秸秆还田对土壤有机碳积累影响的研究进展

2021-12-02夏雨龙卢恩佳张晋京李翠兰

农业技术与装备 2021年7期

段燕，夏雨龙，卢恩佳，张晋京，李翠兰

（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）

我国是农业生产大国，伴随农业进步的同时，会大量产生秸秆，造成秸秆资源过剩现象或以不环保的方式处理秸秆等行为。现今对秸秆的处理技术较为丰富[1-3]，目前我国秸秆年产量超过9×108t，在此基础上将近20%被直接燃烧处理或废弃[4]，在空气中释放大量固体颗粒物，不仅对大气环境造成了严重的污染，还威胁人体的健康[5]，因此如何环保并有效地处理秸秆成为了社会焦点。秸秆还田不仅减少了因燃烧带来的大气污染，改善了生态环境，还可增加土壤肥力，丰富土壤矿物质，提高资源利用效率，对农作物的产量也有积极影响[6]。除此之外，秸秆还田还具有吸附和溶解土壤中所残留的重金属与农药等有害物质的功能[7]。

有机碳是养分良好的贮藏所，同时它对土壤的物理、化学性质及生物特征都有相对直接的影响[8]，较为丰富的有机碳，能影响土壤形成良好的结构与质地[9-10]，创造适合作物生长的有利条件，对作物的生长有明显的促进作用。秸秆还田在是土壤有机碳的最直接有效且最为主要的投入来源[11]，不仅通过分解和腐解作用直接增加土壤有机碳的含量，并且秸秆还田还可以减少有机碳的矿化和分解作用[12-13]。

1 秸秆不同还田方式对土壤有机碳的影响

秸秆中富含营养物质，在还田后经过一段时间腐解后成为土壤腐殖质，而不同还田方式对土壤有机质变化存在差异。目前我国秸秆还田方式主要分为直接还田和间接还田，而前者又可分为免耕覆盖还田、留高茬还田[14]、浅旋以及深翻还田等直接性的方式；后者则是包括过腹还田、堆沤还田、秸秆氨化还田以及食用菌基质还田等在内的将秸秆经过一定处理的还田方式[15]。我国大部分地区采用直接还田的方式更为普遍，这也突出直接还田简单直接、经济有效同时又省时的特点。

最常用的就是免耕覆盖还田、浅旋还田、深翻还田。其腐解率呈现出浅旋还田大于深翻还田和覆盖还田的规律，土壤有机碳增加量也呈现一致的变化规律。这是由于覆盖还田没有使秸秆与土壤和水分充分接触，也没有微生物适宜的条件，但是与此同时，免耕对土层扰动少，减少深层土壤与外界的接触，降低有机碳的矿化率，有助于有机碳的积累，增加团聚体的稳定性[12,16]，反之，频繁耕作会破坏土壤表层结构，降低对有机碳的物理保护，加速有机质的分解，致使降低土壤有机碳含量[17-18]。而浅旋还田相对于深耕还田而言不仅能改善土壤的透气性和透水性，还有利于增强土壤中微生物的活性，从而加速微生物对秸秆的分解作用[19]，且深耕还田使土壤与外界接触更加密切，在一定程度上加速土壤的矿化[20]。更有研究表明[21]，作物秸秆粉碎与土壤混合后覆盖还田条件下腐殖质的含量均高于以上还田方式，这可能是因为在较短的时间内，粉碎混合覆盖的方式不仅让秸秆中的纤维素和木质素等粉碎，还使其与土壤表面腐殖质的接触更加充分，增强了微生物的活性，且土壤动物多生活于土壤表层，加快秸秆的分解，从而增加有机碳含量[22]。

