秸稈還田條件下農(nóng)田系統(tǒng)碳循環(huán)研究進(jìn)展

朱鴻杰, 閆曉明, 何成芳, 洪玲, 譚外球

安徽省農(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，安徽 合肥 230031

陸地作為三大碳庫(kù)中的第二大碳庫(kù)，其固碳能力和固定轉(zhuǎn)化的規(guī)律，對(duì)全球范圍內(nèi)的碳源、碳匯都有巨大的影響（潘根興，2003；黃昌勇，2000)。但是，對(duì)于目前的陸地碳庫(kù)容量的估算，存在著相當(dāng)大的不確定性（Aase和Kristian，1986）。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分、全球碳庫(kù)最活躍的部分，其變化不僅影響到土壤肥力和土地生產(chǎn)力，還會(huì)影響到CO2排放。農(nóng)作物秸稈的利用方式直接關(guān)系到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫(kù)的變化。在通常的自然植被條件下，土壤中的有機(jī)物質(zhì)絕大部分直接來(lái)源于其植物凋落物和根系分泌物（Chong等，1993）。而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，部分碳以農(nóng)產(chǎn)品和作物秸稈的形式向系統(tǒng)外輸出。這些輸出的碳流向與流量，是農(nóng)田系統(tǒng)碳循環(huán)研究不可忽略的一部分。秸稈還田減少了系統(tǒng)碳的輸出，秸稈中的碳返回土壤，礦化分解，腐殖化，最終形成有機(jī)質(zhì)保留到土壤中，重新參與到農(nóng)田系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程中。目前的研究表明，秸稈還田一定程度上增加土壤有機(jī)碳的含量，而相當(dāng)一部分碳以 CO2和 CH4的形式損失。盡管如此，秸稈還田仍被認(rèn)為是最具潛力的農(nóng)田固碳措施之一（Lu等，2009；Triberti等，2008）。因此，研究，秸稈還田利用對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳循環(huán)的影響，對(duì)估算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2的排放量，及弄清楚全球范圍下碳的平衡變化有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 秸稈還田條件下農(nóng)田系統(tǒng)碳循環(huán)

秸稈還田在不考慮人為活動(dòng)干擾的情況下，應(yīng)該包含作物、土壤、大氣 3個(gè)子系統(tǒng)。作物子系統(tǒng)通過(guò)光合作用將大氣中的 CO2固定下來(lái)，轉(zhuǎn)化成有機(jī)物，同時(shí)釋放出O2。其中，部分有機(jī)物通過(guò)作物的莖稈被輸送到作物根部，進(jìn)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，發(fā)生碳的流通變化，有些固定在根系中，有些轉(zhuǎn)化成土壤碳物質(zhì)成分。Cotrufo等（Cotrufo和Gorissen，1997）利用14C追蹤法發(fā)現(xiàn)，被固定的14C中，90%貯存在植物中，10%轉(zhuǎn)移到土壤中。其中，7%以游離態(tài)存在于土壤中，另 3%存在于植物根際土壤中。同時(shí)，根系通過(guò)自養(yǎng)呼吸，釋放出CO2、CH4。作物收獲后的秸稈還田，秸稈碳進(jìn)入土壤系統(tǒng)，在微生物的作用下，參與到土壤系統(tǒng)的碳轉(zhuǎn)化、運(yùn)移過(guò)程。秸稈被土壤微生物礦化分解，分解后的一些中間產(chǎn)物與土壤物質(zhì)以及微生物代謝產(chǎn)物或者合成產(chǎn)物結(jié)合，形成新的有機(jī)質(zhì)，被固定到土壤中。同時(shí)，土壤原有有機(jī)碳在外源有機(jī)物進(jìn)入的情況下，部分礦化分解，并達(dá)到新的平衡點(diǎn)。土壤有機(jī)碳重新建立平衡點(diǎn)的過(guò)程中，秸稈的分解礦化、微生物呼吸代謝、土壤原有機(jī)碳的礦化，均會(huì)產(chǎn)生一定的 CO2、CH4等溫室氣體，進(jìn)入大氣系統(tǒng)。

