小麥玉米輪作秸稈直接還田的效應、存在問題與研發方向

董曉霞　陳素英　王學君等

摘要：介紹了黃淮海平原冬小麥—夏玉米一年兩熟中秸稈還田的方式、秸稈直接還田的效應與存在問題。現有研究表明，秸稈直接還田具有提高土壤養分和養分利用率、增加土壤有機質、節水保墑、促進夏玉米增產、改變土壤溫度的正面效應，但也存在影響下茬作物出苗率、部分冬小麥減產等問題；提出了該區域秸稈直接還田下一步研究與發展的方向。

關鍵詞：秸稈直接還田；正面效應；存在問題；發展方向；黃淮海平原

中圖分類號：S157.4+1文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2014）07-0141-04

據中國新聞網報道，國家環保部2012年6月11日全國秸稈焚燒遙感監測發現，安徽、河北、河南、江蘇、遼寧、山東、山西、天津等省市的秸稈焚燒火點503個。粗略統計，全國焚燒的秸稈約占總儲量的30%，秸稈焚燒不僅是大氣污染的一個重要源頭，也是政府部門的老大難問題。近年來，隨著農作物秸稈資源化利用技術的不斷完善和推廣，我國秸稈綜合利用得到了發展。秸稈機械直接還田、快速腐熟還田、保護性耕作、秸稈青貯和微貯、秸稈壓塊飼料和膨化飼料加工、秸稈沼氣和秸稈熱解氣化、秸稈固化成型燃料、秸稈栽培食用菌等新技術的發展，有效地提高了我國秸稈資源的循環利用水平。

黃淮海平原是我國高度集約化農區和重要糧食主產區，隨著糧食單產水平的提高，秸稈的相對和絕對剩余量越來越多。據“十一五”國家科技支撐計劃課題調研4 100個典型樣本結果顯示，黃淮海平原區作物秸稈總量約為1億噸，其中小麥占41.4%，玉米占34.2%，水稻、棉花、花生、豆類、薯類等作物秸稈產量較少，約占24.2%。主要農作物秸稈綜合利用率在70%～95%，仍有一定比例的秸稈就地焚燒，造成資源浪費和區域環境污染。

目前，秸稈資源循環利用中，秸稈直接還田是最簡單的方法，也是各地大力推廣、應用最多的模式。本文綜合冬小麥夏玉米輪作體系中秸稈直接還田的試驗結果，分析了秸稈還田的效應、存在問題和研究進展，以期為推進黃淮海區域秸稈資源的高效循環利用提供一定參考。

1秸稈還田的方式

黃淮海平原主要作物為冬小麥和夏玉米，作物秸稈還田方式主要包括翻壓還田、覆蓋還田、過腹還田、堆漚還田和焚燒還田等。其中秸稈過腹還田受當地畜牧業發展的限制，利用比例基本保持15%～20%；堆漚還田費工、費時、占地，秸稈堆漚還田的比例越來越少；焚燒還田造成大氣污染，目前已經被禁止。機械化秸稈直接還田是該區域秸稈資源利用的主要方式，包括秸稈翻壓還田和覆蓋還田。

秸稈翻壓還田包括粉碎翻壓和整稈翻壓。粉碎翻壓的深度與土壤耕作的深度有關，傳統的土壤耕翻深度為20 cm，粉碎的作物秸稈被翻壓在20 cm土層處；目前生產上大面積推廣的旋耕深度為10～15 cm，粉碎的作物秸稈則被翻壓在10～15 cm土層處。黃淮海平原冬小麥—夏玉米一年兩熟區，玉米秸稈直接還田，大部分采用秸稈粉碎后土壤旋耕還田。秸稈整稈翻壓還田效率低，土地平整度差，費工費時，應用面積越來越少。

秸稈覆蓋還田是將秸稈覆蓋在下茬作物地表的還田方式。黃淮海平原冬小麥—夏玉米一年兩熟區，隨著背負式小麥秸稈切碎機和小麥聯合收割機的普及，在小麥聯合收割時，將小麥秸稈粉碎并通過拋撒裝置均勻拋撒在地表，然后進行玉米貼茬播種，小麥秸稈覆蓋在玉米田。目前該區域小麥秸稈大部分采用地表覆蓋的形式還田。

