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还田作物秸秆腐解特性及相关影响因素的研究进展

2017-01-31葛选良钱春荣

农学学报 2017年7期
关键词:作物秸秆土壤

葛选良,于 洋,钱春荣

(黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所/农业部东北地区作物栽培科学观测实验站,哈尔滨150086)

还田作物秸秆腐解特性及相关影响因素的研究进展

葛选良,于 洋,钱春荣

(黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所/农业部东北地区作物栽培科学观测实验站,哈尔滨150086)

为实现还田作物秸秆有效腐解,本文总结了还田作物秸秆腐解特性及其自身条件、水热条件、土壤条件、外源氮素等相关影响因素,同时重点介绍了还田作物秸秆腐解的土壤微生物效应方面的研究之现状,并在此基础上对还田作物秸秆有效腐解的研究做出了些许设想,以期对科学制定作物秸秆还田工艺、指导合理施肥和科学用养地等研究领域提供有效参考。

作物;秸秆;腐解特性;影响因素

0 引言

随着农业科学技术的进步,中国农业获得迅速发展的同时亦产生了大量的农作物秸秆。毕于运等[1]、王亚静等[2]研究表明,中国每年可产出作物秸秆7亿t以上,约占全世界作物秸秆总量的30%,其中以水稻、玉米和小麦秸秆主,三者的秸秆总量约占中国秸秆总量的80%。但目前大量作物秸秆被废弃或焚烧,造成资源浪费的同时亦对环境产生了严重的危害,因此作物秸秆的有效利用已成为迫在眉睫的农业生产和环境问题。随着农业生产集约化程度的提高,化肥施用量日益增长的同时,厩肥、绿肥的施用量大幅度降低,作物秸秆将成为提升土壤肥力的重要有机肥源。张晓文[3]、高利伟[4]认为,秸秆还田不仅可增加土壤有机质含量,改善土壤理化性状,优化农田生态环境,还可促进农村养分资源的循环利用和农业可持续发展。但杨滨娟等[5]研究表明,有机物适于微生物分解利用的碳氮比大约是25:1,大量作物秸秆还田后会导致微生物汲取土壤氮素,从而与作物争夺土壤氮素,引起耕层土壤矿质氮降低和碳氮比失调,进而影响还田作物秸秆的有效腐解。因此,探讨还田作物秸秆在土壤中的腐解特性及其影响因素对科学制定作物秸秆还田工艺、指导合理施肥和科学用养地具有十分重要的意义。

1 还田作物秸秆的腐解特性

还田作物秸秆的腐解过程包括3个阶段,即快速腐解期,缓慢腐解期和停滞期。江永红等[6]研究发现作物秸秆进入土壤后,其水溶性组分在次生代谢的作用下迅速分解;随着作物秸秆腐解过程的进行,其碳、氮的比例逐渐发生变化,加之木质素、单宁和蜡质等物质难以分解,作物秸秆腐解的速度逐渐变慢至几乎停止。李新举等[7]研究表明,作物秸秆还田前4周的腐解率可达40%;随着易分解物质逐渐被微生物耗尽,作物秸秆腐解率逐渐降低;最后由于剩下的组分均难以分解利用,腐解过程基本停止。陈尚洪等[8]研究认为作物秸秆腐解过程中不同养分的释放速度亦存在差异,其表现为钾>磷>氮;而王允青等[9]对释放率的研究发现,不同养分表现为磷>氮>钾,碳氮比亦呈下降趋势。沈海军等[10]研究表明,还田作物秸秆70%~90%的碳素以微生物呼吸的形式被释放;作物秸秆还田90天后,小麦和玉米秸秆的碳素释放量为50%~55%;二者养分的释放量表现为碳>钾>氮>磷;二者养分的释放率则表现为钾>磷>碳>氮。

2 还田作物秸秆腐解的影响因素

2.1 自身条件

还田作物秸秆的腐解过程是一个复杂的物质和能量相互转化的生物化学过程,受自身和外界环境条件的共同影响。颜丽等[11]、郑立臣等[12]、张静等[13]研究认为影响还田作物秸秆腐解的自身因素包括:还田量、还田时间、大小、埋深、种类、C/N、含水量等,其中还田量、还田时间和大小(粉碎程度)通过影响土壤水分含量、土壤温度、土壤微生物C/N等指标来而还田作物秸秆的腐解。Ma等[14]、李新举等[15]研究发现,埋深5 cm的作物秸秆腐解最快,埋深15 cm的作物秸秆稍慢,而覆盖在土壤表面的作物秸秆最慢;而迟凤琴等[16]认为作物秸秆还田32周后,埋深5 cm和15 cm的作物秸秆腐解率分别为65%和62%,而覆盖在表层的作物秸秆腐解率为50%左右。玉米秸秆碳素的释放速率比大豆秸秆快,同时当C/N升高时,玉米秸秆有机碳的腐解率亦升高。杨志谦等[17]的研究表明,作物秸秆C/N比在一定程度上影响作物秸秆腐解的速度。一般情况下含氮量大于1.5%~1.7%的有机物不需外源氮源即可满足分解过程中微生物对氮素的需要,这相当于C/N比值为(25~30):1。南雄雄等[18]研究发现土壤-秸秆混合体的C/N直接制约着作物秸秆的腐解程度,C/N较低的土壤-秸秆混合体更适合土壤微生物的新陈代谢,利于作物秸秆的腐解和土壤有机碳的矿化,较高的则相反;Iqbal等[19]认为腐解前期C/N低、体积小的作物秸秆分解速度快,而在腐解后期微生物活性最大时C/N高、体积小的作物秸秆时迅速分解并趋于稳定。

