寒地水稻秸秆还田对土壤生态环境影响的研究进展

吴玉德 张旭 关法春 吴恒梅 翟登攀 李春丰 许龙 邹玉

摘要：秸秆还田是将农业废弃秸秆进行资源再利用的一种环保方式，东北地区水稻秸秆数量庞大，冬季气温较低，秸秆腐解效果不佳，且秸秆利用率不高。为此，本文从水稻秸秆还田技术，传统秸秆还田方式对土壤生态环境的影响，以及秸秆还田配施低温菌剂对土壤生态环境的影响3个方面进行阐述和讨论。总体而言，水稻秸秆还田具有培肥地力、减轻化肥对土壤污染、退化的作用。由于寒地实行的秸秆还田技术和土壤条件的不同，致使还田效果不一。因此，在实际作业中对不同还田条件应用配套的治理方案，及时改良和调整技术方法，以期推广秸秆还田技术在农业生产中广泛应用，为今后寒地水稻秸秆还田技术发展提供理论依据和技术参考。

关键词：秸秆还田；水稻秸秆；寒地；土壤生态环境；研究进展

中图分类号：S181 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）15-0001-07

基金项目：黑龙江省教育厅基本科研业务费基础研究项目（编号：2020-KYYWF-0233、2019-KYYWF-1403）。

作者简介：吴玉德（1975—），男，黑龙江佳木斯人，硕士，副教授，研究方向为生物学。E-mail：1409193990@qq.com。

通信作者：邹 玉，硕士，助理实验师，研究方向为生物学。E-mail：55354323@qq.com。

水稻是我国主要的粮食作物，播种面积巨大，占我国粮食总产量的31.17%。随着我国水稻育种水平和栽培技术的提高，稻谷的总产量呈整体递增趋势，水稻秸秆的产量也随之增加，年产量达 22 706.9万t［1］。面对水稻秸秆的大量残余，种植户往往处理不当，为节省耕地时间，一般会采用就地焚烧的处理方式，其释放的CO2和CH4气体对环境产生不利影响，是造成农业生态环境污染的主要因素之一。水稻秸秆处理不当会严重影响土壤生态环境，长期研究表明，水稻秸秆还田可有效解决此类问题［2-6］。

土壤是生物的栖息地，土壤生态环境的质量直接影响农田的生产力。我国是农业大国，为维持农作物保质保量的生产状态，坚决维护土壤环境质量是必不可少的［7］。结合国内外研究发现，秸秆还田对土壤资源保护有很大帮助。秸秆还田可提高土壤肥力，增加土壤微生物活性和数量，改善土壤细菌、真菌群落组成，保持土壤养分平衡，可有效减缓化肥对土壤的有害影响，有利于减少化肥施用量和田间残留污染物的含量，在防止秸秆二次污染方面发挥着非常重要的作用［8-9］。秸秆还田还可影响土壤生态环境质量，土壤生态环境则主要与土壤理化性质和土壤生物学性质等密切相关［1-2，8］。

东北作为我国粮食主产区，秸秆资源丰富［10］。但寒地独特的气候，使得还田后的秸秆腐解速度缓慢，秸秆还田效果不佳。因此，在实际生产中探讨低温条件下提高秸秆还田效率，是解决寒地水稻秸秆还田的关键问题。相关研究提出，在秸秆还田中添加低温生物菌剂来提高寒地秸秆腐解速率，在实际作业中采取相应的治理方案和技术方法均可提高还田效果［11-13］。在此背景下，本文结合国内外最新研究进展，从寒地水稻传统秸秆还田和秸秆还田配施低温菌剂方式对土壤生态环境的影响进行总结，并对寒地水稻秸秆还田的主要问题提出建议，以期为寒地水稻秸秆还田提供研究方向和理论参考。

