东北黑土区玉米秸秆还田对土壤肥力及作物产量的影响

邱 琛，韩晓增，陆欣春，严 君，陈 旭，邹文秀

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150081；2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

东北黑土具有土壤肥力高、结构良好、有机质丰富和适合作物生长的特点[1]，是我国重要的粮食主产区。自黑土开垦以来，由于不合理的耕作，导致土壤耕作层变浅，犁底层增厚且上移，土壤结构被破坏，肥力迅速下降，致使黑土层退化越来越严重。目前，东北黑土退化主要表现为土壤肥力下降，土壤理化性质恶化及中低产田面积扩大等[2]。

秸秆还田是高效且低成本利用成熟农作物茎叶的一种培肥地力的农业措施，在减少因秸秆焚烧所造成的大气污染的同时能有效的改善土壤理化性质和土壤结构，增加土壤养分含量、土壤总孔隙度和毛管孔隙度，降低土壤容重，促进微生物活力，为作物提供良好的生长环境[3]。同时还能平衡土壤酸碱度，增强土壤保肥保水能力，实现作物高产及提高作物抗倒伏能力[4]。但若施用方法不当，也可能导致土壤病菌增加，作物缺氮，作物病害加重，土壤表层疏松和土壤风化等负面影响[5]。因此，选择适合当地的还田措施，因地合理的还田才能起到保护土壤、提高肥力的效果。

还田方式主要有直接和间接两种。覆盖还田、深混还田和留高茬这三种方式属于直接还田。将收获后的作物秸秆直接覆盖在土壤表层上面的方式称为覆盖还田，是降水量较少、干旱较严重的地区保水抗旱的一种重要方法[6]。作物收获后使用螺旋式犁壁犁等机械将秸秆深混入0～35 cm土层的方式称为深混还田，通过增加秸秆与土壤的接触面积，促进秸秆的腐解[7]，可用于玉米和水稻等大田作物秸秆还田。在完成作物收割后，保留一定高度的茬，耕作时翻埋到土壤中的方式称为留高茬，这种方式可以提高土壤抵御风蚀和水蚀的能力。

过腹还田和堆沤还田属于间接还田。作物秸秆经过食草牲畜的咀嚼作用和胃的消化作用后，以有机肥的形式返还土壤的方式称为过腹还田。这种还田方式不但有效减缓了浪费秸秆的现象，而且还在一定程度上减少了养殖业的成本，促进了养殖业的发展[6]。将作物秸秆放置在一个温度较高的环境中，利用高温的作用使得秸秆充分发酵。有时为了使秸秆能够完全发酵和加快腐熟，经常通过加入催熟菌剂的方式来达到预期的效果。此外，堆沤的过程会降解因发酵作用而产生的有毒物质，从而解决因直接还田所带来的其他问题[8]。本文通过查阅近年来发表的关于黑土区秸秆还田的相关文献，对秸秆还田后对土壤肥力、土壤物理性质及作物产量进行了综述，以期为研究区域内的秸秆还田工作提供相应的指导。

1 对土壤物理性质的影响

1.1 土壤含水量

土壤含水量是表征土壤水分状态的一个重要指标。研究认为，秸秆覆盖能够有效减小土-气界面的接触面积，从而降低水分的散失[9]；赵家煦[10]的研究表明，作物生长前期，秸秆施入0～20 cm土层的土壤含水量较其他处理提高6.5%～14.7%，试验后期，秸秆覆盖增加了0～15 cm土层的土壤含水量。上述研究同时表明，秸秆还田既能增加土壤的保水蓄水能力又能降低土壤表层的水分蒸发量。邹洪涛等[11]研究认为，玉米秸秆内部具有较大的孔隙，除了可以吸附自然降水外，还可在达到饱和后释放自身吸收的水分，从而提高土壤的含水量。此外，土壤中施入作物秸秆后，土壤水分的毛细作用因秸秆的阻碍而受到抑制，土层深处水分的蒸发也受到抑制[12]。战秀梅等[13]的研究结果也证实了秸秆还田能提高土壤深层含水量。通过分析不同秸秆还田量对土壤水分的影响发现，随着秸秆还田量从0增加到6 000 kg·hm-2，0～10 cm，10～20 cm和0～20 cm土层含水量也显著增加[14]。

