農(nóng)作物秸稈還田資源化利用研究進(jìn)展

陳 浩，李小剛，周 游，張秀英，龔亞麗，王勝寶，葛紅心，郝興順

（漢中市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，陜西漢中 723000）

我國是農(nóng)業(yè)大國，各類農(nóng)作物秸稈資源豐富，尤其在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的趨勢下，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計，2011年底，我國農(nóng)作物稻稈可收集資源量高達(dá)6.87 億t，秸稈綜合利用量達(dá)到5 億t，有效利用率在70%左右，用于還田的秸稈僅占秸稈總量的10%～15%[1]，而且在秸稈還田過程中因不合理利用造成的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)等問題日漸凸顯。

隨著生態(tài)農(nóng)業(yè)模式和循環(huán)農(nóng)業(yè)理論的提出[2]，農(nóng)作物秸稈處理及利用方式與農(nóng)村環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展之間產(chǎn)生的矛盾倍受關(guān)注。農(nóng)作物秸稈從原始的田間丟棄和焚燒處理逐漸開始向資源化利用發(fā)展，在生活燃料、飼料喂養(yǎng)、肥料秸稈還田、食用菌基料、工業(yè)原料、能源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。其中，秸稈還田作為最直接、最低成本的利用方式成為多數(shù)學(xué)者探討的熱點(diǎn)[4-6]，專家學(xué)者們就秸稈還田的政策性措施、腐解特征、還田方式、利用效果等內(nèi)容展開了研究[7-11]，取得了重大進(jìn)展。然而，如何使秸稈資源化利用產(chǎn)生的還田效應(yīng)與當(dāng)前農(nóng)業(yè)科技形成的配套種植技術(shù)（農(nóng)業(yè)耕作方式）相結(jié)合的研究還未見廣泛報道。還田技術(shù)的配套模式只限于政策研究與討論，并未形成切實(shí)可行的技術(shù)體系，不能從本質(zhì)上解決秸稈資源的利用問題。從某種意義上來說，秸稈還田的最終目的是，利用農(nóng)業(yè)科技手段，通過調(diào)整農(nóng)業(yè)生物資源的有效配置，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變以及資源的再次利用，達(dá)到農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會效益的最大化，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。筆者擬對目前農(nóng)作物秸稈還田資源化利用狀況進(jìn)行綜合討論和分析，從根本上提出農(nóng)作物秸稈還田利用中存在的問題以及今后的研究方向，以期為相關(guān)研究提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 秸稈還田資源化利用的研究歷程

20 世紀(jì)60年代，美國為了治理西部開發(fā)中因不合理種植模式導(dǎo)致的水土流失問題，提出了保護(hù)性耕作模式這一概念[12]。此后，隨著國外農(nóng)業(yè)機(jī)械化的快速發(fā)展以及新型農(nóng)機(jī)具配套技術(shù)研究的不斷深入，與秸稈覆蓋還田或殘連覆蓋還田相結(jié)合的少耕、免耕等保護(hù)性耕作技術(shù)得到應(yīng)用和推廣，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益得到明顯的改善和提高，與秸稈還田技術(shù)相關(guān)的耕作方式和栽培措施受到各國的普遍關(guān)注[13]。尤其在歐美等發(fā)達(dá)地區(qū)和國家，注重農(nóng)業(yè)施肥結(jié)構(gòu)對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和農(nóng)村環(huán)境產(chǎn)生了較大影響，秸稈還田技術(shù)得到深入研究和廣泛應(yīng)用[14]。歐盟、美國、加拿大、阿根廷等地區(qū)和國家，除了用于生產(chǎn)青飼料的玉米秸稈之外，大部分麥秸和以籽實(shí)生產(chǎn)為主的玉米秸稈都被用來還田；以水稻為主要作物的日本、韓國等國家，則將大部分稻草還田；印度、孟加拉等發(fā)展中國家近年來也在發(fā)展稻草還田技術(shù)[15]。以稻稈還田資源化利用為主的保護(hù)性耕作模式，已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高效、循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。

