秸稈還田對(duì)農(nóng)田環(huán)境多重影響研究進(jìn)展

陳　浩， 張秀英， 郝興順， 吳玉紅， 張春輝， 張選明

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

隨著農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)的變化和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，在糧食增產(chǎn)的同時(shí)農(nóng)作物秸稈過(guò)剩問(wèn)題帶來(lái)的農(nóng)村環(huán)境問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題日益突出。為此，我國(guó)提出推進(jìn)種養(yǎng)業(yè)廢棄物資源化利用、無(wú)害化處置的建議，關(guān)于農(nóng)業(yè)資源綜合利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新模式不斷涌現(xiàn)，農(nóng)作物秸稈資源化利用不斷受到重視，秸稈還田技術(shù)得到廣泛推廣與應(yīng)用。目前，作物秸稈作為替代傳統(tǒng)有機(jī)肥的一種農(nóng)業(yè)資源，直接或間接歸還土壤，能夠有效減少肥料投入，緩解農(nóng)業(yè)所需肥料的不足，不僅可減少肥料對(duì)農(nóng)田環(huán)境的污染[1-2]，而且有助于提高化肥利用率[3-4]；另外，秸稈還田后能夠形成一個(gè)良好的土壤生態(tài)體系，顯著提高土壤酶活性，增加土壤養(yǎng)分含量和土壤有機(jī)質(zhì)含量[5-8]，改善農(nóng)田有益生物環(huán)境條件，促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)平衡，提高后茬作物產(chǎn)量[9-10]。而秸稈還田后土壤層結(jié)構(gòu)和土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化使農(nóng)田生境發(fā)生改變，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)再次面臨環(huán)境壓力[8，11-13]，限制秸稈還田技術(shù)的節(jié)本增效、資源利用和生態(tài)循環(huán)優(yōu)勢(shì)。因此，有必要對(duì)當(dāng)前秸稈還田的多重效應(yīng)進(jìn)行綜合分析和深入探討，從根本上闡明秸稈還田的效應(yīng)機(jī)制，使秸桿還田技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐上得到有效推廣與應(yīng)用。如何正確把握秸稈還田技術(shù)且避免秸稈還田帶來(lái)的不利影響，是秸稈還田資源化利用的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。綜合分析和討論秸稈還田對(duì)農(nóng)田環(huán)境影響的多重性，對(duì)深入了解農(nóng)田環(huán)境變化、推進(jìn)秸稈還田技術(shù)發(fā)展和完善循環(huán)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)理論具有重要意義，可為后續(xù)相關(guān)研究提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1　秸稈還田對(duì)農(nóng)田環(huán)境的多重效應(yīng)

環(huán)境效應(yīng)(environmental effect)是指自然過(guò)程或者人類(lèi)的生產(chǎn)和生活活動(dòng)會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染和破壞，從而導(dǎo)致環(huán)境系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化的過(guò)程。這種變化有正面效應(yīng)，也有負(fù)面效應(yīng)。由于秸稈還田打破了原有的土壤結(jié)構(gòu)和土壤營(yíng)養(yǎng)平衡，使農(nóng)田環(huán)境發(fā)生了改變，從而引起一系列的環(huán)境效應(yīng)；而各種效應(yīng)在不同環(huán)境因子的影響下出現(xiàn)交互作用，使最后的綜合效應(yīng)變得復(fù)雜多變，產(chǎn)生效應(yīng)疊加或效應(yīng)消減效果。如農(nóng)田溫室效應(yīng)、農(nóng)田病蟲(chóng)害發(fā)生、土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化與吸收等會(huì)隨著農(nóng)田耕作制度、秸稈還田深度、秸稈還田施用量的變化而變化，從而影響作物產(chǎn)量、土壤質(zhì)量及農(nóng)田環(huán)境。認(rèn)識(shí)和估計(jì)秸稈還田對(duì)農(nóng)田環(huán)境影響的機(jī)制及其變化趨勢(shì)，可為有效增加環(huán)境系統(tǒng)的正效應(yīng)，降低環(huán)境系統(tǒng)的負(fù)效應(yīng)，從而改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提供重要依據(jù)；同時(shí)為秸稈還田后農(nóng)田環(huán)境質(zhì)量的生物監(jiān)測(cè)和生物學(xué)評(píng)價(jià)奠定理論基礎(chǔ)，對(duì)于防治環(huán)境污染和發(fā)展循環(huán)生態(tài)農(nóng)業(yè)具有實(shí)際意義。

