农田生态系统有机物料腐解过程及土壤培肥机制研究*

雷琬莹, 李 娜**, 滕培基, 郁瑾超, 龙静泓

(1.中国科学院黑土区农业生态重点实验室/中国科学院东北地理与农业生态研究所 哈尔滨 150081; 2.中国科学院大学 北京 100049; 3.东北林业大学林学院 哈尔滨 150040)

我国农业废弃物资源丰富, 以农作物秸秆、畜禽粪便和菌渣为主, 但这些农业废弃物再利用程度不高。国家农业农村部、生态环境部等相关部门多次发布公告, 明确指出要加快推进作物秸秆的“五化”利用, 同时加大秸秆禁烧力度, 以促进改善环境和实现农业可持续发展目标。以东北黑土区为例, 作为我国重要的商品粮基地, 秸秆资源丰富, 可收集资源量约8.4亿t, 但该区秸秆综合利用率仅66.6%, 比全国低13.5个百分点。低温冷凉的气候使秸秆还田难度加大, 多数秸秆被直接露天焚烧或随意堆弃, 导致东北成为我国秸秆资源综合利用的重点和难点地区。我国粪肥资源量为38亿t, 畜禽粪便含有丰富的有机质和氮磷钾等养分, 粪肥资源化利用后培肥土壤效果良好, 但是目前仍有大部分的粪肥资源没有得到合理化处理与应用。2017年国务院办公厅《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》中明确指出, 目前我国的畜禽粪便资源化利用率还不足60%。同时, 我国每年的食用菌总产量约为410万t,根据报道每生产1 kg食用菌, 就会产生约5 kg的菌糠, 而这些菌糠除30%左右被用作畜禽饲料和有机肥料以外, 仍有70%的菌糠没有得到合理的资源化利用。综上所述, 农业废弃物不合理的利用, 不仅浪费了资源, 也给环境带来了巨大的压力。

我国的粮食产量增加速度远不及化肥增施速度,过去30年时间里, 中国玉米(Zea mays)产量增加了85%, 然而化肥施用量却增加了450%。集约化农业系统长期过量的化肥施用, 给土壤带来了诸多问题,如酸化、电导率升高、酶活性降低、微生物多样性下降、有机质(SOM)含量减少等, 这些问题均使土壤肥力降低。我国政府于2015年提出了化肥零增长计划, 因此, 为了实现既能减少化肥的施用量还可维持以及提高农田土壤肥力的目标, 取之于农业系统的有机物料还田势必成为一项长期而有效的措施。如果将秸秆、粪肥和菌糠的含碳量分别按照40%、26%和38%来估算, 那么每年仅因秸秆、畜禽粪便和废弃的菌糠损失的碳量就高达7.2亿 t。若能将这些农业废弃的有机物料充分合理地资源化利用,使之还田不仅可以有效培肥土壤, 提高土壤有机碳含量, 积极促进实现作物稳产高产, 还能够减少农田中化肥的使用量, 平衡我国土壤普遍存在的氮磷钾比例失调的矛盾, 同时也能为秸秆焚烧而导致大气污染和动物粪便随意堆积造成的环境污染等问题的解决产生积极促进作用, 将助力我国2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和目标的完成。

农业废弃有机物还田, 已被广泛应用于农田生态系统培肥土壤和增产作物。但农业废弃物培肥土壤的过程中, 不同有机物料的迁移转化过程和机制还不十分清楚, 制约了有机物料还田培肥土壤技术研发和实施。因此本文综述了农田生态系统有机物料的腐解过程及其主要影响因素、还田后腐解产物对土壤养分库及作物产量的影响等方面的主要研究进展, 总结了有机物料还田转化为土壤有机质的作用机制, 并对未来开展农田生态系统有机物料还田腐解过程及作用机制的深入研究进行展望, 以期为农业废弃有机物料还田腐解培肥土壤提供基础理论依据和实践支持。

1 农田生态系统有机物料还田腐解过程及影响因素

1.1 表征有机物料腐解特征的主要技术

1.1.1 傅里叶红外光谱(FTIR)技术

有机物料的腐解产物和土壤有机质分子结构均具有高度复杂性, 有机物料腐解和形成土壤有机质的过程中有机物料和土壤的化学结构变化的动态监测是需要解决的关键问题。使用更加先进的技术手段和仪器来解析有机物料腐解产物和土壤有机碳的分子结构特征是克服这一难题的重要突破口。传统的化学方法通常是先通过浸提等过程将有机质提取后再进行研究, 这些前处理过程会破坏原有的土壤有机质结构。红外光谱是后来发展起来的有机质结构测定技术, 该技术具有测定快速、操作简便、微量且高效等优势, 可为有机质的化学组成和分子结构特征等提供重要信息。红外光谱的特征峰所代表官能团主要来源于脂肪族(2925 cm、2854 cm和1420 cm)、芳 香 族(1623 cm)、糖 类(1163 cm、1073 cm、1033 cm和1007 cm), 这种分析方法现已成功应用于土壤有机质化学结构的研究。基于傅里叶红外光谱(FTIR)分析, Hou等研究发现, 在青藏高原的草甸和灌木林两个生态系统中, rA1635/rA2930 (顽固指数)均随土壤深度的增加而略有增加,说明土壤有机质的稳定性随土层深度而增加。盐碱弃耕地在开垦5年后各土层(0～60 cm)土壤中芳香碳、脂肪碳、游离羟基以及糖类的特征峰的相对吸收峰面积均出现了较大程度的增加, 并且, 指征芳香族(C=C)和糖类(C—O)的有机官能团的数量提升更为显著。张福韬等比对玉米连作24年前后黑土有机质红外光谱特征变化, 发现长期玉米连作使土壤有机质中脂肪碳、酚醇和多糖类特征峰的相对吸收强度增加, 而使芳香族碳和羧基碳特征峰的相对吸收强度下降, 芳香性/脂肪性指数减小, 说明土壤有机质的结构趋于简单化, 土壤有机质的稳定性降低。同时, 红外光谱分析技术可以直接对腐解过程中有机物料化学组分的变化和有机物质的形成及转化过程中的动态变化进行定性分析。有机物料还田后可使土壤中从有机物料中转化而来的芳香碳、脂肪碳及烷基碳含量显著增加。

