作物秸稈是一種農業可再生資源，含有大量作物生長所需的礦質元素，具有巨大的應用潛力。秸稈還田既可以緩解因秸稈廢棄而帶來的環境污染，實現資源的優化配置，又有助于改良土壤質量，促進作物生長。
筆者介紹了秸稈還田的主要方法，結合近幾年國內外秸稈還田技術的研究成果，從秸稈的主要成分，秸稈還田后對土壤理化性狀、土壤微生物、作物生長發育及產質量的影響，秸稈還田配套施用技術和綜合效果評價等方面綜合闡述了秸稈還田的研究進展。研究結果可為綜合利用秸稈還田技術與形成各產區配套的還田模式提供一定的參考依據。
前言
作物秸稈是農業生產上數量最多的副產品，也是中國最豐富的可再生資源之一，作物秸稈含有豐富的大量元素及微量元素，具有很大的利用價值。作物秸稈作為一種農業可再生資源，其不合理配置既浪費資源又會帶來環境污染。大量研究表明，秸稈還田能夠改善土壤的理化性質，提高土壤肥力，有利于作物的生長發育，而且現在秸稈還田也成為了提高土壤涵養水分及供水能力的重要措施。
秸稈還田與土壤有機質及氮素有效性關系緊密，能綜合改善土壤的結構，提高肥料利用率。秸稈能作為肥料提升土壤質量具有相當重要的價值，但是中國的秸稈利用率遠遠低于歐美國家，根據不同地區的生產環節，適宜的秸稈還田時間與數量及種類搭配，對促進資源的回收利用及農業可持續發展具有重要意義。一般認為秸稈還田是利用秸稈資源的方法中最經濟的途徑，可以有效的抑制因作物秸稈的隨意丟棄及焚燒帶來的環境問題。筆者總結了近年來秸稈還田在國內外的研究進展，以期揭示秸稈還田在農業生產中的重要作用。
1、作物秸稈的主要成分
作物秸稈中蘊含有大量的作物養分資源，包括N、P、K、Ca、Mg、S 等礦質元素，可以作為作物生長發育的營養來源。秸稈還含有豐富的有機碳，能夠提高土壤有機質含量。秸稈主要的組成成分為纖維素、半纖維素及木質素，碳氮比在60~80 范圍內。據統計，中國秸稈中含有的N、P、K量相當于目前年化肥用量的三分之一，其潛在的利用價值非常可觀。
2、秸稈還田的主要方法
通過近些年的研究，人們發現秸稈還田有利于農業生產的可持續發展，能夠提高作物的經濟效益，秸稈還田的方式也不盡相同，目前常采用的還田方式包括：直接還田（覆蓋、翻壓、粉碎后施入及留高茬）和間接還田（氨化、堆漚、過腹、過圈、焚燒、配施肥料還田）。
秸稈直接還田能降低人工成本，其中以覆蓋和翻壓方式為主。覆蓋還田是指將秸稈直接覆蓋在農田上，這種方式可以減少土壤的水分蒸發，但是秸稈的腐解速度較慢，容易發生與作物爭氮以及誘發病害。也有研究表明覆蓋還田會產生低溫效應，造成作物的生育期的延遲，而且這種低溫效應與覆蓋還田的秸稈量正相關。翻壓還田是指將秸稈用翻耕機翻壓在農田中，這種還田方式下秸稈的腐解速度主要與翻壓深度、土壤水分及秸稈自身碳氮比值等因素相關。由于土壤微生物主要集中在淺層土壤中，因此秸稈的翻壓深度不宜過深。秸稈粉碎后施入還田是指將秸稈粉碎撒施后用旋耕機翻壓在農田中，這種還田方式與翻壓還田類似，但是秸稈粉碎后再翻壓入農田中能加快秸稈的降解速率。留高茬還田實際上也是翻壓還田的一種，只是在收獲作物時先預留下一部分作物秸稈，然后直接翻壓入土中還田。
秸稈間接還田與直接還田比較具有降解速率快，對作物生長的促進作用更為顯著。
氨化還田是指利用尿素、碳酸氫銨、液氨為氨源將秸稈氨化，氨化后秸稈的半纖維素和木質素含量降低。
堆漚還田是指在秸稈中加入糞便進行自然漚制發酵，漚制充分后再還田。
過腹還田是指秸稈經過牲畜消化后排泄再經過堆漚發酵后還田。過圈還田類似堆漚還田，就是將秸稈墊在牲畜圈內，經過與牲畜糞尿堆漚發酵后再還田。
