秸秆还田条件下农田系统碳循环研究进展

朱鸿杰, 闫晓明, 何成芳, 洪玲, 谭外球

安徽省农科院农产品加工研究所，安徽 合肥 230031

陆地作为三大碳库中的第二大碳库，其固碳能力和固定转化的规律，对全球范围内的碳源、碳汇都有巨大的影响（潘根兴，2003；黄昌勇，2000)。但是，对于目前的陆地碳库容量的估算，存在着相当大的不确定性（Aase和Kristian，1986）。农田生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分、全球碳库最活跃的部分，其变化不仅影响到土壤肥力和土地生产力，还会影响到CO2排放。农作物秸秆的利用方式直接关系到农田生态系统土壤碳库的变化。在通常的自然植被条件下，土壤中的有机物质绝大部分直接来源于其植物凋落物和根系分泌物（Chong等，1993）。而农田生态系统中，部分碳以农产品和作物秸秆的形式向系统外输出。这些输出的碳流向与流量，是农田系统碳循环研究不可忽略的一部分。秸秆还田减少了系统碳的输出，秸秆中的碳返回土壤，矿化分解，腐殖化，最终形成有机质保留到土壤中，重新参与到农田系统碳循环过程中。目前的研究表明，秸秆还田一定程度上增加土壤有机碳的含量，而相当一部分碳以 CO2和 CH4的形式损失。尽管如此，秸秆还田仍被认为是最具潜力的农田固碳措施之一（Lu等，2009；Triberti等，2008）。因此，研究，秸秆还田利用对农田生态系统中土壤碳循环的影响，对估算农田生态系统CO2的排放量，及弄清楚全球范围下碳的平衡变化有重要的现实意义。

1 秸秆还田条件下农田系统碳循环

秸秆还田在不考虑人为活动干扰的情况下，应该包含作物、土壤、大气 3个子系统。作物子系统通过光合作用将大气中的 CO2固定下来，转化成有机物，同时释放出O2。其中，部分有机物通过作物的茎秆被输送到作物根部，进而被分泌到土壤中。作物根系及根分泌物在土壤微生物作用下，发生碳的流通变化，有些固定在根系中，有些转化成土壤碳物质成分。Cotrufo等（Cotrufo和Gorissen，1997）利用14C追踪法发现，被固定的14C中，90%贮存在植物中，10%转移到土壤中。其中，7%以游离态存在于土壤中，另 3%存在于植物根际土壤中。同时，根系通过自养呼吸，释放出CO2、CH4。作物收获后的秸秆还田，秸秆碳进入土壤系统，在微生物的作用下，参与到土壤系统的碳转化、运移过程。秸秆被土壤微生物矿化分解，分解后的一些中间产物与土壤物质以及微生物代谢产物或者合成产物结合，形成新的有机质，被固定到土壤中。同时，土壤原有有机碳在外源有机物进入的情况下，部分矿化分解，并达到新的平衡点。土壤有机碳重新建立平衡点的过程中，秸秆的分解矿化、微生物呼吸代谢、土壤原有机碳的矿化，均会产生一定的 CO2、CH4等温室气体，进入大气系统。

由此可见，秸秆还田条件下，除了作物收获物是系统碳输出部分，农田系统 3个子系统的碳物质变化是一个吸收、固定、释放，并且不断发生物质流通交换并达到新平衡的过程（如图 1所示）。

2 秸秆还田后的土壤子系统碳的变化

土壤碳库是陆地碳库的重要组成部分，包括无机碳（INOC）与有机碳（SOC）两大类。土壤无机碳主要以碳酸盐形式稳定存在，，很少参与陆地生态系统碳循环过程，对碳循环的影响不大。土壤有机碳包括动植物及微生物遗体、排泄物、分泌物及部分分解产物和土壤腐殖质，主要来源于原始植被残留碳、农作物残体及人为施加的有机物料（Chong等，1993；赵成义，2004）。通常在研究土壤碳库的变化过程中，主要考虑土壤有机碳（SOC）、土壤矿化碳、土壤微生物碳（MBC）的变化。因为，土壤微生物生物量碳/全碳，作为土壤碳库质量的敏感指示因子可以推断碳素有效性，土壤矿化碳与全碳的比值可以指示土壤有机碳活性，土壤活性碳与全碳的比值可以度量土壤有机碳氧化的活性（浙江农业大学，1976；Dalal和 Mayer，1986）。在一个长期稳定的生态系统中，土壤有机物质输入量与损失量处于一个动态的平衡状态，一旦平衡遭到破坏，土壤碳库就会向一个新的平衡态移动。

