農(nóng)作物秸稈深耕還田技術(shù)研究進(jìn)展

王毅琪 韓文彪 陳灝 趙玉柱 呼斯冷 郝春霞

摘要 介紹了農(nóng)作物秸稈還田技術(shù)及秸稈深耕還田技術(shù)，探討了秸稈深耕對(duì)土壤和作物的影響，其中，對(duì)土壤的影響包括物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、生物學(xué)性質(zhì)3個(gè)方面，對(duì)作物的影響包括作物生長(zhǎng)發(fā)育、作物產(chǎn)量2個(gè)方面。

關(guān)鍵詞 秸稈還田；深耕；土壤性質(zhì)；產(chǎn)量

中圖分類(lèi)號(hào) S216.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）06-0050-04

Research Progress of Crop Straw Deep Plowing and Returning Technology

WANG Yi-qi1，2，HAN Wen-biao1，2，CHEN Hao1，3 et al （1.Ordos Institute of Solid Waste Technology，Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Ordos，Inner Mongolia 017000；2.Ordos Urban Mining Research and Development Co.，Ltd.，Ordos，Inner Mongolia 017000；3.Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 010018）

Abstract The technology of straw returning and crop straw plowing and returning were introduced，the straw plowing and returining impact on soil and crop straw were discussed，the effect on soil included physical properties，chemical properties and biological properties，the influence on crops included crop growth and crop yield.

Key words Straw retained；Deep tillage；Soil property；Yield

農(nóng)作物秸稈主要指玉米、水稻、小麥等農(nóng)作物收獲后剩余的莖稈，含有豐富的氮、磷、鉀等微量營(yíng)養(yǎng)元素，是農(nóng)業(yè)的主要副產(chǎn)品，同時(shí)也是一種可再生資源[1]。我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源豐富，約占世界秸稈總量的25.00%，是世界第一秸稈大國(guó)[2-3]。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每年秸稈產(chǎn)量近9億t，其中水稻、玉米、小麥和豆類(lèi)的秸稈資源占秸稈總量的80.00%左右[4]，但是仍有近2.0億t秸稈未被利用，這些未實(shí)現(xiàn)資源化利用的秸稈量大面廣、亂堆亂放、隨意焚燒，不僅浪費(fèi)了資源，還加劇了溫室氣體的排放與霧霾天氣的形成，造成嚴(yán)重的交通問(wèn)題和生態(tài)環(huán)境污染問(wèn)題。由于秸稈資源的不合理利用和浪費(fèi)，秸稈的處理已成為一大難題，并已經(jīng)引起國(guó)家的高度重視，發(fā)改委、農(nóng)業(yè)部、環(huán)保部等部門(mén)也出臺(tái)了一系列文件，提倡加強(qiáng)農(nóng)作物秸稈綜合利用，明令禁止焚燒秸稈，并提出到2030年農(nóng)作物秸稈要得到全面利用，全國(guó)基本實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物趨零排放。筆者探討了農(nóng)作物秸稈深耕還田對(duì)土壤和作物的影響，以期為優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境及提高作物產(chǎn)量提供借鑒。

1 秸稈還田技術(shù)

目前，農(nóng)作物秸稈處理已成為熱點(diǎn)，大量研究團(tuán)隊(duì)對(duì)秸稈的資源化利用開(kāi)展了相應(yīng)的研究，并取得了重大進(jìn)展。農(nóng)作物秸稈的主要利用方式有秸稈還田、秸稈產(chǎn)沼氣發(fā)電、用作飼料、用作建材和栽培食用菌等，其中秸稈還田作為最直接、最低成本的利用方式，也逐漸成為作物生產(chǎn)中的一項(xiàng)常規(guī)技術(shù)，受到人們的廣泛重視，學(xué)者也就秸稈還田的政策性措施、腐解特征、還田方式、利用效果等內(nèi)容開(kāi)展了大量研究。

秸稈還田是指將秸稈直接或堆肥腐熟后施用于土壤的一項(xiàng)技術(shù)。我國(guó)多數(shù)農(nóng)村地區(qū)分散、偏遠(yuǎn)，且隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，秸稈已經(jīng)很少作為能源原料和飼料使用，還田技術(shù)就成為秸稈利用的重要方式。秸稈還田不僅可將作物中的營(yíng)養(yǎng)元素歸還于土壤，改善土壤理化性質(zhì)，提高作物產(chǎn)量[5]，還可以減少秸稈焚燒和亂堆亂放引起的環(huán)境污染，推進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前秸稈還田的方式主要有直接還田、堆漚還田、過(guò)腹還田、炭化還田等。