焚燒還田是直接將秸稈焚燒后的灰分還田，雖然灰分中仍然有大量的礦質元素能被作物吸收，但焚燒產生的有害氣體及溫室氣體也帶來了環境污染的問題。
將秸稈配施肥料還田主要是解決秸稈還田后降解速率慢的問題，合理配施肥料及加入微生物菌劑可以促進秸稈生物質在土壤的轉化腐解速度，提高土壤肥力。
3、秸稈還田對土壤改良的影響
3.1秸稈還田對土壤物理性狀的影響
土壤的物理特性與作物的根系生長及養分的吸收利用關系緊密，良好的土壤物理即適宜的孔隙結構、土壤容重、田間持水量、土壤團聚體等，對于促進作物生長發育、優良的品質及高產量的形成具有重要作用。解文艷等研究表明，在春季濕潤及正常年份秸稈還田沒有顯著提高土壤水分，但在春季干旱和特別干旱的年份，秸稈還田能顯著提高耕層土壤水分。秸稈粉碎后直接還田對于土壤的水分沒有覆蓋還田高，主要由于秸稈粉碎翻壓時破壞了土壤的毛細管，土壤下層水分較難上升。連續四年秸稈還田土壤容重降低，土壤含水量、總孔隙度和毛管孔隙度增加。進一步的研究表明秸稈還田主要是增加了表層土壤的濕度，而覆蓋還田更有利于保護和提高土壤的物理結構。
秸稈還田后對土壤溫度有一定的影響，能顯著減小整日地溫變化幅度，但是增溫效益主要在表層土壤，深層土壤增溫效應不顯著。秸稈氨化后還田或者氨化后與土壤改良劑混施，能夠改善土壤的結構，但氨化還田對土壤改良的作用表現一定的延遲性。研究表明秸稈還田能降低土壤的微團聚體含量，提高大團聚體及中微團聚體的含量，但在秸稈還田短期內對土壤團聚體的穩定性影響較小。這可能是由于短期內秸稈腐解程度較小，因此對土壤結構的影響較小。土壤團聚體的水穩定性與土壤可蝕性關系密切，對于土壤肥力及土壤的可持續利用影響很大，而秸稈還田可以增加水穩定大團聚體的數量，改善土壤的結構。
3.2秸稈還田對土壤化學性狀的影響
高水平的土壤肥力能夠保障作物的高產穩產，提高土壤肥力目前是將來也是農業生產需要解決的問題。秸稈還田有利于促進土壤礦化作用，秸稈還田后首先是秸稈中較易分解的有機物質最先分解礦化，當大部分易分解物質降解后秸稈的礦化分解作用就逐漸減緩。胡宏祥等研究表明油菜秸稈的腐解速度是早期較快而后期較慢，而且秸稈的腐解速度與還田量負相關；腐解速率與還田深度有關，表層還田的腐解速度最快，10 cm 土層腐解速度最慢，20 cm 土層腐解速度介于兩者之間。因此秸稈還田時需要綜合考慮，確定適宜的秸稈還田翻壓深度。
秸稈與化肥配施有助于提高土壤的有機碳、總氮磷鉀及速效氮磷鉀含量并改善酸性土壤pH 值，降低土壤碳氮比。長期定位試驗（2002—2010 年）發現連續多年秸稈還田并結合土壤淺耕，能降低土壤pH 值，并顯著提高耕層土壤中有機質、總氮磷鉀及速效氮磷鉀養分含量。連續19 年的定位試驗表明秸稈還田對土壤質量的影響與增施鉀肥效果相似，能夠提高土壤中有機質及其他養分含量。因此適宜的秸稈還田措施能夠替代礦質鉀肥，這對于節約肥料成本和廢棄資源的有效利用具有重要意義。
單獨秸稈還田和秸稈還田配施不同化肥比較對于土壤中不同形態氮含量的影響具有差異。張雅潔等研究發現秸稈還田與肥料配施至碳氮比為18:1 時，土壤中有機質、總氮及有機氮含量分別增加7.8%、10.6%和10.9%，無機氮含量減少17.1%；而單獨秸稈還田時，土壤有機質含量上升，碳氮及氫碳比例下降。
