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来源：《中国农学通报》2017 年第32 期 作者：刘卉，周清明，黎娟 单位：湖南农业大学农学院 作物秸秆是一种农业可再生资源，含有大量作物生长所需的矿质元素，具有巨大的应用潜力。秸秆还田既可以缓解因秸秆废弃而带来的环境污染，实现资源的优化配置，又有助于改良土壤质量，促进作物生长。 笔者介绍了秸秆还田的主要方法，结合近几年国内外秸秆还田技术的研究成果，从秸秆的主要成分，秸秆还田后对土壤理化性状、土壤微生物、作物生长发育及产质量的影响，秸秆还田配套施用技术和综合效果评价等方面综合阐述了秸秆还田的研究进展。研究结果可为综合利用秸秆还田技术与形成各产区配套的还田模式提供一定的参考依据。 前 言 作物秸秆是农业生产上数量最多的副产品，也是中国最丰富的可再生资源之一，作物秸秆含有丰富的大量元素及微量元素，具有很大的利用价值。作物秸秆作为一种农业可再生资源，其不合理配置既浪费资源又会带来环境污染。大量研究表明，秸秆还田能够改善土壤的理化性质，提高土壤肥力，有利于作物的生长发育，而且现在秸秆还田也成为了提高土壤涵养水分及供水能力的重要措施。 秸秆还田与土壤有机质及氮素有效性关系紧密，能综合改善土壤的结构，提高肥料利用率。秸秆能作为肥料提升土壤质量具有相当重要的价值，但是中国的秸秆利用率远远低于欧美国家，根据不同地区的生产环节，适宜的秸秆还田时间与数量及种类搭配，对促进资源的回收利用及农业可持续发展具有重要意义。一般认为秸秆还田是利用秸秆资源的方法中最经济的途径，可以有效的抑制因作物秸秆的随意丢弃及焚烧带来的环境问题。笔者总结了近年来秸秆还田在国内外的研究进展，以期揭示秸秆还田在农业生产中的重要作用。 作物秸秆中蕴含有大量的作物养分资源，包括N、P、K、Ca、Mg、S 等矿质元素，可以作为作物生长发育的营养来源。秸秆还含有丰富的有机碳，能够提高土壤有机质含量。秸秆主要的组成成分为纤维素、半纤维素及木质素，碳氮比在60~80 范围内。据统计，中国秸秆中含有的N、P、K量相当于目前年化肥用量的三分之一，其潜在的利用价值非常可观。 通过近些年的研究，人们发现秸秆还田有利于农业生产的可持续发展，能够提高作物的经济效益，秸秆还田的方式也不尽相同，目前常采用的还田方式包括：直接还田（覆盖、翻压、粉碎后施入及留高茬）和间接还田（氨化、堆沤、过腹、过圈、焚烧、配施肥料还田）。 秸秆直接还田能降低人工成本，其中以覆盖和翻压方式为主。覆盖还田是指将秸秆直接覆盖在农田上，这种方式可以减少土壤的水分蒸发，但是秸秆的腐解速度较慢，容易发生与作物争氮以及诱发病害。也有研究表明覆盖还田会产生低温效应，造成作物的生育期的延迟，而且这种低温效应与覆盖还田的秸秆量正相关。翻压还田是指将秸秆用翻耕机翻压在农田中，这种还田方式下秸秆的腐解速度主要与翻压深度、土壤水分及秸秆自身碳氮比值等因素相关。由于土壤微生物主要集中在浅层土壤中，因此秸秆的翻压深度不宜过深。秸秆粉碎后施入还田是指将秸秆粉碎撒施后用旋耕机翻压在农田中，这种还田方式与翻压还田类似，但是秸秆粉碎后再翻压入农田中能加快秸秆的降解速率。留高茬还田实际上也是翻压还田的一种，只是在收获作物时先预留下一部分作物秸秆，然后直接翻压入土中还田。 秸秆间接还田与直接还田比较具有降解速率快，对作物生长的促进作用更为显著。 氨化还田是指利用尿素、碳酸氢铵、液氨为氨源将秸秆氨化，氨化后秸秆的半纤维素和木质素含量降低。 