作物秸秆还田研究进展

陈婉华，袁 伟，王子阳，周正萍，刘世平

（1江苏省作物栽培生理重点实验室，江苏扬州 225009；2江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏扬州 225009；3扬州大学，江苏扬州 225009）

0 引言

作物秸秆是指成熟农作物收获后残留的茎叶（穗）等部分副产品，储存着大量光合作用的产物，是一种可再生的生物资源，秸秆还田配合化肥的施用能够有效提供作物生长发育需要的营养[1]，对农业生产具有很大的利用价值[2]。因此，资源化高效利用作物秸秆可以有效推动农业的可持续发展[3]。

农业是中国的第一产业，中国的作物秸秆资源丰富，但近年来农作物秸秆资源大量过剩带来的环境问题引起了广泛的关注[4]。在2000年，中国的农业秸秆资源总量已经超过了55000万t，其中以小麦、玉米和水稻为主[5]，2016年农业秸秆资源总量达到了98000万t[6]，其中粮食作物的秸秆占八成以上，随着中国经济的发展，农村粮食单产水平的提高，作物秸秆的剩余量越来越多。过去很长时期内秸秆多被用于生活燃料和牲畜饲料，然而，随着生活水平的提高，传统的秸秆利用方式逐渐减少，秸秆处理问题已成为一大难题，特别是在粮食生产密集区域，秸秆处理问题更显突出。据调查，2016年全国秸秆的综合利用率为81.68%，且地区间秸秆利用水平差异大[7]，田间焚烧和随意丢弃的现象依旧存在，秸秆的回收利用问题正面临严峻的挑战。作物秸秆还田是解决秸秆浪费最高效的措施之一[8]，许多学者通过研究均发现，秸秆还田能有效优化农田生态环境[9]，改善土壤理化性质，提高作物产量。近年来，关于秸秆还田的方式与秸秆还田技术的研究比较多[10]，对田间工作有较强的参考价值。但是，不当的秸秆还田方式与技术可能影响作物的生长与产量，同时覆盖在田间的秸秆也带来了病虫草害[11]。因此，综合分析秸秆还田的利与弊，完善与推广秸秆还田技术，对农业可持续发展有着重要的现实意义[12]。

1 作物秸秆还田的方式

常见的作物秸秆还田方式分为两类：直接还田和间接还田[13]。

1.1 直接还田

直接还田是最为方便、有效的途径。直接还田可以大大减少工作量，提高还田效率，对于作物产量提高也有不错的效果。秸秆直接还田的主要方法有：留高茬还田法，粉碎翻压还田法，覆盖还田法[14]。

1.2 间接还田

间接还田指秸秆经过处理之后再还田。间接还田前期准备时间长，容易受环境的影响，需要工作量大，产出量小，还田效率低，优点是成本低廉。间接还田的主要方法有：过腹还田法，过圈还田法，堆肥还田法，沼渣还田法。

2 常见的秸秆还田技术模式及应用

2.1 免耕播种施肥

在免耕田块上覆盖秸秆残茬再进行播种和施肥，有无合适的免耕施肥播种机是关键。该机器需要有良好的覆土镇压性能以及配备防堵、入土、施肥的功能[15]。

2.2 秸秆残茬管理

在大田地表覆盖作物秸秆可以有效防止耕地水土流失和扬沙[16]。但是，秸秆还田量过多或还田不均匀造成的堆积，将引起播种拥堵、播种困难，影响出苗的质量[17]。因此，秸秆残茬管理最重要的是粉碎秸秆、控制留茬高度并且将秸秆撒匀。

2.3 杂草及病虫害控制

秸秆常携带病原菌和虫卵，秸秆还田后田间的病虫害会有所增加[18]，秸秆堆积也会造成根茎病害的发生。因而，秸秆还田能够成功的关键一步是控制田间病虫害[19]。预防秸秆还田引起的病虫害，首先要选择健康的秸秆并且及时粉碎、掩埋，避免秸秆中带来的病原菌和虫卵；其次是改进秸秆还田方式，缓解还田过浅造成的病害[20]；最后加强配套管理措施，配施纤维分解菌，加速秸秆腐解，对种子进行包衣、拌种等处理，科学监测病虫害并合理用药。

