秸秆还田研究进展

安丰华，王志春，杨 帆，杨洪涛

(中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春130102)

秸秆还田研究进展

安丰华，王志春，杨 帆，杨洪涛

(中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春130102)

秸秆还田是培肥土壤和解决田间燃烧所产生的环境问题的重要方式，本文系统介绍了国内外秸秆还田的方式、时机、还田量、腐解特征和碳氮比的影响，阐述了秸秆还田及其技术对土壤物理性质、土壤养分、土壤微生物及作物生育和产量等方面的效应，着重概述了盐碱土秸秆还田研究的相关进展，并对今后研究方向进行了展望。文章提出在松嫩平原现有的土壤、气候条件下，秸秆还田需要配套合理的改良技术，与其他物理、化学、生物措施相结合，因地制宜，才能取得较好的效果。参84。

秸秆还田;松嫩平原;苏打盐碱土;效应;改良

0 引 言

农作物秸秆占作物生物总量的50%左右，是一类极其丰富的最能直接利用的可再生有机资源［1-2］。农作物秸秆含有的氮、磷、钾和微量元素［3］，是培肥土壤很好的有机肥源。我国是一个农业大国，作物秸秆资源丰富。然而，随着农业机械化的发展，为抢农时，大量的作物秸秆被焚烧，这不仅浪费了资源，污染了大气，更对土壤的生态系统造成不利的影响［4］。做好秸秆的综合利用，杜绝秸秆焚烧，已经引起社会各界的高度重视。秸秆还田是将作物收获后余留的秸秆直接或堆积腐熟后施入农田，是改良土壤性质、加速生土熟化、提高土壤肥力的一种处理方式［5］。作为物质、能量和养分的载体，秸秆还田成为最简便最实用的秸秆利用技术。文章系统介绍了国内外秸秆还田的方式、时机、还田量、腐解特征和碳氮比的影响，阐述了秸秆还田及其技术对土壤物理性质、土壤养分、土壤微生物及作物生育和产量等方面的效应，着重概述了盐碱土秸秆还田研究的相关进展，并对今后研究方向进行了展望，旨在指导秸秆还田生产、改善盐碱土秸秆还田效果提供理论基础。

1 秸秆还田技术

1.1 还田方式

根据秸秆还田的方式可以分为直接还田和间接还田两种［6］。

1.1.1 直接还田。秸秆直接还田是指将作物的秸秆直接施入土壤中，或覆盖于农田表面，使其腐熟的过程［7］。秸秆直接还田是最现实、最有效的一条途径，秸秆直接还田的方法主要有秸秆机械粉碎还田、整秆还田及覆盖还田。

秸秆机械粉碎还田采用机械一次性作业，在进行秸秆粉碎的同时进行旋耕灭茬，提高生产效率［8］。经粉碎后的秸秆，易于在土壤中腐解，加快土壤的吸收速度，能够改善土壤的理化性质，提高土壤肥力，促进作物增产。整秆还田是用机械将田间直立的作物秸秆整秆翻埋或平铺为覆盖栽培。不论是秸秆粉碎还田还是整秆还田，由于其机械化程度高，适于在大面积的平坦地块推广使用，山区、丘陵地区机械使用受限［9］，水田用直接还田方式较多。覆盖还田是指在种植作物时，将秸秆覆盖于土壤表面，覆盖面积达到30%以上［10］。随着时间的延长，秸秆逐渐腐解，此方法具有增加土壤的有机质含量，补充氮、磷、钾及微量元素，增加土壤储水量，提高水分利用效率，改善土壤理化性质，促进作物生长等作用［11］。秸秆覆盖还可以调节土壤温度，缓解温度剧烈变化对作物造成的伤害［12］。秸秆覆盖地表可缓解轻降雨对地面的破坏，有利于保持良好的土壤结构［13］。