2秸稈直接還田的正面效應

2.1提高土壤養分和養分利用率

農作物秸稈中含有一定數量的氮、磷、鉀和微量元素，在秸稈腐解過程中陸續釋放出來為作物利用，是農業生產的肥源。據分析，小麥、玉米的秸稈含氮量分別為0.51%、0.59%，含P2O5分別為0.12%、0.14%，含K2O分別為2.7%、1.25%[1，2]。若返還15 t/hm2秸稈，等于向土壤補充了75～90 kg氮，180～300 kg的P2O5和90～405 kg K2O；如果這部分秸稈被移出田間，等于損失了約150～180 kg尿素、1 500 kg過磷酸鈣和180～810 kg的硫酸鉀或氯化鉀；若將這部分秸稈燒掉，氮將大部分損失掉，P2O5和K2O基本保留在灰分中[3]。曲周試驗區長期秸稈還田配施氮磷肥的研究得出，增施秸稈和氮肥并采用免耕措施可以增加土壤速效氮的含量，秸稈配施磷肥對提高土壤表層速效磷含量和維持土壤速效鉀含量有積極的作用[4]。

2.2增加土壤有機質

作物秸稈富含纖維素、木質素等富碳物質， 是形成土壤有機質的主要來源。多數試驗證明， 秸稈還田有利于更新和增加土壤有機質。勞秀榮等[5]研究表明，在同一時期內N、P肥用量相同時，秸稈還田量與有機質呈顯著正相關；秸稈與化肥配施比單施秸稈或化肥更有利于土壤有機質的提高。山東恒臺縣1982～1996 年定點監測結果， 通過秸稈還田郭家村西土壤有機質由1.32%增加到1.56%，每年以1.15%的速度遞增，1997年和1982年相比， 全縣土壤有機質平均含量由1.30%提高到1.50%[6]。從曲周、北京、欒城、陵縣等多點長期試驗得出，每年秸稈還田量在2 250～4 500 kg/hm2，可使土壤有機質達到平衡。

2.3節水保墑效應

目前秸稈覆蓋形式主要包括秸稈粉碎覆蓋（小麥秸稈）、整秸稈覆蓋（玉米秸稈）和高留茬覆蓋。張俊鵬等[7]研究表明，麥秸覆蓋夏玉米田有效抑制了棵間土壤蒸發，平抑了地溫的變化幅度；夏玉米生育期內，4種覆蓋處理（由高覆蓋量至低覆蓋量）棵間土壤蒸發比對照依次減少了63.51%、60.98%、52.94%、34.07%，0～20 cm的地溫平均日變幅比對照分別降低了3.14、2.93、2.32、2.02℃。研究表明，不論秸稈覆蓋量多少， 也不論季節， 均有減少土壤水分蒸發的良好效果。沈振榮等[8]總結了多年多點農田秸稈覆蓋的保墑效應，結果表明，覆蓋比不覆蓋播種后苗期表層土壤含水量提高30%～50%。由懋正等[9]在河北省欒城縣進行的小麥秸稈高留茬對下茬玉米土壤蒸發的影響結果表明，高留茬（30～35 cm）顯著抑制玉米土壤蒸發，節水50 mm左右。

2.4產量效應

秸稈覆蓋的增產機理在于，秸稈覆蓋后增加的土壤水分在作物生育后期轉化成了產量，越是在干旱的條件下，增產作用越顯著。但各地氣候、土壤條件、作物種類、覆蓋時間不同，增產的效果差異很大。沈振榮等[8]總結了各地農田秸稈覆蓋的增產效果，結果表明，666.7m2灌溉農田夏玉米秸稈覆蓋增產幅度為88～227 kg，灌溉農田冬小麥秸稈覆蓋增產幅度為23～57 kg。秸稈覆蓋的夏玉米增產效果高于冬小麥。

