馬南 陳智文 張清

摘要：土壤有機質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量關(guān)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(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。植物殘體經(jīng)分解轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)、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(xué)還田提供借鑒。

關(guān)鍵詞：秸稈還田;有機碳;土壤酶活性;活性有機碳;土壤結(jié)構(gòu)

我國作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，長期以來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式及化學(xué)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(zhì)量、治理土壤污染、保護土壤健康，已經(jīng)成為當(dāng)今社會普遍關(guān)注和急需解決的問題。我國每年糧食與油料產(chǎn)量巨大，相應(yīng)的作物秸稈資源也非常豐富，2016年秸稈理論產(chǎn)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(zhì)資源[2-3]，還田后在改善土壤結(jié)構(gòu)、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(zhuǎn)化，促進秸稈光合碳向土壤碳的轉(zhuǎn)化，進而提高土壤質(zhì)量[4]。秸稈可就地直接還田，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)廢棄物進行科學(xué)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(xué)肥料不可替代的，這對發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)、改善土壤環(huán)境質(zhì)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(nóng)田土壤物理、化學(xué)與生物學(xué)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(dāng)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(zhì)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(jié)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(guān)[8-9]，并且隨著秸稈C/N的升高而降低，這主要是由于當(dāng)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(dǎo)致礦化累積量也隨之不同。張繼旭等利用室內(nèi)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(jié)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(nèi)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(zhì)素含量和C/N之間存在差異造成的[13]，所得結(jié)論與張繼旭等的研究結(jié)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(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化率更高[20]。說明雖然作物秸稈的分解轉(zhuǎn)化趨勢在總體上相似，但由于作物秸稈的種類及分解轉(zhuǎn)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(zhì)量，而且有助于土壤有機碳和養(yǎng)分物質(zhì)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(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)時間短，周轉(zhuǎn)率大，對加入的外源有機碳反應(yīng)十分敏感，可直接參與土壤中一系列的分解轉(zhuǎn)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(yīng)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(dāng)還田量為45 t/hm2的紫云英配施不同比例化學(xué)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(xué)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(jié)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(zhuǎn)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(chǎn)力的土壤，同樣也面臨著土壤有機質(zhì)含量下降的問題，玉米和大豆是東北地區(qū)的主要農(nóng)作物，每年秸稈產(chǎn)量豐富，其秸稈中含有的營養(yǎng)元素，在腐解后不僅可以轉(zhuǎn)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(guān)關(guān)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(jié)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(zhuǎn)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(chǎn)生劇烈影響[30]，土壤活性有機碳的含量與農(nóng)田管理措施、土壤基本理化性質(zhì)及有效養(yǎng)分等具有明顯的相關(guān)性，因此對土壤質(zhì)量變化的響應(yīng)更為敏感，對評估土壤質(zhì)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(nèi)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(xué)反應(yīng)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(zhì)量的重要生物學(xué)指標(biāo)[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(zhì)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(zhì)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(diào)控酶活性提供了重要的物質(zhì)條件。不同酶的催化反應(yīng)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(zhì)分解，釋放營養(yǎng)物質(zhì)，對有機質(zhì)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(zhì)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(zhì)素[41]。Zhao等的研究結(jié)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(guān)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(zhì)含量的響應(yīng)較為敏感，兩者之間呈明顯的正相關(guān)關(guān)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(yīng)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(zhuǎn)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(nèi)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(zhì)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(xué)特性[45]。

玉米秸稈還田結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(dāng)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(yīng)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(yīng)，可有效避免秸稈分解過程中，發(fā)生氮素供應(yīng)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(guān)關(guān)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(chǎn)生顯著影響[52]，這與他人的研究結(jié)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(yīng)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(jié)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(yīng)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(quán)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(zhì)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(guān)系密切，呈顯著正相關(guān)關(guān)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(zhì)組分、還田量及外部環(huán)境因素的影響造成的。

3 結(jié)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(jié)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(yīng)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(zhì)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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