1.1.2C固态核磁共振波谱技术

C固态核磁共振波谱技术(solid-stateC-NMR spectroscopy)可以在更加贴近原始真实状态下对有机物质结构进行解析, 具有同时定性与定量分析有机物质化学结构的独特优势, 该技术近年来已在土壤等天然有机化合物的结构特征研究方面取得了一些进展和新的突破, 目前也已经广泛应用于天然有机化合物的结构特征的研究分析。C-NMR核磁共振波谱通常可以解析4大类官能团: 烷基碳区(alkyl C)、烷氧碳区(O-alkyl C)、芳香碳区(aromatic C)和羰基碳区(carbonyl C)。这些官能团表征特定种类的生物大分子化合物, 含氧烷基碳代表易分解碳组分, 即易被微生物生长代谢活动消耗的碳水化合物,而烷基碳和芳香碳等则指代难分解碳组分, 主要是难被利用的长链脂肪族化合物、木质素、单宁等。C固态核磁共振可以在将有机碳官能团定性的同时, 将其进行量化; 具有测试时对样本无损伤性的特点, 该技术测定得到的数据处理方法简单, 易于掌握。C固体核磁的这些优点, 使其成功地广泛应用于测定有机物料转化为土壤有机质的过程中有机物质化学组成变化的研究。通过比对世界范围内的C固态核磁共振波谱图发现, 土壤有机碳的化学结构及其稳定性与输入的外源有机碳的化学结构紧密相关。有机物料的分解程度可以用芳香率(aromaticity)、烷基/氧烷基(alkyl/O-alkyl)和炔基碳与甲氧基碳比值(carbonhydrate C/methoxyl C)表征, 比值越高表明有机物料的腐解程度越大, 腐解效果越好。Wang等开展了跨区域尺度不同气候条件下2年秸秆腐解试验, 发现秸秆的化学结构变化在两年内相似。在有机物料分解过程中, 随施用量提高和施用年限延长, 烷氧碳、双烷氧碳相对含量逐渐降低,而芳香碳的相对含量显著增加, 疏水碳/亲水碳、芳香碳/烷氧碳的数值逐渐增大, 稳定性有机碳含量增加, 有机物料体内的有机碳更加稳定。

1.1.3 荧光光谱技术

随着研究手段与分析技术的飞速发展, 目前对土壤有机质形成和稳定机制的认知发生了巨大变革,逐渐从早期经典腐殖质理论转为综合关注微生物转化和调控土壤有机质形成的新共识, 即土壤有机质是组成结构、存在状态与功能关联分布的土壤有机连续体, 是一种可以逐渐分解的有机化合物的连续体, 这些有机物碎片被微生物不断地腐解, 直到变成更小尺寸的有机物分子, 同时导致极性和可电离基团的增加, 从而增加了在水中的溶解度。在土壤有机质这个连续分解的化合物中, 水溶性有机质代表土壤有机质中最活跃的部分, 很容易被微生物利用。同时, 水溶性有机质在有机物料腐解过程中为微生物提供养分和能量, 可指示腐殖质成分的迁移和转化过程, 作为有机物料腐殖化和腐解程度的评价指标。因此从分子角度分析水溶性有机质的结构对了解土壤有机质的形成与周转具有重要意义。

