玉米秸稈還田的生態(tài)效益探究

朱文悅 趙靜紅 王菁菁 楊曉庭

（1.吉林市農(nóng)業(yè)科學院 吉林吉林 132000；2.吉林省土壤肥料總站 吉林長春 130022）

玉米是中國三大糧食作物之一， 全國每年可收集的玉米秸稈量超億噸， 是秸稈資源最豐富的國家之一， 因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面臨玉米秸稈所產(chǎn)生的環(huán)境負擔[1]。 傳統(tǒng)的玉米秸稈處理方式多為燃燒處理，不僅污染環(huán)境，還容易產(chǎn)生火災(zāi)[2]；作為飼料喂養(yǎng)牲畜，難以在短時間內(nèi)處理大量秸稈，不利于我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。 通過大量有關(guān)處理玉米秸稈的調(diào)查研究得出，玉米秸稈還田是一種必然的發(fā)展趨勢。 秸稈還田指的是將玉米秸稈粉碎后直接施入或經(jīng)過堆積腐熟后施入土壤中的一種秸稈處理方式。 玉米秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀等元素，以肥料的形式還田后將秸稈中的元素轉(zhuǎn)化為土壤中的有效養(yǎng)分， 平衡土壤碳氮比及其他元素，達到改良土壤的目的，為作物生長營造良好的環(huán)境， 也是目前較為有效的土壤培肥方式之一[3]，尤其是長期的玉米秸稈還田可有效提高作物產(chǎn)量及經(jīng)濟效益。 因此，玉米秸稈還田利于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可再生資源的高效利用及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)發(fā)展， 對恢復(fù)耕地質(zhì)量和秸稈高效利用有著重要意義。

1 玉米秸稈還田方式

由于玉米秸稈還田方式較多， 需要因地制宜地進行選擇。 目前主要分為直接還田和間接還田兩大類。 不同秸稈還田方式的優(yōu)缺點見表1。

表1 不同秸稈還田方式的優(yōu)缺點

2 玉米秸稈還田對土壤生態(tài)環(huán)境的影響

2.1 對土壤養(yǎng)分的影響

耕地常年無休耕超負荷使用導致嚴重的土壤養(yǎng)分流失問題，大量研究表明，玉米秸稈還田通過提高土壤有機質(zhì)含量及土壤養(yǎng)分， 可有效改善耕地養(yǎng)分缺失現(xiàn)象，增強土壤肥力。 將玉米秸稈進行不同程度的機械粉碎還于土壤中， 可增加土壤中有機物質(zhì)的含量，進而影響了土壤養(yǎng)分[4-5]。 國內(nèi)外學者對此做出的一系列研究[6]表明，秸稈還田有效降低了土壤容重及緊實度， 顯著增加了土壤有機碳、 腐植酸碳、 胡敏酸碳和富里酸碳含量， 且促進土壤腐植質(zhì)的積累。 有研究得出， 玉米秸稈還田后全氮和堿解氮的含量均有所提高， 并且有效提高了速效磷、 速效鉀的含量， 可減少化肥用量[7-8]。 有研究得出，與常規(guī)施化肥的處理相比，玉米秸稈與化肥減施結(jié)合處理能提高肥料的利用率，及時補充土壤養(yǎng)分，以供作物吸收利用，顯著提高作物產(chǎn)量[9]。 玉米秸稈還田釋放的豐富養(yǎng)分，可顯著改善土壤環(huán)境。 有效解決過度依賴使用化肥而導致土壤中化肥殘留常年累積， 嚴重破壞耕地等問題。 Yan[10]認為秸稈在土壤中腐解后能夠釋放大量有機碳，進而增強土壤的固碳作用，加強土壤肥力。 Wang[11]等進行室內(nèi)試驗，添加了13C 標記的玉米秸稈， 以研究不同土層中SOM 礦化和秸稈分解。研究得出，秸稈的添加促進了SOM 的礦化，從而誘導了一種積極的啟動效應(yīng)， 加快了固碳作用及碳周轉(zhuǎn)速度。

2.2 對土壤物理性質(zhì)的影響

土壤物理性質(zhì)包括土壤容重、 孔隙度和團聚體等，是土壤肥力形成中重要的因素。 大量的秸稈還田試驗得出，秸稈粉碎后在土壤中腐解，不僅影響土壤養(yǎng)分，也會改變土壤物理結(jié)構(gòu)，顯著解決土壤板結(jié)、耕層弱化等問題。 毛國軍[12]等的研究得出，與不施加秸稈的耕地相比，秸稈還田區(qū)域土壤容重降低、土壤有機質(zhì)等養(yǎng)分含量和玉米產(chǎn)量增加。 有研究表明，秸稈還田可有效降低土壤的pH 及土壤容重，提高土層土壤孔隙度及呼吸代謝率， 有效阻隔土壤水分的蒸發(fā)，提高土壤的保墑蓄水能力，促使作物對土壤水分的有效吸收利用[13]。長期玉米秸稈還田不僅有效地改善作物根系環(huán)境，達到增產(chǎn)效果，而且有利于改變土壤結(jié)構(gòu)。于博[14]等人根據(jù)長期玉米秸稈還田定位試驗得出，秸稈還田改變耕地土壤結(jié)構(gòu)狀況，土壤的保水性、通透性、團聚體的穩(wěn)定性顯著提高，從而改善作物的生長環(huán)境，增產(chǎn)效果明顯。 有研究通過Meta 分析得出，秸稈還田提高了土壤團聚體的穩(wěn)定性，玉米秸稈還田顯著增強土壤團聚體固碳效應(yīng)， 進而提高了土壤有機碳含量[15]。