1.1.2 间接还田。秸秆间接还田的方法主要有堆腐还田和过腹还田。

堆腐还田是将秸秆与泥土、人粪尿等混合堆置在不透气处堆放，至其腐熟，制成堆肥、沤肥后再施入田间的方法。堆腐还田可以就近挖一土坑，将秸秆切成10 cm左右，堆成30 cm左右厚度的秸秆堆，上面加一层泥土、人粪尿等混合物，一层层堆积，用泥土封顶［14］。为加速秸秆还田腐解，可在秸秆堆腐时添加生物菌剂，比如酵素三号，301菌剂和MTS复合生物菌剂。堆腐还田制成的堆肥可以作为一种有机肥，用于改良土壤，提升土地肥力。过腹还田是将作物秸秆作为家畜饲料，经过家畜消化吸收，以粪尿形式排除，归还到土壤中。这种还田方式含有较多的有机质，各种养分充足。目前，普遍应用的主要为青贮氨化过腹还田技术，在生产上具有广阔的推广前景［15］。

1.2 秸秆还田的时机

秸秆还田的时间要适当。要根据当地的农时季节、耕地制度确定。一般水田常在插秧前40 d还田，而旱田应在插秧前30 d还田为好［16］。秸秆还田的时机还要考虑还田时秸秆的含水量，含水量小时秸秆不易分解，当秸秆含水量在30%以上时，还田效果较好［17］。另外，土壤湿度应在饱和持水量的60% ～80%［18］，若土壤水分不足，应在秸秆翻埋后及时灌溉补水，以促进秸秆腐解［19］。

1.3 秸秆还田量

秸秆还田量存在一个适宜的量。秸秆还田量过小，起不到提高土壤肥力的作用，但并不是还田量越多越好。秸秆还田量过多，会使秸秆不能完全腐烂，导致耕作困难等问题。由于种植作物的类型、各地的土壤类型、耕作方式及气候条件等因素的差异，不同试验者得出的秸秆还田适宜量也不完全一致［20］。以水田为例，马宗国等［21］的研究表明，秸秆还田量为7 500 kg·hm-2时，水稻产量最高。蒋新和等［22］认为，稻田秸秆的还田量一般不宜超过6 000 kg·hm-2。张翠珍等［23］研究表明，稻草还田量在9 000 kg·hm-2～13 000 kg·hm-2时，对滨海盐土提高土壤肥力、改良土壤、抑制盐分和提高作物产量的效果最佳。杨滨娟等［24］研究表明，秸秆粉碎还田3 000 kg·hm-2能够提高耕地质量，对早稻产量产生最佳效果。张悟民等［25］认为，秸秆还田量按有机碳计算投入900 kg·hm-2～1 200 kg·hm-2为宜。

1.4 碳氮比

在秸秆还田的同时，要配合施入氮肥，保持土壤合理的碳氮比。秸秆还田后，秸秆腐烂过程会发生反硝化作用，微生物会吸收土壤中的氮素。土壤微生物分解有机物较合适的C∶N为25∶1，小麦秸秆的C∶N约为80∶1，水稻秸秆的C∶N在60∶1左右［26］，在生产中必须配施一定量的氮肥。在水稻秸秆还田，秸秆还田量在4 000 kg·hm-2时，需要散施尿素40 kg·hm-2。

1.5 秸秆腐解特征

胡宏祥等［27］通过对黄褐土水田还田秸秆腐解特征研究发现，随着时间的延长，秸秆的腐解速率逐渐减小，还田15 d左右腐解最快，90 d的秸秆腐解率可达50%左右，且秸秆腐解速率与秸秆还田量呈负相关的关系。秸秆腐解特征是前期快，后期慢［28］。Nyberg等［29］研究结果表明，在秸秆埋入旱田后40 d内会有70%～90%的碳以微生物呼吸的形式被释放出来。李学平等［30］通过秸秆还田条件下内陆盐碱土腐殖质的动态变化试验得出，在秸秆腐解过程中，盐碱土腐殖质、富里酸、胡敏酸含量均呈现持续上升趋势。

影响秸秆腐解的因素主要有:土壤温度、土壤水分、碳氮比及还田深度。土壤温度会影响土壤微生物的组成和活性，从而影响秸秆腐解速率。张洪源等［31］认为，黄潮土旱田秸秆还田土壤温度为20℃～30℃时秸秆腐解速度最快，＜10℃时分解较弱，低于5℃则基本停止分解。土壤湿度应在饱和持水量的60%～80%，秸秆易腐解。碳氮比为25∶1时，秸秆易于被腐解。土壤深度对秸秆的腐解也有一定的影响。胡宏祥等［27］通过对水田还田秸秆腐解特征研究表明，5 cm深度还田的水稻秸秆腐解速度最快，表层还田的腐解速度最慢。其他因素，如土壤酸碱度、秸秆粉碎程度、土壤类型、土壤质地、还田时间［32］和还田量等均对秸秆腐解有一定影响。

