朱鴻杰, 閆曉明, 何成芳, 洪玲, 譚外球

安徽省農(nóng)科院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，安徽 合肥 230031

陸地作為三大碳庫中的第二大碳庫，其固碳能力和固定轉(zhuǎn)化的規(guī)律，對全球范圍內(nèi)的碳源、碳匯都有巨大的影響（潘根興，2003；黃昌勇，2000)。但是，對于目前的陸地碳庫容量的估算，存在著相當(dāng)大的不確定性（Aase和Kristian，1986）。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分、全球碳庫最活躍的部分，其變化不僅影響到土壤肥力和土地生產(chǎn)力，還會影響到CO2排放。農(nóng)作物秸稈的利用方式直接關(guān)系到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫的變化。在通常的自然植被條件下，土壤中的有機(jī)物質(zhì)絕大部分直接來源于其植物凋落物和根系分泌物（Chong等，1993）。而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，部分碳以農(nóng)產(chǎn)品和作物秸稈的形式向系統(tǒng)外輸出。這些輸出的碳流向與流量，是農(nóng)田系統(tǒng)碳循環(huán)研究不可忽略的一部分。秸稈還田減少了系統(tǒng)碳的輸出，秸稈中的碳返回土壤，礦化分解，腐殖化，最終形成有機(jī)質(zhì)保留到土壤中，重新參與到農(nóng)田系統(tǒng)碳循環(huán)過程中。目前的研究表明，秸稈還田一定程度上增加土壤有機(jī)碳的含量，而相當(dāng)一部分碳以 CO2和 CH4的形式損失。盡管如此，秸稈還田仍被認(rèn)為是最具潛力的農(nóng)田固碳措施之一（Lu等，2009；Triberti等，2008）。因此，研究，秸稈還田利用對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳循環(huán)的影響，對估算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2的排放量，及弄清楚全球范圍下碳的平衡變化有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 秸稈還田條件下農(nóng)田系統(tǒng)碳循環(huán)

秸稈還田在不考慮人為活動干擾的情況下，應(yīng)該包含作物、土壤、大氣 3個(gè)子系統(tǒng)。作物子系統(tǒng)通過光合作用將大氣中的 CO2固定下來，轉(zhuǎn)化成有機(jī)物，同時(shí)釋放出O2。其中，部分有機(jī)物通過作物的莖稈被輸送到作物根部，進(jìn)而被分泌到土壤中。作物根系及根分泌物在土壤微生物作用下，發(fā)生碳的流通變化，有些固定在根系中，有些轉(zhuǎn)化成土壤碳物質(zhì)成分。Cotrufo等（Cotrufo和Gorissen，1997）利用14C追蹤法發(fā)現(xiàn)，被固定的14C中，90%貯存在植物中，10%轉(zhuǎn)移到土壤中。其中，7%以游離態(tài)存在于土壤中，另 3%存在于植物根際土壤中。同時(shí)，根系通過自養(yǎng)呼吸，釋放出CO2、CH4。作物收獲后的秸稈還田，秸稈碳進(jìn)入土壤系統(tǒng)，在微生物的作用下，參與到土壤系統(tǒng)的碳轉(zhuǎn)化、運(yùn)移過程。秸稈被土壤微生物礦化分解，分解后的一些中間產(chǎn)物與土壤物質(zhì)以及微生物代謝產(chǎn)物或者合成產(chǎn)物結(jié)合，形成新的有機(jī)質(zhì)，被固定到土壤中。同時(shí)，土壤原有有機(jī)碳在外源有機(jī)物進(jìn)入的情況下，部分礦化分解，并達(dá)到新的平衡點(diǎn)。土壤有機(jī)碳重新建立平衡點(diǎn)的過程中，秸稈的分解礦化、微生物呼吸代謝、土壤原有機(jī)碳的礦化，均會產(chǎn)生一定的 CO2、CH4等溫室氣體，進(jìn)入大氣系統(tǒng)。

