农作物秸秆还田研究进展

高 静，朱 捷，黄益国，张 明，张瑞春，彭亚琼

（衡阳市农业科学研究所，湖南衡阳421101）

我国是农业大国，粮食产量位居全球第一，每年产生的秸秆资源量也相当丰富。有数据表明，全国每年生产各类秸秆7亿吨，约占全世界的20% ～30%，是世界第一秸秆大国［1，2］。其中，水稻秸秆每年产量约2亿吨［3］。随着我国农作物产量年年丰收，秸秆的产生量也随之增加。

作物秸秆中含有丰富的大量元素、微量元素及有机物，处理后可作为再生资源加以利用，成为作物生长的重要营养源［4］。有研究发现，小麦、水稻、玉米三种作物秸秆的含N量分别为0.64%、0.51%、0.61%，含P量分别为0.29%、0.12%、0.21%，含K量分别为1.07%、2.7%、2.28%［5］。前人研究表明，水稻秸秆中含有机物56.5%，全N 1.553%，全P 1.537%，全K 4.36%，Ca 1.773%，Mg 0.335%，Zn 86.03 mg/kg，Fe 89.508 mg/kg，S 0.230%［6］。据统计，6亿吨秸秆中，N、P、K养分含量相当于尿素300万吨以上，过磷酸钙70万吨以上，硫酸钾700万吨以上［7］。

1 秸秆利用的重要意义

作物秸秆对改善农田生态环境、培肥地力、提高作物品质与产量等具有重要意义。

1.1 秸秆还田对环境的影响

1.1.1 对大气环境的影响

短期进行秸秆还田可使CH4排放总量降低，但长期进行秸秆还田，CH4排放降幅减少，增温趋势变大。且随着施入田块的秸秆量增加，CH4排放量和N排放量增加［8］，当每1 hm2施入12 t秸秆时，CH4排放量达到最高峰值，是未秸秆还田稻田的2.4倍［9］。

1.1.2 对农田环境的影响

对农田杂草的影响。秸秆还田可有效降低稻田杂草的密度、生物量和多样性。因秸秆还田在不同程度上减少了优势杂草种类和种群数量，改变了农田杂草间的竞争格局，同时杂草群落组成的优势种交替出现，杂草的生物多样性差异显著［10］。秸秆还田可以有效防除杂草，大大降低稻田杂草的总密度和生物量。有研究表明，秸秆还田使田间的禾本科和莎草科杂草种类明显减少［11］，施用荞麦秸秆粉可抑制杂草种子发芽，大大降低发芽率，尤其对稗草抑制作用强［12］。

对土壤微生物的影响。土壤微生物参与养分的活化、转化和运输［13］，在土壤养分生物固定和矿化分解、硝化和反硝化等过程中起着重要的作用［14］。土壤微生物可以将土壤中一些不溶于水的矿质元素转化为可溶性的营养元素，供作物生长需求。同时，微生物死亡后的分解物也可被植物吸收利用。

秸秆腐解，能促进作物根系分泌更多的刺激物，从而促进土壤微生物的活动，土壤微生物量呈现前期上升，中期达到最高点后下降，后期又有所回升的趋势［15］。秸秆还田可改变菌群的分布和数量，尤其能提高土壤中细菌和真菌数量。土壤好气性和嫌气性细菌数量的变化趋势为前期迅速提高，中后期快速下降。真菌和放线菌数量表现出前期迅速下降，中后期缓慢上升［15］。

有研究表明，施加小麦秆糠、玉米秆糠后，0～20 cm植烟土层的反硝化细菌数量增加，其他细菌、放线菌、解磷菌数量减少；20～40 cm土层的细菌、解钾菌和反硝化细菌数量增加，霉菌和解磷菌数量减少［16］。

1.2 秸秆还田对土壤特性的影响

通过秸秆覆盖还田可影响农田土壤容重、温度和水分，改变土壤N、P、K和土壤有机质含量。

1.2.1 土壤物理特性

土壤容重。秸秆还田将降低土壤容重，且随着秸秆还田量增大，土壤容重的降低幅度相应增大［17］。有研究表明，秸秆还田可使0～10 cm耕层土壤容重降低0.17～0.25 g/cm3［18］。

团粒结构。秸秆还田能显著提高总空隙度和毛管孔隙度，并形成良好的土壤团粒结构，对退化土壤有一定的改善作用，且粉碎的秸秆改善土壤团聚体稳定性的效果比长秸秆好。有研究表明，与无秸秆处理相比，粉碎秸秆还田土壤＞0.25 mm团聚体的含量增加，＞5.00 mm水稳性团聚体含量显著提高120.5倍［19］。