由此可見，秸稈還田條件下，除了作物收獲物是系統(tǒng)碳輸出部分，農(nóng)田系統(tǒng) 3個(gè)子系統(tǒng)的碳物質(zhì)變化是一個(gè)吸收、固定、釋放，并且不斷發(fā)生物質(zhì)流通交換并達(dá)到新平衡的過(guò)程（如圖 1所示）。

2 秸稈還田后的土壤子系統(tǒng)碳的變化

土壤碳庫(kù)是陸地碳庫(kù)的重要組成部分，包括無(wú)機(jī)碳（INOC）與有機(jī)碳（SOC）兩大類。土壤無(wú)機(jī)碳主要以碳酸鹽形式穩(wěn)定存在，，很少參與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程，對(duì)碳循環(huán)的影響不大。土壤有機(jī)碳包括動(dòng)植物及微生物遺體、排泄物、分泌物及部分分解產(chǎn)物和土壤腐殖質(zhì)，主要來(lái)源于原始植被殘留碳、農(nóng)作物殘?bào)w及人為施加的有機(jī)物料（Chong等，1993；趙成義，2004）。通常在研究土壤碳庫(kù)的變化過(guò)程中，主要考慮土壤有機(jī)碳（SOC）、土壤礦化碳、土壤微生物碳（MBC）的變化。因?yàn)椋寥牢⑸锷锪刻?全碳，作為土壤碳庫(kù)質(zhì)量的敏感指示因子可以推斷碳素有效性，土壤礦化碳與全碳的比值可以指示土壤有機(jī)碳活性，土壤活性碳與全碳的比值可以度量土壤有機(jī)碳氧化的活性（浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)，1976；Dalal和 Mayer，1986）。在一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)物質(zhì)輸入量與損失量處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)，一旦平衡遭到破壞，土壤碳庫(kù)就會(huì)向一個(gè)新的平衡態(tài)移動(dòng)。

圖1 秸稈還田條件下農(nóng)田系統(tǒng)碳的運(yùn)移Fig.1 Returning Straw on Soil Carbon Circulation in Cropland Ecosystem

2.1 秸稈還田后土壤有機(jī)碳的變化

農(nóng)田土壤有機(jī)碳變化取決于土壤有機(jī)碳的輸入和輸出的相對(duì)關(guān)系，即有機(jī)物質(zhì)的分解礦化損失和腐殖化、團(tuán)聚作用累積的動(dòng)態(tài)平衡與土壤物質(zhì)遷移淀積平衡的統(tǒng)一（方華軍等，2003）。秸稈進(jìn)入土壤后，在適宜條件下向礦化和腐殖化兩個(gè)方向進(jìn)行。礦化，就是秸稈在土壤微生物的作用下，由復(fù)雜成分變成簡(jiǎn)單化合物，同時(shí)釋放出 CO2、CH4、N2O和能量的過(guò)程；腐殖化，是秸稈分解中間產(chǎn)物或者被微生物利用的形成代謝產(chǎn)物及合成產(chǎn)物，繼續(xù)在微生物的參與下重新組合形成腐殖質(zhì)的過(guò)程。秸稈在微生物分解作用下，其中一部分徹底礦化，最終生成CO2、H2O、NH3、H2S等無(wú)機(jī)化合物。一部分轉(zhuǎn)化為較簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物（多元酚）和含氮化合物（氨基酸、肽等），提供了形成腐殖質(zhì)的材料。少量殘余碳化的部分，屬于非腐殖物質(zhì)，由芳香度高的物質(zhì)構(gòu)成，多以聚合態(tài)與黏粒相結(jié)合而存在，且相互轉(zhuǎn)化。張夫道（張夫道，1994）在研究秸稈的降解規(guī)律時(shí)，認(rèn)為秸稈降解首先形成非結(jié)構(gòu)物質(zhì)，主要是較高比例的纖維素、木質(zhì)素、脂肪、蠟質(zhì)等難于降解的有機(jī)物，其中大部分轉(zhuǎn)化為富里酸（FA），進(jìn)而轉(zhuǎn)化為胡敏酸（HA）。分解產(chǎn)物對(duì)土壤原有腐殖質(zhì)進(jìn)行更新，從腐殖質(zhì)表面官能團(tuán)或分子斷片開始，逐步進(jìn)行。非結(jié)構(gòu)物質(zhì)可與腐殖酸的單個(gè)分子產(chǎn)生交聯(lián)作用，在一定條件下，交聯(lián)的復(fù)合分子可進(jìn)入腐殖質(zhì)分子核心的結(jié)構(gòu)中。

