不同秸秆还田模式对土壤有机碳周转的影响

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(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室，吉林 长春 130102；2.中国科学院大学，北京100049)

0 引 言

农业生产过程中会产生大量秸秆，全球每年大约产生秸秆40亿t[1]，而我国每年产生秸秆8.4亿t[2]。秸秆中富含大量碳、氮等营养元素，不仅是物质和能量的载体，也是宝贵的自然资源[3]。而传统性耕作中农民为了能够在较低成本下快速清除秸秆，在收获期间广泛采用焚烧秸秆的处理方式[4]。秸秆焚烧会加速土壤有机质和养分的流失，增加碳排放，引起空气污染，并降低土壤微生物活性[5-7]。因此，秸秆等作物残渣的资源化利用对提高农业和环境可持续发展具有重要意义[8]，也是保护性耕作的重要环节。同时秸秆也是促进农业生态系统土壤物理、化学和生物循环的关键[9]，已被视为保证粮食安全和减少人为CO2排放的环境友好战略[10]。

秸秆还田是固定土壤有机碳的有效途径之一，同时还可以提高土壤的固碳能力，从而减缓土壤有机碳负平衡现象[11-12]。据估计，全球每年大约有0.6～1.2 Pg碳可以通过秸秆还田固定到土壤当中，增加了土壤有机碳含量，提升了土壤地力[13-14]。Liu等[15]对基于全球176个研究结果的萃取分析得出，秸秆还田可以使有机碳含量增加12.8%。Zhao等[16]研究表明，秸秆还田可以使我国农田土壤0～30 cm土层有机碳含量增加0.81 g·kg-1。Powlson等[17]通过秸秆添加100年后的模拟实验得出，土壤有机碳含量比未添加秸秆增加了20.4 t·hm-2。

土壤有机碳对秸秆还田后作物残体的分解转化是农田生态系统碳循环及养分周转平衡的一个至关重要环节[18-19]，秸秆还田后的分解转化过程会直接影响土壤碳氮含量，并导致土壤物理行为和功能的变化。秸秆自身特性(秸秆化学组成)、秸秆还田方式(覆盖地表和翻埋还田)及还田作物秸秆类型等都会影响土壤有机碳对秸秆还田的响应，而且不同气候条件和不同土壤类型下其效应也会不同，甚至出现相反的响应[20-21]。因此，探明秸秆还田在土壤中的分解转化特征以及影响因素，对了解碳周转规律、促进农业管理和生产，以及环境可持续发展具有重要的意义。

1 秸秆还田后土壤碳的周转特征及研究方法

土壤碳库主要包含无机碳和有机碳两部分。碳酸盐是土壤无机碳的主要成分，能够在土壤中稳定存在，因此很少参与碳循环过程。土壤有机碳主要来源于动植物及微生物残体、排泄分泌物、土壤腐殖质以及人为施加的有机物料[22-23]。活性有机碳(LOC)是土壤有机碳的重要组成部分，它可以反应土壤的微小变化，又直接参与土壤生物化学转化过程，同时也是微生物活动的能源和动力[24]。许多研究表明，秸秆还田可以增加土壤有机碳含量，但对土壤有机碳不同组分会产生不同效应。周欢等[25]通过在黄土高原旱作农田进行玉米秸秆还田的试验研究发现，秸秆还田可以显著增加总有机碳(TOC)和LOC的含量。李琳等[26]通过双季稻区保护性耕作试验研究发现，水稻秸秆还田后可以同时增加TOC和LOC含量。陈尚洪等[27]在四川盆地两种不同母质的土壤上进行4年定位试验研究，也得到水稻秸秆还田不仅可以提高TOC含量，还增加LOC含量。有的学者通过进一步研究证明，秸秆还田不仅可以增加土壤LOC的含量，而且与还田量呈正相关关系[28]。Riffaldi等[29]研究发现，秸秆还田可以增加土壤溶解性有机碳(DOC)含量。

