全 文 ：秸秆还田量对土壤 CO2 释放和土壤
微生物量的影响 3
强学彩 袁红莉 高旺盛 3 3
(中国农业大学 ,北京 100094)
【摘要】 对玉米季、小麦季 3 种不同秸秆还田量的土壤生物学指标的测定结果表明 ,在秸秆倍量还田中 ,
随着秸秆量的增加 ,CO2 释放量增加 ,而且倍量处理的增加量显著大于全量处理 ;在玉米和小麦季节中 ,不
同量秸秆还田对土壤 0～10 和 10～20 cm 的土壤微生物量的影响不同 ,但均能增大土壤微生物量 ,全量和
倍量处理间没有明显差异. 在土壤表层及下层 ,微生物量的最大值均落后于土壤呼吸的最大值 ,且土壤微
生物量达到最大值即其最活跃状态后 ,下降缓慢 ,但土壤呼吸减少较快 ,说明微生物活动存在明显的合成
性呼吸与维持性呼吸 ;综合评价不同秸秆量还田的效应 ,应采用秸秆全量还田 ,既能调节土壤物理环境 ,促
进微生物的代谢活动 ,利于养分的转化 ,又可以减少环境污染.
关键词 秸秆还田 土壤呼吸 土壤微生物量
文章编号 1001 - 9332 (2004) 03 - 0469 - 04 中图分类号 S141 ,S571 文献标识码 A
Effect of crop2residue incorporation on soil CO2 emission and soil microbial biomass. Q IAN G Xuecai , YUAN
Hongli , GAO Wangsheng ( China A gricultural U niversity , Beijing 100094 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,
2004 ,15 (3) :469～472.
In a wheat2corn cropping system , the crop residues were crushed and incorporated into soil after harvest . The
soil respiration and soil microbial biomass were compared one year later with soil that had doubled amount of
residues incorporation or had no incorporated residues. The soil respiration was increased by the residue incorpo2
ration and the effect was more apparent when the incorporated residue amount was doubled. The soil microbial
biomass was also increased by the residue incorporation. But the effect of the incorporated residue quantity was
not significant . Seasonally , the maximum soil respiration appeared earlier than the maximum microbial biomass ,
but soon turned to decrease. The microbial biomass maintained the high level for a longer period , indicating
there was maintenance respiration and biosynthetic respiration as well. The residue incorporation was suggested as
a measure to increase the soil fertility , but doubling the amount of residue incorporation seems not necessary.
Key words Crop residue , Soil respiration , Soil microbial biomass.3 国家自然科学基金资助项目 (30070438) .3 3 通讯联系人.
2003 - 03 - 10 收稿 ,2003 - 09 - 04 接受.
1 引 言
秸秆作为物质、能量和养分的载体 ,是一种宝贵
的自然资源. 粮食单产水平的提高 ,使秸秆的剩余量
越来越多. 秸秆燃烧造成有机物质和饲料资源的大
量浪费 ,并将对大气环境及航空交通等造成危害. 因
此 ,为秸秆寻找合理的出路是关系到土壤肥力保持
进而影响农业可持续发展的大问题[5 ,9 ] .
秸秆直接还田是当前乃至今后秸秆资源利用的
主渠道[5 ,9 ] . 以生态系统理论与方法对秸秆还田问
题进行系统的研究具有重要意义[4 ,13 ,19 ] . 目前 ,国
内外研究结果均证明秸秆还田对农业生态系统是有
利的[2 ,3 ,5 ,8 ,10～12 ,14～17 ,20 ] ,但对不同量秸秆还田所
引起的生态效应 ,尤其是土壤微生物量的变化和
CO2 释放的量之间的关系 ,尚缺乏系统研究. 本试验
拟通过研究翻耕条件下 ,不同量秸秆还田对土壤
CO2 释放及土壤微生物量 (MB) C 的影响 ,为合理地
进行秸秆还田 ,充分利用秸秆资源 ,减少环境污染 ,
实现有机质循环提供科学依据.
2 材料与方法
211 试验设计
从 2001 年开始 ,在麦2玉两熟系统中进行田间试验. 设 3
个秸秆还田量的处理 :1) 无秸秆 :不翻埋秸秆 (NN) ;2) 常量
秸秆 :将收获的全部秸秆翻埋下去 ( TN) (玉米 7 500 kg·
hm - 2 ,小麦 6 000 kg·hm - 2) ;3) 倍量秸秆 :将两倍的收获秸
秆翻埋下去 (DN) (玉米 15 000 kg·hm - 2 ,小麦 12 000 kg·
hm - 2) .
