不同類型秸稈還田對土壤有機碳及酶活性的影響綜述

馬南 陳智文 張清

摘要：土壤有機質的數(shù)量和質量關系著土壤肥力和糧食安全，有效提高土壤有機碳含量和穩(wěn)定性已成為保證農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。植物殘體經分解轉化后成為土壤有機碳的重要組成部分，其中含有豐富的養(yǎng)分，還田腐解后可改善土壤結構、培肥地力、提高土壤有機碳總量;土壤中的微生物可利用秸稈還田提供的碳源，激發(fā)微生物活性，影響微生物分泌的土壤酶。由于還田秸稈的類型、還田量及其分解環(huán)境因素的不同，作物秸稈對土壤有機碳及土壤酶活性的影響存在差異。對此進行深入分析，可為不同環(huán)境下不同作物秸稈科學還田提供借鑒。

關鍵詞：秸稈還田;有機碳;土壤酶活性;活性有機碳;土壤結構

我國作為農業(yè)生產大國，長期以來的農業(yè)生產方式及化學肥料的過量施用使土壤功能退化，污染加劇。因此如何有效提高土壤質量、治理土壤污染、保護土壤健康，已經成為當今社會普遍關注和急需解決的問題。我國每年糧食與油料產量巨大，相應的作物秸稈資源也非常豐富，2016年秸稈理論產量9.84億t，居世界首位[1]。作物秸稈中含有植物生長所必需的養(yǎng)分，是重要的生物質資源[2-3]，還田后在改善土壤結構、促進土壤團聚體的形成、提高土壤肥力等方面也發(fā)揮著重要作用。秸稈分解主要是通過土壤微生物來完成的，秸稈還田后可激發(fā)微生物活性及微生物量，通過不斷對秸稈進行分解和轉化，促進秸稈光合碳向土壤碳的轉化，進而提高土壤質量[4]。秸稈可就地直接還田，實現(xiàn)對農業(yè)廢棄物進行科學高效資源化利用，減少環(huán)境污染和資源浪費，其優(yōu)越性是化學肥料不可替代的，這對發(fā)展綠色農業(yè)、改善土壤環(huán)境質量具有重要意義。

1 不同類型秸稈還田對土壤有機碳的影響

1.1 不同類型秸稈還田對土壤有機碳的影響

土壤有機碳庫作為土壤碳庫的主要組成部分，其含量的變化可直接影響農田土壤物理、化學與生物學過程[5]。研究發(fā)現(xiàn)，外源秸稈碳的加入有效提高了土壤有機碳含量、碳礦化速率和累計礦化量，提升了土壤地力[6]。Powlson等通過模擬試驗發(fā)現(xiàn)，當試驗進行100年后，添加秸稈處理的土壤有機碳含量較秸稈不還田處理增加了20.4 t/hm2[7]。由于不同外源有機物質的自身特性，如碳氮比（C/N）、全磷含量、全鉀含量等存在一定差異，因此，不同植物殘體的輸入使得土壤有機碳含量也隨之不同。

不同時空尺度的試驗結果表明，添加秸稈后，秸稈C/N與有機碳礦化累積量之間呈負相關[8-9]，并且隨著秸稈C/N的升高而降低，這主要是由于當C/N約為25時，最適于土壤微生物利用氮、磷等營養(yǎng)元素進行自身的生長繁殖[10-11]，但由于秸稈之間C/N的差異，從而導致礦化累積量也隨之不同。張繼旭等利用室內培養(yǎng)試驗，研究水稻秸稈、水稻秸稈生物炭、玉米秸稈、煙草秸稈與黃棕壤煙田土壤混勻后，比較各處理之間的土壤有機碳礦化累積量，結果發(fā)現(xiàn)玉米秸稈的土壤有機碳礦化累積量最高，其次是水稻秸稈和煙草秸稈，最低的是水稻秸稈生物炭，主要是由于水稻和玉米秸稈相較于其他秸稈來說，易分解組分比例較高，因此有機碳礦化累積量也相對較高，表明C/N是影響其累積量的因素之一[12]。而陳麗娟等通過室內培養(yǎng)試驗，以覆蓋和混勻2種添加方式比較油菜、煙草和水稻秸稈在棕壤煙田土壤中有機碳的礦化強度，發(fā)現(xiàn)油菜秸稈的礦化強度最大，其次是煙草秸稈，最后是水稻秸稈，可能是由于不同類型秸稈的易分解組分、木質素含量和C/N之間存在差異造成的[13]，所得結論與張繼旭等的研究結果[12]類似。代文才等通過比較小麥、玉米、水稻、油菜和蠶豆秸稈還田后秸稈腐解率發(fā)現(xiàn)，油菜秸稈的累積腐解率最大，這進一步說明相較于高C/N的作物秸稈來說，低C/N的作物秸稈礦化累積量和腐解率均較高，對土壤有機碳的貢獻更大，與此同時，研究還發(fā)現(xiàn)2種處理方式下，土壤有機碳礦化強度不同，表現(xiàn)為表層覆蓋處理大于混勻處理，可能是由于培養(yǎng)試驗的水分補給主要集中于表層土壤，頻繁的干濕交替環(huán)境和良好的通氣狀況，有利于秸稈的礦化和分解，因此在秸稈礦化過程中除了秸稈本身的C/N和物質組分的差異外，水分、通氣狀況也是重要的影響因素[14]。還有研究表明，在秸稈分解過程中，對土壤微生物種群具有選擇性差異[15-16]。

