葛選良，于 洋，錢春榮

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所/農(nóng)業(yè)部東北地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測實驗站，哈爾濱150086）

還田作物秸稈腐解特性及相關(guān)影響因素的研究進(jìn)展

葛選良，于 洋，錢春榮

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所/農(nóng)業(yè)部東北地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測實驗站，哈爾濱150086）

為實現(xiàn)還田作物秸稈有效腐解，本文總結(jié)了還田作物秸稈腐解特性及其自身條件、水熱條件、土壤條件、外源氮素等相關(guān)影響因素，同時重點介紹了還田作物秸稈腐解的土壤微生物效應(yīng)方面的研究之現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上對還田作物秸稈有效腐解的研究做出了些許設(shè)想，以期對科學(xué)制定作物秸稈還田工藝、指導(dǎo)合理施肥和科學(xué)用養(yǎng)地等研究領(lǐng)域提供有效參考。

作物；秸稈；腐解特性；影響因素

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，中國農(nóng)業(yè)獲得迅速發(fā)展的同時亦產(chǎn)生了大量的農(nóng)作物秸稈。畢于運等[1]、王亞靜等[2]研究表明，中國每年可產(chǎn)出作物秸稈7億t以上，約占全世界作物秸稈總量的30%，其中以水稻、玉米和小麥秸稈主，三者的秸稈總量約占中國秸稈總量的80%。但目前大量作物秸稈被廢棄或焚燒，造成資源浪費的同時亦對環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害，因此作物秸稈的有效利用已成為迫在眉睫的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境問題。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化程度的提高，化肥施用量日益增長的同時，廄肥、綠肥的施用量大幅度降低，作物秸稈將成為提升土壤肥力的重要有機(jī)肥源。張曉文[3]、高利偉[4]認(rèn)為，秸稈還田不僅可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤理化性狀，優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，還可促進(jìn)農(nóng)村養(yǎng)分資源的循環(huán)利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。但楊濱娟等[5]研究表明，有機(jī)物適于微生物分解利用的碳氮比大約是25:1，大量作物秸稈還田后會導(dǎo)致微生物汲取土壤氮素，從而與作物爭奪土壤氮素，引起耕層土壤礦質(zhì)氮降低和碳氮比失調(diào)，進(jìn)而影響還田作物秸稈的有效腐解。因此，探討還田作物秸稈在土壤中的腐解特性及其影響因素對科學(xué)制定作物秸稈還田工藝、指導(dǎo)合理施肥和科學(xué)用養(yǎng)地具有十分重要的意義。

1 還田作物秸稈的腐解特性

還田作物秸稈的腐解過程包括3個階段，即快速腐解期，緩慢腐解期和停滯期。江永紅等[6]研究發(fā)現(xiàn)作物秸稈進(jìn)入土壤后，其水溶性組分在次生代謝的作用下迅速分解；隨著作物秸稈腐解過程的進(jìn)行，其碳、氮的比例逐漸發(fā)生變化，加之木質(zhì)素、單寧和蠟質(zhì)等物質(zhì)難以分解，作物秸稈腐解的速度逐漸變慢至幾乎停止。李新舉等[7]研究表明，作物秸稈還田前4周的腐解率可達(dá)40%；隨著易分解物質(zhì)逐漸被微生物耗盡，作物秸稈腐解率逐漸降低；最后由于剩下的組分均難以分解利用，腐解過程基本停止。陳尚洪等[8]研究認(rèn)為作物秸稈腐解過程中不同養(yǎng)分的釋放速度亦存在差異，其表現(xiàn)為鉀＞磷＞氮；而王允青等[9]對釋放率的研究發(fā)現(xiàn)，不同養(yǎng)分表現(xiàn)為磷＞氮＞鉀，碳氮比亦呈下降趨勢。沈海軍等[10]研究表明，還田作物秸稈70%～90%的碳素以微生物呼吸的形式被釋放；作物秸稈還田90天后，小麥和玉米秸稈的碳素釋放量為50%～55%；二者養(yǎng)分的釋放量表現(xiàn)為碳＞鉀＞氮＞磷；二者養(yǎng)分的釋放率則表現(xiàn)為鉀＞磷＞碳＞氮。