借鑒國外研究經(jīng)驗(yàn)，我國保護(hù)性耕作的研究始于20 世紀(jì)60年代的小麥免耕種植試驗(yàn)示范，該示范開啟了旱地農(nóng)業(yè)耕作體系研究從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作模式逐步向作物秸稈覆蓋和減少農(nóng)耕操作模式發(fā)展。到20世紀(jì)80年代，由于我國農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)的變化以及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了大量的農(nóng)作物稻稈，其資源化利用問題日漸突出，稻稈焚燒現(xiàn)象日益嚴(yán)重，不僅浪費(fèi)了大量的生物資源，而且破壞了土壤營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，降低了土壤理化性質(zhì)，產(chǎn)生環(huán)境污染、交通安全等諸多問題，嚴(yán)重阻礙了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

在我國對農(nóng)作物稻稈資源合理利用和農(nóng)村環(huán)境保護(hù)與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的政策推動下，保護(hù)性耕作技術(shù)在我國得到廣泛推廣，與秸稈還田的相關(guān)研究已從最初的防止土壤侵蝕向多方位發(fā)展[16]，成為我國農(nóng)業(yè)科研的一個重要方向。其中，稻稈直接還田技術(shù)受到了高度重視。專家學(xué)者們在稻稈還田對土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、土壤微生物和酶活性、保水保溫、提高作物產(chǎn)量和優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)效益等方面做了大量研究，并積累了大量資料。多數(shù)研究認(rèn)為，短期內(nèi)農(nóng)作物秸稈還田是秸稈綜合利用較為可行的途徑，尋求因地制宜的耕作栽培技術(shù)與之相適應(yīng)的秸稈還田方式，對發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)具有重要意義。

2 耕作制度對秸稈還田的影響

由于我國南北緯度跨度較大，自然氣候條件差異明顯，復(fù)種制度和耕作模式存在顯著的地域性差異。對于復(fù)種指數(shù)低的地區(qū)，耕作周期較長，可以采用直接還田，對秸稈養(yǎng)分中鉀、磷、氮、碳的釋放效率較高[17-18]。對于復(fù)種指數(shù)高的地區(qū)，秸稈還田周期較短，土壤中未能有效腐解的秸稈會影響下一季作物生長，降低作物產(chǎn)量。因此，明確耕作制度是合理選擇秸稈還田方式的前提。

不同復(fù)種制度會直接影響秸稈的還田腐解效果，研究表明，在稻油和稻麥復(fù)種耕作制度下，秸稈還田后0～30 d 的腐解速率和養(yǎng)分釋放率較高，而油菜秸稈的腐解率、養(yǎng)分釋放速率始終快于小麥秸稈。易鎮(zhèn)邪等[19]研究了稻–稻–肥（紫云英）、稻–稻–油（油菜）、稻–稻–閑（冬閑）3種復(fù)種制度下秸稈還田對水稻生產(chǎn)能力的影響，結(jié)果表明，早稻產(chǎn)量以稻–稻–肥處理最高，稻–稻–油處理居中，兩者分別比稻–稻–閑處理高3.1%和1.8%；冬作秸稈與早稻秸稈還田使晚稻顯著增產(chǎn)，稻–稻–肥與稻–稻–油處理比稻–稻–閑處理分別增產(chǎn)15.4%和11.0%。牛建剛[20]的研究表明，稻茬小麥和稻茬油菜免耕覆蓋栽培技術(shù)，可以有效利用水稻秸稈資源，增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善稻田有益生物環(huán)境條件，促進(jìn)農(nóng)田肥力平衡，提高后茬作物產(chǎn)量，達(dá)到節(jié)本增效的目的。王振忠等[21]認(rèn)為在不同耕作制度下，秸稈還田對作物產(chǎn)量存在一定的影響，在稻麥兩熟地區(qū)實(shí)施秸稈全量直接還田并配施化肥，稻麥產(chǎn)量一般比單施化肥的增加5%以上，其中水稻的增產(chǎn)幅度高于小麥。

3 秸稈還田的效果

3.1 秸稈還田的腐解過程

腐熟程度決定了還田的秸稈可被利用的養(yǎng)分含量[22-23]。隨著還田時間的推移，秸稈的腐解率表現(xiàn)出前期增加快而后期增加慢的規(guī)律，秸稈的腐解速率逐漸減小，并逐漸趨于平衡[24]。胡宏祥等[25]的研究認(rèn)為，油菜秸稈腐解特征和腐解速率受還田用量的影響，秸稈腐解速率由高到低排列依次為1/3 量還田＞1/2 量還田＞2/3 量還田＞全量還田。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著時間的延長秸稈腐解百分率逐漸增大，腐解速率逐漸減慢；隨著秸稈還田量增加，腐解速率逐漸降低，還田秸稈量在33%左右時，土壤微生物分解效果最佳[26]；秸稈還田深度越深，腐解速率越慢，在種植水稻條件下油菜秸稈還田深度在10 cm 時腐解速度最慢，在表層還田腐解速度最快，20 cm 深還田腐解速度居中。