堆沤还田是指在秸秆中加入粪便进行自然沤制发酵，沤制充分后再还田。 过腹还田是指秸秆经过牲畜消化后排泄再经过堆沤发酵后还田。过圈还田类似堆沤还田，就是将秸秆垫在牲畜圈内，经过与牲畜粪尿堆沤发酵后再还田。 焚烧还田是直接将秸秆焚烧后的灰分还田，虽然灰分中仍然有大量的矿质元素能被作物吸收，但焚烧产生的有害气体及温室气体也带来了环境污染的问题。 将秸秆配施肥料还田主要是解决秸秆还田后降解速率慢的问题，合理配施肥料及加入微生物菌剂可以促进秸秆生物质在土壤的转化腐解速度，提高土壤肥力。 3.1秸秆还田对土壤物理性状的影响 土壤的物理特性与作物的根系生长及养分的吸收利用关系紧密，良好的土壤物理即适宜的孔隙结构、土壤容重、田间持水量、土壤团聚体等，对于促进作物生长发育、优良的品质及高产量的形成具有重要作用。解文艳等研究表明，在春季湿润及正常年份秸秆还田没有显著提高土壤水分，但在春季干旱和特别干旱的年份，秸秆还田能显著提高耕层土壤水分。秸秆粉碎后直接还田对于土壤的水分没有覆盖还田高，主要由于秸秆粉碎翻压时破坏了土壤的毛细管，土壤下层水分较难上升。连续四年秸秆还田土壤容重降低，土壤含水量、总孔隙度和毛管孔隙度增加。进一步的研究表明秸秆还田主要是增加了表层土壤的湿度，而覆盖还田更有利于保护和提高土壤的物理结构。 秸秆还田后对土壤温度有一定的影响，能显著减小整日地温变化幅度，但是增温效益主要在表层土壤，深层土壤增温效应不显著。秸秆氨化后还田或者氨化后与土壤改良剂混施，能够改善土壤的结构，但氨化还田对土壤改良的作用表现一定的延迟性。研究表明秸秆还田能降低土壤的微团聚体含量，提高大团聚体及中微团聚体的含量，但在秸秆还田短期内对土壤团聚体的稳定性影响较小。这可能是由于短期内秸秆腐解程度较小，因此对土壤结构的影响较小。土壤团聚体的水稳定性与土壤可蚀性关系密切，对于土壤肥力及土壤的可持续利用影响很大，而秸秆还田可以增加水稳定大团聚体的数量，改善土壤的结构。 3.2秸秆还田对土壤化学性状的影响 高水平的土壤肥力能够保障作物的高产稳产，提高土壤肥力目前是将来也是农业生产需要解决的问题。秸秆还田有利于促进土壤矿化作用，秸秆还田后首先是秸秆中较易分解的有机物质最先分解矿化，当大部分易分解物质降解后秸秆的矿化分解作用就逐渐减缓。胡宏祥等研究表明油菜秸秆的腐解速度是早期较快而后期较慢，而且秸秆的腐解速度与还田量负相关；腐解速率与还田深度有关，表层还田的腐解速度最快，10 cm 土层腐解速度最慢，20 cm 土层腐解速度介于两者之间。因此秸秆还田时需要综合考虑，确定适宜的秸秆还田翻压深度。 秸秆与化肥配施有助于提高土壤的有机碳、总氮磷钾及速效氮磷钾含量并改善酸性土壤pH 值，降低土壤碳氮比。长期定位试验（2002—2010 年）发现连续多年秸秆还田并结合土壤浅耕，能降低土壤pH 值，并显著提高耕层土壤中有机质、总氮磷钾及速效氮磷钾养分含量。连续19 年的定位试验表明秸秆还田对土壤质量的影响与增施钾肥效果相似，能够提高土壤中有机质及其他养分含量。因此适宜的秸秆还田措施能够替代矿质钾肥，这对于节约肥料成本和废弃资源的有效利用具有重要意义。 单独秸秆还田和秸秆还田配施不同化肥比较对于土壤中不同形态氮含量的影响具有差异。张雅洁等研究发现秸秆还田与肥料配施至碳氮比为18:1 时，土壤中有机质、总氮及有机氮含量分别增加7.8%、10.6%和10.9%，无机氮含量减少17.1%；而单独秸秆还田时，土壤有机质含量上升，碳氮及氢碳比例下降。 秸秆还田还可以缓解土壤的氮素损失，有助于土壤供肥水平的提高。