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不同秸稈還田模式對土壤有機碳周轉的影響

發布時間:2019-06-15所屬分類:農業論文瀏覽:1

摘要:秸稈還田可以有效增加土壤有機質含量,改善土壤肥力,同時影響土壤微生物的活性,促進土壤碳氮循環,有利于農業生產可持續發展。本文主要從秸稈還田后的碳周轉特征及研究方法,以及秸稈還田的作物類型、還田秸稈部位、秸稈還田量和還田方式對土壤有機碳

  摘要:秸稈還田可以有效增加土壤有機質含量,改善土壤肥力,同時影響土壤微生物的活性,促進土壤碳氮循環,有利于農業生產可持續發展。本文主要從秸稈還田后的碳周轉特征及研究方法,以及秸稈還田的作物類型、還田秸稈部位、秸稈還田量和還田方式對土壤有機碳的影響進行綜述,旨在全面了解還田后秸稈的分解轉化以及對土壤碳周轉的影響。指出未來研究中應該更加關注如何高效地進行秸稈還田,結合秸稈自身條件以及土壤環境,選擇一種適合作物生長、可以最大化提高土壤肥力的還田方式。

  關鍵詞:秸稈還田;腐解速率;碳周轉;C/N

土壤學報

  0引言

  農業生產過程中會產生大量秸稈,全球每年大約產生秸稈40億t[1],而我國每年產生秸稈8.4億t[2]。秸稈中富含大量碳、氮等營養元素,不僅是物質和能量的載體,也是寶貴的自然資源[3]。而傳統性耕作中農民為了能夠在較低成本下快速清除秸稈,在收獲期間廣泛采用焚燒秸稈的處理方式[4]。

  秸稈焚燒會加速土壤有機質和養分的流失,增加碳排放,引起空氣污染,并降低土壤微生物活性[5-7]。因此,秸稈等作物殘渣的資源化利用對提高農業和環境可持續發展具有重要意義[8],也是保護性耕作的重要環節。同時秸稈也是促進農業生態系統土壤物理、化學和生物循環的關鍵[9],已被視為保證糧食安全和減少人為CO2排放的環境友好戰略[10]。秸稈還田是固定土壤有機碳的有效途徑之一,同時還可以提高土壤的固碳能力,從而減緩土壤有機碳負平衡現象[11-12]。

  據估計,全球每年大約有0.6~1.2Pg碳可以通過秸稈還田固定到土壤當中,增加了土壤有機碳含量,提升了土壤地力[13-14]。Liu等[15]對基于全球176個研究結果的萃取分析得出,秸稈還田可以使有機碳含量增加12.8%。Zhao等[16]研究表明,秸稈還田可以使我國農田土壤0~30cm土層有機碳含量增加0.81g·kg-1。Powlson等[17]通過秸稈添加100年后的模擬實驗得出,土壤有機碳含量比未添加秸稈增加了20.4t·hm-2。

  土壤有機碳對秸稈還田后作物殘體的分解轉化是農田生態系統碳循環及養分周轉平衡的一個至關重要環節[18-19],秸稈還田后的分解轉化過程會直接影響土壤碳氮含量,并導致土壤物理行為和功能的變化。秸稈自身特性(秸稈化學組成)、秸稈還田方式(覆蓋地表和翻埋還田)及還田作物秸稈類型等都會影響土壤有機碳對秸稈還田的響應,而且不同氣候條件和不同土壤類型下其效應也會不同,甚至出現相反的響應[20-21]。

  因此,探明秸稈還田在土壤中的分解轉化特征以及影響因素,對了解碳周轉規律、促進農業管理和生產,以及環境可持續發展具有重要的意義。

  1秸稈還田后土壤碳的周轉特征及研究方法

  土壤碳庫主要包含無機碳和有機碳兩部分。碳酸鹽是土壤無機碳的主要成分,能夠在土壤中穩定存在,因此很少參與碳循環過程。土壤有機碳主要來源于動植物及微生物殘體、排泄分泌物、土壤腐殖質以及人為施加的有機物料[22-23]。活性有機碳(LOC)是土壤有機碳的重要組成部分,它可以反應土壤的微小變化,又直接參與土壤生物化學轉化過程,同時也是微生物活動的能源和動力[24]。許多研究表明,秸稈還田可以增加土壤有機碳含量,但對土壤有機碳不同組分會產生不同效應。

