秸秆还田对农田土壤碳库和温室气体排放的影响研究进展

马小婷++隋玉柱+朱振林+王勇++李新华

摘要：农田土壤是十分活跃的有机碳库，也是温室气体排放的源和汇。秸秆是农业活动的必然产物，研究秸秆还田对农田土壤碳库和温室气体排放的影响对于增加土壤碳库、缓解全球变暖具有重要意义。本文综述了秸秆还田对农田土壤固碳、土壤有机碳含量、CH4和N2O排放的影响，并从系统和经济的角度探究了其对全球综合增温潜势和作物产量的影响。

关键词：秸秆还田；农田土壤；碳库；温室气体排放；全球综合增温潜势；作物产量

中图分类号： S154.1文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）06-0014-06

随着温室气体排放日益严重，气候变化已经成为21世纪全球环境问题。CO2、CH4和N2O作为3种主要的温室气体，对全球变暖的贡献率分别为60%、15%和5%[1]。农业生产作为一种人类对土地的主要利用方式，其排放的温室气体约占全球人为温室气体排放量的10%～12%，被认为是重要的人为温室气体排放源[2]。其中，年排放的N2O和CH4占据全球人为温室气体排放的比例高达84%和52%[3]。

土壤作为最大的有机碳库，蕴含的C大约2 500 Gt，是大气碳储量的3倍[4]。农业生态系统虽然仅占全球土地面积的11%，但与自然土壤相比农田土壤在全球碳库中更为活跃，是极易受到人为干扰但又可在较短时间内调节的碳库[5]。据估计，全球土壤碳库已经损失了C 55～90 Pg，全球农业和退化土壤的碳汇能力已经下降到初始值的50%～66%[4]。而土壤有机碳（SOC）的微量降低就可以造成温室气体的大量排放，加剧温室效应[5-6]。相对而言，土壤对大气碳的固持可以增加土壤碳库，减少温室气体排放[7]。Smith等指出，全球农业减排的自然总潜力高达 5 500～6 000 Mt CO2-eq/年，而农田土壤固碳对于温室气体减排具有不容忽视的积极作用[3]。

秸秆作为农业活动的必然产物，是一种宝贵的可再生资源。2008年中国作物秸秆产量约为8.42亿t[8]，且以每年净1.251×107 t的速率增加[9]。而2006年作物秸秆蕴含的N、 P2O5和K2O养分资源数量已经高达776万、249万、1 342万t[10]。秸秆还田具有诸多优点，例如降低土壤容重，增加孔隙度[11]，提高土壤养分[12]和氮磷有效性[13]，改善土壤微生物群落结构和功能多样性[14]，提高土壤酶活性[15]，减少作物对重金属的吸收[16-17]，提高土壤有机质含量[18]，增加作物产量[19]等；但也有大量研究发现，秸秆还田会增加农田土壤温室气体排放[20-23]，加剧全球变暖问题。

农田通过土壤呼吸排放CO2，但同时也具有固碳作用，两者的共同作用最终体现在SOC的变化量上[24]。因此，笔者在搜集阅读大量国内外文献的基础上，综述了秸秆还田对农田土壤SOC含量和CH4与N2O排放的影响及作用机理，并探究了其对温室气体全球综合增温潜势（GWP）以及作物产量的影响，以期为科学全面地评价秸秆还田技术提供参考依据。

