干旱地區(qū)不同有機(jī)物料還田研究進(jìn)展

張立恒 劉寶軍 程杰

摘要 有機(jī)物料還田是農(nóng)林廢棄物料綜合利用的重要方式。在土壤中施加不同有機(jī)物料可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤水分和養(yǎng)分含量，提高土壤微生物數(shù)量和酶活性，是干旱地區(qū)節(jié)水保肥、實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)的有效措施。對(duì)干旱區(qū)不同有機(jī)物料的還田現(xiàn)狀、還田方式、有機(jī)物料還田對(duì)土壤物理特性、土壤養(yǎng)分含量、土壤微生物性狀、作物生長(zhǎng)的影響等方面的研究進(jìn)行了綜述，特別是對(duì)秸稈還田方面的研究做了全面總結(jié)。并在此基礎(chǔ)上，提出有機(jī)物料還田存在的問(wèn)題和建議，為有機(jī)物料還田在干旱地區(qū)的應(yīng)用和推廣提供理論參考。

關(guān)鍵詞 有機(jī)物料;秸稈還田;生物炭;土壤理化特性

中圖分類號(hào) X71 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 0517-6611（2020）19-0018-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.19.005

Abstract Organic materials returning to the field is an important way to comprehensively utilize agricultural and forestry waste materials. Applying different organic materials to the soil can effectively improve the soil structure， increase soil moisture and nutrient content， and increase soil microbial population and enzyme activity. It is an effective measure to save water and fertilizer， and increase crop yield in arid areas. In this paper， researches on the present situation of returning， the patterns of returning， and the effects of different organic materials returning on soil physical properties， soil nutrient content， soil microbial traits and crop growth were systematically reviewed， especially on the research of straw returning. Based on this， the problems and suggestions for the returning of organic materials were proposed， which provided a theoretical reference for the application and promotion of organic materials returning in arid areas.

Key words Organic materials;Straw returning to field;Biochar;Soil physical and chemical properties

作者簡(jiǎn)介 張立恒（1982—），男，甘肅民勤人，工程師，碩士，從事荒漠化防治研究。*通信作者，高級(jí)工程師，從事荒漠化防治研究。

收稿日期 2020-03-07

干旱地區(qū)土壤水分和養(yǎng)分資源貧乏，且持水保肥能力低下，水分和養(yǎng)分條件成為植被生長(zhǎng)和發(fā)育的主要限制性因子[1]。如何攔截蓄集干旱區(qū)有限的降水資源，減少地表徑流和蒸發(fā)，并改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤水分和養(yǎng)分含量，以及維持人工植被和農(nóng)作物的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)是諸多干旱區(qū)研究者共同關(guān)注的問(wèn)題[2]。因此，近年來(lái)大量新型功能性節(jié)水保肥材料被大力開(kāi)發(fā)和推廣。國(guó)內(nèi)外研究者提出采用不同有機(jī)物料覆蓋沙化地表或粉碎埋入淺層土壤，以增加土壤孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu);增強(qiáng)土壤入滲率和滲透性能，有效地減少地表徑流和水分蒸發(fā)，提高土壤持水性;增加土壤有機(jī)質(zhì)及各養(yǎng)分含量，提高土壤肥力，從而提高農(nóng)作物產(chǎn)量[3-4]。經(jīng)長(zhǎng)期實(shí)踐，在土壤中施加有機(jī)物料被譽(yù)為干旱、半干旱地區(qū)保水保肥、改良土壤的有效手段。

用于還田的有機(jī)物料是指農(nóng)林生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的一些含碳量高的剩余物或廢棄物料，以及通過(guò)堆漚或畜禽過(guò)腹消化后的產(chǎn)物。主要包括農(nóng)作物秸稈、林木枝條樹(shù)葉、家畜糞便和各類堆肥等，還田主要有直接還田和間接還田2種方式。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)節(jié)水保肥性的研究集中于秸稈還田方面，也對(duì)林木枝葉、家畜糞尿和各類堆肥等有機(jī)物料還田方面進(jìn)行了相關(guān)研究[5-6]。筆者通過(guò)對(duì)不同有機(jī)物料還田方式及還田效應(yīng)等方面的研究進(jìn)行了全面梳理，并提出有機(jī)物料還田存在的問(wèn)題和建議，以期為有機(jī)物料資源的綜合開(kāi)發(fā)和高效利用提供技術(shù)支撐，為干旱地區(qū)的土壤改良和生態(tài)修復(fù)提供理論參考。

