秸稈還田對土壤養分供應及微生物群落的影響

楊希淼，于濟菘，王 冰，王端端，孫誠然，馬春梅

（東北農業大學 農學院，哈爾濱 150030）

秸稈焚燒處理會產生許多危害，秸稈焚燒產生的煙和顆粒會對人們的呼吸道健康產生危害，釋放出的CO2、CH4和N2O等溫室氣體會加劇溫室效應，秸稈中的營養元素會大量流失，并對土壤的理化性質產生影響。研究表明，水稻秸稈燃燒釋放的氣體包括70%的CO2、7%的CO、0.7%的CH4和2.1%的N2O；每燃燒1 t小麥秸稈，會損失2.4 kg的N。有的作物秸稈還含有硫，在燃燒時，會釋放一部分的硫元素。研究發現，秸稈焚燒降低了土壤中57%的微生物量，對0～5 cm表層土壤中的微生物影響較大，其中真菌數量下降43.68%～73.43%，放線菌數量下降9.32%～74.83%，細菌數量下降58.93%～81.44%，同時燃燒導致的土壤高溫和水分散失影響了土壤酶的活性。因此，將作物秸稈焚燒并不是處理大量秸稈的最佳方式，應該尋求其他的解決方式。

秸稈還田后，經微生物的分解作用，釋放出的氮、磷和鉀等營養元素，不僅可以補充作物收獲造成的土壤養分流失，還可以使耕作肥料的使用量降低，從而減少農業投資成本。土地中的活性碳組分，如可溶有機碳、土壤微生物量碳和易氧化物有機碳等對各種農業管理措施形成的改變更靈敏，常被作為評估土地品質和土地管理水平的主要指標。通過秸稈還田的方式可以提供一個適宜土壤微生物生存的環境，提高土壤微生物活性，增加土壤微生物數量。適當的秸稈還田還能促進作物生長，增加作物產量。

1 秸稈還田對土壤養分的影響

1.1 秸稈還田對土壤中氮磷鉀含量的影響

（1）氮磷鉀是植物生長過程中所需最多的營養元素。土地中的含氮物質一般以有機態類型存在，而糧食作物所吸取的無機氮是由有機氮通過礦化效應轉換而來的，是糧食作物氮素養分的主要來源。李瑋等[1]認為秸稈還田可以增加0～20 cm土層的氮素積累；在秸稈還田配施氮肥的條件下可以增加0～40 cm土層的氮素積累。當施氮量大于等于202.5 kg/hm2時，收獲后的0～40 cm土壤氮素積累量高于播種前；在不進行秸稈處理的情況下，當施氮量大于等于243 kg/hm2時，收獲后的0～40 cm土壤氮素積累量高于播種前。研究發現，隨著秸稈還田量的增加，土壤全氮含量呈單峰曲線變化，在50%小麥和50%玉米秸稈還田時達到最大值。其中，玉米秸稈還田對土壤全氮含量的影響大于小麥秸稈還田，50%混合還田的小麥和玉米秸稈還田可使土壤全氮含量最大化。

（2）土壤磷主要分為無機磷和有機磷，其中無機磷占總磷量的60%～80%，有機磷是土壤速效磷的重要來源，對植物磷素供應起重要作用。在長期秸稈還田條件下，土壤全磷及速效磷的含量顯著提高，但短期的秸稈還田對土壤全磷的影響并不顯著。許多研究資料表明，秸稈還田對土壤磷素轉化有顯著作用，在研究的各種秸稈還田方法中，各種類型有機磷均以免耕秸稈覆蓋含量最高，順序是免耕秸稈覆蓋大于免耕不覆蓋大于傳統耕種結合秸稈還田大于傳統耕種不覆蓋。秸稈還田使土壤中有機磷主要轉變為中、高度穩定模型有機磷；使用有機肥還可提高土地中有機磷的含量，這已在多個田間試驗中獲得了證明。一方面，使用有機肥后，土壤微生物量和活力都得到了增加，促使土壤無機磷向有機磷和微生物磷轉變。另一方面，有機肥本身可直接增加土壤有機磷各組分的含量。

