水稻秸稈還田對(duì)土壤培肥及水稻產(chǎn)量的影響研究進(jìn)展

曾憲楠，高斯倜，馮延江，孫 羽，宋秋來(lái)，王 麒

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所/農(nóng)業(yè)部東北地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，黑龍江哈爾濱150086;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030)

秸稈含有大量的有機(jī)物質(zhì)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的環(huán)保資源之一，也是現(xiàn)在我國(guó)大力倡導(dǎo)的肥源。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈產(chǎn)量居世界前列，約占全球的1/5，但我國(guó)對(duì)秸稈的綜合利用率較低，大部分秸稈依然采用傳統(tǒng)的焚燒處理方式，不僅沒(méi)有使秸稈資源得到有效利用，還造成了環(huán)境污染，破壞了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)平衡。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的糧食產(chǎn)量不斷提高，隨之帶來(lái)的作物秸稈產(chǎn)量也相應(yīng)提高，大量剩余秸稈無(wú)法得到有效處理。近幾年來(lái)，秸稈資源的利用已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視。一般認(rèn)為，秸稈還田處理可以使秸稈資源得到充分利用，可以適當(dāng)減少因焚燒秸稈帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題。目前，秸稈還田是我國(guó)乃至全世界都在研究的重要方向。本研究針對(duì)水稻秸稈還田對(duì)稻田土壤理化性質(zhì)、土壤微生物含量、酶活性和水稻產(chǎn)量的影響進(jìn)行了綜述，旨在為合理、高效地利用水稻秸稈資源、實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)的目標(biāo)提供參考。

1 水稻秸稈還田技術(shù)

1.1 水稻秸稈還田量

水稻產(chǎn)量、土壤性狀會(huì)受到秸稈還田量的影響，因還田量的大小而不同，但秸稈的還田量并不是越多越好，應(yīng)該在一個(gè)適宜的范圍內(nèi)。秸稈還田量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致秸稈不能充分腐爛，作物難以吸收養(yǎng)分，影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育甚至造成減產(chǎn)，還田量過(guò)少會(huì)影響土壤的改良效果。適宜還田量的確定，不僅要考慮作物品種，還要考慮土壤條件、耕作方式和稻田環(huán)境等。已有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤微生物的含量受到不同秸稈還田量的影響［1］，無(wú)論秸稈半量還是全量還田處理，土壤微生物量與秸稈不還田相比均會(huì)提高，并且全量還田處理大于半量還田處理，在連續(xù)三季秸稈還田后，微生物含量仍會(huì)提高。

1.2 秸稈還田方式

我國(guó)常見(jiàn)的秸稈還田方式有粉碎翻壓、覆蓋、留高茬等。作物收獲后，秸稈通過(guò)收割機(jī)等機(jī)械粉碎后直接翻耕入土，在微生物和酶的共同作用下腐爛分解，使土壤有機(jī)質(zhì)含量提高，這種還田方式稱為秸稈粉碎翻壓還田，此方式秸稈處理量大且成本低、效率高，適合大面積推廣。秸稈覆蓋還田是將粉碎或未粉碎的秸稈直接覆蓋在土表，并配套相應(yīng)的農(nóng)業(yè)措施，可以保護(hù)土壤，減少水分和養(yǎng)分流失。留高茬還田是指在水稻收割時(shí)，基部留下一定長(zhǎng)度的莖稈，通過(guò)翻耕滅茬，讓秸稈自然腐解，以達(dá)到疏松土壤、提高土壤有機(jī)質(zhì)含量目的的一項(xiàng)綜合配套技術(shù)。作為保護(hù)性耕作措施，留高茬還田可以提高秸稈還田利用率，改良土壤理化性質(zhì)［2］。

