秸稈富集深層還田對(duì)農(nóng)田土壤質(zhì)量影響的研究進(jìn)展*

饒?jiān)綈?周順利,黃毅,竇森,代紅翠,溫媛**

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 北京 100193;2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所 濟(jì)南 250100;3.河北省低平原區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心 吳橋 061802;4.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院 沈陽(yáng) 110866;5.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 長(zhǎng)春 130118)

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)體系具有高度集約化的特征。隨著科技的突飛猛進(jìn),農(nóng)作物單產(chǎn)水平不斷提升,秸稈等農(nóng)副產(chǎn)品的數(shù)量也顯著增加。自2016 年起,我國(guó)秸稈產(chǎn)量已位居世界之首[1]。2020 年秸稈資源總量達(dá)8.56 億t,其中小麥(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、水稻(Oryza sativa)秸稈年均產(chǎn)量分別約為1.5 億t、2.9 億t 和2.1 億t[2-3]。秸稈含有豐富的有機(jī)物和礦質(zhì)元素,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中天然的養(yǎng)分物料[4],利用方式主要為直接還田、動(dòng)物飼料、栽培基料和新型能源[2]。秸稈直接還田是秸稈有效利用的主要渠道和生態(tài)成本降低的重要措施[5-6],也是沃土工程和豐收計(jì)劃的重要內(nèi)容[7],對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)農(nóng)業(yè)秸稈還田量依舊較低[8],部分地區(qū)因冬季寒冷或一年多熟制,秸稈還田后腐解不充分,嚴(yán)重影響了下茬作物的播種和出苗質(zhì)量。農(nóng)民為減小秸稈還田對(duì)種植的不利影響,常常選擇將秸稈就地焚燒,資源浪費(fèi)的同時(shí)也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。

秸稈還田通過(guò)秸稈進(jìn)入土壤的物理作用和有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)作用,最終達(dá)到培肥土壤和增加產(chǎn)量的目的。然而,當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要采取的地表覆蓋、碎混、翻埋等秸稈還田方式[9],由于影響下茬作物播種及出苗質(zhì)量,存在與作物爭(zhēng)氮等問(wèn)題,難以實(shí)現(xiàn)秸稈資源的高質(zhì)高效利用,制約了秸稈還田技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用。因此,創(chuàng)新的秸稈還田技術(shù)、關(guān)鍵機(jī)具與高效耕作栽培模式構(gòu)建是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。近年來(lái),一種秸稈還田新模式-秸稈富集深層還田技術(shù),能夠在充分利用大量秸稈資源的基礎(chǔ)上,既不影響作物生長(zhǎng)發(fā)育,又可以快速培肥土壤、加厚耕層、改善耕地結(jié)構(gòu)、提升耕地質(zhì)量,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及可持續(xù)發(fā)展具有積極的意義。本文對(duì)秸稈深層還田技術(shù)及其對(duì)土壤質(zhì)量的影響進(jìn)行歸納總結(jié),以期對(duì)未來(lái)開展相關(guān)研究提供啟發(fā)和借鑒。

1 秸稈富集深層還田技術(shù)

1.1 秸稈富集深層還田的涵義

秸稈富集深層還田,即將秸稈集中還入到預(yù)定條帶的下部耕層(20 cm 以下),實(shí)現(xiàn)深層土壤培肥和深厚肥沃耕層構(gòu)建的新技術(shù)模式。通過(guò)秸稈全量、連年深層還田有效破除多年淺耕導(dǎo)致的土壤亞耕層(20～40 cm)緊實(shí)以及深層土壤有機(jī)質(zhì)匱乏的現(xiàn)狀[10-12],有效提高土壤質(zhì)量,有利于推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展、保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。由于我國(guó)幅員遼闊,各區(qū)域作物組成、種植結(jié)構(gòu)、耕作環(huán)境等差異較大,因此關(guān)于深層還田技術(shù)的概念也不統(tǒng)一,但普遍具備兩個(gè)特征: 1)富集深還(秸稈還入耕層以下)。2)條帶輪耕。實(shí)際操作中,將多行秸稈集中還入亞耕層及以下,形成深層秸稈富集條帶;秸稈還田位置實(shí)行年際輪換,根據(jù)秸稈聚集情況,實(shí)行3～6 年的輪耕周期。

