農(nóng)作物秸稈還田研究進(jìn)展

高 靜，朱 捷，黃益國，張 明，張瑞春，彭亞瓊

（衡陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，湖南衡陽421101）

我國是農(nóng)業(yè)大國，糧食產(chǎn)量位居全球第一，每年產(chǎn)生的秸稈資源量也相當(dāng)豐富。有數(shù)據(jù)表明，全國每年生產(chǎn)各類秸稈7億噸，約占全世界的20% ～30%，是世界第一秸稈大國［1，2］。其中，水稻秸稈每年產(chǎn)量約2億噸［3］。隨著我國農(nóng)作物產(chǎn)量年年豐收，秸稈的產(chǎn)生量也隨之增加。

作物秸稈中含有豐富的大量元素、微量元素及有機(jī)物，處理后可作為再生資源加以利用，成為作物生長的重要營養(yǎng)源［4］。有研究發(fā)現(xiàn)，小麥、水稻、玉米三種作物秸稈的含N量分別為0.64%、0.51%、0.61%，含P量分別為0.29%、0.12%、0.21%，含K量分別為1.07%、2.7%、2.28%［5］。前人研究表明，水稻秸稈中含有機(jī)物56.5%，全N 1.553%，全P 1.537%，全K 4.36%，Ca 1.773%，Mg 0.335%，Zn 86.03 mg/kg，F(xiàn)e 89.508 mg/kg，S 0.230%［6］。據(jù)統(tǒng)計，6億噸秸稈中，N、P、K養(yǎng)分含量相當(dāng)于尿素300萬噸以上，過磷酸鈣70萬噸以上，硫酸鉀700萬噸以上［7］。

1 秸稈利用的重要意義

作物秸稈對改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、培肥地力、提高作物品質(zhì)與產(chǎn)量等具有重要意義。

1.1 秸稈還田對環(huán)境的影響

1.1.1 對大氣環(huán)境的影響

短期進(jìn)行秸稈還田可使CH4排放總量降低，但長期進(jìn)行秸稈還田，CH4排放降幅減少，增溫趨勢變大。且隨著施入田塊的秸稈量增加，CH4排放量和N排放量增加［8］，當(dāng)每1 hm2施入12 t秸稈時，CH4排放量達(dá)到最高峰值，是未秸稈還田稻田的2.4倍［9］。

1.1.2 對農(nóng)田環(huán)境的影響

對農(nóng)田雜草的影響。秸稈還田可有效降低稻田雜草的密度、生物量和多樣性。因秸稈還田在不同程度上減少了優(yōu)勢雜草種類和種群數(shù)量，改變了農(nóng)田雜草間的競爭格局，同時雜草群落組成的優(yōu)勢種交替出現(xiàn)，雜草的生物多樣性差異顯著［10］。秸稈還田可以有效防除雜草，大大降低稻田雜草的總密度和生物量。有研究表明，秸稈還田使田間的禾本科和莎草科雜草種類明顯減少［11］，施用蕎麥秸稈粉可抑制雜草種子發(fā)芽，大大降低發(fā)芽率，尤其對稗草抑制作用強(qiáng)［12］。

對土壤微生物的影響。土壤微生物參與養(yǎng)分的活化、轉(zhuǎn)化和運(yùn)輸［13］，在土壤養(yǎng)分生物固定和礦化分解、硝化和反硝化等過程中起著重要的作用［14］。土壤微生物可以將土壤中一些不溶于水的礦質(zhì)元素轉(zhuǎn)化為可溶性的營養(yǎng)元素，供作物生長需求。同時，微生物死亡后的分解物也可被植物吸收利用。

秸稈腐解，能促進(jìn)作物根系分泌更多的刺激物，從而促進(jìn)土壤微生物的活動，土壤微生物量呈現(xiàn)前期上升，中期達(dá)到最高點(diǎn)后下降，后期又有所回升的趨勢［15］。秸稈還田可改變菌群的分布和數(shù)量，尤其能提高土壤中細(xì)菌和真菌數(shù)量。土壤好氣性和嫌氣性細(xì)菌數(shù)量的變化趨勢為前期迅速提高，中后期快速下降。真菌和放線菌數(shù)量表現(xiàn)出前期迅速下降，中后期緩慢上升［15］。