直接還田技術(shù)是將秸稈機(jī)械粉碎后進(jìn)行還田，是秸稈利用最簡(jiǎn)單的方法，可提高土壤肥力，缺點(diǎn)是如果處理不當(dāng)會(huì)使作物出苗不齊，引發(fā)病蟲(chóng)害；堆漚還田是將秸稈發(fā)酵堆漚產(chǎn)生的有機(jī)肥施用于土壤，缺點(diǎn)是堆漚過(guò)程中氮素?fù)p失嚴(yán)重，肥效難以保證；過(guò)腹還田是將秸稈先用作飼料，飼喂牛、馬、豬、羊等牲畜，經(jīng)牲畜消化吸收后變成糞、尿，以畜禽糞便的形式進(jìn)行還田，如果按照1頭牛消耗秸稈15.0 kg/d、1只羊消耗秸稈1.5 kg/d計(jì)算，秸稈消耗量相當(dāng)可觀，但是過(guò)腹還田只適用于一些大規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)，具有一定的局限性；炭化還田是將含水率低于20.00%的秸稈經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤猓詈髮⑿纬傻奶款w粒還田[6]，所形成的顆粒理化性質(zhì)穩(wěn)定，孔隙度大，吸附能力強(qiáng)，對(duì)土壤具有較好的改良效果[7]，但是制取顆粒過(guò)程中出炭率和混合可燃?xì)獾氖占檬窃摷夹g(shù)需要突破的難點(diǎn)。

秸稈還田是一項(xiàng)提高土壤肥力、改善土壤理化性質(zhì)的措施，但目前我國(guó)大多采用秸稈覆蓋還田，秸稈存在于土壤淺層[8] ，耕層土壤變淺，又由于秸稈碳氮比（C/N）高，導(dǎo)致土壤過(guò)于緊實(shí)，造成肥料及養(yǎng)分下移困難，從而影響作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育及土壤蓄水能力。同時(shí)，長(zhǎng)期耕作方式單一、耕地復(fù)種指數(shù)高、倒茬時(shí)間短等因素也是影響秸稈還田效應(yīng)的重要因素。

因此，如果將秸稈的還田效應(yīng)與當(dāng)前農(nóng)業(yè)科技形成的配套種植技術(shù)（農(nóng)業(yè)耕作方式）相結(jié)合，促使秸稈快速腐解，勢(shì)必會(huì)改善土壤性質(zhì)和農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境。

2 秸稈深耕還田技術(shù)

秸稈深耕還田是將秸稈還田與土地深耕方式相結(jié)合，使秸稈覆于深層土壤，相比較常規(guī)秸稈還田，秸稈的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可均勻分布于底層，促進(jìn)秸稈快速腐解，同時(shí)改善土壤性質(zhì)和農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境，提高肥料利用率，最終達(dá)到增加作物產(chǎn)量的目的。

土壤深耕可有效打破犁底層，改善土壤的松緊狀況和孔隙度，但是如果只進(jìn)行深耕不進(jìn)行秸稈還田，長(zhǎng)期大量施用化肥最終還會(huì)引發(fā)土壤肥力降低、土壤板結(jié)等問(wèn)題，形成惡性循環(huán)，嚴(yán)重制約作物產(chǎn)量的提高及農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展。秸稈還田和深耕技術(shù)的結(jié)合是打破這一環(huán)節(jié)的重要舉措，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要增產(chǎn)技術(shù)[9]。從某種意義上說(shuō)，秸稈還田的最終目的是利用農(nóng)業(yè)科技手段，通過(guò)調(diào)整農(nóng)業(yè)生物資源的有效配置，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變及資源的再次利用，達(dá)到農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益的最大化，從而促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。