1 不同有機(jī)物料還田方式

1.1 直接還田

直接還田是目前的主要還田方式，主要包括覆蓋還田和翻壓還田2種模式。直接還田是指以機(jī)械的方式將農(nóng)作物秸稈和其他農(nóng)林廢棄物料粉碎后直接撒于地表或者翻壓至土層中，通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤的持水性，并待其腐爛分解后轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥[7]，增加土壤有機(jī)質(zhì)和各養(yǎng)分含量，最終提高作物產(chǎn)量，是我國(guó)實(shí)施“沃土工程”和“豐收計(jì)劃”的重要內(nèi)容。

1.1.1 覆蓋還田。

覆蓋還田是指將農(nóng)作物秸稈和殘?jiān)约捌渌r(nóng)林廢棄物料粉碎后覆蓋于地表，分解腐熟后歸還于土壤的耕作技術(shù)。在日常耕作中，利用作物秸稈覆蓋還田是較為普遍的還田方式。其既能充分利用秸稈資源，又能減輕秸稈焚燒對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中節(jié)水保墑、作物增產(chǎn)的有效措施。在世界各國(guó)中，農(nóng)業(yè)比較發(fā)達(dá)的一些國(guó)家十分重視土地的用養(yǎng)結(jié)合。美國(guó)在20世紀(jì)30年代就提出機(jī)械化保護(hù)性耕作法，該法大力倡導(dǎo)小麥、水稻和玉米等秸稈適量還田[8]，相繼成為西方諸多發(fā)達(dá)國(guó)家認(rèn)可并長(zhǎng)期所遵循的基本農(nóng)業(yè)耕作制度[2]。

我國(guó)政府也同樣十分重視秸稈還田技術(shù)。其研究始于20世紀(jì)70年代，到80年代時(shí)在全國(guó)被廣泛推廣[9]。我國(guó)早期時(shí)的覆蓋還田多采用秸稈整株覆蓋還田方式，并結(jié)合少耕、免耕技術(shù)取得一些簡(jiǎn)單的成效。后來(lái)隨著技術(shù)的改進(jìn)，采用秸稈或者林木枝葉等不同有機(jī)物料粉碎后覆蓋還田方式，增肥保墑取得了顯著成效。研究表明，當(dāng)?shù)乇碛袡C(jī)物料覆蓋率達(dá)30%時(shí)，可明顯改善土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤溫度和濕度，并增加土壤有機(jī)質(zhì)和各養(yǎng)分含量，豐富微生物多樣性，促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)，從而增加作物產(chǎn)量[10]。有機(jī)物料覆蓋地表后可在土壤和大氣之間形成一層屏障，阻礙土壤水分蒸發(fā)，提高了土壤蓄水保墑能力[11]。同時(shí)也降低了地表風(fēng)速和溫度，使土壤水分和熱量交換降低，更有益于養(yǎng)分的礦化和吸收，使土壤的水、肥 、氣 、熱狀況重新組合[12]。

有機(jī)物料覆蓋還田耕作技術(shù)操作相對(duì)簡(jiǎn)單，且省時(shí)省工，可明顯提高表層土壤肥力、優(yōu)化表層土壤結(jié)構(gòu)，起到保水保肥的作用。但覆蓋還田腐解速度慢，肥效作用低，尤其對(duì)風(fēng)沙土土壤養(yǎng)分的提升作用不顯著[13]，且有可能會(huì)使化感物質(zhì)積累、病蟲(chóng)害風(fēng)險(xiǎn)加重、重金屬和抗生素等污染風(fēng)險(xiǎn)增加[14]。同時(shí)覆蓋還田使大量有機(jī)物料聚集在土壤表層，不利于作物的播種和灌溉。

