秸稈還田研究進展

安豐華，王志春，楊 帆，楊洪濤

(中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所，吉林長春130102)

秸稈還田研究進展

安豐華，王志春，楊 帆，楊洪濤

(中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所，吉林長春130102)

秸稈還田是培肥土壤和解決田間燃燒所產生的環(huán)境問題的重要方式，本文系統(tǒng)介紹了國內外秸稈還田的方式、時機、還田量、腐解特征和碳氮比的影響，闡述了秸稈還田及其技術對土壤物理性質、土壤養(yǎng)分、土壤微生物及作物生育和產量等方面的效應，著重概述了鹽堿土秸稈還田研究的相關進展，并對今后研究方向進行了展望。文章提出在松嫩平原現(xiàn)有的土壤、氣候條件下，秸稈還田需要配套合理的改良技術，與其他物理、化學、生物措施相結合，因地制宜，才能取得較好的效果。參84。

秸稈還田;松嫩平原;蘇打鹽堿土;效應;改良

0 引 言

農作物秸稈占作物生物總量的50%左右，是一類極其豐富的最能直接利用的可再生有機資源［1-2］。農作物秸稈含有的氮、磷、鉀和微量元素［3］，是培肥土壤很好的有機肥源。我國是一個農業(yè)大國，作物秸稈資源豐富。然而，隨著農業(yè)機械化的發(fā)展，為搶農時，大量的作物秸稈被焚燒，這不僅浪費了資源，污染了大氣，更對土壤的生態(tài)系統(tǒng)造成不利的影響［4］。做好秸稈的綜合利用，杜絕秸稈焚燒，已經引起社會各界的高度重視。秸稈還田是將作物收獲后余留的秸稈直接或堆積腐熟后施入農田，是改良土壤性質、加速生土熟化、提高土壤肥力的一種處理方式［5］。作為物質、能量和養(yǎng)分的載體，秸稈還田成為最簡便最實用的秸稈利用技術。文章系統(tǒng)介紹了國內外秸稈還田的方式、時機、還田量、腐解特征和碳氮比的影響，闡述了秸稈還田及其技術對土壤物理性質、土壤養(yǎng)分、土壤微生物及作物生育和產量等方面的效應，著重概述了鹽堿土秸稈還田研究的相關進展，并對今后研究方向進行了展望，旨在指導秸稈還田生產、改善鹽堿土秸稈還田效果提供理論基礎。

1 秸稈還田技術

1.1 還田方式

根據(jù)秸稈還田的方式可以分為直接還田和間接還田兩種［6］。

1.1.1 直接還田。秸稈直接還田是指將作物的秸稈直接施入土壤中，或覆蓋于農田表面，使其腐熟的過程［7］。秸稈直接還田是最現(xiàn)實、最有效的一條途徑，秸稈直接還田的方法主要有秸稈機械粉碎還田、整稈還田及覆蓋還田。

秸稈機械粉碎還田采用機械一次性作業(yè)，在進行秸稈粉碎的同時進行旋耕滅茬，提高生產效率［8］。經粉碎后的秸稈，易于在土壤中腐解，加快土壤的吸收速度，能夠改善土壤的理化性質，提高土壤肥力，促進作物增產。整稈還田是用機械將田間直立的作物秸稈整稈翻埋或平鋪為覆蓋栽培。不論是秸稈粉碎還田還是整稈還田，由于其機械化程度高，適于在大面積的平坦地塊推廣使用，山區(qū)、丘陵地區(qū)機械使用受限［9］，水田用直接還田方式較多。覆蓋還田是指在種植作物時，將秸稈覆蓋于土壤表面，覆蓋面積達到30%以上［10］。隨著時間的延長，秸稈逐漸腐解，此方法具有增加土壤的有機質含量，補充氮、磷、鉀及微量元素，增加土壤儲水量，提高水分利用效率，改善土壤理化性質，促進作物生長等作用［11］。秸稈覆蓋還可以調節(jié)土壤溫度，緩解溫度劇烈變化對作物造成的傷害［12］。秸稈覆蓋地表可緩解輕降雨對地面的破壞，有利于保持良好的土壤結構［13］。

