董祥洲，陳亞奎，任立偉，黃魏魏，朱啟法

(1.安徽皖南煙葉有限責(zé)任公司，安徽 宣城 242000；2.清華大學(xué) 化學(xué)工程系，北京 100084)

秸稈被認(rèn)為是繼石油、煤炭、天然氣之后的第四大能源[1]，也是其中唯一的可再生資源，但秸稈本質(zhì)上為低品質(zhì)能源，其作為工業(yè)原料應(yīng)用的比例十分有限[2]。我國(guó)主要農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生量9.84億t，可收集量達(dá)到8.24億t，占全球秸稈總產(chǎn)量的20%左右[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年年產(chǎn)秸稈飼料化、能源化比例分別為17.99%、11.79%，秸稈肥料化占據(jù)47.2%，相比2002年秸稈利用率有所提升，但秸稈還田比例依舊較低[4]。英國(guó)秸稈還田量占年生產(chǎn)量的73%，美國(guó)秸稈還田的比例則一直保持在68%左右，并且美國(guó)農(nóng)業(yè)部明確指出秸稈還田對(duì)土壤肥力具有十分重要的作用[5]。隨著我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的快速轉(zhuǎn)變以及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的不斷發(fā)展，農(nóng)村生活用能、牲畜飼料的結(jié)構(gòu)已發(fā)生了根本性的改變，秸稈資源大量過(guò)剩的問(wèn)題困擾著我國(guó)各大農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)，并引發(fā)了全社會(huì)關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題。我國(guó)政府也已將秸稈還田視為秸稈資源利用的主要手段，農(nóng)業(yè)部“東北地區(qū)秸稈處理行動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)交流暨成果展示會(huì)”提出力爭(zhēng)到2030年，在全國(guó)建立完善的秸稈還田、收集、儲(chǔ)存和運(yùn)輸體系，形成布局合理、多元利用的秸稈綜合利用產(chǎn)業(yè)化格局，基本實(shí)現(xiàn)全量利用。

秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，同時(shí)含少量的蛋白質(zhì)、糖類和酯類等有機(jī)物以及氮、磷和鉀等多種營(yíng)養(yǎng)元素[6]。秸稈還田就是將秸稈直接或經(jīng)過(guò)處理后，返還至耕地土壤。微生物轉(zhuǎn)化是處理秸稈的重要手段。秸稈直接還田更是需要在土壤微生物的作用下，才能將秸稈轉(zhuǎn)化為土壤腐殖質(zhì)，釋放并利用秸稈所含營(yíng)養(yǎng)元素。因此，秸稈還田與微生物轉(zhuǎn)化息息相關(guān)。本文中，筆者首先對(duì)幾種主要秸稈還田方式中的微生物轉(zhuǎn)化過(guò)程分別進(jìn)行闡述，并從微生物轉(zhuǎn)化的實(shí)現(xiàn)難易程度和秸稈利用率等角度，分析這幾種秸稈還田方式應(yīng)用于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的優(yōu)劣。

1 常見(jiàn)的秸稈還田方式

1.1 焚燒還田方式

焚燒還田是最古老和最簡(jiǎn)單的秸稈處理方式。秸稈在田間直接焚燒，幾乎所有的有機(jī)物都被轉(zhuǎn)化為氣體氧化物排放至大氣，僅有鉀等少量的金屬元素存在于灰燼中，被當(dāng)作肥料使用。焚燒還田方式，不僅秸稈的利用率較低，更嚴(yán)重的是易造成水土流失、土壤有機(jī)質(zhì)消耗、空氣污染等問(wèn)題[7]。Rossi等[8]和Ventrella等[9]研究表明，一次秸稈焚燒使土壤水分損失65%～80%，土壤有機(jī)質(zhì)含量下降0.2%～0.3%，而這些有機(jī)質(zhì)如果通過(guò)秸稈直接還田的方式補(bǔ)回，一般需要5～10年。表面上秸稈焚燒還田與微生物轉(zhuǎn)化沒(méi)有直接關(guān)系，但秸稈焚燒會(huì)導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)土壤耕作層的微生物數(shù)量迅速減少50%以上，嚴(yán)重破壞土壤微生態(tài)[10-11]。土壤中的微生物轉(zhuǎn)化不能正常進(jìn)行，還會(huì)導(dǎo)致土壤降解外源污染物的能力減弱、土壤病蟲害增加、土壤固氮能力下降。因此，秸稈焚燒還田劣勢(shì)明顯，已被我國(guó)在內(nèi)的多數(shù)國(guó)家禁止。

