秸秆还田及其在蔬菜生产中的应用

韩哲潘凯

(1.黑龙江省农业科学院博士后工作站，黑龙江 哈尔滨 150086；2.黑龙江省农业科学院农业遥感与信息研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；3.东北农业大学园艺园林学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

工业发展的同时为农业带来了新的发展方向，化学肥料的应用提高了作物的产量，但其长期过量施用并缺少配套管理措施，导致土壤肥力不平衡、土壤退化及环境问题。土壤环境的恶化已成为农业领域的重点关注问题，包括水土流失、土壤有机质下降、养分含量降低、耕层变薄和土壤酸化等。以保护性耕作为代表的保护性农业成为全球范围内关注焦点，减耕、免耕、轮作和覆盖等栽培模式的覆盖面积迅速增长。其中，秸秆的循环利用是保护性耕作培肥土壤的有效途径，同时秸秆还田是解决秸秆资源利用简单方法，拥有巨大的发展潜力。

1 秸秆的产生及其应用

秸秆是成熟农作物茎叶(穗)部分的总称，是农作物收获后的剩余部分，其中包含了50%以上作物光合作用产物，是重要的可再生能源。据统计，2018年世界各国年产秸秆25～30亿t，我国年产秸秆量高达8亿t，占全世界秸秆总量的30%，秸秆已成为重要的农业副产品[1]。秸秆中以粮食作物秸秆所占比例最高，以玉米(Zea mays L.)、水稻(Oryza sativa L.)和小麦(Triticumaestivum L.)为代表的3大粮食作物秸秆量就高达6.5亿t[2]。作物秸秆中储存了大量光合作用产物，中国主要作物秸秆资源的氮磷钾养分总含量高达1982万t，其中钾含量最高(1159.5万t)，玉米、水稻和小麦3大粮食作物的养分资源含量最高(占总量的81.8%)，黑龙江省的秸秆养分资源总量最高(占全国总量的10.3%)[3]。秸秆已成为当今世界上仅次于煤炭、石油和天然气的第4大能源，也是重要的有机肥源。

传统农业生产中，秸秆与人畜粪便堆沤还田是我国秸秆还田的主要形式，是普遍推广的土壤培肥措施之一。秸秆的应用上，美国大多将秸秆进行统一的分解或发酵后加工成有机饲料应用于养殖业，而我国仅有20%废弃秸秆加工后用于动物养殖，另有10%用于制造纸张或工艺品。世界上许多国家都很重视秸秆还田技术的研究和应用，与发达国家相比，我国秸秆还田率较低。秸秆应用的传统方法是焚烧还田，起到清洁田园作用的同时具有培肥土壤的效果，但操作过程中产生的烟雾和烟尘颗粒对环境造成影响，增加温室气体排放并造成温室效应[4]。近年来，全国各地严格控制秸秆焚烧，进行法律约束并鼓励秸秆资源化利用，而且多地采取财政补贴政策。在秸秆资源化利用的大背景下，秸秆还田能够有效促进资源再利用且提高资源利用效率，有利于农业可持续发展。

秸秆还田是秸秆肥料化利用的一部分，利用不适宜直接作饲料的部分直接或堆积腐熟后施入土壤，包括直接还田和间接还田2大类[5]。秸秆直接还田方式包括机械还田、残茬还田、堆沤还田、覆盖还田和过腹还田等方式。随着科学技术的进步和农业机械化作业水平的提高，以堆肥为主的秸秆还田转变为以直接还田为主，如秸秆还田联合整地机械化技术可以将秸秆粉碎还田、旋耕起垄和机械镇压等操作相结合，更有利于提高农业综合生产力。近年来随着对环境保护的重视，以及相关法律和政策的支持下，秸秆还田越来越受到重视，相关研究随之增加。由于不同作物秸秆组成成分不同，各种物质含量受秸秆种类、生长部位和环境气候条件的影响，其成分的变化直接影响还田效果，特别是纤维素、半纤维素和木质素等对分解速度的影响。因此，秸秆还田研究受多种因素影响，实际应用中需要结合作物种类、秸秆类型、气候特点和土壤类型等综合考虑。此外，秸秆还田能够提高土壤养分、改善土壤结构的同时也存在许多问题，如配套技术不完善、土传病害及地下害虫发生严重等问题，制约了秸秆还田技术的应用和推广。