1 水稻秸秆还田技术

1.1 秸秆还田方式

寒地水稻秸秆还田方式中的直接还田是秸秆还田的常规操作方法，主要有粉碎翻耕还田，是指用秸秆粉碎机粉碎秸秆后翻耕入土；覆盖还田，是指秸秆经机械化粉碎后覆盖在土壤表面进行还田，起到保墒防草作用；留高茬还田，是指用机械将确定收割高度的水稻秸秆翻埋入土的技术［14-15］。因为黑龙江地区与保护性耕作的相结合，水稻秸秆主要选用粉碎还田中的浅旋还田和深翻还田2项技术，不同之处在于秸秆的翻入深度，深翻需在20～30 cm 的土层中，更有利于保护健康的土壤结构。秸秆在土壤中腐解成有机肥，增加土壤有机质含量，改善土壤的理化性能，增强土壤肥力［16-17］。因此，秸秆直接还田能及时就地处理秸秆，避免腐烂、焚烧导致的环境污染问题，是一种循环再利用的环保措施。

寒地水稻秸秆还田方式中的间接还田是指作物秸秆经科学处理再还田的一种方法［14，18］。传统方式包括过腹还田，是指秸秆经畜禽消化后，粪便经过腐熟处理的形式再返还土壤的方法，由于家畜采食数量有限，且东北普遍畜禽养殖规模不大，导致还田技术推广受限［16-17］；堆腐还田，是指将水稻秸秆与畜禽粪便和生物菌剂经混合堆腐发酵后变成肥料的一种还田方法；较传统方法相比，在寒地地区应用微生物菌剂秸秆腐解代谢缓慢，随着微生物活性的降低，影响秸秆降解速度［19］。而低温菌剂的不同之处在于，它更易提高低温秸秆腐解速度，可在低温下延长菌剂对秸秆的作用时间，提高了秸秆的降解率，同时还增加了土壤的有机质含量，影响土壤微生物活性［13］。

1.2 秸秆还田机械

由于秸秆还田工作量大，操作时间长和人员劳动强度的增加，导致秸秆还田量有限，为了保證还田质量，现在普遍采用机械辅助还田。目前我国的秸秆机械化还田主要是秸秆粉碎还田和整秆还田［4］。根据农业农村部秸秆综合利用技术中的方法，水稻秸秆还田先采用秸秆收割机对秸秆进行收割，一般需要进行2遍粉碎，即在秸秆收获时将秸秆粉碎1次，再利用秸秆还田机将抛撒在耕地表面的秸秆再粉碎1次［20］。为保证省时、省力、作业质量高，秸秆粉碎后，一般使用旋耕整地机作业，其中大型反转灭茬旋耕机，采用切刀式秸秆还田，清除秸秆茬根并深翻入土，利于培育土壤，田面平整易于播种［21］。最新研究还有旋耕播种施肥复式一体机，可达到高效旋耕、播种、施肥一体化，不再是单一作业［22］。

1.3 秸秆还田量

水稻秸秆还田数量要适宜，土壤性状和水稻产量都会受到秸秆还田量的影响。秸秆还田量过少，土壤肥力得不到提高，通常情况下还田量应该控制在6.0 t/hm2，若偏高往往会适得其反［21］。过量的秸秆还田会导致秸秆不能完全腐烂，影响下茬耕作［23］。在薄地上离播种期较近时，秸秆覆盖量不宜过大，而在肥地不近播种期时，则可大量翻压还田。秸秆还田量的确定，与秸秆的类型、耕地方式、土壤类型和气候条件等直接相关［22］。有研究指出，在少耕和翻耕的情况下，秸秆全量还田，免耕秸秆还田量为2/3时，土壤中速效钾和有效磷含量均有所增加。当翻耕的秸秆还田量为2/3时，微生物活性最高，免耕还田量为1/3时活性最高［21］。

2 传统秸秆还田方式对土壤生态环境的影响

以下主要概括与分析应用传统秸秆还田方式对土壤生态环境产生的影响。

2.1 对土壤物理性状的影响

目前，有关秸秆还田对土壤物理性状影响的研究认为，稻田土壤的土壤紧实度、土壤腐殖质含量、土壤结构都与土壤物理性质紧密相关［14-22］。秸秆还田可降低土壤的容重、增加土壤孔隙度，有利于形成良好的土壤团粒结构［17］。