1.3 秸稈還田機(jī)械

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速，農(nóng)村勞動(dòng)力不斷流失，農(nóng)業(yè)機(jī)械化已經(jīng)是大勢(shì)所趨，推廣機(jī)械化秸稈還田，可以減少人工、提高效率、省時(shí)省力，并且粉碎后的秸稈與土壤接觸面積增大，使腐解速度加快，營(yíng)養(yǎng)成分得到充分的利用。要實(shí)施水稻秸稈還田，首先要采用聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行作物秸稈的收割，聯(lián)合收割機(jī)可以使作物收獲和秸稈還田過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，降低了作業(yè)成本。秸稈粉碎后，一般使用旋耕整地機(jī)作業(yè)，其中反轉(zhuǎn)滅茬旋耕機(jī)覆蓋率高并且耕深作業(yè)后的田面平整，易于播種，可以進(jìn)行大面積推廣。同時(shí)，還有旋耕播種施肥復(fù)式作業(yè)機(jī)，一次作業(yè)可完成多種工序。在秸稈機(jī)械化還田的過(guò)程中，除了必要的還田機(jī)械，通常還會(huì)應(yīng)用大中型的拖拉機(jī)與之相配，以實(shí)現(xiàn)還田、耕地和整地一次性完成的目標(biāo)［3］。

2 秸稈還田對(duì)稻田土壤理化性質(zhì)的影響

2.1 土壤物理性狀

在稻田土壤中，土壤形態(tài)結(jié)構(gòu)、腐殖質(zhì)含量和土壤的松緊狀況影響著土壤顆粒的凝結(jié)，體現(xiàn)了土壤中水、肥、氣、熱等因素的變化和供應(yīng)情況，一般以土壤容重、孔隙度和團(tuán)聚體等物理性狀來(lái)表示，體現(xiàn)了土壤的肥力。研究表明，土壤微生物的活動(dòng)、土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與供應(yīng)乃至于作物的生長(zhǎng)都離不開(kāi)良好的通氣透水條件［4］。其中，土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)移和作物根系生長(zhǎng)受土壤容重和孔隙度的影響。土壤水分和養(yǎng)分的儲(chǔ)存由土壤團(tuán)聚體提供場(chǎng)所。大多數(shù)研究表明，秸稈覆蓋還田會(huì)降低土壤容重、增加孔隙度和通氣狀況，有利于形成良好的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。秸稈覆蓋還田后，因?yàn)榻斩挼拿芏刃∮谕寥?，所以土壤密度和容重?huì)降低，同時(shí)地表裸露減少，土壤結(jié)構(gòu)不易受到外界影響，還會(huì)降低土壤容重，使土壤總孔隙度提高，減少土壤“板結(jié)”現(xiàn)象［5］。還有研究表明，秸稈還田可以使土壤中水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(＞0.25 mm)增加、土壤 MWD(mean weight diameter，平均質(zhì)量直徑)和 GMD(geometric mean diameter，幾何平均直徑)提高［6］。

2.2 土壤有機(jī)質(zhì)含量

土壤中的大量營(yíng)養(yǎng)元素來(lái)自于土壤中的有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量可以體現(xiàn)土壤的肥力大小。在一定范圍內(nèi)，土壤肥力隨有機(jī)質(zhì)含量增加而提高。秸稈還田能夠促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的形成。王志民等提出，免耕秸稈覆蓋還田、翻耕秸稈還田能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量［7］。根茬和秸稈所形成的土壤有機(jī)碳含量高于礦化量時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)含量將會(huì)提高，與秸稈不還田相比，全量還田和半量還田處理的有機(jī)質(zhì)含量更高［8］。土壤有機(jī)質(zhì)與土壤的結(jié)構(gòu)性、通氣性、滲透性、吸附性、緩沖性有密切的關(guān)系。土壤中的有機(jī)質(zhì)分解時(shí)可以提供作物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分，產(chǎn)生多種有機(jī)酸，有利于某些養(yǎng)分的有效化，最終提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，提高作物產(chǎn)量是首要任務(wù)，因此應(yīng)該提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。