1.2 秸稈富集深層還田技術(shù)研究進(jìn)展

秸稈富集深層還田是秸稈還田方式與耕作方法的共同創(chuàng)新與結(jié)合,研究區(qū)域在東北地區(qū)及南方稻田區(qū)居多,華北平原正在開展,黃土高原等地區(qū)鮮有研究;研究?jī)?nèi)容從理論到機(jī)具配套均有涉及[10-13]。黃毅等[14]采用自主研發(fā)的“深開溝-覆土-合壟”翻轉(zhuǎn)犁開溝35～40 cm 深、60 cm 頂寬、30 cm 底寬,將秋收后的整株玉米秸稈直接深還田,秸稈層厚度為10～15 cm,同時(shí)向溝中施入肥料,然后覆土合壟,翌年春采用大壟雙行免耕播種玉米。竇森[11]提出秸稈深還技術(shù)是通過(guò)指盤式摟草機(jī)將玉米秸稈大比例(4∶1～8∶1)富集歸行,在不改變土層順序下,使用研發(fā)的秸稈還田筒式犁一體機(jī)粉碎秸稈、風(fēng)力注入到預(yù)定條帶的土壤亞表層中(20～40 cm),秸稈條帶寬度40 cm,而在非秸稈條帶處進(jìn)行正常免耕播種,實(shí)現(xiàn)種還分離的形式。王秋菊等[15]探究的秸稈深還田模式為:由拖拉機(jī)牽引鏵式犁進(jìn)行開塹和深埋作業(yè),配合秸稈粉碎集條機(jī)將秸稈粉碎、集條溝施,其中溝寬45 cm、深45～50 cm,并且每年還田位置保持一致。Yang 等[13]在水稻-小麥系統(tǒng)研究秸稈深層還田,將當(dāng)季收獲的秸稈以整稈的方式集中,人工埋于深度>20 cm 的深溝中,溝面積僅占總田面積的10%,其余90%的田地淺旋至3～5 cm,通過(guò)逐季更換埋溝的位置,5 年(10個(gè)農(nóng)作物季節(jié))后完成一個(gè)循環(huán),實(shí)現(xiàn)全田漸進(jìn)式深還。

目前,中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)和河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所等單位研究提出了“玉米秸稈機(jī)械化富集深層還田技術(shù)”,實(shí)現(xiàn)了作業(yè)機(jī)具配套。在玉米收獲以后,使用秸稈富集深層直注還田機(jī)具可以將多行玉米秸稈集中注入20～38 cm 土層,一次性實(shí)現(xiàn)秸稈粉碎、收集、輸送、開溝、注入、回土和鎮(zhèn)壓。該機(jī)具幅寬可以根據(jù)一次性深埋秸稈的行數(shù)定制(工作幅寬可調(diào)),其帶有的粉碎刀軸高速運(yùn)轉(zhuǎn),能夠?qū)⒄玖⒒蛸橘氲恼沾蛩?通過(guò)絞龍輸送機(jī)集聚進(jìn)入風(fēng)機(jī),利用風(fēng)機(jī)的風(fēng)力將秸稈壓入遁注式空腔狀犁體,犁體入土向前運(yùn)行過(guò)程中將秸稈注入犁底層以下,形成約25 cm 寬18 cm 深秸稈簇(圖1)[16]。每年玉米收獲后秸稈溝位置交替變化,實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)式還田(圖2)。

圖1 秸稈富集深層直注還田機(jī)田間作業(yè)圖(a)、機(jī)具完成作業(yè)后的全田效果圖(b)、機(jī)器工作時(shí)正面圖(c)和機(jī)器工作時(shí)側(cè)面圖(d)Fig.1 Deep-injected straw incorporation machine: (a) the field operation of the machine;(b) the view of field after machine worked;(c) front view of the main part when the machine is working;(d) side view of the main part when the machine is working

圖2 秸稈富集深層還田的輪耕示意圖(以輪耕周期3 年為例)Fig.2 Diagram of rotational tillage of deep incorporation of enriched straw