秸秆的利用及其效应研究一直是国内外研究热点，结合了环境、植物、土壤等多个研究领域。秸秆分解过程能够改善土壤营养状况和土壤生态环境，提高作物产量并控制病害发生[6]。但是，对秸秆还田方式方法及应用效果的研究中，发现了其对产量形成和病虫害发生的不确定性。这些现象的产生与水分和养分等土壤状况关系密切，特别是秸秆添加后导致土壤碳氮营养的失衡，秸秆分解过程与作物争夺营养直接影响了作物生长。农业生产中，将作物残茬及秸秆从田间移除，增加土壤侵蚀、降低土壤有机碳及营养成分，导致作物产量降低，但盲目秸秆还田也会对作物生产和土壤环境带来不良影响。秸秆还田应用中常出现“缺苗断垄”现象直接影响产量形成，这种发芽或生长被抑制与水分竞争或化感作用有关[7]。不仅如此，秸秆还田的实际应用中也出现了病虫害加重的现象，这与秸秆携带病原菌回归土壤提高了土壤病原菌数量有关。因此，耕作习惯、栽培模式、还田方式、还田比例、配套措施等均影响还田效果，需要针对生产中的特点进行分析。

2 秸秆还田对土壤环境的影响

秸秆还田改变土壤容重和孔隙度等物理性质，同时对土壤水分、养分和温度等环境条件产生影响。人为扰动生态系统中，可作为有机肥源的作物秸秆大多没有以合理的方式还田，原有循环模式被打破，植物从土壤中吸收的养分无法回归土壤，阻断了以秸秆为纽带的农田生态系统中物质能量循环，直接影响农业的可持续性。秸秆作为重要的有机肥源，含有大量有机物质、营养元素和微量元素，其还田后可以直接补偿土壤潜在肥力的消耗，增加土壤有机物质积累、促进土壤团粒结构形成、提高耕层土壤孔隙度、改善土壤结构并维持农业可持续[8]。土壤是植物赖以生存的场所，具有许多重要的生态功能，包括生物量产生、水分的贮存和过滤、营养的储存和循环、生物活性保持和碳储存等。

土壤理化性质是土壤评价的重要指标，一定程度上反映土壤功能、水分和养分的有效性。秸秆还田后土壤养分的变化与秸秆腐解有关，秸秆的腐解是秸秆还田后的重要过程，对土壤环境造成影响。秸秆的分解分解速度一般表现为“先快后慢”，且速度的快慢与温度关系密切。一般情况下，温暖环境有利于秸秆分解和营养释放，而寒冷的环境会降低秸秆的分解速度。秸秆分解的同时释放秸秆中的营养成分，其释放速度与秸秆的组成成分相关。有研究发现，秸秆还田后水溶性钾分解释放较快，而氮的分解和释放过程缓慢而复杂[9]。秸秆还田对土壤碳氮平衡的影响至关重要，农业生产中的有机碳输入主要是作物秸秆、残茬和有机肥，其中秸秆是最重要的来源。由于秸秆具有较高的碳氮比，其分解过程会改变土壤中的碳氮营养情况，提高土壤总氮和有机氮含量，但也有研究发现，其降解过程与作物竞争氮源[10]。氮素在植物生长和产量形成中具有重要作用，土壤固氮作用与微生物活动相关。如，小麦秸秆的添加降低了土壤中硝态氮的含量，而增加了铵态氮的含量，其原因在于腐解过程中，微生物的活动利用了硝态氮，施入的尿素经脲酶分解后提高铵态氮的含量[11]。

