秸秆还田条件下农田系统碳循环研究进展

秸秆还田是农田生态系统的固碳减排的一种措施,现已成为国内外学者研究的热点。本文在分析农田系统碳循环流通的基础上,将系统划分为土壤、植物和大气3个子系统,对秸秆还田条件下各个子系统中碳的流动变化情况进行讨论。在土壤子系统中,秸秆还田对土壤有机碳（SOC）、土壤矿化碳、土壤微生物碳（MBC）的变化都有作用。秸秆还田的初期可能会降低微生物利用碳源的能力,影响群落物种分布的均匀度,致使作物对碳、氮利用率下降;然而,长期的效应仍会增加土壤微生物的多样性和活性。研究亦认为秸秆还田特别是与有机肥配合使用,能够提高土壤有机碳的含量;对土壤有机碳矿化具有明显促进作用,但是对土壤原有的有机碳矿化影响尚不清楚。秸秆还田在植物子系统中的影响主要集中在植物光合碳变化。已有的研究表明秸秆还田对作物光合作用的影响表现为正效应;然而根际碳流通的变化尚不清楚。在大气子系统中,秸秆还田能够增强旱地耕作土壤的呼吸作用,促进CO2的排放;而淹水条件下,秸秆还田使土壤有机碳矿化受到了明显抑制,对CO2没有明显影响。与此类似,淹水条件促进CH4排放,排水良好可以减少CH4的释放。事实上对CH4的排放而言,水份的影响可能比秸秆还田所产生的影响更大。笔者认为秸秆还田后土壤有机碳流通变化机理,及根际碳的流通变化影响仍有待进一步解析。其次,农业机械使用所产生的 CO2气体在研究秸秆还田模式时也应被考虑在内。除此之外,秸秆还田这种减排措施（CO2）的减排潜力、适宜应用的区域、可能的协同作用和一些限制及不利因素还没有得到确切的评估,实施过程中应考虑社会和经济层面上的因素。     

小麦秸秆不同还田方式下土壤微生物碳代谢多样性特征

秸秆还田是影响稻田土壤固碳潜力的重要措施,研究秸秆不同还田方式下土壤微生物碳源代谢特征对提高农作物秸秆利用和增加土壤碳固定具有重要意义,为此采用自动微生物鉴定系统(Biolog-ECO)研究在短期耕作条件下小麦秸秆不同还田方式对稻田耕层土壤微生物群落结构和多样性的影响。以江苏省六合区黄棕壤为研究对象,对等氮量秸秆发酵床垫料化还田(SP)、秸秆炭化(补施化肥)还田(BR)、秸秆+猪粪发酵还田(OF)、传统施用化肥(CF)和不施肥(CK)对照处理土壤进行分层采样,采用Biolog-ECO方法揭示微生物群落结构的多样性,并采用主成分分析法(PCA)探讨土壤微生物群落结构的变化特征。结果表明,不同秸秆还田方式能显著影响土壤微生物碳代谢特征,OF处理土壤微生物碳代谢能力、微生物多样性各项指数及糖类、氨基酸、胺类和多聚物利用率明显高于其他处理;而SP处理土壤微生物的影响明显小于OF、BR处理;不同秸秆还田方式能显著影响土壤表层(0~5 cm)和耕作亚表层(5~10 cm)微生物碳利用,而对耕作底层(10~20 cm)的影响较小;不同秸秆还田方式影响土壤微生物多样性,与CF和BR处理相比,OF和SP处理增加了土壤微生物多样性。认为OF和BR处理可在短期内显著提高土壤微生物碳代谢多样性和对碳源的利用。     