各处理每季氮肥用量均为 300 kg·hm - 2 (含按倍量接秆
量调节 C/ N 的 N 量 ,C/ N 调节至 20∶1. 通常采用按秸秆干
应 用 生 态 学 报 2004 年 3 月 第 15 卷 第 3 期
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Mar. 2004 ,15 (3)∶469～472
重的 112 %加纯 N[8 ]) ,秸秆切割成约 6 cm 段全部翻埋. 麦玉
两熟 ,常规管理 ,其它措施均相同. 作物收获后的秸秆粉碎翻
埋到约 15 cm 的土层下.
采用随机区组设计 ,每个处理重复 3 次 ,共 9 个小区. 前
作是玉米 (1989～2001) ,小区面积 2 m ×2 m ,每个小区之间
用铁皮隔开 ,防止物质交换.
212 研究方法
21211 取样 玉米季的取样时间为播种前、苗期、拔节期、抽
雄期和成熟期 ;小麦季的取样时间为播种前、苗期、返青2拔
节期、抽穗期和成熟期. 在每个取样时间 ,采用 5 点 (土钻直
径为 215 cm)法取样. 土样分 0～10 cm 和 10～20 cm 两层分
别混合均匀 ,用 2 mm 筛子除去植物体、石子等杂质.
21212 分析方法 土壤微生物生物量以微生物 C 表示 ,采用
改进的氯仿熏蒸法[7 ] ;土壤呼吸采用隔离罐 —碱液吸收
法[1 ] .
21213 统计分析 表中数值为算术平均值. 采用一尾 LSD 法
分析差异的显著性.
3 结果与分析
311 秸秆还田量对土壤呼吸的影响
秸秆还田后最初两个月土壤呼吸动态变化如图
1 所示. 在本实验中的秸秆用量范围内 ,土壤呼吸随
着秸秆量的增加而增加 ,而且倍量处理的土壤呼吸
明显大于全量处理. 通过 L SD 测定 ,不同秸秆用量
的差异在 P = 0105 水平上达到显著 (表 1) . 由于在
6 月底施用足量的氮肥 ,翻埋入土的秸秆在 7、8 月
高温状况下 ,大量、迅速腐解. 土壤呼吸释放的 CO2
主要来源是土壤微生物分解和合成生命活动 (约占
总量的 80 %～90 % ) ,而这段时间微生物作用的底
物为秸秆. 秸秆量的不同决定 C 源的多少 ,所以秸
秆量的多少引起土壤呼吸的变化.
由表 2 结果表明 ,土壤呼吸有明显的季节变化 ,
在整个周年中 ,出现了 3 个高峰期 ,分别在 8 月上
旬、10月中旬和5月上旬 . 在玉米季或小麦季 ,倍量
图 1 2001 年玉米季 7、8 月土壤呼吸连续观测
Fig. 1 Soil respiration in J uly and August ,2001.
秸秆还田的土壤呼吸均最大 ,即在本试验的秸秆用
量范围内 ,经过一年连续两次秸秆还田后 ,倍量处理
即玉米 15 000 kg·hm - 2 ,小麦 12 000 kg·hm - 2还田
的土壤呼吸总和为 207122 g·m - 2·d - 1 ,比不还田的
土壤呼吸高 5715 % ,而全量还田增大 1415 % ,倍量
处理的增加量几乎是全量处理的 4 倍. 这说明作物
秸秆被翻埋入土后 ,大量被固定的 C 通过微生物的
周转 ,又被以 CO2 的形式释放到大气中. 尽管相对
于秸秆焚烧 ,秸秆还田避免了在短时间内向大气中
排放大量的 CO2 ,但也说明还田秸秆越多 ,被固定的
C 越多. 至于随着秸秆的进一步增加 ,土壤呼吸的表
现还需更进一步的研究.