1秸秆还田对农田土壤碳库的影响

1.1影响效果

政府间气候变化专门委员会（IPCC）报告指出，89%的农业温室气体减排潜力在于提高土壤固碳水平[25]。秸秆作为一种有机物料，施入土壤后主要是通过微生物的分解作用增加土壤碳库的输入[26]，其中8%～35%的有机碳以有机质形式在土壤碳库中保存下来[27]。Wang等预测了3种管理措施（施氮肥、秸秆还田和免耕措施）的农田土壤固碳潜力，结果分别约为 12.1、34.4 和 4.6 Tg C/年，其中秸秆还田的固碳潜力最大[28]。 Smith等采用秸秆含氮量和IPCC推荐的方法和参数估算，认为欧洲在每年还田秸秆1.32×108 t 的情景下，土壤固碳潜力增加 6.5 Tg C/年，增加的 N2O 排放量抵消固碳潜力的 2.37%～11.5%[29]。Lu等在总结了中国大量试验结果的基础上，估算出随着秸秆还田的持续应用，中国土壤碳库水平可从9.76 Tg增加到34.4 Tg[30]。Lal等预测采用秸秆还田措施后全球农田土壤的总固碳能力可达200 Tg/年[31]。目前，众多国内外学者采用土壤碳库管理指数（CPMI）研究秸秆还田对土壤有机碳的影响，因为CPMI可以更加灵敏地反映土壤有机碳变化。大量研究结果趋于一致，认为秸秆还田可以显著提高CPMI，从另一方面表明了秸秆还田对提高SOC含量的积极作用[26，32-38]。

然而，也有研究表明，秸秆还田会降低SOC含量[39-40]。其中，Wang等研究发现，麦玉秸秆全量还田配合深松导致 0～20 cm土层SOC含量减少19.7%[40]。也有研究发现，只有在SOC未饱和时，秸秆还田才可有效提高其含量[41-42]。导致研究结果不同的原因可能与土壤质地、气候条件、秸秆还田方式、施肥和灌溉等管理措施不同有关[43-44]。

1.2影响因素

秸秆还田对土壤碳库的影响效果与许多因素有关，如秸秆还田量、还田时间和耕作制度等。（1）还田量。许多研究发现，在一定范围内，SOC含量随秸秆还田量的增加而增加[45-47]。Zhang等发现，灌区玉米秸秆还田量小于 9 000 kg/hm2 时，秸秆每增加1 000 kg/hm2，SOC含量增加004 g/kg[46，48]。在Li等的4年田间试验中，高量小麦秸秆和高量玉米秸秆结合还田，为土壤提供了9.76 Mg/（hm2·年）的碳源输入，显著提高了0～20 cm土层14.4%的SOC含量，中量次之，而无秸秆还田时SOC值下降了2.6%[因无秸秆还田时的碳源输入小于维持初始水平SOC的碳源值 4.07 Mg/（hm2·年）]；研究还发现，当植物碳源输入保持在10.51 Mg/（hm2·年）时，可持续产量指数（SYI）可以达到最佳数值0.651[49]。（2）还田时间。秸秆还田对SOC的提高效果基本表现在表层土壤（0～20 cm），并且要持续较长的还田时间，短期（<3年）秸秆还田对SOC含量提高幅度很小[50-53]。而基于较低的流通率和较大的土壤有机碳本底值，土壤SOC值需要至少5年时间才能对秸秆还田进行回应[54]。（3）耕作制度。秸秆还田下，免耕的SOC值（0～60 cm土层，117.7 Mg/hm2）要大于传统耕作（76.8 Mg/hm2），而秸秆移除后2种耕作方式的SOC值相似[34，55]。单纯水稻秸秆还田并不能显著提高土壤总有机碳的含量，在配施化肥后土壤活性有机碳含量明显增加[34]。田慎重等認为秸秆还田和免耕都显著增加了表层土壤SOC含量，且二者存在明显交互效应，而深松处理较利于SOC的累积，因为深松在不破坏表层土的基础上打破犁底层，有利于小麦根系生长，而根系残茬及大量根系分泌物加剧了微生物繁衍。陈尚洪等认为，秸秆还田结合旋耕处理更利于土肥混合、加快微生物对秸秆的分解[56]。

综上所述，大部分研究表明秸秆还田可以显著增加SOC含量，加强土壤固碳效果。只是仍需探索不同气候条件下相宜的施肥、灌溉和耕作制度等农田管理措施，从而充分发挥秸秆还田的优势。