就秸稈還田的效果來(lái)看，目前多數(shù)研究均傾向于秸稈還田能夠提高土壤有機(jī)碳的含量，特別是秸稈和有機(jī)肥配合，效果更顯著。蔡祖聰?shù)妊芯拷Y(jié)果表明，秸稈的效果優(yōu)于廄肥，廄肥的效果又優(yōu)于堆肥，而綠肥的效果最差（尹云鋒等，2005）。田慎重等（田慎重等，2010）、宋明偉等（宋明偉等，2008）、陳尚洪等（Chen等，2008）、Joseph 等（Joseph等，1999）的研究結(jié)果均表明秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳含量的增加有重要作用，秸稈還田有利于增加土壤有機(jī)碳的含量。王成己統(tǒng)計(jì)了中國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期試驗(yàn)資料（1979-2008年），分析表明在長(zhǎng)期保護(hù)性耕作下，農(nóng)田表土有機(jī)碳含量總體呈上升趨勢(shì)，水田下增長(zhǎng)高于旱地，秸稈還田更有利于促進(jìn)表土有機(jī)碳的積累（王成己等，2009）。結(jié)合秸稈還田的綜合保護(hù)性耕作措施可以使水田和旱地的有效固碳期限分別持續(xù)27 a和23 a，水田在保持較高固碳速率的同時(shí)，延長(zhǎng)了有效固碳年限。對(duì)有機(jī)碳的分組研究，有助于進(jìn)一步了解秸稈還田后對(duì)土壤有機(jī)碳的影響。根據(jù)有機(jī)碳在土壤中分解的難易程度，將有機(jī)碳分為活性有機(jī)碳、緩性有機(jī)碳、惰性有機(jī)碳；根據(jù)測(cè)定方法不同有機(jī)碳分為易氧化有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、微生物量碳；以物理分組可將土壤有機(jī)碳分為輕組、重組、顆粒有機(jī)碳（Yan等，2007）。一般認(rèn)為土壤微生物量碳、顆粒有機(jī)質(zhì)、易氧化碳、易礦化碳、可提取態(tài)碳和其它碳水化合物屬于活性有機(jī)碳范疇，是土壤質(zhì)量變化的早期指示劑。目前的研究表明秸稈還田除了能夠提高顆粒有機(jī)碳、氮的含量，還可以提高微生物量碳、鹽溶性、水溶性有機(jī)碳的含量，但是不同秸稈還田模式效果存在差異。有研究者（周萍等，2009）應(yīng)用魔角自旋交叉極化碳 13-核磁共振（CPMAS-13C-NMR）和熱裂解（四甲基氰化鈉）-氣相/質(zhì)譜（Pyr-TMAH-GC/MS）技術(shù)進(jìn)行有機(jī)質(zhì)組份的化學(xué)成分分析，認(rèn)為水稻、油菜等的殘?jiān)徒斩挼妮斎胗兄陬w粒有機(jī)碳（POC）的積累。

秸稈還田后打破了土壤系統(tǒng)原有的平衡，在土壤微生物的作用下分解，并與土壤的物質(zhì)結(jié)合形成新的有機(jī)質(zhì)，可以稱為新碳。新碳在進(jìn)入土壤后對(duì)土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)、穩(wěn)定和積累會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響目前還沒(méi)有太多的研究。但從國(guó)外學(xué)者提出的土壤有機(jī)碳固定的幾種機(jī)制（化學(xué)穩(wěn)定機(jī)制、土壤團(tuán)聚體物理保護(hù)機(jī)制、生物學(xué)機(jī)制），不難看出秸稈還田類型、數(shù)量、方式等差異的必然對(duì)土壤的礦物質(zhì)、團(tuán)聚體、微生物產(chǎn)生沖擊，影響原有土壤有機(jī)碳庫(kù)系統(tǒng)平衡。秸稈還田提高了土壤有機(jī)碳的含量，則必然使不同組分的有機(jī)碳含量提高，并且維持在一定水平。

