秸秆富集深层还田对农田土壤质量影响的研究进展*

饶越悦,周顺利,黄毅,窦森,代红翠,温媛**

(1.中国农业大学农学院 北京 100193;2.山东省农业科学院作物研究所 济南 250100;3.河北省低平原区农业技术创新中心 吴桥 061802;4.沈阳农业大学土地与环境学院 沈阳 110866;5.吉林农业大学资源与环境学院 长春 130118)

中国是农业大国,其农业生产经营体系具有高度集约化的特征。随着科技的突飞猛进,农作物单产水平不断提升,秸秆等农副产品的数量也显著增加。自2016 年起,我国秸秆产量已位居世界之首[1]。2020 年秸秆资源总量达8.56 亿t,其中小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、水稻(Oryza sativa)秸秆年均产量分别约为1.5 亿t、2.9 亿t 和2.1 亿t[2-3]。秸秆含有丰富的有机物和矿质元素,是农业生产中天然的养分物料[4],利用方式主要为直接还田、动物饲料、栽培基料和新型能源[2]。秸秆直接还田是秸秆有效利用的主要渠道和生态成本降低的重要措施[5-6],也是沃土工程和丰收计划的重要内容[7],对农业可持续发展具有重要意义。然而与发达国家相比,我国农业秸秆还田量依旧较低[8],部分地区因冬季寒冷或一年多熟制,秸秆还田后腐解不充分,严重影响了下茬作物的播种和出苗质量。农民为减小秸秆还田对种植的不利影响,常常选择将秸秆就地焚烧,资源浪费的同时也造成了严重的环境污染。

秸秆还田通过秸秆进入土壤的物理作用和有机质转化的生物化学作用,最终达到培肥土壤和增加产量的目的。然而,当前农业生产中主要采取的地表覆盖、碎混、翻埋等秸秆还田方式[9],由于影响下茬作物播种及出苗质量,存在与作物争氮等问题,难以实现秸秆资源的高质高效利用,制约了秸秆还田技术的大面积推广应用。因此,创新的秸秆还田技术、关键机具与高效耕作栽培模式构建是解决上述问题的关键。近年来,一种秸秆还田新模式-秸秆富集深层还田技术,能够在充分利用大量秸秆资源的基础上,既不影响作物生长发育,又可以快速培肥土壤、加厚耕层、改善耕地结构、提升耕地质量,对农业生产及可持续发展具有积极的意义。本文对秸秆深层还田技术及其对土壤质量的影响进行归纳总结,以期对未来开展相关研究提供启发和借鉴。

1 秸秆富集深层还田技术

1.1 秸秆富集深层还田的涵义

秸秆富集深层还田,即将秸秆集中还入到预定条带的下部耕层(20 cm 以下),实现深层土壤培肥和深厚肥沃耕层构建的新技术模式。通过秸秆全量、连年深层还田有效破除多年浅耕导致的土壤亚耕层(20～40 cm)紧实以及深层土壤有机质匮乏的现状[10-12],有效提高土壤质量,有利于推动农业绿色发展、保护农田生态环境。由于我国幅员辽阔,各区域作物组成、种植结构、耕作环境等差异较大,因此关于深层还田技术的概念也不统一,但普遍具备两个特征: 1)富集深还(秸秆还入耕层以下)。2)条带轮耕。实际操作中,将多行秸秆集中还入亚耕层及以下,形成深层秸秆富集条带;秸秆还田位置实行年际轮换,根据秸秆聚集情况,实行3～6 年的轮耕周期。

1.2 秸秆富集深层还田技术研究进展

秸秆富集深层还田是秸秆还田方式与耕作方法的共同创新与结合,研究区域在东北地区及南方稻田区居多,华北平原正在开展,黄土高原等地区鲜有研究;研究内容从理论到机具配套均有涉及[10-13]。黄毅等[14]采用自主研发的“深开沟-覆土-合垄”翻转犁开沟35～40 cm 深、60 cm 顶宽、30 cm 底宽,将秋收后的整株玉米秸秆直接深还田,秸秆层厚度为10～15 cm,同时向沟中施入肥料,然后覆土合垄,翌年春采用大垄双行免耕播种玉米。窦森[11]提出秸秆深还技术是通过指盘式搂草机将玉米秸秆大比例(4∶1～8∶1)富集归行,在不改变土层顺序下,使用研发的秸秆还田筒式犁一体机粉碎秸秆、风力注入到预定条带的土壤亚表层中(20～40 cm),秸秆条带宽度40 cm,而在非秸秆条带处进行正常免耕播种,实现种还分离的形式。王秋菊等[15]探究的秸秆深还田模式为:由拖拉机牵引铧式犁进行开堑和深埋作业,配合秸秆粉碎集条机将秸秆粉碎、集条沟施,其中沟宽45 cm、深45～50 cm,并且每年还田位置保持一致。Yang 等[13]在水稻-小麦系统研究秸秆深层还田,将当季收获的秸秆以整秆的方式集中,人工埋于深度>20 cm 的深沟中,沟面积仅占总田面积的10%,其余90%的田地浅旋至3～5 cm,通过逐季更换埋沟的位置,5 年(10个农作物季节)后完成一个循环,实现全田渐进式深还。

