不同秸稈還田方式對土壤微生物影響的研究進(jìn)展

張海晶，王少杰，羅莎莎，田春杰

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院 吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130118；2.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130102)

0 引 言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生大量秸稈，全球每年約產(chǎn)生秸稈70億t[1]，我國每年產(chǎn)生秸稈10.4億t[2]。農(nóng)作物秸稈中含有大量碳、氮、磷及鉀等營養(yǎng)元素，它不單單是物質(zhì)、能量和養(yǎng)分的載體，還是寶貴的自然資源[3]，在改善土壤結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱以及微生物活性方面具有不可替代的作用[4-5]。但是，由于技術(shù)手段的限制，大部分秸稈被焚燒，不僅導(dǎo)致環(huán)境污染，同時(shí)還未充分合理地利用秸稈。秸稈還田能夠提升地力，減少化肥投入，降低空氣污染及環(huán)境負(fù)荷[6]，有利于農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

秸稈還田方式主要分為以下幾種：(1)直接還田：免耕覆蓋還田、留高茬還田、淺旋還田及深翻還田；(2)間接還田：堆漚還田、過腹還田、蘑菇基質(zhì)還田及生物質(zhì)炭還田[2]。其中，東北地區(qū)主要采取免耕覆蓋還田和深翻還田兩種方式。免耕覆蓋還田是在秋季作物收獲后將農(nóng)作物秸稈粉碎直接鋪蓋于土壤表面，第二年春季免耕播種；深翻還田是采用大馬力機(jī)械將粉碎后的秸稈翻入20～30 cm土層中[7]。另外，在全球變暖背景下施加生物炭能降低土壤本身有機(jī)碳分解速率對溫度變化的敏感性，這有利于提高土壤固碳能力[8]。研究發(fā)現(xiàn)，免耕覆蓋還田顯著增加了土壤養(yǎng)分來源(土壤C和N含量)，改善了土壤物理環(huán)境(水分和孔隙度)[9]；深翻還田顯著影響土壤理化性質(zhì)，如提高土壤全效、速效養(yǎng)分含量[10-11]；生物炭還田對土壤pH值和養(yǎng)分含量均有積極的影響[12]。實(shí)際上，上述三種還田方式均能通過改善土壤物理環(huán)境和提高養(yǎng)分含量進(jìn)而間接影響微生物群落結(jié)構(gòu)。

土壤微生物為土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)過程提供動(dòng)力，并且參與了腐殖質(zhì)的形成和有機(jī)質(zhì)的分解[13]。國內(nèi)外已有一些文獻(xiàn)報(bào)道了土壤微生物在秸稈降解過程中的作用[14]，秸稈在短時(shí)間內(nèi)歸還于土壤，通過改變土壤微環(huán)境，從而顯著影響土壤微生物。本文根據(jù)前人的研究，主要綜述了免耕覆蓋還田、深翻還田以及生物質(zhì)炭還田3種還田方式對土壤微生物的影響的研究結(jié)果，從微生物數(shù)量、土壤酶活性、微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性以及微生物功能等幾個(gè)方面進(jìn)行探討，以期為高效秸稈還田方式選擇和秸稈還田過程中微生物作用機(jī)制探索研究提供理論依據(jù)。

1 不同秸稈還田方式對土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物數(shù)量是指土壤中含有的真菌、細(xì)菌及放線菌等總和，與土壤有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，是土壤微生物的一個(gè)重要指標(biāo)。微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)是固定在土壤微生物軀體中的碳素和氮素，是植物生長可利用養(yǎng)分的重要來源，其含量的多少取決于土壤中微生物的數(shù)量[15]。