长期配施秸秆对灰漠土质量的影响

利用国家灰漠土肥力与肥料效益长期定位试验,采用长期不施肥、常规施化肥和长期配施秸秆(玉米秸秆或小麦秸秆)等不同施肥措施相比较的方法,研究长期秸秆还田土壤养分的年际变化,以及对土壤动物、微生物、酶活性的影响。研究发现:⑴长期配施秸秆能提高土壤速效氮、磷、钾含量,平均分别提高15%、48%和22%;⑵配施秸秆对土壤昆虫群落呈正向作用且贡献最大,主要增加了大型、中小型农田土壤动物的个体总数和优势类群数量,尤其是疣跳科和等节跳科动物个体数量增加近10倍;⑶土壤养分与土壤细菌、固氮菌、氨化细菌、纤维分解菌和反硝化细菌呈正相关,秸秆还田激发土壤有益微生物的生长和类群数量,使土壤微生物类群数量比对照增加15%~44%;⑷土壤养分与土壤磷酸酶、脲酶、蔗糖酶活性呈正相关,与过氧化氢酶呈负相关,秸秆还田增强土壤蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性,特别是脲酶和蔗糖酶活性平均提高26.5%。结果表明,长期配施秸秆提高了土壤动物丰富性和微生物多样性,增加了土壤酶活性,同时生物类群和酶活性的增加也改变了土壤生态环境,加速了土壤熟化。     

秸秆还田少免耕对冲积土微生物多样性及微生物碳氮的影响

土壤微生物是耕地质量的重要指标,为阐明秸秆还田少免耕对土壤质量的影响及其机理,在成都平原(温江)冲积水稻土区,开展了水稻–小麦/油菜轮作秸秆还田培肥定位试验(2003～2008年),在小麦生长季节,系统研究了土壤耕层微生物数量和微生物生物量的变化特征.结果表明,秸秆还田翻耕与秸秆还田免耕的土壤耕层微生物总量分别增加了51.7%、12.8%,土壤微生物数量增加主要来自土壤细菌数量的增加;从小麦全生育期看,在小麦分蘖期的增加幅度高于小麦播种期和小麦收获后,有利于促进小麦养分吸收与生长发育.秸秆还田少免耕显著增加了微生物生物量,秸秆还田翻耕和秸秆还田免耕处理土壤微生物碳总量分别比对照提高74.1%、25.8%,土壤微生物氮分别提高60.2%和12.1%.秸秆还田循环利用显著增加了土壤微生物数量和生物量,有利于土壤养分循环与转化,有利于提高土壤有机质含量并改善有机质质量,是耕地质量建设的重要途径.     

长期连作及秸秆还田对棉田土壤微生物量及种群结构的影响

通过采用常规微生物培养技术分析长期不同连作年限及秸秆还田棉田土壤微生物量及种群结构变化,揭示棉花连作及秸秆还田与土壤微生物多样性关系。研究表明,随着连作年限增加,秸秆还田连作模式下真菌数量持续增加,细菌和微生物总量在连作5-20 a逐渐下降,25 a后又上升;非秸秆还田连作模式随着连作年限增加其微生物种群变化与秸秆还田连作模式变化一致,但非秸秆还田连作模式土壤细菌和微生物总量分别比秸秆还田连作模式在连作5、10和15 a降低42.9%、57.9%、70.6%和41.9%、54.7%和65.7%,而真菌数量增加28.4%、80.8%和116.7%。说明棉花秸秆还田能够增加微生物数量,改善棉田土壤微生物种群结构。连作棉田土壤Simpson指数和Shannon指数呈随连作年限增加呈增加的趋势,连作棉田土壤微生物细菌/真菌（B/F）和放线菌/真菌（A/F）比值在秸秆还田模式下先逐渐减小至连作25 a有升高,而非秸秆还田模式下持续下降。     

长期施肥对双季稻田根际土壤微生物群落功能多样性的影响

微生物群落功能多样性是表征土壤质量变化的敏感指标,施肥措施可对土壤微生物群落功能多样性产生明显的影响。以位于双季稻主产区湖南省宁乡县国家级稻田肥力长期定位试验田为研究对象,应用Biolog技术分析了不同施肥处理(化肥、秸秆还田+化肥、30%有机肥、60%有机肥、无肥对照)对双季稻田根际土壤微生物功能多样性的影响,从根际土壤微生物功能多样性的角度评价施肥对土壤质量的影响。研究结果表明,有机肥与化肥配施以及单施化肥处理水稻根际土壤微生物对碳源的利用程度均显著高于其他处理,而秸秆还田处理水稻根际土壤微生物对碳源的利用程度低于无肥处理。在早稻和晚稻成熟期,Mc Intosh指数均以60%有机肥和30%有机肥处理为最高,其次为施用化肥和无肥处理,秸秆还田处理最低;Richness和Shannon指数大小顺序均表现为60%有机肥30%有机肥秸秆还田无肥化肥。土壤微生物碳源利用的主成分分析表明,各施肥处理水稻根际土壤微生物群落利用的主要碳源为氨基酸类和糖类,但不同施肥处理间碳源利用类型存在较大差异。总的来说,不同的施肥处理对水稻根际土壤微生物功能多样性产生了不同影响,长期有机肥配施化肥有利于维持稻田根际土壤微生物群落多样性。     