研究表明，作物秸稈的分解轉化總體上呈現(xiàn)先快后慢的趨勢[17-18]。在添加玉米秸稈12～14 d后，秸稈碳的分解轉化率和CO2的累積釋放碳量達到最高值，之后逐漸降低;小麥秸稈則在施入后的14～21 d快速分解轉化，50%以上的秸稈碳以CO2的形式損失掉[19];與玉米和小麥秸稈分解環(huán)境不同，淹水環(huán)境下分解的水稻秸稈，其快速分解期略有延遲，但其分解轉化率更高[20]。說明雖然作物秸稈的分解轉化趨勢在總體上相似，但由于作物秸稈的種類及分解轉化的外部環(huán)境不同，其分解速率也存在差異。

綜上所述，植物殘體的輸入引起土壤有機碳的不斷變化，外源碳的輸入不僅可以改善土壤質量，而且有助于土壤有機碳和養(yǎng)分物質的積累[21-22]。油菜秸稈比其他秸稈C/N低，易分解組分高，其礦化強度和腐解率都明顯高于其他秸稈，說明不同類型的作物秸稈，其C/N和易分解組分不同，從而導致秸稈的礦化強度和腐解率有差異;對于水稻秸稈來說，雖然其C/N較高，但如果處于淹水條件下，其分解轉化率則顯著高于其他秸稈，這說明還田方式、田間管理措施和氣候等外部環(huán)境是影響秸稈分解轉化的重要因素。

1.2 不同類型秸稈還田對土壤活性有機碳的影響

土壤活性有機碳占土壤總有機碳（SOC）的1%～5%[23]，其周轉時間短，周轉率大，對加入的外源有機碳反應十分敏感，可直接參與土壤中一系列的分解轉化過程[24]。研究顯示，土壤活性有機碳組分[微生物生物量碳（SMBC）、易氧化有機碳（LDC）、可溶性有機碳（DOC）、輕組有機碳（LFC）]對外源碳輸入的響應比較敏感，但不同組分之間具有一定的差異。李增強等在研究紫云英秸稈配施化肥還田試驗時發(fā)現(xiàn)，當還田量為45 t/hm2的紫云英配施不同比例化學肥料時，不同處理間土壤活性有機碳含量差異顯著，表現(xiàn)為隨著配施化學肥料比例的增加而降低[25]，這與常單娜得出的隨著綠肥C/N的降低，土壤活性有機碳的含量明顯提高的結論[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，造成土壤養(yǎng)分有效性增加，并且土壤活性有機碳作為一種重要的碳源[27]，微生物利用后可將其轉化為CO2釋放到空氣中。說明秸稈配施化肥還田除了受秸稈本身C/N的影響外，化肥施入量也是重要的影響因素。

東北黑土作為我國最肥沃和高生產力的土壤，同樣也面臨著土壤有機質含量下降的問題，玉米和大豆是東北地區(qū)的主要農作物，每年秸稈產量豐富，其秸稈中含有的營養(yǎng)元素，在腐解后不僅可以轉化為土壤有機碳長期固存在土壤中，還可在后續(xù)作物需要時提供部分養(yǎng)分。有研究顯示，玉米秸稈添加量與可溶性有機碳、易氧化有機碳、微生物量碳和顆粒有機碳的含量呈正相關關系，其中土壤DOC的含量在玉米秸稈半量和全量還田處理中顯著提高[28]。馬昱萱等通過利用大豆秸稈進行培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，大豆秸稈配施紅糖和氮肥處理下，土壤微生物量碳含量明顯提高[29]，這與李增強等的研究結果[25]相似，說明秸稈還田配施氮肥是提高土壤活性有機碳組分含量的重要措施。

由于土壤活性有機碳具有不穩(wěn)定、易分解、周轉速度快的特點，因此外界環(huán)境的改變（管理措施和地表植被等）會對其產生劇烈影響[30]，土壤活性有機碳的含量與農田管理措施、土壤基本理化性質及有效養(yǎng)分等具有明顯的相關性，因此對土壤質量變化的響應更為敏感，對評估土壤質量具有重要意義[31]。土壤活性有機碳含量可在外源有機碳施入后的短時間內發(fā)生明顯變化，另外在配施氮肥條件下，土壤活性有機碳含量可顯著提高，雖然土壤活性有機碳含量在不同類型秸稈還田條件下有所差異，但整體變化趨勢相似。