图1 秸秆还田条件下农田系统碳的运移Fig.1 Returning Straw on Soil Carbon Circulation in Cropland Ecosystem

2.1 秸秆还田后土壤有机碳的变化

农田土壤有机碳变化取决于土壤有机碳的输入和输出的相对关系，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与土壤物质迁移淀积平衡的统一（方华军等，2003）。秸秆进入土壤后，在适宜条件下向矿化和腐殖化两个方向进行。矿化，就是秸秆在土壤微生物的作用下，由复杂成分变成简单化合物，同时释放出 CO2、CH4、N2O和能量的过程；腐殖化，是秸秆分解中间产物或者被微生物利用的形成代谢产物及合成产物，继续在微生物的参与下重新组合形成腐殖质的过程。秸秆在微生物分解作用下，其中一部分彻底矿化，最终生成CO2、H2O、NH3、H2S等无机化合物。一部分转化为较简单的有机化合物（多元酚）和含氮化合物（氨基酸、肽等），提供了形成腐殖质的材料。少量残余碳化的部分，属于非腐殖物质，由芳香度高的物质构成，多以聚合态与黏粒相结合而存在，且相互转化。张夫道（张夫道，1994）在研究秸秆的降解规律时，认为秸秆降解首先形成非结构物质，主要是较高比例的纤维素、木质素、脂肪、蜡质等难于降解的有机物，其中大部分转化为富里酸（FA），进而转化为胡敏酸（HA）。分解产物对土壤原有腐殖质进行更新，从腐殖质表面官能团或分子断片开始，逐步进行。非结构物质可与腐殖酸的单个分子产生交联作用，在一定条件下，交联的复合分子可进入腐殖质分子核心的结构中。

就秸秆还田的效果来看，目前多数研究均倾向于秸秆还田能够提高土壤有机碳的含量，特别是秸秆和有机肥配合，效果更显著。蔡祖聪等研究结果表明，秸秆的效果优于厩肥，厩肥的效果又优于堆肥，而绿肥的效果最差（尹云锋等，2005）。田慎重等（田慎重等，2010）、宋明伟等（宋明伟等，2008）、陈尚洪等（Chen等，2008）、Joseph 等（Joseph等，1999）的研究结果均表明秸秆还田对土壤有机碳含量的增加有重要作用，秸秆还田有利于增加土壤有机碳的含量。王成己统计了中国农业生态系统长期试验资料（1979-2008年），分析表明在长期保护性耕作下，农田表土有机碳含量总体呈上升趋势，水田下增长高于旱地，秸秆还田更有利于促进表土有机碳的积累（王成己等，2009）。结合秸秆还田的综合保护性耕作措施可以使水田和旱地的有效固碳期限分别持续27 a和23 a，水田在保持较高固碳速率的同时，延长了有效固碳年限。对有机碳的分组研究，有助于进一步了解秸秆还田后对土壤有机碳的影响。根据有机碳在土壤中分解的难易程度，将有机碳分为活性有机碳、缓性有机碳、惰性有机碳；根据测定方法不同有机碳分为易氧化有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳；以物理分组可将土壤有机碳分为轻组、重组、颗粒有机碳（Yan等，2007）。一般认为土壤微生物量碳、颗粒有机质、易氧化碳、易矿化碳、可提取态碳和其它碳水化合物属于活性有机碳范畴，是土壤质量变化的早期指示剂。目前的研究表明秸秆还田除了能够提高颗粒有机碳、氮的含量，还可以提高微生物量碳、盐溶性、水溶性有机碳的含量，但是不同秸秆还田模式效果存在差异。有研究者（周萍等，2009）应用魔角自旋交叉极化碳 13-核磁共振（CPMAS-13C-NMR）和热裂解（四甲基氰化钠）-气相/质谱（Pyr-TMAH-GC/MS）技术进行有机质组份的化学成分分析，认为水稻、油菜等的残渣和秸秆的输入有助于颗粒有机碳（POC）的积累。