大多數研究都表明秸稈覆蓋能提高小麥產量。尤其是在旱作區，在有限的降水條件下，秸稈覆蓋具有保墑作用，土壤墑情的改善是小麥增產主要措施。歷年多點調查顯示， 旱地小麥覆蓋秸稈比不覆蓋可增產10%～15%。但有灌溉條件的一年一熟區和一年兩熟區， 秸稈覆蓋冬小麥有的研究結果則表現為不增產， 甚至顯著減產。李全起等[10]研究結果表明，不論何時覆蓋和覆蓋量為多少， 凡是實行秸稈覆蓋的麥田， 小麥產量均比不覆蓋的高。方文松等[11]在河南鄭州的研究表明，秸稈覆蓋可使冬小麥增產8.08%～10.71%。李其昀等[12]在山東的研究表明， 進行秸稈覆蓋的處理，小麥平均增產28.23%。伊德里薩等[13]研究表明， 充分灌溉、輕度水分脅迫和重度水分脅迫條件下， 秸稈覆蓋均使冬小麥產量增加， 與無秸稈覆蓋相比分別增加0.98%、16.42%和24.32%。董文旭等[14]在河北省欒城縣多年研究結果表明， 秸稈覆蓋導致冬小麥減產，最初 4 年平均減產7%左右。謝瑞芝等[15]對中國保護性耕作試驗研究的產量效應分析結果表明，中國保護性耕作的產量研究結果多為增產， 但也有10.92%的減產數據， 其中黃淮海、華北地區等地的減產概率比較高， 少耕和免耕處理的減產概率較高，小麥減產概率最高， 玉米減產概率最小。

2.5改變土壤溫度效應

秸稈覆蓋地表后，由于秸稈覆蓋阻擋了太陽輻射向地面的傳播和夜間土壤向外散射能量，秸稈覆蓋條件下土壤溫度的季節變化、日變化均趨向緩和， 在低溫時具有“增溫效應”，而高溫時則有“低溫效應” [16]。秸稈覆蓋的土壤溫度效應主要在土壤耕層，隨著土層加深影響越來越小。于曉蕾等[17]在陜西楊凌冬小麥田觀測， 發現0～15 cm土層地溫變化明顯， 而15～25 cm變化不明顯， 因此把0～15 cm土層作為地溫變化敏感層， 15 cm以下則為地溫變化不敏感層；秸稈覆蓋對溫度的影響隨覆蓋量的增加而加劇。

玉米生長季處于高溫季節，秸稈覆蓋處理具有降低土壤最高溫度的效應，當白天溫度升高時，秸稈覆蓋層的吸熱作用有效降低了地溫升高，覆蓋的土壤溫度比不覆蓋低；晚上溫度降低時，不覆蓋的溫度迅速降低，覆蓋處理的覆蓋層具有保溫效應，可有效阻礙地溫降低，覆蓋比不覆蓋高；與不覆蓋相比，覆蓋的土壤溫度變化相對緩慢，日變化振幅明顯較小；在該區全年最高氣溫的7月，覆蓋處理日最高振幅降低了9.51℃，月最高平均振幅降低了5.49℃；8 月是降雨比較集中的月份，日最高振幅降低了2.06℃，月最高平均振幅降低了2.83℃；9月開始晝夜溫差加大，日最高振幅降低了5.32℃，月最高平均振幅降低了2.78℃[18]。

3秸稈還田過程中存在的問題

隨著農業機械化水平的不斷提高，推動了秸稈直接還田技術的發展，秸稈連年還田，雖然對增加土壤有機碳和土壤養分輸入量，提高土壤有機質和養分含量，增強土壤肥力，改善土壤質量等方面做出了重要貢獻。但同時在生產上仍然存在一些問題，華北平原小麥玉米兩熟區，自20世紀90年代以來長期進行秸稈全量還田和土壤少免耕耕作，已暴露出不少新問題，如犁底層變淺，亞表層土壤容重增加、養分表聚，下耕層養分貧化，影響土壤養分供應與作物根系生長，阻礙了產量的持續增產。大量秸稈混合在10 cm土層中，表層土壤懸松，不僅導致播種過深影響出苗，冬季麥苗極易受到旱和寒的影響而減產。張萍等[19]認為， 秸稈覆蓋量和細碎程度均會影響小麥出苗率。趙麗等[20]研究表明， 秸稈覆蓋率和小麥出苗率之間呈二次或三次曲線擬合關系， 秸稈覆蓋度和秸稈覆蓋量的大小都不同程度地影響到了小麥出苗率。韓賓等[21]認為， 常規耕作處理田間出苗率為70%以上，基本可以滿足農業生產需要， 但免耕覆蓋處理田間出苗率僅60.2%。

