玉米秸稈還田方式及對(duì)土壤環(huán)境的影響

楊 楠， 高 勇， 劉偉光

（黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院綏化分院，黑龍江 綏化 152000）

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈資源產(chǎn)量非常豐富。目前我國(guó)秸稈綜合利用方向主要有肥料化、飼料化、燃料化、原料化和基料化，現(xiàn)階段有能力實(shí)現(xiàn)大面積應(yīng)用和推廣的應(yīng)屬肥料化中的秸稈直接還田。秸稈直接還田有廣義和狹義之分：廣義的秸稈直接還田是指包括作物根茬殘留和可收集利用的秸稈直接還田；狹義的秸稈直接還田是指可收集利用的秸稈直接還田。秸稈直接還田得到廣泛認(rèn)可主要有以下兩點(diǎn)原因：一是這種處理方式不受下游產(chǎn)業(yè)規(guī)模的限制，可以廣泛應(yīng)用實(shí)施；二是秸稈直接還田的作業(yè)方式經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)已日漸成熟，在解決秸稈處理問(wèn)題的同時(shí)還能改善土壤的理化性質(zhì)、提高土壤肥力，從而增加糧食產(chǎn)量。目前在秸稈禁燒的大環(huán)境下，就地焚燒的現(xiàn)象依舊存在，這既造成資源嚴(yán)重浪費(fèi)，又大大增加了溫室氣體的排放量，秸稈回收利用的問(wèn)題仍然面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，所以妥善處理玉米秸稈既是保障糧食持續(xù)豐收和農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，又是解決焚燒廢棄，減少溫室氣體排放量的有效途徑。

1 秸稈還田主要方式

秸稈還田方式主要有直接還田和間接還田。對(duì)于還田方式的選擇要因地制宜，根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶鞖狻⒏丨h(huán)境、土壤墑情等情況綜合分析，選擇合適的還田方式將有助于糧食增產(chǎn)、保護(hù)耕地環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1.1 秸稈直接還田主要方式

目前有能力實(shí)現(xiàn)大面積推廣的玉米秸稈還田方法是收獲后將秸稈直接還田，這也是國(guó)家大力推廣、被廣大農(nóng)戶認(rèn)可并廣泛應(yīng)用的還田模式。直接還田方式主要有3 種，即翻埋還田、覆蓋還田和碎混還田。秸稈翻埋還田模式適合秸稈還田量大、耕土層較厚、墑情較好且春天不易干旱的地塊；秸稈覆蓋還田模式適合耕土層較淺、土壤墑情不好，春天易干旱的地塊；秸稈碎混還田模式則適合降水量大、溫度較低、耕土層質(zhì)地黏稠且通透性差的地塊。

1.1.1 翻埋還田

根據(jù)拖拉機(jī)的動(dòng)力大小配套相應(yīng)規(guī)格的秸稈粉碎還田機(jī)、缺口重耙、翻轉(zhuǎn)犁等農(nóng)業(yè)機(jī)械，首先由秸稈粉碎還田機(jī)將玉米根茬和秸稈粉碎并均勻拋撒到耕地表面，再由翻轉(zhuǎn)犁進(jìn)行翻埋作業(yè)，然后進(jìn)行1～2 次的耙地作業(yè)，最后根據(jù)后茬作物決定是否進(jìn)行起壟作業(yè)。

技術(shù)要求：玉米秸稈粉碎長(zhǎng)度≤10 cm，粉碎秸稈合格率≥95%，平均留茬高度≤10 cm，拋撒均勻率＞80%，翻埋深度＞30 cm，確保將殘茬翻埋入土，要做到扣垡良好、避免回垡或立垡，耙地深度為15～20 cm。

作業(yè)流程：玉米機(jī)械收獲→秸稈粉碎、均勻拋撒→翻埋作業(yè)→耙地作業(yè)→起壟作業(yè)→播種施肥→玉米機(jī)械收獲。

玉米秸稈翻埋還田的優(yōu)點(diǎn)是可以提高秸稈腐解效果、保持土壤溫度、增加有機(jī)質(zhì)含量及加深土壤耕層及埋草效果好，整地后地表平整、細(xì)碎、無(wú)殘茬覆蓋，下茬作物使用普通的播種機(jī)械就可以進(jìn)行播種作業(yè)。缺點(diǎn)是還田作業(yè)程序復(fù)雜、配套農(nóng)機(jī)具多，而且均需要大功率拖拉機(jī)作業(yè)，作業(yè)成本過(guò)高；整地后地表沒(méi)有殘茬覆蓋，易導(dǎo)致土壤風(fēng)蝕、礦化加劇，跑墑嚴(yán)重，若作業(yè)地塊處于干旱地區(qū)將不利于下茬作物生長(zhǎng)。