1.2 過(guò)腹還田方式

過(guò)腹還田是將秸稈作為牛、羊等大型反芻動(dòng)物的飼料，利用反芻動(dòng)物的消化功能，將秸稈轉(zhuǎn)化為糞便并經(jīng)過(guò)堆漚進(jìn)行還田[12]。反芻動(dòng)物消化秸稈需要由體內(nèi)的共生微生物協(xié)助完成。反芻動(dòng)物的腸道為共生微生物提供了適宜的生存環(huán)境，共生微生物則為反芻動(dòng)物提供了分解纖維多糖的能力，即共生微生物將秸稈中的纖維素和半纖維素分解后才能被反芻動(dòng)物消化吸收[13]。秸稈在反芻動(dòng)物的體內(nèi)進(jìn)行的微生物轉(zhuǎn)化是秸稈過(guò)腹還田的先決條件。

每毫升反芻動(dòng)物的胃液中大約含有1010個(gè)細(xì)菌、106個(gè)纖毛原生動(dòng)物和103～106個(gè)真菌[14]。目前對(duì)反芻動(dòng)物腸道內(nèi)共生微生物的研究主要集中于通過(guò)宏基因組和其他基因工程技術(shù)鑒定和分析共生微生物的群落結(jié)構(gòu)與功能[15-16]，鮮有分離反芻動(dòng)物的腸道微生物并在體外高效轉(zhuǎn)化秸稈或者其他植物木質(zhì)素、纖維素的文獻(xiàn)報(bào)道。筆者分析認(rèn)為可能有以下三點(diǎn)原因：①反芻動(dòng)物的共生微生物分解秸稈為厭氧過(guò)程，一方面厭氧微生物比好氧微生物更難馴化和培養(yǎng)，另一方面厭氧發(fā)酵比好氧發(fā)酵需要更長(zhǎng)的時(shí)間；②反芻動(dòng)物消化秸稈是一系列物理和生物化學(xué)活動(dòng)共同作用的結(jié)果，并且依賴腸道微生物菌群之間復(fù)雜而精密的協(xié)作，單純分離幾種或少數(shù)微生物進(jìn)行體外轉(zhuǎn)化很難達(dá)到相似的秸稈處理效果。③反芻動(dòng)物共生微生物的作用對(duì)象主要是秸稈的纖維素和半纖維素，需要反芻動(dòng)物的咀嚼打破秸稈木質(zhì)素對(duì)纖維素的包裹。秸稈機(jī)械粉碎同樣能夠起到類似的作用，且分解纖維素的微生物(包括厭氧菌和好氧菌)在土壤等自然環(huán)境中廣泛存在。

中國(guó)素有利用秸稈作為飼料養(yǎng)畜的傳統(tǒng)，但秸稈過(guò)腹還田似乎更適合傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)形式?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)則要求主要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)就近配套并形成相應(yīng)規(guī)模的養(yǎng)殖場(chǎng)以節(jié)約勞動(dòng)力和秸稈運(yùn)輸成本。反芻動(dòng)物主要利用秸稈中的纖維素等多糖，而小麥、水稻和玉米等主要作物秸稈的纖維素和半纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為35%～39%和15%～19%，一般認(rèn)為4 t秸稈的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值僅相當(dāng)于1 t糧食[17]。因此，秸稈過(guò)腹還田還需輔以青貯、氨化等秸稈預(yù)處理過(guò)程并補(bǔ)充其他營(yíng)養(yǎng)元素。過(guò)腹秸稈中的纖維素等多糖經(jīng)共生微生物的轉(zhuǎn)化被反芻動(dòng)物作為營(yíng)養(yǎng)消化吸收，秸稈木質(zhì)素和其他代謝產(chǎn)物一同形成糞便。反芻動(dòng)物的糞便需要經(jīng)歷堆漚等過(guò)程形成腐殖質(zhì)后才能夠還田。秸稈的青貯預(yù)處理和糞便的堆漚本質(zhì)上都是微生物轉(zhuǎn)化過(guò)程，但增加了秸稈還田的時(shí)間和占地成本。秸稈過(guò)腹還田也具有一定的局限性。