有研究表明，施加小麥稈糠、玉米稈糠后，0～20 cm植煙土層的反硝化細(xì)菌數(shù)量增加，其他細(xì)菌、放線菌、解磷菌數(shù)量減少；20～40 cm土層的細(xì)菌、解鉀菌和反硝化細(xì)菌數(shù)量增加，霉菌和解磷菌數(shù)量減少［16］。

1.2 秸稈還田對土壤特性的影響

通過秸稈覆蓋還田可影響農(nóng)田土壤容重、溫度和水分，改變土壤N、P、K和土壤有機(jī)質(zhì)含量。

1.2.1 土壤物理特性

土壤容重。秸稈還田將降低土壤容重，且隨著秸稈還田量增大，土壤容重的降低幅度相應(yīng)增大［17］。有研究表明，秸稈還田可使0～10 cm耕層土壤容重降低0.17～0.25 g/cm3［18］。

團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。秸稈還田能顯著提高總空隙度和毛管孔隙度，并形成良好的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，對退化土壤有一定的改善作用，且粉碎的秸稈改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的效果比長秸稈好。有研究表明，與無秸稈處理相比，粉碎秸稈還田土壤＞0.25 mm團(tuán)聚體的含量增加，＞5.00 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著提高120.5倍［19］。

土壤溫度。秸稈可以阻隔土壤與外界光照和溫度的傳遞，外界溫度高時，減小地溫變化幅度，外界溫度低時，在表層土壤產(chǎn)生增溫效益。較不還田處理，秸稈還田處理晝夜溫差縮小，但隨著土層的深度加深，秸稈對土壤溫度的影響作用逐漸變?。?0］。

土壤水分。秸稈還田可抑制土壤水分蒸發(fā)，提高土壤蓄水能力，減少田間耗水量，能較好地滿足作物生長發(fā)育對水分的需要。

在周年水分利用效率上，秸稈還田處理較不還田處理的提高7.6%；在周年農(nóng)田耗水量上，深耕+秸稈還田較不還田提高3.3%，深松+秸稈還田較不還田處理提高2.4%［21］。有研究表明，若對麥田進(jìn)行冬前秸稈覆蓋，相對于未處理的對照，整個生育期土壤的儲水量將增加47.3 mm［22］。

秸稈還田有利于增強(qiáng)表層土壤的集雨效果，主要提高的是0～40 cm土層的含水量［11］。同時，有研究表明，在相同的耕作條件下，秸稈還田對不同深度的土壤含水率影響不同，0～50 cm土層中，秸稈還田比不還田高1.48%～7.38%；在50～100 cm土層中，深松耕秸稈還田比不還田高16.07%，免耕秸稈還田比不還田高40.42%，且土壤含水率最大值的土壤深度比不還田深20 cm；100～200 cm土層中，秸稈還田與不還田差異不顯著［23］。

1.2.2 土壤養(yǎng)分特性

水稻秸稈還田后，腐解是一個漫長且復(fù)雜的過程。適宜的環(huán)境條件，在土壤中的微生物作用下，秸稈不斷腐解，釋放出礦質(zhì)養(yǎng)分，可被作物重新吸收利用。有研究表明，秸稈在冬季腐解慢，在水稻生長季腐解快。且隨著秸稈還田年限的延長，腐解率逐漸增加，釋放出的N、P、K元素逐漸增多。尤以第一年腐解速率快、釋放養(yǎng)分多、效果最明顯。其中，第一年秸稈中的K元素釋放速率最快，P元素次之，N元素最慢［24，25］。

發(fā)達(dá)國家施肥量的60%左右都來源于秸稈還田和施用農(nóng)家肥［26］。秸稈還田化肥減量0～10%，水稻生長性狀指標(biāo)提高，產(chǎn)量增加222～696 kg/hm2，增幅2.2% ～7.3%［27］。若田塊僅秸稈還田不施化肥，土壤中無機(jī)磷含量將加速耗竭，降低了磷素的活化和積累［28］。因此，在實(shí)際操作中，常將秸稈還田和化肥配合使用，不僅能促進(jìn)土壤磷素活化，提高作物對化肥的利用率，避免施肥過剩，而且秸稈腐解提供緩效養(yǎng)分，化肥提供速效養(yǎng)分，兩者共同為作物生長發(fā)育全過程提供均衡營養(yǎng)，有利于作物干物質(zhì)的積累、分配與轉(zhuǎn)移，長期配合使用更能改善土壤條件，培肥地力［29］。秸稈還田不僅是中低產(chǎn)田改造的有利措施之一，也是高產(chǎn)田創(chuàng)建的合理措施之一［30］。