土壤容重可以直接影响土壤养分的调节，对作物根系的生长和伸展影响较大［24］。土壤中孔隙的数量及质量是土壤物理性状的重要表现，对土壤肥力有多方面的影响，其中对土壤肥力基本要素的变化与供应能力影响较大［6］。土壤孔隙度和结构性良好的土壤，能够较好地给作物提供所需的水分和空气，提高土壤养分调节能力。但孔隙度过小会导致水、气不通，微生物活性减弱，养分释放不佳，易拉断根系；已有研究表明，寒区长期水稻秸秆还田处理使土壤容重显著降低了0.07 g/cm3，从而改善了土壤的理化性状，随着时间的延长，改善效果越明显［25］。在稻麦季秸秆全量还田配施腐熟菌剂研究中，连续5年的试验结果表明，长期秸秆还田对土壤容重和孔隙度影响效果显著，5年间土壤容重下降了 0.08 g/cm3，孔隙度增加6.0百分点［26］。此外水稻秸稈沟埋还田也会降低土壤容重、增加土壤总孔隙度［27］。在秸秆还田配施生物菌剂研究中，浅层土壤容重有显著下降现象，但连续还田5年后，稻茬翻耕作业翻入土壤表层，土壤容重变化的差异性减少［28］。

秸秆还田后可产生大量的腐殖酸，促进水稳性较高的土壤团粒结构形成，土壤团粒结构具有抗旱作用，可保持土壤的蓄水能力，减少土壤板结现象，进而提高土壤耕作质量［22，29-30］。Song等在秸秆还田长期试验的基础上研究的结果表明，双季稻的土壤中超团聚体和大团聚的比例最高，为72.1%～81.8%，秸秆还田显著增加了超团聚体和大团聚体的比例，提高了土壤团聚体和有机质的稳定性［31］。而Huang等的研究表明，秸秆还田还可增加微团聚体的比例，秸秆腐解释放的养分促进了土壤团聚体形成，从而提高了土壤有机碳的含量［32］。秸秆还田可减少土壤水分蒸发，相关研究结果显示，秸秆翻耕还田后，土壤含水量增加了5.97%，这是因为土壤形成的团粒结构具有土壤蓄水保墒的能力；但传统的翻耕方式使土壤的孔隙度增大，土壤表层水分向下渗透，表层水分蒸发，不利于提高土壤蓄水保墒的能力［33］。

总体而言，秸秆还田对土壤物理性状产生的影响是多方面的，主要体现在对土壤结构的影响。通过增加土壤孔隙度，降低了土壤容重和紧实度，改善了土壤通气性，促进了土壤团聚体的形成，从而达到维持土壤结构稳定性的目的［3，14，31］。

2.2 对土壤养分的影响

秸秆腐解后会释放大量的植物生长所需碳、氮、磷、钾等营养元素，是土壤有机肥的来源之一［22，34］。秸秆还田可改善土壤的养分供应状况，有利于提高土壤肥力和有机质含量［14，18］。在稻区秸秆还田的试验中，秸秆还田配施合理的施肥量能够有效地提高土壤的有机质、速效磷和速效钾的含量，改善土壤养分循环。有研究表明，秸秆还田后土壤有机质含量提高了40%～74%，土壤速效钾含量提高4%～32%，土壤速效磷含量增加幅度较小，原因是与秸秆中含磷量较低有关［5］。在长期秸秆还田的研究中发现，稻麦秸秆全量还田处理后，土壤有机质含量增加3.8 g/kg、速效钾含量增加 1.0 mg/kg，有效磷含量无明显变化，秸秆配施菌剂处理的土壤有机质、有效磷、速效钾含量分别增加了3.5 g/kg、0.4 mg/kg、2.0 mg/kg［26］。

不同秸秆还田方式对土壤速效养分含量的影响各有不同。秸秆还田翻耕在30～40 cm土层中，土壤有机碳含量远高于对照，但在大于40 cm土层的土壤中效果是不显著的［35］。此外，在0～7 cm土层中显著提高了土壤速效磷的含量，而全氮含量的差异性不显著［29］。Wu等的研究表明，稻草秸秆还田可提高土壤碳素形态和土壤有机碳的含量，其中土壤有机碳含量与秸秆施用量存在正线性相关关系，土壤有机碳含量增加了1.8%～2.0%［36］。秸秆粉碎还田有利于秸秆的养分释放，对土壤养分有增效作用。在研究不同秸秆还田方式对东北黑土理化性质影响时发现，秸秆直接还田+微生物菌剂与堆肥还田+微生物菌剂相比，土壤有机质、腐殖质和富里酸有机碳的含量，分别增加2.28、7.82、5.26 g/kg［37］。秸秆直接还田+微生物菌剂可增加土壤有机质、腐殖质的含量，这是因为秸秆配施菌剂直接还田可以提升土壤养分，对土壤肥力有增效作用。

