我國秸稈還田技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

姜珊 李衍素 王娟娟 賀超興 于賢昌 王 君*

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，北京 100081；2 全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，北京 100125）

秸稈是指農(nóng)作物在收獲籽粒、果實(shí)及其他可食用部分后剩余莖、葉等的總稱。秸稈還田是指把作物秸稈直接或間接處理后返還回土壤的過程。秸稈中富含營養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)質(zhì)，其資源化利用既能減少廢棄秸稈對環(huán)境的污染，又能補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，已成為發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)以及化肥減施增效重要的途徑之一，可以有效助推現(xiàn)代農(nóng)業(yè)健康綠色可持續(xù)發(fā)展。

2017 年我國農(nóng)作物秸稈可收集資源量已超過8.2 億t，其中玉米、水稻、小麥三大糧食作物秸稈資源量合計(jì)占比為84.8%，是我國農(nóng)作物秸稈的主要來源；棉花、油菜、花生、豆類、薯類及其他谷物秸稈分別占秸稈總量的2.8%、2.4%、2.1%、2.8%、3.3%和1.8%（叢宏斌 等，2019）。蔬菜作為我國經(jīng)濟(jì)作物重要的組成部分，2019 年總產(chǎn)量7.21 億t（丁海鳳 等，2020），其中廢棄物量約占60%，但循環(huán)利用率卻不足30%（常瑞雪，2017）。我國每年仍有大量秸稈資源未被利用，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。本文綜述了秸稈還田對土壤-作物-大氣系統(tǒng)的影響，以期為秸稈還田技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提供參考和支撐。

1 秸稈還田方式

秸稈還田按照還田方式可分為直接還田和間接還田兩類。

1.1 直接還田

秸稈直接還田是指將不經(jīng)腐熟的秸稈通過機(jī)械或人工鍘細(xì)、粉碎或整稈扁壓等方式直接犁翻入土的過程（張海英，2016）。按秸稈的處理形態(tài)可以分為粉碎還田和整稈還田；按還田深度可以分為翻壓還田和覆蓋還田（楊麗 等，2017）。各種方式適用的地域也不盡相同，秸稈直接粉碎翻壓還田多適用于水熱條件好、土地平坦、機(jī)械化程度高的華北地區(qū)（高寒山區(qū)除外）；秸稈整稈翻壓還田多適用于西南和長江中游水田栽培地區(qū)；秸稈整稈覆蓋還田多用于西南和長江中游旱作栽培地區(qū)（宋芳芳，2015）。

1.2 間接還田

秸稈間接還田是指將秸稈進(jìn)行堆漚、過腹、炭化或氣化處理后，再將所得的產(chǎn)物用于還田的過程（張海英，2016）。常用的方式有堆漚還田、過腹還田、炭化還田、廢渣還田和焚燒還田等（馬書芳等，2016；趙永強(qiáng) 等，2017）。但焚燒還田會產(chǎn)生氮氧化合物污染空氣，還會增加火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，已逐漸被其他還田方式所取代。

2 秸稈還田對土壤、作物和環(huán)境的影響

2.1 對土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)性狀的影響

2.1.1 對土壤理化性質(zhì)的影響 秸稈本身富含營養(yǎng)物質(zhì)，小麥、水稻、玉米秸稈中氮、磷和鉀含量范圍分別為5.0～11.3 g·kg-1、0.9～3.5 g·kg-1和16.3～33.5 g·kg-1，C/N 為35.6～95.8（李碩 等，2015；溫云杰 等，2015；曹瑩菲 等，2016；岳丹 等，2016；王月寧 等，2019）。農(nóng)作物秸稈還田后能夠顯著增加土壤營養(yǎng)物質(zhì)的含量，土壤中全氮含量增加9.4%～11.2%，速效磷含量增加20.9%～40.9%，速效鉀含量增加9.4%～21.4%（湯文光 等，2015；張雅潔 等，2015；朱興娟 等，2018；王月寧 等，2019）。蔬菜廢棄物中氮、磷和鉀含量在12.4～30.5 g·kg-1、3.0～8.0 g·kg-1和18.0～53.0 g·kg-1范圍內(nèi)（韓雪 等，2015），較大多數(shù)大田作物秸稈中氮、磷含量高，而C/N 值低，通常為7.0～22.4（劉榮厚 等，2008；李揚(yáng)和李彥明，2015）。但在不同土壤條件下，秸稈還田通過影響微生物和植物代謝活動對土壤營養(yǎng)物質(zhì)含量產(chǎn)生的差異也非常大。何志剛等（2019）研究發(fā)現(xiàn)，在設(shè)施次生鹽漬化土壤中增加玉米秸稈還田量進(jìn)一步促進(jìn)了土壤中微生物的繁殖，同時增強(qiáng)了番茄對速效養(yǎng)分的吸收，收獲后土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀含量反而有所降低。另外，秸稈還田除了能夠增加土壤中作物生長所必需的氮、磷、鉀等大量元素的含量，還能提高鐵、錳等微量元素的含量（韓春麗 等，2010）。