1.2 土壤容重和孔隙度

土壤容重是田间自然垒结状态下单位容积土体的质量或重量，孔隙度是土壤孔隙容积与土体容积的百分率，两者都是土壤的重要物理指标。研究表明，秸秆还田后，除了土壤容重降低外，土壤的孔隙含量以及通气状态都有了很大的改善[8]。与未还田处理相比，秸秆覆盖还田、旋耕还田和翻埋还田后土壤容重分别下降3.2%、4.3%和5.8%，其中，翻埋还田对0～15 cm土层土壤容重降低效果不显著，其原因可能是在翻埋还田处理下，上下土层相互混合过程中，使下层容重较大的土壤上移，导致上层土壤容重有所增加；同时，覆盖还田、旋耕还田和翻埋还田土壤孔隙度分别提高了4.1%、5.3%和5.9%，表明覆盖还田和旋耕还田有助于降低上层土壤重，提高相应深度土层的土壤孔隙度；翻埋还田能够打破犁底层，显著提高下层土壤孔隙度[15]。此外，李玮等[16]的研究结果认为，秸秆还田处理的土壤容重降低了2.5%～9.2%，土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度分别增加了1.1%～8.9%，18.9%～41.0%和6.4%～38.8%。与秸秆不还田处理相比，秸秆全量还田使土壤表层(0～10 cm)的容重降低0.2～0.3 g·cm-3[17]，原因可能是秸秆还田促进了大团粒结构的形成，增加了土壤孔隙度，降低了土壤容重。

1.3 土壤团聚体

土壤团聚体是土壤颗粒经凝胶聚结作用形成的个体。研究认为，秸秆施入土壤后，有利于土壤中微小粒子的团聚作用，改良土壤团聚体的孔隙结构分布[18]；通过与氮肥进行配施后发现，土壤团聚体机械稳定性均以≥10 mm 粒径的土粒含量最多，其中0～20 cm土层含量最高，而土壤团聚体水稳性却随土层深度的增加逐渐降低[19]。范围等[20]研究表明，秸秆还田后，增加了>1 mm水稳定性团聚体的含量，同时，与秸秆不还田的处理相比，秸秆均匀还田的团聚体平均当量直径增加了80.3%，水稳系数增加了33.7%。秸秆还田后分解产生如多糖及蛋白质等有机胶质物质，以及由于土壤中微生物活性提高而形成腐殖物，均对大团聚体的形成及稳定性产生了积极影响[21]。此外，Jastrow[22]认为，植物残体输入土壤能促进真菌菌丝体生长和微生物的分泌液将土壤微团聚体、土壤矿物质和粗颗粒有机物胶结为大团聚体。添加秸秆速腐剂可以加快秸秆的分解速率，促进大团聚体的形成[23]。李伟群等[24]通过5年的实验发现，秸秆还田较根茬还田增加了土壤中>2.0 mm和0.25～2.0 mm团聚体的含量，且全量的秸秆还田使得>2.0 mm的团聚体含量比根茬还田处理提高了38.0%，此外，秸秆50%还田还可以有效增加土壤大团聚体粒级含量。