2.3 对土壤生物性状的影响

土壤微生物对土壤形成发育、养分循环、肥力演变均有重要作用，是农田生态系统中重要组成部分，是反映土壤肥力的有效生物学指标［22］。土壤微生物参与土壤中的能量和物质循环，促进了有机质的分解和养分转化，提高土壤肥力，还可加快作物对养分的吸收［38］。

秸秆还田对土壤微生物群落多样性和丰富度有提升作用，是提高微生物生态功能的有效措施。随着秸秆还田作用时间的延长，水稻秸秆还田可丰富土壤真菌群体多样性，显著增加真菌群体数量［22，39］。有研究表明，秸秆还田配施化肥，可提高土壤微生物活性，有利于土壤碳的降解。此外，秸秆还田后对土壤真菌酶活性的变化较明显［40］。Jin等在为期4年的秸秆还田研究中发现，秸秆还田可增加稻田细菌、真菌群落指数，还可提高微生物群落丰富度。秸秆还田+常规施肥减20%与秸秆还田+常规施肥相比，变形菌门、担子菌门的相对丰度均有所提高，土壤细菌群落组成的变化主要受土壤全磷和有效磷含量的影响［41］。Yu等在研究秸秆还田对土壤细菌群落的影响中发现，采用定量PCR和高通量测序方法，对连续6年秸秆还田处理下，5～25 cm 土层中细菌丰度增加，25～45 cm深度土壤中未有显著差异［42］。

土壤酶的活性，可作为判断土壤生物活性、鉴别土壤类型的重要指标［43-44］。土壤酶是养分转换的重要组成部分，可促进土壤中有机质的转化和土壤中腐殖质的形成［45］。有研究认为，水稻秸秆还田处理的土壤磷酸酶、蔗糖酶活性显著高于不还田处理，而脲酶活性显著低于不还田处理，土壤磷酸酶活性随着秸秆量的增加而升高，土壤蔗糖酶、脲酶活性呈现先降低后升高的趋势［1］。已有研究表明，秸秆还田配施化肥较常规处理，可显著提高稻田磷酸酶和脲酶活性，分别提高了28.54%和24.13%，这是因为秸秆和化肥的添加为土壤微生物提供了充足的氮源，提高了微生物活性［41］。长期秸秆还田显著提高了早稻大部分的土壤酶活性，而晚稻秸秆还田会降低土壤pH值，不利于土壤酶活性的提高［46］。王倩倩等的研究表明，在冬季秸秆翻耕还田及配施氮肥的试验基础上，能在一定程度上增加冬闲期土壤碳含量及相关酶的活性，土壤酶活性均高于春季还田，对推广冬闲期秸秆翻耕还田具有重要意义［47］。水稻秸秆还田对土壤生态环境的影响总结见表1。

3 秸秆还田配施低温菌剂对土壤生态环境的影响

3.1 低温菌剂在秸秆还田中的应用研究

低温菌剂是指在低温条件下可快速腐熟秸秆的复合菌群，主要以低温纤维素降解菌为主，具有稳定性强、功能多样和无毒害作用的特点［37］。

3.1.1 低温纤维素降解菌

低温微生物是指在低温条件下具有生长能力且产生特殊代谢产物的微生物［52］。低温微生物分为嗜冷型和耐冷型2种，其中嗜冷型微生物的最适生存温度在15 ℃左右［53］；耐冷型微生物的生存温度在0～40 ℃，其生长、繁殖的最适温度在20 ℃左右［54］。低温微生物资源丰富，其中的低温纤维素酶可分解纤维素，尤其是冬季气温较低，秸秆纤维素降解缓慢时，可利用纤维素酶解决低温秸秆降解难的问题［55］。因此，筛选出低温条件下，具有高活性的纤维素酶菌株是开发利用低温环境中微生物菌剂的关键。