目前光谱学分析技术已广泛应用于水溶性有机质分子结构研究中, 与红外光谱和C固态核磁共振波谱技术相比, 荧光光谱分析技术具有更高的灵敏度和更好的选择性, 与平行因子分析结合还可以识别传统的荧光图谱中无法呈现的细微差异, 这使得荧光光谱技术在土壤学和有机质化学相关研究领域得到更好的发展。通过对腐殖化指数(HIX)、荧光指数(FI)、自生源指数(BIX)等荧光特征指数的解析, 可以对不同来源的水溶性有机质的芳香性等基本特性进行有效揭示。三维荧光结合平行因子分析可以解析出水溶性有机质主要组分—大分子腐殖物质(C), 包括木质素等芳香物质、低分子量类富里酸(C)、类色氨酸(C)以及受人为活动因素干扰的腐殖物质(C)这4个组分。目前, 该种结合分析方法已经在水溶性有机质的荧光特性研究中广泛应用, 是腐殖酸类物质结构、组成特性分析的主要评价方法。秸秆和畜禽粪便还田会影响土壤水溶性有机质的浓度、结构和组成。三维荧光光谱特征和荧光区域指数结果表明, 水溶性有机质中富里酸和胡敏酸含量丰富, 随着有机粪肥腐解发酵的进行,水溶性有机质的组成也发生明显变化, 其中类腐殖质峰随堆肥时间的延长, 其强度逐渐增强, 而类蛋白峰则逐渐减弱。李艳等在牛粪与玉米秸秆混合发酵堆肥的研究中发现, 随着秸秆施用量的增加,各荧光组分所占的相对百分比表现为类蛋白质最高,其次为类富里酸, 类胡敏酸最低。不同有机物料还田对土壤可溶性有机质的结构影响也有所不同, 作物秸秆还田后使水溶性有机质的腐殖化程度和复杂性增加, 而生物炭的施用则会降低水溶性有机质的腐殖化程度和复杂性。

1.2 有机物料还田后的腐解特征

理解不同有机物料还田后的腐解过程及其化学结构的动态变化对于有机物料的合理资源化利用,因地制宜地制定农田管理措施培肥土壤和保障国家粮食安全具有重要的现实指导意义。目前, 已有学者对有机物料还田后的腐解特征进行了大量的研究和探讨。由于有机物料的来源不同, 其化学结构组成、类腐殖质结构组成及其各组分含量均存在明显差异, 因此在有机物料腐解的全过程中, 不同种类有机物料的分解和残留率的动态变化及腐解特征也存在明显区别。有研究表明, 不同种类有机物料还田腐解1年后的残留率由低到高为绿肥＜秸秆＜根茬≈有机肥(动物粪便), 其中以绿肥类最低, 平均残留率为0.27 g∙g, 有机肥类残存最高, 达0.41 g∙g。一般而言, 有机粪肥较作物秸秆更难被腐解, 秸秆的腐殖化系数较低, 为10%～39%; 而有机粪肥的腐殖化系数可达50%以上, 腐殖化系数越高, 有机物料越耐分解。说明秸秆的腐解速率明显高于有机粪肥, 且在我国南方处于亚热带地区的红壤比气候寒冷的北方地区的黑土腐解速率更快。

作物秸秆的腐解过程总体上按照易矿化碳组分分解, 半纤维素、纤维素分解以及木质素分解3个阶段进行。腐解规律呈现出前期迅速、后期缓慢、最后趋于稳定或先快后慢的变化特征(图1a)。首先,在秸秆还入土壤的腐解初期, 秸秆中所富含的多糖和氨基酸等水溶性有机物质通过淋溶作用、土壤微生物和动物活动迅速降低, 同时释放出矿质养分, 使秸秆质量迅速减少, 作物秸秆腐解的残留率也随之快速下降, 该阶段为快速分解期; 随着腐解进行, 秸秆中难分解物质所占比例增大, 土壤中动物及微生物活动受限, 活性降低, 纤维素和木质素成为秸秆中主要化合物并且需要被特定群落的微生物分解, 这个阶段与早期相比, 秸秆的分解速率下降, 腐解过程进展缓慢。通过SEM扫描电镜(图1b、c)观察到随着腐解时间延长, 作物秸秆的物理结构遭受到严重破坏, 由开始时的表面变得粗糙, 逐渐断层增多,空洞不断扩大, 纤维束结构变得松散, 到最后形成近似网状结构。秸秆腐解过程中, 秸秆分解残体的化学结构特征(各有机碳官能团相对丰度)也发生了明显变化, 总体上呈现出秸秆中含氧烷基碳丰度逐渐降低, 芳香碳和烷基碳的丰度逐渐升高的变化规律。不同碳组分官能团相对含量差异较大, 含氧烷基碳在腐解产物的有机碳官能团中相对含量最高, 达47.02%～60.13%, 其次为烷基碳, 占比11.41%～17.38%,以酚基碳含量最低, 仅占0.75%～2.02%。

图1 有机物料还田腐解率变化模式(a)和扫描电镜(SEM)下作物秸秆结构腐解前(b)和腐解后(c)对比图( Kubar等[39])Fig.1 Changes of decomposition rate of the organic material incorporated into soils (a) and Scanning Electron Microscopy (SEM)images of undecomposed straw (b) and decomposed straw (c) (Kubar, et al.[39])

不同种类的作物秸秆之间的腐解特征也有所差别。在东北黑土的秸秆还田研究中发现, 大豆(Glycin max)秸秆在还入土壤的前2个月平均分解速率可达26.4%, 而在后3个月平均分解率仅为1.7%。玉米秸秆还田后的0～90 d为快速腐解期, 而由于90 d后的腐解产物主要为难降解的有机物, 从而进入缓慢腐解阶段。在小麦(Triticum aestivum)秸秆的腐解过程中，三大重要有机组分变化的特点为:腐解初期半纤维素和纤维素的腐解速率相对较大,随着腐解时间增加, 腐解速率开始出现减小趋势; 与木质素相比, 半纤维素和纤维素虽然腐解开始时间早, 起步快, 在前期发挥主导作用, 但在腐解全过程中其腐解速率衰减幅度较大。即便在同一环境中不同作物秸秆腐解速率也存在差异。玉米秸秆较大豆秸秆更容易腐解, 这可能与碳氮比过低有关。张红等研究发现, 与大豆秸秆相比玉米秸秆在腐解过程中更容易出现与土壤“争氮”的现象, 从而加快促进附着在秸秆表面的微生物对秸秆的分解。介晓磊等通过尼龙网袋田间腐解试验发现, 在相同的土壤环境和同一供氮水平下小麦秸秆的腐解总趋势低于玉米秸秆。