由此可見，秸稈還田條件下，除了作物收獲物是系統(tǒng)碳輸出部分，農(nóng)田系統(tǒng) 3個(gè)子系統(tǒng)的碳物質(zhì)變化是一個(gè)吸收、固定、釋放，并且不斷發(fā)生物質(zhì)流通交換并達(dá)到新平衡的過程（如圖 1所示）。

2 秸稈還田后的土壤子系統(tǒng)碳的變化

土壤碳庫是陸地碳庫的重要組成部分，包括無機(jī)碳（INOC）與有機(jī)碳（SOC）兩大類。土壤無機(jī)碳主要以碳酸鹽形式穩(wěn)定存在，，很少參與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程，對碳循環(huán)的影響不大。土壤有機(jī)碳包括動植物及微生物遺體、排泄物、分泌物及部分分解產(chǎn)物和土壤腐殖質(zhì)，主要來源于原始植被殘留碳、農(nóng)作物殘?bào)w及人為施加的有機(jī)物料（Chong等，1993；趙成義，2004）。通常在研究土壤碳庫的變化過程中，主要考慮土壤有機(jī)碳（SOC）、土壤礦化碳、土壤微生物碳（MBC）的變化。因?yàn)?，土壤微生物生物量?全碳，作為土壤碳庫質(zhì)量的敏感指示因子可以推斷碳素有效性，土壤礦化碳與全碳的比值可以指示土壤有機(jī)碳活性，土壤活性碳與全碳的比值可以度量土壤有機(jī)碳氧化的活性（浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)，1976；Dalal和 Mayer，1986）。在一個(gè)長期穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)物質(zhì)輸入量與損失量處于一個(gè)動態(tài)的平衡狀態(tài)，一旦平衡遭到破壞，土壤碳庫就會向一個(gè)新的平衡態(tài)移動。

圖1 秸稈還田條件下農(nóng)田系統(tǒng)碳的運(yùn)移Fig.1 Returning Straw on Soil Carbon Circulation in Cropland Ecosystem

2.1 秸稈還田后土壤有機(jī)碳的變化

農(nóng)田土壤有機(jī)碳變化取決于土壤有機(jī)碳的輸入和輸出的相對關(guān)系，即有機(jī)物質(zhì)的分解礦化損失和腐殖化、團(tuán)聚作用累積的動態(tài)平衡與土壤物質(zhì)遷移淀積平衡的統(tǒng)一（方華軍等，2003）。秸稈進(jìn)入土壤后，在適宜條件下向礦化和腐殖化兩個(gè)方向進(jìn)行。礦化，就是秸稈在土壤微生物的作用下，由復(fù)雜成分變成簡單化合物，同時(shí)釋放出 CO2、CH4、N2O和能量的過程；腐殖化，是秸稈分解中間產(chǎn)物或者被微生物利用的形成代謝產(chǎn)物及合成產(chǎn)物，繼續(xù)在微生物的參與下重新組合形成腐殖質(zhì)的過程。秸稈在微生物分解作用下，其中一部分徹底礦化，最終生成CO2、H2O、NH3、H2S等無機(jī)化合物。一部分轉(zhuǎn)化為較簡單的有機(jī)化合物（多元酚）和含氮化合物（氨基酸、肽等），提供了形成腐殖質(zhì)的材料。少量殘余碳化的部分，屬于非腐殖物質(zhì)，由芳香度高的物質(zhì)構(gòu)成，多以聚合態(tài)與黏粒相結(jié)合而存在，且相互轉(zhuǎn)化。張夫道（張夫道，1994）在研究秸稈的降解規(guī)律時(shí)，認(rèn)為秸稈降解首先形成非結(jié)構(gòu)物質(zhì)，主要是較高比例的纖維素、木質(zhì)素、脂肪、蠟質(zhì)等難于降解的有機(jī)物，其中大部分轉(zhuǎn)化為富里酸（FA），進(jìn)而轉(zhuǎn)化為胡敏酸（HA）。分解產(chǎn)物對土壤原有腐殖質(zhì)進(jìn)行更新，從腐殖質(zhì)表面官能團(tuán)或分子斷片開始，逐步進(jìn)行。非結(jié)構(gòu)物質(zhì)可與腐殖酸的單個(gè)分子產(chǎn)生交聯(lián)作用，在一定條件下，交聯(lián)的復(fù)合分子可進(jìn)入腐殖質(zhì)分子核心的結(jié)構(gòu)中。

