秸稈還田對土壤肥力特征影響的研究進展

王嘉豪，李廷亮，2，呂卓呈，黃 璐，宋紅梅

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級實驗教學(xué)示范中心，山西 太谷 030801）

我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，擁有豐富的作物秸稈資源。據(jù)統(tǒng)計，我國秸稈年產(chǎn)量達10.4億 t［1］，居世界前列。秸稈不僅能作為一種富含各類養(yǎng)分的有機肥源提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力，還可以在土壤結(jié)構(gòu)改良和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升等方面發(fā)揮積極作用［2-4］。2015年我國秸稈綜合利用率達到80.1%，取得了長足的進步；但受傳統(tǒng)觀念的影響，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中仍存在丟棄、焚燒秸稈等不合理行為，這不僅造成了資源浪費，還加重了環(huán)境污染。在多數(shù)歐美國家，2/3左右的秸稈做直接還田處理，1/5左右用作飼料［5-7］。在亞洲的韓國實現(xiàn)了水稻和小麥秸稈全量化利用［8］。在目前提倡高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、化肥減施和綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的大背景下，秸稈還田是一項值得大力推廣應(yīng)用的農(nóng)業(yè)措施。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于秸稈還田對土壤肥力特性的影響已做了大量的試驗研究，但缺少對相關(guān)研究成果的系統(tǒng)性總結(jié)。筆者在梳理前人研究文獻的基礎(chǔ)上，總結(jié)了秸稈還田對土壤結(jié)構(gòu)、水溫效應(yīng)、養(yǎng)分特征和微生物特性的影響，并進一步分析了秸稈還田中存在的一些問題，以期為秸稈科學(xué)還田提供參考。

1 秸稈還田對土壤物理結(jié)構(gòu)的影響

1.1 秸稈還田對土壤容重和孔隙度的影響

土壤容重可以直接反映土壤結(jié)構(gòu)好壞和土壤緊實程度，并與土壤水、肥、氣、熱密切相關(guān)［9-10］?？紫抖纫嗍侨绱?，并且土壤中孔隙度分布的連續(xù)性和穩(wěn)定性會深刻影響作物根系的生長發(fā)育和土壤養(yǎng)分的運移［11，15］。將密度低、孔隙度大的秸稈施入土壤能起到稀釋作用［16］，從而可產(chǎn)生降低土壤容重、增加土壤孔隙度的正面效應(yīng)［12-14］。長期定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)多年的作物秸稈全量還田使這一效應(yīng)表現(xiàn)更加明顯［17］。Wang等［18］在西北旱區(qū)的玉米秸稈還田試驗研究也獲得了類似的結(jié)果，且以13500 kg/hm2的高量玉米秸稈長期還田對土壤有機碳的提升程度更高，對土壤結(jié)構(gòu)的改良效果更佳。在秸稈還田的基礎(chǔ)上增施一定量的氮肥可以進一步改善土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，這是由于施氮可以調(diào)節(jié)土壤的C/N比，使秸稈有效腐解而釋放出大量的有機物質(zhì)，這些分解物可以與土粒形成穩(wěn)定、疏松的團粒結(jié)構(gòu)［19-20］。秸稈還田的深度對不同深度土壤容重和孔隙度的影響存在差異，王秋菊等［21］在東北黑土玉米種植區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈耕層還田僅使0～20 cm土層的土壤容重下降0.09～0.12 g/cm3，孔隙度提高6.05%～7.92%，下層土壤的容重和孔隙度基本上沒有變化；秸稈還田深度的增加會影響下層土壤的容重及孔隙度。另外，有研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田對土壤容重及孔隙度的影響也與耕作方式有關(guān)，較淺的耕作對表層土壤的物理特性有一定的改善作用，但對下層土壤不利；而秸稈還田結(jié)合深耕更有利于改善土壤容重和孔隙度［22-23］。