不同耕作和秸秆还田模式对紫云英-双季稻土壤微生物生物量碳、氮含量的影响

土壤微生物能够灵敏、准确地反映土壤质量变化,可综合反映土壤肥力和环境质量状况。为探明南方双季稻区不同耕作和秸秆还田模式对水稻(Oryza sativa L.)根际与非根际土壤微生物生物量碳、氮含量的影响,以紫云英(Astragalus sinicus L.)-双季稻种植模式大田定位试验为平台,设双季水稻翻耕+秸秆还田(CT)、双季水稻旋耕+秸秆还田(RT)、双季水稻免耕+秸秆还田(NT)、双季水稻旋耕+秸秆不还田(对照,RTO)4种土壤耕作处理,于2017年和2018年系统分析了不同土壤耕作处理对双季稻各个主要生育时期根际与非根际土壤微生物生物量碳、氮含量和微生物熵及水稻产量的影响。研究结果表明,早、晚稻各个主要生育时期,各处理根际与非根际土壤微生物生物量碳、氮含量和微生物熵均表现为先增加再降低的变化趋势,均于齐穗期达到最大值;2个年份早、晚稻各个主要生育时期,各处理根际与非根际土壤微生物生物量碳平均含量变化范围分别为317.2-822.4、276.9-616.8 mg·kg~(-1)和286.8-792.0、281.1-617.8 mg·kg~(-1);根际与非根际土壤微生物生物量氮平均含量变化范围分别为38.6-64.5、33.1-50.6 mg·kg~(-1)和37.8-64.6、33.2-50.6 mg·kg~(-1);根际与非根际土壤微生物生物量碳、氮含量大小顺序均表现为:CTRTNTRTO。早、晚稻各个主要生育时期,CT处理根际土壤微生物生物量碳氮比和微生物熵均显著高于NT处理(P0.05)。秸秆还田处理(CT、RT和NT)根际与非根际土壤微生物熵均显著高于RTO处理(P0.05)。CT和RT处理早稻和晚稻产量均显著高于RTO处理(P0.05)。总的来说,耕作方式和秸秆还田对南方双季稻区稻田根际与非根际土壤微生物生物量碳、氮含量均具有明显的影响,采用土壤翻耕、旋耕和秸秆还田模式对于增加水稻根际与非根际土壤微生物生物量碳、氮含量、微生物熵和水稻产量的效果为最佳。     

秸秆还田对农田周年地表径流氮、磷、钾流失的影响

2009—2010年在大田试验条件下,小麦季和水稻季分别以扬麦16和运2645为供试材料,两季均设置常规处理（A）、秸秆还田（B）、秸秆还田减肥（C）、肥料运筹（D）和少免耕（E）5个处理组合。研究不同处理对稻麦两熟制农田周年地表径流氮、磷、钾流失的影响。结果表明：（1）稻麦两季农田共发生地表径流20次,总地表径流水量为6.4×106kg·hm-2;（2）秸秆还田能够显著降低稻麦两熟制农田周年地表径流氮、磷、钾流失量,不同处理周年地表径流总氮和钾的流失量由高到低均依次为少免耕、常规处理、肥料运筹、秸秆还田和秸秆还田减肥,不同处理周年地表径流总磷流失量由高到低依次为少免耕、肥料运筹、常规处理、秸秆还田和秸秆还田减肥,秸秆还田使稻麦两熟制农田地表径流氮、磷、钾流失量分别比常规处理下降7.7%、8.0%、6.8%;（3）水稻季农田地表径流总氮、总磷、钾流失量分别占稻麦两熟制周年总氮、总磷、钾流失量的61.5%、44.0%、73.3%;（4）秸秆还田使稻麦两熟制农田周年地表径流氮、磷、钾流失率显著降低;（5）秸秆还田使水稻成熟期土壤速效养分质量分数显著提高;（6）秸秆还田使稻麦两熟制农田周年作物产量比常规处理略有增加。     