在秸秆间接还田中，较为常见的则是堆沤还田、过腹还田和食用菌菌渣还田。堆沤还田利用了较强生物活性的酶，让秸秆经过短时间的发酵，并在这段时间内将秸秆中的粗纤维和各种营养物质分解转化为有机肥[23]，在此基础上还田能够有效且快速地增加土壤有机碳含量，但此方法在堆沤过程中会有一定养分流失[24]。过腹还田能有效增加土壤有机碳则是由于秸秆通过动物的肠胃转化为粪便，糖类、纤维素、蛋白质部分被动物吸收[25]，剩余部分再加入到土壤中，促进水稳定性团聚体的形成，进而加速有机碳的积累与固存。此外，粪便本身还能改善土壤结构，增强团聚体结构稳定，达到增加有机碳含量的目的[26]，过腹还田将秸秆资源利用实现了效益最大化。食用菌菌渣还田是因为其本身含有较高的有机质，且菌渣的C/N值较高，在土壤中腐解更快，促进了土壤微生物分解菌渣过程中对碳素的固定，增加了微生物量碳的含量，又由于土壤中微生物量碳与有机碳呈现出较为明显的相关关系[27]，从而提高了碳稳定性，增加土壤有机碳的含量及质量[28]。

2 不同种类作物秸秆还田对土壤有机碳的影响

秸秆的营养成分十分丰富，富含各种营养元素如氮（N）、磷（N）、钾（K）等[29]。不同作物秸秆所含元素的含量和所占比例受到作物种类、不同时期、生长环境以及土壤条件的影响而不同，因此土壤有机碳增加量会由于不同种类作物的秸秆还田呈现出不同的效果。作物秸秆中含有如纤维素、木质素等营养物质，约占秸秆的80%[30]。在秸秆分解初期是一个较快的阶段，秸秆中易分解物质会在土壤微生物的分解作用下转化为土壤营养物质，而后期是一个较为缓慢的过程[31]，这是由于木质素是三维网状高分子多酚类芳香族化合物[32]，具有较强的稳定性，因此在土壤中难以降解，但长期以来木质素都被认为是土壤有机碳库的关键组成部分[33]。有研究表明，不同作物秸秆中木质素的含量呈现出高粱、水稻、小麦、玉米、大麦依次递减的规律[34]。因此，秸秆分解速率不仅受到作物秸秆木质素的含量所影响，也与秸秆所处腐解的环境相关。但有的研究结果[35]呈现出小麦分解速率大于玉米，与上述作物秸秆木质素含量相违背，这是由于秸秆的腐解还受C/N值的影响[36]，它能直接作用于土壤微生物的活度，当木质素含量相似时，C/N值高的分解快[37]。还有研究发现不同作物对土壤有机碳的固存作用也有所不同，因为根系较为发达，深层根茬量较大且根茬从各个土层深入耕层的作物更有利于土壤碳素的固持[38]。由于这些因素的影响，不同种类作物秸秆还田后腐解的速率以及其对土壤有机碳的作用均存在差异。

3 不同还田量对土壤有机碳的影响

多数研究表明，不同还田量的秸秆均有增加土壤有机碳的作用[39-40]，这是因为秸秆还田能从各个方面改变土壤结构，增大团聚体中有机碳含量[41]，并且还具有增大土壤孔隙度及降低密度的作用[42-43]，从而为土壤微生物在生活和繁殖方面上提供了相对有利的条件，在增加微生物量的基础上促进秸秆腐解，再进一步影响土壤有机碳的含量[9]。研究表明，随着作物秸秆还田量的增加，土壤有机碳含量增加的趋势更为显著[44-45]；秸秆倍量还田更优于秸秆年年还田，一方面，还田后立即对土壤有机碳呈现出大幅度提高的优势，另一方面，避免了每年还田耕作而破坏土壤表层结构，降低团聚体稳定性的破坏[51]，且常年秸秆还田易引起病虫害等问题[25]。但也有研究发现，当还田量超过一定范围时，即使增加还田量，土壤有机质的含量也不会伴随其同步提升[47]，这可能是由于高量的秸秆还田会降低土壤的pH值影响土壤酶的活性，以至于降低秸秆的分解率[48]，且高量秸秆还田会影响作物出苗率和根系生长等问题[19]。也有观点认为，在过量还田条件下土壤有机碳增加并不显著，甚至会由于土壤养分供应不足，不利于部分微生物的生存，导致秸秆腐解率相比适量还田较低[50]。