作物秸稈還田研究進展

陳婉華，袁 偉，王子陽，周正萍，劉世平

（1江蘇省作物栽培生理重點實驗室，江蘇揚州 225009；2江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇揚州 225009；3揚州大學(xué)，江蘇揚州 225009）

0 引言

作物秸稈是指成熟農(nóng)作物收獲后殘留的莖葉（穗）等部分副產(chǎn)品，儲存著大量光合作用的產(chǎn)物，是一種可再生的生物資源，秸稈還田配合化肥的施用能夠有效提供作物生長發(fā)育需要的營養(yǎng)[1]，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有很大的利用價值[2]。因此，資源化高效利用作物秸稈可以有效推動農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。

農(nóng)業(yè)是中國的第一產(chǎn)業(yè)，中國的作物秸稈資源豐富，但近年來農(nóng)作物秸稈資源大量過剩帶來的環(huán)境問題引起了廣泛的關(guān)注[4]。在2000年，中國的農(nóng)業(yè)秸稈資源總量已經(jīng)超過了55000萬t，其中以小麥、玉米和水稻為主[5]，2016年農(nóng)業(yè)秸稈資源總量達到了98000萬t[6]，其中糧食作物的秸稈占八成以上，隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)村糧食單產(chǎn)水平的提高，作物秸稈的剩余量越來越多。過去很長時期內(nèi)秸稈多被用于生活燃料和牲畜飼料，然而，隨著生活水平的提高，傳統(tǒng)的秸稈利用方式逐漸減少，秸稈處理問題已成為一大難題，特別是在糧食生產(chǎn)密集區(qū)域，秸稈處理問題更顯突出。據(jù)調(diào)查，2016年全國秸稈的綜合利用率為81.68%，且地區(qū)間秸稈利用水平差異大[7]，田間焚燒和隨意丟棄的現(xiàn)象依舊存在，秸稈的回收利用問題正面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。作物秸稈還田是解決秸稈浪費最高效的措施之一[8]，許多學(xué)者通過研究均發(fā)現(xiàn)，秸稈還田能有效優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境[9]，改善土壤理化性質(zhì)，提高作物產(chǎn)量。近年來，關(guān)于秸稈還田的方式與秸稈還田技術(shù)的研究比較多[10]，對田間工作有較強的參考價值。但是，不當(dāng)?shù)慕斩掃€田方式與技術(shù)可能影響作物的生長與產(chǎn)量，同時覆蓋在田間的秸稈也帶來了病蟲草害[11]。因此，綜合分析秸稈還田的利與弊，完善與推廣秸稈還田技術(shù)，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義[12]。

1 作物秸稈還田的方式

常見的作物秸稈還田方式分為兩類：直接還田和間接還田[13]。

1.1 直接還田

直接還田是最為方便、有效的途徑。直接還田可以大大減少工作量，提高還田效率，對于作物產(chǎn)量提高也有不錯的效果。秸稈直接還田的主要方法有：留高茬還田法，粉碎翻壓還田法，覆蓋還田法[14]。

1.2 間接還田

間接還田指秸稈經(jīng)過處理之后再還田。間接還田前期準(zhǔn)備時間長，容易受環(huán)境的影響，需要工作量大，產(chǎn)出量小，還田效率低，優(yōu)點是成本低廉。間接還田的主要方法有：過腹還田法，過圈還田法，堆肥還田法，沼渣還田法。

2 常見的秸稈還田技術(shù)模式及應(yīng)用

2.1 免耕播種施肥

在免耕田塊上覆蓋秸稈殘茬再進行播種和施肥，有無合適的免耕施肥播種機是關(guān)鍵。該機器需要有良好的覆土鎮(zhèn)壓性能以及配備防堵、入土、施肥的功能[15]。

2.2 秸稈殘茬管理

在大田地表覆蓋作物秸稈可以有效防止耕地水土流失和揚沙[16]。但是，秸稈還田量過多或還田不均勻造成的堆積，將引起播種擁堵、播種困難，影響出苗的質(zhì)量[17]。因此，秸稈殘茬管理最重要的是粉碎秸稈、控制留茬高度并且將秸稈撒勻。

2.3 雜草及病蟲害控制

秸稈常攜帶病原菌和蟲卵，秸稈還田后田間的病蟲害會有所增加[18]，秸稈堆積也會造成根莖病害的發(fā)生。因而，秸稈還田能夠成功的關(guān)鍵一步是控制田間病蟲害[19]。預(yù)防秸稈還田引起的病蟲害，首先要選擇健康的秸稈并且及時粉碎、掩埋，避免秸稈中帶來的病原菌和蟲卵；其次是改進秸稈還田方式，緩解還田過淺造成的病害[20]；最后加強配套管理措施，配施纖維分解菌，加速秸稈腐解，對種子進行包衣、拌種等處理，科學(xué)監(jiān)測病蟲害并合理用藥。