1.1.2 間接還田。秸稈間接還田的方法主要有堆腐還田和過腹還田。

堆腐還田是將秸稈與泥土、人糞尿等混合堆置在不透氣處堆放，至其腐熟，制成堆肥、漚肥后再施入田間的方法。堆腐還田可以就近挖一土坑，將秸稈切成10 cm左右，堆成30 cm左右厚度的秸稈堆，上面加一層泥土、人糞尿等混合物，一層層堆積，用泥土封頂［14］。為加速秸稈還田腐解，可在秸稈堆腐時添加生物菌劑，比如酵素三號，301菌劑和MTS復合生物菌劑。堆腐還田制成的堆肥可以作為一種有機肥，用于改良土壤，提升土地肥力。過腹還田是將作物秸稈作為家畜飼料，經過家畜消化吸收，以糞尿形式排除，歸還到土壤中。這種還田方式含有較多的有機質，各種養(yǎng)分充足。目前，普遍應用的主要為青貯氨化過腹還田技術，在生產上具有廣闊的推廣前景［15］。

1.2 秸稈還田的時機

秸稈還田的時間要適當。要根據(jù)當?shù)氐霓r時季節(jié)、耕地制度確定。一般水田常在插秧前40 d還田，而旱田應在插秧前30 d還田為好［16］。秸稈還田的時機還要考慮還田時秸稈的含水量，含水量小時秸稈不易分解，當秸稈含水量在30%以上時，還田效果較好［17］。另外，土壤濕度應在飽和持水量的60% ～80%［18］，若土壤水分不足，應在秸稈翻埋后及時灌溉補水，以促進秸稈腐解［19］。

1.3 秸稈還田量

秸稈還田量存在一個適宜的量。秸稈還田量過小，起不到提高土壤肥力的作用，但并不是還田量越多越好。秸稈還田量過多，會使秸稈不能完全腐爛，導致耕作困難等問題。由于種植作物的類型、各地的土壤類型、耕作方式及氣候條件等因素的差異，不同試驗者得出的秸稈還田適宜量也不完全一致［20］。以水田為例，馬宗國等［21］的研究表明，秸稈還田量為7 500 kg·hm-2時，水稻產量最高。蔣新和等［22］認為，稻田秸稈的還田量一般不宜超過6 000 kg·hm-2。張翠珍等［23］研究表明，稻草還田量在9 000 kg·hm-2～13 000 kg·hm-2時，對濱海鹽土提高土壤肥力、改良土壤、抑制鹽分和提高作物產量的效果最佳。楊濱娟等［24］研究表明，秸稈粉碎還田3 000 kg·hm-2能夠提高耕地質量，對早稻產量產生最佳效果。張悟民等［25］認為，秸稈還田量按有機碳計算投入900 kg·hm-2～1 200 kg·hm-2為宜。

1.4 碳氮比

在秸稈還田的同時，要配合施入氮肥，保持土壤合理的碳氮比。秸稈還田后，秸稈腐爛過程會發(fā)生反硝化作用，微生物會吸收土壤中的氮素。土壤微生物分解有機物較合適的C∶N為25∶1，小麥秸稈的C∶N約為80∶1，水稻秸稈的C∶N在60∶1左右［26］，在生產中必須配施一定量的氮肥。在水稻秸稈還田，秸稈還田量在4 000 kg·hm-2時，需要散施尿素40 kg·hm-2。