312 秸秆还田量对土壤微生物量的影响
表 3 中无秸秆处理的变化趋势表明 ,土壤微生
物量有着明显的季节变化 ,春末夏初 ,秋初的微生物
量最大. 这是因为春季气候变化影响土壤的结构 ,其
物理性裂解直接导致可给性养分的释放 ;而秋季由
于气温和有机残体的不断进入土壤 ,致使微生物的
数量出现高峰. 不同量秸秆的加入并没有改变这种
趋势. 在表土层中 ,比较无秸秆处理和有秸秆处理的
生物量变化 ,可以看出有秸秆处理的季节波动相对
于没有秸秆处理的幅度减小 ,而且秸秆越多 ,效果越
明显 ,说明还田秸秆可适当调节微生物的活动 ,而且
表 1 不同处理土壤呼吸及显著性测定
Table 1 Soil respiration in different treatments and analysis of variance
处理
Treatments
时间 Date
7. 10 7. 15 7. 20 7. 25 7. 30 8. 4 8. 9 8. 25
平均值 (g·m - 2·d - 1)
Arithmetic mean
显著性
Significance
NN 14. 15 12. 76 15. 15 16. 29 22. 72 17. 67 19. 94 17. 06 17. 12 C
TN 18. 24 15. 69 22. 11 22. 97 29. 08 20. 23 23. 82 18. 04 20. 77 B
DN 33. 72 28. 15 40. 24 44. 17 43. 20 26. 82 27. 76 19. 59 33. 63 A
表 2 2001～2002 年玉米、小麦两季土壤微呼吸统计
Table 2 Statistics of soil respiration in maize and wheat , 2001 to 2002( g·m - 2·d - 1)
处理
Treatment
玉米 Maize (2001)
6. 21 7. 15 7. 31 8. 19
小麦 Wheat (2001～2002)
10. 10 10. 21 11. 15 3. 9 3. 25
总计
Sum
比 NN 增加 %
Increase than NN
NN 12. 76 25. 04 17. 06 13. 01 11. 08 11. 99 13. 04 16. 04 11. 51 131. 53
TN 15. 69 28. 14 16. 04 17. 71 16. 88 15. 10 12. 87 16. 91 11. 29 150. 62 14. 51
DN 28. 15 42. 73 19. 59 20. 44 29. 12 18. 29 14. 37 20. 49 14. 03 207. 22 57. 54
074 应 用 生 态 学 报 15 卷
表 3 玉米、小麦两季土壤微生物量 C统计( 2001～2002)
Table 3 Statistics of soil microbial biomass C in different soil in maize and wheat ,2001 to 2002( mg C·100 g - 1 soil)
处理
Treatment
玉米季 Maize (2001)
6. 21 7. 15 7. 31 8. 19 10. 10 10. 21
小麦季 Wheat (2001～2002)
11. 15 3. 9 3. 25 4. 11 5. 20 6. 12
0～10 cm NN - 49. 02 5. 78 150. 70 25. 73 73. 66 143. 60 112. 85
TN - 14. 36 25. 98 108. 32 74. 42 64. 02 119. 58 162. 20 73. 91 115. 99 143. 14 186. 31
DN - 69. 15 40. 86 53. 99 75. 70 63. 26 96. 93 124. 73 150. 65 105. 79 132. 32 214. 69
10～20 cm NN 78. 68 6. 04 36. 08 15. 84 86. 53 106. 33 110. 23 167. 39 25. 86 56. 04 32. 13 139. 82
TN 78. 23 27. 02 19. 39 31. 41 101. 14 90. 55 156. 69 161. 46 87. 40 69. 53 49. 79 158. 41
DN 83. 81 40. 65 33. 39 96. 14 80. 73 93. 79 119. 57 125. 38 102. 84 65. 82 30. 07 68. 06
表 4 玉米、小麦两季土壤微生物量 C平均值 ( 2001～2002)
Table 4 Statistics of average of soil microbial biomass C in maize and wheat , 2001 to 2002( mg C·100 g - 1 soil)
处理
Trea2
tment
玉米 Maize (2001)
0～
10 cm
10～
20 cm
0～
20 cm
增加 %
Increase
小麦 Wheat (2011～2002)
0～
10 cm
10～
20 cm
0～
20 cm
增加 %
Increase
周年统计 Whole year
0～
10 cm
增加 %
Increase
10～
20 cm
增加 %
Increase
0～
20 cm
增加 %
Increase
NN 57. 81 44. 63 102. 44 86. 74 91. 11 177. 86 76. 22 71. 75 147. 97
TN 55. 77 51. 44 107. 21 4. 65 123. 59 110. 55 234. 14 31. 64 98. 93 29. 79 85. 92 19. 75 184. 85 24. 92
DN 59. 93 66. 94 126. 87 23. 85 126. 91 86. 50 213. 41 19. 99 102. 55 34. 55 78. 35 9. 21 180. 91 22. 26
在表层土的效果较 10～20 cm 的明显.
对 2001 年整个玉米季土壤微生物量平均值的
统计分析 (表 4)表明 ,土壤微生物量在 0～10 cm 处
理间差异不明显 ,但在 10～20 cm 还田处理的生物
量明显增大 ,且倍量处理优于全量处理. 考虑到秸秆
翻埋过程的不均匀性 ,用玉米季微生物量总和比较
分析发现 ,与无秸秆处理的微生物量相比 ,全量秸秆
还田的处理微生物量变化不明显 ,而倍量还田却增
加了 23185 % ,达到极显著水平.