1.1.2 翻壓還田。

翻壓還田是指前茬作物收獲后，將前茬作物秸稈或者其他農(nóng)林廢棄物料在后茬播種或移栽前用機(jī)械粉碎成<10 cm的小段或者碎屑后均勻地撒于地表，然后再利用機(jī)械翻入20～30 cm 深度或者更深的土層，腐爛分解后將養(yǎng)分歸還于土壤的耕作技術(shù)[7]。我國(guó)的翻壓還田技術(shù)始于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，初步形成了一整套翻壓還田的技術(shù)體系，并開(kāi)發(fā)制造了一批配套的農(nóng)業(yè)機(jī)械，有力緩減了我國(guó)土壤肥力日趨下降的壓力[15]。不同有機(jī)物料粉碎并翻耕入土后逐步腐爛分解，在土壤中不斷礦化并釋放養(yǎng)分，補(bǔ)充了土壤中的有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量，有利于增加土壤孔隙度，降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高了土壤自身調(diào)節(jié)的能力[16]。翻壓還田也是保水保肥、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、建立現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的有效措施。

相對(duì)于覆蓋還田，翻壓還田操作稍顯復(fù)雜，但改良土壤效果更佳。因?yàn)槠浞纸馑俣认鄬?duì)較快，秸稈營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)幾乎完全地被封存在土壤中，使其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)得以全部保存和歸還，可以更加有效地改良土壤理化性狀，改善土壤微生物環(huán)境，提高土壤的肥育能力，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)。但翻壓還田相對(duì)費(fèi)時(shí)費(fèi)工，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械要求較高，能耗偏大及易受地域條件限制。如果翻耕入土不均勻，會(huì)使土壤過(guò)松不緊實(shí)，易使種子和幼苗根系懸空，影響作物出苗或者生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致減產(chǎn)。整體而言，翻壓還田可操作性強(qiáng)，保水保肥效果占有一定優(yōu)勢(shì)，目前可作為我國(guó)主要的秸稈還田模式。

1.2 間接還田

間接還田也是一種比較重要的還田方式，是指將秸稈以沼渣、過(guò)腹或高溫堆漚等方式處理后再撒于地表，腐爛分解后歸還于土壤的耕作技術(shù)[7]。目前間接還田主要包括過(guò)腹還田、堆漚還田和炭化還田等模式。

1.2.1 過(guò)腹還田。

過(guò)腹還田是指用秸稈等草料飼喂牛、羊、豬、雞等畜禽，然后將畜禽糞尿作肥還田的耕作技術(shù)。這種還田方式科學(xué)、環(huán)保，不僅可以調(diào)節(jié)土壤物理特性，抗旱保墑，顯著提高土壤的保水保肥能力，而且可以形成土壤有機(jī)質(zhì)覆蓋，增加土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量，培肥地力，緩解氮、磷、鉀肥比例失調(diào)矛盾，改造中低產(chǎn)田。同時(shí)還可以增加作物產(chǎn)量，優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。隨著我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化、集約化發(fā)展，產(chǎn)生的大量畜禽糞便已成為我國(guó)主要農(nóng)業(yè)污染源。為了解決畜禽糞便造成的環(huán)境污染問(wèn)題，并達(dá)到農(nóng)業(yè)廢棄物料的高效資源化利用，過(guò)腹還田模式也被廣泛推廣。

1.2.2 堆漚還田。

堆漚還田是將不同有機(jī)物料粉碎后進(jìn)行一段時(shí)間的漚制，使其成為堆肥、漚肥，在腐熟后施入土壤的耕作技術(shù)。其做法通常是將秸稈、林木枝葉等有機(jī)物料粉碎置于挖好的坑內(nèi)，并灑上適量促腐劑后用塑料薄膜覆蓋壓實(shí)，在50～60 ℃的溫度和60%～70%的濕度下，通過(guò)促腐劑所產(chǎn)生的纖維素酶促使有機(jī)物料漚制成有機(jī)肥[17]。通常而言，作物秸稈被堆漚時(shí)能夠加速腐熟礦化釋放出大量養(yǎng)分，并降解有害的多酚和有機(jī)酸等，而且還可以殺死病原菌、寄生蟲(chóng)卵和某些雜草的種子[18]。因此，堆漚還田在我國(guó)好多地區(qū)也被廣泛推廣和使用。但堆漚還田容易使秸稈堆漚前含有的一些病菌病毒傳染給下一代作物，在實(shí)施還田時(shí)應(yīng)采取高溫處理措施，避免病菌的傳染。

