馬俊祥　王欣

摘 要：秸稈還田是農(nóng)作物秸稈資源最有效的歸宿，因此秸稈木質(zhì)素也成為了土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分。土壤微生物能夠準(zhǔn)確地反映出土壤質(zhì)量的變化，并且除去秸稈木質(zhì)素自身結(jié)構(gòu)的改變，由土壤微生物所主導(dǎo)的生物降解成為了秸稈木質(zhì)素在土壤中周轉(zhuǎn)的主要因素;秸稈木質(zhì)素在降解過程中也會(huì)反作用于土壤微生物。該文歸納并討論了秸稈木質(zhì)素的降解方式、速率、影響因素以及其與微生物的關(guān)系，為今后探索研究木質(zhì)素與微生物的作用機(jī)制提供參考。

關(guān)鍵詞：秸稈木質(zhì)素;土壤微生物;降解

中圖分類號 S182? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）17-0038-03

我國農(nóng)作物秸稈資源十分豐富，雖然秸稈還田已經(jīng)成為發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)、改善土壤環(huán)境質(zhì)量的有效方式之一，但如何進(jìn)一步通過土壤微生物從本質(zhì)上解決農(nóng)作物秸稈的高效利用，是當(dāng)前亟需關(guān)注的問題。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是農(nóng)作物秸稈的重要組成成分，約占秸稈的80%[1-2]。其中，木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)和組成十分復(fù)雜，秸稈還田能夠?qū)⒔斩捴械哪举|(zhì)素通過降解方式轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)[3]，從而為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供一個(gè)穩(wěn)定且持續(xù)的有機(jī)質(zhì)來源。王德漢等[4]研究表明，在等氮量的條件下，添加少量含氮木質(zhì)素不僅可以使作物增產(chǎn)，還能提高氮肥利用率。因此，秸稈木質(zhì)素在土壤中的降解與周轉(zhuǎn)過程是秸稈-土壤-農(nóng)作物這一復(fù)合系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容。明確木質(zhì)素的降解方式以及木質(zhì)素與土壤微生物的相互作用機(jī)制，對于高效利用秸稈、提高土壤肥力具有重要意義。

1 秸稈木質(zhì)素在土壤中的降解

1.1 降解方式與速率 自然界中，秸稈木質(zhì)素可以通過自身結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化與利用土壤微生物主導(dǎo)的生物降解方式在土壤中進(jìn)行周轉(zhuǎn)。木質(zhì)素在自身結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化過程中，既可能會(huì)轉(zhuǎn)化為易分解的有機(jī)化合物，也可能與其他化合物相結(jié)合生成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，最終可能導(dǎo)致土壤中形成最難降解的有機(jī)大分子[5]。Thevenot等[6]研究表明，木質(zhì)素轉(zhuǎn)化后可能會(huì)產(chǎn)生更為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)，使得碳庫更加穩(wěn)定。生物降解是指木質(zhì)素被真菌代謝礦化，以CO2的形式釋放到大氣[7]。目前效果最好的秸稈降解方式是利用微生物真菌進(jìn)行降解。王益等[8]對棉花秸稈降解原理進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，真菌中的白腐菌可以有效降解秸稈木質(zhì)素。Kiem等[9]研究認(rèn)為，土壤微生物并不能單獨(dú)完成對秸稈木質(zhì)素的降解，而是需要同其他易分解的有機(jī)物達(dá)成協(xié)同分解。

秸稈木質(zhì)素是一種結(jié)構(gòu)不均一的高分子化合物，木質(zhì)素分子并不存在可以水解的化學(xué)鍵，從而大大地降低秸稈木質(zhì)素的降解速率。對于秸稈木質(zhì)素的降解速率學(xué)術(shù)界仍然存在較大的分歧。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，木質(zhì)素等會(huì)因難以被土壤微生物降解而貯存在土壤中[10]。近代觀點(diǎn)則認(rèn)為，秸稈木質(zhì)素的降解速率并不低于其他有機(jī)質(zhì)的分解速率，甚至更高。Dignac等[11]在農(nóng)田土壤中運(yùn)用原位標(biāo)記以及單位表征法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素的轉(zhuǎn)化速率遠(yuǎn)大于總有機(jī)質(zhì)。馬志良等[12]研究表明，6種典型樹種凋落葉初期分解過程中木質(zhì)素濃度降低，雨季來臨時(shí)濃度顯著增加;進(jìn)入快速分解階段后，木質(zhì)素濃度又開始降低。