1.2 秸稈還田對土壤團聚體結(jié)構(gòu)特征的影響

土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，對土壤肥力的維持有重要作用。不同粒級的團聚體對養(yǎng)分的供應(yīng)和轉(zhuǎn)化能力存在差異，而大團聚體作為土壤肥力的重要物質(zhì)條件，可以反映土壤肥力［24-25］。土壤團聚體的形成、分布及穩(wěn)定性受耕作方式、肥料投入及有機物料輸入等農(nóng)業(yè)管理措施的影響［27-29］。秸稈還田能對土粒團聚過程產(chǎn)生積極的影響，促進微團聚體向大團聚體轉(zhuǎn)化［26，30-32］。研究表明，在東北地區(qū)棕壤和黃淮海地區(qū)潮土上實行秸稈還田，均可使0～20 cm土層的大團聚體含量增加，使微團聚體含量下降［33-34］；但在秸稈還田后土壤中的大團聚體含量不會無限提升，因為過量的秸稈還田會阻礙團聚過程，還使C、N失衡，導(dǎo)致微生物量下降［35］，而微生物量與團聚體形成顯著相關(guān)［36］。秸稈還田可以提高平均重量直徑（MWD）、幾何重量直徑（GWD）和粒徑大于0.25 mm團聚體的百分比（R>0.25）等反映團聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)。Zhang等［37］在西北半干旱區(qū)黃綿土開展的秸稈還田量試驗結(jié)果表明，秸稈還田使0～40 cm土層的機械穩(wěn)定性團聚體的MWD和GWD分別提升了14.7%～37.8%、17.6%～45.2%，水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性也顯著提升，以9000 kg/hm2的秸稈還田量的效果更佳。此外，余坤等［38］將低C/N的氨化玉米秸稈粉碎還田后，發(fā)現(xiàn)其較傳統(tǒng)秸稈還田可顯著提高土壤團聚體的R>0.25、MWD和GMD，更有效地發(fā)揮了秸稈還田的改土效果。

秸稈還田對土壤團聚體演變的影響與其帶入土體的有機碳密切相關(guān)，表土中90%的有機碳位于團聚體中，團聚體是有機碳的重要載體［39］。有機碳作為膠結(jié)物質(zhì)可以促進團聚體的形成［26］，而團聚體可以為有機碳提供物理保護，提高其穩(wěn)定性［40-41］。秸稈還田一方面可以提高土壤有機碳的輸入量［30］，而有機碳作為有機膠結(jié)物［32］參與各粒級團聚體的形成；另一方面秸稈還田使土壤微生物量增加［42］，兩者都是有機碳的組成部分［30，43］，因此，各粒級團聚體的有機碳含量得到提升。相關(guān)研究表明，隨著土壤團聚體粒級的增大，其有機碳含量呈逐漸增加的趨勢，其中大團聚體的有機碳含量高，究其原因：一是微團聚體通過有機碳膠結(jié)成大團聚體［44］；二是在大團聚體中處于分解狀態(tài)的菌絲可以分解產(chǎn)生多糖等碳源物質(zhì)，從而提高有機碳的含量［45］。

2 秸稈還田對土壤水溫效應(yīng)的影響

2.1 秸稈還田的水分效應(yīng)