2 对土壤有机碳的影响

2.1 总有机碳

土壤有机碳主要来源于动植物及微生物残体、排泄分泌物、土壤腐殖质以及人为施加的有机物料[25]。农田土壤中除了作物根系的残留外，秸秆还田是增加新碳输入的主要途径，秸秆还田后新碳首先伴随着团聚体的形成而积累，随后经过团聚体的化学结合作用得以固定[26]。窦莉洋[27]研究表明，秸秆还田后，在0～20 cm土层不同粒径团聚体有机碳含量均有不同程度的提高。其中，1～2 mm、0.25～0.5 mm与<0.25 mm粒级的团聚体内有机碳含量分别增加7.7 g·kg-1、2.9g·kg-1和5.1 g·kg-1，且秸秆还田前后差异显著。秸秆还田的深度越深，越便于土壤有机碳、各组分有机碳的累积，但是就土壤亚表层而言，秸秆还田的深度对水溶性有机碳含量的影响不大[28]。此外，还有许多研究探讨秸秆与其他物料分别施用或配施后对土壤有机碳的影响。黎嘉成等[29]研究表明，生物炭较秸秆还田后显著增加了土壤有机碳含量。张莉等[30]通过连续3年田间微区试验，研究等量玉米秸秆粉碎还田和颗粒化还田对0～20 cm和20～40 cm土层土壤有机碳、可溶性有机碳的影响，结果表明秸秆颗粒还田较常规粉碎还田在前1.5年能快速提高0～20 cm和20～40 cm土层土壤有机碳含量，并提高了作物产量，但是上述变化都是短期的，从长期来看和传统的还田方式效果并无显著的差异，所以未来的研究中这种还田方式还需要进一步的优化和改进。胡一民等[31]通过整合分析1980-2015年间不同物料投入对土壤有机碳影响的研究发现，施用了有机肥的土壤有机碳的含量增加效果优于其它的物料；施用秸秆处理同样提高了土壤有机碳含量，但其效果没有有机肥处理好。秸秆还田增加了土壤有机碳含量，改善土壤结构，提高了土壤肥力，增加作物产量，并且与其他肥料配施产生更好的效果。

2.2 不同组分有机碳

土壤有机碳成分的分组往往是依据研究需要所提出来，从物理的角度出发，李晓庆[32]的研究表明添加秸秆150 d后，明显增加了土壤轻组有机碳含量，而未对重组有机碳含量产生影响，且这种现象对低有机碳含量的黑土影响更大；此外，在含有较低有机碳的土壤中，添加秸秆有利于颗粒态有机碳含量的增加，从而促进土壤有机碳活性，并在某种程度上增加土壤肥力，但对于高有机碳土壤，添加秸秆对颗粒态有机碳的含量却具有抑制作用。贺美[33]通过分析不同秸秆还田量对土壤颗粒有机碳含量的影响发现，与33%的还田量相比，100%和50%还田量使土壤颗粒有机碳含量分别显著增加了54.3%和42.5%，但在长期条件下，秸秆还田处理的颗粒有机碳含量与不施肥处理和单施化肥处理之间差异不显著。韩锦泽[34]认为，无论是不同秸秆还田深度，还是不同秸秆还田时间，有机碳含量变化均表现为相同的规律，即重组有机碳>游离态轻组有机碳>闭蓄态轻组有机碳，且不同碳组分之间达到显著性差异。

3 对土壤养分含量的影响

土壤养分在作物生长过程中起着不可或缺的角色，均衡的养分供给可以保证作物的生长和发育，提高作物产量。土壤中的养分元素主要包括氮、磷、钾元素[35]。其中在植物生长过程中需要最多的矿质元素就是氮，化肥氮因不能长期保留在土壤中[36]，因此氮素缺乏会导致农产品品质下降，但是，氮肥施用过剩又会造成水体营养化[37]。秸秆还田后其分解物多被土壤微生物转化为固定态氮，降低了土壤氮的矿化速率，增加了土壤全氮含量和C/N[38]。磷是生物圈的重要生命元素，施入土壤后能够使得植物生长发育良好，代谢功能正常，除此之外，还可以提高植物的抗寒、耐旱性。秸秆还田后，在秸秆的分解过程中会产生有机酸等物质，这些物质具有促进土壤中养分元素的肥效作用[39]，能够调节养分元素比例失衡[40]。赵小军等[41]研究表明，在15～30 cm和30～45 cm土层，速效磷随着秸秆还田量的增加呈显著增加趋势。农作物秸秆中含有较多的钾素，施入土壤后能明显提高土壤代换性钾的含量，加快糖类化合物的合成，提高植物抗逆性以及抗虫性[38]。秸秆中的钾以非结合态的形式存在，容易被洗脱出来，因此，秸秆还田可以有效的解决由钾肥不足所引起的问题[28]。