2.2 水热条件

温度影响微生物胞外酶的产生和周转,从而间接地影响有机物分解。Cusack等[20]、Wallenstein等[21]研究表明,在一定范围内,酶活性随着温度升高而升高,当基质或能源不足时,微生物会抑制酶的产生。微生物胞外酶对温度的敏感性随季节变化而变化,季节可权衡酶的结合能力和催化作用。Hochachka等[22]研究发现,当温度升高时,微生物会完善和权衡自身的进化来适应因温度变化而导致的呼吸代谢变化。Thomsen等[23]研究发现,降水影响土壤水分含量,而土壤水分含量对水溶性有机碳(SOC)的周转影响显著,而Vanhala等[24]发现作为一种重要的微生物易于利用的碳源,SOC与微生物的活性和微生物生物量有正相关关系。此外,Coppens等[25]、Kimura等[26]也认为降水导致的干湿交替会影响微生物的活性,进而导致厌氧和好氧微生物群落的交替。Castro等[27]、董志新等[28]研究气候条件对作物秸秆腐解的影响发现,温度和降水通过影响土壤中一些微生物群落的生长繁殖和生理机能,进而影响可溶性有机物含量以及还田作物秸秆分解的快慢,同时造成底物供给差异,进而影响相关微生物群落活性和功能。

2.3 土壤条件

Xu等[29]、Jarvis等[20]研究表明,土壤pH、质地及养分(特别是N)含量影响还田作物秸秆的腐解及秸秆表面的微生物群落结构,Motavalli等[31]研究发现,土壤pH低导致微生物活性和还田作物秸秆的腐解速率下降;Hassink等[32]、Yadvinder等[33]、Henriksen等[34]研究认为,还田作物秸秆在土壤中的腐解速率与土壤中黏粒含量呈负相关,其在粉沙质土壤中的腐解速率低于砂质土壤,其中小麦和黑麦秸秆在壤土中的矿化速率要明显高于沙土。Feng等[35]认为,在适宜的温度范围内,土壤温度的升高致使降解还田作物秸秆的微生物生物量增加、微生物活性和呼吸率增强,进而加速还田作物秸秆的分解。左玉萍等[36]、江长胜等[37]、左玉萍等[38]的研究发现还田作物秸秆的腐解过程是一个需水过程,土壤含水量主要影响还田作物秸秆的前期分解,对后期影响的差异不大。当土壤水分为16%~20%时,秸秆的分解速率最快;土壤水分含量过高或过低都会对降解还田作物秸秆的微生物活动产生不利影响,从而减缓还田作物秸秆的腐解速度。

2.4 外源氮素

周海燕等[39]、匡恩俊等[40]研究表明,还田作物秸秆还田配合施用氮肥有利于微生物繁殖,进而促进秸秆腐解和养分释放,但氮肥的施用量及方式均对秸秆腐解的影响较大。张静等[13]认为,作物秸秆还田后的养分释放是一个较为缓慢的过程,通常认为与作物秸秆C/N的高低有关。Geisseler[41]研究发现,在还田作物秸秆腐解的过程中,耕层土壤有效氮的含量通常能满足微生物的需求,但微生物腐解还田作物秸秆会消耗大量的土壤有效氮,使得土壤矿质态氮含量急剧减少;但Lvaro-Fuentes[42]认为若还田作物秸秆本身的C/N过高,微生物分解还田作物秸秆时需要消耗土壤中原有的氮素,进而导致秸秆腐解微生物和作物发生竞争养分的现象,降低还田作物秸秆的腐解率。Nicolardot等[43]、Wang等[44]的研究表明,微生物分解有机体的最优C/N为25:1,其中微生物体的C/N为5:1,其余20个单位的碳作为能源消耗。一般来说,还田作物秸秆的C/N均高于25:1,因此氮素就成为分解还田作物秸秆微生物活性的限制因素。还田作物秸秆腐解过程中氮素对微生物群落的作用主要是抑制真菌的生长,而对细菌生物量的影响并不显著。Fog[45]认为施用氮肥会因为C/N的改变而促进C/N高的物质如纤维素等物料的腐解,而Leung和Pointing[46]则认为无机氮的施用会降低白腐菌(木质素的主要分解菌)的活性,抑制还田作物秸秆腐解。Arcand等[47]研究表明,适量增施氮肥能提高土壤有效氮的含量,避免腐解微生物与作物争氮,促进微生物的繁殖,刺激非木质化植物残体碳素的矿化腐解过程,进而加速还田作物秸秆腐解。

