秸稈還田環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)展

程子珍，范先鵬，余延豐，吳茂前，熊桂云，張富林，劉冬碧，夏 穎，張志毅

（湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所/國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境潛江觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站/湖北省農(nóng)業(yè)面源污染防治工程技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部潛江農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物肥料化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064）

中國(guó)是秸稈資源大國(guó)。根據(jù)《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》，2017 年中國(guó)秸稈產(chǎn)生量為8.05 億t，可資源收集量為6.74 億t。秸稈處置不當(dāng)，不僅造成資源浪費(fèi)，還會(huì)帶來(lái)一系列環(huán)境和社會(huì)影響［1］。如秸稈焚燒不僅會(huì)使秸稈中氮磷鉀大量損失，還會(huì)影響空氣質(zhì)量，危害農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)了多項(xiàng)措施推進(jìn)秸稈的資源化利用，如《農(nóng)業(yè)部辦公廳、財(cái)政部辦公廳關(guān)于開(kāi)展農(nóng)作物秸稈綜合利用試點(diǎn)，促進(jìn)耕地質(zhì)量提升工作的通知》《農(nóng)業(yè)部關(guān)于實(shí)施農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展五大行動(dòng)的通知》等，并提出“多元利用、農(nóng)用優(yōu)先”的秸稈資源化利用原則。有研究表明，在當(dāng)前農(nóng)業(yè)形勢(shì)下，秸稈還田是最優(yōu)、最現(xiàn)實(shí)的農(nóng)用模式［1］。秸稈還田可以補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分，提高土壤肥力。同時(shí)，秸稈還田也會(huì)對(duì)農(nóng)田氮磷流失、氨揮發(fā)、溫室氣體排放產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)水和大氣環(huán)境產(chǎn)生影響。本文就秸稈還田對(duì)農(nóng)田氮磷流失、氨揮發(fā)、溫室氣體排放的影響進(jìn)行綜合分析，以期為秸稈科學(xué)還田提供指導(dǎo)。

1 秸稈還田對(duì)農(nóng)田氮磷流失的影響

有許多研究者探討了秸稈還田對(duì)農(nóng)田氮磷流失的影響。對(duì)水田的研究結(jié)果表明，秸稈還田有降低地表徑流氮磷流失的作用。如朱利群等［2］研究表明，秸稈直接還田會(huì)使稻田TN 流失減少20.0%～28.9%，TP 流失減少10.3%～22.0%。陳琨等［3］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田、稻麥輪作農(nóng)田TN 和TP 流失量分別降低22.5%和6.2%。朱堅(jiān)等［4］在雙季稻上連續(xù)7 年研究發(fā)現(xiàn)，晚稻秸稈全量還田并等量替代化肥，稻田TN 和TP 流失量分別降低12.6%和9.7%。秸稈還田降低稻田氮磷流失量主要通過(guò)降低徑流水中氮磷濃度實(shí)現(xiàn)的。劉紅江等［5］研究表明，麥秸直接還田、麥秸還田和氮磷鉀肥各減20%，都不會(huì)降低稻田徑流水量，但會(huì)使TN 流失量分別降低9.2%和14.6%，使TP 流失量分別降低10.9%和16.4%。對(duì)旱地的研究結(jié)果表明，秸稈覆蓋還田可以減少旱地氮磷流失，主要是通過(guò)減少地表徑流水量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。秸稈覆蓋還田能使玉米地產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量比不覆蓋的對(duì)照分別減少30.5%和22.9%，地表徑流氮磷流失量分別降低27.4%和32.3%［6］。

2 秸稈還田對(duì)氨揮發(fā)的影響

許仁良［7］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田促進(jìn)稻田氨揮發(fā)。汪軍等［8］發(fā)現(xiàn)麥秸還田下，烏柵土和黃泥土稻季氨揮發(fā)損失比單施氮肥處理分別增加了19.8%和20.6%。張剛等［9］研究認(rèn)為，秸稈全量還田會(huì)使稻田氨揮發(fā)總量由秸稈不還田的10.01 kg/hm2增加至11.83 kg/hm2，增加18.2%。秸稈還田促進(jìn)稻田氨揮發(fā)，可能與秸稈還田提高土壤脲酶活性和土壤pH 有關(guān)［9］。