2 秸秆还田效应

2.1 秸秆还田对土壤物理性质的影响

2.1.1 土壤水分。土壤水分是土壤的重要组成部分，是作物发芽生长的必要条件。秸秆还田能有效抑制水分蒸发，增加土壤含水量，主要是由于秸秆覆盖减少土壤与大气的接触面积，减少了水分蒸发［33］。施入土壤中的秸秆可以阻断土壤水分的毛细作用，降低深层土壤水分散失［34］，因此可提高0～40 cm土层的土壤含水量［35］，并减少水土流失［36］。Sarkar［37］等利用稻草覆盖油菜田，使水分利用率提高45%。王栓庄等［38］通过麦田秸秆覆盖的作用及其节水效应的初步研究表明，在有限供水的条件下，秸秆覆盖还田可节水22.8%～27.8%。

2.1.2 土壤温度。土壤温度是影响土壤微生物活动的重要因素。秸秆还田后，尤其是秸秆覆盖，可以平抑地温变化。低温时有保温作用，高温时有降温作用［39］。有研究表明，秸秆覆盖后地表温度较对照高0.7℃～0.9℃［40］，冬季地温提高0.5℃～2.5℃［41］，但秸秆覆盖的调温效应随叶面积指数增加而减弱［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质，影响着土壤中水、肥、气、热等因素的变化。李新举等［43］通过秸秆覆盖与秸秆翻压还田效果比较得出，秸秆还田可以增加土壤孔隙度、减少土壤容重，使土质疏松。Tomasz［44］研究表明秸秆还田有利于土壤团粒结构形成并能降低容重。Wuest［45］研究表明秸秆还田后可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度。

2.1.4 土壤团聚体。秸秆还田能促进土壤微粒的团聚作用，改善土壤团粒结构。秸秆还田后可以增加大粒径微团聚体数量及水稳定性［46］。在不同秸秆还田模式下水稳性团聚体有机碳的分布及其氧化稳定性研究发现，秸秆还田有利于较大级别团聚体氧化稳定性的提高，对小级别团聚体氧化稳定性有降低作用［47］。然而，在一种秸秆还田条件下，另一种秸秆粉碎覆盖还田不会提高团聚体稳定性［48］。Jose等［49］研究表明，新鲜秸秆加入土壤后能刺激微生物的活性，对土壤团聚体形成有重要作用，能起到改良土壤团粒结构的作用。

2.2 秸秆还田对土壤养分的影响

土壤养分是指植物从土壤中汲取的植物生长发育所必需的营养元素，均衡的土壤养分能够为植物生长提供一个良好的生长环境。养分失衡，会造成植物生长发育受到影响，使产量降低，病虫害加剧等一系列问题。土壤中与植物生长发育所必需的养分主要包括有机质和氮、磷、钾元素。

2.2.1 氮素。氮素是蛋白质形成的基本成分，是构成生命体的重要元素之一，它具有加强植物光合作用的功效，所以也是植物生长过程中需要量最大的矿质元素。化肥氮不能长时间在土壤中留存，当季利用率只有30%左右［50］，施用氮肥才是培育土壤氮素肥力的根本途径［51］，氮肥与秸秆配施，可以提高土壤的含氮量［52］，Thomsen［53］在室内利用N15标记秸秆的实验表明，每克秸秆可以固定土壤中1.0mg～3.2mg的氮，所以化肥与秸秆配合施用是提高土壤氮素的有效途径之一［54］。