1.3 堆漚還田方式

堆漚還田是指將秸稈收集、粉碎后，調(diào)節(jié)碳氮比(C/N)和含水率，在一定溫度下異位堆漚處理，主要利用細(xì)菌、真菌和放線菌等微生物，將秸稈轉(zhuǎn)化為可溶性養(yǎng)分和腐殖質(zhì)等產(chǎn)物，并返還至耕地土壤[18]。堆漚的過(guò)程又稱堆肥，分為好氧堆肥和厭氧堆肥。厭氧堆肥所需的時(shí)間長(zhǎng)，且產(chǎn)生惡臭性氣體，不適合大規(guī)模應(yīng)用[19]。秸稈堆漚還田一般默認(rèn)為秸稈經(jīng)好氧微生物堆肥轉(zhuǎn)化后的還田。調(diào)節(jié)適宜的C/N((25～30)∶ 1)和含水率(50%～60%)是秸稈堆漚成功的關(guān)鍵，本質(zhì)上這都是為了給微生物轉(zhuǎn)化創(chuàng)造適宜的條件[20-21]。

秸稈的C/N一般大于50，秸稈堆漚過(guò)程必須補(bǔ)加氮元素[22]。蔬菜廢棄物和動(dòng)物糞便的氮含量相對(duì)較高(C/N<25)，將二者與秸稈混合堆漚，調(diào)節(jié)至適宜的C/N，既實(shí)現(xiàn)了廢棄物的綜合利用，又能夠豐富堆肥產(chǎn)物的營(yíng)養(yǎng)成份[23]。堆漚過(guò)程隨生物熱的釋放一般分為升溫期、高溫期和腐熟期3個(gè)階段。升溫期內(nèi)易降解的有機(jī)物如糖類、脂肪和蛋白質(zhì)等被微生物快速利用，大多數(shù)微生物都在此階段代謝活躍、數(shù)量劇增，同時(shí)釋放的生物熱使得堆體的溫度迅速升高。當(dāng)溫度達(dá)到50 ℃以上即進(jìn)入了高溫期。高溫期內(nèi)大多數(shù)微生物的生長(zhǎng)受到抑制，微生物的總數(shù)大幅減少，但嗜熱微生物開始迅速繁殖。嗜熱微生物繼續(xù)利用剩余的易降解有機(jī)物，并通過(guò)釋放生物熱維持堆體的高溫。同時(shí)，一部分難降解有機(jī)物如木質(zhì)素等也開始逐漸被微生物轉(zhuǎn)化形成腐殖質(zhì)。高溫還能夠殺滅蔬菜廢棄物或動(dòng)物糞便攜帶的致病菌和蟲卵，目前一般要求堆肥產(chǎn)物需55 ℃維持5～7 d或75 ℃維持2～3 d以上才能夠還田[24]。當(dāng)堆體內(nèi)的易降解有機(jī)物基本被利用完，堆體內(nèi)的微生物代謝速率減弱，堆體的溫度開始下降至30～40 ℃，并進(jìn)入腐熟期。經(jīng)溫度和碳源的雙重選擇，既能夠耐熱又能夠利用難降解有機(jī)物的微生物構(gòu)成了腐熟期的優(yōu)勢(shì)菌群。腐熟期相對(duì)升溫期和高溫期持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，秸稈的難降解有機(jī)物在腐熟期內(nèi)轉(zhuǎn)化形成腐殖質(zhì)。

細(xì)菌轉(zhuǎn)化秸稈的能力不如真菌，但真菌的耐熱性較差，當(dāng)溫度高于55 ℃時(shí)，真菌徹底停止生命活動(dòng)，處于死亡或休眠狀態(tài)[25]。放線菌數(shù)量和功能均介于細(xì)菌和真菌之間，其能夠相對(duì)容易地通過(guò)秸稈的半纖維素，在相當(dāng)?shù)囊?guī)模和程度上將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)[26]。尤其是耐熱放線菌，如單孢子菌、諾卡式菌和鏈霉菌等能夠在堆漚的升溫期、高溫期和腐熟期都起到轉(zhuǎn)化秸稈的作用，并形成腐熟期的優(yōu)勢(shì)菌群[27]。傳統(tǒng)的秸稈堆漚僅依賴堆體本身所含的微生物，但為了縮短秸稈堆漚時(shí)間(一般需要35～50 d)，部分研究嘗試接種具有秸稈降解功能的外源微生物(如白腐真菌和放線菌)[28]，并取得了一定成果。