1.1.2 覆蓋還田

根據(jù)拖拉機(jī)的動(dòng)力大小配套相應(yīng)規(guī)格的秸稈粉碎還田機(jī)、免耕播種機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械，將收獲后的玉米秸稈和殘茬，通過(guò)秸稈粉碎還田機(jī)械進(jìn)行粉碎并均勻拋撒，直接覆蓋于耕地表面，然后對(duì)農(nóng)田實(shí)施免耕或微、少耕。第2 年使用免耕播種機(jī)械在有秸稈、殘茬覆蓋的耕地上直接進(jìn)行播種作業(yè)，一次性完成破茬、開(kāi)溝、播種、施肥和鎮(zhèn)壓作業(yè)。

技術(shù)要求：玉米秸稈粉碎長(zhǎng)度≤10 cm，粉碎秸稈合格率≥95%，平均留茬高度≤10 cm，拋撒均勻率＞80%，播種時(shí)一次性完成破茬、開(kāi)溝、播種、施肥和鎮(zhèn)壓作業(yè)。

作業(yè)流程：玉米機(jī)械收獲→秸稈粉碎、均勻拋撒→免耕播種機(jī)作業(yè)→玉米機(jī)械收獲。

玉米秸稈覆蓋還田的優(yōu)點(diǎn)是整地作業(yè)程序少，甚至可以不進(jìn)行整地，作業(yè)成本低；地表有秸稈覆蓋，減輕了土壤的風(fēng)蝕、水蝕，提高土壤含水率，減少土壤水分散失。缺點(diǎn)在于需要用免耕播種機(jī)進(jìn)行播種作業(yè)，而且由于地表有秸稈覆蓋導(dǎo)致土壤回溫慢。

1.1.3 碎混還田

根據(jù)拖拉機(jī)的動(dòng)力大小選擇配套相應(yīng)規(guī)格的秸稈碎混機(jī)、秸稈粉碎還田機(jī)、雙軸或三軸滅茬旋耕聯(lián)合整地機(jī)和秸稈揉搓混埋機(jī)等設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，將收獲后的玉米秸稈和根茬粉碎后均勻拋灑至耕地表面，然后通過(guò)滅茬旋耕聯(lián)合整地機(jī)或秸稈揉搓混埋機(jī)混埋于土壤中，再用重型圓盤(pán)耙或缺口耙作業(yè)1～2 次，可使地表更加平整，使秸稈、根茬更加細(xì)碎，促進(jìn)秸稈與土壤充分混合利于腐解，最后根據(jù)后茬作物決定是否進(jìn)行起壟作業(yè)。

技術(shù)要求：玉米秸稈粉碎長(zhǎng)度≤10 cm，粉碎秸稈合格率≥95%，平均留茬高度≤10 cm，拋撒均勻率＞80%，耙地深度在15～20 cm。應(yīng)在入冬前完成旋耕、滅茬、深松、起壟和鎮(zhèn)壓作業(yè)。

作業(yè)流程：玉米機(jī)械收獲→秸稈粉碎、均勻拋撒→旋耕深松→起壟→播種機(jī)播種→玉米機(jī)械收獲。

玉米秸稈碎混還田的優(yōu)點(diǎn)在于秸稈與土壤混拌均勻、腐解快，利于保持土壤良好的結(jié)構(gòu)、提高土壤蓄水能力、創(chuàng)造良好墑情。缺點(diǎn)是機(jī)械動(dòng)力消耗大、整地成本高。

1.2 秸稈間接還田主要方式

秸稈間接還田方式主要有2 種，即堆漚還田和過(guò)腹還田。

1.2.1 堆漚還田

堆漚還田主要是將農(nóng)作物秸稈離田送入固定場(chǎng)地后堆積或在耕地周圍挖坑堆積，制成堆肥、漚肥等，然后將發(fā)酵后產(chǎn)物鋪撒回耕地，并翻埋到土壤中。

技術(shù)要求：玉米秸稈粉碎長(zhǎng)度≤3 cm，秸稈含水率在70%左右，腐熟溫度50～70 °C，漚制時(shí)間15 d 左右。

作業(yè)流程：玉米收獲機(jī)收獲→秸稈粉碎→放入坑池→加入適量水、腐熟劑等（15 d 左右）→均勻鋪撒→翻埋入土→播種機(jī)播種→玉米收獲機(jī)收獲。