2秸秆还田对温室气体排放的影响及作用机理

2.1对CH4排放的影响及作用机理

农田土壤分为好氧土壤（旱田）和厌氧土壤（水稻田）[57]，前者是目前已知的唯一净生物CH4汇，全球旱田每年大约吸收30 Tg CH4，相当于大气CH4汇总量的6%[58]；后者是CH4的重要排放源[59]。土壤CH4排放由产甲烷菌和甲烷氧化菌参与的一系列反应所决定，而产甲烷菌需要在厌氧环境下才具备活性，因此秸秆还田对CH4的影响研究大多数集中于稻田试验。

2.1.1增加效果及作用机理秸秆还田会增加土壤有机质含量，而有机质是产生CH4的重要底物，因此秸秆还田会增加CH4排放，这是国内外大多数学者得出的一致结论。逯非等采用取平均排放系数的方法，并结合IPCC推荐的方法和参数估算了我国稻田秸秆还田后的CH4排放总量，发现秸秆还田后稻田CH4排放将从无秸秆还田的5.796 Tg/年增加到9.114 Tg/年，引起甲烷增排3.318 Tg/年，是土壤固碳减排潜力的2.158倍[20]。Xia等也得出了类似结论，发现22年长期秸秆还田显著增加了稻麦轮作体系的CH4排放和表层土壤SOC含量，CH4增排量是SOC增加量的3.21～3.92倍[9]。在日本，Naser等研究发现，不同量秸秆还田后，稻田CH4排放为无秸秆还田处理的2～10倍[60]。Hu等研究了4种秸秆还田方式（不还田、旋耕还田、翻耕还田和沟埋还田）对稻麦轮作体系CH4排放的影响，发现小麦秸秆还田显著增加了水稻和小麦季的CH4排放，但沟埋处理下秸秆分解较慢，能减缓有机碳释放，使其CH4年排放量低于旋耕和翻耕还田[21]。然而Zhang等认为秸秆还田与耕作方式在CH4排放上并没有显著的交互效应[61-62]。众多学者也通过大量研究发现秸秆还田会显著增加CH4排放，因为秸秆还田为产甲烷菌提供了有效的碳基质，从而增加了CH4排放[63-69]；而秸秆分解消耗氧气又增强了土壤的厌氧环境[70]，抑制了甲烷氧化菌的活性。

2.1.2降低效果及作用机理也有一些研究结果表明秸秆还田会降低CH4排放。肖小平等研究了不同稻草还田方式对稻田CH4排放的影响，发现免耕还田能降低CH4 排放速率，翻耕和旋耕还田的CH4 排放速率无明显差异[71]。李成芳等认为秸秆还田显著降低了稻田CH4排放，且CH4累计排放量随秸秆施用量的增加而降低[72]。秸秆还田下稻田CH4排放减少的原因可能是：（1）还田秸秆富集于土壤表层，减少了秸秆与土壤的接触，土壤内部产甲烷基质供应能力下降[73]；（2）部分稻草在土壤表层进行有氧降解，其降解产物在土壤氧化层中还原产生CH4的可能性较小，主要以CO2的形式排放[74]；（3）有些地区稻田实行浅水灌溉，增加了土壤通气性，促进了甲烷氧化菌的繁殖[72]，减少了CH4排放。

2.2对N2O排放的影响及作用机理

土壤N2O的产生主要是由微生物参与的硝化和反硝化反应决定。此过程受诸多因素影响，如土壤性质（pH值、黏粒质量分数）[75]、土壤碳氮含量[76]、通气状况[77，78]、土壤环境[79-80]、施肥情况[81-82]和灌溉方式[83]等，而不同的秸秆还田量、秸秆C/N等结合以上因素抑或对以上因素的不同影响将对N2O排放产生不同的效果。因此，国内外学者针对秸秆还田对农田土壤N2O排放的影响及机理进行了大量研究，但仍未得出一致结论。