2.2 秸稈還田后土壤礦化碳的變化

土壤有機(jī)碳由于土壤背景值較高，對(duì)氣候、土地管理措施和利用方式等反應(yīng)不靈敏，常表現(xiàn)一定的滯后性，短期內(nèi)很難檢測(cè)到其微小變化，因此需要通過(guò)一些更敏感的指標(biāo)來(lái)測(cè)定。土壤礦化碳累積量從一定程度上反應(yīng)了土壤有機(jī)碳的活性，土壤中潛在性的可礦化碳的敏感性往往大于土壤有機(jī)碳。

目前的研究均表明，秸稈還田能夠提高土壤有機(jī)碳的含量，并提高有機(jī)碳的礦化速率，結(jié)合施肥效果更明顯。自然條件下土壤有機(jī)碳的礦化主要由微生物來(lái)完成，微生物對(duì)有機(jī)碳正常分解的C/N 約為25，C/N 過(guò)高或過(guò)低的有機(jī)碳分解礦化都比較困難。如果C/N 過(guò)高，微生物的分解作用就慢，而且要消耗土壤中的有效態(tài)氮素，發(fā)生“爭(zhēng)氮現(xiàn)象”。因此，秸稈還田時(shí)，需要增施氮肥（柳敏等，2007）。一般來(lái)講，礦化的土壤活性有機(jī)碳主要來(lái)自于新鮮凋落物的分解、根系分泌物以及土壤腐殖質(zhì)，這也說(shuō)明秸稈還田能夠提高土壤礦化碳的含量。當(dāng)然，秸稈還田時(shí)，秸稈分解礦化，部分最終轉(zhuǎn)化成有機(jī)碳，但同時(shí)也影響土壤原有有機(jī)碳的礦化。因?yàn)椋瑴囟?、土層、含水量等因素影響微生物的活?dòng)，這些條件的變化對(duì)土壤有機(jī)碳的礦化也會(huì)產(chǎn)生影響。張鵬等（張鵬等，2011）發(fā)現(xiàn)土壤碳礦化速率和累積礦化量在0～60 cm各土層內(nèi)隨著秸稈還田量的增加而增加。Fugen等（Dou等，2008；Zhao等，2008；陳濤等，2008）的研究表明，土壤碳礦化速率與土壤中生物活性較高、穩(wěn)定性較差、易礦化的那部分活性有機(jī)碳密切相關(guān)，且土壤溫度和土層對(duì)有機(jī)碳礦化影響較大（艾麗等， 2007）。國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤含水量與土壤有機(jī)碳(SOC) 礦化之間的關(guān)系開展了大量研究。一般認(rèn)為，淹水條件下有機(jī)殘?bào)w和土壤原有有機(jī)碳的礦化速率低于好氣條件，且多數(shù)研究結(jié)果表明淹水抑制稻田 SOC的礦化（Devevre和Horwath，2000；郝瑞軍等，2006；張薇等，2007）。然而，一些采用14C示蹤研究結(jié)果表明（江曉東等，2010；朱培立等，1994），淹水狀態(tài)下添加秸稈還田的礦化量高于好氣狀態(tài)，并且在一定含水量范圍內(nèi)（30%～105% WHC）與含水量呈線性正相關(guān)關(guān)系。

如前所述，秸稈還田對(duì)提高土壤有機(jī)碳含量和礦化具有明顯作用，但是，秸稈還田和土壤原有有機(jī)碳礦化之間的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

2.3 秸稈還田后土壤微生物碳的變化

土壤微生物碳是土壤有機(jī)碳最活躍的部分，有研究者認(rèn)為可以利用土壤微生物多樣性、微生物碳和氮等土壤微生物參數(shù)來(lái)估算土壤的健康和質(zhì)量。土壤絕大部分物質(zhì)都處于穩(wěn)定或者半穩(wěn)定狀態(tài)，雖然微生物量碳只占土壤碳的極少部分，但是微生物通過(guò)礦化分解有機(jī)物和自身同化無(wú)機(jī)物，在土壤物質(zhì)循環(huán)中起著關(guān)鍵作用。目前，施用有機(jī)物可以提高土壤微生物的數(shù)量，已經(jīng)被多數(shù)研究證實(shí)了。但是，秸稈還田對(duì)微生物的多樣性和活性的影響尚存爭(zhēng)議。