1.5 秸稈腐解特征

胡宏祥等［27］通過對黃褐土水田還田秸稈腐解特征研究發(fā)現(xiàn)，隨著時間的延長，秸稈的腐解速率逐漸減小，還田15 d左右腐解最快，90 d的秸稈腐解率可達50%左右，且秸稈腐解速率與秸稈還田量呈負相關的關系。秸稈腐解特征是前期快，后期慢［28］。Nyberg等［29］研究結果表明，在秸稈埋入旱田后40 d內會有70%～90%的碳以微生物呼吸的形式被釋放出來。李學平等［30］通過秸稈還田條件下內陸鹽堿土腐殖質的動態(tài)變化試驗得出，在秸稈腐解過程中，鹽堿土腐殖質、富里酸、胡敏酸含量均呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢。

影響秸稈腐解的因素主要有:土壤溫度、土壤水分、碳氮比及還田深度。土壤溫度會影響土壤微生物的組成和活性，從而影響秸稈腐解速率。張洪源等［31］認為，黃潮土旱田秸稈還田土壤溫度為20℃～30℃時秸稈腐解速度最快，＜10℃時分解較弱，低于5℃則基本停止分解。土壤濕度應在飽和持水量的60%～80%，秸稈易腐解。碳氮比為25∶1時，秸稈易于被腐解。土壤深度對秸稈的腐解也有一定的影響。胡宏祥等［27］通過對水田還田秸稈腐解特征研究表明，5 cm深度還田的水稻秸稈腐解速度最快，表層還田的腐解速度最慢。其他因素，如土壤酸堿度、秸稈粉碎程度、土壤類型、土壤質地、還田時間［32］和還田量等均對秸稈腐解有一定影響。

2 秸稈還田效應

2.1 秸稈還田對土壤物理性質的影響

2.1.1 土壤水分。土壤水分是土壤的重要組成部分，是作物發(fā)芽生長的必要條件。秸稈還田能有效抑制水分蒸發(fā)，增加土壤含水量，主要是由于秸稈覆蓋減少土壤與大氣的接觸面積，減少了水分蒸發(fā)［33］。施入土壤中的秸稈可以阻斷土壤水分的毛細作用，降低深層土壤水分散失［34］，因此可提高0～40 cm土層的土壤含水量［35］，并減少水土流失［36］。Sarkar［37］等利用稻草覆蓋油菜田，使水分利用率提高45%。王栓莊等［38］通過麥田秸稈覆蓋的作用及其節(jié)水效應的初步研究表明，在有限供水的條件下，秸稈覆蓋還田可節(jié)水22.8%～27.8%。

2.1.2 土壤溫度。土壤溫度是影響土壤微生物活動的重要因素。秸稈還田后，尤其是秸稈覆蓋，可以平抑地溫變化。低溫時有保溫作用，高溫時有降溫作用［39］。有研究表明，秸稈覆蓋后地表溫度較對照高0.7℃～0.9℃［40］，冬季地溫提高0.5℃～2.5℃［41］，但秸稈覆蓋的調溫效應隨葉面積指數(shù)增加而減弱［42］。

2.1.3 土壤容重和孔隙度。容重和孔隙度是土壤的重要物理性質，影響著土壤中水、肥、氣、熱等因素的變化。李新舉等［43］通過秸稈覆蓋與秸稈翻壓還田效果比較得出，秸稈還田可以增加土壤孔隙度、減少土壤容重，使土質疏松。Tomasz［44］研究表明秸稈還田有利于土壤團粒結構形成并能降低容重。Wuest［45］研究表明秸稈還田后可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度。

2.1.4 土壤團聚體。秸稈還田能促進土壤微粒的團聚作用，改善土壤團粒結構。秸稈還田后可以增加大粒徑微團聚體數(shù)量及水穩(wěn)定性［46］。在不同秸稈還田模式下水穩(wěn)性團聚體有機碳的分布及其氧化穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田有利于較大級別團聚體氧化穩(wěn)定性的提高，對小級別團聚體氧化穩(wěn)定性有降低作用［47］。然而，在一種秸稈還田條件下，另一種秸稈粉碎覆蓋還田不會提高團聚體穩(wěn)定性［48］。Jose等［49］研究表明，新鮮秸稈加入土壤后能刺激微生物的活性，對土壤團聚體形成有重要作用，能起到改良土壤團粒結構的作用。