秸稈中還含有大量有機(jī)質(zhì)，如纖維素和木質(zhì)素等難以分解的物質(zhì)。玉米、小麥秸稈中纖維素和木質(zhì)素含量分別占干物質(zhì)量的23.3%～37.2%和7.1%～12.6%（李紅亞 等，2015；趙金鳳 等，2019）。蔬菜廢棄物中有機(jī)質(zhì)占干物質(zhì)量的比例平均為70.0%，其中葉菜類蔬菜廢棄物高達(dá)95.0%（杜鵬祥 等，2015）；而纖維素和木質(zhì)素含量分別占干物質(zhì)量的9.0%～28.5%和5.0%～11.0%（王麗英等，2014；杜鵬祥 等，2015），平均水平低于大田作物秸稈。已有研究發(fā)現(xiàn)，小麥、水稻和玉米等農(nóng)作物秸稈還田后能夠顯著提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量，在7.8%～39.0%范圍（胡國平，2012；朱興娟 等，2018；王月寧 等，2019）。

秸稈本身pH 值在6.0～9.2 范圍（王麗英 等，2014）。大豆、花生和玉米秸稈還田后能夠改良酸性土壤。蘭麗麗等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，土壤中添加20.0 g·kg-1大豆秸稈，土壤pH 值提升了0.9 以上。土壤EC 值通常在2.0～3.5 mS·cm-1范圍內(nèi)，連作會導(dǎo)致EC 值上升，而添加玉米、小麥和番茄等秸稈可以有效降低土壤EC 值（李增亮 等，2019），緩解連作障礙。

秸稈還田還能夠降低土壤容重（宋為交 等，2013），增加總孔隙度（王月寧 等，2019），提高土壤透氣性（孫新榮 等，2020）、貯水能力（李波等，2020），提高大團(tuán)聚體的含量、重量和直徑，增加團(tuán)聚體碳庫，有利于土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，減少耕作對土壤的擾動和對團(tuán)聚體的破壞（耿瑞霖 等，2010；龔偉 等，2011）。秸稈還田對土壤的熱傳導(dǎo)和光輻射吸收轉(zhuǎn)換也具有調(diào)節(jié)功能，能有效緩解土壤溫度激變（崔愛花 等，2018）。

2.1.2 對土壤生物學(xué)性狀的影響 秸稈還田可以增加土壤微生物的數(shù)量和種類（汪景寬 等，2006；劉驊 等，2007）。玉米秸稈和小麥秸稈還田通過增加土壤中養(yǎng)分含量促進(jìn)了固氮菌、氨化細(xì)菌、纖維分解菌和反硝化細(xì)菌、木霉菌等有益微生物的繁殖（晉齊鳴 等，2007；劉驊 等，2007）。但玉米秸稈還田也會引起土壤中禾谷鐮刀菌、串珠鐮刀菌、腐霉菌等致病菌的數(shù)量增加（晉齊鳴 等，2007）。配合深松或旋耕等農(nóng)藝措施，可以有效降低致病菌數(shù)量（趙麗琨 等，2017）。

秸稈還田通過增加微生物種類和數(shù)量反過來會改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)土壤磷素活化等（趙永強(qiáng) 等，2017），提高蔗糖酶、脲酶（匡石滋 等，2010）、過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性，降低多酚氧化酶活性（王振躍 等，2011；郭曉源，2016）。但是，過量秸稈還田會造成腐解過程緩慢，反而對土壤微生物群落造成不利影響，致使養(yǎng)分失衡（李少昆 等，2006）。

2.2 對作物生長、品質(zhì)和病蟲害發(fā)生情況的影響

2.2.1 對作物生長和品質(zhì)的影響 適量秸稈還田可以促進(jìn)作物生長和養(yǎng)分吸收（黃婷苗 等，2015；劉園 等，2015），顯著增加作物產(chǎn)量，已在黃瓜（郝曉然 等，2015）、番茄（何志剛 等，2019；李波 等，2020）、玉米（王月寧 等，2019）和小麥（張賽等，2013）等作物上獲得證實(shí)。秸稈還田對作物的影響與秸稈還田量、還田方式及還田深度直接相關(guān)（王月寧 等，2019；李波 等，2020）。若還田秸稈不能完全腐解，會降低下茬作物出苗率，抑制植株扎根（李少昆 等，2006）。