2　秸稈還田對(duì)農(nóng)田環(huán)境的影響

2.1　秸稈還田的溫室效應(yīng)

農(nóng)業(yè)是溫室氣體排放的主要來(lái)源之一，無(wú)論是深耕還是覆蓋的秸稈還田方式，都會(huì)引起農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的溫室效應(yīng)[14]。秸稈還田溫室氣體的排放量大小與農(nóng)田類(lèi)型和耕作方式密切相關(guān)，其中水旱輪作下稻田對(duì)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)率最大。已有研究表明，在水稻季全生育期內(nèi)，秸稈還田處理的CH4排放總量為秸稈不還田處理的1.4倍[15]。在短期內(nèi)，全量秸稈還田有助于降低總體溫室氣體的排放量，但長(zhǎng)期進(jìn)行秸稈還田后的降低幅度會(huì)逐漸減小，而增溫潛勢(shì)卻不斷增加[16-17]。CH4排放量和碳釋放量隨著秸稈施用量的增加而增加，但當(dāng)秸稈施用量增加到一定程度時(shí)，稻田甲烷排放量不再進(jìn)一步增加[18-19]。盡管秸稈還田相對(duì)于不還田會(huì)起到土壤固碳減排的效果，但秸稈還田甲烷增排引起的全球增溫潛勢(shì)遠(yuǎn)高于土壤固碳減排潛力。由此可見(jiàn)，秸稈還田后，稻田增排甲烷的溫室效應(yīng)會(huì)大幅抵消土壤固碳的減排效益[20-21]。張?jiān)婪嫉妊芯匡@示，秸稈還田對(duì)長(zhǎng)江中下游稻麥兩熟區(qū)高產(chǎn)農(nóng)田周年CH4和N2O排放總量、土壤碳固定量以及凈增溫潛勢(shì)均有顯著或極顯著影響，與秸稈不還田相比，CH4排放總量增加152%、N2O排放總量減少14%、土壤碳固定量增加531%、凈增溫潛勢(shì)增加57%，表明秸稈還田可明顯提高短期稻麥兩熟高產(chǎn)農(nóng)田的溫室效應(yīng)，其中主要排放的溫室氣體為CO2、CH4和N2O[22]。通過(guò)改進(jìn)秸稈還田方式，可以起到減溫減排的效果。與常規(guī)還田相比，秸稈深埋處理可以減少溫室氣體的排放量，增加土壤固碳量。當(dāng)秸稈溝埋深度在20 cm左右時(shí)，不但可增加碳的積累量，同時(shí)可減少碳的排放量[23]。在保證作物產(chǎn)量水平不變的情況下，適當(dāng)調(diào)整農(nóng)田施肥措施，降低氮肥施用水平也可以有效降低CO2、N2O和CH4的排放量[24]。