2 秸稈富集深層還田對(duì)土壤物理特性的影響

2.1 對(duì)土壤容重、孔隙度的影響

農(nóng)業(yè)機(jī)械的集約化作業(yè),造成耕地土壤壓實(shí)嚴(yán)重,犁底層變淺、變硬,而秸稈富集深層還田能夠較好地改善下部耕層土壤容重。董建新等[17]在以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主的黑土上采用翻埋犁將玉米秸稈深埋至30～40 cm,擬解決東北地區(qū)秸稈還田難、還田質(zhì)量差的問(wèn)題。研究結(jié)果顯示秸稈深埋改善深層土壤容重效果優(yōu)于表層,秸稈常量(15 000 kg·hm-2)深層還田下土壤容重降低2.2%～15.0%,且隨秸稈施入量增大,容重降幅增大,但隨腐解年限延長(zhǎng)而減弱,而一次性大劑量(75 000 kg·hm-2)秸稈投入后改土成效可以維持多年。Wu 等[10]為改善華北平原土壤壓實(shí)、滲透性惡化等問(wèn)題,使用新型秸稈直注式還田機(jī)將10 000 kg·hm-2玉米秸稈深層還田。研究表明,與秸稈旋耕還田相比,深層還田能夠使20～30 cm 和30～40 cm 土層的土壤容重分別降低11.8%和4.3%,同時(shí)土壤總孔隙度分別增加15.5%和5.5%。另外,王秋菊等[15]為明確秸稈集條深層還田技術(shù)培肥土壤的效果,在黑龍江省開展研究并發(fā)現(xiàn)玉米秸稈集條深埋后提高了土壤總孔隙度,且顯著增加了直徑>0.05 mm 和0.0002～0.05 mm 有效孔隙數(shù)量。

2.2 對(duì)土壤水分的影響

秸稈富集深層還田對(duì)深層土壤蓄水具顯著效應(yīng),能夠提供作物所需土壤水分條件,發(fā)揮土壤水庫(kù)調(diào)蓄作用,改善土壤的持水供水能力。Wu 等[10]在華北平原探究不同秸稈還田方式下土壤水分時(shí)空變化,發(fā)現(xiàn)玉米秸稈深層還田顯著提高了冬小麥-夏玉米成熟期0～2 m 土壤貯水量,降低了土壤耗水量,提高了水分利用率。秸稈深施下土壤水分具有空間異質(zhì)性,在垂直和水平方向上,均呈現(xiàn)出距離秸稈層越近土壤含水量越大,反之越小的規(guī)律[18]。此外,黃毅等[14]在春秋冬多風(fēng)的遼西旱農(nóng)區(qū)監(jiān)測(cè)土壤水分變化情況后發(fā)現(xiàn),干旱年份下,富集深層還田玉米秸稈層的含水量仍保持在16.39%,且各土層的含水量均明顯高于傳統(tǒng)耕作,表明深層還田具有強(qiáng)大的蓄水、抗旱能力,可有效改善耕地土壤“旱、薄、瘦”的狀況。南方降雨充沛,水稻-小麥系統(tǒng)時(shí)常遭受澇災(zāi),Yang 等[19]對(duì)長(zhǎng)江三角洲濕潤(rùn)農(nóng)區(qū)的研究表明,水稻秸稈深層還田(10 000 kg·hm-2)可使雨后土壤含水量和水勢(shì)顯著降低。原因歸結(jié)于水稻秸稈溝可作為隱藏的排水通道減少麥田內(nèi)澇,且排水效果取決于秸稈的埋深與分解程度。王勝楠等[20]為探究深層還田對(duì)遼西干旱地區(qū)農(nóng)田土壤水分特性的影響,將6000 kg·hm-2、12 000 kg·hm-2、18 000 kg·hm-2玉米秸稈深層還田。試驗(yàn)結(jié)果顯示,秸稈深層還田的土壤穩(wěn)定入滲率均高于秸稈不還田處理,此外,同一水吸力下,秸稈上層土壤含水量也表現(xiàn)為上述規(guī)律,說(shuō)明深層還田后土壤持水能力增強(qiáng),土壤水分利用效率提高。趙永敢[21]探討秸稈富集深層還田對(duì)土壤水分入滲和蒸發(fā)的影響,通過(guò)土柱模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在水分入滲過(guò)程中,秸稈層降低了累積入滲量和濕潤(rùn)鋒移動(dòng)速度,起到了阻水減滲作用;在水分蒸發(fā)過(guò)程中,秸稈層隔斷了土壤毛細(xì)管,減少了深層土壤水分蒸散量。