從秸稈利用率的角度，堆漚過(guò)程將大部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，秸稈的氮、磷和鉀等元素幾乎全部被微生物轉(zhuǎn)化為生物可用態(tài)或被釋放出來(lái)，并保留在了堆漚產(chǎn)物中。然而，秸稈堆漚不僅時(shí)間較長(zhǎng)，占地面積較大，而且漚堆的建設(shè)和翻堆等維護(hù)操作還需要大量的人工或機(jī)械成本，在大規(guī)模的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中，秸稈堆漚還田同樣具有一定的局限性。

1.4 直接還田方式

秸稈直接還田是指秸稈收割、原位粉碎后，直接返還、翻壓至原耕地土壤，經(jīng)土壤微生物的轉(zhuǎn)化形成腐殖質(zhì)，氮、磷和鉀等元素直接釋放至土壤或貯藏于土壤微生物體內(nèi)，分別作為土壤的速效或緩釋營(yíng)養(yǎng)元素[29]。與上述3種間接秸稈還田方式相比，秸稈直接還田操作簡(jiǎn)單，成本更低，幾乎不占用額外空間，秸稈中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用也更為直接和高效。特別是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)械收割的同時(shí)將秸稈分割、打碎成2～5 cm的小段，再經(jīng)機(jī)械旋耕或翻耕即可返至原耕地土壤。秸稈直接還田已成為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)最主要的秸稈還田方式[30-31]。

秸稈直接還田不但可以增加土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，增加微生物的活性，節(jié)約農(nóng)時(shí)，還能降低秸稈焚燒引起的空氣污染。但是會(huì)引起土壤缺氮，依靠土壤本身微生物進(jìn)行腐化降解率較低，而且土壤中的蟲卵和帶菌體等一些病蟲害在秸稈直接粉碎過(guò)程中無(wú)法殺死，留在土壤中，病蟲害直接發(fā)生或越冬來(lái)年發(fā)生。目前，秸稈原位還田與化肥減量化成為目前研究的熱點(diǎn)之一。

1.5 秸稈還田處理方法比較分析

秸稈還田形式多樣，焚燒還田、過(guò)腹還田、堆漚還田和直接還田是常見(jiàn)的4種還田方式，對(duì)不同還田方式比較分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 秸稈還田方式及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

與歐美澳等地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家不同，我國(guó)人口數(shù)量眾多、耕地面積少，一年內(nèi)多季輪作的耕地面積超過(guò)耕地總面積的一半，加之化肥使用過(guò)量、土壤農(nóng)殘污染等問(wèn)題，導(dǎo)致產(chǎn)生的秸稈量已經(jīng)普遍大于土壤對(duì)還田秸稈的承受能力[32]。下文將重點(diǎn)論述微生物轉(zhuǎn)化在秸稈直接還田中發(fā)揮的作用，并分析提高還田秸稈微生物轉(zhuǎn)化效率的方法。

2 微生物轉(zhuǎn)化在秸稈直接還田中的作用

如前所述，秸稈直接還田經(jīng)微生物的作用才能轉(zhuǎn)化為土壤可利用資源。同時(shí)，直接還田的秸稈只有在一個(gè)種植周期內(nèi)被微生物全部轉(zhuǎn)化，才不會(huì)造成還田秸稈在耕地土壤中的逐年累積，保持良好的土壤耕作能力。因此，土壤中的微生物轉(zhuǎn)化過(guò)程對(duì)秸稈直接還田具有十分重要的作用。