影響土壤微生物量的因素很多：土壤類型、人為活動(dòng)、施肥措施、土地利用方式、不同溫度與濕度環(huán)境的影響等（趙勇等，2005；俞慎等，1999）。土壤含水量對(duì)微生物量的影響最為重要，0.01～0.05 MPa 接近微生物的最佳濕度。土壤干濕交替作用能造成土壤微生物的大批死亡和更新。土壤pH 值也能明顯影響土壤微生物量，強(qiáng)酸強(qiáng)堿性及鹽堿土的微生物量較低。低溫(小于6 ℃)或高溫(大于35 ℃)時(shí)，都會(huì)對(duì)土壤微生物量產(chǎn)生很大影響。通常土壤環(huán)境的改變會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生兩種結(jié)果：一、不適應(yīng)的微生物數(shù)量減少甚至滅絕；二、適應(yīng)環(huán)境的微生物大量繁殖和積累。秸稈還田改變了土壤原有環(huán)境，秸稈的輸入為土壤微生物提供了能量和養(yǎng)分。但是王志明等通過(guò)14C示蹤技術(shù)認(rèn)為土壤原有C仍然是微生物養(yǎng)分和能量的主要來(lái)源，秸稈還田加快了土壤微生物碳的周轉(zhuǎn)速度，而微生物量碳周轉(zhuǎn)速度的加快，又會(huì)加速土壤原有碳和秸稈碳的分解（王志明等，2003）。一般認(rèn)為（張逸飛等，2006）秸稈還田的土壤微生物群落的種類和優(yōu)勢(shì)比不還田要高，秸稈還田在一定程度上，增加土壤微生物的多樣性和活性。但是，羅希茜等對(duì)紅壤長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，秸稈還田紅壤微生物利用碳源能力低下（羅希茜等，2009）。另有研究指出，腐熟的秸稈有利于維持土壤微生物的多樣性及活性（朱海平等，2003）。

秸稈可以為土壤微生物活動(dòng)提供碳源的事實(shí)毋庸置疑，但是能否提高微生物群落的物種豐富度、優(yōu)勢(shì)度仍存在爭(zhēng)議?？赡芙斩掃€田的初期會(huì)降低了微生物利用碳源的能力以及群落物種的均勻度，造成土壤碳、氮利用下降，但是長(zhǎng)期的效應(yīng)會(huì)增加土壤微生物的多樣性和活性。

3 秸稈還田后作物子系統(tǒng)碳的變化

作物是農(nóng)田系統(tǒng)中土壤與大氣之間碳循環(huán)的連接部分。作物通過(guò)光合作用進(jìn)行碳同化，光合碳經(jīng)韌皮部運(yùn)輸分配到地下部用于根系生長(zhǎng)（Dakora和 Phillips，2002），同時(shí)以根系沉積物（根系脫落物和根系分泌物）形式向根際土壤環(huán)境中輸入碳，并為根際微生物所利用成為微生物量碳中的一部分，或以有機(jī)質(zhì)形式藏于土壤庫(kù)中。另外，植物同化的碳還有一部分通過(guò)植物自身呼吸及根際微生物呼吸返回到大氣中。每年約有10%大氣CO2通過(guò)植被流向土壤（Raich和Potter，1995）。

3.1 秸稈還田對(duì)作物地上部碳同化的影響

作物主要通過(guò)C3、C4光合途徑，進(jìn)行碳固定。目前的研究表明（Gregory和 Atwell，1991； LU等，2002），作物在不同生育期對(duì)光合碳的地上和地下部的分配差異很大，同時(shí)也受到氣候條件、農(nóng)藝措施及微生物的強(qiáng)烈影響。秸稈還田對(duì)增加作物產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分的長(zhǎng)期效應(yīng)已經(jīng)得到普遍的認(rèn)同，但與作物光合碳的相關(guān)性的研究很少。