（3）土壤鉀對于植物的光合作用、蛋白質合成等許多其他功能有著至關重要的作用。在長期秸稈還田配施鉀肥的條件下，能夠提高土壤中水溶性鉀、緩釋鉀和交換性鉀的含量，提高有效形態鉀占全鉀的比例。王凡[2]研究認為，秸稈還田增加了土壤速效鉀含量，小麥和玉米分別在100%、50%時達到最高值。土壤全鉀和土壤速效鉀在氮磷鉀肥全施+100%秸稈還田的條件下，含量達到最大值，且與只施肥相比，土壤速效鉀增幅遠大于土壤全鉀，增加了260.6%。有研究表明，在秸稈還田不施鉀肥條件下，土壤速效鉀含量降低；在秸稈還田配施氮磷鉀肥條件下，土壤速效鉀含量增加明顯。顧美英等[3]研究結果表明，秸稈過腹還田配施氮磷鉀肥提高土壤速效鉀含量的效果最顯著，比只施用氮磷鉀肥提高了20.95%。

1.2 秸稈還田對土壤有機碳庫的影響

（1）土壤的有機碳庫，對保持土壤生態系統碳均衡、生物功能平衡、健康和可持續性具有重要意義。土壤有機碳庫隨著世界自然環境的改變而發生變化，同時土壤有機碳庫的改變也引起了世界氣候和大氣碳庫結構的改變。農業土壤碳庫是世界土壤碳庫的成分之一，但隨著人類活動的頻繁干擾，農業土壤有機碳庫的構成也一直在動態變化。改善耕地土壤的固碳能力，保持土地中碳庫平衡，能有效減少世界氣候的變遷，從而降低土地碳損失。土壤有機碳很大程度上決定了土壤質量，而土壤有機碳含量不僅取決于氣候、地質等自然因素，而且受土地利用方式、耕作措施、種植制度和施肥等人為因素干擾，是其綜合作用的結果。

（2）土壤有機碳庫不是一成不變的，為了便于研究，通常將土壤有機碳庫劃分為活性碳庫與惰性碳庫。活性碳庫的變化會導致土壤有機碳庫改變，活性碳庫易礦化、周轉快和易氧化，一些活性較高的組分如水溶性有機碳、微生物量碳和易氧化有機碳等對環境的變化反應迅速，有機碳庫的微小改變能被這些活性碳組分顯示出來，同時也說明這些活性物質是最先被作物吸收的營養物質，而且，這些活性碳組分之間相關性顯著。有研究表明，在免耕+秸稈覆蓋還田、傳統耕作+秸稈覆蓋還田和免耕條件下的土壤微生物量碳的含量均高于傳統耕作，而且含量從多到少依次為免耕+秸稈覆蓋還田、傳統耕作+秸稈覆蓋還田和免耕。

（3）近年來，由于秸稈還田的大力推廣，土壤有機碳庫水平快速提升。李涵等[4]在研究秸稈還田對土壤總有機碳庫含量的影響時發現，在秸稈還田條件下，0～40 cm土層中土壤總有機碳庫含量顯著增加，且總有機碳庫含量從多到少相應的覆蓋還田量為9000 kg/hm2＞13500 kg/hm2＞4500 kg/hm2。秸稈還田增加了土壤中微生物碳的含量，不僅加快了碳的固存速度、增加了碳固存量，還改善了土質，增強了土壤肥力，延長了土壤肥力的持續時間。路文濤等[5]通過寧南旱區3年的秸稈還田定位試驗發現，在谷子秸稈還田量為6000 kg/hm2、玉米秸稈還田量為6000 kg/hm2的條件下，土壤總有機碳含量和碳庫管理指數較秸稈不還田處理增加幅度最大，分別為22.97%和45.45%。在翻耕、旋耕2種耕作方式+秸稈還田均能增加各土層土壤總有機碳和活性有機碳含量，且在7～14 cm土層中，旋耕總有機碳含量高于翻耕，而在14～21 cm土層中卻相反。

2 秸稈還田對土壤物理性狀的影響

容重、緊實度是土壤重要的物理性狀，并且土壤容重經常被用于評估土地耕作質量和作物管理好壞的依據。秸稈還田對土地物理性質的影響顯著，與傳統單施肥料對照比較，經秸稈還田處理的土壤，容重顯著降低。研究發現，與秸稈不還田相比，連年與隔年秸稈深還，表層和亞表層的容重均下降，且對亞表層的影響較大。與秸稈不還田相比，秸稈覆蓋還田和翻埋還田處理都能使土地容重降低，并且秸稈翻埋還田處理對土壤物理性狀的改善效果更好。