1.1 免耕覆蓋還田

秸稈直接還田顯著提高了各土層細(xì)菌、真菌及放線菌的數(shù)量[16]。蔡曉布等[17]進(jìn)行了3種直接還田方式對土壤微生物影響的研究，結(jié)果顯示粉碎深翻、覆蓋和留高茬3種還田方式下土壤細(xì)菌數(shù)量平均增加110%，其中秸稈覆蓋還田處理的土壤細(xì)菌數(shù)量最多。在免耕模式下，小麥秸稈覆蓋還田使沖積土土壤耕層微生物數(shù)量增加12.8%[18]，并且能在玉米生長收獲期顯著增加砂質(zhì)潮土耕層土壤微生物數(shù)量[19]。小麥秸稈還田能顯著提高細(xì)菌數(shù)量，而玉米秸稈覆蓋處理能顯著提高黃瓜結(jié)果初期5種微生物和結(jié)果后期細(xì)菌數(shù)量[20]。另有研究85種土壤的微生物變化試驗(yàn)結(jié)果表明：玉米秸稈覆蓋耕作后細(xì)菌、真菌及放線菌數(shù)量均明顯增加，但增加幅度為真菌>放線菌>細(xì)菌[21]。玉米秸稈覆蓋還田顯著增加了養(yǎng)分來源，改善了土壤物理環(huán)境，從而在整個(gè)玉米生長季內(nèi)增加了土壤MBC含量[9]。但Soon和Lupwayi[22]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋并未顯著影響根際土壤微生物特性，可能是在植物生長期間根系對微生物的影響超過了秸稈對微生物的影響。

1.2 粉碎深翻還田

研究發(fā)現(xiàn)，秸稈粉碎深翻還田能增加細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量[11]，且不同秸稈粉碎還田量對土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量均有不同程度的提高；而真菌與之不同，只有75%還田量增加了其數(shù)量[23]。秸稈粉碎還田能夠顯著提高土壤MBC和MBN含量[24]。夏強(qiáng)等[25]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)秸稈粉碎還田不施肥和施肥兩種處理均能提高土壤MBN含量，兩者沒有顯著性差異；僅施肥而秸稈未還田對于提高土壤MBN含量的效果微乎其微，說明秸稈還田是提高土壤MBN含量的核心因素。粉碎還田還能增加革蘭氏陽性菌和真菌的生物量，改變微生物群落組成[26]。

1.3 生物質(zhì)炭還田

施用生物炭顯著增加了土壤三大微生物類群的數(shù)量，其增幅隨生物炭用量的增加而增大[27]。但谷思玉等[28]研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌數(shù)量的變化規(guī)律與真菌和放線菌相似但不相同，土壤向“細(xì)菌型”發(fā)展，這被一些學(xué)者認(rèn)為是土壤肥力提高的標(biāo)志[29]。有研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥顯著增加了土壤MBC和MBN含量，土壤微生物量有明顯的季節(jié)變化，其中，播種前期土壤微生物量最高[30]。施用生物炭增加了土壤MBC、MBN含量和總PLFA，并使微生物群落向細(xì)菌和放線菌轉(zhuǎn)移[31]。隨著生物炭施用量的增加，效果更明顯，說明添加生物炭可以加速微生物的生長繁殖[32]。

2 不同秸稈還田方式對土壤酶活性的影響

土壤酶是一種生物催化劑，能夠在土壤各類生物化學(xué)反應(yīng)中進(jìn)行催化，其活性對土壤肥力具有極其重要的影響。土壤酶活性包括已積累于土壤中的酶活性,也包括正在增殖的微生物向土壤釋放的酶活性。土壤酶來自植物、動(dòng)物和微生物的活體或殘?bào)w，能夠直接調(diào)控土壤有機(jī)物和礦物組分的生物代謝，并且是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，在許多生物化學(xué)過程中發(fā)揮作用，且往往與土壤有機(jī)碳、理化性質(zhì)、微生物活動(dòng)或生物量密切相關(guān),因此可以更好更快地反映土壤的健康狀況[30,33]。