生物炭与炭基肥对大豆根际土壤细菌和真菌群落的影响

土壤微生物在农田土壤生态系统中发挥重要作用,然而秸秆生物炭与炭基肥处理对微生物群落的影响以及对农田生态环境的意义尚不清楚.以黄淮海平原豆-麦轮作为研究对象,采用荧光定量PCR和Illumina高通量测序技术比较不同施肥方式对土壤细菌和真菌群落的丰度、组成和多样性差异,探究秸秆还田、生物炭以及炭基肥添加对根际土壤微生物群...     

秸秆还田下中国农田土壤微生物生物量碳变化及其影响因素的Meta分析

秸秆还田能改变农田土壤微生物生物量碳(Soil Microbial Biomass Carbon,SMBC)含量,分析秸秆还田条件下SMBC含量变化及其相关影响因素,对理解秸秆还田下土壤养分周转与碳循环机制具有重要意义。基于中国知网和Web of Science数据库2001-2022年公开发表的68篇文献,建立了839组包含秸秆还田和秸秆不还田下SMBC含量的数据库,按照气候类型、种植方式、耕作方式、秸秆种类、施氮量、秸秆还田量进行分组,采用Meta分析对秸秆还田条件下SMBC含量变化的特征进行综合分析。结果表明,与秸秆不还田相比,1)秸秆还田显著提升SMBC含量(51.4%,置信区间为0.373-0.654),且对不同土层SMBC含量的提升效果不同,浅层和深层SMBC含量分别提升47.9%和42.7%。2)秸秆还田下温带季风气候区和亚热带季风气候区SMBC含量分别增加71.0%和35.8%,但在温带大陆气候区对SMBC含量影响表现出显著负效应,降低幅度为35.6%。3)不同耕作方式下旋耕(99.2%)对SMBC含量的增幅影响最为明显,约为常规耕作和免耕下的2.4倍和4倍。4)旱地秸...     

秸秆还田配施化肥及微生物菌剂对水田土壤酶活性和微生物数量的影响

土壤微生物学特性是表征土壤质量的重要生物学指标。通过田间试验研究了秸秆还田配施不同配比化肥及微生物菌剂对水田土壤酶活性和微生物数量的影响。结果表明,与单施秸秆相比,秸秆还田配施N、P、K及微生物菌剂后,土壤过氧化氢酶、转化酶和尿酶活性分别提高了37.5%~68.8%、32.3%~61.5%和48.8%~102%,细菌和真菌数量分别提高了95.3%~174%、286%~351%,放线菌数量减少了34.5%~39.4%,差异显著。统计分析显示,土壤过氧化氢酶与尿酶活性之间及其酶活性与微生物数量之间关系密切。氨化细菌和硝化细菌数量主要控制土壤过氧化氢酶活性,真菌数量是转化酶活性的主要影响因素,而尿酶活性主要受细菌数量影响。秸秆还田配施微生物菌剂及平衡施肥可以促进酶活性的增强,使土壤微生物群落物种个体数增加更多,分布更为均匀。过量施用氮肥会抑制土壤酶活性和微生物的生长和繁殖。     

农业生产措施对土壤碳库的影响

在陆地碳平衡日益成为全球变化科学和生态科学中最为前沿与热点问题的前提下,农业碳平衡问题也受到了强烈的关注,从而促进了农业生产措施对土壤碳库影响的研究。文章综述了农业生产措施对土壤碳库的影响及其效率。从全球不同地区的研究得出,农业措施决定了现阶段农业生态系统是C源还是C汇。目前,影响农田土壤碳库的措施主要有:农业用地面积的扩张;耕地的休耕与利用;农业施肥;耕作方式;作物类型与轮作;秸秆还田。平均不同地区的研究结果,各种措施提高土壤碳积累的效率(CMg·hm-2·a-1)分别为:施用动物肥料0.6(肥料用量10Mg·hm-2·a-1)、施化肥-0.71、耕地转换为草场0.825、改善轮作0.21、实施免耕0.315、秸秆还田0.3。目前研究存在的问题及将来的研究重点应主要集中在:通过改善农业措施提高土壤碳库的可行性;土壤有机碳积累与农业措施间的关系的地区差异性;农业措施提高土壤碳库所产生的环境效益与经济效益。     