2.3 土壤氮、磷、鉀含量

秸稈還田可以提供植物生長(zhǎng)所必需的氮、磷、鉀等大量元素，是土壤養(yǎng)分的重要來(lái)源之一。土壤氮含量是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一。已有研究顯示，秸稈有機(jī)物料的還田，使稻田土壤中的氮和生物量碳含量顯著提高［9］。李鳳博等研究表明，秸稈還田使土壤全氮含量顯著提高［10］。李月華等提出，秸稈直接還田處理后，隨著還田年限增加，土壤堿解氮含量也相應(yīng)提高［11］。土壤中的磷與氮相比含量較低，秸稈還田也可以提高土壤磷的含量。洪春來(lái)等研究表明，秸稈還田使土壤速效磷的含量顯著提高，但不隨還田年限的增長(zhǎng)而對(duì)速效磷含量有顯著影響［12］。徐國(guó)偉等研究表明，秸稈還田可以提高土壤全磷的含量［13］。土壤中的鉀一般隨作物的收獲而流失，秸稈還田可以緩解土壤中鉀的流失。已有研究表明，秸稈還田可以使土壤可溶性鉀的含量提高［13］;同時(shí)也有研究顯示，秸稈還田使土壤速效鉀含量顯著提高［14］。

2.4 土壤微量元素含量

已有相關(guān)研究表明，秸稈中富含大量的微量元素，可以促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，解決目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上缺乏相應(yīng)微量元素的問(wèn)題。李本銀等提出，秸稈還田處理使土壤Cu、Zn的含量顯著提高，對(duì)土壤Fe、Mg的含量影響相對(duì)不顯著［15］。徐國(guó)偉等則提出，秸稈還田使土壤 Na+、Mg2+、Ca2+的含量降低［13］。已有研究表明，秸稈直接還田可以顯著提高土壤有效鐵含量，對(duì)有效鎂、有效銅和有效鋅影響不顯著［11］。但也有研究認(rèn)為，秸稈粉碎還田配施化肥可以使砂漿黑土Mn、Zn和Cu的生物有效性顯著提高［16］。同時(shí)，水稻中含有大量的Si，作為秸稈還田后可促進(jìn)后茬水稻植株對(duì)Si的吸收。

2.5 土壤碳氮比

前人研究表明，當(dāng)C/N為25∶1時(shí)比較有利于土壤微生物分解，但是C/N過(guò)高的作物例如小麥(60∶1)，還田后一段時(shí)間內(nèi)會(huì)減少土壤的N含量［17］。無(wú)論是何種作物秸稈，還田后均會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)，這是因?yàn)榻斩捴蠧/N高(大麥)或者是秸稈本身生物量氮含量低(油菜)，也可能是秸稈與作物吸氮量缺乏同步［18］。農(nóng)作物秸稈還田會(huì)影響土壤氮素的含量，氮素容易在高C/N的作物秸稈還田處理下被固定在土壤中。已有研究顯示，單施C/N高的有機(jī)物料會(huì)造成土壤氮的缺乏［19］。因此，在秸稈直接還田時(shí)，通常配施一定量無(wú)機(jī)氮肥，用以補(bǔ)充土壤。當(dāng)?shù)柿弦约暗唾|(zhì)量(C/N比＞42∶1)的秸稈殘?jiān)€田時(shí)，氮素?fù)p失降低［20］。過(guò)高的施氮量容易造成土壤氮磷比(N/P)失調(diào)，抑制秸稈的腐爛［21］。同時(shí)，其他的有機(jī)材料和化學(xué)肥料也利于土壤碳含量的補(bǔ)充和理化性質(zhì)的改善。

2.6 土壤微生物含量

土壤微生物的多樣性和群落結(jié)構(gòu)可以體現(xiàn)出一個(gè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的基本情況，是反映土壤肥力的有效生物學(xué)指標(biāo)。土壤微生物可以在根際中連接作物與土壤，參與土壤中的能量和物質(zhì)循環(huán)，提高土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化速率。秸稈還田可以促進(jìn)微生物生長(zhǎng)繁殖，使土壤微生物的活性提高，尤其是真菌和細(xì)菌比例的提高［22］，導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的改變［23］。已有研究顯示，秸稈還田會(huì)顯著影響土壤細(xì)菌結(jié)構(gòu)及其多樣性［24］。