3 秸稈深耕還田對(duì)土壤的影響

3.1 對(duì)物理性質(zhì)的影響

土壤物理性質(zhì)主要包括土壤結(jié)構(gòu)、孔隙度、土壤容重、含水量等，是影響作物生長(zhǎng)的重要因素。合理的深耕+秸稈還田能夠有效調(diào)整土壤的水、肥、氣、熱等因素，降低土壤容重，顯著提高土壤含水量及土壤保墑能力，提高作物對(duì)水分的吸收與利用效率[10-11]，改善土壤通透性[12-13]，提升土壤肥力，為作物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，還可以發(fā)生交互作用，比單獨(dú)處理改善土壤物理性狀更加明顯。楊杰瑞[14]研究表明，秸稈深耕還田處理麥田與淺耕秸稈還田處理相比，20～40 cm土層的土壤含水量明顯升高，且兩者差異極顯著（P<0.01），土壤容重降低，且兩者差異顯著（P<0.05）。趙亞麗等[15]研究表明，深耕+秸稈還田與常規(guī)耕作+無(wú)秸稈還田相比，20～30 cm土層的土壤容重降低了8.50%。陸豐升[16]通過(guò)5年連續(xù)的秸稈還田和秋種深耕后，結(jié)果表明，土壤總孔隙度增加了10.60%，25 cm土層土壤容重顯著降低。李鳳博[17]研究表明，秸稈深耕還田相比免耕無(wú)秸稈還田，土壤容重減小了8.14%，且秸稈深耕還田處理相比其他幾種耕作方式與秸稈還田的組合處理，土壤容重減小值最大，為0.18 g/cm3，并得出土壤容重隨著耕作深度的增加而逐漸降低，秸稈還田可以降低土壤容重。田慎重等[18]在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)通過(guò)不同的耕作措施與秸稈還田相結(jié)合進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，20～30 cm土層秸稈深耕還田處理相比深耕無(wú)秸稈還田處理，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例提高了3.18百分點(diǎn)，達(dá)到了80.72%；同時(shí)土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑（MWD）提高了13.28%，使土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。秸稈深耕可以連年深耕，也可以隔年深耕，均可改善土壤物理性質(zhì)。朱利群等[19]研究表明，水稻在第3季收獲后土壤容重明顯較前2季小，其中連續(xù)2年深耕+秸稈還田處理和隔年深耕+秸稈還田處理對(duì)比免耕和旋耕與秸稈還田的組合，對(duì)土壤容重的降低效果都達(dá)到了最好，且差異不大，土壤容重均可降低到1.25 g/cm3以下。

3.2 對(duì)化學(xué)性質(zhì)的影響 土壤化學(xué)性質(zhì)包括土壤養(yǎng)分、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤酸堿性、土壤緩沖能力及膠體性等，其中土壤養(yǎng)分為作物生長(zhǎng)提供必需的營(yíng)養(yǎng)元素，尤其是氮、磷、鉀等元素是作物生長(zhǎng)的重要營(yíng)養(yǎng)元素；土壤有機(jī)質(zhì)是最重要的土壤肥力表征，主要由碳和氮的有機(jī)化合物組成，是評(píng)價(jià)土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo)。秸稈深耕還田可使秸稈中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)均勻分布于耕層，提高土壤養(yǎng)分含量與速效營(yíng)養(yǎng)含量，降低土壤C/N，最終改善土壤的化學(xué)性質(zhì)。冀保毅[20]在漯河和鶴壁2地開(kāi)展的深耕和秸稈還田相結(jié)合的試驗(yàn)證明，秸稈深耕還田后，提高了壤土中全氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量，增幅分別為13.8%、11.0%、11.80%和3.00%，黏土的全氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量的增幅分別為20.20%、6.00%、15.80%和1.60%，土壤的C/N平均下降了10.00%，同時(shí)比單獨(dú)深耕和秸稈還田處理的效果明顯。張緊緊[21]研究表明，經(jīng)過(guò)秸稈深耕還田，土壤有機(jī)碳、銨態(tài)氮含量有較大幅度的提升，在小麥的起身期、抽穗期與灌漿期3個(gè)時(shí)期，秸稈深耕還田處理后速效磷含量均達(dá)最高，分別為26.39、16.99和19.62 mg/kg，20～40 cm土層秸稈深耕還田處理比秸稈淺耕還田的C/N下降了4.43。如果秸稈深耕還田再輔助以腐桿劑，可加速秸稈在底層的腐解，改善效果將更加明顯，如范乃忠[22]研究表明，秸稈還田+深耕+腐稈劑技術(shù)經(jīng)過(guò)1年的試驗(yàn)與秸稈還田+旋耕相比，全氮含量增加 0.05 g/kg，有效磷含量增加 0.3 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量增加 0.6 g/kg，增量也較秸稈還田+深耕處理大。也有研究顯示，深耕+秸稈還田相比免耕+秸稈還田，土壤中的全氮、速效鉀和速效磷的增量并不穩(wěn)定，甚至有降低的現(xiàn)象，如朱杰等[23]研究表明，水稻秸稈深耕還田后，各層土壤全氮含量變化不大，而速效磷與速效鉀的含量甚至小于免耕+秸稈還田處理。