田慎重等通过两年定位试验研究了耕作方式与秸秆还田搭配对小麦生育期土壤有机碳含量的影响，结果表明秸秆还田后土壤有机碳含量均高于无秸秆还田的土壤，而且耕作方式与秸秆的交互效应对全生育期耕作层土壤有机碳影响显著。杨敏芳等研究也表明秸秆还田后不同土层土壤的总有机碳和活性有机碳含量显著高于对照，而土壤的有机碳对土壤理化特性有长远的影响，因此利用秸秆还田提高土壤有机碳含量应用潜力很大。有报道表明留茬1 m 的秸秆能显著减少土壤呼吸，减少土壤中CO2 的释放量。因此秸秆还田对于平衡土壤碳库也能发挥重要作用。 3.3秸秆还田对土壤微生物的影响 土壤微生物的群落结构能在一定程度上反映土壤微生态的基本情况，保持土壤微生物多样性对于促进土壤矿化及提高土壤肥力具有重要作用，微生物群落结构的变化对于土壤的理化性状有一定的影响，农业生产者采取相应的农艺措施会对土壤微生物群落结构带来不同的影响。秸秆还田并配施催腐菌剂能够显著提高土壤中细菌、真菌和放线菌的数量，土壤酶类的活性增强。秸秆覆盖还田并配施足够的氮磷钾肥有利于提高土壤微生物生物量碳、氮，这一方面是秸秆为微生物提供了充足的碳源及氮源，另一方面适宜的施肥量又能刺激微生物的繁殖，同时适宜的施肥措施又有助于抑制早期秸秆与作物的争氮作用，利于作物的产质量形成。 对水稻而言，高量秸秆还田促进长期淹水条件下的土壤微生物生物量作用明显，而低量秸秆还田对促进间歇灌溉条件下的土壤微生物生物量作用显著。因此，秸秆还田量需要根据不同的田间管理措施因地制宜。当然不同来源的秸秆其还田后的效果不尽相同，黄豆秸秆由于其自身纤维素、木质素及碳氮比高，降解速度慢，还田后很难被微生物降解利用，因而对于土壤微生物活性的促进作用较低；玉米、水稻等秸秆与黄豆秸秆比较还田后对微生物活性的促进作用更为显著。有报道发现秸秆还田抑制土壤真菌和嫌气性细菌，但能促进放线菌和好气性细菌，而且还田量及搭配的耕作制度均会影响土壤微生物的活性。 4.1秸秆还田对作物生长发育的影响 作物的生长发育在一定程度上能预测作物后期的产质量，对于作物产质量的形成具有重要的影响，因此利用一定的农艺措施促进作物的生长发育，对于提高作物产质量，缓解耕地压力与人口的矛盾具有重要意义。据游来勇等研究报道，秸秆还田能够促进小麦和水稻的生长，具体表现为增加小麦和水稻的氮素吸收，不同的还田量会使作物的氮素农学利用效率提高程度在6.71~8.21 kg/kg 范围内浮动。陈金等通过两年的定位试验发现秸秆还田后显著提高了冬小麦的干物质积累量，秸秆还田配施225 kg/hm2 氮肥时，冬小麦氮素利用效率提高。 相同施氮水平下采取秸秆还田的措施能够提高氮素的吸收积累，并增加根系分泌物中的苹果酸、琥珀酸及草酸含量；相同秸秆还田水平下，中氮水平能增加水稻在结实期的氮素积累。郭瑶等研究发现通过留小麦前茬(25 cm)还田后，后作玉米的在生育前期（大喇叭口期之前）的光合势及叶面积指数降低，在生育后期光合势及叶面积指数升高。秸秆还田配施生物炭促进了土壤细菌群落结构的变化，抑制了部分微生物的繁殖（Actinobacteria 和Nitrospira），但对其他的微生物又有显著的促进作用，如：WS3、Chloroflexi 等。 4.2秸秆还田对作物产质量的影响 农业生产的最终目的都是为了得到产量高、品质佳的产品，因此秸秆还田后对作物产质量的影响直接制约着秸秆还田技术的发展。单独施用玉米秸秆且不施用氮肥的条件下，与常规施肥比较能增产18.9%~32.0%，玉米秸秆还田对水稻成熟后的精米率、直链淀粉含量及胶稠度无显著影响，但能提高籽粒中的蛋白质含量，有助于提高水稻产量与品质。