2 還田作物秸稈腐解的影響因素

2.1 自身條件

還田作物秸稈的腐解過程是一個復(fù)雜的物質(zhì)和能量相互轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過程，受自身和外界環(huán)境條件的共同影響。顏麗等[11]、鄭立臣等[12]、張靜等[13]研究認(rèn)為影響還田作物秸稈腐解的自身因素包括：還田量、還田時間、大小、埋深、種類、C/N、含水量等，其中還田量、還田時間和大?。ǚ鬯槌潭龋┩ㄟ^影響土壤水分含量、土壤溫度、土壤微生物C/N等指標(biāo)來而還田作物秸稈的腐解。Ma等[14]、李新舉等[15]研究發(fā)現(xiàn)，埋深5 cm的作物秸稈腐解最快，埋深15 cm的作物秸稈稍慢，而覆蓋在土壤表面的作物秸稈最慢；而遲鳳琴等[16]認(rèn)為作物秸稈還田32周后，埋深5 cm和15 cm的作物秸稈腐解率分別為65%和62%，而覆蓋在表層的作物秸稈腐解率為50%左右。玉米秸稈碳素的釋放速率比大豆秸稈快，同時當(dāng)C/N升高時，玉米秸稈有機(jī)碳的腐解率亦升高。楊志謙等[17]的研究表明，作物秸稈C/N比在一定程度上影響作物秸稈腐解的速度。一般情況下含氮量大于1.5%～1.7%的有機(jī)物不需外源氮源即可滿足分解過程中微生物對氮素的需要，這相當(dāng)于C/N比值為(25～30):1。南雄雄等[18]研究發(fā)現(xiàn)土壤-秸稈混合體的C/N直接制約著作物秸稈的腐解程度，C/N較低的土壤-秸稈混合體更適合土壤微生物的新陳代謝，利于作物秸稈的腐解和土壤有機(jī)碳的礦化，較高的則相反；Iqbal等[19]認(rèn)為腐解前期C/N低、體積小的作物秸稈分解速度快，而在腐解后期微生物活性最大時C/N高、體積小的作物秸稈時迅速分解并趨于穩(wěn)定。

2.2 水熱條件

溫度影響微生物胞外酶的產(chǎn)生和周轉(zhuǎn)，從而間接地影響有機(jī)物分解。Cusack等[20]、Wallenstein等[21]研究表明，在一定范圍內(nèi)，酶活性隨著溫度升高而升高，當(dāng)基質(zhì)或能源不足時，微生物會抑制酶的產(chǎn)生。微生物胞外酶對溫度的敏感性隨季節(jié)變化而變化，季節(jié)可權(quán)衡酶的結(jié)合能力和催化作用。Hochachka等[22]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度升高時，微生物會完善和權(quán)衡自身的進(jìn)化來適應(yīng)因溫度變化而導(dǎo)致的呼吸代謝變化。Thomsen等[23]研究發(fā)現(xiàn)，降水影響土壤水分含量，而土壤水分含量對水溶性有機(jī)碳(SOC)的周轉(zhuǎn)影響顯著，而Vanhala等[24]發(fā)現(xiàn)作為一種重要的微生物易于利用的碳源，SOC與微生物的活性和微生物生物量有正相關(guān)關(guān)系。此外，Coppens等[25]、Kimura等[26]也認(rèn)為降水導(dǎo)致的干濕交替會影響微生物的活性，進(jìn)而導(dǎo)致厭氧和好氧微生物群落的交替。Castro等[27]、董志新等[28]研究氣候條件對作物秸稈腐解的影響發(fā)現(xiàn)，溫度和降水通過影響土壤中一些微生物群落的生長繁殖和生理機(jī)能，進(jìn)而影響可溶性有機(jī)物含量以及還田作物秸稈分解的快慢，同時造成底物供給差異，進(jìn)而影響相關(guān)微生物群落活性和功能。

2.3 土壤條件

Xu等[29]、Jarvis等[20]研究表明，土壤pH、質(zhì)地及養(yǎng)分（特別是N）含量影響還田作物秸稈的腐解及秸稈表面的微生物群落結(jié)構(gòu)，Motavalli等[31]研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH低導(dǎo)致微生物活性和還田作物秸稈的腐解速率下降；Hassink等[32]、Yadvinder等[33]、Henriksen等[34]研究認(rèn)為，還田作物秸稈在土壤中的腐解速率與土壤中黏粒含量呈負(fù)相關(guān)，其在粉沙質(zhì)土壤中的腐解速率低于砂質(zhì)土壤，其中小麥和黑麥秸稈在壤土中的礦化速率要明顯高于沙土。Feng等[35]認(rèn)為，在適宜的溫度范圍內(nèi)，土壤溫度的升高致使降解還田作物秸稈的微生物生物量增加、微生物活性和呼吸率增強(qiáng)，進(jìn)而加速還田作物秸稈的分解。左玉萍等[36]、江長勝等[37]、左玉萍等[38]的研究發(fā)現(xiàn)還田作物秸稈的腐解過程是一個需水過程，土壤含水量主要影響還田作物秸稈的前期分解，對后期影響的差異不大。當(dāng)土壤水分為16%～20%時，秸稈的分解速率最快；土壤水分含量過高或過低都會對降解還田作物秸稈的微生物活動產(chǎn)生不利影響，從而減緩還田作物秸稈的腐解速度。