2.2.1影响效果及作用机理Ma等探究了南京3季不同稻草还田方式（焚烧、翻耕和覆盖）对小麦生长季N2O排放的影响，发现与秸秆移除相比，秸秆焚烧减少了24%～29%的N2O排放，翻耕入土减少了3%～18%的N2O排放，而秸秆覆盖增加了15%～39%的N2O排放；认为可能是覆盖使得土壤保持较高的湿度和温度，促进了硝化反硝化反应，翻耕或焚烧导致土壤氮固定，减少了反应所需的氮基质[80]。其他学者也得出了类似结论，认为秸秆还田促进了N2O排放[22，84-85]。然而，张翰林等发现1年和5年秸秆还田都会降低N2O排放，降低量分别为29.68%和42.55%[63]。李香兰等认为秸秆腐解过程产生的化感物质会抑制土壤微生物活性减少N2O排放[86]。邹建文等认为，常规灌溉方式下秸秆还田减少了后季麦田N2O的排放，而持续淹水下并不会减少N2O排放量。也有研究认为秸秆还田对N2O排放没有显著影响。Shan等[83]利用Meta分析了112个秸秆还田对N2O排放的影响评估，得出了秸秆还田不会显著影响N2O排放的结论[83]。

2.2.2影响因素（1）土壤性质。张冉等采用Meta分析方法，定量分析了秸秆还田对中国农田土壤N2O排放的影响，并对其影响因素进行了解析，研究结果发现，中国不同区域秸秆还田对土壤N2O排放有一定差异，其中华东地区减排1861%（P<0.05），而华中和华北地区则分别增排623%和27.73%（P<0.05）；同时，当土壤酸碱度接近中性时，秸秆还田对N2O排放的影响表现为正效应，其余为负效应；当黏粒质量分数<15%时负效应显著，超过15%时表现为轻微正效应[75]。不同土壤环境下秸秆还田对N2O排放的影响也不同。旱地秸秆还田通常会对土壤微环境的温度和水分有一定的保持效果，增加了缺氧的微小区域，加强了反硝化作用，刺激N2O排放[23，79-80]。Li等采用DNDC模型估算，认为旱地秸秆还田的N2O直接排放可以抵消全部固碳效益[23]。

（2）秸秆C/N。许多学者认为N2O排放与还田秸秆的C/N具有显著相关关系，C/N的变化会影响土壤微生物過程。高C/N的秸秆使得土壤碳量过高而氮量相对较低，从而刺激微生物对土壤中有效态氮的固定，减少了N2O产生所需的氮基质，使N2O排放减少[87]；相反，低C/N（<20）的秸秆分解快速，释放有效态氮[88]，增强了硝化反硝化作用[89]，从而增加N2O排放。

（3）施氮量。当秸秆还田与氮肥施用结合时，改变了土壤C/N，对N2O排放的影响产生不同效果。王改玲等研究了不同施氮水平下秸秆还田对灌溉玉米田N2O排放的影响，发现土壤反硝化速率及N2O排放受氮肥、秸秆还田方式及其交互作用的显著影响，与秸秆燃烧相比，不施氮或低施氮水平时（200 kg/hm2），秸秆还田可刺激反硝化反应增加N2O排放；高施氮水平时（400 kg/hm2），秸秆还田可降低反硝化反应和N2O排放[82]。潘志勇等认为高施氮（600 kg/hm2）结合小麦秸秆还田下整个小麦玉米生长季N2O排放通量最低[81]。

3秸稈还田对全球综合增温潜势的影响

由于CO2、CH4和N2O的增温效应不同，只有计算它们的综合温室效应才能全面评价秸秆还田对温室效应的贡献[20，90]。全球综合增温潜势（GWP）是一种以CO2作为参考气体来定量评估不同温室气体对全球变暖的潜在效应的指标[91]。而净GWP则将土壤固碳考虑在内，表示农田排放CH4和N2O的综合增温潜势与土壤固碳减缓全球变暖的贡献的差值，其正值或负值表示大气温室气体的源或汇[92]，可以更全面系统地反映秸秆还田对温室气体排放的影响。