2.1 具有轉(zhuǎn)化功能的土壤微生物

耕地土壤中一般含有較為豐富的可利用秸稈纖維素和半纖維素的微生物，其中真菌的種類相對(duì)較多，降解能力也相對(duì)較強(qiáng)，如木霉屬(Trichoderma)、青霉屬(Penicillium)、曲霉屬(Aspergillus)和鐮刀菌屬(Fusarium)等[33-34]。耕地土壤中利用纖維素和半纖維素的細(xì)菌則在數(shù)量上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，一般可達(dá)104cfu/g，包括食纖維菌(Cytophaga)、生孢食纖維菌(Sporocytophaga)和多囊纖維菌(Polyangiumcellulosum)等[35-37]。一般來(lái)說(shuō)，能夠轉(zhuǎn)化秸稈木質(zhì)素的土壤微生物的種類和數(shù)量都較少，而且微生物對(duì)木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化速度都遠(yuǎn)低于纖維素和半纖維素，且微生物轉(zhuǎn)化木質(zhì)素只能在有氧條件下進(jìn)行[38]。這是因?yàn)榉纸饫w維素和半纖維素本質(zhì)上為水解反應(yīng)，水解后生成的糖類作為碳源被土壤微生物利用。分解木質(zhì)素本質(zhì)上為氧化還原反應(yīng)，且分解產(chǎn)物主要被土壤微生物直接轉(zhuǎn)化形成腐殖質(zhì)，而大多數(shù)土壤微生物均不以秸稈木質(zhì)素為碳源[39]。放線菌是自然界木質(zhì)素的主要分解者之一[40-41]，但目前針對(duì)放線菌的研究相對(duì)較少。史彬等[42]從華北平原典型的小麥、玉米輪作區(qū)耕地土壤中篩選出1株兼具纖維素和木質(zhì)素分解能力的左式鏈霉菌(Streptomycesdrozdowiczii)，該放線菌能夠?qū)⑿←溄斩掁D(zhuǎn)化為多種石油烴、有機(jī)醇和植物甾醇。

2.2 土壤微生物轉(zhuǎn)化秸稈機(jī)制

組成秸稈的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素均為不溶于水的生物大分子。土壤微生物主要依靠分泌胞外酶的方式，利用秸稈纖維素和半纖維素將其水解為單糖以及其他水溶性小分子物質(zhì)，然后進(jìn)入微生物體內(nèi)，被微生物作為碳源利用。Rosevear等[43]提出纖維素的水解至少需要3種酶，即內(nèi)切型纖維素水解酶(endo-β-1,4-glucanase)、外切型纖維素水解酶(cellobiohydrolase)和β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase)。纖維素水解酶能夠從纖維素的末端以纖維二糖為單位切斷晶體纖維素。另一種纖維素水解酶則將非晶體纖維素在任意位置切斷。產(chǎn)生的纖維二糖或其他寡糖，再被β-葡萄糖苷酶催化水解形成葡萄糖或其他單糖。一般50%的碳源被微生物呼吸產(chǎn)能消耗，另50%的碳源形成微生物細(xì)胞，即大約一半的秸稈纖維素和半纖維素經(jīng)微生物的轉(zhuǎn)化進(jìn)入土壤碳循環(huán)，最終隨微生物的凋亡形成其他土壤有機(jī)物或腐殖質(zhì)。同時(shí)，秸稈所含的氮、磷和鉀等元素因微生物對(duì)秸稈的分解直接釋放至土壤，或被微生物利用形成微生物細(xì)胞，最終隨微生物的凋亡再次釋放至土壤，并起到營(yíng)養(yǎng)或肥力緩釋的作用[30]。

土壤微生物對(duì)秸稈木質(zhì)素的分解則需要漆酶、木質(zhì)素過(guò)氧化物酶、錳過(guò)氧化物酶等氧化還原酶的參與。一般認(rèn)為，只有腐生微生物分泌的氧化還原酶才能夠?qū)⒛举|(zhì)素分解為單體，并在微生物體內(nèi)進(jìn)一步被氧化成CO2和水或通過(guò)其他方式同化到菌體內(nèi)[44]。Gulkowska等[45]則認(rèn)為分解木質(zhì)素形成的單體在其他胞外酶的催化作用下直接被微生物轉(zhuǎn)化形成腐殖質(zhì)，即木質(zhì)素是土壤腐殖質(zhì)的前體。