秸秆还田后打破了土壤系统原有的平衡，在土壤微生物的作用下分解，并与土壤的物质结合形成新的有机质，可以称为新碳。新碳在进入土壤后对土壤有机碳的周转、稳定和积累会产生怎样的影响目前还没有太多的研究。但从国外学者提出的土壤有机碳固定的几种机制（化学稳定机制、土壤团聚体物理保护机制、生物学机制），不难看出秸秆还田类型、数量、方式等差异的必然对土壤的矿物质、团聚体、微生物产生冲击，影响原有土壤有机碳库系统平衡。秸秆还田提高了土壤有机碳的含量，则必然使不同组分的有机碳含量提高，并且维持在一定水平。

2.2 秸秆还田后土壤矿化碳的变化

土壤有机碳由于土壤背景值较高，对气候、土地管理措施和利用方式等反应不灵敏，常表现一定的滞后性，短期内很难检测到其微小变化，因此需要通过一些更敏感的指标来测定。土壤矿化碳累积量从一定程度上反应了土壤有机碳的活性，土壤中潜在性的可矿化碳的敏感性往往大于土壤有机碳。

目前的研究均表明，秸秆还田能够提高土壤有机碳的含量，并提高有机碳的矿化速率，结合施肥效果更明显。自然条件下土壤有机碳的矿化主要由微生物来完成，微生物对有机碳正常分解的C/N 约为25，C/N 过高或过低的有机碳分解矿化都比较困难。如果C/N 过高，微生物的分解作用就慢，而且要消耗土壤中的有效态氮素，发生“争氮现象”。因此，秸秆还田时，需要增施氮肥（柳敏等，2007）。一般来讲，矿化的土壤活性有机碳主要来自于新鲜凋落物的分解、根系分泌物以及土壤腐殖质，这也说明秸秆还田能够提高土壤矿化碳的含量。当然，秸秆还田时，秸秆分解矿化，部分最终转化成有机碳，但同时也影响土壤原有有机碳的矿化。因为，温度、土层、含水量等因素影响微生物的活动，这些条件的变化对土壤有机碳的矿化也会产生影响。张鹏等（张鹏等，2011）发现土壤碳矿化速率和累积矿化量在0～60 cm各土层内随着秸秆还田量的增加而增加。Fugen等（Dou等，2008；Zhao等，2008；陈涛等，2008）的研究表明，土壤碳矿化速率与土壤中生物活性较高、稳定性较差、易矿化的那部分活性有机碳密切相关，且土壤温度和土层对有机碳矿化影响较大（艾丽等， 2007）。国内外对土壤含水量与土壤有机碳(SOC) 矿化之间的关系开展了大量研究。一般认为，淹水条件下有机残体和土壤原有有机碳的矿化速率低于好气条件，且多数研究结果表明淹水抑制稻田 SOC的矿化（Devevre和Horwath，2000；郝瑞军等，2006；张薇等，2007）。然而，一些采用14C示踪研究结果表明（江晓东等，2010；朱培立等，1994），淹水状态下添加秸秆还田的矿化量高于好气状态，并且在一定含水量范围内（30%～105% WHC）与含水量呈线性正相关关系。

如前所述，秸秆还田对提高土壤有机碳含量和矿化具有明显作用，但是，秸秆还田和土壤原有有机碳矿化之间的关系有待进一步研究。

2.3 秸秆还田后土壤微生物碳的变化

土壤微生物碳是土壤有机碳最活跃的部分，有研究者认为可以利用土壤微生物多样性、微生物碳和氮等土壤微生物参数来估算土壤的健康和质量。土壤绝大部分物质都处于稳定或者半稳定状态，虽然微生物量碳只占土壤碳的极少部分，但是微生物通过矿化分解有机物和自身同化无机物，在土壤物质循环中起着关键作用。目前，施用有机物可以提高土壤微生物的数量，已经被多数研究证实了。但是，秸秆还田对微生物的多样性和活性的影响尚存争议。