秸稈堆漚還田優(yōu)點(diǎn)在于有效消滅秸稈中蟲(chóng)卵、害蟲(chóng)及雜草種子，降低病蟲(chóng)害的傳播，減少玉米作物生長(zhǎng)中后期的施肥量，較秸稈直接還田腐解時(shí)間短。缺點(diǎn)是占地面積大，運(yùn)輸、漚制成本高，工序煩瑣。

1.2.2 過(guò)腹還田

過(guò)腹還田主要是將秸稈粉碎后制成飼料喂養(yǎng)給牲畜、家禽，經(jīng)消化吸收變成糞便后作為肥料拋撒回耕地中。

技術(shù)要求：通過(guò)物理、化學(xué)、生物處理方法，提高牲畜對(duì)秸稈的吸收效果。

作業(yè)流程：玉米收獲機(jī)收獲→粉碎裝車或離田粉碎→制成飼料→喂養(yǎng)牲畜→糞便→均勻拋撒→播種機(jī)播種→玉米收獲機(jī)收獲。

過(guò)腹還田優(yōu)點(diǎn)是將秸稈作為飼料，可以大幅度降低農(nóng)民和企業(yè)的原材料成本，并提高畜牧業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)牲畜糞便作為有機(jī)肥，能夠提高土壤肥力、降低農(nóng)業(yè)成本，有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。缺點(diǎn)是成本高、周期長(zhǎng)及利用率低。

2 玉米秸稈還田對(duì)土壤環(huán)境的影響

玉米秸稈中含有豐富的粗纖維、有機(jī)質(zhì)，以及植物生長(zhǎng)所需要的氮、磷、鎂、鉀和鈣等營(yíng)養(yǎng)元素。秸稈還田可以提升土壤養(yǎng)分，使土壤容重降低，增加土壤孔隙度，提高土壤含水率，減少土壤水分蒸發(fā)，保持土壤溫度，加快秸稈腐解速度，這對(duì)改善土壤環(huán)境、提高作物產(chǎn)量具有不可或缺的作用[1-3]。

2.1 土壤中碳含量

研究表明，相同條件下，土壤中碳含量的多少取決于秸稈還田量的多少，秸稈還田量越多，則土壤中碳含量越多[3]。玉米秸稈中含有豐富的有機(jī)質(zhì)，將玉米秸稈連續(xù)還田可以明顯提高耕地土壤中有機(jī)質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)元素含量[4-8]。秸稈還田可增加土壤有機(jī)質(zhì)，提高土壤中碳含量[9]。根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)含量的多少，可以判定該耕地土壤是否肥沃。秸稈還田后，玉米收獲前有機(jī)質(zhì)含量較播種前有機(jī)質(zhì)含量有所提高[10]。周歡等[11]通過(guò)研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，土壤中有機(jī)碳的含量對(duì)土壤肥力和土壤質(zhì)量有直接影響。楊旭等[12]通過(guò)對(duì)比分析得出，玉米秸稈還田比秸稈碳化還田提升土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的效果更為明顯。王倩等[13]通過(guò)對(duì)土壤碳循環(huán)宏基因組數(shù)據(jù)分析推斷出，秸稈還田免耕和少耕均可以提高土壤固碳的能力。CHEN Jinghua 等[14]通過(guò)秸稈還田固碳能力模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，秸稈還田能夠減緩碳損失，在一定程度上起到固碳的作用。

2.2 土壤中營(yíng)養(yǎng)元素

氮、磷、鉀是玉米生長(zhǎng)所需的主要營(yíng)養(yǎng)元素，將玉米秸稈還田可以使土壤中氮、磷、鉀的含量增加。從艷靜等[6]通過(guò)將玉米秸稈連續(xù)3 年還田分析得出，秸稈還田可以使土壤中氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素增加，提高土壤肥力。王順霞等[15]通過(guò)不同秸稈覆蓋方式對(duì)比得出，秸稈還田較不還田磷、鉀含量分別增加21 和31 mg/kg，并且土壤中氮的含量也不同程度的提高?？捉〗〉萚16]通過(guò)秸稈還田對(duì)照分析得出，秸稈還田能夠增加土壤中磷、有效磷和生物量磷的含量，不同的秸稈還田方式都能直接影響土壤中磷組分含量，其中秸稈碳化還田可減少棕壤磷因土壤沙化導(dǎo)致的損失，可直接補(bǔ)充磷肥力。王晶等[17]通過(guò)秸稈還田與不還田相比得出，玉米在不同生長(zhǎng)時(shí)期，土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷和速效鉀的含量都有顯著的提升。李純燕等[18]在對(duì)秸稈還田對(duì)速效養(yǎng)分分析試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，秸稈還田在一定程度上使土壤中的速效鉀、堿解氮的含量得到提高，并且秸稈深埋還田比秸稈旋耕還田的效果更為明顯。

