秸稈還田對土壤有機(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，會大量產(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，同時它對土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)及生物特征都有相對直接的影響[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)過一段時間腐解后成為土壤腐殖質(zhì)，而不同還田方式對土壤有機(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)有效同時又省時的特點(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，免耕對土層擾動少，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，頻繁耕作會破壞土壤表層結(jié)構(gòu)，降低對有機(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)過短時間的發(fā)酵，并在這段時間內(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物的腸胃轉(zhuǎn)化為糞便，糖類、纖維素、蛋白質(zhì)部分被動物吸收[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較快的階段，秸稈中易分解物質(zhì)會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，C/N值高的分解快[37]。還有研究發(fā)現(xiàn)不同作物對土壤有機(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土壤有機(jī)碳的作用均存在差異。

3 不同還田量對土壤有機(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，即使增加還田量，土壤有機(jī)質(zhì)的含量也不會伴隨其同步提升[47]，這可能是由于高量的秸稈還田會降低土壤的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。