秸稈還田對土壤環(huán)境影響的研究進(jìn)展

董祥洲　徐粲然　朱啟法　陳亞奎　高琴　王學(xué)瑛

摘要 隨著糧食生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和農(nóng)村生活水平的提高，農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量和利用方式也發(fā)生了巨大的變化。秸稈直接還田是秸稈綜合利用的一種有效途徑，近幾年受到了廣泛關(guān)注。簡述了我國秸稈產(chǎn)量和綜合利用現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析了秸稈直接還田對土壤理化性質(zhì)、營養(yǎng)元素、有機(jī)質(zhì)、微生態(tài)以及農(nóng)作物產(chǎn)量的積極影響，同時(shí)討論了秸稈還田可能給環(huán)境帶來的負(fù)面影響，并指出添加生物腐熟劑是促進(jìn)秸稈快速還田的有效措施，旨在為合理高效地利用秸稈資源提供參考。

關(guān)鍵詞 秸稈還田;綜合利用;土壤

中圖分類號 S19 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）13-0001-04

Abstract With the development of grain production technologies and the improvement of rural living standards，the yields and utilization of crop straw have also undergone great changes.Straw returning to the field is an effective way for straw comprehensive utilization which has attracted much attention in recent years.This paper described the current situation of straw yields and comprehensive utilization in China.The positive effects of straw returning to the field on soil physical and chemical properties，nutrient elements，organic matter，microecology and crop yields were analyzed.The possible negative effects of straw returning on the environment were also discussed.Adding biologicaldecomposition inoculant is an effective measure to promote straw rapid returning to field was pointed out，aiming to provide a reference for the rational and efficient utilization of straw resources.

Key words Straw returning;Comprehensive utilization;Soil

農(nóng)作物秸稈是作物收割后留在田間的莖葉總稱[1]，一般能夠占作物生物量的50%以上[2]，是我國農(nóng)業(yè)廢棄物的重要組成部分。我國秸稈產(chǎn)量位居世界前列，每年有大量秸稈未經(jīng)有效利用而被丟棄，導(dǎo)致各種環(huán)境問題和社會影響。20世紀(jì)90年代以來，秸稈收獲后普遍在農(nóng)田中被直接焚燒，導(dǎo)致大量溫室氣體排放，造成了嚴(yán)重的空氣污染。同時(shí)秸稈焚燒產(chǎn)生的高溫會殺死土壤中大量的微生物，對土壤的生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。我國早在2000年的《大氣污染防治法》中便提出了秸稈禁燒的相關(guān)法規(guī)[3]，目前已經(jīng)全面禁止秸稈露天焚燒，鼓勵秸稈資源的綜合利用，包括秸稈的肥料化、燃料化、飼料化等。其中，秸稈直接還田是一種節(jié)本增效的綜合利用方式，能夠改善土壤生態(tài)環(huán)境，從根本上解決秸稈焚燒帶來的污染問題。

該研究擬通過我國秸稈產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì)和秸稈綜合利用方式的介紹，重點(diǎn)分析秸稈還田對土壤理化性質(zhì)、土壤營養(yǎng)、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生態(tài)、農(nóng)作物產(chǎn)量以及溫室氣體排放的影響，對秸稈有效還田的發(fā)展方向提出具體建議。

1 我國秸稈的產(chǎn)量

到目前為止，我國還沒有直接的官方統(tǒng)計(jì)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量的數(shù)據(jù)，基本上通過各種科學(xué)方法來進(jìn)行估算，如田間調(diào)查[4]、收獲指數(shù)（HI）[5]、作物殘茬指數(shù)（CRI）[6]、地理信息系統(tǒng)（GIS）[7]、模型計(jì)算[8]等。目前的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，我國現(xiàn)階段每年的秸稈產(chǎn)量為7億～10億t。評價(jià)方法和作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)的不同使得農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)量差異較大。以我國2010年的秸稈產(chǎn)量研究為例，Qiu等[9]對作物殘茬量進(jìn)行了計(jì)算，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了地理和經(jīng)濟(jì)分析，評估結(jié)果顯示，2010年全國作物秸稈總產(chǎn)量為7.29億t;Li等[10]采用區(qū)域作物特定殘留指數(shù)（CRI）方法，計(jì)算出我國主要糧食作物2010年的秸稈產(chǎn)量約為5.06億t;郭冬生等[11]通過《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì)出的2010年糧食作物秸稈產(chǎn)量為7.11億t。