土壤中养分含量的变化与秸秆还田量、还田时间、还田方式以及配施的肥料种类等密切相关。土壤速效养分和全量养分与秸秆还田量呈正相关，且对土壤速效养分含量的影响幅度大于对全量养分的影响[42]。当秸秆还田量增加时，作物对大量矿质元素的吸收也在提高，例如氮、磷和钾。在化肥施入量相同的条件下，土壤氮素始终保持盈余状态，而磷素和钾素均处于亏缺状态[43]。此外，速效养分与秸秆还田埋深和秸秆长度呈负相关。其中，土壤铵态氮和硝态氮含量随着秸秆还田量的增加也表现出增加的趋势[44]。不同秸秆还田方式对土壤养分的影响不同，具体表现为在旋耕还田条件下，土壤中碱解氮、速效磷含量随播种天数的增加而减少[45]，长期连续的秸秆翻埋还田(8a、6a、4a)情况下，显著提高了土壤全氮、全磷含量以及速效氮含量、速效磷含量和速效钾含量[46]。连续3年等量秸秆混入0～50 cm土层对土壤养分含量影响的研究发现，等量秸秆混入不同深度土层并没有显著增加相应土层全量养分的含量，但是却显著增加了速效养分含量，其中，速效磷和速效钾含量分别提高了9.2%～38.2%和12.6%～43.7%[47]。有研究认为，秸秆还田过程中配施外源菌剂，使整个秸秆组织结构呈现松散状态是从降解秸秆内部开始的[48]，从而影响秸秆的分解速率，调控土壤养分含量[49]。陆水凤等[50]的研究表明，玉米秸秆+低温菌剂+常温菌剂显著增加了土壤中速效养分的含量，而且随着时间的逐渐增加，速效磷也逐渐增加。

4 对土壤微生物和酶活性的影响

4.1 对土壤微生物的影响

土壤微生物是土壤的重要组成部分。作物秸秆可以供给微生物活动所需要的氮源和碳源。秸秆还田后，由于土壤中微生物的繁衍速度加快，秸秆的腐解速度也加快，微生物量碳与秸秆还田时间成正比，随着还田时间的增加表现出先增后降的趋势；当还田深度为10～25 cm时，此时微生物活动较频繁，土壤微生物量氮积累较大[51]。秸秆还田以后，显著增加了土壤中可培养细菌的数量和变形菌门等的相对丰度，降低了接合菌门和厚壁菌门的相对丰度[52]。傅敏等[53]研究耕作方式和秸秆还田对微生物群落的影响，研究发现0～15 cm土层中，微生物群落数量最多的是变形菌门(35.3%)，且物种丰度在不同耕作或还田方式之间无显著差别，但在深松秸秆全还处理中，芽单胞菌门的物种丰度均显著高于旋耕秸秆不还田处理。于寒等[54]认为，在玉米长期连作土壤中，秸秆深埋更能增加土壤细菌、放线菌、主要生理类微生物群，降低土壤真菌数量，提高土壤脲酶和转化酶活性，但在米麦轮作土壤中，还田方式的不同对玉米根际土壤真菌和主要生理类微生物群、土壤脲酶和过氧化氢酶活性影响不大。

4.2 对土壤酶活性的影响

土壤酶主要来自植物、土壤动物和土壤微生物，土壤的各种生化活动都少不了酶的参与。玉米秸秆深翻还田后，既有有益于土壤微生物的繁殖，又可以提高耕层土壤酶活性[55]。与未添加秸秆的处理相比，翻埋还田分别使土壤脲酶和磷酸酶的活性提高了21.6%和18.9%，碎混还田分别使土壤纤维素酶和蔗糖酶活性提高了37.3%和51.6%[56]。陈鹏祥等[57]研究表明，旋耕秸秆还田和翻耕秸秆还田增加了0～15 cm土层β-1，4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶和酸性磷酸酶活性，且翻耕秸秆还田比实验处理显著增加了土壤下层β-1，4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶活性。土壤中酶活性的高低和秸秆还田方式的不同有关，相较于直接还田和覆盖还田，过腹还田显著增加了土壤蔗糖酶活性、脲酶活性和碱性磷酸酶活性，秸秆直接还田增加了纤维素酶活性[58]。公华锐等[59]在秸秆全量还田的基础上探究不同肥料配施对土壤酶的影响，研究表明秸秆还田配施微生物有机肥和普通有机肥均能提高β-1，4-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶活性，但对土壤中亮氨酸氨基肽酶等酶的活性无显著影响。苏弘治[60]研究表明，在秸秆还田条件下，土壤蛋白酶、脱氢酶等酶活性却降低，原因是秸秆还田处理引起的缺氧环境抑制了脱氢酶的活性；免耕秸秆覆盖的土壤温度变化缓慢，从而在一定程度上影响了蛋白酶的活性。不同于传统还田方式，徐忠山等[61]研究表明，与秸秆不还田的处理相比，秸秆颗粒化还田后显著增加了土壤中蔗糖酶及脲酶的活性。