2.3 提高秸稈轉(zhuǎn)化率的方法

一般情況下轉(zhuǎn)化秸稈需要多種微生物的協(xié)同作用。趙小蓉等[46]研究發(fā)現(xiàn)，纖維素分解菌與木質(zhì)素分解菌聯(lián)合處理水稻秸稈效果明顯好于2種菌單獨(dú)作用的加成。秸稈所含的纖維素和半纖維素被致密的秸稈木質(zhì)素層所包裹，微生物與秸稈纖維素和半纖維素的接觸受限，加之土壤微生物分解木質(zhì)素的能力遠(yuǎn)低于對(duì)纖維素的分解能力，所以木質(zhì)素的分解或者說(shuō)對(duì)木質(zhì)素層的破壞是土壤微生物轉(zhuǎn)化秸稈的限速步驟。秸稈直接還田，同時(shí)補(bǔ)加一些具有較強(qiáng)秸稈降解能力的微生物，尤其增加土壤中能夠轉(zhuǎn)化秸稈木質(zhì)素的微生物的絕對(duì)數(shù)量是提高秸稈轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵。能夠利用秸稈纖維素和半纖維素的微生物在耕地土壤中原本就較為豐富，為降低秸稈還田的成本應(yīng)側(cè)重補(bǔ)加適宜的營(yíng)養(yǎng)元素和生長(zhǎng)因子對(duì)土壤纖維素和半纖維素分解菌的激活和刺激作用。

除強(qiáng)化土壤微生物對(duì)秸稈的轉(zhuǎn)化能力外，創(chuàng)造適宜的土壤微生物轉(zhuǎn)化秸稈的條件同樣重要，具體歸納為以下幾個(gè)方面：

1)C/N。調(diào)節(jié)適宜的C/N，即秸稈直接還田的同時(shí)補(bǔ)充適量的氮元素以及其他微生物所需的營(yíng)養(yǎng)元素和生長(zhǎng)因子，可有效提高秸稈的轉(zhuǎn)化率。秸稈直接還田的C/N調(diào)節(jié)與秸稈堆漚還田的C/N調(diào)節(jié)類似，在此就不再重復(fù)。

2)土壤含水率。秸稈轉(zhuǎn)化是一個(gè)需水過(guò)程，尤其是纖維素和半纖維素的水解。微生物分解纖維素和半纖維素的速度高于分解木質(zhì)素，因此秸稈還田初期應(yīng)保持20%～23%的含水率[47]。秸稈還田后期(大約30 d后)主要是秸稈木質(zhì)素向土壤腐殖質(zhì)的轉(zhuǎn)化，需水量下降，但為了滿足微生物生長(zhǎng)所需，一般要求土壤含水率維持在16%～20%[48]。

3)還田深度。還田深度通過(guò)微生物分布和土壤透氣性影響秸稈的轉(zhuǎn)化。覆蓋于地表的秸稈降解速度遠(yuǎn)低于翻埋于土壤的秸稈降解速度，就是因?yàn)槲⑸镏饕杏?～10 cm的土層內(nèi)，還田的秸稈便于與土壤微生物有效接觸[49]。還田深度增加可提高秸稈的還田量，但土壤的透氣性隨深度降低。秸稈直接還田的深度一般控制在15～25 cm深的耕作層內(nèi)，并輔以翻耕、松土等方式增加土壤的透氣性[50]。

4)其他因素。土壤酸堿度、土壤溫度、秸稈粉碎程度、還田時(shí)間和還田量等其他條件均直接或間接地影響土壤微生物降解秸稈的能力。對(duì)上述因素的調(diào)節(jié)，理論上均以適宜微生物的生長(zhǎng)和增加微生物的作用時(shí)間為原則，但秸稈直接還田常受到自然條件和農(nóng)時(shí)的限制，實(shí)際可調(diào)節(jié)的因素有限。

3 秸稈直接還田對(duì)土壤微生物的影響

3.1 對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

秸稈直接還田能夠顯著增加土壤微生物的數(shù)量[51]。曾廣驥等[52]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈直接還田使0～20 cm的耕作層內(nèi)細(xì)菌和真菌數(shù)量分別比還田前增加了142.9%和115.0%。秸稈直接還田特別是C/N等其他條件適宜時(shí)會(huì)激活土壤中原具有秸稈轉(zhuǎn)化功能的微生物。此外，秸稈為土壤固氮微生物等提供了豐富的碳源，并使土壤多種微生物生長(zhǎng)旺盛[53]。秸稈轉(zhuǎn)化形成的腐殖質(zhì)與土壤中的鈣、鎂等金屬離子穩(wěn)定結(jié)合，形成的顆粒狀團(tuán)聚物可防止土壤的侵蝕，增強(qiáng)土壤透氣性和提高土壤的含水率[54]。魏廷舉等[55]研究發(fā)現(xiàn)，耕地所產(chǎn)秸稈全部直接還田，3年后耕作層的容重降低了0.19～0.2 g/cm3，非毛細(xì)孔隙率增加了0.5%～3%，粒徑>2 mm的顆粒狀團(tuán)聚物數(shù)量增加了202.9%。秸稈直接還田還能夠有效阻斷土壤返鹽，降低鹽堿土壤的可溶性鹽含量[56]。土壤理化性質(zhì)的改善為土壤微生物，尤其是好氧微生物的繁殖創(chuàng)造了有利條件。