1.2.3 炭化還田。

近年來(lái)，生物質(zhì)材料炭化還田作為新型還田方式日益受到人們的關(guān)注。生物炭是指農(nóng)林廢棄物（如作物秸稈、林木枝葉、畜禽糞便、酒糟、紙漿）等有機(jī)物料在缺氧或低氧條件下緩慢高溫（250～600 ℃）裂解所形成的具有強(qiáng)穩(wěn)定性、且富含碳素的固體產(chǎn)物。生物炭主要由碳、氫、氧等成分組成，因表面具有羥基、羧基和苯環(huán)等豐富的官能團(tuán)，使其具有復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)和良好的通氣性，并具有強(qiáng)大的吸附特性和較大的陽(yáng)離子交換量，以及對(duì)酸堿的緩沖能力[19]。作為農(nóng)林資源的再生產(chǎn)物，生物炭被廣泛推廣用來(lái)還田改土，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，以及實(shí)現(xiàn)碳封存等。生物炭施入土壤后有利于吸附更多的養(yǎng)分離子，改善土壤水力特性，能夠有效降低土壤的養(yǎng)分淋失程度，減少化肥淋失[20]，從而有效提高土壤肥力和養(yǎng)分的利用效率。研究表明，生物炭在改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤水分和養(yǎng)分、提高土壤微生物多樣性[21]、尤其改善沙地生境[22]、促進(jìn)作物生長(zhǎng)和增產(chǎn)[23]等方面發(fā)揮著重要作用。

生物炭含碳豐富，其強(qiáng)大的吸附解析能力能夠不斷調(diào)節(jié)土壤水分和養(yǎng)分狀況。但其自身養(yǎng)分含量很低，供作物直接吸收的養(yǎng)分很少，且大部分碳的化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，其中的碳、氮及其他營(yíng)養(yǎng)元素很難被微生物作為能源直接利用。因此，在現(xiàn)實(shí)農(nóng)作時(shí)生物炭常被作為土壤改良劑使用，在還田時(shí)常配施其他有機(jī)物料（畜禽糞便）共同施入土壤，以利于為微生物提供活躍碳源，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)繁殖，并提高土壤酶活性，增強(qiáng)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，達(dá)到最佳的保水保肥效果。

2 不同有機(jī)物料還田方式對(duì)土壤的改良作用

2.1 有機(jī)物料還田對(duì)土壤物理指標(biāo)的影響

土壤孔隙度和容重是衡量土壤結(jié)構(gòu)特性的重要指標(biāo)。有機(jī)物料還田是改善土壤結(jié)構(gòu)、增加降水入滲速率和數(shù)量、調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱的重要農(nóng)作措施。研究表明，秸稈覆蓋還田能夠提高土壤腐殖質(zhì)和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的比重，降低土壤分散系數(shù)，使土壤總孔隙度增加2.88%～5.76%，土壤容重下降1.86%～3.73%;還能夠減輕降水對(duì)土壤表層的擊濺作用，防止土壤表層不被壓實(shí)而下沉[2]。適量秸稈還田能夠明顯增加土壤大于0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量，以及增大團(tuán)聚體的GMD和MWD的值[24]。李涵等[25]在渭北旱塬區(qū)實(shí)施秸稈還田后分析了土壤團(tuán)聚體的特征，發(fā)現(xiàn)覆蓋還田明顯提升了0～30 cm 耕作層內(nèi)土壤團(tuán)聚體數(shù)量和穩(wěn)定性。研究表明，秸稈翻壓還田也可增加土壤孔隙度，降低土壤容重，提高土壤的通透性，增強(qiáng)土壤的自我調(diào)節(jié)能力[26]。因?yàn)榻斩挿瓑哼€田后在土層中逐步腐爛分解，在腐解過(guò)程中所產(chǎn)生的高分子化合物積極參與腐殖化作用，形成的大量有機(jī)膠體多與土壤膠粒結(jié)合在一起形成不同粒徑的團(tuán)聚體，有利于土壤結(jié)構(gòu)的改善。同時(shí)，被翻埋的秸稈位于耕作層中，還能夠緩減降水等外力因素對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞，有效降低土壤產(chǎn)生“結(jié)皮”或者“板結(jié)”的現(xiàn)象[27]。研究表明，生物炭因其復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的吸附能力和較大的比表面積[28]，還田后也對(duì)土壤物理結(jié)構(gòu)和土壤緊實(shí)度產(chǎn)生深刻影響，以及對(duì)土壤的水力特征方面也存在顯著影響，從而直接或間接地影響土壤微生態(tài)環(huán)境[29]。生物炭施入砂壤土中可明顯增加土壤孔隙度，降低土壤容重[21]，并提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，降低土壤的張力等[30]。