適量秸稈還田還可以在一定程度上改善作物的品質(zhì)。張潔瑩（2013）研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈還田增加了青花菜中VC、總酚含量，降低了硝酸鹽含量。玉米秸稈還田除了能顯著提高番茄中VC 含量外，還能促進(jìn)可溶性糖、番茄紅素、有機(jī)酸等營養(yǎng)物質(zhì)積累，提高糖酸比（王廣印 等，2012；李波 等，2020），改善番茄品質(zhì)。

2.2.2 對病蟲害發(fā)生情況的影響 秸稈直接還田過程可能會攜帶大量病原菌和蟲卵，增加作物發(fā)病的幾率。研究發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈全量還田導(dǎo)致小麥紋枯病在早春提早發(fā)生，且發(fā)病率顯著增加（趙永強(qiáng) 等，2017）。番茄青稈還田使番茄早疫病病情指數(shù)增加50.0%（孫周平 等，2019），但腐熟發(fā)酵后的玉米秸稈或小麥秸稈還田卻可以使黃瓜白粉病病情指數(shù)降低31.0%～35.5%（毛麗萍 等，2008）。曹志平等（2010）研究發(fā)現(xiàn)，土壤中添加4.2 g·kg-1小麥秸稈可以有效抑制根結(jié)線蟲，促進(jìn)番茄植株生長。另外，蕓薹屬蔬菜作物可以在腐解過程中釋放出硫代葡萄糖苷，該物質(zhì)可被腐解時產(chǎn)生的黑芥子酶水解，生成揮發(fā)性很強(qiáng)的異硫氰酸酯類物質(zhì)，具有殺蟲功效，能有效防控根結(jié)線蟲（李世東 等，2007）。

2.3 對生物環(huán)境和大氣環(huán)境的影響

2.3.1 對生物環(huán)境的影響 秸稈還田可以抑制雜草生長，增加土壤昆蟲數(shù)量，改善農(nóng)田生物環(huán)境。小麥秸稈高茬還田抑制了水稻田稗草種群和闊葉雜草種群的生長（付佑勝 等，2019）。水稻秸稈還田能有效降低稻田雜草的發(fā)生密度、總生物量和生物多樣性（陳浩 等，2018）。玉米秸稈和小麥秸稈還田還可以增加包括蟻科、蟋蟀科、疣跳科、長角跳科、等節(jié)跳科、瓢甲科等在內(nèi)的優(yōu)勢類群數(shù)量，尤其是疣跳科和等節(jié)跳科昆蟲，個體數(shù)量增加了近10 倍（劉驊 等，2007）。

2.3.2 對大氣環(huán)境的影響 土壤微生物在分解還田秸稈時，會消耗空氣和土壤中的O2，同時釋放出CO2和水蒸氣（宋為交 等，2013）。土壤中植物殘?bào)w會在產(chǎn)甲烷菌的作用下生成CH4（夏龍龍 等，2020）。雖然在秸稈還田后的水稻田中采用控制灌溉、干濕交替等灌溉措施可以減少CH4排放，但同時會增加N2O 產(chǎn)生與排放（周勝 等，2020）。與未還田相比，小麥秸稈全量還田和秸稈半量還田增加了CO2（42.0%和12.0%）、N2O（41.0%和9.0%）和NO（30.0%和13.0%）的排放量，加重了溫室效應(yīng)（蒙世協(xié) 等，2012）。

3 秸稈還田在研究和應(yīng)用過程中存在的問題及幾點(diǎn)建議

秸稈科學(xué)還田可以變廢為寶，提高土壤肥力，改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，此結(jié)果已被證實(shí)（曾洪玉 等，2011）。該技術(shù)還減少了耕作對土壤的掠奪和干擾（龔偉 等，2011），有利于維持土壤可持續(xù)發(fā)展。但其在研究和應(yīng)用過程中仍存在一些問題。