农田土壤有机碳变化主要由输入和输出有机碳的相对关系来决定，即有机物质的分解矿化损失和腐殖化、团聚作用累积的动态平衡[30]。秸秆还田后，一部分被土壤微生物分解转化成简单无机物(例如CO2、碳酸盐等)，称为矿化过程；或者是先被土壤微生物分解成简单化合物，然后同微生物生命活动产物(例如：氨基酸、肽等)形成一类分子量大、无定形的聚合产物，称为腐殖化过程。而这一类大分子物质因难以降解，成为了土壤有机碳的主要组成部分。因此，腐殖质成为衡量土壤有机质含量和稳定性的重要指标之一。秸秆含有的木质素、纤维素等难降解的大分子物质，大部分被降解转化成为富里酸(FA)、胡敏酸(HA)，从而对土壤原有腐殖质组分进行更新，形成新的土壤腐殖质[31]。小麦玉米秸秆还田配施化肥处理，可以增加HA、FA含量，使HA/FA的值增加，提高腐殖质含量[32]。曾木祥等[33]通过研究稻草还田量对土壤腐殖质含量发现，随着还田量增加，FA和腐殖酸的含量也相应增加。但万晓晓等[34]研究发现，秸秆还田之后，会增加腐殖质和HA的含碳量，却使HA的含量降低、HA/FA的值减小。

土壤微生物在很大程度上决定着土壤生态系统养分循环和能量流动，能敏感地反映气候以及土壤微生态环境的变化，较早指示土壤有机质的变化[35]。而且，还可以通过调节土壤环境，维持土壤生态系统的稳定性和土壤的可持续利用[36-37]。而秸秆还田后,由于添加了外源有机物质，会促进大量的微生物生长繁殖,形成土壤微生物活动层,加速了对秸秆中有机态养分的分解释放,可提高土壤有机质含量[11,38]。张红等[39]研究表明，不同秸秆腐解的程度与土壤微生物群落优势度呈显著负相关关系，分解速率也受土壤微生物的影响。

土壤有机碳分解转化研究方法，主要可以分为两类：常规方法和同位素示踪法。常规方法主要是常观测定实验小区和对照小区土壤有机碳含量的变化，以及这些小区中各种有机组分碳含量的差异。该方法的不足在于无法准确测定短时间内土壤有机碳的变化。原因是土壤有机碳背景值比较高，对土地管理方式等外在因素变化反应不够灵敏，会出现一定的滞后性，因此无法测定短期内的影响。同位素示踪法是一种常被用于测定土壤有机质组分转化速率的有效方法。主要包括：放射性同位素示踪法(一般用同位素14C标记)、稳定性同位素示踪法(一般是用同位素13C标记)。14C同位素示踪法可用于监测14C均匀标记的有机物质在土壤中的转化及其分解产物，研究14C-HA、FA参与的转化过程[30]。王志明等[40]通过14C同位素示踪研究秸秆在稻麦轮作系统中的分解转化过程，表明秸秆还田能够加速土壤微生物碳(MBC)的周转，使土壤原有机碳分解速率以及分解量增加，从而使有机碳含量减少。大量学者利用13C自然丰度法研究有机碳来源及其周转速率[30]。窦森等[41]通过720 d室内培养实验，利用13C稳定同位素示踪法研究玉米秸秆腐解对土壤有机质变化时发现，玉米秸秆以及原土有机碳含量均减少，同时后者的降解速率较低；与新形成的FA、HA的相互转化速度相比，原土有机质的HA、FA的转化速度更慢。Doane等[42]通过对比两种不同耕作方式下玉米农田土壤腐殖质的3种主要组分含量的差异，研究表明，土壤中的有机质含量处于动态变化之中，且对外部输入的有机质变化有灵敏的响应，同时也证明腐殖质的3种组分在碳循环中起到了不同作用。

总体来说，秸秆还田不仅增加土壤表层的TOC含量，还增加土壤LOC含量，促进土壤碳循环，而且还增加了土壤微生物的生命活动，更进一步地促进秸秆中养分的分解释放，增加土壤肥力。