3 还田作物秸秆腐解的土壤微生物效应

还田作物秸秆在土壤中被微生物分解分为三个阶段,首先是在喜糖霉菌、白霉菌和无芽饱细菌的作用下,分解水溶性糖和淀粉;之后以芽饱细菌和纤维素分解细菌为主,分解蛋白质、果胶类物质和纤维素等;最后以放线菌和某些真菌为主,分解木质素、单宁和蜡质等。因此土壤微生物活性和土壤微生物群落结构的变化易于直观反映作物秸秆的腐解状况。Baumann等[48]研究表明,还田作物秸秆腐解过程中,分解作物秸秆残体的微生物群落结构与作物秸秆残体的化学结构特别是芳香碳和含氧烷基碳呈现出一定的相关性,而张红等[49]、Pascault等[50]认为,还田作物秸秆腐解残留率与土壤微生物群落的优势度呈显著负相关,且易分解秸秆对细菌多样性和活性的影响更大。喻曼等[51]研究表明,还田作物秸秆腐解前期,cy17:0与半纤维素、纤维素的降解有一定相关性,后期的微生物种群则以木质素分解微生物为主。杨军等[52]研究表明,参与小麦和玉米秸秆分解的微生物生物量相当,但微生物种类有所不同,其差别主要与革兰氏阳性菌14:0、i14:0、3OH-16:0、i17:0和革兰氏阴性菌cy17:0以及放线菌10Me18:0有关。Bastian等[53]研究认为小麦秸秆腐解前期和后期的微生物优势菌群不同,主要表现在放线菌、δ-变形菌和β-变形菌的增加以及纤维杆菌和γ-变形菌的减少上。

4 问题与展望

(1)作物秸秆有效还田的土壤微生物效应研究

目前关于农田系统中还田作物秸秆腐解的研究主要侧重于单个影响因素对微生物群落结构或某种特定微生物影响的研究,而对还田作物秸秆腐解的微生物机理的研究较少;同时现阶段的研究大部分为可控试验条件下,如温室中控制其他条件对单一可变条件如温度或湿度[35]或两个条件如不同pH和C/N[29]进行研究,而对于大田间条件下影响还田作物秸秆腐解的主导因素以及不同影响因素之间的交互作用考虑较少。鉴于此,可借助目前在土壤微生物多样性研究中应用最广泛的Genome Sequencer FLX+(GS FLX+)高通量测序平台[54],在大田条件下研究秸秆腐解和土壤微生物种群组成和功能多样性的变化特征,揭示对作物秸秆腐解特性及与多个影响因素的互作效应,为完善作物秸秆还田技术及科学用养地研究提供理论基础和科学依据。

(2)作物秸秆机械化还田关键技术及配套装备选型

针对作物秸秆还田过程中的机具不配套、作业效果不理想以及秸秆还田后腐解缓慢、腐解效果差、病虫草害发生较重等问题,着重开展快速腐解菌剂及其施用时间、剂量等配套施用技术、土壤-作物氮素耦合调控技术、磷钾肥减施配套关键技术、生态高效除草剂、杀虫剂调控技术及减施配套关键技术的研究,并对玉米收获机、秸秆粉碎机、免耕播种机等作业机械选型,通过调研、试验等多种形式,最终筛选出一整套性能先进、可靠性高的满足秸秆有效还田的配套装备。

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Returning Crop Straw:A Review of Decomposing Features and Influencing Factors

Ge Xuanliang,Yu Yang,Qian Chunrong
(Institute of Crop Cultivation and Farming,Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences/Scientific Observing and Experimental Station of Crop Cultivation in Northeast China,Ministry of Agriculture,Harbin 150086,Heilongjiang,China)

In order to implement effective decomposing of returning crop straw,we summarized the research progress in decomposing features of returning crop straw and its influencing factors such as own conditions,hydrothermal conditions,soil conditions,exogenous nitrogen and so on,and focused on the research status of the soil microbial effects on decomposing of crop straw.Finally,we made suggestions on the research of effective decomposing of crop straw in order to provide references for formulating scientific techniques of returning crop straw,guiding rational fertilization and proper utilizing and nourishing land.

Crop;Straw;Decomposing Feature;Influencing Factors

S-3

A论文编号:cjas16120002

国家“十二五”科技支撑计划项目“高效灌溉农艺配套综合技术集成研究与示范”(2014BAD12B01-2);公益性行业(农业)科研专项“东北半干旱地区主要农作物微灌节水关键技术”(201303125);现代农业产业技术体系专项资金“国家玉米产业技术体系哈尔滨综合试验站”(CARS-02-40)。

葛选良,男,1984年出生,内蒙古通辽人,助理研究员,研究生,博士,主要从事作物栽培生理生化研究。通信地址:150086黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路368号,E-mail:gexuanliang@163.com。

钱春荣,女,1973年出生,黑龙江鸡西人,副研究员,研究生,博士,主要从事作物栽培生理生化研究。通信地址:150086黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路368号,Tel:0451-86678615,E-mail:qcr3906@163.com。

2016-12-02,

2017-01-13。

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