2 秸稈的綜合利用方式

秸稈作為一種可再生能源，是我國生物質(zhì)資源中最重要的組成部分，目前秸稈的綜合利用方式主要有：①直接燃燒發(fā)電，該技術(shù)將秸稈在鍋爐中直接進(jìn)行燃燒處理，利用產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電[12]，對于緩解能源短缺，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)循環(huán)具有重要意義。②生產(chǎn)乙醇，農(nóng)作物秸稈是生產(chǎn)生物燃料乙醇的重要來源[13]，隨著化石燃料的減少，生物燃料的開發(fā)能夠減少對化石燃料的依賴，對緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染具有積極作用。③制造沼氣，秸稈或秸稈與禽畜糞便經(jīng)過厭氧發(fā)酵后可產(chǎn)生沼氣，能量利用率較高。發(fā)酵產(chǎn)生的沼液、沼渣等副產(chǎn)物是良好的有機(jī)肥料和土壤改良劑。目前也有很多研究關(guān)注與利用生物強(qiáng)化的方法提升沼氣的發(fā)酵效率[14-15]。④用作飼料，農(nóng)作物秸稈粗纖維含量較高，很難被動物消化吸收。目前秸稈通常經(jīng)過微生物發(fā)酵或青貯技術(shù)進(jìn)行處理后作為動物的飼料使用[16]。⑤用作肥料，秸稈中富含有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，將秸稈與禽畜糞便收集后，進(jìn)行堆漚生產(chǎn)有機(jī)肥，是改良土壤、培肥地力的有效方式。⑥直接還田，該技術(shù)是在農(nóng)作物收割時(shí)，將秸稈進(jìn)行原位粉碎處理，通過翻耕的方式將秸稈直接返還至土壤中。秸稈直接還田能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤容重和通透性，提高土壤含水量，是一種經(jīng)濟(jì)高效，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

雖然秸稈綜合利用的方式較多，促進(jìn)秸稈作為工業(yè)用品的主要措施利潤也較低，但秸稈在收集和運(yùn)輸過程中的成本較高，難以大量的推廣應(yīng)用。因此，在目前眾多的秸稈利用方式中，秸稈直接還田是最為經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)手段。

3 秸稈還田的影響

3.1 土壤理化性質(zhì)

農(nóng)作物秸稈還田對土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有積極的影響。大量研究表明，秸稈還田能夠顯著降低土壤容重，提高土壤總孔隙度，增加通氣孔隙和毛管孔隙，減少土壤團(tuán)聚體的破壞和分散，改善土壤通氣狀況，增加土壤保水能力，有利于形成良好的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，減少土壤板結(jié)現(xiàn)象的產(chǎn)生[17-19]。Shaver等[20]研究表明，秸稈還田不僅能夠降低土壤容重，提升土壤有效孔隙度，還能夠提高水的利用率，土壤大團(tuán)聚體的比例也隨著秸稈還田量的增加而增加;蘆偉龍等[21]通過煙稻輪作土壤的秸稈還田試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，秸稈還田能夠顯著降低表層土壤容重，增加土壤孔隙度，與武均等[17]的研究結(jié)果相同。

秸稈還田對土壤pH、陽離子交換量和電導(dǎo)率等化學(xué)性質(zhì)方面影響較小[22]。薛斌等[23]探討了水稻-油菜輪作土壤中秸稈還田對土壤肥力的影響，結(jié)果表明秸稈還田對土壤pH影響較小，各耕作層pH最大變化量為0.33。Zhao等[24]研究表明，與有機(jī)肥相比，秸稈對土壤的pH和陽離子交換量無太大影響;Shaw等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在玉米-小麥-大豆輪作的土壤中，秸稈還田僅使土壤電導(dǎo)率增加了5%。

3.2 土壤營養(yǎng)