2 秸秆质量及还田方式对土壤有机碳的影响

2.1 不同类型还田作物

由于不同作物秸秆化学组成不同，导致在相同土壤条件中分解时，可能表现出不同行为，从而对有机碳的固定产生很大影响[43]。从元素组成来看，作物秸秆主要由碳(C)、氮(N)、磷(P)及钾(K)等营养元素构成，不同作物秸秆的各元素含量会有所不同。腐解前期，C/N值低、体积小的作物秸秆分解占主导地位；腐解后期，C/N值比高、体积小的秸秆会加速分解[39]。因此，作物秸秆C/N值是植物残体矿化速率的主要影响因素[44]。从物质组成来看，作物秸秆主要由木质素、纤维素、半纤维素等营养物质构成[25,45]，共同组成植物体的骨架[46]。三者的总量大约占秸秆总量的80%以上，其中木质素含量为15%～20%[47]。而木质素是一种天然有机高分子化合物，由苯基丙烷结构单元构成，具有三维空间结构，与其他组分相比，更难被微生物降解[48]，因此，木质素含量高的作物秸秆其分解速度较慢[49]。了解作物秸秆在分解过程中化学成分的变化对阐明秸秆还田对土壤碳固定和营养循环的影响机制至关重要。在对烟草田土壤碳氮养分供应研究中发现，分别添加1%玉米秸秆、烟草秸秆、水稻秸秆及水稻秸秆生物炭后，有机碳矿化速率与对照相比均有所提高，其中有机碳矿化速率最大的是玉米秸秆；而有机氮矿化速率随着还田时间增加，呈现出先减少后增加，最后趋于平衡的规律[50]。但也存在不同的研究结论，鲁耀等[51]认为玉米秸秆在土壤中分解速率最慢。不同秸秆还田后，分解速率也存在差异，小麦秸秆还田后，分解速率最快；同时与水稻、油菜秸秆相比，释放出的氮含量最高[52]。主要是因为小麦秸秆中木质素的含量较低，易于分解。因此，相比玉米秸秆还田，添加小麦秸秆后土壤TOC及LOC均有显著增加[53-54]。

2.2 不同秸秆部位还田

由于同一作物不同部位生长环境存在差异，其物理结构和化学成分就存在很大不同[55]，因此还田后会对土壤产生不同效应。玉米根茬还田后，土壤微生物量碳、氮含量均低于秸秆还田[56]。主要是由于根部木质素/氮高于秸秆的木质素/氮，不利于土壤微生物量的增加和碳氮循环。刘四义等[57]通过探究秸秆不同部位还田对微生物量的影响，也证明木质素与全氮含量的比值能够更好地说明秸秆分解以及有机碳固定的差异。由于木质素含量：根>茎>叶[58]，因此根部矿化分解主要受木质素含量的影响。但是，Shahbaz等[59]研究表明，添加低浓度水平的有机物料，根部的矿化程度同茎和叶相似；高水平浓度下，根部矿化程度才会降低。说明保证秸秆还田量一定的条件下，根部的木质素含量才会成为秸秆腐解的主要受限因素。

2.3 秸秆还田量

不同数量的秸秆还田均促进土壤有机质含量增加，提高土壤肥力，主要是因为秸秆还田为微生物的生长繁殖提供物质基础，增加微生物的数量以及活性，从而加速秸秆分解，提高土壤有机质含量。高粱秸秆还田量为6 390 kg·hm-2时，土壤有机碳、全氮含量达到最大[60]。袁晓明等[61]研究表明，全量还田较半量还田相比，有机质含量提升效果更好，提升率达10%以上。还有研究表明，秸秆50%还田量对0～10 cm土层的土壤有机碳含量影响不大，但200%还田量显著增加了土壤有机碳含量，与对照相比增加了49%[62]。秸秆还田能使土壤全氮、碱解氮含量增加，随还田量的增加而幅度加大[63-64]。大多数研究表明，在适宜范围内，土壤有机碳含量会随秸秆还田量增加而增加。然而，也有研究发现，有机质含量会随秸秆还田量的增加，呈现先增加后降低的趋势。胡乃娟等[65]认为，稻麦两季连续半量还田显著增加TOC和MBC含量，而DOC、易氧化有机碳含量在25%秸秆还田量处理下达到峰值，与秸秆全部还田相比，50%或25%秸秆还田显著提高了土壤有机碳含量。