土壤温度。秸秆可以阻隔土壤与外界光照和温度的传递，外界温度高时，减小地温变化幅度，外界温度低时，在表层土壤产生增温效益。较不还田处理，秸秆还田处理昼夜温差缩小，但随着土层的深度加深，秸秆对土壤温度的影响作用逐渐变小［20］。

土壤水分。秸秆还田可抑制土壤水分蒸发，提高土壤蓄水能力，减少田间耗水量，能较好地满足作物生长发育对水分的需要。

在周年水分利用效率上，秸秆还田处理较不还田处理的提高7.6%；在周年农田耗水量上，深耕+秸秆还田较不还田提高3.3%，深松+秸秆还田较不还田处理提高2.4%［21］。有研究表明，若对麦田进行冬前秸秆覆盖，相对于未处理的对照，整个生育期土壤的储水量将增加47.3 mm［22］。

秸秆还田有利于增强表层土壤的集雨效果，主要提高的是0～40 cm土层的含水量［11］。同时，有研究表明，在相同的耕作条件下，秸秆还田对不同深度的土壤含水率影响不同，0～50 cm土层中，秸秆还田比不还田高1.48%～7.38%；在50～100 cm土层中，深松耕秸秆还田比不还田高16.07%，免耕秸秆还田比不还田高40.42%，且土壤含水率最大值的土壤深度比不还田深20 cm；100～200 cm土层中，秸秆还田与不还田差异不显著［23］。

1.2.2 土壤养分特性

水稻秸秆还田后，腐解是一个漫长且复杂的过程。适宜的环境条件，在土壤中的微生物作用下，秸秆不断腐解，释放出矿质养分，可被作物重新吸收利用。有研究表明，秸秆在冬季腐解慢，在水稻生长季腐解快。且随着秸秆还田年限的延长，腐解率逐渐增加，释放出的N、P、K元素逐渐增多。尤以第一年腐解速率快、释放养分多、效果最明显。其中，第一年秸秆中的K元素释放速率最快，P元素次之，N元素最慢［24，25］。

发达国家施肥量的60%左右都来源于秸秆还田和施用农家肥［26］。秸秆还田化肥减量0～10%，水稻生长性状指标提高，产量增加222～696 kg/hm2，增幅2.2% ～7.3%［27］。若田块仅秸秆还田不施化肥，土壤中无机磷含量将加速耗竭，降低了磷素的活化和积累［28］。因此，在实际操作中，常将秸秆还田和化肥配合使用，不仅能促进土壤磷素活化，提高作物对化肥的利用率，避免施肥过剩，而且秸秆腐解提供缓效养分，化肥提供速效养分，两者共同为作物生长发育全过程提供均衡营养，有利于作物干物质的积累、分配与转移，长期配合使用更能改善土壤条件，培肥地力［29］。秸秆还田不仅是中低产田改造的有利措施之一，也是高产田创建的合理措施之一［30］。

同时，秸秆腐解时产生的有机质、腐殖质，为土壤微生物提供生活原料。如若土壤微生物生存越活跃，土壤的生态系统越平衡稳定，土地生产力越稳固提高。

1.3 秸秆还田对作物的影响

1.3.1 生长发育

有研究表明，秸秆还田能延长玉米叶片生理功能期，减缓叶片衰老；明显提高玉米植株次生根数目，增加总根长，增强玉米扎根性能，并在玉米成熟期延迟根系衰退，利于后期植株吸收更多的养分，以提高产量［31］。秸秆还田对水稻根系生长的影响表现为前抑后促，在分蘖盛期，抑制了单茎和群体根系生长，在拔节期至成熟期促进根系生长［32］。

1.3.2 产量

秸秆还田主要是通过影响有效穗数来影响产量。连续进行稻麦秸秆还田5年，研究发现秸秆还田的水稻产量较不还田处理高出814 kg/hm2，增产8.84%，同时有效穗数增加，但千粒重减少［33］。若采取秸秆还田添加腐熟剂的方式，可以加快秸秆腐熟速度，及时释放养分，满足作物生长需求，减弱千粒重降低的趋势。

