不同秸秆还田方式对土壤微生物影响的研究进展

张海晶，王少杰，罗莎莎，田春杰

(1.吉林农业大学 资源与环境学院 吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室，吉林 长春 130118；2.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)

0 引 言

农业生产会产生大量秸秆，全球每年约产生秸秆70亿t[1]，我国每年产生秸秆10.4亿t[2]。农作物秸秆中含有大量碳、氮、磷及钾等营养元素，它不单单是物质、能量和养分的载体，还是宝贵的自然资源[3]，在改善土壤结构、调节土壤水、肥、气、热以及微生物活性方面具有不可替代的作用[4-5]。但是，由于技术手段的限制，大部分秸秆被焚烧，不仅导致环境污染，同时还未充分合理地利用秸秆。秸秆还田能够提升地力，减少化肥投入，降低空气污染及环境负荷[6]，有利于农业高效生产和生态环境的可持续发展。

秸秆还田方式主要分为以下几种：(1)直接还田：免耕覆盖还田、留高茬还田、浅旋还田及深翻还田；(2)间接还田：堆沤还田、过腹还田、蘑菇基质还田及生物质炭还田[2]。其中，东北地区主要采取免耕覆盖还田和深翻还田两种方式。免耕覆盖还田是在秋季作物收获后将农作物秸秆粉碎直接铺盖于土壤表面，第二年春季免耕播种；深翻还田是采用大马力机械将粉碎后的秸秆翻入20～30 cm土层中[7]。另外，在全球变暖背景下施加生物炭能降低土壤本身有机碳分解速率对温度变化的敏感性，这有利于提高土壤固碳能力[8]。研究发现，免耕覆盖还田显著增加了土壤养分来源(土壤C和N含量)，改善了土壤物理环境(水分和孔隙度)[9]；深翻还田显著影响土壤理化性质，如提高土壤全效、速效养分含量[10-11]；生物炭还田对土壤pH值和养分含量均有积极的影响[12]。实际上，上述三种还田方式均能通过改善土壤物理环境和提高养分含量进而间接影响微生物群落结构。

土壤微生物为土壤养分转化与循环过程提供动力，并且参与了腐殖质的形成和有机质的分解[13]。国内外已有一些文献报道了土壤微生物在秸秆降解过程中的作用[14]，秸秆在短时间内归还于土壤，通过改变土壤微环境，从而显著影响土壤微生物。本文根据前人的研究，主要综述了免耕覆盖还田、深翻还田以及生物质炭还田3种还田方式对土壤微生物的影响的研究结果，从微生物数量、土壤酶活性、微生物群落结构与多样性以及微生物功能等几个方面进行探讨，以期为高效秸秆还田方式选择和秸秆还田过程中微生物作用机制探索研究提供理论依据。

1 不同秸秆还田方式对土壤微生物数量的影响

土壤微生物数量是指土壤中含有的真菌、细菌及放线菌等总和，与土壤有机质呈正相关关系，是土壤微生物的一个重要指标。微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)是固定在土壤微生物躯体中的碳素和氮素，是植物生长可利用养分的重要来源，其含量的多少取决于土壤中微生物的数量[15]。

1.1 免耕覆盖还田

秸秆直接还田显著提高了各土层细菌、真菌及放线菌的数量[16]。蔡晓布等[17]进行了3种直接还田方式对土壤微生物影响的研究，结果显示粉碎深翻、覆盖和留高茬3种还田方式下土壤细菌数量平均增加110%，其中秸秆覆盖还田处理的土壤细菌数量最多。在免耕模式下，小麦秸秆覆盖还田使冲积土土壤耕层微生物数量增加12.8%[18]，并且能在玉米生长收获期显著增加砂质潮土耕层土壤微生物数量[19]。小麦秸秆还田能显著提高细菌数量，而玉米秸秆覆盖处理能显著提高黄瓜结果初期5种微生物和结果后期细菌数量[20]。另有研究85种土壤的微生物变化试验结果表明：玉米秸秆覆盖耕作后细菌、真菌及放线菌数量均明显增加，但增加幅度为真菌>放线菌>细菌[21]。玉米秸秆覆盖还田显著增加了养分来源，改善了土壤物理环境，从而在整个玉米生长季内增加了土壤MBC含量[9]。但Soon和Lupwayi[22]研究发现，秸秆覆盖并未显著影响根际土壤微生物特性，可能是在植物生长期间根系对微生物的影响超过了秸秆对微生物的影响。