2.2 秸稈還田對土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分是指植物從土壤中汲取的植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，均衡的土壤養(yǎng)分能夠為植物生長提供一個良好的生長環(huán)境。養(yǎng)分失衡，會造成植物生長發(fā)育受到影響，使產量降低，病蟲害加劇等一系列問題。土壤中與植物生長發(fā)育所必需的養(yǎng)分主要包括有機質和氮、磷、鉀元素。

2.2.1 氮素。氮素是蛋白質形成的基本成分，是構成生命體的重要元素之一，它具有加強植物光合作用的功效，所以也是植物生長過程中需要量最大的礦質元素。化肥氮不能長時間在土壤中留存，當季利用率只有30%左右［50］，施用氮肥才是培育土壤氮素肥力的根本途徑［51］，氮肥與秸稈配施，可以提高土壤的含氮量［52］，Thomsen［53］在室內利用N15標記秸稈的實驗表明，每克秸稈可以固定土壤中1.0mg～3.2mg的氮，所以化肥與秸稈配合施用是提高土壤氮素的有效途徑之一［54］。

2.2.2 磷素。磷素具有促進細胞分裂，提高植物抗逆能力等功能。長期秸稈還田會增加土壤有效磷和土壤全磷的含量［55］，并促進有機磷的礦化［56］。秸稈還田后，秸稈在分解過程中產生有機酸等產物，可增強土壤中氮、磷、鉀肥的肥效［57］，緩解氮、磷、鉀肥比例失調等問題［58］。孫星等［59］通過長期秸稈還田對剖面土壤肥力質量的影響試驗得出，長期秸稈還田能夠有效增加土壤中磷素生物有效性，提高土壤磷素利用率。

2.2.3 鉀素。鉀素能使碳水化合物加速合成，增強植物抗干旱、抗嚴寒、抗病蟲害的能力。鉀在秸稈中以離子態(tài)存在，容易被淋洗出來，所以秸稈還田能有效的緩解鉀肥資源不足。秸稈與化肥配施，速效鉀以每年8%的速度遞增［60］;秸稈配施化肥比單施化肥，土壤有效鉀含量增加了4.8%～21.0%［61］。

2.3 秸稈還田對土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤的重要組成部分。作物秸稈含有大量土壤微生物生命活動的碳源、氮源，秸稈還田促進了微生物的生長、繁殖。土壤中的細菌在秸稈還田3個月后可提高1.7倍，土壤表層微生物數(shù)量迅速增加［62］。Doran［63］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋后，細菌、放線菌、真菌數(shù)量增加了2倍～6倍。張電學等［64］通過研究不同促腐條件下秸稈直接還田對土壤酶活性動態(tài)變化的影響表明，秸稈還田后土壤過氧化氫酶、轉化酶、脲酶和磷酸酶活性均有所提高。

2.4 秸稈還田對作物生長及產量的影響

秸稈還田改善了土壤的水、肥、氣、熱狀況，增加土壤有機質及養(yǎng)分含量，改善了土壤的物理性狀和生物性狀，為作物提供了一個良好的生長環(huán)境，提高水分利用率，有利于作物的生長發(fā)育，根系密度增加［65］，增產效果顯著［66-67］。不同量秸稈還田對作物增產效果不同，王寧等［68］通過研究不同量秸稈還田對玉米生長發(fā)育及產量影響表明，半量秸稈 (5 332.5 kg·hm-2)還田的產量優(yōu)于全量 (10 665 kg·hm-2)還田，半量秸稈還田處理顯著提高了作物產量。但也有研究表明，秸稈還田對作物產量有負面影響，張峰［69］等通過玉米秸稈還田對不同類型小麥產量和品質的影響研究得出，秸稈還田后大穗型小麥品種魯原301產量顯著降低。