2.4 深松與表土作業(yè)

作物根系和蚯蚓為土壤提供天然的松土工作，但是土壤過緊或犁底層抬高時，需要進行機械松土。深松作業(yè)應(yīng)根據(jù)實際情況進行，一般田塊深松作業(yè)的頻率為二至三年一次，直到土壤可以進行自我疏松；但有一些田塊需要定期深松。深松作業(yè)時地表一般覆蓋有大量秸稈，因此要求深松機具有良好的防堵性能[21]。

3 作物秸稈還田對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的影響

3.1 對土壤容重和孔隙度的影響

土壤容重和孔隙度是土壤的基本物理性質(zhì)[22]，容重越大，孔隙度越小[23]。關(guān)于作物秸稈還田對于土壤容重和孔隙度的影響，學(xué)者們的看法有所不同，張聰?shù)萚24]認(rèn)為隨著還田年限的延長可以很好的改良土壤容重、孔隙度，并且具有飽和性和平衡性，在0～50 cm的土層中土壤容重緩慢降低，而土壤孔隙度逐漸加大。劉繼培等[25]研究也發(fā)現(xiàn)連續(xù)秸稈還田兩年并配施腐熟劑對土壤容重的降低有顯著的效果。李洪文等[26]經(jīng)過研究對比玉米3種耕作模式，發(fā)現(xiàn)在深松和免耕下，土壤容重有略微的增加，但在播種和收獲時期，3種耕作模式下的土壤容重都處于作物生長的適宜范圍。

3.2 對土壤溫度的影響

土壤溫度影響著作物的生長、發(fā)育和產(chǎn)量的形成。蘇偉等[27]研究表明秸稈覆蓋下0～5 cm和5～10 cm土層能減緩全天溫度變化幅度，與未覆蓋處理相比減少了22.3%和35.4%。劉煒等[28]研究表明秸稈覆蓋能增加冬季晝夜平均溫度。趙亞麗等[29]研究了秸稈還田下一年兩熟制農(nóng)田的土壤溫度，發(fā)現(xiàn)夏玉米季的平均土壤溫度明顯降低，而冬小麥季的平均土壤溫度明顯升高，證明秸稈還田對土壤溫度有調(diào)節(jié)作用，即在低溫季節(jié)增溫、高溫季節(jié)降溫[30]。陳素英等[31]通過測定玉米秸稈覆蓋的冬小麥土壤溫度，發(fā)現(xiàn)白天秸稈可降低土壤溫度，夜間秸稈可阻礙土壤溫度降低，且秸稈多覆蓋對土壤溫度的影響大于秸稈少覆蓋。

3.3 對土壤水分的影響

土壤水分對作物的生長和產(chǎn)量有著關(guān)鍵性的作用，無論哪種耕作模式，土壤水分不足都將影響作物的出苗率[32]。秸稈還田能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)，從而增加土壤含水量和蓄水能力。牛芬菊等[33]在半干旱旱作區(qū)通過多年研究得到，土壤含水量在秸稈還田處理下顯著高于不還田處理，尤其是在作物灌漿期和成熟期，有效證明了秸稈還田對土壤的滲水性和保水能力有提高作用。戰(zhàn)秀梅等[34]對遼南地區(qū)土壤水分進行了為期四年的試驗，發(fā)現(xiàn)土壤蓄水能力在秸稈連年還田處理下大于秸稈隔年還田處理大于無秸稈還田處理。李錄久等[35]發(fā)現(xiàn)玉米秸稈還田能夠提高小麥拔節(jié)期和孕穗期的土壤含水量，并且土壤含水量隨秸稈還田量的增加而呈現(xiàn)先升后降的趨勢。

3.4 對土壤養(yǎng)分的影響

有機質(zhì)是土壤的重要組成部分，土壤生物和微生物的活動都與它有著密切的聯(lián)系，有機質(zhì)可以促進土壤中營養(yǎng)元素的分解[36]，有效提高土壤的保肥性和緩沖性。徐蔣來等[37]對稻麥兩熟農(nóng)田進行秸稈還田處理，研究發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分和有機質(zhì)均有明顯增加，且隨還田量的增加而先增后減，以50%和75%的還田量為最優(yōu)。張靜等[38]研究認(rèn)為玉米秸稈還田后土壤有機質(zhì)與秸稈還田量呈正相關(guān)，并能有效抑制土壤有機質(zhì)的降低。李瑋等[39]進行了連續(xù)4年秸稈還田定位試驗，明確土壤總有機質(zhì)和活性有機質(zhì)在秸稈還田的條件下均顯著增加的結(jié)論，未施氮素處理較對照處理分別增加了8.5%和12.7%。王丹丹等[40]研究了秸稈還田與耕作方式對稻田土壤有機碳的短期影響，試驗表明由于還田下秸稈的腐解物和微生物分解的有機質(zhì)能提高土壤活性有機碳含量，所以土壤易氧化態(tài)碳與碳庫管理指數(shù)均增加，且其隨還田量的增加而增大。