2.3 土壤中微生物

土壤中微生物的存在，對(duì)土壤肥力及作物生長(zhǎng)具有至關(guān)重要的作用。隨著秸稈被大量還田，微生物將秸稈分解為有機(jī)質(zhì)和植物所需要的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，供植物吸收。有研究發(fā)現(xiàn)，秸稈直接還田可以使微生物與秸稈充分接觸，加快秸稈腐熟，提高SOM 含量[1]。土壤碳氮比25∶1 環(huán)境下最適宜土壤微生物生長(zhǎng)繁殖，因此在施放底肥的同時(shí)，應(yīng)該增施適量的碳銨肥，使土壤中碳氮比降低至25∶1[19]。秸稈深翻還田可使土壤中放線菌、真菌和細(xì)菌的數(shù)量明顯增加，這可能是秸稈腐解產(chǎn)生大量菌類所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，土壤透氣為菌類繁殖創(chuàng)造了生存環(huán)境[18]。秸稈中含有大量的有機(jī)碳，可以為微生物提供足夠養(yǎng)料，在促使微生物數(shù)量增加的同時(shí)，影響著微生物的種群結(jié)構(gòu)，保持微生物多樣性[20]。

2.4 土壤中酶活性

土壤中的酶在土壤環(huán)境中起著重要的作用，它是土壤中一切生物化學(xué)反應(yīng)的催化劑，酶活性的大小決定著土壤中微生物的活躍度，也直接影響土壤肥力的高低。玉米秸稈還田的同時(shí)，加入氮肥可以提高土壤中酶的活性，在玉米生長(zhǎng)的不同時(shí)期，秸稈還田能顯著提高轉(zhuǎn)化酶和磷酸酶的活性[21]。通過(guò)對(duì)有機(jī)物料配合秸稈還田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，酶的活性明顯高于同條件下的堆肥處理和生物炭處理[22]。通過(guò)秸稈旋耕的方式將秸稈粉碎翻埋入土，可使秸稈充分吸收水分并保持土壤溫度，提高土壤中酶的活性，同時(shí)也為微生物生長(zhǎng)繁殖創(chuàng)造了條件[17]。

2.5 土壤容重

秸稈還田能有效減緩雨水對(duì)土壤地表的沖擊侵蝕，降低田間作業(yè)時(shí)耕作機(jī)械對(duì)地表的壓實(shí)效果，使土壤容重降低。秸稈覆蓋與地膜覆蓋研究發(fā)現(xiàn)，0～10 cm秸稈覆蓋土壤容重降低均為0.02 g/cm3，10～20 cm 秸稈覆蓋比地膜覆蓋土壤容重多降低0.01 g/cm3[8,15]。汪可欣等[23]研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋壓實(shí)對(duì)土壤容重有一定影響，春播期土壤容重平均降幅高于傳統(tǒng)耕作方式，并且在凍融條件及覆蓋壓實(shí)條件下土壤容重下降緩慢。

2.6 土壤孔隙度

秸稈還田能夠改良土壤結(jié)構(gòu)，疏松土壤，增加土壤通透性。不同的秸稈還田方式同樣也影響土壤孔隙度。高盼等[24]通過(guò)不同秸稈還田方式對(duì)比發(fā)現(xiàn)，秸稈翻埋還田使土壤孔隙度明顯提高，并且秸稈翻埋還田與秸稈覆蓋還田分別提高6.03%和5.13%。朱敏等[25]對(duì)秸稈旋耕處理和秸稈免耕處理對(duì)比分析得出，秸稈旋耕處理使土壤孔隙度增加2.1%～24.3%，秸稈免耕處理使土壤孔隙度增加1.2%～16.8%，二者存在明顯差異。

2.7 土壤含水量

秸稈還田覆蓋能夠有效阻隔大氣與土壤的聯(lián)系，增加土壤中含水量，減少土壤中水分的蒸發(fā)，調(diào)節(jié)耗水結(jié)構(gòu)，提高玉米對(duì)水分的利用率。較秸稈離田對(duì)比分析得出，土壤含水量明顯增加。秸稈還田對(duì)播種前、收獲后的土壤含水量有顯著影響，其中覆蓋還田較翻埋還田影響更為明顯[26]。莊文鋒等[27]通過(guò)秸稈還田與保水劑對(duì)土壤水分影響試驗(yàn)分析得出，秸稈還田在保水劑的作用下使0～40 cm 土層土壤中含水量得到明顯提升，并且在腐熟劑和保水劑雙重作用下可使水分利用效率提高12.3%～18.8%。秸稈氨化后還田可以使土壤持水能力得到提高[28]。