1.3.3 品质

碾磨品质方面，秸秆还田后明显提高了稻米的出糙率、精米率和整精米率。外观品质方面，秸秆还田降低了垩白粒率和垩白度［34］。蒸煮品质方面，结果不尽相同。陈新红等和徐国伟等的研究指出，秸秆还田后直链淀粉含量降低，胶稠度增大［35，36］。但常勇等的研究表明，不同秸秆还田量处理均显著提高稻米直链淀粉含量，显著降低胶稠度［1］。营养品质方面，秸秆还田能提高稻米的蛋白质含量［37］。食味品质方面，改善效果不显著，且随着秸秆还田量的增加，稻米食味品质有变劣的趋势［38］。

2 秸秆利用的方式

虽然我国每年产生的秸秆资源丰富，但在秸秆利用方面，多以就地焚烧为主。

秸秆就地焚烧是传统做法，成本花费最低。焚烧在一定程度上消灭了秸秆中的虫卵、病原体等，同时导致表土焦化、土壤微生物减少，土壤肥力降低，此外，操作不当还易引发火灾、交通事故等［4］。秸秆经燃烧产生的大量养分、蛋白质、碳水化合物能变成气体释放，浪费了宝贵的资源［30］。且焚烧过程中大量产生一氧化碳、二氧化硫、悬浮颗粒等，这些有害物质长期笼罩在空中不散，极易污染空气，诱发呼吸系统疾病。近年来，中国越来越注重环境保护和人民身体健康，出台禁止秸秆焚烧的政策，对秸秆焚烧行为坚决制止并予以追究处罚。

也有少部分农民选择将秸秆打捆移出稻田，但其存在诸多问题。一是增加劳动力成本；二是秸秆移出后无处搁置；三是科技转化力度不够。目前，中国大多数地方都没有相关秸秆收购处理部门。

据统计，在所有的农作物秸秆中，仅有2% ～5%用于工业利用［39］。剩余没有有效利用的秸秆造成了巨大的资源浪费。为充分利用农作物秸秆资源，秸秆还田是一项最有效、最主要的措施。根据还田方式不同，可分为秸秆直接还田和秸秆间接还田。

2.1 直接还田

田，不仅包括地下的土壤，还包括地面和地上空间。因此，直接还田可分为两种。第一种是留在土表作覆盖物，即使用具有粉碎功能的联合收割机，收割作物的同时，将秸秆粉碎留在地面。第二种是入土，即在第一种的基础上，再将粉碎的秸秆翻压入土。同时，秸秆全量留田的有3种处理形式：一是全部入土；二是全部留在土表；三是部分作覆盖物，剩余入土［40］。

具体操作的方法不一，有秸秆覆盖还田、秸秆旋耕还田、秸秆翻耕还田、秸秆沟埋还田、腐熟剂腐熟还田等。

2.1.1 覆盖还田

将秸秆粉碎后，直接覆盖在土壤表面。此种方法的优点是操作简单方便，可减少土壤水分流失，调节土壤温度，在低温时产生“高温效应”，在高温时产生“低温效应”，缓解作物因气温骤变引发的伤害。缺点是不利播种和灌溉，在一定程度上影响作物生根、发芽。

2.1.2 旋耕还田

即浅层混匀。需与秸秆还田粉碎机配套使用，保障秸秆在旋耕前粉碎。旋耕能更好地将秸秆和土混合均匀，集犁田、耙田、平田三次作业于一体，理论上可深耕16～18 cm，实际运用中常深耕8～12 cm，地表相对平整。缺点是秸秆分解释放营养物质快，供应作物早期有过剩，到后期则会缺乏。多年连续旋耕，易导致耕层变浅，土壤理化性状变差，免耕层变硬、通透性变差，作物生长后期早衰，不利于增产。

2.1.3 翻耕还田

即上下翻转。秸秆是各种病虫害越冬的有利场所，翻耕能将粉碎的秸秆和表土扣在深层土壤中，耕深可达16 cm。优点是病虫发生率可降低10%，草害及某些依靠土传的病虫害也能得到控制，同时促进作物根系深扎，且秸秆分解释放营养物质慢，有利于作物后期营养供应。

2.1.4 沟埋还田

秸秆沟埋还田是一种新的秸秆还田方式。在小区内挖两条平行沟，将作物秸秆全部埋入沟内覆土掩盖，免耕，总动土面积仅占整个小区面积的1/10［41］。其优点是能解决常规秸秆还田中秸秆量大、粉碎困难等问题，克服不利于作物出苗等缺点［42］，固碳潜力大［43］，同时与秸秆旋耕还田和秸秆翻耕还田相比，其周年CH4排放量分别减少10.6%和3.8%［44］。