影响土壤微生物量的因素很多：土壤类型、人为活动、施肥措施、土地利用方式、不同温度与湿度环境的影响等（赵勇等，2005；俞慎等，1999）。土壤含水量对微生物量的影响最为重要，0.01～0.05 MPa 接近微生物的最佳湿度。土壤干湿交替作用能造成土壤微生物的大批死亡和更新。土壤pH 值也能明显影响土壤微生物量，强酸强碱性及盐碱土的微生物量较低。低温(小于6 ℃)或高温(大于35 ℃)时，都会对土壤微生物量产生很大影响。通常土壤环境的改变会对微生物产生两种结果：一、不适应的微生物数量减少甚至灭绝；二、适应环境的微生物大量繁殖和积累。秸秆还田改变了土壤原有环境，秸秆的输入为土壤微生物提供了能量和养分。但是王志明等通过14C示踪技术认为土壤原有C仍然是微生物养分和能量的主要来源，秸秆还田加快了土壤微生物碳的周转速度，而微生物量碳周转速度的加快，又会加速土壤原有碳和秸秆碳的分解（王志明等，2003）。一般认为（张逸飞等，2006）秸秆还田的土壤微生物群落的种类和优势比不还田要高，秸秆还田在一定程度上，增加土壤微生物的多样性和活性。但是，罗希茜等对红壤长期定位试验的研究结果表明，秸秆还田红壤微生物利用碳源能力低下（罗希茜等，2009）。另有研究指出，腐熟的秸秆有利于维持土壤微生物的多样性及活性（朱海平等，2003）。

秸秆可以为土壤微生物活动提供碳源的事实毋庸置疑，但是能否提高微生物群落的物种丰富度、优势度仍存在争议。可能秸秆还田的初期会降低了微生物利用碳源的能力以及群落物种的均匀度，造成土壤碳、氮利用下降，但是长期的效应会增加土壤微生物的多样性和活性。

3 秸秆还田后作物子系统碳的变化

作物是农田系统中土壤与大气之间碳循环的连接部分。作物通过光合作用进行碳同化，光合碳经韧皮部运输分配到地下部用于根系生长（Dakora和 Phillips，2002），同时以根系沉积物（根系脱落物和根系分泌物）形式向根际土壤环境中输入碳，并为根际微生物所利用成为微生物量碳中的一部分，或以有机质形式藏于土壤库中。另外，植物同化的碳还有一部分通过植物自身呼吸及根际微生物呼吸返回到大气中。每年约有10%大气CO2通过植被流向土壤（Raich和Potter，1995）。

3.1 秸秆还田对作物地上部碳同化的影响

作物主要通过C3、C4光合途径，进行碳固定。目前的研究表明（Gregory和 Atwell，1991； LU等，2002），作物在不同生育期对光合碳的地上和地下部的分配差异很大，同时也受到气候条件、农艺措施及微生物的强烈影响。秸秆还田对增加作物产量及土壤养分的长期效应已经得到普遍的认同，但与作物光合碳的相关性的研究很少。

少量文献研究显示，秸秆还田对作物光合作用的影响，表现为正效应。赵霞等（赵霞，2008）在研究不同麦茬处理方式下对玉米的光合作用的影响时认为，秸秆还田有利于提高群体叶面积指数、群体净光合速率。因为作物光合器官受水分影响较大，作物缺水会导致叶片气孔度导度下降，甚至致使光合机构受损，减弱光合作用。而秸秆还田后，改变了土壤理化性状，增加了土壤肥力，降低叶面蒸腾速率，提高水分利用率。通常认为C、N循环紧密相关，N素作为作物的最大需求养分，影响光合作用的潜力极大，Hu等的研究表明（Hu等，2001），N素对碳的固定有限制作用。但是，C、N配施却有利于作物碳同化。潘根兴等（潘根兴等，2006）比较了单施化肥、化肥配施有机肥、化肥配施秸秆对水稻碳同化和产量的平均效应，结果显示化肥配施秸秆对提高水稻碳同化和产量的作用要高于其它措施，单施化肥同化和产量最低。

就目前的研究而言，秸秆还田对作物光合作用影响研究十分有限，多停留在对作物产量的贡献研究。秸秆还田后是否对作物的生理生化性状、矿质元素、叶绿体、线粒体等产生影响还不清楚。

3.2 秸秆还田对作物根际碳的影响

根系在作物的生长中起到重要的作用，它不但可以固定作物，提供营养和水分，其中根系分泌物还具有调节作物生长的功能。作物通过根系、土壤、微生物及其环境因子间能流、物流和信息流的相互作用、相互制约而形成了一个具有高度组织性的复杂整体——根际微生态系统。