由此可見，不論是秸稈木質(zhì)素還是凋落物木質(zhì)素都是最難降解的組分。秸稈還田后，木質(zhì)素并不是單一通過微生物作用進(jìn)行降解，而是需要微生物與秸稈自身結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化所形成的易分解有機(jī)化合物相結(jié)合，以達(dá)到充分降解的目的。并且秸稈木質(zhì)素的降解速率還會(huì)受時(shí)間、地點(diǎn)、水熱等多方因素的影響，隨著影響因子的改變，木質(zhì)素的降解速率也會(huì)發(fā)生變化。

1.2 影響木質(zhì)素降解的因素 環(huán)境因子和人為因子最能影響秸稈木質(zhì)素的降解。例如，土壤pH值、降水、溫度、時(shí)間、土地利用方式等因素都會(huì)對木質(zhì)素的降解進(jìn)行調(diào)控。張仲卿等[13]研究表明，5～10d內(nèi)是白腐真菌降解秸稈的最佳時(shí)間，一旦超時(shí)，白腐真菌相應(yīng)酶分泌量就不再增多、活力逐漸下降，最終導(dǎo)致秸稈木質(zhì)素的降解效率降低。這也就說明，對時(shí)間進(jìn)行合理控制能夠加快秸稈木質(zhì)素的降解速率。適宜的土壤pH值有利于微生物生存，由于微生物是秸稈木質(zhì)素降解過程的主要參與者，因此土壤的酸堿度與木質(zhì)素的降解也有著線性關(guān)系[14]。人類活動(dòng)對秸稈木質(zhì)素周轉(zhuǎn)的影響主要表現(xiàn)在：秸稈還田過程中，秸稈木質(zhì)素可能會(huì)因人為處理造成秸稈機(jī)械破碎，使得木質(zhì)素濃度減小。調(diào)查顯示[15]，土地利用方式會(huì)對木質(zhì)素周轉(zhuǎn)程度產(chǎn)生作用，農(nóng)田及草地土壤中木質(zhì)素的降解程度要低于森林土壤。此外，隨著土壤層次的增加，土壤環(huán)境的改變，有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。但是土壤層次與秸稈木質(zhì)素降解的關(guān)系并沒有準(zhǔn)確的結(jié)論，F(xiàn)eng等[16]研究發(fā)現(xiàn)，由于深層土壤具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，使得處于深層土壤中木質(zhì)素的降解程度更低，這與Chefetz等[17]的研究結(jié)果恰恰相反。

總之，木質(zhì)素周轉(zhuǎn)受多種因素的共同影響，在不同的降解時(shí)期這些影響因子發(fā)揮不同的作用。明確影響木質(zhì)素降解的因子以及這些因子之間的關(guān)系，尋找出利于木質(zhì)素降解的最佳因子組合，對于高效利用秸稈資源具有重要意義。同樣，值得關(guān)注的是，通過氧化的方法得出的研究結(jié)果并不能完全代表真實(shí)土壤中的降解過程[18]。

2 秸稈木質(zhì)素對土壤微生物的影響

秸稈木質(zhì)素的降解是一個(gè)相對較長的過程，在這一過程中，當(dāng)木質(zhì)素自身的化學(xué)構(gòu)成發(fā)生變化時(shí)，土壤環(huán)境條件也必然發(fā)生變化。這些變化都會(huì)引起土壤微生物的數(shù)量、微生物多樣性的改變。因此，研究秸稈木質(zhì)素降解過程中的微生物數(shù)量與多樣性，對于揭示秸稈資源分解的微生物學(xué)機(jī)理，尋找高效利用秸稈的關(guān)鍵因子具有重要意義。