2.3 對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位和養(yǎng)分的貯存庫(kù)[22]。前人研究表明,秸稈富集深層還田能夠改變土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布組成,顯著增加亞耕層大團(tuán)聚體數(shù)量,降低微團(tuán)聚體含量,促進(jìn)微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化,進(jìn)而創(chuàng)造優(yōu)越的土壤結(jié)構(gòu)[17]。孟慶英等[23]為明確秸稈深層還田對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響,于遼寧省半干旱地區(qū)開展土地深開溝后將玉米秸稈整稈埋入的試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn),6000 kg·hm-2、12 000 kg·hm-2、18 000 kg·hm-2和24 000 kg·hm-2玉米秸稈深層還田下水穩(wěn)性團(tuán)聚體以<0.25 mm 粒徑為主,這可能是水分條件造成非水穩(wěn)性團(tuán)聚體分解。秸稈富集深層還田能使大團(tuán)聚體成為優(yōu)勢(shì)粒級(jí)且提高土壤團(tuán)聚度,一方面可能是因?yàn)閬喐麑又杏袡C(jī)酸、多糖和腐殖酸等有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)增多[24],另一方面可能是因?yàn)槲⑸锞z和根系的纏繞作用增強(qiáng)[25],從而使土壤小顆粒黏結(jié)成大團(tuán)粒。

3 秸稈富集深層還田對(duì)土壤化學(xué)特性的影響

3.1 對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

土壤有效養(yǎng)分含量與秸稈腐解規(guī)律密切相關(guān),一般來(lái)說(shuō),不同還田方式下元素的釋放速率存在明顯差異,但整體呈現(xiàn)為鉀>磷>碳>氮[26]。另外,秸稈腐解速率與埋置深度呈反比[27-28],但秸稈腐解速率、養(yǎng)分釋放率均表現(xiàn)為土埋還田大于覆蓋還田[26]。李長(zhǎng)龍等[29]研究表明,在吉林省黑土區(qū)將12 000 kg·hm-2玉米秸稈埋入土壤亞耕層中,在一個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)能夠分解 60%以上。因此相較于旋耕還田,秸稈以集中的形式被深埋,其養(yǎng)分釋放較慢且分解后不易礦化損失,而是積累在土壤中,更有益于提升土壤肥力。Wu 等[10]發(fā)現(xiàn)相比秸稈淺旋還田,深層還田后下部耕層的全氮、銨態(tài)氮(NH4

+)和硝態(tài)氮(NO3-)含量分別提高61.3%、86.7%和57.1%。作者認(rèn)為秸稈層改善了深層土壤微生物生境,適合其大量繁殖,從而促進(jìn)秸稈分解釋放養(yǎng)分,為氮素積累提供了重要來(lái)源。Yang 等[19,30]認(rèn)為富集溝埋水稻秸稈9000 kg·hm-2對(duì)土壤氮素具有截留作用,尤其可減少硝態(tài)氮淋溶損失。其有效氮保留機(jī)制如下: 首先,獨(dú)特的秸稈層阻止了NO3-的淋溶并積聚于40 cm 附近;其次,中斷土壤基質(zhì)的連續(xù)性可能會(huì)減少與水分入滲相關(guān)的NO3-淋溶;第三,秸稈層表面積大可能會(huì)吸收NO3-;最后,秸稈溝中NO3-隨橫向水分運(yùn)動(dòng)而減少淋溶。秸稈富集深層還田對(duì)下層土壤速效養(yǎng)分影響較大,有助于提高深層土壤速效磷、鉀含量[31-32]。秸稈在微生物的作用下,釋放大量的磷、鉀等可溶性元素,還能產(chǎn)生有機(jī)酸有利于磷素的釋放[33]。另外,秸稈還田促進(jìn)溶磷微生物的生長(zhǎng),激活土壤中的磷,進(jìn)一步增加土壤養(yǎng)分[34]。秸稈富集深層還田能夠?yàn)樽魑锷L(zhǎng)提供適宜的土壤化學(xué)環(huán)境,較好地調(diào)節(jié)土壤pH[31,35],提高土壤電導(dǎo)率[36],補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分。