1.2 粉碎深翻还田

研究发现，秸秆粉碎深翻还田能增加细菌、真菌、放线菌的数量[11]，且不同秸秆粉碎还田量对土壤细菌和放线菌数量均有不同程度的提高；而真菌与之不同，只有75%还田量增加了其数量[23]。秸秆粉碎还田能够显著提高土壤MBC和MBN含量[24]。夏强等[25]进一步研究发现秸秆粉碎还田不施肥和施肥两种处理均能提高土壤MBN含量，两者没有显著性差异；仅施肥而秸秆未还田对于提高土壤MBN含量的效果微乎其微，说明秸秆还田是提高土壤MBN含量的核心因素。粉碎还田还能增加革兰氏阳性菌和真菌的生物量，改变微生物群落组成[26]。

1.3 生物质炭还田

施用生物炭显著增加了土壤三大微生物类群的数量，其增幅随生物炭用量的增加而增大[27]。但谷思玉等[28]研究发现细菌数量的变化规律与真菌和放线菌相似但不相同，土壤向“细菌型”发展，这被一些学者认为是土壤肥力提高的标志[29]。有研究发现，施用有机肥显著增加了土壤MBC和MBN含量，土壤微生物量有明显的季节变化，其中，播种前期土壤微生物量最高[30]。施用生物炭增加了土壤MBC、MBN含量和总PLFA，并使微生物群落向细菌和放线菌转移[31]。随着生物炭施用量的增加，效果更明显，说明添加生物炭可以加速微生物的生长繁殖[32]。

2 不同秸秆还田方式对土壤酶活性的影响

土壤酶是一种生物催化剂，能够在土壤各类生物化学反应中进行催化，其活性对土壤肥力具有极其重要的影响。土壤酶活性包括已积累于土壤中的酶活性,也包括正在增殖的微生物向土壤释放的酶活性。土壤酶来自植物、动物和微生物的活体或残体，能够直接调控土壤有机物和矿物组分的生物代谢，并且是土壤生态系统的重要组成成分，在许多生物化学过程中发挥作用，且往往与土壤有机碳、理化性质、微生物活动或生物量密切相关,因此可以更好更快地反映土壤的健康状况[30,33]。

2.1 免耕覆盖还田

从耕作方式角度来说，免耕处理土壤脲酶、碱性磷酸酶、脱氢酶和转化酶活性大于常规耕作处理；而从秸秆是否还田角度来说，秸秆还田处理更高；其中，酶活性以免耕+秸秆还田处理最高[34]。小麦秸秆覆盖处理对土壤脲酶、转化酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性的提高分别是不施秸秆的1.8、2.1、2.0和1.4倍。Siczek等[35]研究发现，在豌豆生长季节，脱氢酶和蛋白酶活性随时间的延长而显著增加，在黄酮类化合物和秸秆覆盖的影响下，脱氢酶活性显著增加。

2.2 粉碎深翻还田

玉米秸秆粉碎还田使土壤脲酶、磷酸酶和转化酶活性水平分别提高19.6%、39.4%和44.3%，而且秸秆添加量越多效果越显著[36]。玉米秸秆粉碎还田后，一方面能使葡萄糖苷酶、木糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖酶活性增加[37]；另一方面也能使蛋白酶和脱氢酶活性增加[26]。与玉米秸秆相比，水稻秸秆还田也显著提高了脲酶活性；但与之不同的是它能显著提高过氧化氢酶和蔗糖酶活性[38]。其中在氮磷钾含量相同条件下，水稻秸秆粉碎还田对土壤蔗糖酶和蛋白酶活性的影响高于秸秆炭化处理[39]。另外，Li等[40]研究发现水稻秸秆粉碎还田后土壤中高度富集的多种纤维素真菌属可能会产生大量新的纤维素分解酶。