就秸稈還田的效果來看，目前多數(shù)研究均傾向于秸稈還田能夠提高土壤有機(jī)碳的含量，特別是秸稈和有機(jī)肥配合，效果更顯著。蔡祖聰?shù)妊芯拷Y(jié)果表明，秸稈的效果優(yōu)于廄肥，廄肥的效果又優(yōu)于堆肥，而綠肥的效果最差（尹云鋒等，2005）。田慎重等（田慎重等，2010）、宋明偉等（宋明偉等，2008）、陳尚洪等（Chen等，2008）、Joseph 等（Joseph等，1999）的研究結(jié)果均表明秸稈還田對土壤有機(jī)碳含量的增加有重要作用，秸稈還田有利于增加土壤有機(jī)碳的含量。王成己統(tǒng)計(jì)了中國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)長期試驗(yàn)資料（1979-2008年），分析表明在長期保護(hù)性耕作下，農(nóng)田表土有機(jī)碳含量總體呈上升趨勢，水田下增長高于旱地，秸稈還田更有利于促進(jìn)表土有機(jī)碳的積累（王成己等，2009）。結(jié)合秸稈還田的綜合保護(hù)性耕作措施可以使水田和旱地的有效固碳期限分別持續(xù)27 a和23 a，水田在保持較高固碳速率的同時(shí)，延長了有效固碳年限。對有機(jī)碳的分組研究，有助于進(jìn)一步了解秸稈還田后對土壤有機(jī)碳的影響。根據(jù)有機(jī)碳在土壤中分解的難易程度，將有機(jī)碳分為活性有機(jī)碳、緩性有機(jī)碳、惰性有機(jī)碳；根據(jù)測定方法不同有機(jī)碳分為易氧化有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、微生物量碳；以物理分組可將土壤有機(jī)碳分為輕組、重組、顆粒有機(jī)碳（Yan等，2007）。一般認(rèn)為土壤微生物量碳、顆粒有機(jī)質(zhì)、易氧化碳、易礦化碳、可提取態(tài)碳和其它碳水化合物屬于活性有機(jī)碳范疇，是土壤質(zhì)量變化的早期指示劑。目前的研究表明秸稈還田除了能夠提高顆粒有機(jī)碳、氮的含量，還可以提高微生物量碳、鹽溶性、水溶性有機(jī)碳的含量，但是不同秸稈還田模式效果存在差異。有研究者（周萍等，2009）應(yīng)用魔角自旋交叉極化碳 13-核磁共振（CPMAS-13C-NMR）和熱裂解（四甲基氰化鈉）-氣相/質(zhì)譜（Pyr-TMAH-GC/MS）技術(shù)進(jìn)行有機(jī)質(zhì)組份的化學(xué)成分分析，認(rèn)為水稻、油菜等的殘?jiān)徒斩挼妮斎胗兄陬w粒有機(jī)碳（POC）的積累。

秸稈還田后打破了土壤系統(tǒng)原有的平衡，在土壤微生物的作用下分解，并與土壤的物質(zhì)結(jié)合形成新的有機(jī)質(zhì)，可以稱為新碳。新碳在進(jìn)入土壤后對土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)、穩(wěn)定和積累會產(chǎn)生怎樣的影響目前還沒有太多的研究。但從國外學(xué)者提出的土壤有機(jī)碳固定的幾種機(jī)制（化學(xué)穩(wěn)定機(jī)制、土壤團(tuán)聚體物理保護(hù)機(jī)制、生物學(xué)機(jī)制），不難看出秸稈還田類型、數(shù)量、方式等差異的必然對土壤的礦物質(zhì)、團(tuán)聚體、微生物產(chǎn)生沖擊，影響原有土壤有機(jī)碳庫系統(tǒng)平衡。秸稈還田提高了土壤有機(jī)碳的含量，則必然使不同組分的有機(jī)碳含量提高，并且維持在一定水平。

