秸秆还田技术的演变及其发展趋势

夏颖，冯婷婷，吴茂前，张志毅

（湖北省农业科学院植保土肥研究所/湖北省农业面源污染防治工程技术研究中心/农业农村部潜江农业环境与耕地保育科学观测实验站/农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室/农业环境治理湖北省工程研究中心，武汉 430064）

秸秆富含氮、磷、钾等农作物生长所必需的营养元素，是一类可利用的可再生资源。作为农业大国，中国作物秸秆资源非常丰富。农作物秸秆还田是一项重要的综合利用措施，具有增加土壤有机质、改善土壤结构、培肥土壤地力等作用。中国秸秆资源利用率较低，其主要利用方式为秸秆直接还田和秸秆间接还田。随着中国机械化水平的提高和秸秆利用相关政策的出台，秸秆还田技术由堆肥、沤肥还田向焚烧和整秆还田转变，进而向粉碎还田、炭化还田等转变。大量研究、综述证实秸秆还田对土壤物理、化学、生物性质的影响，但是缺少秸秆还田技术的演变和现状的综述。了解秸秆还田技术的演变对秸秆还田利用和秸秆还田技术的发展具有重要意义。本文系统阐述了秸秆还田技术的演变及发展趋势，为秸秆还田培肥和农业可持续发展提供理论指导和研究方向。

1 中国秸秆还田技术初始阶段

1.1 秸秆还田技术初始阶段的特点

20世纪70～80年代，农业生产中的主要矛盾之一是“地多肥少”，人们将作物秸秆当作重要肥源施入农田，从而提高粮食产量。该阶段秸秆还田技术的研究和推广主要是北方旱地的小麦与玉米种植区，根据秸秆还田方式可以分为秸秆直接还田和秸秆间接还田两类。20世纪70年代，由于农业机械不发达，作物秸秆以间接还田为主。该阶段的秸秆间接还田技术主要是将作物秸秆、泥土、人粪尿等混合制成沤肥、堆肥后再施入农田，间接还田方法包括过圈还田、沤肥还田、堆肥还田等。

初始阶段秸秆间接还田技术要点［1］。①过圈还田。玉米秸秆切成3.3～6.7 cm长的小段后与泥土按1∶4的比例分层垫在牛、猪圈里进行腐熟。根据季节不同可以分为两种过圈还田方式，春秋两季先垫3.3 cm厚秸秆，再垫3.3 cm厚泥土，依次循环；夏季先垫6.7 cm厚秸秆，再垫6.7 cm厚泥土，依次循环。②沤肥还田。田边挖出长6 m、宽4 m、深1.5 m的沤肥坑，秸秆、马粪、土壤分层堆放，厚度比例为5∶2∶3，可以添加一些氨水加速发酵。③堆肥还田。在平地上将秸秆、马粪、泥土分层堆放，厚度比例为5∶2∶3，堆置过程可以添加一定水分或氨水加速秸秆熟化，四周用黑泥封严。④烧粪还田。先铺10 cm厚黄粪并撒施过磷酸钙，再铺6.7 cm厚泥土，用泥土将四周封严，烧制一昼夜后施用。

20世纪80年代，为了加快秸秆还田技术大面积推广，不同形式和作用的秸秆还田机具出现，如秸秆直接抛撒器、锤片式秸秆粉碎抛撒装置和牵引式秸秆粉碎抛撒机等［2］。随着农业机具的发展，秸秆直接还田技术开始起步。该时期秸秆直接还田是指作物收获后，秸秆直接粉碎翻埋或整秆编压还田。秸秆直接还田方法有粉碎还田、高茬还田、整秆（立茬）还田等。

初始阶段秸秆直接还田技术要点［3，4］。①粉碎还田。收割机加装秸秆粉碎装置，收割、粉碎、抛撒同步进行。②高茬还田。收割时留茬高度不低于30 cm，再用重型耙灭茬或直接翻耕整地。③粉碎和播后覆盖相结合。作物机械收获后，靠田边的秸秆（约1/2量）转移到田埂，田中间部分均匀撒开后翻压还田，播种后再将田埂上秸秆覆盖还田。④整秆（立茬）还田［3］。玉米成熟后，不挖倒秸秆，直接机械深翻还田。秸秆直接还田后需增施一些氨水或碳酸氢铵调节土壤碳氮比，提供微生物繁殖所需的氮素营养，加速秸秆腐解。