2.1.5 配施腐熟剂还田

即将腐熟剂混合粉碎的秸秆一同施入土壤。利用秸秆腐熟剂，提高秸秆分解效率。但因不同品牌的腐熟剂含有真菌及细菌的种类各异、数量不同，腐解秸秆中蛋白质、纤维素、木质素等的快慢不一，以致表现出不同的腐解程度和腐熟速率［4］。

2.2 间接还田

2.2.1 过腹还田

秸秆过腹还田是一种种养结合的生态循环农业模式，实现了秸秆—饲料—禽畜—肥料—粮食的循环，即：将作物秸秆作为饲料，喂养禽畜。秸秆经禽畜咀嚼、消化，以粪便的形式再次出现；再将收集的粪便制成有机肥施入田块，培肥地力，增加作物产量，提高农户收入。其缺点是一般农户没有将粪便制成有机肥的条件和技术，该肥料需购买，增加了投入成本。

2.2.2 发酵还田

采用快速堆腐剂产生的大量纤维素酶，将秸秆快速堆沤发酵为有机肥，再施入土壤。其优点是堆沤可以杀死秸秆中大部分的虫卵、病原体、草籽，降低作物种植过程中的病虫害发生率；缺点是费时费工，易出现发酵不均匀、难彻底发酵等现象［45］。

2.2.3 炭化还田

秸秆在高温无氧的条件下炭化，然后制成生物炭施入土壤。其优点是能有效固定和封存土壤中的碳素，减排能力提高22% ～27%；缺点是工序复杂，成本高［30］。

3 秸秆还田存在的问题

多年连续秸秆还田，也会产生如下问题：

一是影响作物出苗。秸秆臃积，土壤间隙变大，作物种子与土壤接触面积减小、不够紧密，严重影响种子吸水、生根、发芽、扎根等生长过程，轻者出苗缓慢，严重时出现黄苗、僵苗、死苗。

二是与作物争氮。秸秆降解时微生物需要氮参与生命活动，因此在氮资源有限的情况下，作物与微生物是竞争关系，微生物夺氮将造成后续作物出现缺氮等情况。

三是影响秸秆降解。土壤中的温度、水分含量、微生物活跃程度均是秸秆分解的重要影响因素，如秸秆在冬季较夏季降解速度慢。秸秆连续还田，增加了田块降解秸秆的压力，一旦地面秸秆过多，不利耕种，地面也容易发生松散淤陷，严重影响作物生长，降低产量［46］。

四是影响病虫草害。秸秆虽然是被粉碎后再还田，但混杂其中的虫卵、病原体、草籽等并不能粉碎杀死，一旦还田即可诱发病虫草害。同时在消除病虫害方面，秸秆是虫卵、病原体等的良好避难所，相对于常规种植，加大了消除难度。有研究表明，通过秸秆深埋可减少源头的病虫害，若秸秆还田掩埋深度≥20 cm，可有效消灭病害残体；若集中掩埋深度≥35 cm，病虫害越冬存活率会大大降低［47］。

4 研究展望

为更好地利用秸秆还田技术，推动现代农业的发展，一要成立相关秸秆处理部门。树立环保理念，大力宣传秸秆燃烧的巨大危害和秸秆还田的多种益处。树立典型，有奖有罚。制定成熟的秸秆还田操作方案，出台相应秸秆还田补贴政策，鼓励农民采用秸秆还田技术。同时，派出专业技术人员通过讲座、实地操作等方式对农民进行秸秆还田技术指导。二要开发适用性广的秸秆还田机械设备。发展机械化是农业发展的必由之路。而我国农作物多种多样，不同农作物秸秆的理化性质不一，同时各作物种植环境各异，因此收获秸秆并还田，对设备的要求不尽相同，当下急需开发服务于秸秆还田技术的高效、低能耗、大小适宜、适用性广等特点集于一身的机械设备。三要发展秸秆原位还田配套速腐解技术。现在秸秆还田仍需要对作物秸秆进行收割、粉碎后再还田。若秸秆能在原位还田，同时秸秆速腐不影响作物的萌发、扎根等生长过程，将大幅度减少人力和物力。要挖掘、研发适宜的腐解菌群或腐解剂，使腐解秸秆的速率变化能满足作物生长不同阶段对养分的需求，在养分需求多时腐解快，在养分需求少时腐解慢。四要发展秸秆还田配套科学栽培措施。合理安排秸秆还田方式、还田时间、还田量，充分发挥秸秆的最大作用，培肥地力，提升耕地质量。科学配施肥料、农药，保障田块产能，有效减少经济投入。