12]。并使土壤中微生物源碳、溶解性有機碳含量一段時間內產生變化[15]。各處理各粒級團聚體有機碳含量均隨著土層深度的增加而減少，說明秸稈轉化有機質與氧氣含量、土壤微生物數量密切相關。Muhammad等[16]在德國的研究表明，秸稈還田提高土壤呼吸的同時會造成碳素虧損。提示長期秸稈還田才能使土壤指標更穩定，秸稈還田第2年是有機碳的主要積累時期，且土壤有機碳受秸稈倍量的影響更大。

秸稈配合無機肥料還田對土壤碳固率有積極影響。在較高的有機碳密度下，施用無機肥加秸稈還田處理的土壤固碳率(CSR)高于單純施用無機肥處理[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。土壤有機碳儲量對秸稈還田的響應大于單獨使用礦物肥料的響應。此外，處理的初始有機碳儲量和有機碳固存率呈高度負相關。這些研究都說明秸稈還田對土壤有機碳的影響受到肥料管理、耕作制度、土壤類型、持續時間和初始有機碳含量的影響[18]。

2 秸稈還田對土壤氮含量的影響

秸稈中的有機氮是土壤氮源的一個重要來源，秸稈還田對土壤氮素的影響取決于秸稈還田的類型和數量。對土壤性質初步分析表明，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，輕組有機質氮對秸稈還田較為敏感，重組氮相對穩定，是維持土壤肥力的關鍵組分。隨著秸稈還田時間的延長，總氮與不同氮素組分之間的關系發生了變化[20]，因為秸稈中的氮有效釋放到土壤中，存在形式發生變化，有機氮礦化并促進了固定氮的轉化。更利于恢復土壤生產力。在不同秸稈還田方式對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深度土壤硝態氮流失方面優于常規不還田施肥管理[22]。吳立鵬等對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氮含量(P<0.05)[23]。基于這樣的現象有研究表明，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，有利于氮的硝化，使NH4+轉化為NO3-；另一方面，氮肥用量也是影響稻田土壤中銨態氮含量的重要因素。將秸稈還田釋放的氮素作為水稻整個生育期總供氮量的一部分，可相應地調減氮肥投入量，因而也相應降低了土壤銨態氮含量[24]。

秸稈分別結合纖維素降解菌和復合菌還田3年后，從土壤氮含量平均值來看，復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照氮含量提高2.94%和4.79%，其中纖維素分解菌處理比對照提高1.79%，這是因為微生物復合菌劑提高了秸稈降解速度使營養物質加速返還土壤。秸稈還田使土壤微生物多樣性更豐富、酶種類更豐富，有利于秸稈迅速轉化。秸稈配施復合菌劑還田，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化為氨氣促進土壤中氮含量的增加[25]。

人們普遍認為將農田地上部分還田可以維持或增加土壤碳儲量，而Xia等的研究證明，自然界中碳和氮的生物地球化學循環緊密耦合，秸稈還田也可能影響土壤反應性氮(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%)，這主要是由于增強了微生物氮固定化。然而，秸稈還田后，農田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總結的緣故。NH3和N2O排放量的增加與秸稈C/N比和土壤黏粒含量呈負相關。秸稈還田后土壤有機碳含量的增加與氮素淋失和徑流的減少呈正相關。然而，在全球范圍內，秸稈還田增加了稻田和旱地的凈Nr損失，這是由于對NH3排放的刺激大于對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衡強調了合理管理秸稈還田以限制NH3排放而不降低相關碳固存潛力的重要性[26]。由此可見，秸稈還田對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論不盡相同，秸稈還田對土壤的影響受到很多其他因素的調節，不是一成不變的。

3 秸稈還田對土壤微生物多樣性的影響

秸稈還田對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]，秸稈分解后的有機質可促進土壤細菌、放線菌、真菌數量增加2～6倍。秸稈還田配合施用磷肥與單純施用磷肥相比，細菌豐富度提高63.6%，物種多樣性Shannon指數提高27.9%[28]，其中纖維素降解細菌數量增加了84%，土壤中的Streptomycetaceae、Flavobacterium、Sphingobium相對豐度明顯多于秸稈不還田處理土壤，說明秸稈是否還田影響了土壤纖維素降解細菌的多樣性[29]。定量PCR和高通量測序深入解析秸稈還田對土壤細菌群落的影響，發現秸稈還田改變了變形桿菌和氯氟立克次體的垂直分布。Yu等的加權均勻矩陣的主坐標分析顯示，秸稈還田處理土層5～25 cm深度的細菌群落有中度分離，但土層25～45 cm深度處無顯著區別[30]。分析認為，積累于土表的秸稈能刺激土壤微生物活性，能利用秸稈生長代謝的微生物成為新的優勢菌種[31-33]。秸稈有機質還田還顯著增加0～20 cm土層中大團聚體中的關節孢菌和20～40 cm土壤中大團聚體中的脈孢菌等微生物數量。真菌菌絲對于改善土壤質量和與植物共生生長也很重要[34]。此外，秸稈還田降低了病原真菌(Alternara屬)的數量，減少土壤病害風險，主要原因是能在數量和結構上為土壤微生物群落的健康發展提供了適宜的養分和鹽分[35]。Burkholderia、Pseudomonas、Clostridium、Rudaea、Bacillus和Gemmationas有助于調節耕作和殘茬下表層土壤有機碳的吸收。多因素分析顯示，Rudaea、Spingomonas、Pseudomonas、Dyella、Burkholderia、Clostridium、Pseudolabrys、Arcicella、Bacillus與土壤有機碳相關[36]。同時，秸稈還田還豐富了根瘤菌等氮循環細菌屬的相對豐度[19]，有利于土壤氮素吸收。這說明秸稈還田對土壤一系列有利影響之間也有相互促進作用。