2.3 生物质炭还田

Zhang等[41]发现小麦秸秆和小麦秸秆生物炭两处理间转化酶和碱性磷酸酶活性无显著差异，但生物炭还田的脲酶活性大于秸秆还田，这说明相比小麦秸秆直接还田，秸秆炭化还田能够促进土壤氮素的转化。并且施用小麦秸秆生物炭能显著增加脱氢酶和碱性磷酸酶活性[41-42]，降低葡萄糖苷酶活性[39]。Song等研究发现玉米秸秆生物炭配施氮磷钾肥能够提高石灰性土壤碳、氮循环酶活性[43]。施用生物炭对于提高塿土土壤过氧化氢酶、脲酶和玉米收获后碱性磷酸酶活性有显著效果，但没能显著提高蔗糖酶和小麦季碱性磷酸酶活性[27]。生物炭还能提高与氮和磷等矿质元素利用有关的土壤酶活性，降低与土壤碳矿化或与其他生态学过程相关的土壤酶活性[44]。土壤中的酶目前只研究了少数几种，而且提取方法也不够完善，这导致酶学研究还较为浅显，随着酶学研究方法的提升，希望能够合理利用秸秆资源来提高土壤肥力、实现农田可持续发展。

3 不同秸秆还田方式对土壤微生物群落结构与多样性的影响

3.1 秸秆粉碎还田

土壤微生物多样性是指微生物群落种内和种间差异，是维持环境管理和评价土壤质量的基础，主要包括物种多样性、遗传多样性及生态多样性。其中，土壤微生物多样性最直观的表现形式是物种多样性，主要为土壤微生物丰富度和均一性。Yu等[45]研究发现，连续6年玉米秸秆粉碎还田对于土壤细菌群落有一定程度的影响。添加玉米秸秆后，砂壤土土壤微生物的丰富度和多样性有所下降，对变形杆菌、厚壁菌门和真菌子囊菌群有刺激作用[35]。在玉米秸秆粉碎堆肥的不同阶段，细菌群落也不同。整个过程中优势门为厚壁菌门、变形杆菌门、拟杆菌门和放线菌门，优势菌门的相对丰度随时间变化显著[46]。

3.2 免耕覆盖还田

田磊等[47]研究发现秸秆还田能显著提高玉米根际土壤细菌的多样性与丰富度指数。秸秆覆盖还田对根际微生物群落组成和植物生长有一定的影响[48]。平整地膜覆盖和平整秸秆覆盖均能显著增加土壤真菌多样性，真菌群落组成主要取决于土壤温度和铵态氮含量，说明这些处理为真菌提供了最适宜的生长环境[49]。在免耕覆盖条件下，土壤大团聚体主要通过影响土壤水分和曝气，可能导致微生物群落向更多的真菌和厌氧菌转移，从而有效促进土壤有机碳的积累[50]。在干旱盐碱地上，将秸秆埋层与地膜覆盖相结合，可以有效地减轻土壤盐分胁迫对微生物群落的影响，提高作物产量[51]。

3.3 生物质炭还田

生物炭还田作为秸秆间接还田方式中最具有优势的一种还田方式，它对于土壤微生物群落结构有显著影响。添加生物炭影响堆肥过程中微生物群落结构和代谢特性，整个过程中以厚壁菌门、放线菌门和变形菌门为优势菌门，与氨基酸代谢、碳水化合物代谢和能量代谢相关的细菌基因丰度也随着生物炭的添加而增加[52]。香农指数表明，生物炭施用21 d后增加了土壤细菌群落结构多样性，测序结果显示，土壤中最丰富的9种细菌门分别为变形杆菌门、酸杆菌门、放线菌门、拟杆菌门、氯细菌门、普朗尚真菌门、厚壁菌门、硝基螺旋体门和芽单胞菌门，占土壤细菌群落总数的95%以上[53]。秸秆堆肥各阶段细菌群落结构和组成存在显著差异，拟杆菌门和变形杆菌门是各阶段中数量最多的门，随着堆肥时间的推进，细菌群落多样性逐渐下降[54]。

4 不同秸秆还田方式对土壤微生物群落功能的影响

平均颜色变化率(AWCD)能够显示出土壤微生物群落对碳源的利用情况，因此，土壤微生物群落的数量结构、整体活性和代谢功能特征对于AWCD值的变化有一定程度的响应，通常AWCD 值越大会导致微生物活性越高[55]。增加秸秆还田时间会使偏爱利用碳源的土壤微生物种类更加丰富，其中变化较为明显是胺类和酚酸类，但主要利用的碳源为氨基酸类、羧酸类和碳水类碳源[56]。王广栋[57]研究发现，随着秸秆长度和埋深的增加，秸秆腐解微生物群落碳源代谢活性、丰富度指数、优势度指数和均匀度指数均表现出逐渐降低的趋势；而随着秸秆还田量增加，则表现出先增加后降低的趋势，当还田量为4 800 kg·hm-2时，对促进秸秆腐解的微生物群落功能多样性影响最显著。