3 關于鹽堿土秸稈還田的相關研究

松嫩平原是我國蘇打鹽堿化土壤的最大分布區(qū)，也是世界三大蘇打鹽堿土集中分布區(qū)之一［70］。蘇打鹽堿土以NaHCO3和Na2CO3為主［71］，土壤膠體呈高度分散狀態(tài)，干時板結堅硬，濕時泥濘，滲透性差［72］，土壤肥力低下，有機質缺乏。秸稈還田有助于提高蘇打鹽堿化土壤有機質和各種養(yǎng)分含量，保持和提高土壤肥力，改善土壤物理性狀［73］，提高作物產量。所以研究將秸稈還田應用于蘇打鹽堿土，對于改良蘇打鹽堿土，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)鹽堿地資源農業(yè)利用有重要作用［74］。

隨著農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，人們對秸稈還田的研究也越來越廣泛。近年來，秸稈還田應用于改良鹽堿土正在成為研究的熱點之一。秸稈還田對改良鹽堿土的作用表現(xiàn)為:

秸稈覆蓋抑鹽。土壤水分蒸發(fā)量與土壤鹽分表聚直接相關［75］，秸稈還田通過控制土壤水分蒸發(fā)速度達到改良鹽堿土的目的。秸稈覆蓋可明顯降低土壤水分蒸發(fā)速度，控制土壤鹽分的表聚，且隨著覆蓋量的增加土壤鹽分表聚逐漸減弱［76］。當秸稈覆蓋量為0.75 kg·m-2時，再增加秸稈用量，秸稈的保水抑蒸和抑制鹽分表聚的作用并無明顯增強［77］。

秸稈還田降低土壤鹽分。吳冷等［78］利用玉米秸稈改良松嫩平原鹽堿旱地，結果表明，秸稈處理明顯降低了土壤表層的可溶性離子含量和pH值，提高了鹽堿地植物的地上生物量，虎尾草的分蘗能力增強。施用玉米秸稈為虎尾草的生長提供了較好的環(huán)境條件?？梢?，利用秸稈來改良鹽堿地不失為一種好方法。

秸稈還田改良濱海鹽土。目前已經有學者利用秸稈還田對濱海鹽土進行改良，并取得了良好的效果。秸稈還田及施用有機肥能顯著降低濱海鹽土0～20 cm的土壤容重，增加土壤孔隙度和最大持水量，且改善作用隨秸稈還田及施用有機肥時間的增加而增強，但卻隨著土壤深度的增加而逐漸減弱。秸稈還田能有效降低濱海鹽土全鹽含量和pH值，增加土壤有機質含量，增加土壤微生物數(shù)量和酶活性。秸稈施用量為3 600 kg·hm-2和有機肥施用量為1 200 kg·hm-2～3 600 kg·hm-2時，對濱海鹽土的改良效果最佳［79］。

秸稈還田改善鹽堿土壤水分狀況。國立財［80］通過堿化草甸土秸稈還田培肥研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田各處理均能提高土壤含水量和田間持水量;秸稈產量一半還田+分解菌+有機肥處理對提高土壤的陽離子交換量效果最好;秸稈還田各處理能不同程度提高土壤脲酶、過氧化氫酶的活性，從而提高作物產量，其中秸稈產量一半還田+分解菌+有機肥處理產量最高。

秸稈還田改善鹽堿土壤結構。鹽漬化旱田秸稈還田之后，土壤中1 mm～0.25 mm的團聚體含量有所增加，施用有機肥后，效果更為明顯;對鹽堿土中＜0.01 mm的微團聚體含量影響較小。秸稈還田后，土壤有機質含量增加，且隨著秸稈的增加，土壤有機質的絕對量增加，有利于作物生長［81］。