2.8 土壤溫度

玉米作物的生長(zhǎng)、發(fā)育和產(chǎn)量均受土壤溫度的影響。冬季秸稈腐解過(guò)程雖然緩慢，但仍能釋放出少量的二氧化碳，二氧化碳存在于秸稈與地表之間，在一定程度上能夠提高地溫。劉煒等[29]通過(guò)對(duì)冬季返青前秸稈覆蓋與土壤溫度的關(guān)系研究得出，秸稈覆蓋能夠降低冬季晝夜土壤溫差。蘇偉[30]研究得出，秸稈還田覆蓋在越冬期提高了土壤溫度，保溫效果明顯。王順霞等[15]通過(guò)不同覆蓋物對(duì)土壤溫度的影響研究得出，高溫季節(jié)時(shí)土壤溫度比對(duì)照低3～4 °C，低溫季節(jié)時(shí)土壤溫度比對(duì)照高3.4 °C。日間地表溫度在日光的輻射下和大氣溫度雙重影響下，通過(guò)覆蓋秸稈進(jìn)行熱傳導(dǎo)緩慢升溫，在中午時(shí)地表溫度升高到最大值，而在氣溫較低的夜間，因地表覆蓋有秸稈，使地表溫度降溫緩慢，這說(shuō)明秸稈覆蓋地表有調(diào)節(jié)溫度的作用。趙亞麗等[31]通過(guò)對(duì)秸稈還田在一年兩熟的農(nóng)田土壤溫度發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可使夏季土壤的平均溫度大幅降低，使冬季土壤的平均溫度大幅升高。

植株生根、生長(zhǎng)季，因自然環(huán)境溫度升高，促使秸稈腐解加速并在近地層產(chǎn)生大量的二氧化碳，這使得地表及土壤溫度升高。土壤溫度升高在一定程度上影響種子的發(fā)芽率，同時(shí)二氧化碳的產(chǎn)生也利于近地面葉子進(jìn)行光合作用。土壤溫度升高也是直接影響土壤中微生物和一些酶活性的重要因素之一。有研究發(fā)現(xiàn)，秸稈腐解適合的溫度為5～35 °C，溫度每升高10 °C，會(huì)使容易礦化的物質(zhì)加倍腐解。溫度在一定范圍內(nèi)影響著酶的活性，溫度升高，酶的活性也隨之升高[32]。

2.9 作物產(chǎn)量

秸稈還田可使玉米籽粒數(shù)、干物質(zhì)積累量得到明顯增加，提高糧食產(chǎn)量[26]。在秸稈腐熟劑和保水劑雙重作用下，可提高玉米穗部干物質(zhì)量24%，行粒數(shù)、百粒質(zhì)量7%～9%，玉米產(chǎn)量10.1%～16.9%[27]。劉文國(guó)等[33]通過(guò)不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量的多重比較中的數(shù)據(jù)對(duì)比得出，秸稈還田與不還田對(duì)玉米產(chǎn)量平均值的影響也達(dá)到明顯差異，這說(shuō)明秸稈還田對(duì)玉米產(chǎn)量有極其重要的影響。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田配合腐熟劑和秸稈還田均可使土壤中養(yǎng)分含量維持較高水平，并且玉米產(chǎn)量顯著增加。

3 結(jié)束語(yǔ)

大力推廣秸稈還田技術(shù)不僅需要深入研究耕地資源環(huán)境與適合該環(huán)境的秸稈還田方式，還需要研究秸稈粉碎長(zhǎng)度、還田量、還田深度及還田方式等對(duì)土壤環(huán)境的影響。玉米秸稈還田不僅可以解決秸稈禁燒后處理的問(wèn)題，還可以提升土壤肥力、改善土壤理化性質(zhì)、調(diào)節(jié)土壤溫度、增加作物產(chǎn)量、增強(qiáng)土壤蓄水能力及優(yōu)化耕層結(jié)構(gòu)，而且還可以實(shí)現(xiàn)用地與養(yǎng)地的有機(jī)結(jié)合、保護(hù)黑土地，從而推動(dòng)土地可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。