通常情况下，可通过对低温菌株酶活性的测定，筛选酶活性较高的菌株，构建复合菌系，获得最佳的产酶组合，优化复合菌系的产酶条件，确定最适产酶环境来进行低温秸秆腐解菌剂的制备［12］。目前，对土壤的低温纤维素降解菌研究相对较少，低温纤维素降解菌的分离和筛选常用纯培养方法。在自然环境下，降解纤维素的过程是复杂的，是需要多种微生物共同协助才能达到完全降解的过程。因为秸秆的成分复杂，依靠单一的菌株其纤维素酶活性较弱，不易达到降解效果，所以利用纯培养方法不能较好地解决降解天然纤维素的问题［53］。已有研究认为，利用微生物之间的拮抗和协同作用，可加快纤维素的分解，从而改善秸秆的降解效果［19］。研究低温降解纤维素的微生物具有实际意义和开发价值。

3.1.2 低温纤维素降解菌的应用

东北地处寒温带，气候干燥寒冷，秸秆掺入土壤后不易腐解，在土壤中滞留时间长，从而产生病虫害，影响下茬作物种植生长，不利于田间耕作［56］。秸秆主要是由纤维素、半纤维素和木质素三部分组成，在低温条件下，合理利用纤维素降解菌剂提高纤维素降解率，从而促进秸秆腐解，改善土壤养分循环，同时还可以提高有机质含量和酶活性［12］。近年来，低温菌剂在秸秆还田中的应用研究受到了学者们的高度关注。有关低温纤维素降解菌的特性研究和应用见表2。

3.2 低温菌剂的应用对土壤养分的影响

秸秆还田施加秸秆降解菌剂是一种能使秸秆快速分解、释放养分的微生物菌剂。已知相关研究显示，低温秸秆降解菌剂已成为一种新兴研究方向［56，59］。运用施加菌剂可以提高土壤养分，对土壤酶活性、土壤微生物多样性均有提升作用［54］。有研究表明，秸秆还田配施低温秸秆降解菌剂的处理，对土壤中全氮、速效钾、碱解氮含量均有提高作用，且显著高于常温和对照处理［60］。赵伟等在连续4年的玉米秸秆还田研究中发现，应用低温菌剂的农田黑土碳、氮提高效果较好，低温复合菌剂处理后，土壤硝态氮含量总体大于对照处理，土壤全氮含量较对照提高7.40%～14.81%，有机质含量较对照提高0.93%～5.61%。因此，低温复合菌剂处理能显著提高土壤碳、氮含量，增加土壤养分含量［63］。

在研究北方低温地区秸秆难以腐解问题时发现，土壤碱解氮、速效磷、有机质、速效钾含量和pH值随着低温菌剂处理天数增加，均呈上升趋势［64］。秸秆微生物腐解剂中产生的纤维素酶，可有效加快秸秆分解速率，改善土壤化学性状［19］。在15 ℃条件下，秸秆配施菌剂与对照相比，具有改善土壤速效养分、有机碳和腐殖质品质的优势，低温菌剂处理中秸秆失重率提高19.80%，其中碱解氮、速效磷与速效钾含量分别为130.35、19.57、145.82 mg/kg，有机碳和腐殖质含量分别为17.97、6.71 g/kg［12］。低温复合菌剂的使用显著增加了土壤全氮和铵态氮含量。对土壤有机质含量有显著影响，比对照处理提高了2.8%，同时土壤微生物碳含量高于其他处理，平均为57.16 mg/kg，是对照的1.64倍［65］。因此，低温秸秆降解菌剂具有提高秸秆腐解速度、改善土壤理化性质的作用，还可影响土壤养分的供应情况，提高土壤肥力。