秸稈還田的不完全腐解，會在土壤中產(chǎn)生一定秸稈殘留，覆蓋表層的秸稈殘留要多于土壤殘留，麥季稻秸覆蓋還田一季后秸稈殘留率在60%左右，埋在土層的殘留率在40%左右；稻季麥秸覆蓋還田一季后秸稈殘留率在25%左右，而埋在土層的殘留率在20%左右[27]。秸稈殘留會和農(nóng)作物競爭土壤養(yǎng)分，從而阻礙作物生長。采用纖維素降解菌和白腐菌等生物降解菌能夠快速腐解秸稈，并可改良土壤理化性狀，從而達(dá)到省工省時、增產(chǎn)增效的目的[28-29]。通過配施適宜的腐稈劑也可提高秸稈的腐解率，使秸稈中所含的有機(jī)質(zhì)及磷、鉀等元素成為植物生長所需的營養(yǎng)，并產(chǎn)生大量有益微生物，刺激作物生產(chǎn)，提高土壤有機(jī)質(zhì)，增強(qiáng)植物抗逆性，從而提高水稻產(chǎn)量。李繼福等[30]的研究表明，秸稈全量還田能提高水稻產(chǎn)量5.0%；而配施腐稈劑2 號時，水稻地上部干物質(zhì)量和產(chǎn)量分別為1125 kg/hm2和435 kg/hm2，增幅分別達(dá)6.9%和7.6%。

3.2 秸稈還田對土壤微生物的影響

土壤中的微生物（細(xì)菌、真菌、放線菌）對周圍環(huán)境變化非常敏感，作物種植、灌水、施肥、耕作等一系列農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施，都會對微生物的生命活動產(chǎn)生影響。首先，秸稈還田通過改變土壤的含水量、透氣性及接收光照的程度等，影響土壤理化性質(zhì)及其外部生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而影響微生物的生長繁殖；其次，秸稈還田后，給微生物帶來了大量的營養(yǎng)物質(zhì)和能量源，為微生物生長繁殖提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

而微生物也是反應(yīng)土壤肥力和生態(tài)環(huán)境變化的活指標(biāo)[31]。秸稈還田為微生物的生長提供物質(zhì)基礎(chǔ)，創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，而微生物對土壤有機(jī)質(zhì)的形成以及土壤養(yǎng)分的循環(huán)和轉(zhuǎn)化起著至關(guān)重要的作用，從而使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)向良性循環(huán)的方向發(fā)展。秸稈還田可以有效刺激土壤微生物的活性，增加土壤微生物數(shù)量，改變土壤腐殖質(zhì)組成及特性，提高土壤肥力，促進(jìn)水稻生長發(fā)育。以早稻秸稈為例，配合水稻專用復(fù)合肥一次性還田秸稈2.5～5.0 t/hm2，翻耕后對土壤微生物影響效果較好[32]。

3.3 秸稈還田對土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分的影響

土壤有機(jī)質(zhì)既是土壤結(jié)構(gòu)的重要組成部分，又是養(yǎng)分的儲藏庫，為作物生長、微生物的生命活動提供能源和物質(zhì)保證，在提高土壤肥力、維持農(nóng)田生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定、保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用。大量研究均表明，秸稈還田可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤通透性，提高土壤的生產(chǎn)潛力和持續(xù)增產(chǎn)能力[33]。秸稈還田后，土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量及質(zhì)量表征，受土壤類型、肥料種類和作物輪作方式等的多種因素影響，而秸稈配施化肥是增加土壤有機(jī)碳的有效途徑，可增加土壤腐殖質(zhì)含量，改善了土壤腐殖質(zhì)品質(zhì)，從而提高了土壤肥力質(zhì)量。相關(guān)研究表明，秸稈配施不同化肥用量，能夠不同程度的影響土壤有機(jī)碳含量[34]。張岳芳等[35]對長江下游稻麥兩熟農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳固定進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，秸稈還田條件下周年土壤碳固定量約6 383 kg（CO2），較秸稈不還田增加土壤碳固定量531%。研究還表明，長期施用有機(jī)肥會影響有機(jī)質(zhì)在土壤剖面中的分布，影響深度可達(dá)1 m，但只有60 cm 以上才有明顯變化[36]。