李鵬等通過(guò)試驗(yàn)表明，水稻秸稈還田可以使土壤真菌群體數(shù)量和多樣性指數(shù)提高，土壤有機(jī)碳含量、pH值和速效磷含量是影響土壤真菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性變化的主要原因［25］。劉建國(guó)等發(fā)現(xiàn)，隨著秸稈還田年限的增加，土壤微生物總數(shù)呈先減少后增加的趨勢(shì)，與短期相比，長(zhǎng)期連作與秸稈還田條件下，土壤生物性狀趨于好轉(zhuǎn)，生物多樣性指數(shù)增加，細(xì)菌、放線菌數(shù)量增加，而真菌所占比例下降［26］。大多數(shù)研究認(rèn)為，土壤中有效氮含量與微生物數(shù)量有關(guān)，一定含量的有效氮有利于微生物的繁殖，提高秸稈腐解速率［27］，原因是微生物合成新的細(xì)胞體需要一定量的碳素和氮素，這些都可以從秸稈腐爛分解后獲得［28］。錢(qián)海燕等研究表明，秸稈還田與微生物菌劑配施、平衡施肥可以促進(jìn)土壤微生物群落物種個(gè)體數(shù)增加、分布更均勻［29］。微生物菌劑可以使秸稈腐解速度加快，提高土壤有效氮含量［30］。

2.7 土壤酶活性

土壤中的生物化學(xué)反應(yīng)之所以能夠持續(xù)進(jìn)行，是因?yàn)橛型寥烂高@種生物催化劑參與其中。土壤酶是存在于土壤中各酶類的總稱，是土壤的組成成分之一。大多數(shù)土壤酶來(lái)自土壤中的動(dòng)植物和微生物的活體或殘?bào)w，有利于土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)。土壤酶活性是土壤的本質(zhì)屬性，土壤酶活性大小是土壤肥力的重要指標(biāo)［30］。土壤酶活性受到土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、微生物含量、人為因素等多種因素的影響。目前，在土壤中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)50～60種酶，其中研究較多的有氧化還原酶、轉(zhuǎn)化酶和水解酶等。

大多數(shù)研究表明，不同秸稈還田量處理后，土壤酶活性均高于對(duì)照處理［31］。王倩倩等發(fā)現(xiàn)，秸稈還田配施氮肥可以影響土壤酶活性，但配施氮肥的比例不同對(duì)其影響并不顯著［32］。楊濱娟等試驗(yàn)結(jié)果顯示，秸稈還田配施不同比例化肥，各處理的轉(zhuǎn)化酶活性均顯著高于對(duì)照，提高了15.41% ～98.69%［33］。馬春梅等研究表明，從水稻插秧到收獲期，秸稈還田配合施肥處理土壤脲酶活性呈先降再升最后降低的趨勢(shì)，這可能是受到分蘗肥的影響［34］。土壤中的微生物、有機(jī)質(zhì)和氮素的含量都會(huì)影響土壤脲酶的活性［35］，尤其是氮肥施用能夠顯著提高土壤脲酶活性［36］。與秸稈不還田相比，秸稈還田處理脲酶活性顯著下降，高量還田處理比低量還田處理脲酶活性降低，但沒(méi)有顯著差異。汪成忠等發(fā)現(xiàn)，土壤脲酶與過(guò)氧化氫酶活性極顯著相關(guān)，這顯示出土壤脲酶和過(guò)氧化氫酶兩者之間存在一些共性［37］。閆超等的研究結(jié)果表明，秸稈還田處理降低了土壤脲酶的活性，提高了蔗糖酶活性，對(duì)酸性磷酸酶和過(guò)氧化氫酶無(wú)明顯影響［38］。但同時(shí)戰(zhàn)厚強(qiáng)等的試驗(yàn)結(jié)果顯示，無(wú)論是酸、堿還是中性磷酸酶活性，秸稈還田處理均顯著高于不還田處理［39］，這可能與土壤的pH有關(guān)，土壤磷酸酶活性極易受到土壤pH的影響。