溫度也是表征土壤性質(zhì)的重要參數(shù)，對(duì)土壤的化學(xué)、物理和生物學(xué)過(guò)程產(chǎn)生重要影響，其直接決定著作物根系生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程和對(duì)土壤養(yǎng)分和水分的吸收效率。地表覆蓋有機(jī)物料種植技術(shù)作為傳統(tǒng)的農(nóng)作措施，具有良好的調(diào)溫保墑作用，可有效減緩?fù)寥罍囟鹊膭×易兓?，發(fā)揮低溫時(shí)的“增溫效應(yīng)”和高溫時(shí)的“低溫效應(yīng)”，從而維持作物正常生長(zhǎng)[31]。程宏波等[32]研究表明，小麥、玉米和水稻等秸稈覆蓋地表均可降低土壤溫度，從某種程度上來(lái)講，這也可以進(jìn)而減少地表水分蒸發(fā)。

土壤水分狀況是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的主要物理?xiàng)l件之一。研究表明，秸稈是良好的保水材料，還田后能夠減少地表徑流，增加降水入滲和畜持能力，并抑制地表蒸發(fā)，有效減少傳統(tǒng)耕作方式的土壤水分散發(fā)，提高 0～40 cm 土層的土壤含水量，可節(jié)水25%左右[2，33];還能夠有效降低作物植株間的蒸發(fā)作用，有利于提高作物對(duì)自然降水的利用率[34]，從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)。研究表明，林木廢棄物料中含有大量的纖維素和半纖維素，也是天然的保水材料，對(duì)保持沙化土壤水分具有長(zhǎng)效作用[35]。李志剛等[36]對(duì)賀蘭山東麓銀川腹部沙地土壤進(jìn)行了楊樹(shù)和柳樹(shù)枝條還田試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樹(shù)木枝條覆蓋和枝條碎屑添加均能有效提高沙化土壤的持水能力。并經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為，覆蓋主要是通過(guò)抑制蒸發(fā)，降低溫度來(lái)提高土壤持水性;添加主要是通過(guò)改善土壤水分物理特性來(lái)提高土壤持水性;覆蓋和添加結(jié)合則主要是通過(guò)以上2種途徑來(lái)提高土壤持水性。勾芒芒[37]通過(guò)大田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物炭還田對(duì)于土壤含水量及保水性的提高也具有明顯的促進(jìn)作用。由于生物炭具有砂質(zhì)土千倍以上的比表面積，以及復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)，在干旱、半干旱地區(qū)，其可以被用來(lái)有效地改善砂質(zhì)土壤的持水性[38]。Laird等[28]室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，在砂壤土中施加生物炭還可以明顯減少其土壤40%左右的垂直入滲量，有利于保持耕作層內(nèi)的土壤水分。勾芒芒等[39]采用室內(nèi)盆栽試驗(yàn)定量分析方法，在1 kg干土中分別施加10、20、40和60 g的生物炭，發(fā)現(xiàn)土壤含水率隨著生物炭施用量的增加而增大，說(shuō)明生物炭還田對(duì)土壤水分狀況的影響程度可能與還田量有一定的關(guān)系。岑睿等[40]研究認(rèn)為，以30 t/hm2 的施用量在耕作土壤中施用生物炭，可以明顯提高耕作層的土壤含水率和入滲率及入滲量。也有研究認(rèn)為，有機(jī)物料還田對(duì)土壤水分特性的影響表現(xiàn)出雙重性：一方面，有機(jī)物料還田后期會(huì)改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的含水量和保水性[41];另一方面，還田后的有機(jī)物料腐解過(guò)程中可能會(huì)消耗大量土壤水分，在腐解初期可能產(chǎn)生與作物爭(zhēng)奪水分的現(xiàn)象。