少量文獻(xiàn)研究顯示，秸稈還田對(duì)作物光合作用的影響，表現(xiàn)為正效應(yīng)。趙霞等（趙霞，2008）在研究不同麥茬處理方式下對(duì)玉米的光合作用的影響時(shí)認(rèn)為，秸稈還田有利于提高群體葉面積指數(shù)、群體凈光合速率。因?yàn)樽魑锕夂掀鞴偈芩钟绊戄^大，作物缺水會(huì)導(dǎo)致葉片氣孔度導(dǎo)度下降，甚至致使光合機(jī)構(gòu)受損，減弱光合作用。而秸稈還田后，改變了土壤理化性狀，增加了土壤肥力，降低葉面蒸騰速率，提高水分利用率。通常認(rèn)為C、N循環(huán)緊密相關(guān)，N素作為作物的最大需求養(yǎng)分，影響光合作用的潛力極大，Hu等的研究表明（Hu等，2001），N素對(duì)碳的固定有限制作用。但是，C、N配施卻有利于作物碳同化。潘根興等（潘根興等，2006）比較了單施化肥、化肥配施有機(jī)肥、化肥配施秸稈對(duì)水稻碳同化和產(chǎn)量的平均效應(yīng)，結(jié)果顯示化肥配施秸稈對(duì)提高水稻碳同化和產(chǎn)量的作用要高于其它措施，單施化肥同化和產(chǎn)量最低。

就目前的研究而言，秸稈還田對(duì)作物光合作用影響研究十分有限，多停留在對(duì)作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)研究。秸稈還田后是否對(duì)作物的生理生化性狀、礦質(zhì)元素、葉綠體、線粒體等產(chǎn)生影響還不清楚。

3.2 秸稈還田對(duì)作物根際碳的影響

根系在作物的生長(zhǎng)中起到重要的作用，它不但可以固定作物，提供營(yíng)養(yǎng)和水分，其中根系分泌物還具有調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)的功能。作物通過(guò)根系、土壤、微生物及其環(huán)境因子間能流、物流和信息流的相互作用、相互制約而形成了一個(gè)具有高度組織性的復(fù)雜整體——根際微生態(tài)系統(tǒng)。

Jones D.L.指出（Jones等，2009），根系碳通過(guò)6種途徑進(jìn)入土壤，造成植物根系的C損失：根冠和邊緣細(xì)胞的損失；根細(xì)胞的自溶和死亡；根系有機(jī)共生體的碳流通；氣體損失；根系分泌物；根細(xì)胞的不溶性聚合分泌物。 Gregory P. J. 和Atwell B. J.對(duì)植物根際碳進(jìn)行了估算[40]，禾谷類作物向地下部轉(zhuǎn)運(yùn)20%～30%的光合碳，其中1/2在根系中，1/3 為根系和微生物呼吸所消耗，其余的碳被轉(zhuǎn)化為土壤微生物量碳和有機(jī)質(zhì)。Jones等（Jones和Darrah，1996）提出根系分泌物的C補(bǔ)償機(jī)制假說(shuō)，認(rèn)為植物通過(guò)分泌物從土壤中獲得C補(bǔ)償，彌補(bǔ)自身的C損失。分泌物不僅能夠提高C的利用效率，還避免根際的 C沉積，減少土壤微生物種群的生長(zhǎng)。因此降低了微生物與根系爭(zhēng)奪養(yǎng)分的效應(yīng)，減少了病原有機(jī)物的繁殖，最大程度的降低了病原微生物的趨化程度。而秸稈還田后與作物會(huì)發(fā)生短期的“爭(zhēng)氮”效應(yīng)，增加微生物的數(shù)量和生物量（劉定輝等，2011），與根系本身的C補(bǔ)償機(jī)制相反。但目前，秸稈還田對(duì)作物根系和根際碳的影響還不太清楚。國(guó)內(nèi)有報(bào)道顯示（戰(zhàn)秀梅等，2012），秸稈還田后當(dāng)季春玉米產(chǎn)量總體呈下降趨勢(shì)，最大根長(zhǎng)及生育后期深層根系根長(zhǎng)顯著提高，但秸稈還田對(duì)花后氮素吸收、氮素及干物質(zhì)轉(zhuǎn)移有抑制作用，并且對(duì)開花后根系活力的保持不利，采取適當(dāng)?shù)纳罡胧梢跃徑饨斩掃€田對(duì)當(dāng)季玉米產(chǎn)量的不利影響。