2.2　秸稈還田對(duì)農(nóng)田病蟲(chóng)害的影響

秸稈還田在增加有益微生物的同時(shí)，也為作物病蟲(chóng)害提供了棲息、越夏或越冬場(chǎng)所，增加了田間病蟲(chóng)源基數(shù)。還田秸稈已成為病蟲(chóng)害傳播的新媒介，提高病菌病蟲(chóng)成活率，尤其是當(dāng)添加秸稈量過(guò)多或添加方式不當(dāng)時(shí)，可對(duì)有害生物的生長(zhǎng)產(chǎn)生一定的保護(hù)作用[25-27]。首先，還田方式及還田深度對(duì)地下害蟲(chóng)的種群數(shù)量與群落分布均有顯著影響。免耕秸稈覆蓋耕作方式不僅不會(huì)起到改善土壤疏松和增加通透性的作用，反而會(huì)使土壤濕度增大，通氣性變差，為土壤中的病蟲(chóng)害繁殖創(chuàng)造良好的環(huán)境條件，加之氣候變化的影響，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的病蟲(chóng)害發(fā)生規(guī)律產(chǎn)生顯著變化，導(dǎo)致病情加重[28]。通過(guò)調(diào)查免耕、旋耕、翻耕等3種耕作方式下秸稈還田對(duì)稻象甲等幼蟲(chóng)越冬死亡率的影響發(fā)現(xiàn)，蟲(chóng)害死亡率大小為翻耕>旋耕>免耕，說(shuō)明深耕和中耕可以有效控制和降低地下害蟲(chóng)的密度[29]。當(dāng)秸稈淺埋還田時(shí)，秸稈上的病菌會(huì)侵染生長(zhǎng)作物，增加田間菌源量；當(dāng)掩埋深度≥20 cm時(shí)，能有效地消滅病害殘?bào)w，減少田間菌源量；當(dāng)秸稈集中掩埋還田深度 ≥35 cm 時(shí)，能有效降低病蟲(chóng)害越冬存活率[30]。因此，秸稈深耕是減少病害蟲(chóng)源的主要措施之一[31-32]。其次，直接將攜帶病害的秸稈和未腐熟的病害秸稈還田，會(huì)顯著提高下茬復(fù)種作物發(fā)生病害的概率和比例。水稻病稻稈還田后，第2年復(fù)種水稻的稻瘟病、葉鞘腐病、紋枯病發(fā)生較重[33]。有必要對(duì)用來(lái)還田的秸稈進(jìn)行病害調(diào)查和檢測(cè)，以避免對(duì)下茬作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。此外，不同秸稈還田時(shí)間對(duì)作物病蟲(chóng)害發(fā)生也具有一定的影響，但鑒于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的可操作性，目前秸稈還田主要集中在作物茬耕翻階段。

2.3　秸稈還田對(duì)土壤溫度的影響

秸稈覆蓋還田在一定程度上能阻隔外界光照與土壤之間的溫度傳遞，使秸稈覆蓋下土壤溫度的變化趨于緩和，能夠平抑地溫變化，縮小晝夜溫差，對(duì)土壤溫度調(diào)控具有一定的作用[34]。這種雙重效應(yīng)對(duì)作物生長(zhǎng)十分有利，在作物生長(zhǎng)前期，秸稈還田可以維持土壤溫度，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，為作物后期的生長(zhǎng)奠定良好的基礎(chǔ)；而在作物生長(zhǎng)后期，秸稈還田又能降低土壤溫度，減少水分蒸發(fā)。已有研究表明，秸稈覆蓋可降低冬小麥的基本苗數(shù)、分蘗數(shù)及生育前期的葉面積指數(shù)，但到生育后期，覆蓋處理的葉面積指數(shù)反而升高[35]。但隨著土層深度的增加，秸稈覆蓋對(duì)土壤溫度的調(diào)節(jié)作用逐漸減弱[36]。在秸稈還田的同時(shí)配施不同比例的化肥，能夠有效調(diào)節(jié)土壤溫度，顯著提高土壤微生物的數(shù)量與活性，改善土壤生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。

2.4　秸稈還田對(duì)土壤水分的影響

秸稈還田可以降低土壤容重，提高土壤貯水消耗量，對(duì)農(nóng)田保水控水起到很好的作用，有利于作物水分利用效率的提高。對(duì)麥田進(jìn)行冬前秸稈覆蓋處理，全生育期土壤儲(chǔ)水量較未處理多47.3 mm[37]。秸稈還田可抑制土壤水分蒸發(fā)、減少田間耗水量、調(diào)整作物的耗水結(jié)構(gòu)，從而提高水分利用效率，減少鹽分表聚現(xiàn)象，能夠較好地滿足作物生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)水分的需要。秸稈還田處理的周年水分利用效率較不還田處理提高7.6%[38-40]。秸稈還田的保水效果與土層深度有關(guān)，可明顯提高0～40 cm土層的含水量，對(duì)土壤剖面水分含量的影響范圍可達(dá)2 m，但其保水效果會(huì)隨著土壤深度的增加而減小。與常規(guī)耕作相比，深耕、深松處理的周年作物水分利用效率分別提高8.8%、6.3%，作物產(chǎn)量分別提高10.7%、9.8%[38]。土壤溫度對(duì)保水效果也有一定影響，在低溫情況下秸稈覆蓋的保水效果較低。秸稈還田對(duì)土壤水分性狀的影響是復(fù)雜的，還田后的秸稈在腐解過(guò)程中將消耗大量土壤水分，因而產(chǎn)生與作物爭(zhēng)奪水分的現(xiàn)象。當(dāng)秸稈腐解過(guò)程基本結(jié)束后，秸稈覆蓋又增加了土壤的保水性、滲水性，因而有利于土壤水分性狀的改善或土壤含水量的增加[41-42]。已有研究表明，秸稈還田與氮肥的合理配施，可以調(diào)控土壤水分，增加土壤含水量，加快氮肥的吸收和利用，提高土壤肥力水平，改善肥料利用效率，從而達(dá)到很好的水肥耦合作用[43-44]。