良好的土壤水分狀況有利于作物生長，促進土壤-作物養(yǎng)分循環(huán)平衡［46］。如何有效提高土壤蓄水保墑能力是我國農(nóng)業(yè)科研工作者在不斷探究的科學(xué)問題。秸稈覆蓋還田作為一項重要的保墑技術(shù)，對農(nóng)業(yè)水資源緊缺的地區(qū)有重要意義。Huang等［47］在黃土高原春麥區(qū)的試驗表明，小麥秸稈覆蓋還田使2年的土壤水分蒸散量分別減少了19.7、14.3 mm，同時水分利用效率也極顯著提高。李玉鵬等［48］研究發(fā)現(xiàn)，在西北半干旱區(qū)冬小麥全生育期0～200 cm土層的貯水量隨秸稈覆蓋量的增加而提高了13.1%～26.1%。另外，不同秸稈覆蓋時期對土壤水分的影響存在差異，在黃土高原半濕潤易旱區(qū)的研究表明，秸稈周年全程覆蓋較僅生育期覆蓋更能提高2 m土層的蓄水量和作物水分生產(chǎn)效率［49-50］。為了解決干旱冷涼地區(qū)秸稈覆蓋還田蓄水保墑與秸稈腐解率低之間的矛盾，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)柴守璽團隊提出了秸稈周年帶狀覆蓋，即分設(shè)寬30～50 cm的覆蓋帶和種植帶，兩帶相間排列，于種植帶播種后預(yù)留覆蓋帶，并將秸稈整稈置于其中，在連續(xù)種植2茬后將秸稈旋耕打碎還田，這樣可以有效克服傳統(tǒng)秸稈覆蓋還田的弊端，且能在更大程度上提高土壤的蓄水保墑能力。另外，秸稈粉碎翻壓還田也可以提高作物的水分利用效率和土壤的水分狀況，刁鵬生等［51］在黃土高原玉米旱作區(qū)的研究結(jié)果表明，以6000 kg/hm2的玉米秸稈粉碎翻埋還田，可以提高玉米全生育期0～80 cm土層的土壤貯水量，還能促進玉米葉片的生長，使有效蒸騰增強，使玉米的水分利用效率明顯提升。大量研究表明，秸稈覆蓋還田較翻壓還田有更顯著的蓄水保墑作用。

2.2 秸稈還田的溫度效應(yīng)

土壤溫度會影響土壤的水分運動、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化等，并與作物的生長發(fā)育聯(lián)系密切［52］。研究表明，秸稈覆蓋還田后土壤溫度變化呈現(xiàn)“增溫效應(yīng)”或“降溫效應(yīng)”［53-54］，且土壤溫度變化在0～10 cm土層表現(xiàn)明顯，而在下層土壤表現(xiàn)不明顯［55］。Zhang等［56］在黃土高原山地農(nóng)田麥秸覆蓋還田的試驗表明，10 cm土層的日平均溫度在高溫時降低0～4 ℃，在低溫時升高0～2 ℃。陳素英等［57］在華北地區(qū)的研究表明，玉米秸稈覆蓋還田使冬小麥土壤5 cm深處的日均地溫變化幅度減小并趨于平緩，但春季時產(chǎn)生“低溫效應(yīng)”，并且該現(xiàn)象隨覆蓋量的增加而呈增強的趨勢。蔡太義等［49］在關(guān)中平原的研究顯示，不同量的秸稈覆蓋使春玉米生育期內(nèi)0～15 cm土層發(fā)生了“低溫效應(yīng)”，且春玉米生育前期的“低溫效應(yīng)”較生育后期更加明顯，這與Unger［58］的研究結(jié)果類似。低溫效應(yīng)使作物生長初期的土壤溫度低于正常生長發(fā)育所要求的溫度，從而阻礙作物的生長發(fā)育。也有研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原中南部地區(qū)旱地冬小麥麥秸覆蓋還田后，在返青期后10 cm深處的土壤溫度最高增加了2.52 ℃，在20 cm深處最高增加了1.65 ℃，這為小麥地上部養(yǎng)分吸收和小麥生長發(fā)育提供了有利條件［59］?？梢?，秸稈覆蓋還田對土壤溫度的影響因季節(jié)變化和地域特點呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。另外，常曉慧等［52］在東北寒地旱作區(qū)的試驗發(fā)現(xiàn)，實施秸稈深施還田對土壤溫度的提升效果優(yōu)于覆蓋還田，并且對土壤的保溫和調(diào)控能力隨深施量的增加而提高。