同時，秸稈腐解時產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)，為土壤微生物提供生活原料。如若土壤微生物生存越活躍，土壤的生態(tài)系統(tǒng)越平衡穩(wěn)定，土地生產(chǎn)力越穩(wěn)固提高。

1.3 秸稈還田對作物的影響

1.3.1 生長發(fā)育

有研究表明，秸稈還田能延長玉米葉片生理功能期，減緩葉片衰老；明顯提高玉米植株次生根數(shù)目，增加總根長，增強(qiáng)玉米扎根性能，并在玉米成熟期延遲根系衰退，利于后期植株吸收更多的養(yǎng)分，以提高產(chǎn)量［31］。秸稈還田對水稻根系生長的影響表現(xiàn)為前抑后促，在分蘗盛期，抑制了單莖和群體根系生長，在拔節(jié)期至成熟期促進(jìn)根系生長［32］。

1.3.2 產(chǎn)量

秸稈還田主要是通過影響有效穗數(shù)來影響產(chǎn)量。連續(xù)進(jìn)行稻麥秸稈還田5年，研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田的水稻產(chǎn)量較不還田處理高出814 kg/hm2，增產(chǎn)8.84%，同時有效穗數(shù)增加，但千粒重減少［33］。若采取秸稈還田添加腐熟劑的方式，可以加快秸稈腐熟速度，及時釋放養(yǎng)分，滿足作物生長需求，減弱千粒重降低的趨勢。

1.3.3 品質(zhì)

碾磨品質(zhì)方面，秸稈還田后明顯提高了稻米的出糙率、精米率和整精米率。外觀品質(zhì)方面，秸稈還田降低了堊白粒率和堊白度［34］。蒸煮品質(zhì)方面，結(jié)果不盡相同。陳新紅等和徐國偉等的研究指出，秸稈還田后直鏈淀粉含量降低，膠稠度增大［35，36］。但常勇等的研究表明，不同秸稈還田量處理均顯著提高稻米直鏈淀粉含量，顯著降低膠稠度［1］。營養(yǎng)品質(zhì)方面，秸稈還田能提高稻米的蛋白質(zhì)含量［37］。食味品質(zhì)方面，改善效果不顯著，且隨著秸稈還田量的增加，稻米食味品質(zhì)有變劣的趨勢［38］。

2 秸稈利用的方式

雖然我國每年產(chǎn)生的秸稈資源豐富，但在秸稈利用方面，多以就地焚燒為主。

秸稈就地焚燒是傳統(tǒng)做法，成本花費(fèi)最低。焚燒在一定程度上消滅了秸稈中的蟲卵、病原體等，同時導(dǎo)致表土焦化、土壤微生物減少，土壤肥力降低，此外，操作不當(dāng)還易引發(fā)火災(zāi)、交通事故等［4］。秸稈經(jīng)燃燒產(chǎn)生的大量養(yǎng)分、蛋白質(zhì)、碳水化合物能變成氣體釋放，浪費(fèi)了寶貴的資源［30］。且焚燒過程中大量產(chǎn)生一氧化碳、二氧化硫、懸浮顆粒等，這些有害物質(zhì)長期籠罩在空中不散，極易污染空氣，誘發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病。近年來，中國越來越注重環(huán)境保護(hù)和人民身體健康，出臺禁止秸稈焚燒的政策，對秸稈焚燒行為堅決制止并予以追究處罰。

也有少部分農(nóng)民選擇將秸稈打捆移出稻田，但其存在諸多問題。一是增加勞動力成本；二是秸稈移出后無處擱置；三是科技轉(zhuǎn)化力度不夠。目前，中國大多數(shù)地方都沒有相關(guān)秸稈收購處理部門。

據(jù)統(tǒng)計，在所有的農(nóng)作物秸稈中，僅有2% ～5%用于工業(yè)利用［39］。剩余沒有有效利用的秸稈造成了巨大的資源浪費(fèi)。為充分利用農(nóng)作物秸稈資源，秸稈還田是一項最有效、最主要的措施。根據(jù)還田方式不同，可分為秸稈直接還田和秸稈間接還田。

