不同类型秸秆还田对土壤有机碳及酶活性的影响综述

马南 陈智文 张清

摘要：土壤有机质的数量和质量关系着土壤肥力和粮食安全，有效提高土壤有机碳含量和稳定性已成为保证农业可持续发展的重要途径。植物残体经分解转化后成为土壤有机碳的重要组成部分，其中含有丰富的养分，还田腐解后可改善土壤结构、培肥地力、提高土壤有机碳总量;土壤中的微生物可利用秸秆还田提供的碳源，激发微生物活性，影响微生物分泌的土壤酶。由于还田秸秆的类型、还田量及其分解环境因素的不同，作物秸秆对土壤有机碳及土壤酶活性的影响存在差异。对此进行深入分析，可为不同环境下不同作物秸秆科学还田提供借鉴。

关键词：秸秆还田;有机碳;土壤酶活性;活性有机碳;土壤结构

我国作为农业生产大国，长期以来的农业生产方式及化学肥料的过量施用使土壤功能退化，污染加剧。因此如何有效提高土壤质量、治理土壤污染、保护土壤健康，已经成为当今社会普遍关注和急需解决的问题。我国每年粮食与油料产量巨大，相应的作物秸秆资源也非常丰富，2016年秸秆理论产量9.84亿t，居世界首位[1]。作物秸秆中含有植物生长所必需的养分，是重要的生物质资源[2-3]，还田后在改善土壤结构、促进土壤团聚体的形成、提高土壤肥力等方面也发挥着重要作用。秸秆分解主要是通过土壤微生物来完成的，秸秆还田后可激发微生物活性及微生物量，通过不断对秸秆进行分解和转化，促进秸秆光合碳向土壤碳的转化，进而提高土壤质量[4]。秸秆可就地直接还田，实现对农业废弃物进行科学高效资源化利用，减少环境污染和资源浪费，其优越性是化学肥料不可替代的，这对发展绿色农业、改善土壤环境质量具有重要意义。

1 不同类型秸秆还田对土壤有机碳的影响

1.1 不同类型秸秆还田对土壤有机碳的影响

土壤有机碳库作为土壤碳库的主要组成部分，其含量的变化可直接影响农田土壤物理、化学与生物学过程[5]。研究发现，外源秸秆碳的加入有效提高了土壤有机碳含量、碳矿化速率和累计矿化量，提升了土壤地力[6]。Powlson等通过模拟试验发现，当试验进行100年后，添加秸秆处理的土壤有机碳含量较秸秆不还田处理增加了20.4 t/hm2[7]。由于不同外源有机物质的自身特性，如碳氮比（C/N）、全磷含量、全钾含量等存在一定差异，因此，不同植物残体的输入使得土壤有机碳含量也随之不同。

不同时空尺度的试验结果表明，添加秸秆后，秸秆C/N与有机碳矿化累积量之间呈负相关[8-9]，并且随着秸秆C/N的升高而降低，这主要是由于当C/N约为25时，最适于土壤微生物利用氮、磷等营养元素进行自身的生长繁殖[10-11]，但由于秸秆之间C/N的差异，从而导致矿化累积量也随之不同。张继旭等利用室内培养试验，研究水稻秸秆、水稻秸秆生物炭、玉米秸秆、烟草秸秆与黄棕壤烟田土壤混匀后，比较各处理之间的土壤有机碳矿化累积量，结果发现玉米秸秆的土壤有机碳矿化累积量最高，其次是水稻秸秆和烟草秸秆，最低的是水稻秸秆生物炭，主要是由于水稻和玉米秸秆相较于其他秸秆来说，易分解组分比例较高，因此有机碳矿化累积量也相对较高，表明C/N是影响其累积量的因素之一[12]。而陈丽娟等通过室内培养试验，以覆盖和混匀2种添加方式比较油菜、烟草和水稻秸秆在棕壤烟田土壤中有机碳的矿化强度，发现油菜秸秆的矿化强度最大，其次是烟草秸秆，最后是水稻秸秆，可能是由于不同类型秸秆的易分解组分、木质素含量和C/N之间存在差异造成的[13]，所得结论与张继旭等的研究结果[12]类似。代文才等通过比较小麦、玉米、水稻、油菜和蚕豆秸秆还田后秸秆腐解率发现，油菜秸秆的累积腐解率最大，这进一步说明相较于高C/N的作物秸秆来说，低C/N的作物秸秆矿化累积量和腐解率均较高，对土壤有机碳的贡献更大，与此同时，研究还发现2种处理方式下，土壤有机碳矿化强度不同，表现为表层覆盖处理大于混匀处理，可能是由于培养试验的水分补给主要集中于表层土壤，频繁的干湿交替环境和良好的通气状况，有利于秸秆的矿化和分解，因此在秸秆矿化过程中除了秸秆本身的C/N和物质组分的差异外，水分、通气状况也是重要的影响因素[14]。还有研究表明，在秸秆分解过程中，对土壤微生物种群具有选择性差异[15-16]。