3.2 對(duì)土壤有機(jī)碳的影響

土壤有機(jī)碳(soil organic carbon,SOC)是衡量土壤肥力的重要因素。秸稈富集深層還田對(duì)亞耕層土壤有機(jī)碳庫(kù)影響十分顯著,秸稈的添加、根系分泌物的增多能夠提高有機(jī)碳的含量[20,35];微生物大量繁殖加快秸稈腐解,同時(shí)產(chǎn)生了大量的微生物量碳[37];秸稈腐解促進(jìn)了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,保護(hù)了團(tuán)粒內(nèi)部的顆粒有機(jī)碳分子[20]。另外,Wang 等[38]發(fā)現(xiàn)相較于10～30 cm 還田處理,10 000 kg·hm-2水稻秸稈溝埋40 cm 顯著提高了土壤碳庫(kù)管理指數(shù)。在一定范圍內(nèi),土壤有機(jī)碳含量隨秸稈還田量的增加而增加,并隨土層深度的增加呈先增后降的趨勢(shì)。在時(shí)間尺度上,較長(zhǎng)的還田年限后秸稈腐解完全,累積土壤有機(jī)碳的效果逐漸減弱,而連年[35]或一次性高量秸稈[31]深層還田促進(jìn)有機(jī)碳固存明顯。叢萍等[39]使用13C核磁共振方法發(fā)現(xiàn),玉米秸稈45 000～75 000 kg·hm-2富集深層還田的亞耕層土壤具有較強(qiáng)的烷基碳與氧烷基碳信號(hào),與含碳官能團(tuán)吸收峰低的不還田存在差異,說(shuō)明了秸稈高量富集深層還田能夠明顯增加土壤有機(jī)碳含量。在秸稈深層還田提高亞耕層土壤有機(jī)碳的機(jī)理方面,相關(guān)學(xué)者認(rèn)為,表層土壤已接近碳飽和狀態(tài),而深層土壤有機(jī)碳含量較低,因此具有更大的固碳潛勢(shì)[40]。此外,深層土壤通氣透水性差,有機(jī)質(zhì)礦化較慢,有利于秸稈腐解轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)碳[41-42]。然而,秸稈富集深層還田后秸稈碳氮的去向和分配,深層還田是否影響溫室氣體排放,有待進(jìn)一步明確。

3.3 對(duì)土壤鹽分的影響

土壤鹽漬化是限制干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素,通過(guò)科學(xué)合理的秸稈還田措施,可有效抑制鹽分表聚,改善作物生長(zhǎng)環(huán)境。大量的研究表明,秸稈富集深層還田結(jié)合地表覆蓋技術(shù)具有顯著的耕層控鹽效果。宋佳珅等[43]為優(yōu)化內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽堿土壤特性,探究在30 cm 土層深處埋設(shè)6000 kg·hm-2玉米秸稈層結(jié)合地膜覆蓋對(duì)土壤鹽分的影響。研究發(fā)現(xiàn)在0～20 cm 土層中,“上膜下秸”較常規(guī)對(duì)照降低含鹽量25.1%～39.5%,而在20～40 cm 土層中“上膜下秸”降低含鹽量20.2%～29.4%。深層還田形成秸稈隔層,可破壞土壤毛管孔隙的連續(xù)性,阻止礦化度高的潛水的蒸發(fā),表層覆蓋則可阻隔土壤與大氣的聯(lián)系,降低土壤水分散失,整體起到隔鹽抑鹽的作用。張宏媛[44]采用室內(nèi)土柱模擬明晰玉米秸稈深埋隔層構(gòu)建技術(shù)的水鹽調(diào)控機(jī)制,結(jié)果表明與無(wú)秸稈隔層相比,入滲結(jié)束后秸稈隔層處理0～40 cm 脫鹽率提高6.64%,累積潛水蒸發(fā)量降低45.10%,返鹽率降低41.83%。常菲[45]在后套平原對(duì)比幾種鹽漬土的改良措施,發(fā)現(xiàn)12 000 kg·hm-2玉米秸稈富集深層還田于40 cm 深土層可降低土壤中SO42-、Cl-、K+含量。秸稈深層還田結(jié)合地表覆蓋優(yōu)化了耕層鹽分分布,阻斷了鹽分向上運(yùn)移,減少了耕層鹽分含量,促進(jìn)了作物生長(zhǎng)發(fā)育。