3.4 秸稈還田對作物的增產(chǎn)作用

作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的有機(jī)物，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)有機(jī)肥重新作為一種農(nóng)業(yè)資源，直接或間接歸還入土壤。秸稈還田對土壤中養(yǎng)分的儲存轉(zhuǎn)化等過程有重要的影響。秸稈還田后可在一定程度上充實(shí)土壤養(yǎng)分庫，并且秸稈還田能將施入的化肥在土壤有機(jī)質(zhì)中積累下來，提高其礦化作用，從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣谧魑镂盏酿B(yǎng)分。

研究表明，秸稈全量直接還田與施用化肥相比，可顯著提高土壤酶活性和土壤肥力，明顯提高作物產(chǎn)量[37]；同時，秸稈還田處理后干物質(zhì)積累速度提高，有利于形成較高的干物質(zhì)積累量和較大的庫容，促進(jìn)水稻對氮素的吸收，從而提高產(chǎn)量[38]。王振忠等研究表明，與單施化肥處理相比，秸稈（全量直接還田）+化肥處理的土壤生產(chǎn)力提高了19.5%，當(dāng)季氮肥利用率提高了13.2%，稻、麥分別增產(chǎn)6.2%和3.7%。王小彬等[39]通過7 a 的玉米秸稈還田研究，結(jié)果表明，與單施化肥處理相比，秸稈直接還田配施化肥能夠提高31%左右的作物產(chǎn)量。

值得注意的是，由于作物秸稈還田在提供養(yǎng)分方面類似有機(jī)肥的肥效發(fā)揮，一般都比較緩慢，要持續(xù)幾年以后才能穩(wěn)定表現(xiàn)出來。研究顯示，秸稈還田處理后，3年中植株氮素積累量分別增加了14.4%、25.7%和25.8%。同樣，在改善土壤理化性質(zhì)方面，秸稈還田的持續(xù)時間越長，越能體現(xiàn)其對土壤理化性狀的改善作用。因此，持續(xù)實(shí)行秸稈還田，保持穩(wěn)定的環(huán)境，最終才能起到增產(chǎn)培肥的效果。

4 研究展望

綜上所述，秸稈還田相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用取得了長足的發(fā)展，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中還存在一些問題。首先，秸稈還田條件下化肥配比施用問題。目前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對化肥的投入量較大，但肥料利用率較低，造成了資源的大量浪費(fèi)，不僅污染環(huán)境，而且使得土壤肥力逐年下降。秸稈作為一種可代替?zhèn)鹘y(tǒng)有機(jī)肥的肥源，還田后可以補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，減少化肥用量，同時也可提高土壤質(zhì)量，避免資源的浪費(fèi)和環(huán)境污染。因此，根據(jù)不同地區(qū)的土壤地力條件，在不同秸稈還田量下如何施用化肥，使土壤質(zhì)量、作物產(chǎn)量和品質(zhì)以及農(nóng)田生態(tài)環(huán)境實(shí)現(xiàn)最佳組合，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)的協(xié)調(diào)發(fā)展，還有待進(jìn)一步研究。其次，秸稈還田發(fā)展到目前階段，不同作物秸稈的還田技術(shù)和方式，以及在輪作體系下作物秸稈還田方式間的配合，對土壤肥力及作物的產(chǎn)量有怎樣的影響，還需更深入的探討。第三，秸稈還田效應(yīng)研究多集中于還田所產(chǎn)生的單一或多方面的積極效應(yīng)，在特定環(huán)境條件下秸稈還田對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會造成一定的抑制作用，如何從多重角度來闡明秸稈還田效應(yīng)及增產(chǎn)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。第四，國內(nèi)外對農(nóng)作物秸稈資源化利用的途徑和技術(shù)研究很多，國外秸稈利用技術(shù)已經(jīng)成熟，而且利用率很高。與國外先進(jìn)技術(shù)相比，我國秸稈還田機(jī)理研究雖然廣泛，但還田技術(shù)還不成熟，實(shí)用性不強(qiáng)，真正應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的案例較少，仍需借鑒國外先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

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