目前,中国农业大学联合沈阳农业大学和河北省农业机械化研究所等单位研究提出了“玉米秸秆机械化富集深层还田技术”,实现了作业机具配套。在玉米收获以后,使用秸秆富集深层直注还田机具可以将多行玉米秸秆集中注入20～38 cm 土层,一次性实现秸秆粉碎、收集、输送、开沟、注入、回土和镇压。该机具幅宽可以根据一次性深埋秸秆的行数定制(工作幅宽可调),其带有的粉碎刀轴高速运转,能够将站立或匍匐的整秸打碎,通过绞龙输送机集聚进入风机,利用风机的风力将秸秆压入遁注式空腔状犁体,犁体入土向前运行过程中将秸秆注入犁底层以下,形成约25 cm 宽18 cm 深秸秆簇(图1)[16]。每年玉米收获后秸秆沟位置交替变化,实现渐进式还田(图2)。

图1 秸秆富集深层直注还田机田间作业图(a)、机具完成作业后的全田效果图(b)、机器工作时正面图(c)和机器工作时侧面图(d)Fig.1 Deep-injected straw incorporation machine: (a) the field operation of the machine;(b) the view of field after machine worked;(c) front view of the main part when the machine is working;(d) side view of the main part when the machine is working

图2 秸秆富集深层还田的轮耕示意图(以轮耕周期3 年为例)Fig.2 Diagram of rotational tillage of deep incorporation of enriched straw

2 秸秆富集深层还田对土壤物理特性的影响

2.1 对土壤容重、孔隙度的影响

农业机械的集约化作业,造成耕地土壤压实严重,犁底层变浅、变硬,而秸秆富集深层还田能够较好地改善下部耕层土壤容重。董建新等[17]在以雨养农业为主的黑土上采用翻埋犁将玉米秸秆深埋至30～40 cm,拟解决东北地区秸秆还田难、还田质量差的问题。研究结果显示秸秆深埋改善深层土壤容重效果优于表层,秸秆常量(15 000 kg·hm-2)深层还田下土壤容重降低2.2%～15.0%,且随秸秆施入量增大,容重降幅增大,但随腐解年限延长而减弱,而一次性大剂量(75 000 kg·hm-2)秸秆投入后改土成效可以维持多年。Wu 等[10]为改善华北平原土壤压实、渗透性恶化等问题,使用新型秸秆直注式还田机将10 000 kg·hm-2玉米秸秆深层还田。研究表明,与秸秆旋耕还田相比,深层还田能够使20～30 cm 和30～40 cm 土层的土壤容重分别降低11.8%和4.3%,同时土壤总孔隙度分别增加15.5%和5.5%。另外,王秋菊等[15]为明确秸秆集条深层还田技术培肥土壤的效果,在黑龙江省开展研究并发现玉米秸秆集条深埋后提高了土壤总孔隙度,且显著增加了直径>0.05 mm 和0.0002～0.05 mm 有效孔隙数量。