相对于作物秸秆来说, 禽畜粪肥的腐解特征更为复杂。畜禽粪肥还田的目的是通过将物料中有机物质分解归还土壤, 改良地下部土壤环境, 供给地上部植物生长所需养分, 最终可实现高产稳产和种养结合的农业可持续发展。有机粪肥在腐解过程中,所形成的中间产物结构更复杂, 并且分离困难且过程烦琐。高伟等研究发现, 粪肥在腐解过程中, 水溶性碳等易降解有机质和总有机质含量总体呈下降趋势, 而类腐殖质质量及品质均呈上升趋势,其中胡敏酸含量增加、富里酸含量降低、富里酸向胡敏酸转化比例增大。研究表明畜禽粪肥在土壤中一年的腐解效果也有显著差异, 腐解最快的是鸡粪,年腐解率达83.4%, 其次是牛粪, 猪粪的腐解率最低,年腐解率仅为33.4%; 并且不同来源粪肥在不同分解时期的分解规律也有所不同。由于不同地区的自然气候因素, 加之粪肥中原本就含有大量纤维素和木质素等耐分解的组分, 因此畜禽粪肥单独还田后并非就会快速腐解改善土壤, 施用不当或施用未腐熟的粪肥还会污染环境、滋生病菌产生土传病害、腐解效果不佳，甚至会影响下季作物正常生长而导致减产。为了避免此类问题发生, 施加微生物菌剂或有机物料腐熟剂等快腐剂可以促进畜禽粪肥的彻底腐解, 培肥土壤。已有大量研究表明施用高效腐熟菌剂后可大大缩短粪肥的腐解时间, 更有利于有机物料中养分的保持。李尚民等研究发现多种微生物菌剂均可有效促进禽畜粪肥堆体升温, 延长高温期, 加快腐熟进度, 并在堆腐完成后可以更好地保持养分。

菌糠作为栽培食用菌的基质材料, 主要成分是植物被食用菌菌丝利用分解后的残体, 富含大量碳素和氮素等营养成分, 以木质素、纤维素、半纤维素及蛋白质为主, 然而这些大分子化合物中的养分在菌糠还田后通常被作物直接吸收利用困难。大量研究表明菌糠还田后可改善土壤理化性质和土壤微生物群落结构, 降低土壤容重, 减少土壤耕层阻力,改善土壤三相比, 活化及提升土壤养分, 从而提升作物产量。但是目前对于菌糠单独还田后的腐解特征及其结构变化的研究还很少见, 这使得对于菌糠还田后对土壤有机碳积累及提升肥力的潜力的预测具有局限性。

1.3 有机物料腐解的影响因素

有机物料的腐解是一个通过腐殖化作用由固体废弃物不断分解形成土壤有机质, 在矿化作用下释放出植物可吸收利用的养分和以CO形式排放到空气中的复杂过程, 该过程是在气候、土壤类型、物料自身性质及组成和农田管理措施的共同调控作用下完成的。

1.3.1 气候因素

气候环境被认为是首要主导因素, 在促进以及抑制有机物料的腐解进程中的作用最为重要。然而,有机物料的分解过程对不同气候因子的反馈也有所不同。整体上, 有机物料的残留率随温度的上升而降低。研究表明有机物料的腐解速率常数随年均气温升高呈现正线性增长趋势, 在0～30 ℃的温度范围内, 腐解速率与温度呈正相关。同时水分状况、冻融循环和干湿交替, 都会对土壤中有机物料的分解速率有显著影响。Prescott认为60%～75%是最适合有机物料腐解的土壤含水量, 一旦含水量低于30%或高于80%, 都会减缓有机物料的腐解过程, 对腐解产生抑制作用。冻融循环和干湿交替会导致土壤中水热条件的强烈转换, 对有机物料还田后的腐解过程产生作用, 进而影响有机物料的腐解速率。信彩云等发现与旱作相比, 灌溉条件下有机物料还田后的腐解速率更快。