2.2 秸稈還田后土壤礦化碳的變化

土壤有機(jī)碳由于土壤背景值較高，對氣候、土地管理措施和利用方式等反應(yīng)不靈敏，常表現(xiàn)一定的滯后性，短期內(nèi)很難檢測到其微小變化，因此需要通過一些更敏感的指標(biāo)來測定。土壤礦化碳累積量從一定程度上反應(yīng)了土壤有機(jī)碳的活性，土壤中潛在性的可礦化碳的敏感性往往大于土壤有機(jī)碳。

目前的研究均表明，秸稈還田能夠提高土壤有機(jī)碳的含量，并提高有機(jī)碳的礦化速率，結(jié)合施肥效果更明顯。自然條件下土壤有機(jī)碳的礦化主要由微生物來完成，微生物對有機(jī)碳正常分解的C/N 約為25，C/N 過高或過低的有機(jī)碳分解礦化都比較困難。如果C/N 過高，微生物的分解作用就慢，而且要消耗土壤中的有效態(tài)氮素，發(fā)生“爭氮現(xiàn)象”。因此，秸稈還田時(shí)，需要增施氮肥（柳敏等，2007）。一般來講，礦化的土壤活性有機(jī)碳主要來自于新鮮凋落物的分解、根系分泌物以及土壤腐殖質(zhì)，這也說明秸稈還田能夠提高土壤礦化碳的含量。當(dāng)然，秸稈還田時(shí)，秸稈分解礦化，部分最終轉(zhuǎn)化成有機(jī)碳，但同時(shí)也影響土壤原有有機(jī)碳的礦化。因?yàn)?，溫度、土層、含水量等因素影響微生物的活動，這些條件的變化對土壤有機(jī)碳的礦化也會產(chǎn)生影響。張鵬等（張鵬等，2011）發(fā)現(xiàn)土壤碳礦化速率和累積礦化量在0～60 cm各土層內(nèi)隨著秸稈還田量的增加而增加。Fugen等（Dou等，2008；Zhao等，2008；陳濤等，2008）的研究表明，土壤碳礦化速率與土壤中生物活性較高、穩(wěn)定性較差、易礦化的那部分活性有機(jī)碳密切相關(guān)，且土壤溫度和土層對有機(jī)碳礦化影響較大（艾麗等， 2007）。國內(nèi)外對土壤含水量與土壤有機(jī)碳(SOC) 礦化之間的關(guān)系開展了大量研究。一般認(rèn)為，淹水條件下有機(jī)殘?bào)w和土壤原有有機(jī)碳的礦化速率低于好氣條件，且多數(shù)研究結(jié)果表明淹水抑制稻田 SOC的礦化（Devevre和Horwath，2000；郝瑞軍等，2006；張薇等，2007）。然而，一些采用14C示蹤研究結(jié)果表明（江曉東等，2010；朱培立等，1994），淹水狀態(tài)下添加秸稈還田的礦化量高于好氣狀態(tài)，并且在一定含水量范圍內(nèi)（30%～105% WHC）與含水量呈線性正相關(guān)關(guān)系。

如前所述，秸稈還田對提高土壤有機(jī)碳含量和礦化具有明顯作用，但是，秸稈還田和土壤原有有機(jī)碳礦化之間的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

2.3 秸稈還田后土壤微生物碳的變化

土壤微生物碳是土壤有機(jī)碳最活躍的部分，有研究者認(rèn)為可以利用土壤微生物多樣性、微生物碳和氮等土壤微生物參數(shù)來估算土壤的健康和質(zhì)量。土壤絕大部分物質(zhì)都處于穩(wěn)定或者半穩(wěn)定狀態(tài)，雖然微生物量碳只占土壤碳的極少部分，但是微生物通過礦化分解有機(jī)物和自身同化無機(jī)物，在土壤物質(zhì)循環(huán)中起著關(guān)鍵作用。目前，施用有機(jī)物可以提高土壤微生物的數(shù)量，已經(jīng)被多數(shù)研究證實(shí)了。但是，秸稈還田對微生物的多樣性和活性的影響尚存爭議。