2.1 免耕覆蓋還田

從耕作方式角度來說，免耕處理土壤脲酶、堿性磷酸酶、脫氫酶和轉(zhuǎn)化酶活性大于常規(guī)耕作處理；而從秸稈是否還田角度來說，秸稈還田處理更高；其中，酶活性以免耕+秸稈還田處理最高[34]。小麥秸稈覆蓋處理對土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性的提高分別是不施秸稈的1.8、2.1、2.0和1.4倍。Siczek等[35]研究發(fā)現(xiàn)，在豌豆生長季節(jié)，脫氫酶和蛋白酶活性隨時(shí)間的延長而顯著增加，在黃酮類化合物和秸稈覆蓋的影響下，脫氫酶活性顯著增加。

2.2 粉碎深翻還田

玉米秸稈粉碎還田使土壤脲酶、磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶活性水平分別提高19.6%、39.4%和44.3%，而且秸稈添加量越多效果越顯著[36]。玉米秸稈粉碎還田后，一方面能使葡萄糖苷酶、木糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖酶活性增加[37]；另一方面也能使蛋白酶和脫氫酶活性增加[26]。與玉米秸稈相比，水稻秸稈還田也顯著提高了脲酶活性；但與之不同的是它能顯著提高過氧化氫酶和蔗糖酶活性[38]。其中在氮磷鉀含量相同條件下，水稻秸稈粉碎還田對土壤蔗糖酶和蛋白酶活性的影響高于秸稈炭化處理[39]。另外，Li等[40]研究發(fā)現(xiàn)水稻秸稈粉碎還田后土壤中高度富集的多種纖維素真菌屬可能會(huì)產(chǎn)生大量新的纖維素分解酶。

2.3 生物質(zhì)炭還田

Zhang等[41]發(fā)現(xiàn)小麥秸稈和小麥秸稈生物炭兩處理間轉(zhuǎn)化酶和堿性磷酸酶活性無顯著差異，但生物炭還田的脲酶活性大于秸稈還田，這說明相比小麥秸稈直接還田，秸稈炭化還田能夠促進(jìn)土壤氮素的轉(zhuǎn)化。并且施用小麥秸稈生物炭能顯著增加脫氫酶和堿性磷酸酶活性[41-42]，降低葡萄糖苷酶活性[39]。Song等研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈生物炭配施氮磷鉀肥能夠提高石灰性土壤碳、氮循環(huán)酶活性[43]。施用生物炭對于提高塿土土壤過氧化氫酶、脲酶和玉米收獲后堿性磷酸酶活性有顯著效果，但沒能顯著提高蔗糖酶和小麥季堿性磷酸酶活性[27]。生物炭還能提高與氮和磷等礦質(zhì)元素利用有關(guān)的土壤酶活性，降低與土壤碳礦化或與其他生態(tài)學(xué)過程相關(guān)的土壤酶活性[44]。土壤中的酶目前只研究了少數(shù)幾種，而且提取方法也不夠完善，這導(dǎo)致酶學(xué)研究還較為淺顯，隨著酶學(xué)研究方法的提升，希望能夠合理利用秸稈資源來提高土壤肥力、實(shí)現(xiàn)農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展。

3 不同秸稈還田方式對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性的影響

3.1 秸稈粉碎還田

土壤微生物多樣性是指微生物群落種內(nèi)和種間差異，是維持環(huán)境管理和評價(jià)土壤質(zhì)量的基礎(chǔ)，主要包括物種多樣性、遺傳多樣性及生態(tài)多樣性。其中，土壤微生物多樣性最直觀的表現(xiàn)形式是物種多樣性，主要為土壤微生物豐富度和均一性。Yu等[45]研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)6年玉米秸稈粉碎還田對于土壤細(xì)菌群落有一定程度的影響。添加玉米秸稈后，砂壤土土壤微生物的豐富度和多樣性有所下降，對變形桿菌、厚壁菌門和真菌子囊菌群有刺激作用[35]。在玉米秸稈粉碎堆肥的不同階段，細(xì)菌群落也不同。整個(gè)過程中優(yōu)勢門為厚壁菌門、變形桿菌門、擬桿菌門和放線菌門，優(yōu)勢菌門的相對豐度隨時(shí)間變化顯著[46]。