2.1 直接還田

田，不僅包括地下的土壤，還包括地面和地上空間。因此，直接還田可分為兩種。第一種是留在土表作覆蓋物，即使用具有粉碎功能的聯(lián)合收割機(jī)，收割作物的同時，將秸稈粉碎留在地面。第二種是入土，即在第一種的基礎(chǔ)上，再將粉碎的秸稈翻壓入土。同時，秸稈全量留田的有3種處理形式：一是全部入土；二是全部留在土表；三是部分作覆蓋物，剩余入土［40］。

具體操作的方法不一，有秸稈覆蓋還田、秸稈旋耕還田、秸稈翻耕還田、秸稈溝埋還田、腐熟劑腐熟還田等。

2.1.1 覆蓋還田

將秸稈粉碎后，直接覆蓋在土壤表面。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單方便，可減少土壤水分流失，調(diào)節(jié)土壤溫度，在低溫時產(chǎn)生“高溫效應(yīng)”，在高溫時產(chǎn)生“低溫效應(yīng)”，緩解作物因氣溫驟變引發(fā)的傷害。缺點(diǎn)是不利播種和灌溉，在一定程度上影響作物生根、發(fā)芽。

2.1.2 旋耕還田

即淺層混勻。需與秸稈還田粉碎機(jī)配套使用，保障秸稈在旋耕前粉碎。旋耕能更好地將秸稈和土混合均勻，集犁田、耙田、平田三次作業(yè)于一體，理論上可深耕16～18 cm，實(shí)際運(yùn)用中常深耕8～12 cm，地表相對平整。缺點(diǎn)是秸稈分解釋放營養(yǎng)物質(zhì)快，供應(yīng)作物早期有過剩，到后期則會缺乏。多年連續(xù)旋耕，易導(dǎo)致耕層變淺，土壤理化性狀變差，免耕層變硬、通透性變差，作物生長后期早衰，不利于增產(chǎn)。

2.1.3 翻耕還田

即上下翻轉(zhuǎn)。秸稈是各種病蟲害越冬的有利場所，翻耕能將粉碎的秸稈和表土扣在深層土壤中，耕深可達(dá)16 cm。優(yōu)點(diǎn)是病蟲發(fā)生率可降低10%，草害及某些依靠土傳的病蟲害也能得到控制，同時促進(jìn)作物根系深扎，且秸稈分解釋放營養(yǎng)物質(zhì)慢，有利于作物后期營養(yǎng)供應(yīng)。

2.1.4 溝埋還田

秸稈溝埋還田是一種新的秸稈還田方式。在小區(qū)內(nèi)挖兩條平行溝，將作物秸稈全部埋入溝內(nèi)覆土掩蓋，免耕，總動土面積僅占整個小區(qū)面積的1/10［41］。其優(yōu)點(diǎn)是能解決常規(guī)秸稈還田中秸稈量大、粉碎困難等問題，克服不利于作物出苗等缺點(diǎn)［42］，固碳潛力大［43］，同時與秸稈旋耕還田和秸稈翻耕還田相比，其周年CH4排放量分別減少10.6%和3.8%［44］。

2.1.5 配施腐熟劑還田

即將腐熟劑混合粉碎的秸稈一同施入土壤。利用秸稈腐熟劑，提高秸稈分解效率。但因不同品牌的腐熟劑含有真菌及細(xì)菌的種類各異、數(shù)量不同，腐解秸稈中蛋白質(zhì)、纖維素、木質(zhì)素等的快慢不一，以致表現(xiàn)出不同的腐解程度和腐熟速率［4］。

2.2 間接還田

2.2.1 過腹還田

秸稈過腹還田是一種種養(yǎng)結(jié)合的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)了秸稈—飼料—禽畜—肥料—糧食的循環(huán)，即：將作物秸稈作為飼料，喂養(yǎng)禽畜。秸稈經(jīng)禽畜咀嚼、消化，以糞便的形式再次出現(xiàn)；再將收集的糞便制成有機(jī)肥施入田塊，培肥地力，增加作物產(chǎn)量，提高農(nóng)戶收入。其缺點(diǎn)是一般農(nóng)戶沒有將糞便制成有機(jī)肥的條件和技術(shù)，該肥料需購買，增加了投入成本。

2.2.2 發(fā)酵還田

采用快速堆腐劑產(chǎn)生的大量纖維素酶，將秸稈快速堆漚發(fā)酵為有機(jī)肥，再施入土壤。其優(yōu)點(diǎn)是堆漚可以殺死秸稈中大部分的蟲卵、病原體、草籽，降低作物種植過程中的病蟲害發(fā)生率；缺點(diǎn)是費(fèi)時費(fèi)工，易出現(xiàn)發(fā)酵不均勻、難徹底發(fā)酵等現(xiàn)象［45］。