2.2 有機(jī)物料還田對(duì)土壤肥力指標(biāo)的影響

作物秸稈中富含碳、氮、磷、鉀、硅等營(yíng)養(yǎng)元素，以及作物生長(zhǎng)所需的其他營(yíng)養(yǎng)元素[42]，是物質(zhì)、能量和多種養(yǎng)分的重要載體。其還田后使土壤有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)量明顯提高，并使植物生長(zhǎng)所需的必需元素和微量元素也明顯增加[43]。秸稈還田最根本的作用就是增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，并經(jīng)礦化使土壤氮素含量發(fā)生明顯改善，使全氮和速效氮含量顯著增加，也使速效鉀大量積累并顯著增加。同時(shí)還通過(guò)腐解作用釋放磷素，并活化土壤中本身存在的磷素，使土壤速效磷含量顯著增加[2]。楊治平等[44]研究表明，秸稈還田有利于養(yǎng)分在耕作層上部積累，其中氮、磷、鉀元素積累總量分別增加 143.50、37.85和159.60 kg/hm2?？锍珂玫萚45]研究表明，生物炭還田明顯增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，且有機(jī)質(zhì)含量增加與生物炭施加量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)樯锾靠梢晕胀寥乐械挠袡C(jī)分子，通過(guò)表面催化活性來(lái)積極促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的形成，延長(zhǎng)有機(jī)質(zhì)的分解時(shí)間，大量形成腐殖質(zhì)，進(jìn)而有力地改善土壤肥力[46]。同時(shí)，在土壤中施用生物炭還可以明顯提高土壤pH[47]。

有機(jī)物料還田不僅可以通過(guò)腐解增加土壤養(yǎng)分，而且可以通過(guò)降低地表徑流、減少養(yǎng)分流失，起到保持土壤養(yǎng)分的作用。楊青森等[48]研究發(fā)現(xiàn)，地表覆蓋作物秸稈后，不僅顯著增加了土壤的速效氮、磷、鉀養(yǎng)分含量，而且也降低了徑流液中硝態(tài)氮和全磷及全鉀離子的濃度，有效降低了地表徑流和養(yǎng)分流失。這可能主要是因?yàn)樽魑锝斩捀采w改良了土壤氧化還原狀況，促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，并減少了地表徑流，穩(wěn)定了土壤水熱條件等[49]。王凡等[46]研究表明，生物炭因其復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的吸附性，以及良好的通氣性，能夠有效地保持土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并通過(guò)改變土壤水力特性，也可以減少土壤養(yǎng)分的淋失。如在土壤中施加生物炭可以有效抑制土壤氮素淋失，增強(qiáng)土壤的固氮吸持能力，提高土壤養(yǎng)分利用效率[46，50]。當(dāng)然也有一些研究認(rèn)為，秸稈還田可能會(huì)消耗土壤氮素，在秸稈腐解初期，容易引起分解秸稈的細(xì)菌與當(dāng)季作物爭(zhēng)氮的現(xiàn)象[51]。因此，在秸稈還田耕作時(shí)應(yīng)適量配施氮肥，以使氮肥得以補(bǔ)充。

土壤酶活性是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，可以被用來(lái)衡量土壤微生物群落對(duì)秸稈還田的響應(yīng)程度，以及秸稈還田后土壤潛在的代謝能力。夏強(qiáng)等[52]研究發(fā)現(xiàn)，還田秸稈作為外源物質(zhì)為微生物生長(zhǎng)繁殖提供能源，加之自身帶入的大量微生物，能夠顯著增加各類土壤微生物的數(shù)量，從而顯著提高土壤高脲酶、過(guò)氧化氫酶和堿性磷酸酶的活性。Zhao等[53]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈連續(xù)還田4年后可明顯增加土壤蔗糖酶和脲酶的活性，并發(fā)現(xiàn)這些酶與土壤有機(jī)碳密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田會(huì)加速與碳循環(huán)有關(guān)的土壤酶活性的刺激作用[54]，不同程度地提高土壤纖維素酶、木聚糖酶、乙?；?葡萄糖胺酶（NAG）和β-葡萄糖苷酶的活性，進(jìn)而改善土壤質(zhì)量，對(duì)促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義[55]。