1.2 秸秆还田技术初始阶段培肥效果

有学者对该阶段秸秆还田对改善土壤结构和养分效应的情况进行了初步研究，结果表明秸秆还田能够促进土壤团粒结构形成，提高土壤水稳性大团聚体含量［5］；从而改善土壤通透性和保水保肥性，降低土壤容重并增加总孔隙度［6］。秸秆直接还田5年后，大于0.25 mm团聚体含量增加了0.19%～4.18%，0.25～0.01 mm微团聚体含量增加0.26%～2.87%［7］。此外，秸秆还田显著增加土壤有机物质积累，提高土壤速效氮、磷、钾的含量，尤其能够较大幅度增加土壤速效钾含量［8］。连续秸秆间接还田5年，吉林省东部酸性黑黄土有机质含量增加0.87%，结合态胡敏酸和富里酸增加27.5%［9］。南方水旱两熟下长期秸秆还田大幅度提高新形成腐殖质与土壤无机部分的复合，增加土壤腐殖质活性，其中C/N比值大的秸秆有利于提高改土效果。不同土壤肥力条件下秸秆还田效果表明，高产农田下秸秆还田培肥效果最好，中等肥力次之，低产农田效果较差［10］。

1.3 秸秆还田技术初始阶段存在的问题

秸秆还田技术初始阶段明确了秸秆还田的增产效果和部分培肥效果，秸秆还田的培肥效果主要体现在对土壤物理性质和化学性质的影响，但还存在以下问题。①多数研究局限于秸秆还田的养分效果及对作物的产量效应。②从研究区域上看，北方旱作区秸秆还田技术的研究较深入，秸秆还田技术初步形成，例如机械粉碎还田、秸秆覆盖还田等均取得了一定成就。而稻区秸秆还田，尤其是南方稻田、水旱两熟区的相关研究较少。③缺乏秸秆还田技术的系统研究，秸秆还田时间、数量、施氮量、粉碎程度、翻压程度等技术指标的研究相对较少。

2 中国秸秆还田技术发展阶段

2.1 秸秆还田技术发展阶段的特点

20世纪90年代，随着化肥的施用，中国粮食作物产量逐步增加，秸秆的产生量也随之增加。1999年中国作物秸秆资源总量约6.4×1011kg，其中稻草1.9×1011kg，玉米秸1.7×1011kg，麦秸1.2×1011kg。在国外，大部分秸秆已经用于还田。美国每年生产作物秸秆4.5×1011kg，秸秆还田量占秸秆生产量的68%［11］。英国秸秆直接还田量占其秸秆产生量的73%［12］。在中国，由于农村石化燃料与煤炭的增多以及沤肥场地条件的限制，秸秆作为薪柴和沤肥的用途逐渐减少，秸秆随意丢弃和无控焚烧成为农村处理秸秆的主要方式。秸秆焚烧不仅污染环境，也造成事故频发，对高速公路、铁路及民航航班的起降安全等构成极大威胁。为了更好地利用秸秆资源，克服秸秆还田中的盲目性，秸秆直接还田技术和间接还田技术得到深入研究。初步明确秸秆直接还田的时间、秸秆还田量、氮肥用量、粉碎程度、翻压程度、土壤水分、病虫害防治等因素。华北地区、西南地区、长江中游区、江苏水旱两熟区、浙江三熟制种植区的秸秆直接还田技术规程相继出台。秸秆直接还田方式也由小型机械和人工还田向大型机械化秸秆还田技术转变，秸秆还田机的功能由单一功能向复式作业机械转变［13］。秸秆间接还田技术也发生较大转变，由传统的堆肥、沤肥方式向过腹还田、生物催腐还田转变。该阶段秸秆利用原则为就地、大量、简便、环保［14］，秸秆还田技术具备了一定的理论基础，推动了秸秆还田发展。

秸秆直接还田技术依然以粉碎还田、高茬还田、覆盖还田、整秆还田等为主。随着农业机械的不断改进，粉碎还田机、灭茬还田机和整株还田机等农业机械的开发使秸秆直接还田成为操作简单、省工省时、作业效率高的还田措施。

该阶段秸秆直接还田技术要点。①粉碎还田。采用农机具将农作物秸秆进行粉碎，同时用旋耕机把粉碎的秸秆翻入土壤。秸秆粉碎翻压还田机能够依次将直立或铺放的秸秆粉碎、灭茬、旋耕等多项工序一次完成。主要用于玉米、水稻等大田作物秸秆还田。粉碎还田后的秸秆在土壤里更易被微生物利用，提升土壤肥力，增加作物产量。实现“以田养田”、保护生态环境、稳定高产的农业模式。②高茬还田［15］。麦季稻草全量还田采取留高茬（茬高30～40 cm）加粉碎或整草覆盖模式，水稻成熟后既宜机收又可人割；稻季麦秸秆采用留高茬（茬高30 cm左右）加粉碎全量还田，干旋或水旋，一次机械作业完成耕整全过程；麦套稻采用留高茬（茬高在30 cm左右）加粉碎或整草覆盖。③覆盖还田。作物收获后秸秆或残茬全部覆盖于土壤表面，此技术适合小面积的人工整株倒茬覆盖。防止土壤受到风、水等自然侵蚀，保护土壤环境安全，起到保水保墒的作用。