2.4 外源氮素

周海燕等[39]、匡恩俊等[40]研究表明，還田作物秸稈還田配合施用氮肥有利于微生物繁殖，進(jìn)而促進(jìn)秸稈腐解和養(yǎng)分釋放，但氮肥的施用量及方式均對秸稈腐解的影響較大。張靜等[13]認(rèn)為，作物秸稈還田后的養(yǎng)分釋放是一個較為緩慢的過程，通常認(rèn)為與作物秸稈C/N的高低有關(guān)。Geisseler[41]研究發(fā)現(xiàn)，在還田作物秸稈腐解的過程中，耕層土壤有效氮的含量通常能滿足微生物的需求，但微生物腐解還田作物秸稈會消耗大量的土壤有效氮，使得土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量急劇減少；但Lvaro-Fuentes[42]認(rèn)為若還田作物秸稈本身的C/N過高，微生物分解還田作物秸稈時需要消耗土壤中原有的氮素，進(jìn)而導(dǎo)致秸稈腐解微生物和作物發(fā)生競爭養(yǎng)分的現(xiàn)象，降低還田作物秸稈的腐解率。Nicolardot等[43]、Wang等[44]的研究表明，微生物分解有機(jī)體的最優(yōu)C/N為25:1，其中微生物體的C/N為5:1，其余20個單位的碳作為能源消耗。一般來說，還田作物秸稈的C/N均高于25:1，因此氮素就成為分解還田作物秸稈微生物活性的限制因素。還田作物秸稈腐解過程中氮素對微生物群落的作用主要是抑制真菌的生長，而對細(xì)菌生物量的影響并不顯著。Fog[45]認(rèn)為施用氮肥會因為C/N的改變而促進(jìn)C/N高的物質(zhì)如纖維素等物料的腐解，而Leung和Pointing[46]則認(rèn)為無機(jī)氮的施用會降低白腐菌（木質(zhì)素的主要分解菌）的活性，抑制還田作物秸稈腐解。Arcand等[47]研究表明，適量增施氮肥能提高土壤有效氮的含量，避免腐解微生物與作物爭氮，促進(jìn)微生物的繁殖，刺激非木質(zhì)化植物殘體碳素的礦化腐解過程，進(jìn)而加速還田作物秸稈腐解。

3 還田作物秸稈腐解的土壤微生物效應(yīng)

還田作物秸稈在土壤中被微生物分解分為三個階段，首先是在喜糖霉菌、白霉菌和無芽飽細(xì)菌的作用下，分解水溶性糖和淀粉；之后以芽飽細(xì)菌和纖維素分解細(xì)菌為主，分解蛋白質(zhì)、果膠類物質(zhì)和纖維素等；最后以放線菌和某些真菌為主，分解木質(zhì)素、單寧和蠟質(zhì)等。因此土壤微生物活性和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化易于直觀反映作物秸稈的腐解狀況。Baumann等[48]研究表明，還田作物秸稈腐解過程中，分解作物秸稈殘體的微生物群落結(jié)構(gòu)與作物秸稈殘體的化學(xué)結(jié)構(gòu)特別是芳香碳和含氧烷基碳呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性，而張紅等[49]、Pascault等[50]認(rèn)為，還田作物秸稈腐解殘留率與土壤微生物群落的優(yōu)勢度呈顯著負(fù)相關(guān)，且易分解秸稈對細(xì)菌多樣性和活性的影響更大。喻曼等[51]研究表明，還田作物秸稈腐解前期，cy17:0與半纖維素、纖維素的降解有一定相關(guān)性，后期的微生物種群則以木質(zhì)素分解微生物為主。楊軍等[52]研究表明，參與小麥和玉米秸稈分解的微生物生物量相當(dāng)，但微生物種類有所不同，其差別主要與革蘭氏陽性菌14:0、i14:0、3OH-16:0、i17:0和革蘭氏陰性菌cy17:0以及放線菌10Me18:0有關(guān)。Bastian等[53]研究認(rèn)為小麥秸稈腐解前期和后期的微生物優(yōu)勢菌群不同，主要表現(xiàn)在放線菌、δ-變形菌和β-變形菌的增加以及纖維桿菌和γ-變形菌的減少上。