土壤微生物是农业生态系统的重要组成部分，是土壤活性养分的重要来源。土壤微生物区系在维持土壤健康和抑制植物病害方面发挥着积极的作用，其中根际微生物群落、植物根系和根际环境的相互作用决定了植物的健康[12]。土壤中的有机质是微生物活动的重要能源物质，秸秆的引入增加了土壤有机质含量，同时植物体和残茬分解作用能够刺激微生物活动。因此，通过秸秆还田可以有效增加土壤中细菌、真菌和放线菌数量，改善土壤微生物的群落结构和功能多样性[13]。与此同时，土壤理化性质与微生物的作用是相互的，土壤微生物活动也作用于土壤有机质的分解和养分循环等过程。值得注意的是，以秸秆添加为代表的有机改良方式通过优化土壤环境微生物群落结构，对土传病害相关病原菌产生抑制作用。这种抑制作用与有机质的添加对微生物活动的刺激有关，引起植物病原体和有益微生物间的竞争作用，减少土壤病原体潜在感染位点数量[14]。同时，秸秆腐解进程改变土壤微生物群落，特别是特定优势菌群的变化，秸秆还田中微生物的复杂而持续变化有待于进一步研究。

3 禾本科与蔬菜作物栽培互作相关研究

粮食和蔬菜都是人们日常饮食的重要组成部分，蔬菜生产具有高投入高产出、复种指数高和种植集约化的特点，近年来蔬菜生产中的土壤退化问题越来越严重。虽然多样化种植更有利于土壤环境的生态调控，但从事蔬菜种植的农户受种植习惯和经济利益的影响，多采用更换品种、施肥和施药的方式保证蔬菜生产，而很少采用粮菜轮作方式。相关研究中，为了改善连作障碍和土壤退化，蔬菜作物与禾本科作物的间混套作相关研究越来越多，包括对作物生长和土壤生态环境等方面。葫芦科作物黄瓜和西瓜相关研究发现，禾本科作物间混套作对作物生长、病害防治和土壤病原菌的积极影响[15]。不仅如此，番茄、蚕豆和辣椒等蔬菜作物与禾本科作物间混套作对蔬菜生长及菜田土壤状况产生积极作用，有利于生态农业的发展和土壤环境的可持续。

秸秆还田的主要方式是原位还田，即作物收获后剩余的秸秆归还到自身土壤中，且以玉米和小麦等粮食作物为主，而将粮食作物秸秆应用于菜田中的研究相对较少。禾本科作物残茬、秸秆还田及不同栽培模式在蔬菜生产上的积极作用，包括了小麦和燕麦残茬施用提高了大棚黄瓜产量并改善连作土壤理化性质，水稻和小麦秸秆添加促进番茄生长并对土壤养分和微生物生物量产生影响，小麦残茬的添加促进了西瓜生长并提高了植株抗病性，秸秆还田有利于双季稻-油菜轮作系统中油菜产量的形成，并有效改善土壤氮钾肥力。可见，禾本科秸秆还田及与禾本科作物轮作等栽培模式有利于蔬菜作物生长，同时改良土壤性质。

4 总结与展望

近年来，有机农业理念越来越受到重视，提高食品质量的同时减轻环境压力。秸秆是重要的有机生物质能源，其资源化利用有利于培肥土壤和环境保护。粉碎的秸秆与土壤混合后直接影响了土壤物理性质，特别是容重、孔隙度和持水量等，秸秆添加对土壤气体和水分条件的改善，有利于植物根系对水分和养分的吸收利用，促进植物生长。秸秆进入土壤后，随着秸秆的分解及物质的释放，影响速效氮、速效钾和有机碳等土壤养分含量，特别是对碳的固定作用有利于碳库积累。通过秸秆还田补偿土壤潜在肥力消耗，并改善土壤状况，有利于农业可持续发展。

随着蔬菜产业的不断发展，连作障碍研究越来越受到重视，这种现象的产生与土壤环境的恶化密切相关，土传病害的严重发生是重要的表现之一。实际生产中，蔬菜种植户往往考虑蔬菜的效益较好，不愿通过与粮食作物轮作改善土壤质量。大量研究证实了禾本科作物秸秆在蔬菜生产上的积极作用，将禾本科作物秸秆以外援添加形势引入菜田土壤，由于作物间亲缘关系较远、共同的病虫害较少，有效避免了病虫害交叉侵染。同时，通过秸秆还田的有机改良手段引导土壤微生物群落结构变化，可以有效控制土传病害发生。通过轮作改变种植种类是退化土壤改良的重要手段，特别是禾本科作物间作混种对蔬菜生产的积极作用。