2.2 对土壤水分的影响

秸秆富集深层还田对深层土壤蓄水具显著效应,能够提供作物所需土壤水分条件,发挥土壤水库调蓄作用,改善土壤的持水供水能力。Wu 等[10]在华北平原探究不同秸秆还田方式下土壤水分时空变化,发现玉米秸秆深层还田显著提高了冬小麦-夏玉米成熟期0～2 m 土壤贮水量,降低了土壤耗水量,提高了水分利用率。秸秆深施下土壤水分具有空间异质性,在垂直和水平方向上,均呈现出距离秸秆层越近土壤含水量越大,反之越小的规律[18]。此外,黄毅等[14]在春秋冬多风的辽西旱农区监测土壤水分变化情况后发现,干旱年份下,富集深层还田玉米秸秆层的含水量仍保持在16.39%,且各土层的含水量均明显高于传统耕作,表明深层还田具有强大的蓄水、抗旱能力,可有效改善耕地土壤“旱、薄、瘦”的状况。南方降雨充沛,水稻-小麦系统时常遭受涝灾,Yang 等[19]对长江三角洲湿润农区的研究表明,水稻秸秆深层还田(10 000 kg·hm-2)可使雨后土壤含水量和水势显著降低。原因归结于水稻秸秆沟可作为隐藏的排水通道减少麦田内涝,且排水效果取决于秸秆的埋深与分解程度。王胜楠等[20]为探究深层还田对辽西干旱地区农田土壤水分特性的影响,将6000 kg·hm-2、12 000 kg·hm-2、18 000 kg·hm-2玉米秸秆深层还田。试验结果显示,秸秆深层还田的土壤稳定入渗率均高于秸秆不还田处理,此外,同一水吸力下,秸秆上层土壤含水量也表现为上述规律,说明深层还田后土壤持水能力增强,土壤水分利用效率提高。赵永敢[21]探讨秸秆富集深层还田对土壤水分入渗和蒸发的影响,通过土柱模拟试验发现,在水分入渗过程中,秸秆层降低了累积入渗量和湿润锋移动速度,起到了阻水减渗作用;在水分蒸发过程中,秸秆层隔断了土壤毛细管,减少了深层土壤水分蒸散量。

2.3 对土壤团聚体结构的影响

土壤团聚体是土壤结构的基本单位和养分的贮存库[22]。前人研究表明,秸秆富集深层还田能够改变土壤水稳性团聚体的分布组成,显著增加亚耕层大团聚体数量,降低微团聚体含量,促进微团聚体向大团聚体转化,进而创造优越的土壤结构[17]。孟庆英等[23]为明确秸秆深层还田对土壤团聚体的影响,于辽宁省半干旱地区开展土地深开沟后将玉米秸秆整秆埋入的试验。研究发现,6000 kg·hm-2、12 000 kg·hm-2、18 000 kg·hm-2和24 000 kg·hm-2玉米秸秆深层还田下水稳性团聚体以<0.25 mm 粒径为主,这可能是水分条件造成非水稳性团聚体分解。秸秆富集深层还田能使大团聚体成为优势粒级且提高土壤团聚度,一方面可能是因为亚耕层中有机酸、多糖和腐殖酸等有机胶结物质增多[24],另一方面可能是因为微生物菌丝和根系的缠绕作用增强[25],从而使土壤小颗粒黏结成大团粒。

3 秸秆富集深层还田对土壤化学特性的影响

3.1 对土壤养分的影响

土壤有效养分含量与秸秆腐解规律密切相关,一般来说,不同还田方式下元素的释放速率存在明显差异,但整体呈现为钾>磷>碳>氮[26]。另外,秸秆腐解速率与埋置深度呈反比[27-28],但秸秆腐解速率、养分释放率均表现为土埋还田大于覆盖还田[26]。李长龙等[29]研究表明,在吉林省黑土区将12 000 kg·hm-2玉米秸秆埋入土壤亚耕层中,在一个生长季节能够分解 60%以上。因此相较于旋耕还田,秸秆以集中的形式被深埋,其养分释放较慢且分解后不易矿化损失,而是积累在土壤中,更有益于提升土壤肥力。Wu 等[10]发现相比秸秆浅旋还田,深层还田后下部耕层的全氮、铵态氮(NH4

+)和硝态氮(NO3-)含量分别提高61.3%、86.7%和57.1%。作者认为秸秆层改善了深层土壤微生物生境,适合其大量繁殖,从而促进秸秆分解释放养分,为氮素积累提供了重要来源。Yang 等[19,30]认为富集沟埋水稻秸秆9000 kg·hm-2对土壤氮素具有截留作用,尤其可减少硝态氮淋溶损失。其有效氮保留机制如下: 首先,独特的秸秆层阻止了NO3-的淋溶并积聚于40 cm 附近;其次,中断土壤基质的连续性可能会减少与水分入渗相关的NO3-淋溶;第三,秸秆层表面积大可能会吸收NO3-;最后,秸秆沟中NO3-随横向水分运动而减少淋溶。秸秆富集深层还田对下层土壤速效养分影响较大,有助于提高深层土壤速效磷、钾含量[31-32]。秸秆在微生物的作用下,释放大量的磷、钾等可溶性元素,还能产生有机酸有利于磷素的释放[33]。另外,秸秆还田促进溶磷微生物的生长,激活土壤中的磷,进一步增加土壤养分[34]。秸秆富集深层还田能够为作物生长提供适宜的土壤化学环境,较好地调节土壤pH[31,35],提高土壤电导率[36],补充土壤有机质及养分。