该阶段秸秆间接还田技术要点。①堆肥还田［12］。不同于传统堆肥、沤肥还田，现阶段开始利用秸秆腐熟剂产生纤维素酶，短时间内将作物秸秆堆制成有机肥。②过腹还田［16］。作物秸秆经过青贮、氨化、微贮处理，饲喂牛、马、羊等牲畜后，畜粪尿作为肥料施入土壤。但是该技术不适用于饲用价值不高的小麦、棉花秸秆。③烧灰还田。包括两种烧灰方法，一种是作为燃料，这是国内外农户传统的做法；第二种是将收获的农作物秸秆在田里直接点燃或用辅助燃料点燃。该方法可以将秸秆全部还于土壤中，燃烧产生的气体对环境和人类身体存在安全隐患，如果控制不及时还存在火灾安全。因此政府禁止秸秆焚烧。

2.2 秸秆还田技术发展阶段培肥效果

发展阶段秸秆还田的养分效应得到深入研究。传统秸秆还田技术对土壤有机质的提高及基本理化性质改善有良好效果，但因过去秸秆所含养分太少，对促进养分循环利用的作用偏低［17］。随着秸秆产生量增加和研究的逐步深入，秸秆还田下土壤养分供给特征逐渐明晰。稻麦两熟下，秸秆还田明显提高水稻移栽15 d后土壤铵态氮（NH4-N）的供给量，并维持到齐穗以后［15］。在不施钾肥的情况下，土壤钾库长期处在耗竭状态，土壤速效钾和缓效钾含量逐渐降低，秸秆还田能够减缓土壤钾素的下降趋势［18，19］。但是，连续秸秆还田只能减缓钾素肥力下降，要维持土壤钾素平衡，秸秆还田需要配施适量化学钾肥［20，21］。稻麦两熟下紫色土每年秸秆还田量为7 500 kg/hm2并配施钾肥（K2O）140 kg/hm2能够保证土壤钾素盈余，维持紫色土钾素肥力［22］。此外，秸秆全量还田土壤的微生物数量极显著高于对照和秸秆半量还田，而且，微生物的活性表现为：全量还田＞半量还田＞不还田［23］。有研究表明，麦秆全量翻耕还田前期会产生一些还原性物质，但到分蘖期以后，经过搁田，秸秆还田处理土壤的还原性物质总量与对照接近，对秧苗也无毒害作用［23］。

2.3 秸秆还田技术发展阶段存在的问题

发展阶段秸秆还田技术存在的主要问题。①针对南方水田区和稻麦两熟区两季作物间秸秆还田农时紧张，秸秆还田后手工插秧困难等问题研究较少。②秸秆禁烧与要求还田的法规、政策不健全。实际生产中秸秆直接焚烧现象严重，又缺乏相关的法律法规和政策禁止秸秆焚烧。③部分秸秆还田机械化程度不高。该阶段还田机械对于平原和城郊经济发达的地区较适合，但与经济基础差、田块小的山区和丘陵区不匹配，难以推广。④秸秆还田技术的理论基础研究不全面。关于秸秆还田的负面效应，秸秆的快速腐解、病虫害发生和流行等问题研究较少。⑤秸秆还田的配套栽培技术研究薄弱。秸秆还田多以单一技术为主，缺乏机械、化学、生物、农艺等措施的结合。

3 中国秸秆还田技术现阶段

3.1 秸秆还田技术现阶段特点

21世纪初期，随着中国人口数量日益增加，耕地面积和质量逐渐下降，人地矛盾越来越突出［24］。同时，农业生产中化肥过量使用导致出现土壤板结、酸化、结构破坏、养分失衡等地力衰退问题及水体污染问题。中国粮食安全正面临着日益严峻的挑战［25］。秸秆还田作为改良土壤结构、改善土壤养分状况、减少化肥使用的培肥措施得到进一步推广。秸秆间接还田技术出现炭化还田技术，有效固定和封存土壤中的碳素（图1）。

图1 现阶段典型秸秆还田技术

现阶段秸秆直接还田技术基本成熟，主要技术特点有以下几点。①粉碎还田。作物机械化收获，秸秆通过机械化粉碎撒匀后，直接进行旋耕或深翻还田。②高茬还田。作物机械化收割，留高茬（麦玉两熟下小麦留茬35～40 cm，麦稻轮作下小麦留茬25～30 cm，水稻留茬15～20 cm［26］。下季作物播种或移栽前，玉米季小麦秸秆可以采用免耕、旋耕和深翻等方式还田，南方水稻季小麦秸秆可以采用旋耕或深翻还田［27］。③覆盖还田。秸秆粉碎后覆盖在田面直接播种。④沟埋还田。玉米整秆沟埋还田、稻麦秸秆墒沟埋草还田等秸秆沟埋还田技术［28，29］。在作物收获后，利用开沟机在田间开出秸秆填埋沟，将秸秆整秆或粉碎后埋入沟内；每季埋草沟与上一季埋草沟有一定间隔，以此类推，几年后实现全田开沟、埋草一次；实现秸秆全量还田的同时，达到了田块深耕一次的目的。墒沟埋草还田技术主要应用于长江流域稻麦两熟区，将传统积肥方法与现代农机作业和农艺措施有机结合起来，在水田中开沟填埋秸秆，加快秸秆腐解、培肥土壤［30］。