耕作方式对土壤微生物和土壤肥力的影响

通过2年田间定位试验,对比研究了免耕+秸秆覆盖、旋耕+秸秆覆盖和传统耕作:三种耕作方式对土壤温度、土壤呼吸速率、土壤微生物数量和土壤肥力状况的影响.结果表明:秸秆覆盖对地温的影响存在"双重效应";土壤温度、土壤呼吸速率和土壤微生物量碳三者之间存在凸面关系;秸秆还田后耕作措施对土壤0～10和10～20 cm的微生物数量的影响不同,但均能增加土壤微生物量;土壤微生物能够加快秸秆中的有机碳向土壤有机质的转化速率;土壤微生物量碳可以作为反映土壤生产力状况的重要生物学指标之一.     

秸秆还田和免耕对水稻土微形态特征的影响

在四川盆地的平原区和丘陵区,通过4年8作的田间定位试验,研究了秸秆还田免耕和翻耕两种方式对土壤的微形态特征的影响,这对了解秸秆还田对土壤特性演化及生态环境的影响有重要意义.分别采制各处理的0～10 cm和10～20 cm土层的原状土样,制取土壤薄片,进行土壤微形态学比较研究.结果表明:两个试验区秸秆还田翻耕与免耕处理后,在土壤基本组成成分、形成物、土壤粗粒质和细粒质、土壤垒结及微结构等微形态特征方面均有一定的特点和明显变化.从这些土壤微形态特征得知,秸秆还田形成了良好的微结构趋势,促进了有机质腐殖化,能显著改善土壤的理化特性.     

长期不同施肥处理对红壤水稻土酶活性及微生物群落功能多样性的影响

江西红壤生态试验站长期定位试验中不同施肥处理红壤水稻土酶活性及微生物群落功能多样性的研究结果表明,不同施肥条件下土壤酶活性及微生物群落功能多样性差异较大,土壤脲酶和脱氢酶活性可以作为土壤肥力的指标。经过20 a施肥管理及水稻种植,土壤酶活性及生物量有很大提高;但是B IOLOGTM生态测试板测定结果显示,施肥使微生物生物群落物种丰富度有所减少,施P土壤酶活性、微生物群落功能多样性均大于未施P土壤,采用秸秆还田处理的群落物种均一性高于未采用秸秆还田处理。     

秸秆促腐菌剂对稻麦轮作土壤养分变化特征的影响

采用大田小区的试验方式,通过分析常规施肥+秸秆还田(CK)和常规施肥+秸秆还田+秸秆促腐菌剂(IT)两个处理土壤团聚体、理化性质和酶活性以及phoD微生物群落结构和多样性,研究稻麦轮作秸秆还田条件下秸秆促腐菌剂配施对土壤养分变化特征及解磷菌微生物多样性的影响。结果表明,促腐菌剂处理秸秆腐解率显著提升42.1%,土壤团聚体水稳定性显著增加,土壤平均重量直径(MWD)显著提升46.7%,大团聚体数量(R_0.25)和几何平均直径(GMD)分别增加62.5%和22.2%,但无显著差异。促腐菌处理土壤有机质、速效氮和速效磷含量以及土壤碱性磷酸酶活性分别提高11.8%、59.8%、62.6%和33.8%,但土壤pH、EC以及腐殖酸、全量氮磷钾和速效钾含量等无显著差异。促腐菌处理小麦产量增加不显著,而籽粒全磷含量较CK显著提升28.1%。基于phoD基因的微生物群落对比分析,IT处理显著增加了phoD微生物群落物种数量,同时显著改变phoD微生物群落结构,但两个处理phoD微生物群落多样性指数无显著差异。冗余分析(RDA)结果显示,phoD微生物群落结构与pH、速效氮和MWD均...     

