秸秆还田对土壤养分供应及微生物群落的影响

杨希淼，于济菘，王 冰，王端端，孙诚然，马春梅

（东北农业大学 农学院，哈尔滨 150030）

秸秆焚烧处理会产生许多危害，秸秆焚烧产生的烟和颗粒会对人们的呼吸道健康产生危害，释放出的CO2、CH4和N2O等温室气体会加剧温室效应，秸秆中的营养元素会大量流失，并对土壤的理化性质产生影响。研究表明，水稻秸秆燃烧释放的气体包括70%的CO2、7%的CO、0.7%的CH4和2.1%的N2O；每燃烧1 t小麦秸秆，会损失2.4 kg的N。有的作物秸秆还含有硫，在燃烧时，会释放一部分的硫元素。研究发现，秸秆焚烧降低了土壤中57%的微生物量，对0～5 cm表层土壤中的微生物影响较大，其中真菌数量下降43.68%～73.43%，放线菌数量下降9.32%～74.83%，细菌数量下降58.93%～81.44%，同时燃烧导致的土壤高温和水分散失影响了土壤酶的活性。因此，将作物秸秆焚烧并不是处理大量秸秆的最佳方式，应该寻求其他的解决方式。

秸秆还田后，经微生物的分解作用，释放出的氮、磷和钾等营养元素，不仅可以补充作物收获造成的土壤养分流失，还可以使耕作肥料的使用量降低，从而减少农业投资成本。土地中的活性碳组分，如可溶有机碳、土壤微生物量碳和易氧化物有机碳等对各种农业管理措施形成的改变更灵敏，常被作为评估土地品质和土地管理水平的主要指标。通过秸秆还田的方式可以提供一个适宜土壤微生物生存的环境，提高土壤微生物活性，增加土壤微生物数量。适当的秸秆还田还能促进作物生长，增加作物产量。

1 秸秆还田对土壤养分的影响

1.1 秸秆还田对土壤中氮磷钾含量的影响

（1）氮磷钾是植物生长过程中所需最多的营养元素。土地中的含氮物质一般以有机态类型存在，而粮食作物所吸取的无机氮是由有机氮通过矿化效应转换而来的，是粮食作物氮素养分的主要来源。李玮等[1]认为秸秆还田可以增加0～20 cm土层的氮素积累；在秸秆还田配施氮肥的条件下可以增加0～40 cm土层的氮素积累。当施氮量大于等于202.5 kg/hm2时，收获后的0～40 cm土壤氮素积累量高于播种前；在不进行秸秆处理的情况下，当施氮量大于等于243 kg/hm2时，收获后的0～40 cm土壤氮素积累量高于播种前。研究发现，随着秸秆还田量的增加，土壤全氮含量呈单峰曲线变化，在50%小麦和50%玉米秸秆还田时达到最大值。其中，玉米秸秆还田对土壤全氮含量的影响大于小麦秸秆还田，50%混合还田的小麦和玉米秸秆还田可使土壤全氮含量最大化。

（2）土壤磷主要分为无机磷和有机磷，其中无机磷占总磷量的60%～80%，有机磷是土壤速效磷的重要来源，对植物磷素供应起重要作用。在长期秸秆还田条件下，土壤全磷及速效磷的含量显著提高，但短期的秸秆还田对土壤全磷的影响并不显著。许多研究资料表明，秸秆还田对土壤磷素转化有显著作用，在研究的各种秸秆还田方法中，各种类型有机磷均以免耕秸秆覆盖含量最高，顺序是免耕秸秆覆盖大于免耕不覆盖大于传统耕种结合秸秆还田大于传统耕种不覆盖。秸秆还田使土壤中有机磷主要转变为中、高度稳定模型有机磷；使用有机肥还可提高土地中有机磷的含量，这已在多个田间试验中获得了证明。一方面，使用有机肥后，土壤微生物量和活力都得到了增加，促使土壤无机磷向有机磷和微生物磷转变。另一方面，有机肥本身可直接增加土壤有机磷各组分的含量。