现阶段间接还田技术主要有以下几种。①过腹还田。该方法符合目前“种养结合”的新理念［31］。但是随着研究的深入，发现秸秆转化成畜禽粪便后容易把重金属及抗生素一同施入田间，可能对土壤及食品安全产生负面影响。②堆肥还田。随着秸秆腐熟剂的应用，秸秆腐熟剂的优劣成为该技术在实际应用过程中的关键，因此具有实际价值的秸秆降解菌得到尝试和发现。目前降解秸秆的微生物主要包括里氏木霉、芽孢杆菌、黑曲霉、绿色木酶、酵母和乳酸菌等，这些微生物能够产生纤维素酶、半纤维素酶和木质素酶，进而降解作物秸秆［32］。堆肥还田依然是当前倡导的还田方法之一［33］。③炭化还田。秸秆在高温无氧的条件下炭化制成生物炭施入土壤［34］。④栽培食用菌后还田。即将秸秆栽培食用菌后与畜禽粪便等物料堆肥发酵后作为有机肥还田［35］。

3.2 秸秆还田技术的现阶段培肥效果

现阶段研究了秸秆还田对土壤理化性质、土壤肥力质量、土壤微生物与酶活性、土壤碳氮循环、土壤与作物重金属含量、作物产量及其构成等方面的影响［36］。土壤微生物与酶活性和碳氮循环成为当前研究的重点，有科研人员系统综述了相关研究进展，主要包括秸秆还田下水稻土中微生物生物量、群落结构、多样性等特征［37］，水稻土壤氮素转化过程中相关功能微生物的作用以及关键功能基因驱动机制和稻田氮循环微生物及功能基因等［38，39］。张婷等［25］从微生物学、酶学、动物学方向提出秸秆还田可能的培肥机制，即微生物、酶、动物三者相互联系、相互影响，共同参与秸秆还田培肥土壤过程。秸秆还田效应具有多重性、复杂性和交互性，其对农田环境的负面效应也得到关注，秸秆还田后的温室效应、化感效应、农田病虫害、土壤温度、土壤水分以及土壤修复等得到关注。

3.3 秸秆还田技术现阶段存在的问题及展望

现阶段秸秆还田技术存在亟待解决的问题。①秸秆还田对土壤培肥效应的研究主要集中于土壤物理、化学、生物特征等方面，关于秸秆还田下土壤有毒物质的研究较少［25］。②稻田秸秆全量还田的土壤培肥效应及其影响因子、稻田秸秆全量还田下肥料及水分运筹技术、稻田秸秆全量还田技术下土壤养分供应与作物养分吸收的耦合关系及协调机制等研究不足。③秸秆还田后，稻田耕层肥力及生产力对不同类型化肥施用措施的响应机制。④开发适用性广的秸秆还田机械设备。中国农作物种类多，不同农作物秸秆理化性质和种植环境各异，因此作物收获及秸秆还田对设备的要求也不尽相同，需开发服务于秸秆还田技术的具有高效、低能耗、适用性广等特点的机械设备［40］。⑤发展秸秆直接还田配套的快速腐解技术。现在秸秆还田仍需要对作物进行收割、秸秆粉碎后再还田。如果秸秆原位还田后快速腐解，不影响作物的萌发、扎根等生长过程，可以大幅度减少人力和物力。因此需要挖掘、研发适宜的腐解菌群或腐解剂，使秸秆腐解速率契合作物生长不同阶段对养分的需求［36］。⑥发展与秸秆还田配套的栽培措施。合理安排秸秆还田方式、还田时间、还田数量，充分发挥秸秆的最大作用［41］。

4 结论

秸秆还田技术在现代农业可持续发展中发挥重要的作用，符合“藏粮于地，藏粮于技”战略。中国秸秆还田技术不同阶段的技术特点与当时的国家政策、生产状况、耕作水平密切相关。经过几十年的发展，秸秆还田技术逐渐由人工向机械化转变，由复杂化向轻简化转变，由地区性应用向多地区应用发展。秸秆还田的培肥效果和机制得到系统研究，对改善土壤物理、生物、化学性质、提高作物产量、实现农业可持续发展具有重要意义。