张翰林等分析了秸秆还田对稻麦轮作系统温室气体排放和土壤固碳的影响，并且综合了秸秆焚烧因素，发现1年秸秆还田对减缓全球变暖的贡献显著高于不还田处理，净GWP降低4.72%，但5年时间下没有显著差异，认为短期全量秸秆还田有助于降低总体温室气体排放，长期进行秸秆还田后降低幅度会逐步减小[63]。裴淑玮等以华北地区冬小麦—夏玉米轮作农田作为研究对象，发现秸秆还田样地的净GWP值为-179.2 kg C/hm2，说明秸秆还田可以起到缓解温室效应的效果[57]。李成芳等认为，稻田固碳对减缓全球变暖的贡献随油菜秸秆还田量的增加而增加，净GWP则随还田量的增加而降低[72]。在墨西哥，Dendooven等探究了耕作和秸秆还田对GWP的影响，发现耕作和秸秆还田对GWP影响很小，但显著提高了0～60 cm土层的SOC含量，使得免耕结合秸秆还田的净GWP呈现负值（-6.277 Mg CO2/hm2），而其他耕作措施的净GWP值为1.288～1.885 Mg CO2/hm2[55]。说明免耕结合秸秆还田这一耕作措施在减排方面是值得提倡的。

也有研究人员[9，92-93]得出了不同结论，认为秸秆还田会显著增加净GWP，加剧温室效应。张岳芳等初步探究发现，秸秆还田显著增加CH4排放总量152%和土壤固碳量531%，减少N2O排放总量14%，增加净GWP 57%，认为秸秆还田使短期内稻麦两熟高产农田的温室效应明显提高[93]。Shang等通过长期定位试验研究了湖南双稻区早稻秸秆还田（还田量约6 t/hm2）对农田年净GWP 影响，结果显示秸秆还田增加了年净GWP 56%[92]。Xia等探究了22年秸秆还田对稻麦轮作体系温室气体排放和SOC的影响，发现秸秆还田极大地促进了CH4排放，其GWP值是增加的SOC含量的3.21～3.92倍，由此认为长期秸秆还田并不能起到缓解全球变暖的作用[9]，这与逯非等的研究结果[20]一致。

综上所述，到目前为止，秸秆还田对全球综合增温潜势的影响结果还未具有一致性。虽然国内研究人员近几年已经开始重视从更加综合量化的角度考虑秸秆还田对全球变暖的影响，但相关研究成果仍十分匮乏，还需进行大量的试验研究和数据统计分析。

4秸秆还田对作物产量的影响

大部分研究认为秸秆还田可提高作物产量，主要是通过提高水稻分蘖数、株高、叶绿素含量、叶面积指数和地上部干物质量，增加有效穗数和每穗实粒数[19，94-95]，提高作物氮素吸收效率[96]等方面实现。陈培锋等的研究表明，较不还田处理，小麦秸秆翻耕还田显著增加了水稻的有效穗数且增产幅度达6.1%～14.5%[97-98]。严奉君等试验表明，小麦与油菜秸秆覆盖均显著提高了水稻产量，增产幅度分别为4.7%～9.4%和0.6%～6.5%，且麦秆覆盖效果更佳[99]。而与根系相关性的分析表明，产量与水稻各生育时期根干重、根冠比和总根长等根系形态特征均呈显著或极显著的正相关关系，表明秸秆覆盖对水稻根系生长的有效促进，是提高水稻产量的重要因素[100-101]。甄丽莎等发现秸秆还田可以提高土壤蔗糖酶和脲酶活性，从而显著提高作物产量，并以配施氮磷肥处理的小麦产量增幅50.6%和玉米产量增幅343%为最高[102]。