（3）土壤钾对于植物的光合作用、蛋白质合成等许多其他功能有着至关重要的作用。在长期秸秆还田配施钾肥的条件下，能够提高土壤中水溶性钾、缓释钾和交换性钾的含量，提高有效形态钾占全钾的比例。王凡[2]研究认为，秸秆还田增加了土壤速效钾含量，小麦和玉米分别在100%、50%时达到最高值。土壤全钾和土壤速效钾在氮磷钾肥全施+100%秸秆还田的条件下，含量达到最大值，且与只施肥相比，土壤速效钾增幅远大于土壤全钾，增加了260.6%。有研究表明，在秸秆还田不施钾肥条件下，土壤速效钾含量降低；在秸秆还田配施氮磷钾肥条件下，土壤速效钾含量增加明显。顾美英等[3]研究结果表明，秸秆过腹还田配施氮磷钾肥提高土壤速效钾含量的效果最显著，比只施用氮磷钾肥提高了20.95%。

1.2 秸秆还田对土壤有机碳库的影响

（1）土壤的有机碳库，对保持土壤生态系统碳均衡、生物功能平衡、健康和可持续性具有重要意义。土壤有机碳库随着世界自然环境的改变而发生变化，同时土壤有机碳库的改变也引起了世界气候和大气碳库结构的改变。农业土壤碳库是世界土壤碳库的成分之一，但随着人类活动的频繁干扰，农业土壤有机碳库的构成也一直在动态变化。改善耕地土壤的固碳能力，保持土地中碳库平衡，能有效减少世界气候的变迁，从而降低土地碳损失。土壤有机碳很大程度上决定了土壤质量，而土壤有机碳含量不仅取决于气候、地质等自然因素，而且受土地利用方式、耕作措施、种植制度和施肥等人为因素干扰，是其综合作用的结果。

（2）土壤有机碳库不是一成不变的，为了便于研究，通常将土壤有机碳库划分为活性碳库与惰性碳库。活性碳库的变化会导致土壤有机碳库改变，活性碳库易矿化、周转快和易氧化，一些活性较高的组分如水溶性有机碳、微生物量碳和易氧化有机碳等对环境的变化反应迅速，有机碳库的微小改变能被这些活性碳组分显示出来，同时也说明这些活性物质是最先被作物吸收的营养物质，而且，这些活性碳组分之间相关性显著。有研究表明，在免耕+秸秆覆盖还田、传统耕作+秸秆覆盖还田和免耕条件下的土壤微生物量碳的含量均高于传统耕作，而且含量从多到少依次为免耕+秸秆覆盖还田、传统耕作+秸秆覆盖还田和免耕。

（3）近年来，由于秸秆还田的大力推广，土壤有机碳库水平快速提升。李涵等[4]在研究秸秆还田对土壤总有机碳库含量的影响时发现，在秸秆还田条件下，0～40 cm土层中土壤总有机碳库含量显著增加，且总有机碳库含量从多到少相应的覆盖还田量为9000 kg/hm2＞13500 kg/hm2＞4500 kg/hm2。秸秆还田增加了土壤中微生物碳的含量，不仅加快了碳的固存速度、增加了碳固存量，还改善了土质，增强了土壤肥力，延长了土壤肥力的持续时间。路文涛等[5]通过宁南旱区3年的秸秆还田定位试验发现，在谷子秸秆还田量为6000 kg/hm2、玉米秸秆还田量为6000 kg/hm2的条件下，土壤总有机碳含量和碳库管理指数较秸秆不还田处理增加幅度最大，分别为22.97%和45.45%。在翻耕、旋耕2种耕作方式+秸秆还田均能增加各土层土壤总有机碳和活性有机碳含量，且在7～14 cm土层中，旋耕总有机碳含量高于翻耕，而在14～21 cm土层中却相反。

2 秸秆还田对土壤物理性状的影响

容重、紧实度是土壤重要的物理性状，并且土壤容重经常被用于评估土地耕作质量和作物管理好坏的依据。秸秆还田对土地物理性质的影响显著，与传统单施肥料对照比较，经秸秆还田处理的土壤，容重显著降低。研究发现，与秸秆不还田相比，连年与隔年秸秆深还，表层和亚表层的容重均下降，且对亚表层的影响较大。与秸秆不还田相比，秸秆覆盖还田和翻埋还田处理都能使土地容重降低，并且秸秆翻埋还田处理对土壤物理性状的改善效果更好。