4 秸稈還田對土壤鉀含量的影響

鉀素能促進碳水化合物合成，增強植物抗干旱、抗嚴寒和抗病蟲害的能力，農田土壤中鉀的豐缺及生物有效性與作物鉀素營養狀況密切相關，直接影響作物生長發育、產量和果實品質。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養的一大阻礙。而秸稈中的鉀以離子態存在，容易被淋洗出來，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，作物產量與植株吸鉀量呈相關。小麥和玉米植株生產100 kg谷物所需的K2O分別為3.26和2.24 kg[39]。

長期秸稈還田會使土壤中礦物成分發生變化進而影響土壤理化性質。長期秸稈還田，土壤中伊利石和高嶺石增加，蛭石和1.4 nm過渡礦物(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，與高嶺石和HIV含量則呈負相關，土壤鉀素的釋放量與土壤非交換性鉀、全鉀含量呈正相關，證明長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化的關系。長期秸稈還田可以增加土壤的供鉀能力[40]。上述秸稈還田對土壤理化性質影響的具體指標如表1所示。

表1 還田方式對土壤理化指標影響一覽表

5 寒地秸稈還田方式及成效

秸稈被分解轉化主要是土壤微生物分泌的木質纖維素轉化酶在起作用，而木質纖維素酶的最佳酶活溫度是30～55 ℃。木質纖維素轉化的菌劑根據最佳轉化溫度可以分為高溫菌、常溫菌和低溫菌三類(表2)，我國北方寒地年均溫度較低，低溫限制秸稈轉化分解是限制秸稈還田的主要因素，尤其是冬季時間長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，低溫秸稈轉化菌劑能夠在低于20 ℃條件下轉化秸稈，對于北方地區，有可以在4～15 ℃正常生長代謝的低溫菌。這些菌劑可以提高秸稈還田效率，加快秸稈還田推行進程。

表2 不同溫度下秸稈還田的優勢微生物種類

GF-20是一種玉米秸稈低溫降解菌劑，青格爾在內蒙古的研究表明，秸稈還田配合GF-20菌劑還田的結果顯示，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照，施用復合菌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。且試驗各時期均以施用秸稈降解復合菌GF-20土壤養分含量較高，施入30 d后，土壤堿解氮、土壤速效磷、土壤速效鉀、土壤有機質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土壤養分的提高效果明顯，對作物產量的增加效果顯著。胡萬吉等對GF-20進行PCR-DGGE檢測共得到18個條帶，其中關鍵菌株分別為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有因連續繼代培養而發生變化，說明GF-20菌系組成穩定受外界干擾較小，為進一步開發秸稈還田促腐菌劑提供保障[53-54]。

在東北地區開展的低溫菌劑應用試驗中，首先將玉米秸稈晾干粉碎，同時秸稈噴施常溫菌劑和低溫菌劑處理，在下一輪播種時，測土壤理化性質結果顯示常溫菌劑處理秸稈土壤各個指標與單純秸稈還田處于同一水平，幾乎沒有變化，證明常溫菌劑對寒地秸稈還田沒有促進作用。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照提高7.4%～14.81%，土壤有機質含量高于對照0.93%～5.61%。高通量測序結果表明，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]。由上述試驗得知，低溫環境中，秸稈還田配施低溫菌劑不僅可以促進秸稈降解，還可以增加土壤養分含量，提升腐殖質含量進而提升土壤肥力和農作物產量，低溫菌劑為解決寒地秸稈腐解緩慢的問題指明了方向。

6 展望

中國秸稈資源豐富且尚有廣闊的開發和利用空間，秸稈還田是資源循環利用的有效途徑，可改善土壤理化性狀、提高作物產量，對制約農業生產力發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還田見效慢的不足。目前我國秸稈還田率遠低于歐美地區，仍需要大力推廣秸稈還田以促進農業可持續發展。我國耕地腐殖質逐年變薄變淺，為了保護耕地，秸稈原位腐解還田將成為一種趨勢，原位還田既實現了資源循環利用，又節約秸稈離田生產有機肥的運輸、人力和物力費用，然而在生產實踐中原位腐解還田菌劑的篩選是關鍵，菌劑應根據作物種類、土壤、溫度條件而調整；其次，應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進而實現配套規模化還田模式。最后，秸稈原位腐解還田方式需要政府的支持、農民的配合和先進的科技實力，一旦技術成熟投入使用，功在當代，利在千秋。