4 秸稈富集深層還田對(duì)土壤生物特性的影響

4.1 對(duì)土壤微生物的影響

秸稈富集深層還田一定程度上改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[46],提高了微生物的生物量,增加了微生物多樣性[37,47]。叢萍等[48]探究秸稈深層還田對(duì)黑土亞耕層微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,研究表明玉米深層還田75 000 kg·hm-2下土壤總磷脂脂肪酸含量顯著增加,提高了微生物群落的生物量。而關(guān)于秸稈深層還田是否可以增加深層微生物群落多樣性的觀點(diǎn)并不一致,有學(xué)者發(fā)現(xiàn)秸稈富集深層還田下土壤細(xì)菌和真菌的物種組成與旋耕還田顯著不同,Shannon 多樣性指數(shù)均明顯提高[28,40]。然而,Zhao 等[16]認(rèn)為,秸稈深層還田能夠提供充足碳源,有利于富集富營(yíng)養(yǎng)微生物,從而降低整體細(xì)菌多樣性,并通過(guò)共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)分析明確了亞耕層富集的放線菌與土壤碳氮循環(huán)密切相關(guān)。另外,Yang 等[30]在水稻小麥兩熟區(qū)對(duì)真菌群落的研究表明,稻稈富集溝埋深還田(9000 kg·hm-2)在顯著增加共生真菌豐度的同時(shí)降低病原真菌豐度,促進(jìn)土壤傳播有益于植物的真菌,并推斷富集溝埋深還田可能通過(guò)改變土壤有機(jī)碳含量,從而間接影響土壤真菌群落組成的變化。

4.2 對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶活性可以表征土壤的肥力水平和生物學(xué)特征[47,49]。在時(shí)空尺度上,土壤酶活性呈初期高、后期低,隨還田深度的增加而逐漸降低的規(guī)律,由于酶活性變化受多種土壤環(huán)境因素的影響,因此不同土壤酶變化規(guī)律表現(xiàn)不一致。Wu 等[10]發(fā)現(xiàn)秸稈富集深層還田后亞耕層土壤酶活性升高,與碎混還田相比碳、氮代謝相關(guān)酶活性顯著增加43.2%和50.7%,可能是因?yàn)橄虏扛麑又械奈⑸锘钚栽黾?從而使更多的胞外酶合成和分泌,最終提升了亞耕層土壤肥力。Ling 等[12]于華北平原開展了兩年秸稈富集深層還田的研究,發(fā)現(xiàn)在20～40 cm 土層中,相較于覆蓋還田、旋耕還田和深翻還田,深層還田處理具有最高的碳、氮和磷循環(huán)酶活性。因此,作者認(rèn)為深層還田下有機(jī)物和養(yǎng)分可用性增加,為微生物提供了生長(zhǎng)的能量,進(jìn)而增加了微生物活性。關(guān)于碳降解酶活性,Yang 等[30]發(fā)現(xiàn)秸稈深層還田顯著降低β-D-葡萄糖苷酶活性,認(rèn)為與土壤擾動(dòng)使多孢菌的相對(duì)豐度降低有關(guān)。秸稈深層還田如何通過(guò)改變微生物群落結(jié)構(gòu)和酶活性的時(shí)空分布,驅(qū)動(dòng)“作物-秸稈-微生物-土壤”系統(tǒng)碳氮循環(huán)過(guò)程,還需要進(jìn)一步探究。