2.4 秸秆还田方式

大多数研究主要针对于秸秆直接还田(覆盖还田、深埋还田)对土壤有机碳、氮循环产生的影响。不同还田方式使得秸秆位于土壤层的位置有所差别，由于不同土壤层的自然条件不同，从而导致微生物种群多样性以及秸秆腐解速率的不同[66-67]。秸秆翻压还田的有机质含量要高于秸秆覆盖还田[68]，可能是因为秸秆翻压还田降低土壤容重，提高土壤的通气性和改变土壤水分状况，增加土壤含水量，提高微生物活性，从而加速秸秆分解[69]。秸秆不同土层还田对有机碳周转的影响也并不一致，董珊珊等[70]通过研究玉米秸秆不同还田方式对土壤有机碳结构的影响，发现秸秆浅施可以使土壤表层(0～20 cm)的有机碳及腐殖质(FA、HA和胡敏素)含量增加，秸秆深还增加土壤亚表层(20～40 cm)有机碳及腐殖质含量。同时，秸秆粉碎还田处理对土壤有机质积累有明显的作用，主要是由于粉碎秸秆施入田中，可以和土壤充分混合，加速微生物对秸秆的分解[71]。除此之外，近些年有许多关于秸秆配施氮肥还田的研究，证明该措施可以在一定程度上增加有机质含量，改善土壤肥力。秸秆配施氮肥还田可以显著增加腐殖质含量(HA、FA)[72]。特别是两季秸秆还田配施氮肥可以通过增加芳香族化合物，提高腐殖质活性，从而增加有机碳含量[32]。主要的原因是秸秆还田使土壤C/N迅速增加，导致C/N短暂失衡，因此添加适当氮肥可以缓解氮素缺失，降低微生物对氮素的固定并利于养分释放。然而，也有一些国外学者研究发现，有机物料和氮肥的长期输入，可能不会促进土壤有机碳的固定[73-76]。

3 展 望

近年来，关于秸秆还田可以增加土壤有机质含量、促进土壤碳循环的研究涉及的方面非常广，而且也取得了一定的进展，但是仍存在许多不足，需要进一步研究。如：秸秆还田在一定程度上会打破土壤生态系统原有的碳动态平衡，在微生物的作用下，与土壤物质结合成为新的有机质，而新的有机质进入土壤后对土壤碳周转、稳定和更新产生的影响并没有太多的研究；秸秆还田对提高土壤碳含量以及矿化具有显著影响，但是同土壤原有有机碳矿化的关系也有待进一步研究。许多研究表明，秸秆还田可以增加土壤微生物的数量，但是对其活性和多样性的影响并不是很明确，需要进一步探明；对于目前秸秆还田的研究，主要集中于对土壤有机碳总量的影响，而还田后对土壤有机碳的化学组成和物理结构变化特征的研究有待进一步加强。同时就产生的长期效应而言，秸秆还田大多表现为对土壤碳周转的积极效应，而造成的短期效应大多体现为没有影响或者为负效应。主要原因是秸秆还田的初期可能会降低微生物利用碳源的能力，因此土壤微生物对有机碳、氮循环的影响也成为关注的问题之一。

秸秆还田作为保护性耕作的重要组成部分，不仅优化了当前农业生产模式，还减少了传统农业生产对化肥、农药的依赖，为农业可持续发展提供有利条件，是一项可以全面推广的有效措施。秸秆分解后，增加了土壤养分和土壤碳库储量，同时促进了土壤微生物生长繁殖，从而改善微生物群落结构，增强了土壤酶活性，更好地保持了土壤适宜的温度和水分含量，使农田生态系统中土壤结构和肥力水平得到稳步提升。因此，从秸秆自身条件以及土壤环境出发，研究秸秆分解转化对土壤碳、氮固定的影响对我国农业有效发展具有很重要的意义，也成为秸秆还田研究领域的重点方向之一。但是由于不同还田措施会对土壤碳周转产生不同效应，综合土壤类型、作物类型及气候条件等不同条件，选择一种适宜的秸秆还田方式显得尤为重要。