3.2 免耕覆蓋還田

田磊等[47]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田能顯著提高玉米根際土壤細(xì)菌的多樣性與豐富度指數(shù)。秸稈覆蓋還田對根際微生物群落組成和植物生長有一定的影響[48]。平整地膜覆蓋和平整秸稈覆蓋均能顯著增加土壤真菌多樣性，真菌群落組成主要取決于土壤溫度和銨態(tài)氮含量，說明這些處理為真菌提供了最適宜的生長環(huán)境[49]。在免耕覆蓋條件下，土壤大團(tuán)聚體主要通過影響土壤水分和曝氣，可能導(dǎo)致微生物群落向更多的真菌和厭氧菌轉(zhuǎn)移，從而有效促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累[50]。在干旱鹽堿地上，將秸稈埋層與地膜覆蓋相結(jié)合，可以有效地減輕土壤鹽分脅迫對微生物群落的影響，提高作物產(chǎn)量[51]。

3.3 生物質(zhì)炭還田

生物炭還田作為秸稈間接還田方式中最具有優(yōu)勢的一種還田方式，它對于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)有顯著影響。添加生物炭影響堆肥過程中微生物群落結(jié)構(gòu)和代謝特性，整個(gè)過程中以厚壁菌門、放線菌門和變形菌門為優(yōu)勢菌門，與氨基酸代謝、碳水化合物代謝和能量代謝相關(guān)的細(xì)菌基因豐度也隨著生物炭的添加而增加[52]。香農(nóng)指數(shù)表明，生物炭施用21 d后增加了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)多樣性，測序結(jié)果顯示，土壤中最豐富的9種細(xì)菌門分別為變形桿菌門、酸桿菌門、放線菌門、擬桿菌門、氯細(xì)菌門、普朗尚真菌門、厚壁菌門、硝基螺旋體門和芽單胞菌門，占土壤細(xì)菌群落總數(shù)的95%以上[53]。秸稈堆肥各階段細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和組成存在顯著差異，擬桿菌門和變形桿菌門是各階段中數(shù)量最多的門，隨著堆肥時(shí)間的推進(jìn)，細(xì)菌群落多樣性逐漸下降[54]。

4 不同秸稈還田方式對土壤微生物群落功能的影響

平均顏色變化率(AWCD)能夠顯示出土壤微生物群落對碳源的利用情況，因此，土壤微生物群落的數(shù)量結(jié)構(gòu)、整體活性和代謝功能特征對于AWCD值的變化有一定程度的響應(yīng)，通常AWCD 值越大會(huì)導(dǎo)致微生物活性越高[55]。增加秸稈還田時(shí)間會(huì)使偏愛利用碳源的土壤微生物種類更加豐富，其中變化較為明顯是胺類和酚酸類，但主要利用的碳源為氨基酸類、羧酸類和碳水類碳源[56]。王廣棟[57]研究發(fā)現(xiàn)，隨著秸稈長度和埋深的增加，秸稈腐解微生物群落碳源代謝活性、豐富度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)均表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢；而隨著秸稈還田量增加，則表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，當(dāng)還田量為4 800 kg·hm-2時(shí)，對促進(jìn)秸稈腐解的微生物群落功能多樣性影響最顯著。

秸稈粉碎還田顯著增加了土壤微生物碳源的代謝功能和多樣性，還可提高CO2固定代謝途徑和有機(jī)酸代謝途徑的基因豐度，降低二糖和寡糖代謝途徑的基因豐度[58]。土壤的氮素循環(huán)主要分為硝化作用、反硝化作用、固氮作用和銨還原過程，主要依賴硝化功能菌、反硝化功能菌、固氮微生物和硝酸鹽異化還原成銨過程的功能微生物來進(jìn)行[59]。秸稈覆蓋配施足夠的氮磷鉀肥有助于固氮細(xì)菌的生長繁殖，而且相對于不施秸稈處理，秸稈覆蓋能顯著增加固氮菌多樣性指數(shù)及其豐度[60]。秸稈還田配施化肥使水稻土中硝化基因群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，提高硝化功能菌的豐度[61-62]。并且，隨著含水量增加，功能基因豐度也會(huì)增加[63]。水稻秸稈生物炭的加入增加了甲氧基還原菌和甲氧基細(xì)菌的相對豐度，因此，生物炭一直在增加細(xì)菌的多樣性[64]。