土壤团聚体是土粒通过各种自然过程的作用形成的直径小于10 mm的结构单位，是判断土壤是否肥沃的指标之一。在旋耕和深耕2种耕作方式条件下，采用秸秆还田处理，会显著提高5～10 cm土层中大于0.25 mm团聚体所占的比例。张玉铭等[6]研究了耕作方式和秸秆还田对土壤团体中碳氮分布的影响，并发现和旋耕秸秆还田相比，深层秸秆还田不仅提高了土壤团聚体的平均重量直径，还提高了20～40 cm土层中大于1 mm粒级水稳性团聚体所占的比例和大于2 mm粒级团聚体的稳定性。经秸秆还田后，粒径为大于2 mm和0.25～2 mm团聚体的比重显著增加，而粒径为0.053～0.25 mm和小于0.053 mm的团聚体的比重显著降低。秸秆还田还降低了团聚体破碎率PAD，提升了土壤团聚体的几何平均直径（GWD）和平均质量直径（MWD），GWD和MWD越大，团聚体破碎率越小，团聚体越稳定。

3 秸秆还田对土壤微生物群落的影响

3.1 秸秆还田对土壤微生物数量的影响

土壤微生物的数量和土壤的理化特性直接相关。土壤的理化特性在较大程度上控制了土壤微生物的活力和数量，同样，土壤微生物的活力和数量也影响着土壤的理化特性。长期向农田单独施入氮、磷、钾肥和不施肥处理对土壤微生物性质的影响相比变化不大，但对长期施入氮、磷和钾肥的农田进行秸秆还田处理后，土壤微生物的数量和活性都得到了提高，其生活环境也得到了改善。在秸秆还田之后土壤细菌的数量明显上升，施用秸秆量越大，秸秆杂物腐解时间就越长，因此土壤细菌数量也更多，施用绿肥与施用化肥相比，更能增加土壤微生物数量。研究发现，在玉米—小麦轮作情况下，经秸秆还田处理，土壤中细菌、真菌和放线菌的数量得到了增加，而且土壤中的多种酶的活性也得到了提高。盛荣等[7]研究结果表明，水稻秸秆遮盖还田增加了土壤真菌数量，土壤细菌的数量变化不大，而在水稻田地中，施用稻草和绿肥后，土壤细菌和真菌数量都有一定程度的增加，而且真菌增加的幅度小于细菌。研究发现，在双季稻栽培地区，秸秆还田条件下，在早稻收获期和晚稻齐穗期，土壤中的真菌数量略有下降。

3.2 秸秆还田对土壤微生物多样性的影响

土壤微生物的多样性与活力是维持农业生态系统安全与平衡的基石。长期的高强度单施用化肥减少了土壤微生物种类，导致土壤质量退化。化肥处理后的土地中微生物量碳与土地中微生物量氮的比值最大，但不施肥和撂荒管理比值较低，2组相比差别很大，表明长时间耕地施肥使土地微生物种群内部结构出现了很大改变。研究发现，通过冬季秸秆还田处理可以保持双季稻田的根际土地微生物种群多样性，特别是通过马铃薯的秸秆还田处理可以增加根际土地中微生物种类的丰富量和保持群落物种的均匀性。在秸秆还田配施氮磷钾肥条件下，土壤中的变形菌、泉古菌和酸杆菌相对丰度增加。刘晶鑫等[8]采用Biolog ECO微平板培养法，对已持续施肥35年的黑土土壤微生物种群功能多样性进行了研究，结果显示，单施化肥或有机肥都可改善连作的小麦种植土地微生物多样性，以单施有机肥效果最为显著，但化肥配施后土地微生物多样性有所减少。使用生物炭的土地细菌丰富度和种群数量最大，其次为秸秆还田，不施肥的土地微生物种群丰富度最低。

4 结束语

综上所述，近年来，秸秆还田成为人们关注的焦点，秸秆的合理利用对未来农业的可持续发展至关重要，秸秆还田改善了土壤理化性质，减少了因焚烧带来的环境污染。不同的秸秆还田时间、还田土壤类型、还田方法和还田量会对土壤微生物和土壤养分产生不同的影响，探究正确的秸秆还田方式是实现秸秆安全还田的关键。今后应该完善秸秆还田技术体系，加大秸秆还田技术宣传与培训力度，让秸秆还田真正地造福于民。