2.2.2 磷素。磷素具有促进细胞分裂，提高植物抗逆能力等功能。长期秸秆还田会增加土壤有效磷和土壤全磷的含量［55］，并促进有机磷的矿化［56］。秸秆还田后，秸秆在分解过程中产生有机酸等产物，可增强土壤中氮、磷、钾肥的肥效［57］，缓解氮、磷、钾肥比例失调等问题［58］。孙星等［59］通过长期秸秆还田对剖面土壤肥力质量的影响试验得出，长期秸秆还田能够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 钾素。钾素能使碳水化合物加速合成，增强植物抗干旱、抗严寒、抗病虫害的能力。钾在秸秆中以离子态存在，容易被淋洗出来，所以秸秆还田能有效的缓解钾肥资源不足。秸秆与化肥配施，速效钾以每年8%的速度递增［60］;秸秆配施化肥比单施化肥，土壤有效钾含量增加了4.8%～21.0%［61］。

2.3 秸秆还田对土壤微生物的影响

土壤微生物是土壤的重要组成部分。作物秸秆含有大量土壤微生物生命活动的碳源、氮源，秸秆还田促进了微生物的生长、繁殖。土壤中的细菌在秸秆还田3个月后可提高1.7倍，土壤表层微生物数量迅速增加［62］。Doran［63］研究发现，秸秆覆盖后，细菌、放线菌、真菌数量增加了2倍～6倍。张电学等［64］通过研究不同促腐条件下秸秆直接还田对土壤酶活性动态变化的影响表明，秸秆还田后土壤过氧化氢酶、转化酶、脲酶和磷酸酶活性均有所提高。

2.4 秸秆还田对作物生长及产量的影响

秸秆还田改善了土壤的水、肥、气、热状况，增加土壤有机质及养分含量，改善了土壤的物理性状和生物性状，为作物提供了一个良好的生长环境，提高水分利用率，有利于作物的生长发育，根系密度增加［65］，增产效果显著［66-67］。不同量秸秆还田对作物增产效果不同，王宁等［68］通过研究不同量秸秆还田对玉米生长发育及产量影响表明，半量秸秆 (5 332.5 kg·hm-2)还田的产量优于全量 (10 665 kg·hm-2)还田，半量秸秆还田处理显著提高了作物产量。但也有研究表明，秸秆还田对作物产量有负面影响，张峰［69］等通过玉米秸秆还田对不同类型小麦产量和品质的影响研究得出，秸秆还田后大穗型小麦品种鲁原301产量显著降低。

3 关于盐碱土秸秆还田的相关研究

松嫩平原是我国苏打盐碱化土壤的最大分布区，也是世界三大苏打盐碱土集中分布区之一［70］。苏打盐碱土以NaHCO3和Na2CO3为主［71］，土壤胶体呈高度分散状态，干时板结坚硬，湿时泥泞，渗透性差［72］，土壤肥力低下，有机质缺乏。秸秆还田有助于提高苏打盐碱化土壤有机质和各种养分含量，保持和提高土壤肥力，改善土壤物理性状［73］，提高作物产量。所以研究将秸秆还田应用于苏打盐碱土，对于改良苏打盐碱土，改善区域生态环境，实现盐碱地资源农业利用有重要作用［74］。

随着农业可持续发展，人们对秸秆还田的研究也越来越广泛。近年来，秸秆还田应用于改良盐碱土正在成为研究的热点之一。秸秆还田对改良盐碱土的作用表现为:

秸秆覆盖抑盐。土壤水分蒸发量与土壤盐分表聚直接相关［75］，秸秆还田通过控制土壤水分蒸发速度达到改良盐碱土的目的。秸秆覆盖可明显降低土壤水分蒸发速度，控制土壤盐分的表聚，且随着覆盖量的增加土壤盐分表聚逐渐减弱［76］。当秸秆覆盖量为0.75 kg·m-2时，再增加秸秆用量，秸秆的保水抑蒸和抑制盐分表聚的作用并无明显增强［77］。

秸秆还田降低土壤盐分。吴冷等［78］利用玉米秸秆改良松嫩平原盐碱旱地，结果表明，秸秆处理明显降低了土壤表层的可溶性离子含量和pH值，提高了盐碱地植物的地上生物量，虎尾草的分蘖能力增强。施用玉米秸秆为虎尾草的生长提供了较好的环境条件。可见，利用秸秆来改良盐碱地不失为一种好方法。