研究表明，作物秸秆的分解转化总体上呈现先快后慢的趋势[17-18]。在添加玉米秸秆12～14 d后，秸秆碳的分解转化率和CO2的累積释放碳量达到最高值，之后逐渐降低;小麦秸秆则在施入后的14～21 d快速分解转化，50%以上的秸秆碳以CO2的形式损失掉[19];与玉米和小麦秸秆分解环境不同，淹水环境下分解的水稻秸秆，其快速分解期略有延迟，但其分解转化率更高[20]。说明虽然作物秸秆的分解转化趋势在总体上相似，但由于作物秸秆的种类及分解转化的外部环境不同，其分解速率也存在差异。

综上所述，植物残体的输入引起土壤有机碳的不断变化，外源碳的输入不仅可以改善土壤质量，而且有助于土壤有机碳和养分物质的积累[21-22]。油菜秸秆比其他秸秆C/N低，易分解组分高，其矿化强度和腐解率都明显高于其他秸秆，说明不同类型的作物秸秆，其C/N和易分解组分不同，从而导致秸秆的矿化强度和腐解率有差异;对于水稻秸秆来说，虽然其C/N较高，但如果处于淹水条件下，其分解转化率则显著高于其他秸秆，这说明还田方式、田间管理措施和气候等外部环境是影响秸秆分解转化的重要因素。

1.2 不同类型秸秆还田对土壤活性有机碳的影响

土壤活性有机碳占土壤总有机碳（SOC）的1%～5%[23]，其周转时间短，周转率大，对加入的外源有机碳反应十分敏感，可直接参与土壤中一系列的分解转化过程[24]。研究显示，土壤活性有机碳组分[微生物生物量碳（SMBC）、易氧化有机碳（LDC）、可溶性有机碳（DOC）、轻组有机碳（LFC）]对外源碳输入的响应比较敏感，但不同组分之间具有一定的差异。李增强等在研究紫云英秸秆配施化肥还田试验时发现，当还田量为45 t/hm2的紫云英配施不同比例化学肥料时，不同处理间土壤活性有机碳含量差异显著，表现为随着配施化学肥料比例的增加而降低[25]，这与常单娜得出的随着绿肥C/N的降低，土壤活性有机碳的含量明显提高的结论[26]不一致，原因可能是由于化肥用量的增加使得紫云英的C/N降低，造成土壤养分有效性增加，并且土壤活性有机碳作为一种重要的碳源[27]，微生物利用后可将其转化为CO2释放到空气中。说明秸秆配施化肥还田除了受秸秆本身C/N的影响外，化肥施入量也是重要的影响因素。

东北黑土作为我国最肥沃和高生产力的土壤，同样也面临着土壤有机质含量下降的问题，玉米和大豆是东北地区的主要农作物，每年秸秆产量丰富，其秸秆中含有的营养元素，在腐解后不仅可以转化为土壤有机碳长期固存在土壤中，还可在后续作物需要时提供部分养分。有研究显示，玉米秸秆添加量与可溶性有机碳、易氧化有机碳、微生物量碳和颗粒有机碳的含量呈正相关关系，其中土壤DOC的含量在玉米秸秆半量和全量还田处理中显著提高[28]。马昱萱等通过利用大豆秸秆进行培养发现，大豆秸秆配施红糖和氮肥处理下，土壤微生物量碳含量明显提高[29]，这与李增强等的研究结果[25]相似，说明秸秆还田配施氮肥是提高土壤活性有机碳组分含量的重要措施。

由于土壤活性有机碳具有不稳定、易分解、周转速度快的特点，因此外界环境的改变（管理措施和地表植被等）会对其产生剧烈影响[30]，土壤活性有机碳的含量与农田管理措施、土壤基本理化性质及有效养分等具有明显的相关性，因此对土壤质量变化的响应更为敏感，对评估土壤质量具有重要意义[31]。土壤活性有机碳含量可在外源有机碳施入后的短时间内发生明显变化，另外在配施氮肥条件下，土壤活性有机碳含量可显著提高，虽然土壤活性有机碳含量在不同类型秸秆还田条件下有所差异，但整体变化趋势相似。