5 对作物产量的影响

5.1 对玉米产量的影响

研究表明，秸秆还田可以一定程度上增加玉米的产量[62]。马慧娟[63]认为，秸秆还田之所以提高了玉米的产量主要是因为提高穗粒数，增加百粒重，降低秃尖长，而对穗长没有显著影响。相较于秸秆未还田处理，半量秸秆还田的增产是定量施肥条件下效果最明显的，此外，全量的秸秆还田并没有使得作物产量减少[64]。高天平等[65]认为，在干旱条件下，秸秆还田与小垄组合后有助于土壤中碳含量的增加，提高了土壤含水量，并显著增产。不同还田方式对玉米产量的影响表现为秸秆翻埋还田>秸秆旋耕还田>常规栽培>秸秆覆盖还田[66]。但也有研究表明，秸秆还田对作物产量有负效应[67-68]。邓智惠等[69]研究表明，在深松条件下，秸秆还田的第1年作物出现减产的现象，之后隔年秸秆还田第2年、连年秸秆还田第3年才实现增产。战秀梅等[70]的研究也表明，秸秆还田后，作物当年的产量具有降低的趋势。牛芬菊等[71]研究发现，玉米秸秆还田后，在作物的生长发育过程中不断地软化、腐烂，到玉米成熟时尚未完全腐解的也都分解成碎的小片，秸秆还田对玉米叶面积及茎粗有一定的降低作用，产量较不还田处理降低4.6%～4.7%。

5.2 对大豆产量的影响

秸秆还田为大豆的生长提供了一个良好的土壤环境，除了增加了土壤中氮等养分元素以及有机质的含量，还充分利用了秸秆中的水分，从而使得植物的根系能够得到良好的生长和发育，达到了作物增产的目的[72-74]。蔡丽君等[75]研究了0%、30%、60%、100%等4个秸秆覆盖还田量对土壤养分及大豆植株性状和产量的影响，发现秸秆覆盖还田能够有效增加大豆单株叶面积、地上部及地下部的干物质积累量，60%秸秆还田量效果最佳，土壤中的有机质、全量养分和速效养分含量均随着秸秆还田量的增加而增加，此外，60%秸秆还田量对土壤速效养分含量的影响大于对全量养分的影响。王囡囡等[76]的研究发现不同秸秆还田方式均能够提高大豆产量，与未还田相比，覆盖还田、心土还田和焚烧还田大豆分别增产22.5%、32.3%和13.7%。

6 展 望

秸秆还田在解决秸秆焚烧造成的大气污染的同时，能够增加土壤有机碳含量，改善土壤结构，增加孔隙度，降低土壤容重，增加微生物多样性，促进土壤酶活性，补充氮、磷、钾等作物生长必须的营养元素，促进作物生长发育，进而提高农作物产量，但同时也存在着短期还田所带来的玉米减产问题。因此，在秸秆还田技术的应用过程中应该充分考虑区域内的生态环境条件和作物种植布局，因地制宜的选择适宜的秸秆还田方式。同时，要考虑秸秆腐解过程会利用土壤中氮的现象，进而影响土壤的碳积累等过程。此外，秸秆还田后可能会使病原菌重新回到土壤当中，进而土壤中病原菌积累，加重苗期病害和土传病的发生；由于秸秆还田改变了土壤物理环境，特别是秸秆深混还田过程中(秸秆深混入0～35 cm)，增加了土壤扰动和秸秆还田深度，在东北黑土区冻融交替过程中是否会通过影响土壤病原菌的生存环境进而达到控制土壤病原菌对作物生长的影响，这些都是今后秸秆还田研究过程中需要重点关注的问题。