2.3 有機(jī)物料還田對(duì)土壤微生物指標(biāo)的影響

微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要構(gòu)成單元，是土壤中進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分元素循環(huán)的內(nèi)動(dòng)力。長(zhǎng)期作物秸稈還田能夠?yàn)橥寥牢⑸锾峁┰丛床粩嗟奶荚春偷?，為微生物的生長(zhǎng)繁殖奠定豐富的營(yíng)養(yǎng)基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性，能夠提高風(fēng)沙土壤微生物活性和豐富度，使土壤微生物區(qū)系和數(shù)量發(fā)生極大改變[56]。蔡曉布等[57]研究表明，不同秸稈還田方式對(duì)土壤放線菌和真菌的影響相對(duì)較小，但對(duì)土壤細(xì)菌數(shù)量則影響較大，平均增幅達(dá)110.00%。同時(shí)，從土壤微生物主要生理類群方面而言，其可以使土壤固氮菌和纖維素分解菌的數(shù)量分別達(dá)到未采用秸稈還田耕作土壤的17.2和1.6倍。也有相關(guān)研究表明，秸稈還田會(huì)使土壤細(xì)菌、真菌和放線菌都有所增加。張星杰等[58]研究表明，秸稈還田會(huì)使土壤微生物真菌、細(xì)菌、放線菌和纖維素分解菌數(shù)量均明顯增加。顧美英等[59]對(duì)新疆沙化土壤分別進(jìn)行直接、過(guò)腹和炭化還田試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)3種還田方式均使耕作層土壤細(xì)菌、真菌和生理菌群數(shù)量明顯增加。吳景貴等[60]研究表明，玉米秸稈還田50 d后使土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量均顯著增加，增幅分別達(dá)54.0%、212.2%和47.8%。

屈皖華[61]在寧夏沙化土壤中施加不同有機(jī)物料后對(duì)土壤微生物功能多樣性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，施加牛糞、楊樹(shù)枝條和玉米秸稈后均能增加土壤微生物利用碳源總量，增強(qiáng)微生物代謝活性，從而提高土壤有機(jī)碳含量和肥力水平。并經(jīng)過(guò)對(duì)比認(rèn)為，單施楊樹(shù)枝條對(duì)微生物影響最大，明顯增加了變形菌門(mén)細(xì)菌數(shù)量;同時(shí)，玉米秸稈還可以促進(jìn)子囊菌門(mén)真菌數(shù)量的增加。Liu等[62]將鳳梨殘?jiān)褲a還田后發(fā)現(xiàn)，此種還田措施明顯增加了土壤細(xì)菌和放線菌的豐富度。Xu等[63]將新鮮和堆漚后的甜葉菊秸稈分別還田后發(fā)現(xiàn)，2種還田方式均使土壤細(xì)菌數(shù)目有所增加，但相比而言，堆漚還田的效果更加明顯。賈偉等[64]通過(guò)秸稈直接還田和過(guò)腹還田方式對(duì)比發(fā)現(xiàn)，土壤微生物量碳和氮均有所增加，但相比而言，過(guò)腹還田增加更明顯，且土壤堿性磷酸酶和脲酶活性也更高。

生物炭還田方式對(duì)土壤微生物也會(huì)產(chǎn)生深刻的影響，在電荷作用下生物炭表面氧化后為微生物提供豐富的碳源，有效促進(jìn)土壤微生物繁衍能力，調(diào)控土壤微生物生態(tài)等作用，提高土壤微生物量和活性[65]。匡崇婷等[45]研究表明，施加生物炭能夠明顯增加土壤微生物量，且微生物量隨施加量的增加而增大。王凡等[46]研究表明，在鹽堿土中施加生物炭能增強(qiáng)土壤微生物量碳和脫氫酶活力，明顯增加土壤有機(jī)碳含量，并提高土壤細(xì)菌、真菌和放線菌等微生物數(shù)量。而且生物炭與有機(jī)肥聯(lián)合施加可以使檸檬酸桿菌屬、假單孔菌屬和不動(dòng)桿菌屬等致病菌群豐度明顯降低，從而有效地降低了病害的發(fā)生率[66]。由此可見(jiàn)，不同還田方式均能改變土壤微生物活性和多樣性。