秸稈還田還可以緩解土壤的氮素損失，有助于土壤供肥水平的提高。田慎重等通過兩年定位試驗研究了耕作方式與秸稈還田搭配對小麥生育期土壤有機碳含量的影響，結果表明秸稈還田后土壤有機碳含量均高于無秸稈還田的土壤，而且耕作方式與秸稈的交互效應對全生育期耕作層土壤有機碳影響顯著。楊敏芳等研究也表明秸稈還田后不同土層土壤的總有機碳和活性有機碳含量顯著高于對照，而土壤的有機碳對土壤理化特性有長遠的影響，因此利用秸稈還田提高土壤有機碳含量應用潛力很大。有報道表明留茬1 m 的秸稈能顯著減少土壤呼吸，減少土壤中CO2 的釋放量。因此秸稈還田對于平衡土壤碳庫也能發揮重要作用。
3.3秸稈還田對土壤微生物的影響
土壤微生物的群落結構能在一定程度上反映土壤微生態的基本情況，保持土壤微生物多樣性對于促進土壤礦化及提高土壤肥力具有重要作用，微生物群落結構的變化對于土壤的理化性狀有一定的影響，農業生產者采取相應的農藝措施會對土壤微生物群落結構帶來不同的影響。秸稈還田并配施催腐菌劑能夠顯著提高土壤中細菌、真菌和放線菌的數量，土壤酶類的活性增強。秸稈覆蓋還田并配施足夠的氮磷鉀肥有利于提高土壤微生物生物量碳、氮，這一方面是秸稈為微生物提供了充足的碳源及氮源，另一方面適宜的施肥量又能刺激微生物的繁殖，同時適宜的施肥措施又有助于抑制早期秸稈與作物的爭氮作用，利于作物的產質量形成。
對水稻而言，高量秸稈還田促進長期淹水條件下的土壤微生物生物量作用明顯，而低量秸稈還田對促進間歇灌溉條件下的土壤微生物生物量作用顯著。因此，秸稈還田量需要根據不同的田間管理措施因地制宜。當然不同來源的秸稈其還田后的效果不盡相同，黃豆秸稈由于其自身纖維素、木質素及碳氮比高，降解速度慢，還田后很難被微生物降解利用，因而對于土壤微生物活性的促進作用較低；玉米、水稻等秸稈與黃豆秸稈比較還田后對微生物活性的促進作用更為顯著。有報道發現秸稈還田抑制土壤真菌和嫌氣性細菌，但能促進放線菌和好氣性細菌，而且還田量及搭配的耕作制度均會影響土壤微生物的活性。
4、秸稈還田對作物生長發育及產質量的影響
4.1秸稈還田對作物生長發育的影響
作物的生長發育在一定程度上能預測作物后期的產質量，對于作物產質量的形成具有重要的影響，因此利用一定的農藝措施促進作物的生長發育，對于提高作物產質量，緩解耕地壓力與人口的矛盾具有重要意義。據游來勇等研究報道，秸稈還田能夠促進小麥和水稻的生長，具體表現為增加小麥和水稻的氮素吸收，不同的還田量會使作物的氮素農學利用效率提高程度在6.71~8.21 kg/kg 范圍內浮動。陳金等通過兩年的定位試驗發現秸稈還田后顯著提高了冬小麥的干物質積累量，秸稈還田配施225 kg/hm2 氮肥時，冬小麥氮素利用效率提高。
相同施氮水平下采取秸稈還田的措施能夠提高氮素的吸收積累，并增加根系分泌物中的蘋果酸、琥珀酸及草酸含量；相同秸稈還田水平下，中氮水平能增加水稻在結實期的氮素積累。郭瑤等研究發現通過留小麥前茬(25 cm)還田后，后作玉米的在生育前期（大喇叭口期之前）的光合勢及葉面積指數降低，在生育后期光合勢及葉面積指數升高。秸稈還田配施生物炭促進了土壤細菌群落結構的變化，抑制了部分微生物的繁殖（Actinobacteria 和Nitrospira），但對其他的微生物又有顯著的促進作用，如：WS3、Chloroflexi 等。
4.2秸稈還田對作物產質量的影響
農業生產的最終目的都是為了得到產量高、品質佳的產品，因此秸稈還田后對作物產質量的影響直接制約著秸稈還田技術的發展。單獨施用玉米秸稈且不施用氮肥的條件下，與常規施肥比較能增產18.9%~32.0%，玉米秸稈還田對水稻成熟后的精米率、直鏈淀粉含量及膠稠度無顯著影響，但能提高籽粒中的蛋白質含量，有助于提高水稻產量與品質。不同的秸稈還田方式對作物產量的促進作用各有差異，余坤等研究表明秸稈粉碎后氨化還田對于提高冬小麥的有效穗數作用較覆蓋還田方式顯著，但增產作用更好的還田方式是秸稈粉碎氨化與硫酸鈣混施。