1.3.2 土壤因素

气候作为五大成土因素之一, 虽然对土壤的发育形成有所干扰, 但是长期的发展演化过程也使不同的土壤具有了自身独特的性质特点, 进而影响有机物料的腐解过程。土壤质地作为一个影响有机物料腐解的重要因子, 土壤的颗粒组成与有机碳固存的保护作用密切相关。黏粒含量越高, 土壤的持水能力越强, 有机物料腐解的残留率越高。土壤的颗粒组成中, 黏粒可与有机碳紧密结合, 导致在黏粒含量低的土壤中有机物料的残留率明显低于黏粒含量高的土壤。Zhang等通过建立肥力梯度的耕地土壤的田间原位培养试验, 利用C脉冲标记秸秆, 发现有机物料的腐解速率受土壤自身肥力水平的影响显著, 土壤中有机物料的含碳残留率依次为高肥力土壤＞中肥力土壤＞低肥力土壤。土壤生物同样也会显著影响有机物料的腐解过程, 如大型土壤动物蚯蚓通过进食消解促进有机物料分解, 经过消化道排泄后的蚓粪中包含大量的活性酶和微生物, 可以使有机物料残体与其他小型生物及微生物(细菌、真菌等)接触更加均匀, 加大有机物料的腐解面积, 进而加快腐解进程。土壤微生物是地球化学循环的重要组成部分, 也是有机物料腐解及转化为土壤有机质的关键驱动因素。承担分解者、植物共生体或病原体作用的微生物, 在有机物料中有机碳转化成为土壤有机碳的过程中发挥着至关重要的作用, 从而对周转过程中土壤有机碳的固持产生显著影响。

1.3.3 有机物料自身因素

有机物料的组分及质量(纤维素、木质素含量以及碳氮比)是除气候因素、土壤类型、农田管理措施等外界因素外的自身内在因素, 也会直接影响有机物料腐解进程中的特征变化。纤维素、半纤维素、木质素、部分蛋白质及糖类是有机物料的主要组分, 通过土壤酶和微生物的作用分解转化成为土壤中重要的功能组分—有机质。纤维素作为一种大分子的多糖化合物, 是土壤碳库中的惰性有机碳组分, 其周转时间较长且降解难度较大, 能够较长时间存留在土壤中。又由于纤维素与土壤接触后结合不紧密, 腐解缓慢, 导致其腐解率和转化为土壤有机碳的效率均低, 因此纤维素含量较高的有机物料还田的土壤中有机碳积累较少。木质素是一种复杂的芳香性基质, 已被公认为是有机物料组分中最难解聚的化合物。Carvalho等研究发现, 在有机物料的化学组成中, 木质素含量较低和具有较少芳香碳结构的有机物料还田腐解后的腐解率相对更高。有机物料的碳氮比是影响有机物料进入土壤后腐解过程以及养分释放的重要内在因素, 可调控有机物料体内氮素的释放速率及过程。一般情况下,有机物料碳氮比为25时, 最有利于微生物利用分解;碳氮比过高会出现微生物同化土壤氮素的情况, 易导致作物早期的生长发育不良; 而碳氮比过低, 有机物料养分就会快速释放, 造成无效损失。有机物料的碳氮比越大,有机物质较难分解, 微生物利用困难,有机物料腐解缓慢。

2 有机物料还田对土壤养分库及土壤质量的影响

2.1 对土壤碳库的影响

土壤有机质的积累主要取决于输入土壤中的有机物质的数量及化学组成, 土壤生物和微生物活性,以及调节它们之间相互作用关系的环境因素。添加外源有机物料是更新土壤有机质的重要措施, 也是维持和提升土壤有机质含量的重要手段, 对地上作物所需养分供给和地下部土壤微生物及动物的活动具有重要意义。大量研究表明土壤有机质增加与有机物料投入量呈极显著正相关关系, 并且无论是有机物料单独还田还是有机物料配施化肥还田都可显著提高土壤有机碳含量和土壤有机碳库储量。在此基础上, 本文对比了相同种植制下同一块样地不同试验年限的单施化肥、化肥配施秸秆还田以及化配施有机肥还田的增碳率(图2), 发现在正常施用化肥的情况下, 不论是长期试验还是短期试验, 有机物料的施入均可显著提升土壤中有机碳含量(P＜0.05),并且施用畜禽粪肥等有机肥的处理土壤增碳效果最佳。

图2 不同施肥措施不同试验年限下的土壤增碳率[6,67-74]Fig.2 Soil carbon growth rate under different fertilization regimes for different years [6,67-74]

随着土壤培肥理论的发展, 人们开始认识到仅提高有机质含量是不够的, 并不能满足对土壤培肥的目的和追求, 更为重要的是提高土壤有机质的品质和质量, 而有机质中活性组分的增加对提升土壤有机质质量至关重要。通常情况下, 活性有机质指可以通过0.1～0.7 μm滤膜的一类含碳有机化合物, 广义上是一切能够在水中溶解的有机化合物的总称。尽管它通常只占土壤有机质很少的一部分, 不足总量的2%, 但是土壤中活性有机质含量微小的变动便会引起土壤有机碳库的巨大变化, 从而影响土壤碳库的稳定性。土壤有机碳的活性碳组分主要包括微生物量碳(MBC)、可溶性有机碳(DOC)、颗粒有机碳(POC)和易氧化有机碳(EOC)等。以秸秆中总有机碳转化过程为例, 杨艳华等研究了施入的秸秆碳在土壤不同有机碳库中的转化过程, 发现42%～79%的秸秆碳以CO形式损失进入空气中, 1.9%～13.9%可转化为土壤活性有机碳, 其中绝大部分(1.9%～10.6%)进入土壤微生物量碳组分中, 0.01%～3.3%通过淋溶等作用转化为土壤可溶性有机碳, 另有约10%的秸秆碳可转化为土壤颗粒有机碳。国内外大量文献已报道施加外源有机物料后, 土壤中的微生物量碳、可溶性有机碳和颗粒有机碳等活性有机碳组分含量均可显著提升。李新华等研究发现, 作物秸秆、食用菌菌渣和动物粪肥处理均可使土壤微生物量碳和可溶性有机碳含量明显增加。不同有机物料对有机质活性组分的提升效果由高到低依次为: 蚓粪、猪粪、生物黑炭和秸秆。研究表明, 与单施化肥相比, 有机物料与化肥配施可明显提高土壤碳库中活性有机碳组分。小麦秸秆和玉米秸秆等作物秸秆与化肥配施还田可促进土壤总有机碳和轻组有机碳积累, 化肥与猪粪和牛粪等有机粪便配施还田后可增加土壤微生物量碳和水溶性有机碳含量。