2.4 有機(jī)物料還田對(duì)作物的影響

作物產(chǎn)量是耕作管理水平與土壤生產(chǎn)力的一個(gè)綜合反映，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)與發(fā)展的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。秸稈還田對(duì)作物生長(zhǎng)最直觀的促進(jìn)效應(yīng)則是表現(xiàn)在作物的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)上，其可以顯著提高農(nóng)作物的葉綠素含量，增強(qiáng)作物的光合作用，進(jìn)而使作物增產(chǎn)。錢(qián)鳳魁等[67]使用TYSA型葉綠素測(cè)定儀對(duì)秸稈還田處理后所種植的拔節(jié)期玉米葉片進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)葉綠素a含量隨還田量的增加而增加趨勢(shì)不明顯，但葉綠素b含量隨秸稈還田量的增加而明顯增加。楊剛等[68]研究表明，施加生物炭會(huì)影響玉米出苗和幼苗生長(zhǎng)，并對(duì)玉米的莖粗和株高產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用。王桂君[66]研究表明，生物炭與有機(jī)肥配施對(duì)作物生物量的積累和產(chǎn)量的增加具有更顯著的效果。配施使作物各器官的生物量及單株莢數(shù)、單株產(chǎn)量、大田產(chǎn)量和百粒重均明顯增加;甚至少量配施都可以增加作物產(chǎn)量，促進(jìn)生殖分配;其研究結(jié)果表明，生物炭還可以通過(guò)釋放植物病原微生物抑制劑，調(diào)節(jié)作物和病原體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，以多種方式抑制作物病原微生物和病害，激活作物防御機(jī)制，增強(qiáng)作物抗病能力。

高飛等[69]在寧南旱區(qū)分別采用不同量的小麥和玉米秸稈還田（高、中、低3種還田量）處理后種植玉米作物，發(fā)現(xiàn)隨秸稈還田量由低到高，玉米葉片光合速率和蒸騰速率均高于傳統(tǒng)種植方式，進(jìn)而使玉米莖粗、株高和單株葉面積明顯增大，且隨著秸稈覆蓋量的增加，作物增產(chǎn)效果越明顯。但有機(jī)物料還田量也并非越多越好。Wang等[70]研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳固存潛力存在飽和上限，與秸稈還田量并非呈線性遞增關(guān)系。Kishimto等[71]研究發(fā)現(xiàn)，施加少量的生物炭會(huì)使大豆增產(chǎn)，增幅可達(dá)50%左右，但如果過(guò)量施加反而會(huì)使其減產(chǎn)。錢(qián)鳳魁等[67]研究表明，秸稈還田量在0～12 000 kg/hm2較為適宜，超過(guò)18 000 kg/hm2玉米產(chǎn)量則呈下降趨勢(shì)，同時(shí)以傳統(tǒng)耕作方式為對(duì)照，秸稈還田可以使種植的玉米地上和地下部分的干物質(zhì)量均有增加，分別增加16%～24%和11%～30%。這是因?yàn)榻斩掃€田改善了土壤結(jié)構(gòu)和水肥條件，促進(jìn)了地下根系表面積、體積和根長(zhǎng)的顯著增加，進(jìn)而增強(qiáng)地上部分的長(zhǎng)勢(shì)，使株高增加近30 cm。楊治平等[44]通過(guò)5年的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出，秸稈還田結(jié)合秋施肥措施使玉米籽粒增產(chǎn)5.86～7.10 t/hm2，與傳統(tǒng)耕作模式相比，增幅達(dá)8.09%～13.39%。

3 問(wèn)題與展望

基于已有的研究成果，可以看出有機(jī)物料還田是一種培肥地力、節(jié)水保墑、高效利用資源的有效措施，也是實(shí)現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要途徑。但有機(jī)物料還田耕作技術(shù)在我國(guó)起步較晚，還田基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，配套機(jī)具落后，應(yīng)加大配套設(shè)施和機(jī)械設(shè)備的創(chuàng)新與開(kāi)發(fā);還田物料品種單一，多以小麥、玉米等作物秸稈為主，應(yīng)盡力嘗試多種農(nóng)林廢棄物料，以發(fā)掘和篩選出更多、更有效的節(jié)水保肥性植物材料，滿足干旱地區(qū)生態(tài)修復(fù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要;不同有機(jī)物料采用何種還田方式，施用多少還田量，需要多久的還田年限才能達(dá)到最好的節(jié)水保肥效果，這些問(wèn)題都需要通過(guò)試驗(yàn)去進(jìn)一步的研究和明確;不同有機(jī)物料的還田方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，耕作時(shí)應(yīng)盡量采取多種方式協(xié)同還田，以達(dá)到最佳還田效果。

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