Jones D.L.指出（Jones等，2009），根系碳通过6种途径进入土壤，造成植物根系的C损失：根冠和边缘细胞的损失；根细胞的自溶和死亡；根系有机共生体的碳流通；气体损失；根系分泌物；根细胞的不溶性聚合分泌物。 Gregory P. J. 和Atwell B. J.对植物根际碳进行了估算[40]，禾谷类作物向地下部转运20%～30%的光合碳，其中1/2在根系中，1/3 为根系和微生物呼吸所消耗，其余的碳被转化为土壤微生物量碳和有机质。Jones等（Jones和Darrah，1996）提出根系分泌物的C补偿机制假说，认为植物通过分泌物从土壤中获得C补偿，弥补自身的C损失。分泌物不仅能够提高C的利用效率，还避免根际的 C沉积，减少土壤微生物种群的生长。因此降低了微生物与根系争夺养分的效应，减少了病原有机物的繁殖，最大程度的降低了病原微生物的趋化程度。而秸秆还田后与作物会发生短期的“争氮”效应，增加微生物的数量和生物量（刘定辉等，2011），与根系本身的C补偿机制相反。但目前，秸秆还田对作物根系和根际碳的影响还不太清楚。国内有报道显示（战秀梅等，2012），秸秆还田后当季春玉米产量总体呈下降趋势，最大根长及生育后期深层根系根长显著提高，但秸秆还田对花后氮素吸收、氮素及干物质转移有抑制作用，并且对开花后根系活力的保持不利，采取适当的深耕措施，可以缓解秸秆还田对当季玉米产量的不利影响。

植物根际微环境的研究在近几年受到高度的关注，根际C、N流通变化和一些根际循环的假说为根际碳循环研究提供了一定的研究基础。秸秆还田对根际微环境的影响研究很少，从目前的研究还很难看出秸秆还田后根际碳的变化流通情况。

4 秸秆还田后大气子系统碳的变化

CO2和CH4是农田生态系统碳循环重要组成部分。农田系统的碳排放主要是由土壤呼吸和植物呼吸作用产生。其中，土壤呼吸包括植物根系呼吸、土壤微生物呼吸、土壤动物呼吸，以及含碳物质的化学氧化作用。植物呼吸是指植物地上部分的呼吸作用。国外有研究结果表明，秸秆覆盖 10年后大约有33%左右C被固定下来，但是2/3左右的秸秆碳都没有转化成土壤有机碳，大部分以CO2和CH4的形式损失（Humberto和Lal，2007）。

4.1 秸秆还田CO2的变化

农田系统的CO2排放主要来源于植物和土壤呼吸，作物生长期内光合作用吸收的CO2大于呼吸作用。早在1974年 Shouichi Yoshida等（Yoshida，974）就指出CO2是作物光合作用重要影响因素，其中，土壤排放到大气中的CO2占了很重要的一部分，淹水条件下的土壤排放的CO2对植物净光合作用的贡献占到6%，排干条件下占到7%，植物根系吸收的CO2可以忽略不计。可见作物生长季的农田系统具有一定的“碳汇”功能。秸秆还田后向原土壤中输入了有机物料，必然对土壤呼吸产生重要影响。

土壤呼吸，一部分来自微生物对有机质的分解，即异养呼吸作用（RH），一部分源于根系的呼吸，即自养呼吸作用（RA）。前者与微生物的数量和生物量有关，秸秆还田可以增加土壤微生物的数量和活性，因此，秸秆还田理论上会增强土壤的呼吸作用。目前的研究（马静，2008）也证实这种观点，旱地耕作环境中秸秆还田能够促进土壤呼吸作用，增加CO2的排放。但是耕作条件的改变会影响这种效应，合理配施N肥可以降低土壤CO2的排放；淹水条件下，秸秆还田使土壤有机碳矿化受到了明显抑制，增加氮肥可以减少有机酸的积累，促进CH4排放，但对CO2没有明显影响。然而，秸秆还田对根系呼吸的影响却少见报道。此外，秸秆直接还田和焚烧后还田，对温室气体的排放影响差异很大。Hamman等认为，秸秆焚烧减少了有机质的返还土壤，主要是降低了有机碳和土壤微生物所需的碳源（Hamman等，2007；Montoya-González等，2009）。但是目前，仍然没秸秆直接还田和焚烧后还田农田系统CO2排放差异的具体数据。