3.1 秸稈還田的研究對象比較局限

目前對秸稈還田的研究主要面向大田作物，包括水稻、小麥和玉米等，而對其他類型秸稈還田效應(yīng)的研究相對較少，如蔬菜和果樹的廢棄物。

3.2 秸稈還田過程中添加有益微生物菌劑的研究匱乏

秸稈直接還田過程因秸稈自身攜帶的病原菌和蟲卵會增加下茬作物感染病蟲害的風(fēng)險(xiǎn)，而且秸稈富含營養(yǎng)，且具有保溫保濕的特性，為部分病蟲害的發(fā)生和流行創(chuàng)造了適宜的環(huán)境條件，進(jìn)而誘發(fā)各種病蟲害發(fā)生。目前可通過在秸稈還田時加入防蟲菌劑和除病原菌菌劑等來防治病蟲害（蘇瑤 等，2019）。另外，還有很多微生物菌劑，如解淀粉芽孢桿菌，能夠促進(jìn)纖維素和木質(zhì)素等難分解物質(zhì)的腐解（李紅亞 等，2015）。近年來微生物菌劑產(chǎn)品種類繁多，但由于缺乏配套還田專用微生物菌劑的標(biāo)準(zhǔn)，造成實(shí)際應(yīng)用過程中產(chǎn)品使用混亂，嚴(yán)重影響秸稈還田的應(yīng)用效果。因此，關(guān)于秸稈還田過程中菌劑的使用還需不斷探索，加強(qiáng)適合不同區(qū)域類型（設(shè)施、露地；糧食產(chǎn)區(qū)、蔬菜產(chǎn)區(qū)；旱作區(qū)、濕潤區(qū)）、不同秸稈類型（大田作物、蔬菜等）、不同功能（加速腐解、根際促生、病原菌抑制等）的菌株篩選，深入研究菌劑的適用條件以及對土壤微生態(tài)系統(tǒng)的影響。

3.3 缺少對秸稈還田技術(shù)的綜合評價(jià)體系

秸稈還田會影響土壤-作物-大氣整個生態(tài)系統(tǒng)，為了全面評估秸稈還田的效應(yīng)，宜開展秸稈還田的定位試驗(yàn)，對土壤理化性質(zhì)、生物學(xué)性狀、作物表征以及溫室氣體排放進(jìn)行長期監(jiān)測和分析。另外，還需對秸稈還田技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會效益進(jìn)行綜合評估，論證秸稈還田技術(shù)長期應(yīng)用的科學(xué)性、可行性和實(shí)用性。

3.4 秸稈還田操作規(guī)范化程度不夠

為了省時省力，大田作物目前多采用秸稈直接還田的形式，在操作過程中存在一系列操作粗放、不規(guī)范的現(xiàn)象，如秸稈還田量過高、土壤含水量不足、秸稈粉碎程度不夠、翻壓質(zhì)量不好等。腐熟程度是影響秸稈還田效果的重要因子，腐熟速度慢會造成秸稈在土壤中大量殘留，影響作物生根、發(fā)芽和存活（李少昆 等，2006；侯永俠 等，2009）。另外，秸稈堆漚還田方式占地面積大，產(chǎn)生大量的惡臭氣體（郭彥釗 等，2016），容易造成空氣及水體污染。盡管已經(jīng)建立了麥玉兩熟制油菜秸稈還田、麥玉兩熟制玉米秸稈還田、黃土高原區(qū)玉米秸稈還田等地方標(biāo)準(zhǔn)，但對于還田量、還田深度、配施菌劑以及還田后滿足播種或定植要求的土壤性狀等內(nèi)容并未涉及，應(yīng)盡快補(bǔ)充秸稈還田技術(shù)細(xì)節(jié)，加強(qiáng)一線實(shí)踐人員的操作培訓(xùn)，加速秸稈還田技術(shù)的規(guī)?；茝V應(yīng)用。

3.5 秸稈還田受機(jī)械化程度制約

集約化和機(jī)械化是秸稈還田的發(fā)展方向。雖然我國已經(jīng)研制了很多類型的用于秸稈還田的機(jī)械設(shè)備，但仍存在一些問題。首先，機(jī)械的地域適用性有限，很多機(jī)械設(shè)備在南方濕潤、半濕潤地區(qū)或空間有限的設(shè)施內(nèi)不能正常地發(fā)揮功能；其次，機(jī)械對于秸稈類型的適用性有限。此外，還需研制與農(nóng)藝更加配套的還田機(jī)械，簡化操作流程與工序，降低作業(yè)成本和勞動力投入。

3.6 秸稈資源化利用宣傳力度不足

近年來雖然一直鼓勵秸稈還田技術(shù)發(fā)展，也研制了一系列機(jī)械化設(shè)備，但每年我國仍有約1.3 億t 的農(nóng)作物秸稈未被利用（叢宏斌 等，2019）。并且，在蔬菜和水果生產(chǎn)過程中也會產(chǎn)生老葉、殘枝等大量的廢棄物，目前大多也未被重視利用。造成秸稈資源化利用程度低的主要原因是區(qū)域經(jīng)濟(jì)限制，農(nóng)村生產(chǎn)水平低下以及示范推廣力度不夠。因此，政府還應(yīng)加強(qiáng)扶持和宣傳相關(guān)政策，鼓勵相關(guān)企業(yè)、合作社、種植戶共同推動秸稈的資源化利用。