3 秸稈還田對土壤養(yǎng)分含量的影響

作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的數(shù)量巨大的生物質(zhì)資源，其富含大量有機質(zhì)和其他營養(yǎng)元素，是一種重要的有機肥源［60-62］。在2014～2018年，中國水稻、小麥和玉米秸稈的氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）資源年均量分別為509.8萬t、284.7萬t、1183.0萬t，若全部還田，則能替代的化肥用量為294.0萬t N、194.1萬t P2O5和1083.9萬t K2O［63］。高效、持續(xù)的秸稈還田對土壤養(yǎng)分管理、土壤肥力提升、土壤生態(tài)環(huán)境改良具有重要的意義［64-65］。

秸稈還田方式、還田量及還田時間是影響土壤養(yǎng)分變化的重要因素。秸稈還田能增加土壤有機質(zhì)（碳）和氮磷鉀養(yǎng)分含量，而還田量與土壤養(yǎng)分含量的增加幅度呈顯著的正相關(guān)。有研究者認為提高秸稈還田量更有利于土壤養(yǎng)分含量的提升［66］；但也有研究者認為秸稈還田量存在1個閾值，例如高金虎等［67］在遼西旱區(qū)的秸稈還田量試驗發(fā)現(xiàn)，過量還田會導(dǎo)致有機質(zhì)的增長幅度下降。叢萍等［68］將秸稈一次性深埋入40 cm土層，提升了秸稈還田量的閾值，還有效解決了黃淮海平原北部耕層變淺、亞表層肥力下降的問題。

不同還田方式對土壤有機質(zhì)狀況的影響存在一定差異，秸稈覆蓋還田促進土壤有機質(zhì)積累的效果更好，而翻壓還田次之［69-70］；秸稈粉碎翻壓還田對耕層全氮和速效養(yǎng)分含量的提升效果最好，而覆蓋還田的效果較差［71］。另外，秸稈還田結(jié)合不同的耕作措施也能在一定程度上提高土壤的養(yǎng)分含量，但土壤養(yǎng)分含量的提高幅度受秸稈還田深度的影響，例如秸稈還田結(jié)合旋耕處理對華北平原麥玉輪作區(qū)0～10 cm土壤養(yǎng)分含量的提升效果最明顯，但對10～20 cm土壤的養(yǎng)分含量改善不明顯［72］；而在該區(qū)域內(nèi)的另一研究則發(fā)現(xiàn)，秸稈還田結(jié)合深耕處理對10～20 cm土壤養(yǎng)分含量的提升效果顯著［73］。但從總體來看，秸稈還田后存在一定的腐解期，養(yǎng)分歸還不夠及時，還田效果不能在短期內(nèi)顯著表現(xiàn)［74-76］，而長期秸稈還田能有效增加土壤養(yǎng)分含量［77］。

4 秸稈還田對土壤微生物特性的影響

土壤有機質(zhì)變化深刻影響土壤微生物的代謝活動［78］。秸稈作為富含碳、氮的有機物料，還田后可以為土壤微生物的生命活動提供更多的營養(yǎng)物質(zhì)；此外，秸稈還田后通過改變土壤結(jié)構(gòu)，可以為微生物營造良好的生存環(huán)境［79-80］。添加作物秸稈對土壤微生物的影響特別表現(xiàn)在土壤細菌、真菌方面［81］。周文新等［82］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可以顯著提高雙季稻種植區(qū)土壤的細菌生物量，并且對其群落結(jié)構(gòu)和功能改善有積極作用。Zhao等［83］通過培養(yǎng)實驗發(fā)現(xiàn)，添加玉米秸稈顯著改變了砂壤土的細菌群落結(jié)構(gòu)，但細菌豐富度與多樣性降低，這主要是由于玉米秸稈的高C/N促進了微生物生長，導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮消耗加快。李鵬等［84］研究發(fā)現(xiàn)，隨著稻秸還田年限的增加，土壤真菌數(shù)量不斷增加，且水稻秸稈還田后通過影響土壤pH值、有機碳和速效磷含量使土壤真菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，群落多樣性存在升高趨勢。