2.2 对土壤腐殖质的影响

了解有机物料还田后土壤腐殖质组成的变化对农业生态系统实现循环利用与培肥土壤意义重大。土壤腐殖质指的是一类具有特殊的化学和生物性质、结构组成复杂的高分子有机化合物, 是土壤有机质中稳定且最重要的组分, 其含量在总土壤有机质中的占比达50%～75%。腐殖质的物质组成主要来源于微生物的合成。有机物料在腐殖化的作用下转化成为土壤腐殖质的过程是一个复杂的物质与能量转化循环的过程, 有机物料残体在微生物的作用下一直不断地分解, 同时也在微生物的作用下一直不断地合成新的有机质。

国内外研究者关于有机物料还田后对土壤腐殖质组成及化学结构变化的影响已有所关注。诸多研究已证实秸秆、畜禽粪便等有机物料还田后可以有效改善土壤腐殖质的光学性质, 使其结构简单化、脂肪化及年轻化, 有利于腐殖质活化和胡敏酸(humic acid, HA)积累。施入有机物料后可提高土壤腐殖酸及其各组分碳含量, 胡敏酸分子结构变得更为复杂, 而富里酸(fulvic acids, FA)结构变得相对简单, 胡敏酸碳含量与富里酸碳含量的比值(C/C)升高, 胡敏酸碱溶液在465 nm和665 nm处吸光度的比值(E/E)下降, 可实现加速富里酸向胡敏酸的转化。李春阳等以土壤腐殖质组成为评价依据,采用室内培养法发现施用腐熟羊粪、黄腐酸以及不同形式的玉米秸秆均可使白浆土的水溶性物质碳含量(C)和胡敏素碳含量(C)有所消耗, 并且推动富里酸向胡敏酸转化, 使胡敏酸得以积累, 提高胡敏酸分子缩合度, 从而使土壤腐殖质质量和品质得以提升。

胡敏酸分子中含有大量甲氧基、羧基、氨基、羟基等有机官能团, 具有疏松多孔的网状结构, 是土壤腐殖质中发挥重要作用的组分。同时, 胡敏酸在改善土壤团聚结构, 维持和提升土壤肥力等方面的作用显著。因此胡敏酸的化学结构性质一直受到国内外学者的广泛关注。不同来源的有机物料对土壤腐殖质中胡敏酸的化学结构影响也有所差异。有研究表明, 氨基化合物在饼肥处理的胡敏酸中含量最高, 羟基、脂肪烃在绿肥处理中占比最大, 醇、酚在作物秸秆处理中含量最大。Zhang等研究发现, 玉米秸秆长期还田可增加土壤胡敏酸中烷氧碳和芳香碳比例, 而降低烷基碳和羧基碳比例。但也有研究表明, 有机物料还田后尽管可使总土壤有机碳含量增加, 但是腐殖质的官能团结构未发生显著变化。

2.3 对土壤质量及土壤养分的影响

国内外大量研究表明有机物料以多种方式还田皆可直接或间接影响土壤质量, 进而提升作物产量。土壤质量是从物理性状、化学性状和生物及微生物学性状对土壤肥力的综合评价, 对实现农田作物稳产高产至关重要。有机质是改善土壤质量和促进土壤养分循环的核心与物质基础, 在改善土壤结构和提升土壤供肥性、缓冲性以及保墒性等方面发挥重要作用。通过长期定位试验发现, 有机物料还田后可使土壤有机碳、微生物量碳和总氮含量显著增加。石纹碹等研究表明有机物料还田后不仅可以增加土壤有机碳水平, 还可以快速提升土壤速效养分, 土壤有效磷、碱解氮和速效钾含量均随有机肥添加比例的增加而显著提升。同时, 土壤中增施有机物料可在一定程度上改善土壤结构特性, 提高土壤含水量及饱和含水量、降低土壤容重, 最终使土壤的适耕性增强。李娜等基于2年的田间试验发现, 深翻配合牛粪或玉米秸秆还田可快速优化土壤的固、液、气三相比, 对土壤物理结构有明显改善作用, 相比秸秆还田, 短期添加牛粪处理的土壤中＞0.05 mm团聚体更多, 土壤结构更好, 更利于作物增产。Ding等连续10年施用有机肥的田间长期定位试验证实, 在一定施用量范围内, 土壤有机碳储量与有机肥的施用量呈正相关, 并且化肥与不同量有机肥配施还田均可显著提升玉米和大豆的产量(P＜0.05)。有机物料直接还田或配施微生物菌剂还田均能改良土壤理化性质, 有效降低土壤中可溶性盐含量, 缓解改善设施土壤次生盐渍化状况; 同时,有机物料中含有一定量的碱性物质, 施入后能够中和土壤中的酸, 可有效控制农田土壤酸化。