不同的秸秆还田方式对作物产量的促进作用各有差异，余坤等研究表明秸秆粉碎后氨化还田对于提高冬小麦的有效穗数作用较覆盖还田方式显著，但增产作用更好的还田方式是秸秆粉碎氨化与硫酸钙混施。 秸秆还田不仅有助于促进水稻产量增加，而且还能提高稻米中的铁和锌含量。这可能是由于秸秆中的部分微量元素也经过矿化作用被水稻吸收。虽然秸秆还田对作物的产质量的形成有很多有利影响，但秸秆还田同样也存在一些不利的因素。如长期秸秆还田在增加土壤养分含量的同时，也会将自身富集的重金属如镉释放到农田中，加重土壤的重金属危害，容易使作物富集更多的重金属，影响作物产质量。因此秸秆还田需要合理搭配其他农艺措施，尽可能充分利用其增肥促产的正效应，减少对农田和作物的不利影响。 不同秸秆还田方式对土壤质量的改良效果及对作物的增产增质效果不一致。另外由于不同产地的气候环境条件存在较大的差异，需要根据不同的地区及不同的气候条件制定相应的秸秆还田配套施用技术。如干旱条件下进行秸秆覆盖还田能够减少土壤水分的散失，对作物的高产的形成影响更大。赵士诚等研究表明，长期秸秆还田与化肥结合提高了土壤肥力，但是土壤钾含量降低，因此有必要增施钾肥维持土壤的钾平衡。在低土壤肥力下，秸秆还田并增施钾肥可以降低不同年度的产量变异系数，作物高产稳定性强。如在陕西关中平原冬小麦-夏玉米产区，秸秆还田需合理配施氮肥，氮肥用量应控制在150~200 kg/hm2，该用量下小麦产量及肥料的利用率都能得到提高。耕作方式与秸秆还田有机结合有利于减少不同产区秸秆还田负面影响，选择适宜当地的耕作方式与秸秆还田搭配方式，如在黄淮海地区深耕与秸秆还田和深松与秸秆还田均能提高冬小麦-夏玉米的年耗水量及水分利用效率。 综合评价利用某种农艺措施或栽培技术后的效果，对于农业生产研究至关重要。综合评价的目的是确定该农艺措施或栽培技术的有效性及可靠性，并有助于推广综合评价效果好的技术。因此，秸秆还田后土壤质量的高低和对作物的生长发育及产质量的影响的综合评价非常重要。如李有兵等通过主成分分析定量评价了不同秸秆还田模式下土壤质量的高低，确定了关中地区适宜的还田模式即小麦秸秆高留茬还田-玉米秸秆旋耕还田模式。跟踪监测不同秸秆还田方式后土壤的理化特性包括容重、孔隙度、土壤水分、团聚体、有机碳、土壤酶活性、矿质元素及微生物活性等，秸秆的腐解规律、作物的生长发育特性、养分利用率及与产质量相关的指标检测。 构建模型体系用于综合评价不同秸秆还田方式的效果，能够直观的反映各秸秆还田方式适用的条件和对应的改良效果，有助于筛选出效果较优的秸秆还田模式，这对于农业可再生资源的利用和农田土壤改良及对农作物的促生增产有着非常重要的作用。 大量研究表明适宜的秸秆还田模式不管是对土壤改良，还是对作物的生长发育及高产质量的形成都有显著的影响。但也有部分研究显示长期秸秆还田会造成土壤钾含量降低、释放重金属等问题，因此需要跟踪监控秸秆还田后土壤理化性状改良效果及对作物生长发育的影响。特别要关注秸秆还田后可能会带来的负面影响，综合评价秸秆还田的应用效果。 目前，不同产区适宜的秸秆还田模式还需要进一步的试验验证，关于秸秆还田的研究还不够完善，需要加深对秸秆还田的作用机理研究。秸秆还田及其配套技术的研究对于实现资源的优化配置，维持土壤碳库平衡、提高土壤肥力水平及农作物优质高产的形成具有重要意义。 |
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