3 秸稈還田對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

秸稈還田后經(jīng)腐爛分解可以為土壤提供大量的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)土壤的微生物數(shù)量也隨之提高，理化性質(zhì)得到改善，有利于作物的生長(zhǎng)［40］，最直接的作用體現(xiàn)在水稻產(chǎn)量的提高。王會(huì)斌等研究表明，無(wú)論是秸稈半量還是全量還田，水稻籽粒產(chǎn)量均顯著提高［41］。劉曉霞等連續(xù)4年秸稈還田試驗(yàn)表明，秸稈還田是提高土壤肥力和增加作物產(chǎn)量的有效途徑，并且秸稈還田對(duì)作物增產(chǎn)和耕地質(zhì)量的提升效應(yīng)隨著實(shí)施年限的增加而越發(fā)突出［42］。王飛軍等通過(guò)秸稈快速腐熟技術(shù)試驗(yàn)提出，相比傳統(tǒng)秸稈還田，早稻秸稈還田加施腐熟劑的產(chǎn)量平均增加13.8%;同時(shí)，與不還田對(duì)照相比，秸稈還田使土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著提高，其增幅為0.2% ～7.0%［43］。楊濱娟等試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈還田配施不同比例的化肥可以加快作物植株干物質(zhì)積累的速度，提高作物群體生物量，使土壤養(yǎng)分得到顯著改善，提高水稻的增產(chǎn)潛力［44］。韓新忠等研究分析表明，水稻的產(chǎn)量受土壤酶含量和微生物的碳、氮含量的影響顯著，土壤酶活性和微生物量碳可以在一定程度上反映土壤的肥力，是衡量?jī)?yōu)良土壤質(zhì)量的指標(biāo)，同時(shí)體現(xiàn)了水稻的生長(zhǎng)離不開(kāi)氮素［31］。

4 展望

秸稈作為有機(jī)肥料的來(lái)源之一，具有大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。秸稈焚燒處理不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，還會(huì)污染空氣，危害人們的健康，進(jìn)行秸稈還田相關(guān)的研究刻不容緩。近幾年來(lái)，關(guān)于秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量與土壤的影響方面已有大量的學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究。大多數(shù)研究結(jié)果表明，秸稈還田有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，改良土壤的理化性質(zhì)，使土壤的養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量提高，土壤微生物和酶的活性提高等。但是，相應(yīng)的問(wèn)題也隨之出現(xiàn)，例如秸稈還田增大了土壤的孔隙度，有時(shí)會(huì)造成跑風(fēng)現(xiàn)象;土壤微生物的增加與作物爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng)，影響作物生長(zhǎng);秸稈還田促進(jìn)CO2、CH4和N2O等溫室氣體的排放等問(wèn)題。

今后，應(yīng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的工作:(1)不同的栽培和秸稈還田方式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響還不明確，目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大部分以傳統(tǒng)的耕作方式為主，這直接或間接地影響了秸稈還田后的成效，因此，須要加強(qiáng)秸稈還田與相應(yīng)配套栽培措施的研究。(2)秸稈還田后，土壤微生物的種類和數(shù)量發(fā)生了一定的變化，目前大多數(shù)研究集中在優(yōu)勢(shì)土壤微生物，由于土壤生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的由多種因素影響的系統(tǒng)，因此對(duì)秸稈還田下土壤微生物學(xué)效應(yīng)研究有待深入。(3)已有大量研究表明，秸稈還田會(huì)增加溫室氣體的排放［45－46］，但稻田溫室氣體的排放是多種因素綜合作用的結(jié)果，因此，可以將研究重點(diǎn)放在減量施肥和提高養(yǎng)分利用率等方面，有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。