2 不同類型秸稈還田對土壤酶活性的影響

微生物作為土壤中最活躍的部分，始終不斷地參與土壤生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)過程[32-33]，微生物可通過分泌土壤酶來分解動植物殘體。土壤酶是一種具有特殊催化能力的生物催化劑，作用于土壤中的各種生物化學反應過程，因此土壤肥力狀況以及土壤中發(fā)生的各種循環(huán)過程都可以通過土壤酶活性的高低來反映，因此土壤酶活性可以作為評價土壤質量的重要生物學指標[34-35]。目前，通常使用脲酶、過氧化酶、磷酸酶和水解酶等土壤酶活性來反映土壤質量[36]。秸稈的分解主要是通過微生物來完成的，秸稈施入后，帶來了豐富的礦質養(yǎng)分和有機碳，促進微生物活動，刺激微生物生長繁殖[37-38]，為調控酶活性提供了重要的物質條件。不同酶的催化反應類型和功能存在差異，其中水解酶和氧化酶可促進有機物質分解，釋放營養(yǎng)物質，對有機質的降解具有重要影響，同時影響土壤總有機碳的損耗和儲存[39]，纖維素酶可分解植物殘渣中難分解的纖維素和木質素[40]，錳過氧化物酶則能氧化分解芳香多聚體，以此來降解木質素[41]。Zhao等的研究結果表明，秸稈還田4年后土壤酶活性顯著增加，尤其是與土壤總有機碳含量相關的土壤脲酶和蔗糖酶活性[42]，同時有研究發(fā)現(xiàn)，對于同一類土壤來說，脲酶活性對土壤有機質含量的響應較為敏感，兩者之間呈明顯的正相關關系[43]。因此，土壤酶活性的變化，是研究土壤微生物群落對秸稈還田的響應以及土壤總有機碳變化的重要途徑，對了解和分析土壤中發(fā)生的一系列分解和轉化過程具有重要意義。

劉艷慧等在分析棉花秸稈還田后的土壤酶活性時發(fā)現(xiàn)，還田后0～60 cm土層的土壤脲酶活性均顯著提高，與未還田處理相比，0～20、20～40、40～60 cm土層土壤脲酶活性分別提高427%、1343%、24.03%，同時在一定時期內土壤蔗糖酶活性和過氧化氫酶活性都顯著提高，但由于田間管理方式不同，棉花秸稈對土壤酶活性的影響存在一定的差異[44]。張偉等研究發(fā)現(xiàn)，隨著試驗的進行土壤酶活性發(fā)生波動變化，呈降低—升高的趨勢;蔗糖酶活性在連作10年后顯著增強，土壤質量明顯提高;過氧化氫酶活性與脲酶活性規(guī)律相似，與未連作相比，在連作5、10、15、20年后分別提高了48%、7.9%、19.0%、29.6%，說明棉花秸稈在連作處理下提高了過氧化氫酶、蔗糖酶及脲酶活性，有助于保持和改良土壤生物學特性[45]。

玉米秸稈還田結果與棉花秸稈相似。劉芳等研究發(fā)現(xiàn)，隨著還田的玉米秸稈不斷分解，土壤過氧化氫酶活性呈現(xiàn)出增加—降低—增加的趨勢，但受還田量的影響不顯著[46]。陳強龍研究發(fā)現(xiàn)，過氧化氫酶和多酚氧化酶活性變化不顯著，但對過氧化物酶與脫氫酶活性影響較大，均有顯著提高[47]。陳士更等的研究結果表明，與玉米秸稈不還田相比，配施腐熟劑有助于土壤中性磷酸酶、脲酶活性的提高，同時增加了土壤有效養(yǎng)分含量，并且土壤微生物群落數(shù)量、豐富度和多樣性也明顯改善，為作物生長提供了良好的生存環(huán)境[48]。劉龍等采用尼龍袋進行田間原位模擬試驗，結果發(fā)現(xiàn)試驗1年后，隨著玉米秸稈還田量的增加，纖維素酶活性和過氧化氫酶活性也隨之增加，但在還田第2年，土壤纖維素酶活性降低了6.18%～31.72%，過氧化氫酶活性的變化趨勢則與之相反[49]，這與劉艷慧等的研究結果[44]相似，但增長幅度不同，與張偉等利用棉花秸稈在連作條件下的過氧化酶活性規(guī)律[45]不同。