5 微生物對秸稈降解的影響

秸稈還田對土壤微生物有顯著的影響，與此同時(shí)，微生物也會(huì)影響秸稈的降解。秸稈的主要組成成分中，纖維素含量占30%～35%，半纖維素含量占25%～30%，木質(zhì)素含量占20%～25%[65]，這些成分需要依靠微生物來進(jìn)行降解[66]。降解秸稈的微生物的種類有真菌、細(xì)菌和放線菌[67]，一般來說，真菌的降解速率遠(yuǎn)高于細(xì)菌和放線菌[68]。最初降解秸稈的微生物主要為白腐真菌和無芽孢細(xì)菌，它們能夠降解一些易水解物質(zhì)；隨后活動(dòng)的主要為芽孢細(xì)菌和纖維素分解細(xì)菌；最后則以某些真菌、放線菌以及變形菌類群為主[69-70]。其中對于降解木質(zhì)素的微生物，研究最多的為木腐菌屬的白腐菌[71]。霉菌是主要降解纖維素的微生物，包括黑曲霉(Aspergillusniger)、木霉(Trichoderma)以及青霉(Penicillium)等[64],Trichoderma和Aspergillusniger，因?yàn)楹型耆馓烊焕w維素所必須的三種纖維素酶組分，所以得到了廣泛的應(yīng)用，并且對于降解半纖維素也有很好的效果[71]。

于建光等[72]在研究秸稈腐熟劑的施用效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，用不同方法將腐熟劑施入土壤后,使微生物群落組成與活性發(fā)生不同的變化，對秸稈的降解有不同的影響，當(dāng)腐熟劑與尿素配合施用時(shí)，加快了小麥秸稈的腐解速度?？傊?，微生物的種類、數(shù)量以及分布的不同均對秸稈降解有著顯著的影響[73]。因此，秸稈與微生物之間是相互影響的。

6 展 望

秸稈還田是資源循環(huán)利用的有效方式之一，能夠通過改變土壤水、熱狀況進(jìn)而影響微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性來提高土壤肥力，增加作物產(chǎn)量，但我國秸稈資源利用不充分。近年來，越來越多的學(xué)者開始注重不同秸稈還田方式對微生物的影響研究，但是，由于開始的時(shí)間較晚，研究的技術(shù)手段不夠成熟，對于不同秸稈還田方式對微生物的影響研究還不夠透徹。因此，在今后的研究中應(yīng)當(dāng)注重以下內(nèi)容：

(1)目前的秸稈還田方式對微生物的影響研究大多僅限于某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，對于季節(jié)性變化和年份變化的研究很少。由于微生物會(huì)反過來影響秸稈降解，所以在秸稈分解過程中應(yīng)該觀察微生物的季節(jié)性變化或年份變化，能更清晰地知道微生物在秸稈還田過程中的作用機(jī)制。

(2)土壤微生物的研究方法也會(huì)影響研究結(jié)果。從起初的平板計(jì)數(shù)法到如今的分子生物學(xué)方法，方法雖然在不斷的改進(jìn)，但是依舊具有一定的局限性，不可能讓人們通過這些方法完全了解在秸稈還田過程中微生物的作用機(jī)制，因此需要更有效的方法來進(jìn)行研究，例如加強(qiáng)SIP技術(shù)、同步輻射微CT技術(shù)。

(3)目前研究中對于微生物功能變化的研究相對較少，秸稈還田對于碳循環(huán)、氮循環(huán)等過程中的微生物變化有著我們未知的影響，因此，秸稈還田對土壤微生物功能的影響會(huì)成為未來研究重點(diǎn)之一。