3.3 低温菌剂的应用对土壤生物性状的影响

秸秆还田可增加土壤有机质含量，为土壤微生物的生命活动提供能量，进而改善土壤微生物活性［13］。此外，秸秆还田配施菌剂可增强土壤酶活性，进而丰富微生物群落数量［39，54］。有研究表明，秸稈还田配施化肥及微生物菌剂，与单施秸秆相比，土壤过氧化氢酶与尿酶活性存在极显著关系，过氧化氢酶活性提高37.5%～68.8%、尿酶活性提高48.8%～102.0%、转化酶活性提高32.3%～61.5%，细菌量提高95.3%～174.0%、真菌量提高286.0%～351.0%，这是因为土壤酶活性与微生物数量密切相关，所以真菌和细菌数量变化主要与转化酶和尿酶活性有关［66］。小麦秸秆施用腐熟剂，对土壤微生物群落的组成与活性产生变化，其中碳源总体、Shannon多样性指数、群落丰富度均增大［67］。在田间运用微生物菌剂秸秆还田的试验结果表明，土壤脲酶和多酚氧化酶活性均呈现峰值，分别为4.85、1.46 mg，分别较对照提高了3.2、8.1倍，微生物菌剂可明显的提高土壤中酶活性［68］。

在配施低温菌剂降解秸秆还田的研究结果表明，较常温菌剂相比，土壤微生物数量、土壤酶活性及微生物碳、氮含量均得到显著提高。土壤细菌数量较对照高3.72%，低温复合菌的土壤真菌、放线菌数量最多，分别较对照高2.11倍和21.34%［13］。Song等进行了2年的田间试验，探讨了秸秆降解复合微生物剂对微生物活性和土壤微生物群落组成的影响，结果表明，秸秆降解复合微生物剂具有改善土壤微生物群落组成，提高微生物活性，增加土壤养分的综合优势［69］。秸秆还田添加微生物剂能大量分解秸秆，丰富地上生物量，提高土壤酶活性。微生物的繁殖为秸秆的快速腐熟创造了条件，并且迅速形成优势菌群，限制其他细菌的生长［70］。在秸秆还田配施低温菌剂对黑土氮碳及细菌多样性的研究中发现，低温复合菌剂的施用可以显著提高土壤细菌数量，土壤脲酶活性、过氧化氢酶活性均显著提高［65］。

总体而言，在低温条件下，秸秆还田配施微生物菌剂可加快秸秆降解速率，增加土壤养分含量，还可以提高土壤微生物数量和酶活性，改善土壤生物性状。为解决寒地秸秆腐解问题提供参考。

4 寒地水稻秸秆还田存在的问题

目前，随着我国农业技术研究日益成熟，科研人员对水稻秸秆还田的相关研究已有很多，但仍有一些问题值得深入探索。首先，在传统秸秆还田中存在的问题有：（1）不同的秸秆还田量，对寒地土壤理化性质的影响是不同的，适宜的寒地秸秆还田比例的调配研究还不够充足，直接影响秸秆还田成效。（2）不同的秸秆还田时机，对秸秆腐解程度的影响是不同的，应探究合理的秸秆还田时机，秸秆还田时间过早或过晚都不利于秸秆腐解，影响下茬作物种植。（3）应用不同的农机械受场地制约，应针对低温地区不同的土壤条件，选择配套农机械，从而提高水稻秸秆还田机械化程度。（4）在不同的低温条件下，筛选秸秆的降解菌种有限，应加强对低温秸秆降解菌剂的筛选和培养条件优化、低温纤维素酶的生化机制相关研究，构建高效的低温复合菌剂体系。（5）有关水稻秸秆还田配施低温菌剂的应用，对CO2、CH4和N2O等温室气体排放增加的问题研究还较少，应加强环境跟踪监测进行综合评估。

5 展望

随着近年来水稻种植的增加和产量的提高，造成东北地区的水稻秸秆大量残余。秸秆还田可有效解决秸秆剩余带来的问题，减少秸秆焚烧的污染现象，对稳定农业生态平衡具有积极意义。秸秆还田可以改善寒地理化性质，促进土壤有机质的生成，进而提高土壤养分和土壤肥力。秸秆还田还可减少化肥的投入量，改善土壤板结现象。今后的研究重点应把握好秸秆还田量和还田时机。对不同土壤条件应选择合适的机械配合秸秆还田。对低温气候方面，还需加强对低温秸秆降解菌的稳定性等方面的研究，复配筛选出适于低温秸秆降解的生物菌剂，对于解决低温秸秆降解缓慢的问题具有重要的实践意义。此外，还需加强秸秆还田技术的实用性，积极向广大农业工作者推广秸秆还田技术，使秸秆还田发挥应有的作用。

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