2.5　秸稈還田的化感效應(yīng)

由植物間產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)引起的有利或有害作用常稱為化感作用。水稻、小麥等植物殘?bào)w常通過(guò)活體分泌或腐解釋放化感物質(zhì)而起作用。其中，水稻秸稈在還田腐解過(guò)程中產(chǎn)生的苯乙醇酸、對(duì)氰基苯甲酸、香草酸、乙酸等可抑制水稻幼苗的生長(zhǎng)[45-46]。另有研究指出，在土壤上覆蓋一定量的麥秸后，秸稈分解物質(zhì)的化感作用會(huì)降低玉米平均發(fā)芽率[47]；而小麥秸稈中的酚酸類(lèi)化感物質(zhì)在低水培濃度時(shí)，也會(huì)抑制小麥自身根系的生長(zhǎng)[48]。在秸稈還田技術(shù)中，須加強(qiáng)研究秸稈腐解產(chǎn)生的化感物質(zhì)對(duì)作物生長(zhǎng)的抑制作用，了解不同作物秸稈化感物質(zhì)對(duì)還田效果的影響，從而使化感效應(yīng)向有益于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方向發(fā)展。稻稈腐解產(chǎn)生的有機(jī)酸類(lèi)化感物質(zhì)可以轉(zhuǎn)移和溶解土壤中的礦質(zhì)養(yǎng)分，提高土壤的生物有效性，從而有利于作物生長(zhǎng)發(fā)育[49-50]。而水稻、小麥、高粱等秸稈的化感作用都可以顯著抑制雜草的生長(zhǎng)，降低植物病蟲(chóng)害的發(fā)生概率，減少農(nóng)田除草劑和農(nóng)藥的使用量，有效減輕環(huán)境污染、減少病蟲(chóng)害的防治成本，且有利于提高下季作物產(chǎn)量，對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和糧食生產(chǎn)安全起保護(hù)作用[50-51]。此外，秸稈化感作用強(qiáng)度與秸稈腐解方式、秸稈不同部位及腐解時(shí)間有關(guān)。在稻麥輪作中稻稈或水稻殘株的還田對(duì)雜草有一定抑制作用，其中對(duì)作物生長(zhǎng)前期雜草的抑制作用明顯高于作物生長(zhǎng)后期[52]。

2.6　秸稈還田對(duì)土壤的修復(fù)效應(yīng)

作物秸稈作為重金屬的有機(jī)固化物，在重金屬吸附利用和土壤改良方面具有重要作用[53-55]。施用秸稈可以起到原位鈍化土壤重金屬的作用，這與秸稈還田在土壤中的轉(zhuǎn)化過(guò)程有關(guān)，還田秸稈在腐解過(guò)程中產(chǎn)生大量活性有機(jī)物，可增加對(duì)土壤重金屬的吸附能力，降低重金屬的移動(dòng)性和生物有效性，減少其向周?chē)h(huán)境的擴(kuò)散[55-56]。研究表明，油菜秸稈、小麥秸稈和水稻秸稈等均可顯著提高土壤化學(xué)耗氧量(chemical oxygen demand，簡(jiǎn)稱COD)的濃度，促進(jìn)土壤中重金屬Cu和Cd的溶出，其中油菜秸稈對(duì)土壤重金屬的吸附能力較高[54，57-58]，且隨著秸稈施用量的增加，土壤殘留重金屬全態(tài)、有效態(tài)含量呈逐漸降低的趨勢(shì)[59]。此外，秸稈還田產(chǎn)生的COD可以有效調(diào)節(jié)土壤pH值，影響土壤酸堿度，有效改良次生鹽漬化土壤，且土壤鹽分含量隨秸稈用量的增加而降低[56，60]。因此，探討不同種類(lèi)秸稈作為農(nóng)田土壤修復(fù)劑的可行性和施用條件，對(duì)秸稈還田土壤的修復(fù)利用、農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)以及有效降低農(nóng)田面源污染具有重要意義[54-55]。但我國(guó)重金屬污染耕地每年都會(huì)產(chǎn)生大量重金屬污染秸稈，而這些秸稈還田在把營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶入土壤的同時(shí)，也把秸稈中的重金屬帶入了土壤[61]，使農(nóng)田質(zhì)量下降，增加后茬作物出現(xiàn)重金屬含量超標(biāo)的可能性。目前，對(duì)以秸稈與有機(jī)肥配施作為土壤重金屬污染修復(fù)劑的研究較多，但關(guān)于秸稈對(duì)土壤修復(fù)內(nèi)在機(jī)制的研究還須進(jìn)一步深入。