有机物料还田在改善土壤养分性状和物理性质的同时, 也会在一定程度上影响土壤动物群落和微生物群落。土壤动物的生长代谢以及动物之间的捕食网络是农业生态系统循环中关键的环节。土壤线虫是土壤微生态环境中最丰富且敏感的生物类群之一, 可作为生物监测土壤质量的潜在指标。饶继翔等通过研究不同秸秆还田方式对农田土壤线虫群落特征的影响, 证实有机物料还田可促进土壤养分积累, 还可使土壤线虫数量增加, 提高线虫群落多样性, 从而增强土壤的抗干扰能力。蚯蚓作为 “生态系统工程师”是一种最具代表性的大型土壤动物, 其个体的行为活动以及代谢特征可作为一种简单的土壤健康评价指标。研究表明有机物料还田后, 可使单位体积土壤中蚯蚓的数量和种群数量增加。在土壤中, 蚯蚓的摄食、挖掘等活动一方面可以通过增强土壤微生物的呼吸作用加快CO的排放; 另一方面还可以促进和刺激输入土壤中的有机物料养分释放和腐殖化过程, 同时还可促进土壤大团聚体的形成和提升微团聚体中的碳稳定性, 从而增强土壤肥力。

3 影响有机物料腐解的物理化学和生物机制

有机物料施入土壤后, 经过物理、化学和生物的共同作用转化为土壤有机质是一个十分复杂的过程(图3)。当有机物料进入土壤后, 一部分碳通过矿化作用转化成CO直接释放到大气中, 另一部碳通过土壤生物参与的腐殖化作用以及土壤胶体的蓄留固定作用形成土壤有机质。

图3 农田生态系统中有机物料还田腐解转化为土壤有机质的概念图Fig.3 Conceptual model of the decomposition and transformation processes of organic materials incorporated into soil in cropland ecosystem

3.1 物理化学调控机制

土壤团聚体是土壤固碳的核心, 也是有机物料还田腐解过程中有机物质转化为土壤有机质后储存与稳定的重要场所。土壤团聚体对新形成的有机质的分级隔离保护作用以及小粒径团聚体胶结成大团聚体的物理保护作用是有机物料腐解转化为土壤有机质过程中一项重要的作用机制。在农田土壤研究中发现, 外源有机物料还田后, 优先在大粒径组分的土壤有机质中积聚, 随着腐解的进行, 有机物料的腐解程度增加, 逐渐转移到小粒径组分的土壤有机质中。土壤中游离态的颗粒有机质将有机物料和作物根系分泌物中有机酸配体与无机矿物形成的有机-无机复合体胶结形成新的大团聚体。土壤团聚体是微生物的栖息地和保护土壤有机质不被微生物分解的场所, 不同种类的微生物在土壤结构的形成和稳定方面共同发挥重要的作用。颗粒有机质将大量脂肪族碳和多糖碳等植物来源的活性碳组分吸附后再次被土壤团聚体包裹, 从而使团聚体内部的孔隙度下降, 氧气含量减少, 土壤微生物活性降低, 进而抑制微生物对土壤有机碳的分解, 增加有机碳的固持。颗粒有机质中烷基碳、羰基碳组分又是促进＞2 mm的团聚体形成过程中最为重要的有机碳组分。同时, 有机物料的输入还可以促进多糖类有机碳组分在土壤黏粒中积累, 促进大团聚体形成。有机物料中的多糖类有机物质向小粒径的土壤团聚体转移过程中, 矿质结合态有机碳组分增加, 促进土壤中持久性有机碳的形成与稳定。腐解过程中, 易腐解的纤维素和半纤维素含量随着腐解时间增加而减少, 难分解的复杂化合物不断积累。输入土壤的有机物料中自身难降解的组分又通过一系列的生物化学过程形成结构和形态更为复杂的化学抗性化合物。腐殖质或木质素、多酚等具有芳香环结构和烷基结构的碳是在有机质矿化和腐殖化过程中形成的复杂复合物质, 对土壤中微生物的降解和酶的分解具有高度抗性, 可稳定地存在于土壤中, 增加土壤有机碳的固存。

3.2 生物学调控机制

有机物料还田后, 土壤中蚯蚓、螨类、线虫等活跃的土壤动物首先取食输入的有机物料, 经过体内消化分解后排出体外。排出体外的有机物料残体经过动物的啮食粉碎和肠道微生物的分解后结构组织分散, 比表面积增大; 而且动物的排泄物中富含大量营养元素, 粘附在排泄物上的物料残体碳氮比会有所降低, 促进有机物料的进一步分解。此外,土壤动物的粪便具有围食膜成分和致密紧凑的外层,可以与土壤中的矿物颗粒发生团聚化作用, 参与有机-无机矿物复合团粒的形成过程。不同大小的土壤动物在转化过程中对有机质形成与转化的调控途径也有所区别。大型土壤动物(体长＞2 mm)和中型土壤动物(体长为0.1～2 mm)将输入土壤中的有机物料通过挖掘、搬运等活动快速破碎, 促进微生物活性增强, 扰动土壤颗粒结构分布, 使土壤通气透水性提高, 有利于施入的有机物质和微生物群落在土壤中均匀分布, 从而促进有机物料腐解转化过程中的腐殖化作用; 而小型土壤动物(体长＜0.1 mm)主要通过调节真菌和细菌群落结构和数量, 并通过与微生物群落的相互作用和动物体的排泄物影响土壤团聚化过程, 进而调控有机物料在土壤中的腐解与转化为土壤有机质的动态平衡过程。