影響土壤微生物量的因素很多：土壤類型、人為活動、施肥措施、土地利用方式、不同溫度與濕度環(huán)境的影響等（趙勇等，2005；俞慎等，1999）。土壤含水量對微生物量的影響最為重要，0.01～0.05 MPa 接近微生物的最佳濕度。土壤干濕交替作用能造成土壤微生物的大批死亡和更新。土壤pH 值也能明顯影響土壤微生物量，強(qiáng)酸強(qiáng)堿性及鹽堿土的微生物量較低。低溫(小于6 ℃)或高溫(大于35 ℃)時(shí)，都會對土壤微生物量產(chǎn)生很大影響。通常土壤環(huán)境的改變會對微生物產(chǎn)生兩種結(jié)果：一、不適應(yīng)的微生物數(shù)量減少甚至滅絕；二、適應(yīng)環(huán)境的微生物大量繁殖和積累。秸稈還田改變了土壤原有環(huán)境，秸稈的輸入為土壤微生物提供了能量和養(yǎng)分。但是王志明等通過14C示蹤技術(shù)認(rèn)為土壤原有C仍然是微生物養(yǎng)分和能量的主要來源，秸稈還田加快了土壤微生物碳的周轉(zhuǎn)速度，而微生物量碳周轉(zhuǎn)速度的加快，又會加速土壤原有碳和秸稈碳的分解（王志明等，2003）。一般認(rèn)為（張逸飛等，2006）秸稈還田的土壤微生物群落的種類和優(yōu)勢比不還田要高，秸稈還田在一定程度上，增加土壤微生物的多樣性和活性。但是，羅希茜等對紅壤長期定位試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，秸稈還田紅壤微生物利用碳源能力低下（羅希茜等，2009）。另有研究指出，腐熟的秸稈有利于維持土壤微生物的多樣性及活性（朱海平等，2003）。

秸稈可以為土壤微生物活動提供碳源的事實(shí)毋庸置疑，但是能否提高微生物群落的物種豐富度、優(yōu)勢度仍存在爭議?？赡芙斩掃€田的初期會降低了微生物利用碳源的能力以及群落物種的均勻度，造成土壤碳、氮利用下降，但是長期的效應(yīng)會增加土壤微生物的多樣性和活性。

3 秸稈還田后作物子系統(tǒng)碳的變化

作物是農(nóng)田系統(tǒng)中土壤與大氣之間碳循環(huán)的連接部分。作物通過光合作用進(jìn)行碳同化，光合碳經(jīng)韌皮部運(yùn)輸分配到地下部用于根系生長（Dakora和 Phillips，2002），同時(shí)以根系沉積物（根系脫落物和根系分泌物）形式向根際土壤環(huán)境中輸入碳，并為根際微生物所利用成為微生物量碳中的一部分，或以有機(jī)質(zhì)形式藏于土壤庫中。另外，植物同化的碳還有一部分通過植物自身呼吸及根際微生物呼吸返回到大氣中。每年約有10%大氣CO2通過植被流向土壤（Raich和Potter，1995）。

3.1 秸稈還田對作物地上部碳同化的影響

作物主要通過C3、C4光合途徑，進(jìn)行碳固定。目前的研究表明（Gregory和 Atwell，1991； LU等，2002），作物在不同生育期對光合碳的地上和地下部的分配差異很大，同時(shí)也受到氣候條件、農(nóng)藝措施及微生物的強(qiáng)烈影響。秸稈還田對增加作物產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分的長期效應(yīng)已經(jīng)得到普遍的認(rèn)同，但與作物光合碳的相關(guān)性的研究很少。