3　研究展望

目前，我國(guó)秸稈資源化還田利用技術(shù)仍處在高消耗、高污染、低產(chǎn)出的狀況，未能得到高效合理的開(kāi)發(fā)利用[62-63]。充分認(rèn)識(shí)秸稈還田效應(yīng)的多重性、復(fù)雜性和交互作用，對(duì)完善秸稈還田技術(shù)具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。綜上所述，秸稈還田在農(nóng)田環(huán)境影響方面的研究應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面。

3.1　加強(qiáng)秸稈還田對(duì)農(nóng)田環(huán)境影響及其機(jī)制的研究

由于秸稈種類(lèi)和還田方式的多樣性以及不同地域氣候條件復(fù)雜與耕作制度多樣化等因素，秸稈還田效果的主導(dǎo)影響因素存在一定差異。加強(qiáng)各因素相關(guān)性研究，了解區(qū)域農(nóng)田環(huán)境影響機(jī)制，進(jìn)行區(qū)域橫向?qū)Ρ妊芯浚瑢?duì)于科學(xué)利用秸稈還田技術(shù)具有重要意義。同時(shí)，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高和區(qū)域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，應(yīng)考慮在不同層次生產(chǎn)力水平上進(jìn)行研究，以適應(yīng)未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。秸稈還田技術(shù)實(shí)施的不同年限對(duì)農(nóng)田環(huán)境的影響程度不同，將短期與長(zhǎng)期定位試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行縱向比較研究，對(duì)于揭示秸稈還田對(duì)農(nóng)田環(huán)境影響機(jī)制、探索農(nóng)作物資源化利用有效方式以及建立循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式有重要意義。

3.2　結(jié)合農(nóng)田環(huán)境在秸稈還田過(guò)程中的變化因素及其相互影響機(jī)制，系統(tǒng)研究秸稈還田技術(shù)對(duì)農(nóng)田環(huán)境及生態(tài)環(huán)境效率變化的影響

目前，秸稈還田對(duì)環(huán)境影響的研究主要集中在土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)等單一環(huán)境變化方面，對(duì)引起農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化各因素之間聯(lián)系的研究較少，不能客觀闡明環(huán)境效應(yīng)的得失。同時(shí)，秸稈還田技術(shù)對(duì)農(nóng)田環(huán)境的影響缺乏經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效應(yīng)相結(jié)合的綜合生態(tài)效率評(píng)價(jià)體系，秸稈循環(huán)利用對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響效果尚不明確。因此，探索新的評(píng)價(jià)指標(biāo)及研究方法，對(duì)分析農(nóng)田環(huán)境變化和系統(tǒng)評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

3.3　加強(qiáng)秸稈還田各項(xiàng)農(nóng)藝措施和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)

由于缺乏統(tǒng)一的秸稈還田技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目前大多關(guān)于秸稈還田對(duì)農(nóng)田環(huán)境效應(yīng)的研究所采用的配套農(nóng)藝措施均比較單一或不夠完善。綜合考慮秸稈還田與配肥技術(shù)、生物技術(shù)、耕作措施等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)，對(duì)提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)、優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、增加社會(huì)效益及發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)具有重要意義。同時(shí)，建立數(shù)學(xué)模型模擬各項(xiàng)農(nóng)業(yè)措施統(tǒng)籌對(duì)農(nóng)田環(huán)境的影響，探索適合不同地域的秸稈還田技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和方法，對(duì)于正確評(píng)估秸稈還田對(duì)農(nóng)田環(huán)境的影響以及建立低投入、高產(chǎn)出、低消耗、高效率的循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用的有效性與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性具有重要意義。

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