2.4 深松与表土作业

作物根系和蚯蚓为土壤提供天然的松土工作，但是土壤过紧或犁底层抬高时，需要进行机械松土。深松作业应根据实际情况进行，一般田块深松作业的频率为二至三年一次，直到土壤可以进行自我疏松；但有一些田块需要定期深松。深松作业时地表一般覆盖有大量秸秆，因此要求深松机具有良好的防堵性能[21]。

3 作物秸秆还田对农田生态环境的影响

3.1 对土壤容重和孔隙度的影响

土壤容重和孔隙度是土壤的基本物理性质[22]，容重越大，孔隙度越小[23]。关于作物秸秆还田对于土壤容重和孔隙度的影响，学者们的看法有所不同，张聪等[24]认为随着还田年限的延长可以很好的改良土壤容重、孔隙度，并且具有饱和性和平衡性，在0～50 cm的土层中土壤容重缓慢降低，而土壤孔隙度逐渐加大。刘继培等[25]研究也发现连续秸秆还田两年并配施腐熟剂对土壤容重的降低有显著的效果。李洪文等[26]经过研究对比玉米3种耕作模式，发现在深松和免耕下，土壤容重有略微的增加，但在播种和收获时期，3种耕作模式下的土壤容重都处于作物生长的适宜范围。

3.2 对土壤温度的影响

土壤温度影响着作物的生长、发育和产量的形成。苏伟等[27]研究表明秸秆覆盖下0～5 cm和5～10 cm土层能减缓全天温度变化幅度，与未覆盖处理相比减少了22.3%和35.4%。刘炜等[28]研究表明秸秆覆盖能增加冬季昼夜平均温度。赵亚丽等[29]研究了秸秆还田下一年两熟制农田的土壤温度，发现夏玉米季的平均土壤温度明显降低，而冬小麦季的平均土壤温度明显升高，证明秸秆还田对土壤温度有调节作用，即在低温季节增温、高温季节降温[30]。陈素英等[31]通过测定玉米秸秆覆盖的冬小麦土壤温度，发现白天秸秆可降低土壤温度，夜间秸秆可阻碍土壤温度降低，且秸秆多覆盖对土壤温度的影响大于秸秆少覆盖。

3.3 对土壤水分的影响

土壤水分对作物的生长和产量有着关键性的作用，无论哪种耕作模式，土壤水分不足都将影响作物的出苗率[32]。秸秆还田能够有效改善土壤结构，从而增加土壤含水量和蓄水能力。牛芬菊等[33]在半干旱旱作区通过多年研究得到，土壤含水量在秸秆还田处理下显著高于不还田处理，尤其是在作物灌浆期和成熟期，有效证明了秸秆还田对土壤的渗水性和保水能力有提高作用。战秀梅等[34]对辽南地区土壤水分进行了为期四年的试验，发现土壤蓄水能力在秸秆连年还田处理下大于秸秆隔年还田处理大于无秸秆还田处理。李录久等[35]发现玉米秸秆还田能够提高小麦拔节期和孕穗期的土壤含水量，并且土壤含水量随秸秆还田量的增加而呈现先升后降的趋势。

3.4 对土壤养分的影响

有机质是土壤的重要组成部分，土壤生物和微生物的活动都与它有着密切的联系，有机质可以促进土壤中营养元素的分解[36]，有效提高土壤的保肥性和缓冲性。徐蒋来等[37]对稻麦两熟农田进行秸秆还田处理，研究发现土壤养分和有机质均有明显增加，且随还田量的增加而先增后减，以50%和75%的还田量为最优。张静等[38]研究认为玉米秸秆还田后土壤有机质与秸秆还田量呈正相关，并能有效抑制土壤有机质的降低。李玮等[39]进行了连续4年秸秆还田定位试验，明确土壤总有机质和活性有机质在秸秆还田的条件下均显著增加的结论，未施氮素处理较对照处理分别增加了8.5%和12.7%。王丹丹等[40]研究了秸秆还田与耕作方式对稻田土壤有机碳的短期影响，试验表明由于还田下秸秆的腐解物和微生物分解的有机质能提高土壤活性有机碳含量，所以土壤易氧化态碳与碳库管理指数均增加，且其随还田量的增加而增大。