大豆秸稈還田后土壤酶活性的變化趨勢與玉米和棉花秸稈相似。馬昱萱等通過培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)各處理的過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶活性在培養(yǎng)期間均呈現(xiàn)增加—降低的趨勢，其中在培養(yǎng)5 d時各處理的蔗糖酶活性較0 d相比提高了29.39%～7184%，脲酶活性增加了64.10%～102.22%，過氧化氫酶活性增加了14.56%～114.92%，并且當施入紅糖與氮肥時，這3種酶活性明顯提高，其中脲酶活性的響應最為敏感[29]。還有研究表明，氮素的施入量對土壤脲酶活性影響顯著，雖然大豆秸稈可提供部分氮源，但含量較低，因此配施氮肥，保證充足的氮源供應，可有效避免秸稈分解過程中，發(fā)生氮素供應不足的現(xiàn)象，從而影響地上植物的正常生長需要[50]。陶波等研究發(fā)現(xiàn)，相較于秸稈不還田來說，大豆秸稈還田顯著提高了蔗糖酶、脫氫酶及脲酶活性，并且各種酶活性與還田量之間存在明顯的正相關關系，其中在培養(yǎng)的30 d里，脲酶和蔗糖酶活性變化趨勢相似，均是從增加到降低的過程，脫氫酶活性略有升高，但變化幅度小于脲酶活性[51]。以上研究表明，大豆秸稈還田對土壤酶活性影響顯著，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，不同土壤酶活性之間變化幅度不同，同時外源氮素的輸入對土壤酶活性的增加具有促進作用。

戰(zhàn)厚強通過試驗發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈還田后，土壤脲酶活性呈現(xiàn)波動變化，表現(xiàn)為先降低再升高，最后降低的趨勢，與此同時還發(fā)現(xiàn)相較于秸稈不還田來說，秸稈還田并沒有對脲酶活性產生顯著影響[52]，這與他人的研究結果[44，49]不一致，這進一步說明土壤脲酶活性對還田秸稈類型響應存在明顯的差異性。但在研究中同樣發(fā)現(xiàn)，土壤蔗糖酶活性在秸稈還田后呈現(xiàn)出降低—上升的波動變化趨勢，并且受秸稈還田量影響較大，這與棉花、玉米和大豆秸稈還田的研究結果相似，但是水稻秸稈還田后土壤脲酶活性的變化規(guī)律與其他3種秸稈還田有所不同，由于土壤脲酶活性對氮素水平響應比較敏感，因此水稻秸稈還田后土壤脲酶活性降低可能是由于秸稈C/N相對較高，分解時消耗過多的氮素造成的。

受還田秸稈類型的影響，土壤酶活性也存在一定差異。趙哲權等研究發(fā)現(xiàn)，小麥秸稈還田的脲酶活性高于玉米秸稈;對于土壤磷酸酶活性來說，玉米和小麥秸稈還田后分別提高了34.1%、14.6%，說明對磷酸酶活性的促進作用玉米秸稈高于小麥秸稈;施入秸稈后，玉米和小麥過氧化氫酶活性則分別提高了3%、9%，進一步說明由于秸稈的物質組分不同，土壤酶活性也隨之不同[53]，這在其他有機物料還田中也有所體現(xiàn)。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，還田秸稈及還田量與土壤酶活性關系密切，呈顯著正相關關系，但隨著時間的延長，其變化趨勢有所不同。通過比較分析棉花、玉米、水稻和大豆秸稈還田后土壤酶活性的差異，發(fā)現(xiàn)水稻秸稈還田沒有顯著增加土壤脲酶活性，變化趨勢為先降低后升高，玉米、大豆和棉花秸稈與之相反，其他酶活性變化規(guī)律相似，但變化幅度不同，這可能是由于各類型秸稈的物質組分、還田量及外部環(huán)境因素的影響造成的。

3 結論

通過闡述棉花、玉米、水稻和大豆等秸稈還田后對土壤有機碳及土壤酶活性的影響。結果表明，秸稈還田對提高土壤有機碳含量具有促進作用，尤其是對外源有機碳反應敏感的活性有機碳;與此同時低C/N的作物秸稈（油菜秸稈）相較于高C/N的作物秸稈（水稻秸稈）來說，礦化累積量和腐解率均較高，對土壤有機碳的貢獻更大，但易受分解環(huán)境的影響。各類型秸稈還田后土壤酶活性均有所增加，其中土壤蔗糖酶、過氧化物酶活性波動趨勢相似，對于土壤脲酶活性來說，水稻秸稈與其他秸稈不同。目前，大多數(shù)研究僅針對1種類型秸稈，2種或多種類型秸稈還田對比的研究較少，由于可用于還田的秸稈類型多樣，秸稈本身的物質組成和屬性也有所不同，所以秸稈還田后對土壤有機碳及土壤酶活性的影響有所差異，同時秸稈還田量、還田方式、田間管理方式、土壤類型以及自然環(huán)境條件等都是影響土壤有機碳和土壤酶活性的重要因素。

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