2 不同类型秸秆还田对土壤酶活性的影响

微生物作为土壤中最活跃的部分，始终不断地参与土壤生态系统循环过程[32-33]，微生物可通过分泌土壤酶来分解动植物残体。土壤酶是一种具有特殊催化能力的生物催化剂，作用于土壤中的各种生物化学反应过程，因此土壤肥力状况以及土壤中发生的各种循环过程都可以通过土壤酶活性的高低来反映，因此土壤酶活性可以作为评价土壤质量的重要生物学指标[34-35]。目前，通常使用脲酶、过氧化酶、磷酸酶和水解酶等土壤酶活性来反映土壤质量[36]。秸秆的分解主要是通过微生物来完成的，秸秆施入后，带来了丰富的矿质养分和有机碳，促进微生物活动，刺激微生物生长繁殖[37-38]，为调控酶活性提供了重要的物质条件。不同酶的催化反应类型和功能存在差异，其中水解酶和氧化酶可促进有机物质分解，释放营养物质，对有机质的降解具有重要影响，同时影响土壤总有机碳的损耗和储存[39]，纤维素酶可分解植物残渣中难分解的纤维素和木质素[40]，锰过氧化物酶则能氧化分解芳香多聚体，以此来降解木质素[41]。Zhao等的研究结果表明，秸秆还田4年后土壤酶活性显著增加，尤其是与土壤总有机碳含量相关的土壤脲酶和蔗糖酶活性[42]，同时有研究发现，对于同一类土壤来说，脲酶活性对土壤有机质含量的响应较为敏感，两者之间呈明显的正相关关系[43]。因此，土壤酶活性的变化，是研究土壤微生物群落对秸秆还田的响应以及土壤总有机碳变化的重要途径，对了解和分析土壤中发生的一系列分解和转化过程具有重要意义。

刘艳慧等在分析棉花秸秆还田后的土壤酶活性时发现，还田后0～60 cm土层的土壤脲酶活性均显著提高，与未还田处理相比，0～20、20～40、40～60 cm土层土壤脲酶活性分别提高427%、1343%、24.03%，同时在一定时期内土壤蔗糖酶活性和过氧化氢酶活性都显著提高，但由于田间管理方式不同，棉花秸秆对土壤酶活性的影响存在一定的差异[44]。张伟等研究发现，随着试验的进行土壤酶活性发生波动变化，呈降低—升高的趋势;蔗糖酶活性在连作10年后显著增强，土壤质量明显提高;过氧化氢酶活性与脲酶活性规律相似，与未连作相比，在连作5、10、15、20年后分别提高了48%、7.9%、19.0%、29.6%，说明棉花秸秆在连作处理下提高了过氧化氢酶、蔗糖酶及脲酶活性，有助于保持和改良土壤生物学特性[45]。

玉米秸秆还田结果与棉花秸秆相似。刘芳等研究发现，随着还田的玉米秸秆不断分解，土壤过氧化氢酶活性呈现出增加—降低—增加的趋势，但受还田量的影响不显著[46]。陈强龙研究发现，过氧化氢酶和多酚氧化酶活性变化不显著，但对过氧化物酶与脫氢酶活性影响较大，均有显著提高[47]。陈士更等的研究结果表明，与玉米秸秆不还田相比，配施腐熟剂有助于土壤中性磷酸酶、脲酶活性的提高，同时增加了土壤有效养分含量，并且土壤微生物群落数量、丰富度和多样性也明显改善，为作物生长提供了良好的生存环境[48]。刘龙等采用尼龙袋进行田间原位模拟试验，结果发现试验1年后，随着玉米秸秆还田量的增加，纤维素酶活性和过氧化氢酶活性也随之增加，但在还田第2年，土壤纤维素酶活性降低了6.18%～31.72%，过氧化氢酶活性的变化趋势则与之相反[49]，这与刘艳慧等的研究结果[44]相似，但增长幅度不同，与张伟等利用棉花秸秆在连作条件下的过氧化酶活性规律[45]不同。