5 秸稈富集深層還田對(duì)作物產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)注的核心問(wèn)題,也是表征土壤質(zhì)量的一個(gè)重要內(nèi)容。Islam 等[50]整合國(guó)內(nèi)177 項(xiàng)研究的1071 個(gè)數(shù)據(jù)對(duì),評(píng)估了小麥玉米兩熟制下秸稈還田對(duì)產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明,秸稈碎混還田相較于秸稈覆蓋還田對(duì)于產(chǎn)量的提升更有利。此外,秸稈還田在良好的灌溉和施肥條件下,結(jié)合深耕對(duì)產(chǎn)量提升潛力巨大。相對(duì)于其他還田方式,深層還田能夠減少秸稈對(duì)出苗的限制,促進(jìn)地上部干物質(zhì)積累及其向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn),增加主要糧食作物(小麥、玉米、水稻)產(chǎn)量[10,12,19]。秸稈深層還田增產(chǎn)的主要原因是明顯的土壤改良效果,從而提高作物有效穗數(shù)及千粒重,進(jìn)而獲得較好的產(chǎn)量效益[10];此外,秸稈深層還田一定程度上降低了病蟲害的產(chǎn)生。深層還田提升產(chǎn)量的效應(yīng)可能有滯后性,Yang 等[19]實(shí)施溝埋還田4 年后,小麥表現(xiàn)出增產(chǎn)效果。另外,富集的秸稈層是否會(huì)抑制作物根系下扎是深層還田研究中廣受關(guān)注的問(wèn)題。Wu 等[10]的研究表明,玉米秸稈深層還田后,下茬小麥根系下扎未受到秸稈層的影響,且深層還田下作物產(chǎn)量較碎混還田顯著增加11.9%。叢萍等[51]針對(duì)黃淮海地區(qū)進(jìn)行玉米秸稈12 000 kg·hm-2、36 000 kg·hm-2富集深層還田的研究也取得了類似的結(jié)果。

6 秸稈富集深層還田的研究發(fā)展趨勢(shì)

總結(jié)來(lái)看,秸稈富集深層還田有助于建立深厚耕層,全面提高亞耕層土壤質(zhì)量。但與覆蓋還田、旋耕還田和翻埋還田相比屬于新生事物,現(xiàn)階段針對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的研究仍不足,需要加強(qiáng)。未來(lái)的研究重點(diǎn)應(yīng)集中在以下幾個(gè)方面:

1)全面評(píng)估秸稈深層還田技術(shù)。秸稈富集深層還田在全田范圍內(nèi)形成了異質(zhì)性的養(yǎng)分富集區(qū),常規(guī)的均勻采樣法不能充分評(píng)估秸稈富集深層還田所帶來(lái)的綜合效益,因此需要建立一種有效的、系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法,著重進(jìn)行秸稈條帶上土壤質(zhì)量變化的研究,并將秸稈條帶側(cè)向方向也納入評(píng)估內(nèi)容中,全面地評(píng)定深層還田對(duì)農(nóng)田生產(chǎn)力的影響。

2)深層還田對(duì)地力培肥的影響及其機(jī)制。秸稈富集深層還田對(duì)農(nóng)田固碳培肥機(jī)理尚不明晰,未來(lái)工作中需揭示富集還田秸稈腐解特征及養(yǎng)分釋放規(guī)律,闡明秸稈富集深層還田調(diào)控碳氮周轉(zhuǎn)的關(guān)鍵過(guò)程與生物學(xué)機(jī)制,明確地力培肥與深厚耕層構(gòu)建下資源高效利用機(jī)理及作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程。

3)深層還田配套機(jī)具的優(yōu)化與智能化實(shí)施。目前,“玉米秸稈機(jī)械化富集深層還田技術(shù)”已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了作業(yè)機(jī)具配套和大面積應(yīng)用,但高效、低耗、一體化的作業(yè)機(jī)具的不斷改進(jìn)仍是制約新技術(shù)的主要因素。因地制宜加強(qiáng)秸稈深層還田配套農(nóng)機(jī)的研發(fā)和優(yōu)化,不斷提高作業(yè)效率、減少能耗將有助于新技術(shù)的應(yīng)用推廣。