植物根際微環(huán)境的研究在近幾年受到高度的關(guān)注，根際C、N流通變化和一些根際循環(huán)的假說(shuō)為根際碳循環(huán)研究提供了一定的研究基礎(chǔ)。秸稈還田對(duì)根際微環(huán)境的影響研究很少，從目前的研究還很難看出秸稈還田后根際碳的變化流通情況。

4 秸稈還田后大氣子系統(tǒng)碳的變化

CO2和CH4是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)重要組成部分。農(nóng)田系統(tǒng)的碳排放主要是由土壤呼吸和植物呼吸作用產(chǎn)生。其中，土壤呼吸包括植物根系呼吸、土壤微生物呼吸、土壤動(dòng)物呼吸，以及含碳物質(zhì)的化學(xué)氧化作用。植物呼吸是指植物地上部分的呼吸作用。國(guó)外有研究結(jié)果表明，秸稈覆蓋 10年后大約有33%左右C被固定下來(lái)，但是2/3左右的秸稈碳都沒(méi)有轉(zhuǎn)化成土壤有機(jī)碳，大部分以CO2和CH4的形式損失（Humberto和Lal，2007）。

4.1 秸稈還田CO2的變化

農(nóng)田系統(tǒng)的CO2排放主要來(lái)源于植物和土壤呼吸，作物生長(zhǎng)期內(nèi)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響因素，其中，土壤排放到大氣中的CO2占了很重要的一部分，淹水條件下的土壤排放的CO2對(duì)植物凈光合作用的貢獻(xiàn)占到6%，排干條件下占到7%，植物根系吸收的CO2可以忽略不計(jì)?？梢娮魑锷L(zhǎng)季的農(nóng)田系統(tǒng)具有一定的“碳匯”功能。秸稈還田后向原土壤中輸入了有機(jī)物料，必然對(duì)土壤呼吸產(chǎn)生重要影響。

土壤呼吸，一部分來(lái)自微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解，即異養(yǎng)呼吸作用（RH），一部分源于根系的呼吸，即自養(yǎng)呼吸作用（RA）。前者與微生物的數(shù)量和生物量有關(guān)，秸稈還田可以增加土壤微生物的數(shù)量和活性，因此，秸稈還田理論上會(huì)增強(qiáng)土壤的呼吸作用。目前的研究（馬靜，2008）也證實(shí)這種觀點(diǎn)，旱地耕作環(huán)境中秸稈還田能夠促進(jìn)土壤呼吸作用，增加CO2的排放。但是耕作條件的改變會(huì)影響這種效應(yīng)，合理配施N肥可以降低土壤CO2的排放；淹水條件下，秸稈還田使土壤有機(jī)碳礦化受到了明顯抑制，增加氮肥可以減少有機(jī)酸的積累，促進(jìn)CH4排放，但對(duì)CO2沒(méi)有明顯影響。然而，秸稈還田對(duì)根系呼吸的影響卻少見報(bào)道。此外，秸稈直接還田和焚燒后還田，對(duì)溫室氣體的排放影響差異很大。Hamman等認(rèn)為，秸稈焚燒減少了有機(jī)質(zhì)的返還土壤，主要是降低了有機(jī)碳和土壤微生物所需的碳源（Hamman等，2007；Montoya-González等，2009）。但是目前，仍然沒(méi)秸稈直接還田和焚燒后還田農(nóng)田系統(tǒng)CO2排放差異的具體數(shù)據(jù)。

目前秸稈還田下農(nóng)田措施通常配合機(jī)械操作，因此，還需要考慮使用農(nóng)業(yè)機(jī)械過(guò)程產(chǎn)生的CO2排放。盡管需綜合考慮的因素很多，研究者仍認(rèn)為秸稈還田是有效的農(nóng)田固碳手段，可以減少CO2排放。

4.2 秸稈還田CH4的變化

農(nóng)田系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程，CH4盡管所占比例很少，卻是重要的溫室氣體。從100 a的時(shí)間尺度上來(lái)看，CH4的增溫潛勢(shì)是等質(zhì)量CO2的25倍。