多数研究表明外源有机物料施入土壤后, 一方面, 它会引起微生物的强烈周转而触发正激发效应,有效促进供给土壤微生物的生长和代谢活动所需的养分含量增加, 使微生物对土壤中原有机碳的分解能力增强。在腐解初期, 有机物料中易被分解的一些化学结构和组成简单的碳源首先为土壤微生物的生长代谢提供初始能量, 刺激微生物体对参与降解有机物料中较为稳定组分的胞外酶的分泌, 在此过程中, 同时伴随着与有机物料的结构及组成相似的稳定性较高的土壤中原有的有机质被矿化而产生的激发效应, 引发土壤中原有有机碳的分解。另一方面, 微生物在有机物料腐解过程中, 特别是将有机物料中有机碳转化为土壤有机碳过程中发挥着重要作用。根据微生物对添加有机物料(底物)的适用性可分为r策略的微生物(如细菌)和K策略的微生物(如真菌)。在有机物料腐解的第一阶段, 细菌(变形杆菌、放线菌和酸杆菌)为主导的微生物群落, 主要介导物糖类和脂肪化合物等易分解的有机物质分解; 而到了后期, 则变为由真菌(子囊菌和担子菌)为主导的微生物群落, 主要降解木质素、纤维素等其他难分解的物质。现有研究还发现, 异养固氮微生物和反硝化微生物也是可以同化有机物料中有机质的微生物类群, 表明土壤中有些微生物除了在转化有机物料中有机质的过程中发挥作用外, 同时还参与了有机物料中氮素向土壤中转化的过程,从而影响土壤氮素水平(以有效氮为主)的变化, 而这种变化又将会进一步调控有机物料中有机质的转化。此外, 微生物代谢的部分产物(如主要来源于真菌的黑色素类物质)属于难降解的有机化合物, 还会在土壤中积累, 转化为土壤中稳定碳库的一部分;而完成分解有机物料后的微生物死亡残体同样也会通过微生物的同化作用在土壤中持续积累, 转化为一系列的微生物残留物类的有机物质并稳定在土壤中, 转化为土壤碳库的重要组分, 增加土壤有机碳的固持。

4 结语与展望

综上所述, 有机物料还田是改善土壤结构, 提高土壤质量, 培肥地力的一项长期而有效的措施, 也是增加农业废弃物利用率、实现农业生态系统良性循环和农业可持续发展的重要途径。目前已对有机物料还田腐解过程和土壤培肥效果展开了较为全面的研究, 但还存在少许不足, 建议今后在以下4个方面开展更加细致深入的研究:

1)有机物料的腐解是一个长期过程, 有机物料中的有机物质向土壤有机质的转化是一个漫长的转移转化过程, 而目前现有的研究多数是短期的腐解试验, 以作物的生长季有机物料还田腐解的研究偏多, 然而在作物非生长季, 如季节性冻土区, 即使有机物料的质量变化微小, 组分以及物理化学结构也会发生巨大变化, 有机物料中有机物质向土壤中转化的过程仍在不断进行, 因此要开展对有机物料还田腐解全过程的长期定位试验研究。

2)有机物料的腐解过程受到地域气候因素和土壤类型的影响, 因此有机物料还田腐解的措施方案要因地制宜, 目前大多数研究多集中于单一田块尺度或不同有机物料腐解特征及其培肥效果, 要开展跨区域尺度的多点有机物料还田腐解的联网试验研究, 可为筛选和优化因地制宜、科学合理的有机物料还田培肥技术提供重要的数据参数和实践指导。

3)目前对有机物料还田腐解特征特别是腐解产物化学结构的研究技术方法过于单一, 要开展对有机物料腐解过程中的腐解产物的表官特征、物理结构和化学结构的动态变化进行综合研究。结合扫描电镜技术、光谱学分析技术、热解技术以及色谱质谱等多种技术手段对有机物料的物理化学结构变化进行更加深入、全面、精准的表征。

4)不同种类有机物料的腐解特性和腐解过程中各组分动态变化不同, 有机物料又可分为活性有机物料和惰性有机物料, 活性有机物料腐解快, 而惰性有机物料的腐解缓慢。活性有机物料可促进惰性有机物料的分解, 两者按照一定的比例配合施用, 既可加速惰性有机物料的活化, 还可抑制活性有机物料的快速释放, 使其长期持续地培肥土壤。因此, 在今后的研究中要开展活性、惰性有机物料的最优配比的探索, 以更好地培肥土壤, 促进农业生态系统可持续发展。