秸秆粉碎还田显著增加了土壤微生物碳源的代谢功能和多样性，还可提高CO2固定代谢途径和有机酸代谢途径的基因丰度，降低二糖和寡糖代谢途径的基因丰度[58]。土壤的氮素循环主要分为硝化作用、反硝化作用、固氮作用和铵还原过程，主要依赖硝化功能菌、反硝化功能菌、固氮微生物和硝酸盐异化还原成铵过程的功能微生物来进行[59]。秸秆覆盖配施足够的氮磷钾肥有助于固氮细菌的生长繁殖，而且相对于不施秸秆处理，秸秆覆盖能显著增加固氮菌多样性指数及其丰度[60]。秸秆还田配施化肥使水稻土中硝化基因群落结构发生变化，提高硝化功能菌的丰度[61-62]。并且，随着含水量增加，功能基因丰度也会增加[63]。水稻秸秆生物炭的加入增加了甲氧基还原菌和甲氧基细菌的相对丰度，因此，生物炭一直在增加细菌的多样性[64]。

5 微生物对秸秆降解的影响

秸秆还田对土壤微生物有显著的影响，与此同时，微生物也会影响秸秆的降解。秸秆的主要组成成分中，纤维素含量占30%～35%，半纤维素含量占25%～30%，木质素含量占20%～25%[65]，这些成分需要依靠微生物来进行降解[66]。降解秸秆的微生物的种类有真菌、细菌和放线菌[67]，一般来说，真菌的降解速率远高于细菌和放线菌[68]。最初降解秸秆的微生物主要为白腐真菌和无芽孢细菌，它们能够降解一些易水解物质；随后活动的主要为芽孢细菌和纤维素分解细菌；最后则以某些真菌、放线菌以及变形菌类群为主[69-70]。其中对于降解木质素的微生物，研究最多的为木腐菌属的白腐菌[71]。霉菌是主要降解纤维素的微生物，包括黑曲霉(Aspergillusniger)、木霉(Trichoderma)以及青霉(Penicillium)等[64],Trichoderma和Aspergillusniger，因为含有完全水解天然纤维素所必须的三种纤维素酶组分，所以得到了广泛的应用，并且对于降解半纤维素也有很好的效果[71]。

于建光等[72]在研究秸秆腐熟剂的施用效果时发现，用不同方法将腐熟剂施入土壤后,使微生物群落组成与活性发生不同的变化，对秸秆的降解有不同的影响，当腐熟剂与尿素配合施用时，加快了小麦秸秆的腐解速度。总之，微生物的种类、数量以及分布的不同均对秸秆降解有着显著的影响[73]。因此，秸秆与微生物之间是相互影响的。

6 展 望

秸秆还田是资源循环利用的有效方式之一，能够通过改变土壤水、热状况进而影响微生物群落结构与多样性来提高土壤肥力，增加作物产量，但我国秸秆资源利用不充分。近年来，越来越多的学者开始注重不同秸秆还田方式对微生物的影响研究，但是，由于开始的时间较晚，研究的技术手段不够成熟，对于不同秸秆还田方式对微生物的影响研究还不够透彻。因此，在今后的研究中应当注重以下内容：

(1)目前的秸秆还田方式对微生物的影响研究大多仅限于某个时间点上，对于季节性变化和年份变化的研究很少。由于微生物会反过来影响秸秆降解，所以在秸秆分解过程中应该观察微生物的季节性变化或年份变化，能更清晰地知道微生物在秸秆还田过程中的作用机制。

(2)土壤微生物的研究方法也会影响研究结果。从起初的平板计数法到如今的分子生物学方法，方法虽然在不断的改进，但是依旧具有一定的局限性，不可能让人们通过这些方法完全了解在秸秆还田过程中微生物的作用机制，因此需要更有效的方法来进行研究，例如加强SIP技术、同步辐射微CT技术。

(3)目前研究中对于微生物功能变化的研究相对较少，秸秆还田对于碳循环、氮循环等过程中的微生物变化有着我们未知的影响，因此，秸秆还田对土壤微生物功能的影响会成为未来研究重点之一。