3.3 對(duì)生物學(xué)性質(zhì)的影響

土壤生物學(xué)性質(zhì)與土壤的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)相輔相成、密不可分，包括土壤微生物和土壤酶的一些狀況。土壤微生物是土壤肥力的表征，反映土壤中部分營(yíng)養(yǎng)元素的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)[24]，受土壤耕作措施的影響；土壤酶活性是土壤生物學(xué)活性的總體體現(xiàn)，幾乎參與土壤中所有生化反應(yīng)，可直接或間接影響土壤的生產(chǎn)量和作物產(chǎn)量，其活性反映土壤中各種生化反應(yīng)的方向和強(qiáng)度[25]。通過(guò)秸稈深耕還田，土壤層頻繁擾動(dòng)，通氣性增加，微生物與有機(jī)質(zhì)接觸面積增大，有利于微生物的生長(zhǎng)，可以增加土壤微生物數(shù)量，提高土壤酶活性。郭海濱[26]研究表明，秸稈深耕還田與常規(guī)耕作秸稈還田處理相比，20～30、30～40 cm土層土壤微生物總量分別提高了31.90%和47.90%，土壤蔗糖酶活性分別提高73.30%和78.40%，土壤脲酶活性分別提高30.20%和38.80%，土壤堿性磷酸酶活性分別提高45.10%和51.60%。趙亞麗等[27]研究顯示，深耕+秸稈還田與常規(guī)耕作+無(wú)秸稈還田相比，土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性分別提高 45.90%和34.50%；同時(shí)還可以提高土壤中細(xì)菌、放線菌和真菌的數(shù)量，Lou等[28]的研究也得出類(lèi)似結(jié)論。冀保毅等[20，29]在秸稈深耕還田對(duì)土壤酶活性的影響研究中得出，秸稈深耕還田可顯著提高酶活性，比常規(guī)耕作+秸稈還田處理壤土土壤的磷酸酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性分別提高了33.03%、5.43%、7.39%、4.01%。孟慶陽(yáng)等[30]在淮北平原砂姜黑土麥田開(kāi)展的試驗(yàn)表明，秸稈深耕還田可不同程度地提高砂姜黑土土壤的過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性，在成熟期的20～40 cm土層，秸稈深耕還田處理后的土壤過(guò)氧化氫酶、磷酸酶、脲酶相比旋耕秸稈還田、深耕秸稈不還田和旋耕秸稈不還田處理均達(dá)到了最高值，蔗糖酶活性相對(duì)增幅較小。

4 秸稈深耕還田對(duì)作物的影響

4.1 對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育的影響

秸稈深耕還田具有良好的生物效應(yīng)和農(nóng)田效應(yīng)，通過(guò)改變土壤的內(nèi)在環(huán)境來(lái)影響作物的生長(zhǎng)和發(fā)育，主要對(duì)出苗、株高、基粗、葉面積及根系的生長(zhǎng)等有促進(jìn)作用。李波等[31]的不同耕作方式下水稻秸稈還田試驗(yàn)表明，隨著土壤耕作深度的增加，小麥出苗均勻性提高，其中深耕+水稻秸稈還田處理的均勻性最好，同時(shí)還有助于小麥出苗的整齊度。李亭亭[32]進(jìn)行了春玉米田間試驗(yàn)，對(duì)比了不同耕作方式與秸稈還田對(duì)春玉米生育狀況的影響，認(rèn)為深耕+秸稈還田可有效提高莖稈強(qiáng)度和生育后期的葉面積，延緩春玉米的衰老，還可顯著提高春玉米的總根長(zhǎng)、根體積和根表面積。洪德峰等[33]研究表明，深耕和秸稈還田相結(jié)合可增加夏玉米籽粒干物質(zhì)的積累，提高葉面積指數(shù)，相比較深耕秸稈不還田達(dá)到顯著水平。同時(shí)，也有研究報(bào)道顯示，秸稈深耕還田可以提高作物的抗病性和防治雜草的效果[17]。范乃忠[22]在虞城縣黃冢鄉(xiāng)進(jìn)行秸稈深耕還田試驗(yàn)，結(jié)果表明，深耕+玉米秸稈還田相比單純的深耕可降低44.90%的小麥病穗率，同時(shí)比旋耕+玉米秸稈還田降低的病穗率提高了12百分點(diǎn)。