大量研究表明，秸稈還田量、秸稈還田形態(tài)以及還田年限是影響土壤微生物生物量、群落結(jié)構(gòu)及多樣性的幾個主要因素。徐蔣來等［85］在蘇中稻麥輪作區(qū)的研究表明，不同秸稈還田量使土壤細菌數(shù)量不同程度提升，當(dāng)水稻秸稈和小麥秸稈還田量占全量的50%時，這種提升效應(yīng)達到了顯著水平；而真菌數(shù)量受到了一定程度的抑制，這與測定真菌類型以及秸稈還田后土壤呼吸強度增強使土壤CO2濃度升高有關(guān)。徐忠山等［86］在東北黑土區(qū)的研究表明以6750 kg/hm2還田量對土壤微生物量和種類多樣性的改善效果最好，并且出現(xiàn)了多種對土壤質(zhì)量有益的菌種。另有研究者發(fā)現(xiàn)，提高秸稈的粉碎程度，使秸稈以更細小的形態(tài)還田，更能加快微生物對秸稈的分解過程，同時影響細菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)［87］。不同類型的微生物對還田年限的響應(yīng)有差異。Guo等［88］研究發(fā)現(xiàn)，短期秸稈還田使華中稻麥輪作區(qū)土壤磷酸脂肪酸（PLFA）總量、細菌和真菌生物量分別提高了31.1%、36.0%、95.9%；在長期連作的農(nóng)田上，土壤真菌數(shù)量隨還田年限的增加而呈現(xiàn)增長趨勢，細菌數(shù)量和微生物總量則表現(xiàn)為先減后增的趨勢［89］。

5 存在問題及展望

我國的秸稈還田研究工作起步較晚，無論是應(yīng)用技術(shù)還是理論研究均與國際先進水平存在一定的差距。目前，我國的秸稈還田方式仍以直接還田為主，包括地表覆蓋與表層淺還2種方式。然而，隨著這2種還田方式的推行，也暴露出一些問題，例如：秸稈覆蓋產(chǎn)生的“低溫效應(yīng)”會使作物的生育期推遲；秸稈淺旋會出現(xiàn)“種地漏風(fēng)”現(xiàn)象，從而影響下季播種以及作物種子的萌發(fā)；在秸稈腐解過程中也會出現(xiàn)病蟲害頻發(fā)等問題。另外，我國秸稈還田利用率仍比較低，一方面是由于還田工作繁瑣，對農(nóng)機具要求高，工作成本過高；另一方面是由于農(nóng)民缺乏對秸稈還田的科學(xué)認識，一些好的還田技術(shù)得不到實質(zhì)性的推廣。因此，在未來應(yīng)從以下幾個方面進行研究：一是秸稈還田效應(yīng)存在區(qū)域性差異，各地區(qū)應(yīng)因地制宜，結(jié)合當(dāng)前的主流還田模式，兼顧經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，重點探究能長期、有效地改善本地區(qū)土壤環(huán)境的還田技術(shù)；二是秸稈還田后的腐解進程較為緩慢，加速秸稈腐解進程，使秸稈中的養(yǎng)分及時歸還土壤以供作物利用尤為重要；三是改良現(xiàn)有的秸稈還田技術(shù)，同時加強農(nóng)業(yè)機具的研發(fā)，從技術(shù)手段上避免耕層變淺、土壤結(jié)構(gòu)破壞等問題；四是要建立與各種秸稈還田模式配套的評價體系和推廣體系；五是要將機械技術(shù)、生物工程技術(shù)、農(nóng)機農(nóng)藝措施統(tǒng)籌兼顧，為更加合理地通過秸稈還田來改善土壤肥力和實現(xiàn)土壤質(zhì)量長期向好發(fā)展提供技術(shù)支持。