生物炭对土壤微生物的影响研究进展

生物炭是有机材料在厌氧条件下热解而成的产物。近年来,生物炭因在碳固定、土壤改良和作物产量提高等方面具有较大的应用潜力而引起国内外学者的广泛关注。作为一类新型的土壤改良剂,它能提高土壤有机碳含量及阳离子交换量(CEC),改善土壤保肥持水性能,有益于土壤微生物活动,同时还可吸附抑制对土壤微生物生长有毒的化感物质,为土壤微生物提供有利的栖息场所。但生物炭的效应与生物炭的特性、用量、土壤类型及肥力有关。笔者从生物炭对土壤微生物的影响及其作用机制出发,概述了不同生物质材料及热解温度对生物炭理化性质的影响及生物炭对土壤微生物丰度、群落结构和活性影响的研究进展。未来应重点从生物炭的特性、生物炭与微生物交互作用及生物炭的环境修复等方面深入研究,客观评价生物炭对土壤微生物的作用。     

秸秆还田配施氮肥对砂姜黑土有机质组分与碳库管理指数的影响

在安徽蒙城砂姜黑土上进行4 a的秸秆还田定位试验,研究砂姜黑土耕层土壤有机质组分和碳库管理指数的变化特征,分析不同有机质组分、作物产量以及碳库管理指数之间的相关性。结果表明,秸秆还田显著提高了砂姜黑土耕层土壤总有机质、活性有机质含量和碳库管理指数(P0.05),秸秆还田配施360~720 kg·hm-2氮肥较秸秆还田但不施肥土壤总有机质、活性有机质含量和碳库管理指数分别提高10.1%~15.8%、20.4%~32.5%和41.7%~74.6%。秸秆还田且配施540 kg·hm-2氮肥处理土壤活性有机质含量增幅最高,且主要提高了惰活性有机质组分含量。玉米产量与土壤总有机质、活性有机质含量和碳库管理指数均表现为显著相关(P0.01)。秸秆还田配施氮肥促进了土壤有机质质量水平,尤其是与540 kg·hm-2氮肥配施对土壤有机质含量的提高效果显著。     

秸秆腐解剂在秸秆还田中的效果研究初报

在大田、微区和盆栽条件下,研究了秸秆腐解剂对小麦、水稻生长及产量的影响,同时研究了秸秆腐解剂对小麦、水稻秸秆腐解速率及对土壤肥力的影响。结果表明,稻、麦秸秆还田时施用秸秆腐解剂对提高稻、麦产量具有明显的增产效果,增产的原因是穗数和粒数增加;稻、麦秸秆还田量不同时,还田量大且配施秸秆腐解剂的效果较还田量小好;麦秸秆还田方式不同时,麦秸以栽稻前耕翻还田且配施秸秆腐解剂的效果较好,上水沤制的效果较差;秸秆腐解剂能促进稻、麦秸秆较快腐解,减轻和防止多量秸秆还田给作物生长带来不利影响,并可稳定和提高土壤养分含量。     

稻田土壤呼吸及酶活性对不同秸秆还田方式的响应

为了解秸秆还田通过改变土壤酶活性影响稻田土壤二氧化碳排放的过程,通过大田试验分析小麦和油菜秸秆翻埋还田(W1,R1)、覆盖还田(W2,R2)以及不还田(CK)处理下土壤呼吸和酶活性的变化及其对不同秸秆还田方式的响应.结果表明:(1)不同秸秆还田方式下土壤呼吸均表现为双峰值,峰值分别出现在6月(208.3±6.1 mL/kg)和9月(106.2±13.5 mL/kg).除油菜秸秆翻埋还田外,其他秸秆还田方式均增加了土壤呼吸作用.(2)土壤脲酶和蔗糖酶对不同秸秆还田方式响应各异.不同秸秆还田方式下土壤脲酶活性变化较小,没有表现出显著差异性.由此表明,不同秸秆还田对氮相关酶活性及氮素转化影响较小.而蔗糖酶在不同秸秆还田方式下差异较大.(3)蔗糖酶与土壤呼吸存在显著正相关关系(P0.05).上述结果表明蔗糖酶对秸秆还田较为敏感,可较好地表征秸秆还田过程中土壤呼吸变化状况,可为稻田营养循环利用提供有效依据.