秸稈還田對(duì)旱地氨揮發(fā)影響的結(jié)果不盡一致。在小麥-玉米輪作農(nóng)田上的研究表明，與無(wú)秸稈配施相比，配施100%或50%秸稈分別降低了35.1%和16.1%的年累積氨揮發(fā)量；秸稈還田降低氨揮發(fā)，可能與秸稈的高C/N 比及土壤較高的微生物活性，促進(jìn)了無(wú)機(jī)氮的固定降低土壤銨態(tài)氮濃度有關(guān)［10］。但對(duì)全球相關(guān)文章進(jìn)行Meta 分析表明，秸稈還田會(huì)使旱地氨揮發(fā)增加17.0%，旱地氨揮發(fā)增加可能與秸稈還田增加脲酶活性有關(guān)［11］。

3 秸稈還田對(duì)溫室氣體排放的影響

3.1 秸稈還田對(duì)土壤固碳的影響

許多短期和長(zhǎng)期試驗(yàn)表明，秸稈還田可以通過(guò)增加土壤有機(jī)碳的直接輸入實(shí)現(xiàn)農(nóng)田固碳［12］。英國(guó)洛桑試驗(yàn)站始于1986 年的秸稈還田試驗(yàn)表明，秸稈還田顯著提高土壤有機(jī)碳的積累速率［13］。金琳等［14］用Meta 分析法估算了中國(guó)不同農(nóng)田管理的土壤固碳，各種措施中化肥與有機(jī)肥配施的固碳作用最大（0.889 t/hm2），其次為秸稈還田（0.597 t/hm2）。潘根興等［15］認(rèn)為，20 世紀(jì)80 年代以來(lái)全國(guó)秸稈還田的耕地土壤年固碳速率為0.5～1.0 t C/hm2；逯非等［16］認(rèn)為中國(guó)稻田秸稈還田的固碳潛力為10.48 Tg C/年；Pan 等［17］對(duì)太湖地區(qū)稻油輪作農(nóng)田的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)表明，每年水稻秸稈還田量為4.5 t C/hm2時(shí)，土壤年固碳速率為0.51 t C/hm2。

3.2 秸稈還田對(duì)甲烷排放的影響

秸稈還田對(duì)土壤甲烷排放影響的研究多集中在稻田上。許多研究表明，秸稈還田會(huì)促進(jìn)稻田甲烷的排放［18-22］。據(jù)測(cè)算，秸稈還田會(huì)使中國(guó)稻田甲烷排放從無(wú)秸稈還田的5.796 Tg/年增加到9.114 Tg/年，秸稈還田引起甲烷增排3.318 Tg/年，其全球增溫潛勢(shì)達(dá)82.95 Tg CO2-eqv/年［16］。此外，秸稈還田方式也會(huì)影響稻田甲烷的排放。秸稈粉碎還田可增加稻季113%的甲烷排放量，覆蓋還田增加稻季27%的甲烷排放量［23，24］。

3.3 秸稈還田對(duì)氧化亞氮排放的影響

目前，秸稈還田對(duì)農(nóng)田氧化亞氮排放影響的研究結(jié)果不盡一致。在稻田上，有研究者認(rèn)為稈秸還田會(huì)增加稻田氧化亞氮排放［25-27］；但多數(shù)研究表明秸稈還田會(huì)降低稻田氧化亞氮的排放［18，19，21，22］；對(duì)全球相關(guān)文章進(jìn)行Meta分析也表明，秸稈還田會(huì)使稻田氧化亞氮排放降低17.3%［11］。秸稈還田降低稻田氧化亞氮排放可能是秸稈還田促進(jìn)了土壤氮素的微生物固定，使硝化和反硝化作用的底物減少所致。在旱地上，有研究表明，秸稈覆蓋還田會(huì)增加土壤氧化亞氮的排放，全年覆蓋秸稈4 500 kg/hm2和9 000 kg/hm2，土壤氧化亞氮平均排放通量分別為131.31 μg/（m2·h）和142.26 μg/（m2·h），比秸稈不還田［110.64 μg/（m2·h）］分別提高了18.68%和28.57%［11］；在小麥-玉米輪作農(nóng)田上的研究結(jié)果也表明，秸稈還田會(huì)增加氧化亞氮的排放量［28］。但也有研究表明，秸稈還田并不會(huì)對(duì)冬小麥田的氧化亞氮排放有明顯影響［29］，秸稈全量還田會(huì)降低麥季氧化亞氮的排放量［30］。此外，秸稈還田方式也會(huì)影響氧化亞氮的排放。在稻麥輪作農(nóng)田上，秸稈粉碎還田可降低麥季3%～18%的氧化亞氮排放量，覆蓋還田增加麥季15%～39%的氧化亞氮排放量［23，24］。