國(guó)內(nèi)外的研究均表明，淹水土壤抑制CO2產(chǎn)生，增加CH4排放，但排水良好的草地、森林等土壤卻可以氧化大氣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和減少CH4排放量的功能。稻田土壤生成的CH4平均有80% 被根際和水土界面的氧化區(qū)域所氧化，僅有 20% 排放到大氣中（蔡祖聰，1997）。因此，秸稈還田措施對(duì)CH4排放的影響也主要集中在稻田種植環(huán)境下。逯飛等（逯非等，2009）通過(guò)研究估算全國(guó)尺度上的秸稈還田稻田氣體排放。秸稈還田通過(guò)稻田土壤固碳，雖然減少CO2的排放，但增加了CH4的排放，兩者相互抵消，從而降低了秸稈還田在農(nóng)田系統(tǒng)中的固碳減排效果。Inubushi等在利用FACE平臺(tái)研究日本稻田CH4排放時(shí)提出，當(dāng)大氣CO2濃度升高到550 μmol·mol-1時(shí)，水稻揚(yáng)花期土壤產(chǎn)甲烷潛勢(shì)明顯高于周邊田塊，1999年CH4排放增加了38%，2000年增加了 51%（Inubushi等，2003）。國(guó)內(nèi)研究也提出了相似的結(jié)論，CO2濃度的提高會(huì)促進(jìn)甲烷的排放（韓琳等，2006）。而 Devevre（Devevre和 Horwath，2000）研究認(rèn)為在淹水條件下秸稈還田有減少碳的礦化和增加甲烷的釋放的趨勢(shì)，但隨著溫度的增加，CH4的釋放可以忽略不計(jì)。有研究者提出秸稈還田方式也會(huì)對(duì)CH4排放產(chǎn)生影響。馬靜等提出秸稈粉碎后條帶狀覆蓋在田間可以減少CH4的排放（Ma等，2008）。

從眾多的研究文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是水稻生長(zhǎng)季還是非生長(zhǎng)季，減少淹水時(shí)間，都能夠很大程度上減少CH4排放量。秸稈還田對(duì)CH4的減排也表現(xiàn)出一定的正效應(yīng)，但是似乎水分管理才是減少CH4排放的 最有效措施。

5 總結(jié)

關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家開展了大量的研究工作。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，受到人為因素的干擾，增加了諸多的不確定因素，因此農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中碳的循環(huán)演化過(guò)程顯得較為復(fù)雜。秸稈還田利用作為一種有效的農(nóng)田固碳措施，受到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注，但是目前仍有諸多問(wèn)題有待進(jìn)一步探討。

（1）秸稈還田后土壤有機(jī)碳流通變化機(jī)理仍將是土壤固碳機(jī)理的核心問(wèn)題。隨著研究的不斷深入，秸稈還田對(duì)有機(jī)碳的影響研究不能僅僅停留在量的變化上，還田后對(duì)土壤有機(jī)碳的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特征變化的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。通過(guò)在物理分組的基礎(chǔ)上進(jìn)行化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)研究，了解秸稈還田下有機(jī)碳穩(wěn)定性的機(jī)制。

（2）根系-土壤-微生物構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的根際生態(tài)微環(huán)境。根系是連接土壤和作物的橋梁，根際微環(huán)境的研究近年來(lái)已成為熱點(diǎn)問(wèn)題，但是秸稈還田對(duì)根際環(huán)境的改變以及產(chǎn)生的影響鮮見報(bào)道。研究秸稈還田對(duì)根際的影響，有助于了解土壤的固碳減排潛力。

（3）在秸稈還田模式下，農(nóng)田系統(tǒng)的碳排放還應(yīng)該包括使用農(nóng)業(yè)機(jī)械操作時(shí)化石燃料消耗所產(chǎn)生的CO2氣體。這部分?jǐn)?shù)據(jù)有待監(jiān)測(cè)和收集，為準(zhǔn)確測(cè)算農(nóng)田系統(tǒng)碳排放提供確實(shí)數(shù)據(jù)。

（4）研究秸稈還田的碳循環(huán)流動(dòng)，目的是減少溫室氣體的排放，而溫室氣體減排有多種措施可供選擇，秸稈還田僅僅是減排的一種措施。這種減排措施的減排潛力、適宜應(yīng)用的區(qū)域、可能的協(xié)同作用和一些限制及不利因素還沒(méi)有得到確切的評(píng)估。此外，秸稈還田的實(shí)施還要考慮社會(huì)和經(jīng)濟(jì)層面上的因素。

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