秸秆还田改良滨海盐土。目前已经有学者利用秸秆还田对滨海盐土进行改良，并取得了良好的效果。秸秆还田及施用有机肥能显著降低滨海盐土0～20 cm的土壤容重，增加土壤孔隙度和最大持水量，且改善作用随秸秆还田及施用有机肥时间的增加而增强，但却随着土壤深度的增加而逐渐减弱。秸秆还田能有效降低滨海盐土全盐含量和pH值，增加土壤有机质含量，增加土壤微生物数量和酶活性。秸秆施用量为3 600 kg·hm-2和有机肥施用量为1 200 kg·hm-2～3 600 kg·hm-2时，对滨海盐土的改良效果最佳［79］。

秸秆还田改善盐碱土壤水分状况。国立财［80］通过碱化草甸土秸秆还田培肥研究发现，秸秆还田各处理均能提高土壤含水量和田间持水量;秸秆产量一半还田+分解菌+有机肥处理对提高土壤的阳离子交换量效果最好;秸秆还田各处理能不同程度提高土壤脲酶、过氧化氢酶的活性，从而提高作物产量，其中秸秆产量一半还田+分解菌+有机肥处理产量最高。

秸秆还田改善盐碱土壤结构。盐渍化旱田秸秆还田之后，土壤中1 mm～0.25 mm的团聚体含量有所增加，施用有机肥后，效果更为明显;对盐碱土中＜0.01 mm的微团聚体含量影响较小。秸秆还田后，土壤有机质含量增加，且随着秸秆的增加，土壤有机质的绝对量增加，有利于作物生长［81］。

秸秆还田提高盐碱地作物产量。孙扬等［82］通过对盐渍化水田秸秆还田对水稻生长及产量的影响研究表明，50%秸秆还田对水稻中后期生长具有显著促进作用，增产效果显著。曲学勇等［83］通过研究秸秆还田和品种对土壤水盐运移及小麦产量的影响，结果表明，秸秆还田有利于减少表层土壤含盐量，抑制深层土壤盐分向上移动，减轻了盐分对作物生长的胁迫，提高了土壤水分的有效性，能显著降低作物耗水，提高盐渍土作物产量。

4 秸秆还田在东北松嫩平原苏打盐碱土上的应用展望

松嫩平原苏打盐碱土盐碱化程度高，分散性强，通气透水性差［84］，土壤改良利用难度大。在这样的土壤条件下实施秸秆还田，需要与其它措施相结合，因地制宜，才能取得较好的效果，为此，苏打盐碱水田水稻秸秆还田应注意:

①合理安排秸秆还田时间。松嫩平原地处东北，冰冻时间长，春耕时间短，需要在上年秋季时，将秸秆粉碎成8 cm～10 cm，在秋季翻地时掩埋于地下。春季水整地时搅浆时必须进行秸秆的掩埋处理，避免漂草。

②合理施肥，注意碳氮比。秸秆还田后在施肥量和比例上应与土壤条件相结合。苏打盐碱土水田在正常施入水稻复合肥的同时，施加一定量的氮肥。水稻秸秆的C∶N为60∶1，而土壤微生物分解有机物较合适的C∶N为25∶1，所以在生产中必须配施一定量的氮肥。例如尿素的含氮量为46%，在水稻秸秆还田，当秸秆还田量在4 000 kg·hm-2时，需要散施尿素约40 kg·hm-2。

③秸秆还田需要配套合理的改良技术。在松嫩平原气候条件下，秸秆还田后秸秆腐熟过程时间长，对苏打盐碱土改良起效慢，需要与其他物理、化学、生物措施相结合，如在秸秆还田的同时施加土壤改良剂等。

前人对秸秆还田已经从很多角度进行了研究，尤其是秸秆还田的方式及秸秆还田的效应等方面更是取得大量研究结果，但关于盐碱土秸秆还田的研究工作还不够深入。今后的研究重点包括秸秆还田对盐碱土土壤物理性状的影响，加快秸秆腐解效率的方法和途径，秸秆还田最佳优化模式等。

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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.

中国科学院西部行动计划重大项目 (KZCX3-XB3-16);国家科技支撑计划课题 (2009BADB3B03);国家自然科学基金(41071022).

安丰华 (1986-)，男，山东青岛人，硕士，助理工程师，研究方向为盐碱土改良.

王志春 (1963-)，男，吉林长春人，研究员，博士生导师，研究方向为盐渍土生态及改良利用.