土壤養(yǎng)分循環(huán)是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，然而為了最大限度地提高作物產(chǎn)量，長期施用化肥，這導(dǎo)致我國土壤肥力下降，并造成嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染[26]。秸稈作為農(nóng)產(chǎn)品的天然伴生產(chǎn)物，其腐化后將釋放大量的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素。氮是作物生長所必需的營養(yǎng)元素，不當(dāng)?shù)母鞣椒?、施肥、水分管理等因素都可能會影響作物對氮元素的吸收，甚至可能造成周圍水體硝酸鹽污染[27]。然而，與傳統(tǒng)的施用化肥相比，秸稈還田能夠使土壤全氮含量增加3.2%～11.2%[28]。在秸稈全部還田的條件下，秸稈中幾乎所有的鉀、大部分磷和作物所需的部分氮都可以提供給土壤。薄國棟等[29]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈能夠通過釋放自身養(yǎng)分，增加土壤中氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的含量，且土壤養(yǎng)分指標(biāo)與秸稈還田量呈正相關(guān);徐蔣來等[30]進(jìn)行了3年的稻麥秸稈還田試驗(yàn)，在75%的秸稈還田量下，土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的含量提高最為顯著，土壤氮、磷、鉀以及有機(jī)質(zhì)的含量分別比對照組高2.61%、4.05%、18.25%和5.90%。

3.3 土壤有機(jī)質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)含量是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，而2017年的研究數(shù)據(jù)顯示，我國目前農(nóng)業(yè)土壤耕作層有機(jī)質(zhì)含量平均為24.65 g/kg[31]，屬中下等水平。肥料管理、保護(hù)性耕作和秸稈還田是土壤固碳最常用的措施，其中秸稈還田是最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法[32]，秸稈還田的理論固碳潛力可達(dá)48.2×1012～56.2×1012 g/a[33]。Lu等[34]對稻田秸稈固碳潛力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明秸稈全量化還田后，可回收約10.48×1012 g/a的碳;一個(gè)2年期研究表明，秸稈直接還田使土壤有機(jī)碳的含量提高了23.9%[35];楊帆等[36]在多地的定位試驗(yàn)表明，正常施肥+秸稈還田使土壤有機(jī)質(zhì)1年增加了6.34%。有學(xué)者指出，秸稈還田對土壤有機(jī)碳含量的影響可能在短期或中期（<3年）較小，而連續(xù)還田3～15年可顯著提高土壤有機(jī)碳含量，但長期秸稈還田會使土壤有機(jī)碳飽和[37-38]。雖然種植制度、氣候條件、土壤質(zhì)地、地理?xiàng)l件和作物品種等都會對土壤有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)出較大的影響[38-40]，但從總體上看，秸稈還田仍是目前我國最可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)可行的固碳方式。

3.4 土壤微生態(tài)

土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性取決于土壤微生物群落對養(yǎng)分的循環(huán)作用。土壤微生物主要包括細(xì)菌、真菌、放線菌等，是土壤生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和能量循環(huán)的動力，能夠促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和腐殖質(zhì)的形成，對土壤微生態(tài)的良性循環(huán)具有至關(guān)重要的作用[41]。土壤微生物也是土壤質(zhì)量最敏感的指標(biāo)，土壤營養(yǎng)狀況、環(huán)境條件以及耕作模式等均對土壤微生物的生物量和多樣性影響較大。目前，化肥的過度施用是導(dǎo)致耕作土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性遭到破壞的主要原因[42-44]?。秸稈還田能夠增加土壤的能量和養(yǎng)分，在秸稈腐解過程中，有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)元素的釋放能夠促進(jìn)土壤微生物的生長，從而提高土壤微生物的數(shù)量和多樣性。

土壤微生態(tài)功能常用的評價(jià)指標(biāo)包括土壤酶活性、微生物生物量以及生物多樣性等[45]。劉艷慧等[41]對秸稈還田后0～60 cm的土壤微生物量和土壤酶活性進(jìn)行了連續(xù)4年的研究，結(jié)果表明土壤微生物總數(shù)量相比于未還田土壤增加了19.87%～56.15%，土壤脲酶活性、蔗糖酶活性、過氧化氫酶活性均得到顯著提高，說明持續(xù)的秸稈還田對土壤微生態(tài)的保持和改善作用;薄國棟等[29]的PCR-DGGE檢測結(jié)果顯示，玉米秸稈還田量在7 500 kg/hm2時(shí)能夠顯著提升煙田土壤的真菌多樣性。