大豆秸秆还田后土壤酶活性的变化趋势与玉米和棉花秸秆相似。马昱萱等通过培养试验发现各处理的过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性在培养期间均呈现增加—降低的趋势，其中在培养5 d时各处理的蔗糖酶活性较0 d相比提高了29.39%～7184%，脲酶活性增加了64.10%～102.22%，过氧化氢酶活性增加了14.56%～114.92%，并且当施入红糖与氮肥时，这3种酶活性明显提高，其中脲酶活性的响应最为敏感[29]。还有研究表明，氮素的施入量对土壤脲酶活性影响显著，虽然大豆秸秆可提供部分氮源，但含量较低，因此配施氮肥，保证充足的氮源供应，可有效避免秸秆分解过程中，发生氮素供应不足的现象，从而影响地上植物的正常生长需要[50]。陶波等研究发现，相较于秸秆不还田来说，大豆秸秆还田显著提高了蔗糖酶、脱氢酶及脲酶活性，并且各种酶活性与还田量之间存在明显的正相关关系，其中在培养的30 d里，脲酶和蔗糖酶活性变化趋势相似，均是从增加到降低的过程，脱氢酶活性略有升高，但变化幅度小于脲酶活性[51]。以上研究表明，大豆秸秆还田对土壤酶活性影响显著，呈现先升高后降低的趋势，不同土壤酶活性之间变化幅度不同，同时外源氮素的输入对土壤酶活性的增加具有促进作用。

战厚强通过试验发现，水稻秸秆还田后，土壤脲酶活性呈现波动变化，表现为先降低再升高，最后降低的趋势，与此同时还发现相较于秸秆不还田来说，秸稈还田并没有对脲酶活性产生显著影响[52]，这与他人的研究结果[44，49]不一致，这进一步说明土壤脲酶活性对还田秸秆类型响应存在明显的差异性。但在研究中同样发现，土壤蔗糖酶活性在秸秆还田后呈现出降低—上升的波动变化趋势，并且受秸秆还田量影响较大，这与棉花、玉米和大豆秸秆还田的研究结果相似，但是水稻秸秆还田后土壤脲酶活性的变化规律与其他3种秸秆还田有所不同，由于土壤脲酶活性对氮素水平响应比较敏感，因此水稻秸秆还田后土壤脲酶活性降低可能是由于秸秆C/N相对较高，分解时消耗过多的氮素造成的。

受还田秸秆类型的影响，土壤酶活性也存在一定差异。赵哲权等研究发现，小麦秸秆还田的脲酶活性高于玉米秸秆;对于土壤磷酸酶活性来说，玉米和小麦秸秆还田后分别提高了34.1%、14.6%，说明对磷酸酶活性的促进作用玉米秸秆高于小麦秸秆;施入秸秆后，玉米和小麦过氧化氢酶活性则分别提高了3%、9%，进一步说明由于秸秆的物质组分不同，土壤酶活性也随之不同[53]，这在其他有机物料还田中也有所体现。

通过以上分析发现，还田秸秆及还田量与土壤酶活性关系密切，呈显著正相关关系，但随着时间的延长，其变化趋势有所不同。通过比较分析棉花、玉米、水稻和大豆秸秆还田后土壤酶活性的差异，发现水稻秸秆还田没有显著增加土壤脲酶活性，变化趋势为先降低后升高，玉米、大豆和棉花秸秆与之相反，其他酶活性变化规律相似，但变化幅度不同，这可能是由于各类型秸秆的物质组分、还田量及外部环境因素的影响造成的。

3 结论

通过阐述棉花、玉米、水稻和大豆等秸秆还田后对土壤有机碳及土壤酶活性的影响。结果表明，秸秆还田对提高土壤有机碳含量具有促进作用，尤其是对外源有机碳反应敏感的活性有机碳;与此同时低C/N的作物秸秆（油菜秸秆）相较于高C/N的作物秸秆（水稻秸秆）来说，矿化累积量和腐解率均较高，对土壤有机碳的贡献更大，但易受分解环境的影响。各类型秸秆还田后土壤酶活性均有所增加，其中土壤蔗糖酶、过氧化物酶活性波动趋势相似，对于土壤脲酶活性来说，水稻秸秆与其他秸秆不同。目前，大多数研究仅针对1种类型秸秆，2种或多种类型秸秆还田对比的研究较少，由于可用于还田的秸秆类型多样，秸秆本身的物质组成和属性也有所不同，所以秸秆还田后对土壤有机碳及土壤酶活性的影响有所差异，同时秸秆还田量、还田方式、田间管理方式、土壤类型以及自然环境条件等都是影响土壤有机碳和土壤酶活性的重要因素。

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