秸稈還田不僅有助于促進水稻產量增加，而且還能提高稻米中的鐵和鋅含量。這可能是由于秸稈中的部分微量元素也經過礦化作用被水稻吸收。雖然秸稈還田對作物的產質量的形成有很多有利影響，但秸稈還田同樣也存在一些不利的因素。如長期秸稈還田在增加土壤養分含量的同時，也會將自身富集的重金屬如鎘釋放到農田中，加重土壤的重金屬危害，容易使作物富集更多的重金屬，影響作物產質量。因此秸稈還田需要合理搭配其他農藝措施，盡可能充分利用其增肥促產的正效應，減少對農田和作物的不利影響。
5、秸稈還田的配套施用技術
不同秸稈還田方式對土壤質量的改良效果及對作物的增產增質效果不一致。另外由于不同產地的氣候環境條件存在較大的差異，需要根據不同的地區及不同的氣候條件制定相應的秸稈還田配套施用技術。如干旱條件下進行秸稈覆蓋還田能夠減少土壤水分的散失，對作物的高產的形成影響更大。趙士誠等研究表明，長期秸稈還田與化肥結合提高了土壤肥力，但是土壤鉀含量降低，因此有必要增施鉀肥維持土壤的鉀平衡。在低土壤肥力下，秸稈還田并增施鉀肥可以降低不同年度的產量變異系數，作物高產穩定性強。如在陜西關中平原冬小麥-夏玉米產區，秸稈還田需合理配施氮肥，氮肥用量應控制在150~200 kg/hm2，該用量下小麥產量及肥料的利用率都能得到提高。耕作方式與秸稈還田有機結合有利于減少不同產區秸稈還田負面影響，選擇適宜當地的耕作方式與秸稈還田搭配方式，如在黃淮海地區深耕與秸稈還田和深松與秸稈還田均能提高冬小麥-夏玉米的年耗水量及水分利用效率。
6、秸稈還田后土壤改良及促生增產效果綜合評價
綜合評價利用某種農藝措施或栽培技術后的效果，對于農業生產研究至關重要。綜合評價的目的是確定該農藝措施或栽培技術的有效性及可靠性，并有助于推廣綜合評價效果好的技術。因此，秸稈還田后土壤質量的高低和對作物的生長發育及產質量的影響的綜合評價非常重要。如李有兵等通過主成分分析定量評價了不同秸稈還田模式下土壤質量的高低，確定了關中地區適宜的還田模式即小麥秸稈高留茬還田-玉米秸稈旋耕還田模式。跟蹤監測不同秸稈還田方式后土壤的理化特性包括容重、孔隙度、土壤水分、團聚體、有機碳、土壤酶活性、礦質元素及微生物活性等，秸稈的腐解規律、作物的生長發育特性、養分利用率及與產質量相關的指標檢測。
構建模型體系用于綜合評價不同秸稈還田方式的效果，能夠直觀的反映各秸稈還田方式適用的條件和對應的改良效果，有助于篩選出效果較優的秸稈還田模式，這對于農業可再生資源的利用和農田土壤改良及對農作物的促生增產有著非常重要的作用。
7、展望
大量研究表明適宜的秸稈還田模式不管是對土壤改良，還是對作物的生長發育及高產質量的形成都有顯著的影響。但也有部分研究顯示長期秸稈還田會造成土壤鉀含量降低、釋放重金屬等問題，因此需要跟蹤監控秸稈還田后土壤理化性狀改良效果及對作物生長發育的影響。特別要關注秸稈還田后可能會帶來的負面影響，綜合評價秸稈還田的應用效果。
目前，不同產區適宜的秸稈還田模式還需要進一步的試驗驗證，關于秸稈還田的研究還不夠完善，需要加深對秸稈還田的作用機理研究。秸稈還田及其配套技術的研究對于實現資源的優化配置，維持土壤碳庫平衡、提高土壤肥力水平及農作物優質高產的形成具有重要意義。
作者單位：湖南農業大學農學院
中國鄉村發現網轉自：《中國農學通報》2017年第32期
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