也有秸秆还田会导致作物减产的报道，原因可能是秸秆单独还田导致土壤C/N失衡[103]，或者是秸秆对麦苗生长具有他感相克作用，减少了幼苗生物量[104]。朱丽君等认为，通过调节农艺措施可以减轻过量秸秆还田的负效应，降低秸秆还田对下茬作物的不良影响，从而提高作物产量和品质，试验发现正常施肥条件浇2次透水的小麦秸秆全量还田处理具有显著增产效果[105]。佘冬立等研究发现，稻草还田的表观增产效果较低，增产率仅5.1%，而配施氮肥后可达8%以上，并推荐中南稻区年稻草还田量为7 500 kg/hm2配施纯氮 180 kg/hm2[106]。赵鹏等认为秸秆还田配施270 kg/hm2的纯氮可以显著提高作物产量11.1%[107]。赵士诚等发现长期秸秆还田虽然提高了作物产量，但是仅玉米秸秆还田会导致土壤钾消耗，因此需要增加钾肥投入维持土壤钾平衡[108]。刘禹池等研究了长期秸秆还田与施肥对稻—油轮作体系作物产量的影响，发现秸秆还田可以显著提高水稻和油菜产量，但油菜季必须注意施用足够的磷肥以保证油菜籽的高产[109]。

总体来说，秸秆还田可以提高作物产量，且配施氮肥可以平衡土壤C/N，利于秸秆腐解和作物生长。但不同条件下，例如作物种类、秸秆还田量、土壤性质等，秸秆还田的化肥配施量及种类的研究还远远不够，今后应加强这方面的量化研究。

5研究中存在的不足与建议

秸秆还田虽然是一项值得推广并且已经被持续应用的技术，但目前的研究仍然存在一些不足。笔者就参阅的文献进行总结和思考，提出以下几点不足及相应建议：

（1）许多学者在研究时将秸秆还田看作是一项单一的技术，没有结合相应的农田管理措施来探究秸秆还田的影响。此种情景下的研究缺乏系统性，不能为实际生产活动提供有效参考。因此，在深入探索秸秆还田对温室气体排放的影响机理时，还要加强各种农田管理措施（种植制度、施肥和水分管理等）的影响，以及二者结合产生的综合效果。如稻田低施氮水平下进行中期烤田可以减少CH4和N2O排放，施用甲烷抑制剂、脲酶抑制剂及硝化抑制劑和缓释/控释肥可以降低稻田温室气体排放并提高产量[86]。Zou等[68]和Banger等[110]发现，间歇灌溉可以显著减少温室气体排放。适宜的还田时间也有助于控制稻田CH4排放[111]。由此可见，结合适宜的农田管理措施，不仅具有实践意义，还能更好地辅助秸秆还田技术，形成一套以秸秆还田为主体的复合技术体系[112]。

（2）计算秸秆还田对温室气体排放的影响时，没有从整体的角度出发，只考虑到温室气体的排放量。往后的研究应该不仅计算3种温室气体的排放量，还要将土壤固碳量考虑在内。黄坚雄等就从“净排放”的角度探讨了农业措施对温室气体排放的影响[24]。逯非等也提出了净减排潜力（Net Mitigation Potential，NMP）的概念[113]。

（3）值得注意的是，农业措施（如物资投入）往往会造成大量的温室气体排放，但国内的研究往往忽视了这种隐藏排放。例如，虽然秸秆还田配施氮肥可以显著提高土壤SOC含量和作物产量，但氮肥的生产过程也造成了大量温室气体排放，Schlesinger等就发现生产氮肥抵消了62%的增长的有机碳[114]。因此需要对不同条件下秸秆还田的化肥配施量进行具体的量化研究，既能最大限度地增加SOC和作物产量，又能尽量减少化肥生产造成的温室气体排放。今后的研究要尽可能地考虑实际农业活动中存在的隐藏温室气体排放，并且进行相应的针对研究。

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