  周歡等[25]通過在黃土高原旱作農田進行玉米秸稈還田的試驗研究發現,秸稈還田可以顯著增加總有機碳(TOC)和LOC的含量。李琳等[26]通過雙季稻區保護性耕作試驗研究發現,水稻秸稈還田后可以同時增加TOC和LOC含量。陳尚洪等[27]在四川盆地兩種不同母質的土壤上進行4年定位試驗研究,也得到水稻秸稈還田不僅可以提高TOC含量,還增加LOC含量。有的學者通過進一步研究證明,秸稈還田不僅可以增加土壤LOC的含量,而且與還田量呈正相關關系[28]。

  Riffaldi等[29]研究發現,秸稈還田可以增加土壤溶解性有機碳(DOC)含量。農田土壤有機碳變化主要由輸入和輸出有機碳的相對關系來決定,即有機物質的分解礦化損失和腐殖化、團聚作用累積的動態平衡[30]。秸稈還田后,一部分被土壤微生物分解轉化成簡單無機物(例如CO2、碳酸鹽等),稱為礦化過程;或者是先被土壤微生物分解成簡單化合物,然后同微生物生命活動產物(例如:氨基酸、肽等)形成一類分子量大、無定形的聚合產物,稱為腐殖化過程。

  而這一類大分子物質因難以降解,成為了土壤有機碳的主要組成部分。因此,腐殖質成為衡量土壤有機質含量和穩定性的重要指標之一。秸稈含有的木質素、纖維素等難降解的大分子物質,大部分被降解轉化成為富里酸(FA)、胡敏酸(HA),從而對土壤原有腐殖質組分進行更新,形成新的土壤腐殖質[31]。小麥玉米秸稈還田配施化肥處理,可以增加HA、FA含量,使HA/FA的值增加,提高腐殖質含量[32]。

  曾木祥等[33]通過研究稻草還田量對土壤腐殖質含量發現,隨著還田量增加,FA和腐殖酸的含量也相應增加。但萬曉曉等[34]研究發現,秸稈還田之后,會增加腐殖質和HA的含碳量,卻使HA的含量降低、HA/FA的值減小。土壤微生物在很大程度上決定著土壤生態系統養分循環和能量流動,能敏感地反映氣候以及土壤微生態環境的變化,較早指示土壤有機質的變化[35]。

  而且,還可以通過調節土壤環境,維持土壤生態系統的穩定性和土壤的可持續利用[36-37]。而秸稈還田后,由于添加了外源有機物質,會促進大量的微生物生長繁殖,形成土壤微生物活動層,加速了對秸稈中有機態養分的分解釋放,可提高土壤有機質含量[11,38]。張紅等[39]研究表明,不同秸稈腐解的程度與土壤微生物群落優勢度呈顯著負相關關系,分解速率也受土壤微生物的影響。土壤有機碳分解轉化研究方法,主要可以分為兩類:常規方法和同位素示蹤法。常規方法主要是常觀測定實驗小區和對照小區土壤有機碳含量的變化,以及這些小區中各種有機組分碳含量的差異。

  該方法的不足在于無法準確測定短時間內土壤有機碳的變化。原因是土壤有機碳背景值比較高,對土地管理方式等外在因素變化反應不夠靈敏,會出現一定的滯后性,因此無法測定短期內的影響。同位素示蹤法是一種常被用于測定土壤有機質組分轉化速率的有效方法。主要包括:放射性同位素示蹤法(一般用同位素14C標記)、穩定性同位素示蹤法(一般是用同位素13C標記)。

  14C同位素示蹤法可用于監測14C均勻標記的有機物質在土壤中的轉化及其分解產物,研究14C-HA、FA參與的轉化過程[30]。王志明等[40]通過14C同位素示蹤研究秸稈在稻麥輪作系統中的分解轉化過程,表明秸稈還田能夠加速土壤微生物碳(MBC)的周轉,使土壤原有機碳分解速率以及分解量增加,從而使有機碳含量減少。大量學者利用13C自然豐度法研究有機碳來源及其周轉速率[30]。竇森等[41]通過720d室內培養實驗,利用13C穩定同位素示蹤法研究玉米秸稈腐解對土壤有機質變化時發現,玉米秸稈以及原土有機碳含量均減少,同時后者的降解速率較低;與新形成的FA、HA的相互轉化速度相比,原土有機質的HA、FA的轉化速度更慢。