少量文獻(xiàn)研究顯示，秸稈還田對作物光合作用的影響，表現(xiàn)為正效應(yīng)。趙霞等（趙霞，2008）在研究不同麥茬處理方式下對玉米的光合作用的影響時(shí)認(rèn)為，秸稈還田有利于提高群體葉面積指數(shù)、群體凈光合速率。因?yàn)樽魑锕夂掀鞴偈芩钟绊戄^大，作物缺水會導(dǎo)致葉片氣孔度導(dǎo)度下降，甚至致使光合機(jī)構(gòu)受損，減弱光合作用。而秸稈還田后，改變了土壤理化性狀，增加了土壤肥力，降低葉面蒸騰速率，提高水分利用率。通常認(rèn)為C、N循環(huán)緊密相關(guān)，N素作為作物的最大需求養(yǎng)分，影響光合作用的潛力極大，Hu等的研究表明（Hu等，2001），N素對碳的固定有限制作用。但是，C、N配施卻有利于作物碳同化。潘根興等（潘根興等，2006）比較了單施化肥、化肥配施有機(jī)肥、化肥配施秸稈對水稻碳同化和產(chǎn)量的平均效應(yīng)，結(jié)果顯示化肥配施秸稈對提高水稻碳同化和產(chǎn)量的作用要高于其它措施，單施化肥同化和產(chǎn)量最低。

就目前的研究而言，秸稈還田對作物光合作用影響研究十分有限，多停留在對作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)研究。秸稈還田后是否對作物的生理生化性狀、礦質(zhì)元素、葉綠體、線粒體等產(chǎn)生影響還不清楚。

3.2 秸稈還田對作物根際碳的影響

根系在作物的生長中起到重要的作用，它不但可以固定作物，提供營養(yǎng)和水分，其中根系分泌物還具有調(diào)節(jié)作物生長的功能。作物通過根系、土壤、微生物及其環(huán)境因子間能流、物流和信息流的相互作用、相互制約而形成了一個(gè)具有高度組織性的復(fù)雜整體——根際微生態(tài)系統(tǒng)。

Jones D.L.指出（Jones等，2009），根系碳通過6種途徑進(jìn)入土壤，造成植物根系的C損失：根冠和邊緣細(xì)胞的損失；根細(xì)胞的自溶和死亡；根系有機(jī)共生體的碳流通；氣體損失；根系分泌物；根細(xì)胞的不溶性聚合分泌物。 Gregory P. J. 和Atwell B. J.對植物根際碳進(jìn)行了估算[40]，禾谷類作物向地下部轉(zhuǎn)運(yùn)20%～30%的光合碳，其中1/2在根系中，1/3 為根系和微生物呼吸所消耗，其余的碳被轉(zhuǎn)化為土壤微生物量碳和有機(jī)質(zhì)。Jones等（Jones和Darrah，1996）提出根系分泌物的C補(bǔ)償機(jī)制假說，認(rèn)為植物通過分泌物從土壤中獲得C補(bǔ)償，彌補(bǔ)自身的C損失。分泌物不僅能夠提高C的利用效率，還避免根際的 C沉積，減少土壤微生物種群的生長。因此降低了微生物與根系爭奪養(yǎng)分的效應(yīng)，減少了病原有機(jī)物的繁殖，最大程度的降低了病原微生物的趨化程度。而秸稈還田后與作物會發(fā)生短期的“爭氮”效應(yīng)，增加微生物的數(shù)量和生物量（劉定輝等，2011），與根系本身的C補(bǔ)償機(jī)制相反。但目前，秸稈還田對作物根系和根際碳的影響還不太清楚。國內(nèi)有報(bào)道顯示（戰(zhàn)秀梅等，2012），秸稈還田后當(dāng)季春玉米產(chǎn)量總體呈下降趨勢，最大根長及生育后期深層根系根長顯著提高，但秸稈還田對花后氮素吸收、氮素及干物質(zhì)轉(zhuǎn)移有抑制作用，并且對開花后根系活力的保持不利，采取適當(dāng)?shù)纳罡胧?，可以緩解秸稈還田對當(dāng)季玉米產(chǎn)量的不利影響。

植物根際微環(huán)境的研究在近幾年受到高度的關(guān)注，根際C、N流通變化和一些根際循環(huán)的假說為根際碳循環(huán)研究提供了一定的研究基礎(chǔ)。秸稈還田對根際微環(huán)境的影響研究很少，從目前的研究還很難看出秸稈還田后根際碳的變化流通情況。