3.4 秸稈還田的總體溫室效應(yīng)

秸稈還田一方面增加了土壤對(duì)碳的固定，有利溫室氣體減排，另一方面會(huì)影響甲烷、氧化亞氮等溫室氣體的排放。有研究者對(duì)稻田、稻麥輪作農(nóng)田秸稈還田的總體溫室效應(yīng)進(jìn)行了分析。中國(guó)稻田秸稈還田的固碳潛力為10.48 Tg C/年，對(duì)減緩全球變暖的貢獻(xiàn)為38.43 Tg CO2-eqv/年；但秸稈還田后，稻田甲烷排放將從無(wú)秸稈還田的5.796 Tg/年增加到9.114 Tg/年，秸稈還田引起甲烷增排3.318 Tg/年，其全球增溫潛勢(shì)達(dá)82.95 Tg CO2-eqv/年，是土壤固碳減排潛力的2.158 倍，稻田秸稈還田的甲烷增排的溫室效應(yīng)會(huì)大幅抵消土壤固碳的減排效益［14］。對(duì)稻麥兩熟農(nóng)田的研究發(fā)現(xiàn)，稻麥秸稈全量還田會(huì)降低麥季甲烷的排放量，增加稻季甲烷排放量，總體上會(huì)使稻麥兩熟農(nóng)田周年甲烷排放總量從無(wú)秸稈還田的156 kg CH4/hm2增加到394 kg CH4/hm2，增幅高達(dá)153%；稻麥秸稈全量還田會(huì)降低麥季氧化亞氮的排放量，對(duì)稻季氧化亞氮的排放沒(méi)影響，總體上會(huì)使稻麥兩熟農(nóng)田周年氧化亞氮排放總量從無(wú)秸稈還田的2.79 kg N2O/hm2降至2.39 kg N2O/hm2，降幅為14%；此外，秸稈還田會(huì)使稻麥兩熟農(nóng)田土壤碳固定量從無(wú)秸稈還田的0.18 t C/hm2增加至1.14 t C/hm2，增加533%。從綜合溫室效應(yīng)來(lái)看，秸稈還田會(huì)增加稻麥兩熟農(nóng)田的溫室效應(yīng)，凈增溫潛勢(shì)將從無(wú)秸稈還田的4 058 CO2-eqv/hm2增加至6 383 kg CO2-eqv/hm2，增加57%［28］。

4 小結(jié)與展望

中國(guó)是秸稈資源大國(guó)，科學(xué)處置秸稈對(duì)保障農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。直接還田是秸稈資源化利用的重要途徑。秸稈還田能降低農(nóng)田氮磷流失，對(duì)保護(hù)地表水環(huán)境有積極作用，但秸稈還田也會(huì)加重農(nóng)田氨揮發(fā)損失，一定程度上影響氮肥利用效率，對(duì)空氣質(zhì)量有一定的負(fù)面影響。此外，雖然秸稈還田能促進(jìn)農(nóng)田固碳，大多數(shù)研究認(rèn)為還能降低稻田氧化亞氮的排放，但同時(shí)會(huì)大幅促進(jìn)稻田甲烷排放，總體上增加稻田的溫室效應(yīng)。因此，需要加強(qiáng)秸稈還田對(duì)氨揮發(fā)、稻田甲烷排放影響機(jī)制及控制技術(shù)的研究，降低秸稈還田對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

此外，目前秸稈還田對(duì)氧化亞氮排放，特別是對(duì)旱地氧化亞氮排放影響的研究結(jié)果不盡一致，而且不同還田方式的影響也不同，需要對(duì)此做進(jìn)一步系統(tǒng)研究。雖然現(xiàn)有研究表明，對(duì)于稻田和稻麥輪作農(nóng)田，秸稈還田總體上會(huì)增加溫室效應(yīng)，但這些研究結(jié)果是對(duì)比秸稈不還田且不做任何其他利用情況下獲得的。要客觀評(píng)價(jià)秸稈還田措施的總體溫室效應(yīng)，還需深入研究秸稈在其他利用途徑下的溫室效應(yīng)。