  Doane等[42]通過對比兩種不同耕作方式下玉米農田土壤腐殖質的3種主要組分含量的差異,研究表明,土壤中的有機質含量處于動態變化之中,且對外部輸入的有機質變化有靈敏的響應,同時也證明腐殖質的3種組分在碳循環中起到了不同作用。總體來說,秸稈還田不僅增加土壤表層的TOC含量,還增加土壤LOC含量,促進土壤碳循環,而且還增加了土壤微生物的生命活動,更進一步地促進秸稈中養分的分解釋放,增加土壤肥力。

  2秸稈質量及還田方式對土壤有機碳的影響

  2.1不同類型還田作物

  由于不同作物秸稈化學組成不同,導致在相同土壤條件中分解時,可能表現出不同行為,從而對有機碳的固定產生很大影響[43]。從元素組成來看,作物秸稈主要由碳(C)、氮(N)、磷(P)及鉀(K)等營養元素構成,不同作物秸稈的各元素含量會有所不同。腐解前期,C/N值低、體積小的作物秸稈分解占主導地位;腐解后期,C/N值比高、體積小的秸稈會加速分解[39]。因此,作物秸稈C/N值是植物殘體礦化速率的主要影響因素[44]。

  從物質組成來看,作物秸稈主要由木質素、纖維素、半纖維素等營養物質構成[25,45],共同組成植物體的骨架[46]。三者的總量大約占秸稈總量的80%以上,其中木質素含量為15%~20%[47]。而木質素是一種天然有機高分子化合物,由苯基丙烷結構單元構成,具有三維空間結構,與其他組分相比,更難被微生物降解[48],因此,木質素含量高的作物秸稈其分解速度較慢[49]。

  了解作物秸稈在分解過程中化學成分的變化對闡明秸稈還田對土壤碳固定和營養循環的影響機制至關重要。在對煙草田土壤碳氮養分供應研究中發現,分別添加1%玉米秸稈、煙草秸稈、水稻秸稈及水稻秸稈生物炭后,有機碳礦化速率與對照相比均有所提高,其中有機碳礦化速率最大的是玉米秸稈;而有機氮礦化速率隨著還田時間增加,呈現出先減少后增加,最后趨于平衡的規律[50]。

  但也存在不同的研究結論,魯耀等[51]認為玉米秸稈在土壤中分解速率最慢。不同秸稈還田后,分解速率也存在差異,小麥秸稈還田后,分解速率最快;同時與水稻、油菜秸稈相比,釋放出的氮含量最高[52]。主要是因為小麥秸稈中木質素的含量較低,易于分解。因此,相比玉米秸稈還田,添加小麥秸稈后土壤TOC及LOC均有顯著增加[53-54]。

  2.2不同秸稈部位還田

  由于同一作物不同部位生長環境存在差異,其物理結構和化學成分就存在很大不同[55],因此還田后會對土壤產生不同效應。玉米根茬還田后,土壤微生物量碳、氮含量均低于秸稈還田[56]。主要是由于根部木質素/氮高于秸稈的木質素/氮,不利于土壤微生物量的增加和碳氮循環。劉四義等[57]通過探究秸稈不同部位還田對微生物量的影響,也證明木質素與全氮含量的比值能夠更好地說明秸稈分解以及有機碳固定的差異。由于木質素含量:根>莖>葉[58],因此根部礦化分解主要受木質素含量的影響。

  但是,Shahbaz等[59]研究表明,添加低濃度水平的有機物料,根部的礦化程度同莖和葉相似;高水平濃度下,根部礦化程度才會降低。說明保證秸稈還田量一定的條件下,根部的木質素含量才會成為秸稈腐解的主要受限因素。

  2.3秸稈還田量

  不同數量的秸稈還田均促進土壤有機質含量增加,提高土壤肥力,主要是因為秸稈還田為微生物的生長繁殖提供物質基礎,增加微生物的數量以及活性,從而加速秸稈分解,提高土壤有機質含量。高粱秸稈還田量為6390kg·hm-2時,土壤有機碳、全氮含量達到最大[60]。袁曉明等[61]研究表明,全量還田較半量還田相比,有機質含量提升效果更好,提升率達10%以上。還有研究表明,秸稈50%還田量對0~10cm土層的土壤有機碳含量影響不大,但200%還田量顯著增加了土壤有機碳含量,與對照相比增加了49%[62]。