3.5 對土壤微生物的影響

土壤肥力的核心是土壤微生物[41]，它們可為土壤供應(yīng)氮磷鉀等營養(yǎng)元素。秸稈直接還田后，可以增強土壤中的纖維素酶，蔗糖酶，脲酶和多酚氧化酶活性，土壤生物肥力和養(yǎng)分庫均增大，土壤養(yǎng)分利用和轉(zhuǎn)化的能力增強[42]。路怡青等[43]在玉米-小麥輪作保護性耕作定位試驗中認(rèn)為，免耕加秸稈還田可以增加土壤堿性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶、脲酶、脫氫酶活性，秸稈還田可以增加土壤微生物量碳、氮，其中在20～30 cm土層中，微生物量碳在免耕加秸稈還田處理下最高，微生物量氮在翻耕秸稈還田處理下最高。趙亞麗等[44]對小麥和玉米等作物分別進行秸稈還田和深耕（松）處理，對比不同耕作方式對土壤微生物的影響，結(jié)果表明秸稈還田處理提高了冬小麥成熟期的土層微生物數(shù)量，秸稈還田處理下夏玉米成熟期0～20 cm的土壤細(xì)菌數(shù)量、真菌數(shù)量、放射菌數(shù)量比不還田處理下增加了27.5%、24.0%和25.8%。顧美英等[45]研究秸稈還田對新疆極端干旱地區(qū)土壤微生物數(shù)量的影響，發(fā)現(xiàn)不同的秸稈還田方式下，土壤微生物數(shù)量均有顯著增加。

3.6 對作物產(chǎn)量的影響

大量研究表明，秸稈還田對作物有顯著的增產(chǎn)效應(yīng)[46-47]。蘇偉等[19]實驗表明，連續(xù)的稻草秸稈覆蓋還田能顯著增加油菜產(chǎn)量，五年平均增產(chǎn)14.2%。劉繼培等[17]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田3年，小麥產(chǎn)量隨還田年限的延長而增加。徐文強等[48]研究了覆膜與不同秸稈還田方式對玉米生長發(fā)育的影響，發(fā)現(xiàn)秋季覆膜玉米果穗穗長、穗粗、穗位高、穗粒數(shù)、百粒重在整株秸稈還田處理下最大，玉米產(chǎn)量在秸稈還田處理后較對照有增產(chǎn)的趨勢。但另一方面，在秸稈還田初期，可能引起暫時性生物固定作用增強，使土壤中部分有效養(yǎng)分被吸收到微生物體內(nèi)，而在一定時空條件下暫時失去有效性。另外大量的秸稈還田，還有可能對作物的初期生長產(chǎn)生顯著影響。有不少研究顯示，在還田條件下，當(dāng)季作物產(chǎn)量并不表現(xiàn)增產(chǎn)甚至減產(chǎn)，最主要的原因是因為初期生產(chǎn)受到一定的抑制，導(dǎo)致群體生長量偏低[49]。

4 展望

作物秸稈資源利用的潛力巨大，在生態(tài)農(nóng)業(yè)和未來農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有很大的應(yīng)用價值和前景[50]。在當(dāng)前社會經(jīng)濟條件下，作物秸稈直接還田是高效直接而且易于實現(xiàn)的秸稈處理方法。但秸稈還田也存在許多不足之處：（1）秸稈還田的量會影響農(nóng)田作物的生長和產(chǎn)量，還田量過大或拋撒不均勻易造成作物減產(chǎn)；（2）秸稈還田后使得土壤孔隙度過大，影響出苗；（3）秸稈中的蟲卵和細(xì)菌等物質(zhì)更容易造成田間病蟲害[51]。盡管作物秸稈還田的方式很多，但都是單一的機械化直接還田，缺乏與農(nóng)藝措施相配套的技術(shù)，秸稈粉碎還田技術(shù)能夠有效緩解秸稈還田后的病蟲草害，加強還田后的配套措施如鎮(zhèn)壓、施肥、灌水等，能夠使土壤保持緊實和作物正常出苗生長。今后應(yīng)加快創(chuàng)新秸稈還田機械，加大秸稈還田技術(shù)的宣傳和培訓(xùn)力度，走農(nóng)藝、生物技術(shù)與農(nóng)機相結(jié)合的道路，達到省時、省工、增效和降低作業(yè)成本的綜合效果。