3.2 對(duì)土壤微生物活性的影響

土壤微生物活性通過(guò)土壤功能酶體現(xiàn)。秸稈直接還田使纖維素酶、蔗糖水解酶、過(guò)氧化氫酶以及其他纖維素和木質(zhì)素分解直接相關(guān)酶的活性均有不同程度的提升[57]。此外，土壤生物固氮和土壤氮循序相關(guān)功能酶的活性在秸稈直接還田后顯著增加[53,58]。董亮等[59]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈100%直接還田后土壤中脲酶活性和酸性磷酸酶活性分別增加了80%和36.22%。土壤微生物活性的增加有助于提升農(nóng)作物的抗病蟲害能力，增強(qiáng)土壤對(duì)農(nóng)殘、石油等外源污染物的降解能力[60-61]。張坤等[56]研究發(fā)現(xiàn)小麥秸稈直接還田使土壤真菌P450酶系和細(xì)菌單/雙加氧酶系的活性增加，提升了土壤微生物對(duì)石油污染物的降解能力。

秸稈直接還田對(duì)土壤微生物數(shù)量和活性的影響給耕地土壤帶來(lái)了一系列積極的變化，包括提升了單位時(shí)間內(nèi)土壤轉(zhuǎn)化秸稈的能力，但這樣的良性循環(huán)均以還田的秸稈在一個(gè)種植周期內(nèi)被土壤微生物全部轉(zhuǎn)化為前提。換言之，秸稈還田量超出土壤對(duì)秸稈的轉(zhuǎn)化能力，還田秸稈在耕地土壤中的逐年累積，帶來(lái)的則將是惡性循環(huán)。就目前我國(guó)秸稈還田的實(shí)際情況，提升土壤微生物對(duì)秸稈的轉(zhuǎn)化能力依然十分重要。一些秸稈直接還田的成功案例以及對(duì)耕地土壤的影響見(jiàn)表2。

表2 一些秸稈直接還田的成功案例

4 秸稈還田的研究方向與展望

基于現(xiàn)有研究和我國(guó)秸稈還田的實(shí)際情況，認(rèn)為強(qiáng)化土壤微生物對(duì)秸稈的轉(zhuǎn)化能力是推進(jìn)秸稈直接還田的主要研究方向，并提出兩點(diǎn)建議：

1)增加土壤轉(zhuǎn)化木質(zhì)素的微生物的絕對(duì)數(shù)量是關(guān)鍵，但為了防止外源微生物的引入可能造成的生物安全隱患，同時(shí)避免外加微生物與原土壤微生物之間的拮抗作用，補(bǔ)加的微生物應(yīng)篩選自同區(qū)域或同類型的耕地土壤。

2)為激活土壤微生物的活性和調(diào)節(jié)適宜的C/N，秸稈直接還田的同時(shí)需要補(bǔ)充適量的氮元素以及其他微生物所需的營(yíng)養(yǎng)元素和生長(zhǎng)因子，該過(guò)程可以與農(nóng)作物的施肥相結(jié)合。如前所述，微生物將氮、磷和鉀等營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化形成微生物細(xì)胞，并不是對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的消耗，而相當(dāng)于營(yíng)養(yǎng)或肥力的緩釋。但為了避免某一特定時(shí)期內(nèi)微生物與農(nóng)作物爭(zhēng)肥，應(yīng)深入研究微生物對(duì)秸稈的轉(zhuǎn)化過(guò)程與機(jī)理，通過(guò)人工調(diào)節(jié)達(dá)到秸稈腐化和營(yíng)養(yǎng)元素的釋放與農(nóng)作物的生長(zhǎng)同趨勢(shì)進(jìn)行。