4 秸稈還田后大氣子系統(tǒng)碳的變化

CO2和CH4是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)重要組成部分。農(nóng)田系統(tǒng)的碳排放主要是由土壤呼吸和植物呼吸作用產(chǎn)生。其中，土壤呼吸包括植物根系呼吸、土壤微生物呼吸、土壤動物呼吸，以及含碳物質(zhì)的化學(xué)氧化作用。植物呼吸是指植物地上部分的呼吸作用。國外有研究結(jié)果表明，秸稈覆蓋 10年后大約有33%左右C被固定下來，但是2/3左右的秸稈碳都沒有轉(zhuǎn)化成土壤有機(jī)碳，大部分以CO2和CH4的形式損失（Humberto和Lal，2007）。

4.1 秸稈還田CO2的變化

農(nóng)田系統(tǒng)的CO2排放主要來源于植物和土壤呼吸，作物生長期內(nèi)光合作用吸收的CO2大于呼吸作用。早在1974年 Shouichi Yoshida等（Yoshida，974）就指出CO2是作物光合作用重要影響因素，其中，土壤排放到大氣中的CO2占了很重要的一部分，淹水條件下的土壤排放的CO2對植物凈光合作用的貢獻(xiàn)占到6%，排干條件下占到7%，植物根系吸收的CO2可以忽略不計(jì)。可見作物生長季的農(nóng)田系統(tǒng)具有一定的“碳匯”功能。秸稈還田后向原土壤中輸入了有機(jī)物料，必然對土壤呼吸產(chǎn)生重要影響。

土壤呼吸，一部分來自微生物對有機(jī)質(zhì)的分解，即異養(yǎng)呼吸作用（RH），一部分源于根系的呼吸，即自養(yǎng)呼吸作用（RA）。前者與微生物的數(shù)量和生物量有關(guān)，秸稈還田可以增加土壤微生物的數(shù)量和活性，因此，秸稈還田理論上會增強(qiáng)土壤的呼吸作用。目前的研究（馬靜，2008）也證實(shí)這種觀點(diǎn)，旱地耕作環(huán)境中秸稈還田能夠促進(jìn)土壤呼吸作用，增加CO2的排放。但是耕作條件的改變會影響這種效應(yīng)，合理配施N肥可以降低土壤CO2的排放；淹水條件下，秸稈還田使土壤有機(jī)碳礦化受到了明顯抑制，增加氮肥可以減少有機(jī)酸的積累，促進(jìn)CH4排放，但對CO2沒有明顯影響。然而，秸稈還田對根系呼吸的影響卻少見報(bào)道。此外，秸稈直接還田和焚燒后還田，對溫室氣體的排放影響差異很大。Hamman等認(rèn)為，秸稈焚燒減少了有機(jī)質(zhì)的返還土壤，主要是降低了有機(jī)碳和土壤微生物所需的碳源（Hamman等，2007；Montoya-González等，2009）。但是目前，仍然沒秸稈直接還田和焚燒后還田農(nóng)田系統(tǒng)CO2排放差異的具體數(shù)據(jù)。

目前秸稈還田下農(nóng)田措施通常配合機(jī)械操作，因此，還需要考慮使用農(nóng)業(yè)機(jī)械過程產(chǎn)生的CO2排放。盡管需綜合考慮的因素很多，研究者仍認(rèn)為秸稈還田是有效的農(nóng)田固碳手段，可以減少CO2排放。

4.2 秸稈還田CH4的變化

農(nóng)田系統(tǒng)碳循環(huán)過程，CH4盡管所占比例很少，卻是重要的溫室氣體。從100 a的時(shí)間尺度上來看，CH4的增溫潛勢是等質(zhì)量CO2的25倍。