4.2 對(duì)產(chǎn)量的影響

秸稈深耕還田可以提高作物生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，主要是通過(guò)土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)的改善提高產(chǎn)量，尤其很大程度上取決于土壤中的氮、磷、鉀含量。戰(zhàn)秀梅等[34]在遼寧省海城市的秸稈深耕試驗(yàn)表明，深耕+秸稈還田與旋耕+秸稈還田相比，春玉米產(chǎn)量增加了667.80 kg/hm2，增產(chǎn)率為6.07%。孟慶陽(yáng)等[30]通過(guò)不同耕作方式及秸稈還田處理砂姜黑土，結(jié)果表明，深耕秸稈還田處理相比旋耕秸稈還田、深耕秸稈不還田和旋耕秸稈不還田處理，能夠顯著提高冬小麥籽粒產(chǎn)量及千粒重，在深耕處理秸稈還田與不還田之間，產(chǎn)量差異顯著，產(chǎn)量達(dá)到9 517.50 kg/hm2。王秋菊等[35]在黑鈣土上連續(xù)開(kāi)展了3年的有機(jī)物料深耕還田試驗(yàn)，證明秸稈深耕還田處理與常規(guī)耕作相比第 1、2 、3年分別增產(chǎn)11.20%、9.80%和18.10%，平均每年增產(chǎn)11.30%。秸稈深耕還田還可以結(jié)合地膜覆蓋，尤其是在北方地區(qū)，可有效調(diào)控秋雨冬保春用跨季節(jié)的土壤墑情，提高作物產(chǎn)量，如田力[36]在東北地區(qū)開(kāi)展的玉米秸稈深耕還田產(chǎn)量比較試驗(yàn)，得出在深耕情況下，玉米拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期，秸稈還田處理的植株干物質(zhì)積累均高于秸稈不還田處理，秸稈深耕還田干物質(zhì)積累量最大的是秸稈還田量為16 500 kg/hm2的處理，且差異顯著，產(chǎn)量達(dá)到 12 835.65 kg/hm2，比秸稈不還田處理（對(duì)照）增產(chǎn)2 115.15 kg/hm2。也有一些地區(qū)進(jìn)行了秸稈深耕還田的實(shí)踐應(yīng)用，如河南省商水縣開(kāi)展和推進(jìn)的秸稈深耕還田工作，根據(jù)他們的實(shí)際測(cè)算：秸稈深耕25 cm比深耕15 cm的小麥成穗增加了22.5萬(wàn)～46.5萬(wàn)穗/hm2，穗粒數(shù)增加了1～2粒，千粒重增加了1.00～2.00 g，增產(chǎn)810.00 kg/hm2，增產(chǎn)率達(dá)8.00%～9.00%[37]。

5 結(jié)論

綜上，秸稈還田不僅減少了資源浪費(fèi)，還有效改善了生態(tài)環(huán)境，同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)耕作方式——土地深耕，可加速秸稈的腐解，提高土壤有機(jī)質(zhì)及氮、磷、鉀含量，改善土壤理化性狀和生物學(xué)性狀，優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)，是一種有效的農(nóng)田培肥措施。因此，農(nóng)作物秸稈的深耕還田是秸稈資源利用中最經(jīng)濟(jì)且可持續(xù)的方式之一，不但可以解決秸稈的環(huán)境污染問(wèn)題，而且可以促進(jìn)農(nóng)村養(yǎng)分資源的循環(huán)利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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