4 問題與展望

（1）作物秸稈有效還田的土壤微生物效應(yīng)研究

目前關(guān)于農(nóng)田系統(tǒng)中還田作物秸稈腐解的研究主要側(cè)重于單個影響因素對微生物群落結(jié)構(gòu)或某種特定微生物影響的研究，而對還田作物秸稈腐解的微生物機(jī)理的研究較少；同時現(xiàn)階段的研究大部分為可控試驗條件下，如溫室中控制其他條件對單一可變條件如溫度或濕度[35]或兩個條件如不同pH和C/N[29]進(jìn)行研究，而對于大田間條件下影響還田作物秸稈腐解的主導(dǎo)因素以及不同影響因素之間的交互作用考慮較少。鑒于此，可借助目前在土壤微生物多樣性研究中應(yīng)用最廣泛的Genome Sequencer FLX+(GS FLX+)高通量測序平臺[54]，在大田條件下研究秸稈腐解和土壤微生物種群組成和功能多樣性的變化特征，揭示對作物秸稈腐解特性及與多個影響因素的互作效應(yīng)，為完善作物秸稈還田技術(shù)及科學(xué)用養(yǎng)地研究提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

（2）作物秸稈機(jī)械化還田關(guān)鍵技術(shù)及配套裝備選型

針對作物秸稈還田過程中的機(jī)具不配套、作業(yè)效果不理想以及秸稈還田后腐解緩慢、腐解效果差、病蟲草害發(fā)生較重等問題，著重開展快速腐解菌劑及其施用時間、劑量等配套施用技術(shù)、土壤-作物氮素耦合調(diào)控技術(shù)、磷鉀肥減施配套關(guān)鍵技術(shù)、生態(tài)高效除草劑、殺蟲劑調(diào)控技術(shù)及減施配套關(guān)鍵技術(shù)的研究，并對玉米收獲機(jī)、秸稈粉碎機(jī)、免耕播種機(jī)等作業(yè)機(jī)械選型，通過調(diào)研、試驗等多種形式，最終篩選出一整套性能先進(jìn)、可靠性高的滿足秸稈有效還田的配套裝備。

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Returning Crop Straw:A Review of Decomposing Features and Influencing Factors

Ge Xuanliang,Yu Yang,Qian Chunrong
(Institute of Crop Cultivation and Farming,Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences/Scientific Observing and Experimental Station of Crop Cultivation in Northeast China,Ministry of Agriculture,Harbin 150086,Heilongjiang,China)

In order to implement effective decomposing of returning crop straw,we summarized the research progress in decomposing features of returning crop straw and its influencing factors such as own conditions,hydrothermal conditions,soil conditions,exogenous nitrogen and so on,and focused on the research status of the soil microbial effects on decomposing of crop straw.Finally,we made suggestions on the research of effective decomposing of crop straw in order to provide references for formulating scientific techniques of returning crop straw,guiding rational fertilization and proper utilizing and nourishing land.

Crop;Straw;Decomposing Feature;Influencing Factors

S-3

A論文編號：cjas16120002

國家“十二五”科技支撐計劃項目“高效灌溉農(nóng)藝配套綜合技術(shù)集成研究與示范”(2014BAD12B01-2)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項“東北半干旱地區(qū)主要農(nóng)作物微灌節(jié)水關(guān)鍵技術(shù)”(201303125)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項資金“國家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系哈爾濱綜合試驗站”(CARS-02-40)。

葛選良，男，1984年出生，內(nèi)蒙古通遼人，助理研究員，研究生，博士，主要從事作物栽培生理生化研究。通信地址：150086黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)學(xué)府路368號，E-mail：gexuanliang@163.com。

錢春榮，女，1973年出生，黑龍江雞西人，副研究員，研究生，博士，主要從事作物栽培生理生化研究。通信地址：150086黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)學(xué)府路368號，Tel：0451-86678615，E-mail：qcr3906@163.com。

2016-12-02，

2017-01-13。