3.2 对土壤有机碳的影响

土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)是衡量土壤肥力的重要因素。秸秆富集深层还田对亚耕层土壤有机碳库影响十分显著,秸秆的添加、根系分泌物的增多能够提高有机碳的含量[20,35];微生物大量繁殖加快秸秆腐解,同时产生了大量的微生物量碳[37];秸秆腐解促进了土壤团粒结构的形成,保护了团粒内部的颗粒有机碳分子[20]。另外,Wang 等[38]发现相较于10～30 cm 还田处理,10 000 kg·hm-2水稻秸秆沟埋40 cm 显著提高了土壤碳库管理指数。在一定范围内,土壤有机碳含量随秸秆还田量的增加而增加,并随土层深度的增加呈先增后降的趋势。在时间尺度上,较长的还田年限后秸秆腐解完全,累积土壤有机碳的效果逐渐减弱,而连年[35]或一次性高量秸秆[31]深层还田促进有机碳固存明显。丛萍等[39]使用13C核磁共振方法发现,玉米秸秆45 000～75 000 kg·hm-2富集深层还田的亚耕层土壤具有较强的烷基碳与氧烷基碳信号,与含碳官能团吸收峰低的不还田存在差异,说明了秸秆高量富集深层还田能够明显增加土壤有机碳含量。在秸秆深层还田提高亚耕层土壤有机碳的机理方面,相关学者认为,表层土壤已接近碳饱和状态,而深层土壤有机碳含量较低,因此具有更大的固碳潜势[40]。此外,深层土壤通气透水性差,有机质矿化较慢,有利于秸秆腐解转化为土壤有机碳[41-42]。然而,秸秆富集深层还田后秸秆碳氮的去向和分配,深层还田是否影响温室气体排放,有待进一步明确。

3.3 对土壤盐分的影响

土壤盐渍化是限制干旱半干旱地区农业生产的主要因素,通过科学合理的秸秆还田措施,可有效抑制盐分表聚,改善作物生长环境。大量的研究表明,秸秆富集深层还田结合地表覆盖技术具有显著的耕层控盐效果。宋佳珅等[43]为优化内蒙古河套灌区盐碱土壤特性,探究在30 cm 土层深处埋设6000 kg·hm-2玉米秸秆层结合地膜覆盖对土壤盐分的影响。研究发现在0～20 cm 土层中,“上膜下秸”较常规对照降低含盐量25.1%～39.5%,而在20～40 cm 土层中“上膜下秸”降低含盐量20.2%～29.4%。深层还田形成秸秆隔层,可破坏土壤毛管孔隙的连续性,阻止矿化度高的潜水的蒸发,表层覆盖则可阻隔土壤与大气的联系,降低土壤水分散失,整体起到隔盐抑盐的作用。张宏媛[44]采用室内土柱模拟明晰玉米秸秆深埋隔层构建技术的水盐调控机制,结果表明与无秸秆隔层相比,入渗结束后秸秆隔层处理0～40 cm 脱盐率提高6.64%,累积潜水蒸发量降低45.10%,返盐率降低41.83%。常菲[45]在后套平原对比几种盐渍土的改良措施,发现12 000 kg·hm-2玉米秸秆富集深层还田于40 cm 深土层可降低土壤中SO42-、Cl-、K+含量。秸秆深层还田结合地表覆盖优化了耕层盐分分布,阻断了盐分向上运移,减少了耕层盐分含量,促进了作物生长发育。

4 秸秆富集深层还田对土壤生物特性的影响

4.1 对土壤微生物的影响

秸秆富集深层还田一定程度上改变了土壤微生物群落结构[46],提高了微生物的生物量,增加了微生物多样性[37,47]。丛萍等[48]探究秸秆深层还田对黑土亚耕层微生物群落结构的影响,研究表明玉米深层还田75 000 kg·hm-2下土壤总磷脂脂肪酸含量显著增加,提高了微生物群落的生物量。而关于秸秆深层还田是否可以增加深层微生物群落多样性的观点并不一致,有学者发现秸秆富集深层还田下土壤细菌和真菌的物种组成与旋耕还田显著不同,Shannon 多样性指数均明显提高[28,40]。然而,Zhao 等[16]认为,秸秆深层还田能够提供充足碳源,有利于富集富营养微生物,从而降低整体细菌多样性,并通过共发生网络分析明确了亚耕层富集的放线菌与土壤碳氮循环密切相关。另外,Yang 等[30]在水稻小麦两熟区对真菌群落的研究表明,稻秆富集沟埋深还田(9000 kg·hm-2)在显著增加共生真菌丰度的同时降低病原真菌丰度,促进土壤传播有益于植物的真菌,并推断富集沟埋深还田可能通过改变土壤有机碳含量,从而间接影响土壤真菌群落组成的变化。