秸稈還田提高鹽堿地作物產量。孫揚等［82］通過對鹽漬化水田秸稈還田對水稻生長及產量的影響研究表明，50%秸稈還田對水稻中后期生長具有顯著促進作用，增產效果顯著。曲學勇等［83］通過研究秸稈還田和品種對土壤水鹽運移及小麥產量的影響，結果表明，秸稈還田有利于減少表層土壤含鹽量，抑制深層土壤鹽分向上移動，減輕了鹽分對作物生長的脅迫，提高了土壤水分的有效性，能顯著降低作物耗水，提高鹽漬土作物產量。

4 秸稈還田在東北松嫩平原蘇打鹽堿土上的應用展望

松嫩平原蘇打鹽堿土鹽堿化程度高，分散性強，通氣透水性差［84］，土壤改良利用難度大。在這樣的土壤條件下實施秸稈還田，需要與其它措施相結合，因地制宜，才能取得較好的效果，為此，蘇打鹽堿水田水稻秸稈還田應注意:

①合理安排秸稈還田時間。松嫩平原地處東北，冰凍時間長，春耕時間短，需要在上年秋季時，將秸稈粉碎成8 cm～10 cm，在秋季翻地時掩埋于地下。春季水整地時攪漿時必須進行秸稈的掩埋處理，避免漂草。

②合理施肥，注意碳氮比。秸稈還田后在施肥量和比例上應與土壤條件相結合。蘇打鹽堿土水田在正常施入水稻復合肥的同時，施加一定量的氮肥。水稻秸稈的C∶N為60∶1，而土壤微生物分解有機物較合適的C∶N為25∶1，所以在生產中必須配施一定量的氮肥。例如尿素的含氮量為46%，在水稻秸稈還田，當秸稈還田量在4 000 kg·hm-2時，需要散施尿素約40 kg·hm-2。

③秸稈還田需要配套合理的改良技術。在松嫩平原氣候條件下，秸稈還田后秸稈腐熟過程時間長，對蘇打鹽堿土改良起效慢，需要與其他物理、化學、生物措施相結合，如在秸稈還田的同時施加土壤改良劑等。

前人對秸稈還田已經從很多角度進行了研究，尤其是秸稈還田的方式及秸稈還田的效應等方面更是取得大量研究結果，但關于鹽堿土秸稈還田的研究工作還不夠深入。今后的研究重點包括秸稈還田對鹽堿土土壤物理性狀的影響，加快秸稈腐解效率的方法和途徑，秸稈還田最佳優(yōu)化模式等。

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The Research Progress of Straw Returning

AN Feng-hua，WANG Zhi-chun，YANG Fan，YANG Hong-tao
(Northeast Institute of Geography and Agroecology，CAS，Changchun 130102，China)

Straw returning is an importantway for fertilizing soil and solving the environmental problems produced by combustion straw in field.Research situation on way，time，amount，decomposition characteristics，carbon and nitrogen ratio of straw returning were introduced in this paper.Effect of straw returning on soil physical properties，soil nutrient，soilmicrobial，crop growth and yield were summarized.This paper emphasized research progress of straw returning on saline soils.The future research prospects of straw returning technology were advanced.This paper presents，under the existing soil and climate conditions in Songnen Plain，Straw returning need to form a complete setof reasonable improvement technology，combined with other physical，chemical and biologicalmeasures.By adjustingmeasures to local conditions，better effect can be achieved.

straw returning;Songnen plain;sodic soil;effect;improvement

10.11689/j.issn.2095-2961.2015.02.002

2095-2961(2015)02-0057-07

S156.4

A

2014-10-08;

2014-10-20.

中國科學院西部行動計劃重大項目 (KZCX3-XB3-16);國家科技支撐計劃課題 (2009BADB3B03);國家自然科學基金(41071022).

安豐華 (1986-)，男，山東青島人，碩士，助理工程師，研究方向為鹽堿土改良.

王志春 (1963-)，男，吉林長春人，研究員，博士生導師，研究方向為鹽漬土生態(tài)及改良利用.