  秸稈還田能使土壤全氮、堿解氮含量增加,隨還田量的增加而幅度加大[63-64]。大多數研究表明,在適宜范圍內,土壤有機碳含量會隨秸稈還田量增加而增加。然而,也有研究發現,有機質含量會隨秸稈還田量的增加,呈現先增加后降低的趨勢。胡乃娟等[65]認為,稻麥兩季連續半量還田顯著增加TOC和MBC含量,而DOC、易氧化有機碳含量在25%秸稈還田量處理下達到峰值,與秸稈全部還田相比,50%或25%秸稈還田顯著提高了土壤有機碳含量。

  2.4秸稈還田方式

  大多數研究主要針對于秸稈直接還田(覆蓋還田、深埋還田)對土壤有機碳、氮循環產生的影響。不同還田方式使得秸稈位于土壤層的位置有所差別,由于不同土壤層的自然條件不同,從而導致微生物種群多樣性以及秸稈腐解速率的不同[66-67]。秸稈翻壓還田的有機質含量要高于秸稈覆蓋還田[68],可能是因為秸稈翻壓還田降低土壤容重,提高土壤的通氣性和改變土壤水分狀況,增加土壤含水量,提高微生物活性,從而加速秸稈分解[69]。

  秸稈不同土層還田對有機碳周轉的影響也并不一致,董珊珊等[70]通過研究玉米秸稈不同還田方式對土壤有機碳結構的影響,發現秸稈淺施可以使土壤表層(0~20cm)的有機碳及腐殖質(FA、HA和胡敏素)含量增加,秸稈深還增加土壤亞表層(20~40cm)有機碳及腐殖質含量。同時,秸稈粉碎還田處理對土壤有機質積累有明顯的作用,主要是由于粉碎秸稈施入田中,可以和土壤充分混合,加速微生物對秸稈的分解[71]。

  除此之外,近些年有許多關于秸稈配施氮肥還田的研究,證明該措施可以在一定程度上增加有機質含量,改善土壤肥力。秸稈配施氮肥還田可以顯著增加腐殖質含量(HA、FA)[72]。特別是兩季秸稈還田配施氮肥可以通過增加芳香族化合物,提高腐殖質活性,從而增加有機碳含量[32]。主要的原因是秸稈還田使土壤C/N迅速增加,導致C/N短暫失衡,因此添加適當氮肥可以緩解氮素缺失,降低微生物對氮素的固定并利于養分釋放。然而,也有一些國外學者研究發現,有機物料和氮肥的長期輸入,可能不會促進土壤有機碳的固定[73-76]。

  3展望

  近年來,關于秸稈還田可以增加土壤有機質含量、促進土壤碳循環的研究涉及的方面非常廣,而且也取得了一定的進展,但是仍存在許多不足,需要進一步研究。如:秸稈還田在一定程度上會打破土壤生態系統原有的碳動態平衡,在微生物的作用下,與土壤物質結合成為新的有機質,而新的有機質進入土壤后對土壤碳周轉、穩定和更新產生的影響并沒有太多的研究;秸稈還田對提高土壤碳含量以及礦化具有顯著影響,但是同土壤原有有機碳礦化的關系也有待進一步研究。

  許多研究表明,秸稈還田可以增加土壤微生物的數量,但是對其活性和多樣性的影響并不是很明確,需要進一步探明;對于目前秸稈還田的研究,主要集中于對土壤有機碳總量的影響,而還田后對土壤有機碳的化學組成和物理結構變化特征的研究有待進一步加強。同時就產生的長期效應而言,秸稈還田大多表現為對土壤碳周轉的積極效應,而造成的短期效應大多體現為沒有影響或者為負效應。

  主要原因是秸稈還田的初期可能會降低微生物利用碳源的能力,因此土壤微生物對有機碳、氮循環的影響也成為關注的問題之一。秸稈還田作為保護性耕作的重要組成部分,不僅優化了當前農業生產模式,還減少了傳統農業生產對化肥、農藥的依賴,為農業可持續發展提供有利條件,是一項可以全面推廣的有效措施。秸稈分解后,增加了土壤養分和土壤碳庫儲量,同時促進了土壤微生物生長繁殖,從而改善微生物群落結構,增強了土壤酶活性,更好地保持了土壤適宜的溫度和水分含量,使農田生態系統中土壤結構和肥力水平得到穩步提升。

  因此,從秸稈自身條件以及土壤環境出發,研究秸稈分解轉化對土壤碳、氮固定的影響對我國農業有效發展具有很重要的意義,也成為秸稈還田研究領域的重點方向之一。但是由于不同還田措施會對土壤碳周轉產生不同效應,綜合土壤類型、作物類型及氣候條件等不同條件,選擇一種適宜的秸稈還田方式顯得尤為重要。

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