根區溫度對作物生長和產量影響是一個復雜的過程，根區溫度影響植物一系列的生理生化代謝，如根系的吸收、運輸功能、激素代謝等，最終反映到對作物生長和產量的影響上。根區低溫會阻止根系伸長，根不斷伸長才能使其吸收部位與土壤水分、養分接觸。一些研究發現植物的吸氮能力與溫度關系密切，根區溫度還通過影響植物葉片的葉綠素含量、降低葉片碳同化酶活性、葉片光合產物輸出受阻等非氣孔限制因素來影響葉片的光合作用。植物的內源激素受外界環境條件（如光照、溫度和水分等）影響，關于秸稈覆蓋對根區溫度的影響、對小麥生長的哪些生理過程造成什么程度的影響等需要進一步的試驗驗證。

長期秸稈還田，表層土壤的秸稈覆蓋層越來越厚，起到了保護土壤和保墑效應，但阻礙了化肥向根系層的下滲，減弱了灌溉水的流動速度，增大了灌溉量。秸稈還田雖是對秸稈有效利用的一種途徑，但如果還田量過大、土壤含水量不足、粉碎程度不夠、翻壓質量不好等，則秸稈不能充分腐解，會影響播種質量、出苗和苗期生長。另外，秸稈中C/N 比值較高，一般為（60～80）∶1，使秸稈在土壤中分解緩慢，微生物與作物爭氮，影響苗期生長，進而影響后期產量。秸稈還田后土壤濕度增大，地溫升高，在為作物生長提供良好條件的同時，也為某些病蟲害的發生和流行創造了適宜的條件。秸稈還田后，秸稈中某些病菌殘留在大田而未被消滅，從而增加了病菌的數量，使病害率增加。

4秸稈直接還田的發展方向

4.1建立土壤輪耕的耕作制度

針對長期秸稈還田和土壤少免耕帶來的問題，可建立土壤輪耕的耕作制度，即對長期秸稈還田和少免耕的土壤進行定期深翻。深翻的主要作用是翻埋還田的秸稈、殘茬、雜草和病蟲等生物有機體，為提高播種質量和作物出苗創造條件；翻耕后使還田的秸稈與土壤充分接觸，加快秸稈的腐解，提高深層的土壤肥力，解決土壤養分表聚的問題；翻耕可把地面和表土中害蟲卵蛹、病菌、孢子等翻到下面，使其在缺氧條件下窒息死亡；把原來藏于下層的害蟲翻到地表，改變其生活環境，或失水干枯，或冬季低溫下冷凍死亡；疏松耕層土壤，增加非毛管孔隙，提高總孔隙度，增強通氣性和透水性，促進好氣微生物活動和養分釋放，有利于作物根系發育。試驗表明，黃淮海平原小麥玉米一年兩作種植區域，合適的土壤輪耕模式為，3年秸稈還田旋耕后，第四年小麥播種前進行土壤深翻。

4.2秸稈還田快速腐解劑與秸稈適宜還田量研發

秸稈快速腐熟劑加快常溫條件下秸稈的快速腐解，不延誤農時、不影響下茬作物生長發育。因此，有效快速秸稈腐解劑的研發也促進秸稈直接還田的發展。在冬小麥夏玉米輪作制度中，不同的土壤肥力和灌溉條件下，在保證冬小麥增產的前提下夏玉米秸稈適宜的還田量以及相應的水肥配套技術需要研究。

4.3多功能秸稈還田機與打捆機的研發與應用

隨著現代農業的不斷發展，聯合收割機附帶秸稈切碎裝置能使作物收獲和秸稈直接還田有機結合，使作業成本下降，且靈活方便，適宜于大面積耕地作業，是最有前途的秸稈還田發展方向之一。國內許多企業都在積極開發生產，如已生產出配套新疆-2型聯合收割機的秸稈切碎裝置。未來秸稈還田聯合作業機的發展應重視農機與農藝結合研究，生物腐熟菌劑噴施與機械化秸稈還田聯合作業也是秸稈還田的發展方向。

4.4政府補貼推動

秸稈還田是利國利民工程，需要機械作業完成，尤其是多功能的聯合作業機械，這些機械的推廣需要政府部門進行補貼，以推進秸稈還田技術的進一步發展。

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