土壤團聚體是土粒通過各種自然過程的作用形成的直徑小于10 mm的結構單位，是判斷土壤是否肥沃的指標之一。在旋耕和深耕2種耕作方式條件下，采用秸稈還田處理，會顯著提高5～10 cm土層中大于0.25 mm團聚體所占的比例。張玉銘等[6]研究了耕作方式和秸稈還田對土壤團體中碳氮分布的影響，并發現和旋耕秸稈還田相比，深層秸稈還田不僅提高了土壤團聚體的平均重量直徑，還提高了20～40 cm土層中大于1 mm粒級水穩性團聚體所占的比例和大于2 mm粒級團聚體的穩定性。經秸稈還田后，粒徑為大于2 mm和0.25～2 mm團聚體的比重顯著增加，而粒徑為0.053～0.25 mm和小于0.053 mm的團聚體的比重顯著降低。秸稈還田還降低了團聚體破碎率PAD，提升了土壤團聚體的幾何平均直徑（GWD）和平均質量直徑（MWD），GWD和MWD越大，團聚體破碎率越小，團聚體越穩定。

3 秸稈還田對土壤微生物群落的影響

3.1 秸稈還田對土壤微生物數量的影響

土壤微生物的數量和土壤的理化特性直接相關。土壤的理化特性在較大程度上控制了土壤微生物的活力和數量，同樣，土壤微生物的活力和數量也影響著土壤的理化特性。長期向農田單獨施入氮、磷、鉀肥和不施肥處理對土壤微生物性質的影響相比變化不大，但對長期施入氮、磷和鉀肥的農田進行秸稈還田處理后，土壤微生物的數量和活性都得到了提高，其生活環境也得到了改善。在秸稈還田之后土壤細菌的數量明顯上升，施用秸稈量越大，秸稈雜物腐解時間就越長，因此土壤細菌數量也更多，施用綠肥與施用化肥相比，更能增加土壤微生物數量。研究發現，在玉米—小麥輪作情況下，經秸稈還田處理，土壤中細菌、真菌和放線菌的數量得到了增加，而且土壤中的多種酶的活性也得到了提高。盛榮等[7]研究結果表明，水稻秸稈遮蓋還田增加了土壤真菌數量，土壤細菌的數量變化不大，而在水稻田地中，施用稻草和綠肥后，土壤細菌和真菌數量都有一定程度的增加，而且真菌增加的幅度小于細菌。研究發現，在雙季稻栽培地區，秸稈還田條件下，在早稻收獲期和晚稻齊穗期，土壤中的真菌數量略有下降。

3.2 秸稈還田對土壤微生物多樣性的影響

土壤微生物的多樣性與活力是維持農業生態系統安全與平衡的基石。長期的高強度單施用化肥減少了土壤微生物種類，導致土壤質量退化。化肥處理后的土地中微生物量碳與土地中微生物量氮的比值最大，但不施肥和撂荒管理比值較低，2組相比差別很大，表明長時間耕地施肥使土地微生物種群內部結構出現了很大改變。研究發現，通過冬季秸稈還田處理可以保持雙季稻田的根際土地微生物種群多樣性，特別是通過馬鈴薯的秸稈還田處理可以增加根際土地中微生物種類的豐富量和保持群落物種的均勻性。在秸稈還田配施氮磷鉀肥條件下，土壤中的變形菌、泉古菌和酸桿菌相對豐度增加。劉晶鑫等[8]采用Biolog ECO微平板培養法，對已持續施肥35年的黑土土壤微生物種群功能多樣性進行了研究，結果顯示，單施化肥或有機肥都可改善連作的小麥種植土地微生物多樣性，以單施有機肥效果最為顯著，但化肥配施后土地微生物多樣性有所減少。使用生物炭的土地細菌豐富度和種群數量最大，其次為秸稈還田，不施肥的土地微生物種群豐富度最低。

4 結束語

綜上所述，近年來，秸稈還田成為人們關注的焦點，秸稈的合理利用對未來農業的可持續發展至關重要，秸稈還田改善了土壤理化性質，減少了因焚燒帶來的環境污染。不同的秸稈還田時間、還田土壤類型、還田方法和還田量會對土壤微生物和土壤養分產生不同的影響，探究正確的秸稈還田方式是實現秸稈安全還田的關鍵。今后應該完善秸稈還田技術體系，加大秸稈還田技術宣傳與培訓力度，讓秸稈還田真正地造福于民。