目前秸秆还田下农田措施通常配合机械操作，因此，还需要考虑使用农业机械过程产生的CO2排放。尽管需综合考虑的因素很多，研究者仍认为秸秆还田是有效的农田固碳手段，可以减少CO2排放。

4.2 秸秆还田CH4的变化

农田系统碳循环过程，CH4尽管所占比例很少，却是重要的温室气体。从100 a的时间尺度上来看，CH4的增温潜势是等质量CO2的25倍。

国内外的研究均表明，淹水土壤抑制CO2产生，增加CH4排放，但排水良好的草地、森林等土壤却可以氧化大气CH4。有研究提出，土壤中存在氧化微域，具有氧化土壤生成的CH4和减少CH4排放量的功能。稻田土壤生成的CH4平均有80% 被根际和水土界面的氧化区域所氧化，仅有 20% 排放到大气中（蔡祖聪，1997）。因此，秸秆还田措施对CH4排放的影响也主要集中在稻田种植环境下。逯飞等（逯非等，2009）通过研究估算全国尺度上的秸秆还田稻田气体排放。秸秆还田通过稻田土壤固碳，虽然减少CO2的排放，但增加了CH4的排放，两者相互抵消，从而降低了秸秆还田在农田系统中的固碳减排效果。Inubushi等在利用FACE平台研究日本稻田CH4排放时提出，当大气CO2浓度升高到550 μmol·mol-1时，水稻扬花期土壤产甲烷潜势明显高于周边田块，1999年CH4排放增加了38%，2000年增加了 51%（Inubushi等，2003）。国内研究也提出了相似的结论，CO2浓度的提高会促进甲烷的排放（韩琳等，2006）。而 Devevre（Devevre和 Horwath，2000）研究认为在淹水条件下秸秆还田有减少碳的矿化和增加甲烷的释放的趋势，但随着温度的增加，CH4的释放可以忽略不计。有研究者提出秸秆还田方式也会对CH4排放产生影响。马静等提出秸秆粉碎后条带状覆盖在田间可以减少CH4的排放（Ma等，2008）。

从众多的研究文献可以发现，无论是水稻生长季还是非生长季，减少淹水时间，都能够很大程度上减少CH4排放量。秸秆还田对CH4的减排也表现出一定的正效应，但是似乎水分管理才是减少CH4排放的 最有效措施。

5 总结

关于农田生态系统碳循环研究，国内外科学家开展了大量的研究工作。农田生态系统，受到人为因素的干扰，增加了诸多的不确定因素，因此农田生态系统中碳的循环演化过程显得较为复杂。秸秆还田利用作为一种有效的农田固碳措施，受到越来越多学者的关注，但是目前仍有诸多问题有待进一步探讨。

（1）秸秆还田后土壤有机碳流通变化机理仍将是土壤固碳机理的核心问题。随着研究的不断深入，秸秆还田对有机碳的影响研究不能仅仅停留在量的变化上，还田后对土壤有机碳的化学组成和结构特征变化的研究有待进一步加强。通过在物理分组的基础上进行化学组成和结构研究，了解秸秆还田下有机碳稳定性的机制。

（2）根系-土壤-微生物构成了一个复杂的根际生态微环境。根系是连接土壤和作物的桥梁，根际微环境的研究近年来已成为热点问题，但是秸秆还田对根际环境的改变以及产生的影响鲜见报道。研究秸秆还田对根际的影响，有助于了解土壤的固碳减排潜力。

（3）在秸秆还田模式下，农田系统的碳排放还应该包括使用农业机械操作时化石燃料消耗所产生的CO2气体。这部分数据有待监测和收集，为准确测算农田系统碳排放提供确实数据。

（4）研究秸秆还田的碳循环流动，目的是减少温室气体的排放，而温室气体减排有多种措施可供选择，秸秆还田仅仅是减排的一种措施。这种减排措施的减排潜力、适宜应用的区域、可能的协同作用和一些限制及不利因素还没有得到确切的评估。此外，秸秆还田的实施还要考虑社会和经济层面上的因素。

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