3.5 对土壤微生物的影响

土壤肥力的核心是土壤微生物[41]，它们可为土壤供应氮磷钾等营养元素。秸秆直接还田后，可以增强土壤中的纤维素酶，蔗糖酶，脲酶和多酚氧化酶活性，土壤生物肥力和养分库均增大，土壤养分利用和转化的能力增强[42]。路怡青等[43]在玉米-小麦轮作保护性耕作定位试验中认为，免耕加秸秆还田可以增加土壤碱性磷酸酶、转化酶、脲酶、脱氢酶活性，秸秆还田可以增加土壤微生物量碳、氮，其中在20～30 cm土层中，微生物量碳在免耕加秸秆还田处理下最高，微生物量氮在翻耕秸秆还田处理下最高。赵亚丽等[44]对小麦和玉米等作物分别进行秸秆还田和深耕（松）处理，对比不同耕作方式对土壤微生物的影响，结果表明秸秆还田处理提高了冬小麦成熟期的土层微生物数量，秸秆还田处理下夏玉米成熟期0～20 cm的土壤细菌数量、真菌数量、放射菌数量比不还田处理下增加了27.5%、24.0%和25.8%。顾美英等[45]研究秸秆还田对新疆极端干旱地区土壤微生物数量的影响，发现不同的秸秆还田方式下，土壤微生物数量均有显著增加。

3.6 对作物产量的影响

大量研究表明，秸秆还田对作物有显著的增产效应[46-47]。苏伟等[19]实验表明，连续的稻草秸秆覆盖还田能显著增加油菜产量，五年平均增产14.2%。刘继培等[17]研究发现秸秆还田3年，小麦产量随还田年限的延长而增加。徐文强等[48]研究了覆膜与不同秸秆还田方式对玉米生长发育的影响，发现秋季覆膜玉米果穗穗长、穗粗、穗位高、穗粒数、百粒重在整株秸秆还田处理下最大，玉米产量在秸秆还田处理后较对照有增产的趋势。但另一方面，在秸秆还田初期，可能引起暂时性生物固定作用增强，使土壤中部分有效养分被吸收到微生物体内，而在一定时空条件下暂时失去有效性。另外大量的秸秆还田，还有可能对作物的初期生长产生显著影响。有不少研究显示，在还田条件下，当季作物产量并不表现增产甚至减产，最主要的原因是因为初期生产受到一定的抑制，导致群体生长量偏低[49]。

4 展望

作物秸秆资源利用的潜力巨大，在生态农业和未来农业发展中具有很大的应用价值和前景[50]。在当前社会经济条件下，作物秸秆直接还田是高效直接而且易于实现的秸秆处理方法。但秸秆还田也存在许多不足之处：（1）秸秆还田的量会影响农田作物的生长和产量，还田量过大或抛撒不均匀易造成作物减产；（2）秸秆还田后使得土壤孔隙度过大，影响出苗；（3）秸秆中的虫卵和细菌等物质更容易造成田间病虫害[51]。尽管作物秸秆还田的方式很多，但都是单一的机械化直接还田，缺乏与农艺措施相配套的技术，秸秆粉碎还田技术能够有效缓解秸秆还田后的病虫草害，加强还田后的配套措施如镇压、施肥、灌水等，能够使土壤保持紧实和作物正常出苗生长。今后应加快创新秸秆还田机械，加大秸秆还田技术的宣传和培训力度，走农艺、生物技术与农机相结合的道路，达到省时、省工、增效和降低作业成本的综合效果。