在 2001～2002 的小麦季中 ,由于连续的秸秆还
田 ,土壤中微生物量的年际统计出现了与第一季玉
米不同的效应 (表 4) . 首先是秸秆还田明显地增加
了表层土中微生物生物量 ,且全量处理和倍量处理
之间差异不明显 ;但在下层土壤则是全量处理大于
倍量处理. 对于整个耕层 ,经过整个小麦季 ,秸秆全
量还田土壤微生物量增加了 31164 % ,远大于倍量
处理的 19199 %. 比较小麦季和玉米季可以看出 ,两
次秸秆还田 ,小麦季土壤微生物量明显大于玉米季 ,
说明秸秆还田可增加土壤微生物量 ,而土壤微生物
量是土壤的源和库 ,因此秸秆还田可增加土壤肥力.
对 2001～2002 年整个玉米季和小麦季的微生
物量总和统计分析表明 (表 4) ,秸秆还田处理对两
层土壤生物量均表现出刺激作用. 全量和倍量处理
后 0～ 10 cm 的生物量比无秸秆处理分别增加
29179 % 和 34155 % ; 10 ～ 20 cm 层 分 别 增 加
19175 %和 9121 % ; 两层总生物量分别增加了
24192 %和 22126 % ,说明经过一年两次秸秆还田 ,
微生物量增大了 ,但全量和倍量之间没有引起明显
差异. 表明虽然倍量秸秆的加入并未能起到更大的
作用 ,但也没有产生不良影响.
综上可见 ,秸秆还田能刺激土壤微生物活性 ,增
大土壤微生物量. 这是因为秸秆还田可以给微生物
提供生活的基质 ,尤其在寒冷的冬季 ,根层土壤中秸
秆的腐解释放热量 ,提高地温 ,从而增加了土壤微生
物量[10 ,19 ] .
4 讨 论
比较表 1～3 可见 ,土壤微生物量最大的时间落
后于 CO2 释放量最大的时间. 表现为在最初的几天
内 ,CO2 释放量迅速增加 ,然后渐渐下降. 此后微生
物量会持续相当大的量. 关松荫[6 ]指出 ,当秸秆在
土壤中腐解时 ,并不意味着 CO2 释放量的增加会与
此时的土壤微生物量增加相一致. 有资料表明 ,植物
体分解的第一阶段 ,是以释放 CO2 的形式而引起大
量 C 的损耗 ,而 N 为微生物吸收. 秸秆还田中的 C
以 CO2 形式的损失一直延续到 C/ N 接近 10∶1 的水
平为止[21 ] . 说明微生物的呼吸活动有着不同的用
途 ,部分用来合成生物体所需要的物质 ,部分用来维
持生命活动.
比较整个玉米季中土壤呼吸的总和与微生物量
的统计结果 (表 2、表 4)表明 ,在微生物的作用下 ,还
田秸秆量越多 ,秸秆 C 向环境的释放量越大 ,而土
壤微生物 C 总量最终仍维持在全量秸秆还田的总
量上. 在整个栽培过程中 ,土壤微生物量都处于动态
的变化中 ,同时推动秸秆 C 向有机质的转化. 但是 ,
有机质又可能被土壤微生物吸收并成为其机体的一
部分. 因此 ,不同量的秸秆还田 ,从总的效应上并不
增加土壤微生物量 ,但有多少秸秆经过微生物的作
用被转化为土壤有机质.
随着粮食产量的提高 ,单位面积上秸秆的产量
1743 期 强学彩等 :秸秆还田量对土壤 CO2 释放和土壤微生物量的影响
也将随之增大 ,今天的倍量可能就是将来的全量. 本
结果表明 ,将一定的秸秆量配以适量氮肥直接还田
不会对土壤微生物产生有害影响. 但对超出本研究
量的秸秆还田问题还需进一步研究.
综合评价不同秸秆还田量的效应 ,在目前的农
业生产水平下 ,应采用秸秆全量还田 ,则既能够调节
土壤物理环境 ,促进微生物的代谢活动 ,利于养分的
转化 ,又可以减少环境污染 ;但在未来秸秆量增多
时 ,采用大量秸秆还田也是可行的.
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作者简介 强学彩 ,女 ,1977 年生 ,硕士研究生 ,主要从事秸
秆还田的生态效应研究. Tel : 010262631163 , E2mail :qiangx2
uecai @hotmail. com
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