2.2.3 炭化還田

秸稈在高溫?zé)o氧的條件下炭化，然后制成生物炭施入土壤。其優(yōu)點(diǎn)是能有效固定和封存土壤中的碳素，減排能力提高22% ～27%；缺點(diǎn)是工序復(fù)雜，成本高［30］。

3 秸稈還田存在的問題

多年連續(xù)秸稈還田，也會產(chǎn)生如下問題：

一是影響作物出苗。秸稈臃積，土壤間隙變大，作物種子與土壤接觸面積減小、不夠緊密，嚴(yán)重影響種子吸水、生根、發(fā)芽、扎根等生長過程，輕者出苗緩慢，嚴(yán)重時出現(xiàn)黃苗、僵苗、死苗。

二是與作物爭氮。秸稈降解時微生物需要氮參與生命活動，因此在氮資源有限的情況下，作物與微生物是競爭關(guān)系，微生物奪氮將造成后續(xù)作物出現(xiàn)缺氮等情況。

三是影響秸稈降解。土壤中的溫度、水分含量、微生物活躍程度均是秸稈分解的重要影響因素，如秸稈在冬季較夏季降解速度慢。秸稈連續(xù)還田，增加了田塊降解秸稈的壓力，一旦地面秸稈過多，不利耕種，地面也容易發(fā)生松散淤陷，嚴(yán)重影響作物生長，降低產(chǎn)量［46］。

四是影響病蟲草害。秸稈雖然是被粉碎后再還田，但混雜其中的蟲卵、病原體、草籽等并不能粉碎殺死，一旦還田即可誘發(fā)病蟲草害。同時在消除病蟲害方面，秸稈是蟲卵、病原體等的良好避難所，相對于常規(guī)種植，加大了消除難度。有研究表明，通過秸稈深埋可減少源頭的病蟲害，若秸稈還田掩埋深度≥20 cm，可有效消滅病害殘體；若集中掩埋深度≥35 cm，病蟲害越冬存活率會大大降低［47］。

4 研究展望

為更好地利用秸稈還田技術(shù)，推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，一要成立相關(guān)秸稈處理部門。樹立環(huán)保理念，大力宣傳秸稈燃燒的巨大危害和秸稈還田的多種益處。樹立典型，有獎有罰。制定成熟的秸稈還田操作方案，出臺相應(yīng)秸稈還田補(bǔ)貼政策，鼓勵農(nóng)民采用秸稈還田技術(shù)。同時，派出專業(yè)技術(shù)人員通過講座、實(shí)地操作等方式對農(nóng)民進(jìn)行秸稈還田技術(shù)指導(dǎo)。二要開發(fā)適用性廣的秸稈還田機(jī)械設(shè)備。發(fā)展機(jī)械化是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路。而我國農(nóng)作物多種多樣，不同農(nóng)作物秸稈的理化性質(zhì)不一，同時各作物種植環(huán)境各異，因此收獲秸稈并還田，對設(shè)備的要求不盡相同，當(dāng)下急需開發(fā)服務(wù)于秸稈還田技術(shù)的高效、低能耗、大小適宜、適用性廣等特點(diǎn)集于一身的機(jī)械設(shè)備。三要發(fā)展秸稈原位還田配套速腐解技術(shù)?，F(xiàn)在秸稈還田仍需要對作物秸稈進(jìn)行收割、粉碎后再還田。若秸稈能在原位還田，同時秸稈速腐不影響作物的萌發(fā)、扎根等生長過程，將大幅度減少人力和物力。要挖掘、研發(fā)適宜的腐解菌群或腐解劑，使腐解秸稈的速率變化能滿足作物生長不同階段對養(yǎng)分的需求，在養(yǎng)分需求多時腐解快，在養(yǎng)分需求少時腐解慢。四要發(fā)展秸稈還田配套科學(xué)栽培措施。合理安排秸稈還田方式、還田時間、還田量，充分發(fā)揮秸稈的最大作用，培肥地力，提升耕地質(zhì)量?？茖W(xué)配施肥料、農(nóng)藥，保障田塊產(chǎn)能，有效減少經(jīng)濟(jì)投入。