3.5 農(nóng)作物產(chǎn)量

秸稈還田能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的含量，同時(shí)為作物提供充足的碳源，達(dá)到作物增產(chǎn)的效果。但農(nóng)作物的產(chǎn)量因還田秸稈種類、作物類型等的不同具有較大差異，目前關(guān)于秸稈還田是否能在短期內(nèi)提高作物產(chǎn)量的結(jié)論并不一致。研究表明，短期的秸稈還田不會對作物產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響[46-47]，作物產(chǎn)量將隨秸稈還田時(shí)間的增長而得到逐步提高。Bai等[48]通過對小麥-玉米輪作土壤6年12季的秸稈還田定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，長期的秸稈還田使冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量分別增加了16.5%和13.2%，同時(shí)秸稈還田還顯著增加作物對鉀的吸收。另外，也有研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田短期內(nèi)即可使作物增產(chǎn)。高天平等[49]研究表明，在水分充足的條件下，秸稈還田當(dāng)季就能夠使玉米產(chǎn)量得到顯著提高;李昊昱等[50]研究表明，雙季秸稈還田使小麥-玉米2個(gè)周年的平均產(chǎn)量增加了14.3%。

3.6 溫室氣體排放

二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）是溫室氣體的重要組成部分，人們普遍認(rèn)為，秸稈還田為微生物提供了更有效的C和N，從而刺激土壤產(chǎn)生更多的CH4和N2O，其產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)是負(fù)面的[51-53]。有研究指出，秸稈還田對全球變暖潛勢和溫室氣體強(qiáng)度的增加作用大于傳統(tǒng)的施肥方式[28]。自20世紀(jì)80年代后期以來，國內(nèi)外利用實(shí)地測量和模型計(jì)算等方式對秸稈還田產(chǎn)生的溫室氣體排放量進(jìn)行了大量調(diào)查。從表1可以看出，不同土壤類型、秸稈類型以及還田量，溫室氣體排放量增加速率差異也較大。有許多研究關(guān)注于添加硝化抑制劑使秸稈還田過程中溫室氣體排放量最小化。Ma等[54]利用雙氰胺（DCD）和氯化十六烷吡啶（CP）作為硝化抑制劑，對小麥生長季稻田N2O的排放和作物產(chǎn)量進(jìn)行了測定，硝化抑制劑使N2O的排放量減少了67.7%，小麥平均增產(chǎn)9.7%。Liu 等[55]在小麥-玉米輪作土壤上施用雙氰胺（DCD）和3，4-二甲基吡唑磷酸鹽（DMPP）作為硝化抑制劑，分別使N2O的年排放量降低35%和38%。

4 結(jié)語

秸稈直接還田是秸稈還田方式中應(yīng)用最為廣泛的一種，在我國已得到大力推廣，但由于我國對糧食的需求量巨大，在目前的種植模式下，秸稈降解時(shí)間短，在土壤中不能完全腐化，影響下茬作物播種，不利于作物根系對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致作物減產(chǎn)。針對秸稈還田的現(xiàn)狀，可通過加入生物腐熟劑的方式增加秸稈在土壤中的降解速率和秸稈還田量。Qin等[61]在玉米秸稈還田的過程中添加了蠟樣芽孢桿菌，二者的協(xié)同作用促進(jìn)了秸稈的腐解，顯著增加了土壤腐殖酸和有機(jī)質(zhì)的含量;Han等[62]研究了外源纖維素酶對秸稈分解、土壤肥力和作物生長的影響，結(jié)果顯示應(yīng)用纖維素酶能夠使水稻秸稈和小麥秸稈的分解速度分別提高6.3%～26.0%和6.8%～28.0%，盆栽試驗(yàn)中土壤速效氮和速效磷含量以及水稻幼苗的生長均有提高，并且土壤的呼吸速率和微生物菌群沒有受到影響。我國的氣候條件、土壤類型、耕作方式和耕作制度等都很多樣化，有必要對秸稈還田量和還田方式進(jìn)行長期的實(shí)地綜合調(diào)查和評價(jià)，從而在提升土壤環(huán)境質(zhì)量的同時(shí)增加農(nóng)作物產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。

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