土壤微生物推動(dòng)土壤物質(zhì)循環(huán)，其數(shù)量的多少是衡量微生物體系狀況的重要指標(biāo)之一[19]。李倩[20]研究表明，木質(zhì)素存在于有機(jī)肥料的黑液中，能促進(jìn)土壤真菌數(shù)量的增加。通常，根際微生物數(shù)量及種類會(huì)在某種程度上決定土壤微生物活性，從而間接地影響農(nóng)作物的生長發(fā)育[21]。婷雯[22]研究表明：在低有機(jī)肥條件下，施加高濃度的木質(zhì)素不利于提高作物根際土壤中微生物的活性。雖然添加秸稈資源能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)，但若盲目地將秸稈施加于土壤中，不考慮秸稈所產(chǎn)生的木質(zhì)素濃度與當(dāng)?shù)氐亓Φ年P(guān)系，就會(huì)抑制土壤微生物活性和數(shù)量，浪費(fèi)秸稈資源的同時(shí)也阻礙了后期農(nóng)作物的發(fā)育。

土壤中微生物的數(shù)量決定著微生物量碳、氮的含量[23]。Ali等[24]研究表明，秸稈還田能夠刺激微生物的繁殖，土壤微生物量與土壤有機(jī)質(zhì)的含量呈正相關(guān);丁紅利[25]研究表明，添加玉米秸稈后能使微生物量顯著增加，其中真菌增加最大，細(xì)菌最少，這與眾多研究結(jié)果一致?？梢姡斩掃€田對土壤微生物數(shù)量增殖的作用不容小覷，但其中木質(zhì)素的周轉(zhuǎn)是否是這一效果的主導(dǎo)因素，文中并未說明。

從微生物多樣性方面來看，土壤微生物多樣性指數(shù)越低，則微生物種群比例分布越不均勻[26]。而香農(nóng)指數(shù)正是用來表征土壤微生物多樣性的，其主要反映了群落中的物種變化或差異度。呂婷雯等[22]利用香農(nóng)指數(shù)所表示出的結(jié)果與張杰[27]的結(jié)果不一致，前者認(rèn)為木質(zhì)素因其自身具有很高的碳氮比，可以為微生物的繁殖提供足夠的碳源，從而改善微生物的種群結(jié)構(gòu);而后者利用Biolog-Eco板得出木質(zhì)素不利于土壤微生物群落的繁殖及代謝的結(jié)論。造成這種差異是否是因?yàn)槭蹷iolog-Eco板局限性的影響，還需明確。

3 結(jié)語

本文主要?dú)w納并討論了秸稈木質(zhì)素在土壤中的周轉(zhuǎn)方式、速率以及木質(zhì)素與土壤微生物的相互作用關(guān)系。木質(zhì)素本質(zhì)上是一個(gè)復(fù)雜的無定型芳香物[28]，相對于其他有機(jī)物較難分解，除了白腐真菌，其他大多數(shù)細(xì)菌是通過形成能降解木質(zhì)素的聚合體來共同降解木質(zhì)素[29]。秸稈木質(zhì)素的降解會(huì)受到土壤pH值、降水和溫度、時(shí)間、土地利用方式、土壤微生物作用等多個(gè)因子的影響，木質(zhì)素降解后相應(yīng)地也會(huì)對這些影響它的因子產(chǎn)生反作用。土壤微生物主導(dǎo)著土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的循環(huán)和能量的流動(dòng)[30]，所以明確土壤微生物與秸稈木質(zhì)素降解之間的相互關(guān)系尤為重要。從查閱的論文來看，大多數(shù)的研究都偏向于微生物如何降解木質(zhì)素，而木質(zhì)素對微生物的作用機(jī)理方面的研究較少;秸稈還田所產(chǎn)生的木質(zhì)素對秸稈-土壤-農(nóng)作物這個(gè)復(fù)合系統(tǒng)中的微生物影響是未知的。因此，今后可以研究探索秸稈木質(zhì)素對土壤微生物功能的影響。

作者簡介：馬俊祥（1995—），男，甘肅慶陽人，碩士研究生，從事生態(tài)環(huán)境建設(shè)與調(diào)控工作? 收稿日期：2021-05-18

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（責(zé)編：張宏民）