4.2 对土壤酶活性的影响

土壤酶活性可以表征土壤的肥力水平和生物学特征[47,49]。在时空尺度上,土壤酶活性呈初期高、后期低,随还田深度的增加而逐渐降低的规律,由于酶活性变化受多种土壤环境因素的影响,因此不同土壤酶变化规律表现不一致。Wu 等[10]发现秸秆富集深层还田后亚耕层土壤酶活性升高,与碎混还田相比碳、氮代谢相关酶活性显著增加43.2%和50.7%,可能是因为下部耕层中的微生物活性增加,从而使更多的胞外酶合成和分泌,最终提升了亚耕层土壤肥力。Ling 等[12]于华北平原开展了两年秸秆富集深层还田的研究,发现在20～40 cm 土层中,相较于覆盖还田、旋耕还田和深翻还田,深层还田处理具有最高的碳、氮和磷循环酶活性。因此,作者认为深层还田下有机物和养分可用性增加,为微生物提供了生长的能量,进而增加了微生物活性。关于碳降解酶活性,Yang 等[30]发现秸秆深层还田显著降低β-D-葡萄糖苷酶活性,认为与土壤扰动使多孢菌的相对丰度降低有关。秸秆深层还田如何通过改变微生物群落结构和酶活性的时空分布,驱动“作物-秸秆-微生物-土壤”系统碳氮循环过程,还需要进一步探究。

5 秸秆富集深层还田对作物产量的影响

作物产量是农业生产关注的核心问题,也是表征土壤质量的一个重要内容。Islam 等[50]整合国内177 项研究的1071 个数据对,评估了小麦玉米两熟制下秸秆还田对产量的影响。结果表明,秸秆碎混还田相较于秸秆覆盖还田对于产量的提升更有利。此外,秸秆还田在良好的灌溉和施肥条件下,结合深耕对产量提升潜力巨大。相对于其他还田方式,深层还田能够减少秸秆对出苗的限制,促进地上部干物质积累及其向籽粒转运,增加主要粮食作物(小麦、玉米、水稻)产量[10,12,19]。秸秆深层还田增产的主要原因是明显的土壤改良效果,从而提高作物有效穗数及千粒重,进而获得较好的产量效益[10];此外,秸秆深层还田一定程度上降低了病虫害的产生。深层还田提升产量的效应可能有滞后性,Yang 等[19]实施沟埋还田4 年后,小麦表现出增产效果。另外,富集的秸秆层是否会抑制作物根系下扎是深层还田研究中广受关注的问题。Wu 等[10]的研究表明,玉米秸秆深层还田后,下茬小麦根系下扎未受到秸秆层的影响,且深层还田下作物产量较碎混还田显著增加11.9%。丛萍等[51]针对黄淮海地区进行玉米秸秆12 000 kg·hm-2、36 000 kg·hm-2富集深层还田的研究也取得了类似的结果。

6 秸秆富集深层还田的研究发展趋势

总结来看,秸秆富集深层还田有助于建立深厚耕层,全面提高亚耕层土壤质量。但与覆盖还田、旋耕还田和翻埋还田相比属于新生事物,现阶段针对这项技术的研究仍不足,需要加强。未来的研究重点应集中在以下几个方面:

1)全面评估秸秆深层还田技术。秸秆富集深层还田在全田范围内形成了异质性的养分富集区,常规的均匀采样法不能充分评估秸秆富集深层还田所带来的综合效益,因此需要建立一种有效的、系统的评价方法,着重进行秸秆条带上土壤质量变化的研究,并将秸秆条带侧向方向也纳入评估内容中,全面地评定深层还田对农田生产力的影响。

2)深层还田对地力培肥的影响及其机制。秸秆富集深层还田对农田固碳培肥机理尚不明晰,未来工作中需揭示富集还田秸秆腐解特征及养分释放规律,阐明秸秆富集深层还田调控碳氮周转的关键过程与生物学机制,明确地力培肥与深厚耕层构建下资源高效利用机理及作物生长动态调节过程。

3)深层还田配套机具的优化与智能化实施。目前,“玉米秸秆机械化富集深层还田技术”已经实现了作业机具配套和大面积应用,但高效、低耗、一体化的作业机具的不断改进仍是制约新技术的主要因素。因地制宜加强秸秆深层还田配套农机的研发和优化,不断提高作业效率、减少能耗将有助于新技术的应用推广。