2.3 對土壤微生物的影響

土壤微生物的變化響應(yīng)著土壤生態(tài)環(huán)境變化，是評價土壤質(zhì)量的重要指標[16]。 玉米秸稈還田后，在適宜的土壤環(huán)境中土壤微生物對碳源的利用能力提高，微生物群落多樣性及均勻度增加；同時土壤微生物群落在秸稈腐解過程中起著決定性作用， 土壤微生物群落會對秸稈的腐解做出響應(yīng)。 由于秸稈還田后顯著提高有機碳含量， 而碳輸入量和有機碳含量是決定細菌群落結(jié)構(gòu)的最重要因素， 同時影響著土壤通氣情況、溫度和墑情，利于土壤微生物的繁殖，可提高耕層土壤酶活性。于淼[17]等人利用高通量測序?qū)Ω麑油寥兰毦郝浣Y(jié)構(gòu)測定得出， 秸稈還田顯著提高土壤細菌群落的豐富度和多樣性， 可顯著增強土壤微生物量碳及土壤酶活性，增加土壤細菌、放線菌等主要微生物生理類群的數(shù)量， 從而有利于土壤固氮菌的增加[18]。此外，土壤物理、化學性質(zhì)的變化也是影響土壤微生物群落種類、 活性及分布的關(guān)鍵因素。 玉米秸稈還田有效增強土壤理化性質(zhì)的同時土壤微生物活性及微生物生物量也隨之提高[19]。

2.4 對土壤動物的影響

玉米秸稈在土壤中腐解不僅滋生土壤微生物數(shù)量和活性，亦需要土壤動物對秸稈進行分解。 玉米秸稈還田可有效提高土壤養(yǎng)分和生產(chǎn)力， 同時也對土壤動物群落產(chǎn)生一定的影響[20]。土壤動物在土壤生態(tài)系統(tǒng)中有利于調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分礦化等物質(zhì)的循環(huán)，有助于土壤有機質(zhì)分解及植物殘體的分解[21-22]。 土壤動物通過加速微生物生物量的周轉(zhuǎn)，進而增加N 的淋洗率。 秸稈還田不僅有利于土壤微生物量及碳氮含量的提高，還顯著影響土壤線蟲和微生物的活性[23-24]。土壤線蟲是土壤動物之一， 其活性間接影響著土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及其代謝活性， 進而影響土壤養(yǎng)分及有機碳[25]。 趙萍[26]通過室內(nèi)試驗研究在玉米秸稈分解過程中加入蚯蚓得出，玉米秸稈量一定時，與無蚯蚓處理相比，添加蚯蚓處理土壤含水量較高，說明有適量的蚯蚓和玉米秸稈能夠減少土壤水分蒸發(fā)。 有研究得出，秸稈還田顯著增加土壤動物個體總數(shù)、類群總數(shù)、多樣性和生物量，同時亦能提高土壤肥力[27-28]。

綜合得出， 玉米秸稈還田為土壤動物及微生物提供較好的生存環(huán)境， 從而激發(fā)土壤動物及微生物活性和數(shù)量，可促進土壤肥力的發(fā)展。 相互作用下土壤微生物和動物可有助于秸稈更快更有效的分解，有利于土壤的良性發(fā)展。

3 玉米秸稈還田存在的問題及措施

3.1 腐解問題

由于玉米秸稈還田短時間內(nèi)腐解程度不能夠達到完全與土壤融合， 大量秸稈存留于土壤耕層中會造成土壤疏松，影響土壤的保墑蓄水。 并且由于土壤間隙增大， 導致作物種子或幼苗根系不能與土壤完全接觸，影響農(nóng)作物根系扎根及生長發(fā)育，不利于種子發(fā)芽和生長[29]。 秸稈還田的問題主要是腐解問題，為提高秸稈在土壤中的腐解率，針對秸稈腐解劑的研究逐漸增多[30-31]。 對此，玉米秸稈粉碎還田后應(yīng)均勻分布并進行造熵鎮(zhèn)壓， 使得玉米秸稈與土壤緊密結(jié)合，或添加腐解劑以加快分解，避免影響作物生長。

3.2 病蟲害問題

玉米秸稈上附有大量病菌和蟲卵，如根腐病、紋枯病、赤霉病等，在秸稈直接粉碎過程中沒有被全部殺死，隨秸稈還田殘留于土壤中。 由于土壤中富有水分且能保溫，能夠形成一個適宜病蟲的環(huán)境，容易導致病蟲的繁殖生長加快[32]。 吳景貴[33]認為秸稈中的養(yǎng)分和空間為幼蟲卵和帶菌體提供了生存空間， 造成的病蟲害將會通過還田影響下茬作物的生長。 因此，玉米秸稈還田之前應(yīng)噴灑相關(guān)適量的殺菌劑， 或進行高溫處理，降低病蟲害的發(fā)生率，避免對土壤造成損害[34]。

4 結(jié)語

玉米秸稈含有豐富的有機碳和其他養(yǎng)分物質(zhì)，是土壤與糧食之間傳遞養(yǎng)分的載體。 通過秸稈還田將作物吸收的養(yǎng)分還于土壤中， 可高效節(jié)約化肥的使用，達到節(jié)本且利于土壤生態(tài)的目的。 玉米秸稈還田已經(jīng)成為了農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)增產(chǎn)及保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的重要舉措， 將玉米秸稈肥料化利用在合理減施化肥及改善土壤環(huán)境、 保障糧食產(chǎn)量等方面發(fā)揮了重要作用。 但對于秸稈還田中產(chǎn)生的問題也不容小覷，要在發(fā)展中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，合理高效循環(huán)利用玉米秸稈， 確保玉米秸稈還田成為生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障。