國內(nèi)外的研究均表明，淹水土壤抑制CO2產(chǎn)生，增加CH4排放，但排水良好的草地、森林等土壤卻可以氧化大氣CH4。有研究提出，土壤中存在氧化微域，具有氧化土壤生成的CH4和減少CH4排放量的功能。稻田土壤生成的CH4平均有80% 被根際和水土界面的氧化區(qū)域所氧化，僅有 20% 排放到大氣中（蔡祖聰，1997）。因此，秸稈還田措施對CH4排放的影響也主要集中在稻田種植環(huán)境下。逯飛等（逯非等，2009）通過研究估算全國尺度上的秸稈還田稻田氣體排放。秸稈還田通過稻田土壤固碳，雖然減少CO2的排放，但增加了CH4的排放，兩者相互抵消，從而降低了秸稈還田在農(nóng)田系統(tǒng)中的固碳減排效果。Inubushi等在利用FACE平臺研究日本稻田CH4排放時(shí)提出，當(dāng)大氣CO2濃度升高到550 μmol·mol-1時(shí)，水稻揚(yáng)花期土壤產(chǎn)甲烷潛勢明顯高于周邊田塊，1999年CH4排放增加了38%，2000年增加了 51%（Inubushi等，2003）。國內(nèi)研究也提出了相似的結(jié)論，CO2濃度的提高會促進(jìn)甲烷的排放（韓琳等，2006）。而 Devevre（Devevre和 Horwath，2000）研究認(rèn)為在淹水條件下秸稈還田有減少碳的礦化和增加甲烷的釋放的趨勢，但隨著溫度的增加，CH4的釋放可以忽略不計(jì)。有研究者提出秸稈還田方式也會對CH4排放產(chǎn)生影響。馬靜等提出秸稈粉碎后條帶狀覆蓋在田間可以減少CH4的排放（Ma等，2008）。

從眾多的研究文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，無論是水稻生長季還是非生長季，減少淹水時(shí)間，都能夠很大程度上減少CH4排放量。秸稈還田對CH4的減排也表現(xiàn)出一定的正效應(yīng)，但是似乎水分管理才是減少CH4排放的 最有效措施。

5 總結(jié)

關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究，國內(nèi)外科學(xué)家開展了大量的研究工作。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，受到人為因素的干擾，增加了諸多的不確定因素，因此農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中碳的循環(huán)演化過程顯得較為復(fù)雜。秸稈還田利用作為一種有效的農(nóng)田固碳措施，受到越來越多學(xué)者的關(guān)注，但是目前仍有諸多問題有待進(jìn)一步探討。

（1）秸稈還田后土壤有機(jī)碳流通變化機(jī)理仍將是土壤固碳機(jī)理的核心問題。隨著研究的不斷深入，秸稈還田對有機(jī)碳的影響研究不能僅僅停留在量的變化上，還田后對土壤有機(jī)碳的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特征變化的研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。通過在物理分組的基礎(chǔ)上進(jìn)行化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)研究，了解秸稈還田下有機(jī)碳穩(wěn)定性的機(jī)制。

（2）根系-土壤-微生物構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的根際生態(tài)微環(huán)境。根系是連接土壤和作物的橋梁，根際微環(huán)境的研究近年來已成為熱點(diǎn)問題，但是秸稈還田對根際環(huán)境的改變以及產(chǎn)生的影響鮮見報(bào)道。研究秸稈還田對根際的影響，有助于了解土壤的固碳減排潛力。

（3）在秸稈還田模式下，農(nóng)田系統(tǒng)的碳排放還應(yīng)該包括使用農(nóng)業(yè)機(jī)械操作時(shí)化石燃料消耗所產(chǎn)生的CO2氣體。這部分?jǐn)?shù)據(jù)有待監(jiān)測和收集，為準(zhǔn)確測算農(nóng)田系統(tǒng)碳排放提供確實(shí)數(shù)據(jù)。

（4）研究秸稈還田的碳循環(huán)流動，目的是減少溫室氣體的排放，而溫室氣體減排有多種措施可供選擇，秸稈還田僅僅是減排的一種措施。這種減排措施的減排潛力、適宜應(yīng)用的區(qū)域、可能的協(xié)同作用和一些限制及不利因素還沒有得到確切的評估。此外，秸稈還田的實(shí)施還要考慮社會和經(jīng)濟(jì)層面上的因素。

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