水稻秸稈還田對土壤培肥及水稻產量的影響研究進展

曾憲楠，高斯倜，馮延江，孫 羽，宋秋來，王 麒

(1.黑龍江省農業科學院耕作栽培研究所/農業部東北地區作物栽培科學觀測試驗站，黑龍江哈爾濱150086;2.東北農業大學農學院，黑龍江哈爾濱150030)

秸稈含有大量的有機物質，是農業生產過程中重要的環保資源之一，也是現在我國大力倡導的肥源。我國是農業大國，秸稈產量居世界前列，約占全球的1/5，但我國對秸稈的綜合利用率較低，大部分秸稈依然采用傳統的焚燒處理方式，不僅沒有使秸稈資源得到有效利用，還造成了環境污染，破壞了農業生態系統平衡。改革開放以來，我國的糧食產量不斷提高，隨之帶來的作物秸稈產量也相應提高，大量剩余秸稈無法得到有效處理。近幾年來，秸稈資源的利用已經越來越受到人們的重視。一般認為，秸稈還田處理可以使秸稈資源得到充分利用，可以適當減少因焚燒秸稈帶來的環境問題。目前，秸稈還田是我國乃至全世界都在研究的重要方向。本研究針對水稻秸稈還田對稻田土壤理化性質、土壤微生物含量、酶活性和水稻產量的影響進行了綜述，旨在為合理、高效地利用水稻秸稈資源、實現水稻高產的目標提供參考。

1 水稻秸稈還田技術

1.1 水稻秸稈還田量

水稻產量、土壤性狀會受到秸稈還田量的影響，因還田量的大小而不同，但秸稈的還田量并不是越多越好，應該在一個適宜的范圍內。秸稈還田量過多會導致秸稈不能充分腐爛，作物難以吸收養分，影響作物的生長發育甚至造成減產，還田量過少會影響土壤的改良效果。適宜還田量的確定，不僅要考慮作物品種，還要考慮土壤條件、耕作方式和稻田環境等。已有試驗發現，土壤微生物的含量受到不同秸稈還田量的影響［1］，無論秸稈半量還是全量還田處理，土壤微生物量與秸稈不還田相比均會提高，并且全量還田處理大于半量還田處理，在連續三季秸稈還田后，微生物含量仍會提高。

1.2 秸稈還田方式

我國常見的秸稈還田方式有粉碎翻壓、覆蓋、留高茬等。作物收獲后，秸稈通過收割機等機械粉碎后直接翻耕入土，在微生物和酶的共同作用下腐爛分解，使土壤有機質含量提高，這種還田方式稱為秸稈粉碎翻壓還田，此方式秸稈處理量大且成本低、效率高，適合大面積推廣。秸稈覆蓋還田是將粉碎或未粉碎的秸稈直接覆蓋在土表，并配套相應的農業措施，可以保護土壤，減少水分和養分流失。留高茬還田是指在水稻收割時，基部留下一定長度的莖稈，通過翻耕滅茬，讓秸稈自然腐解，以達到疏松土壤、提高土壤有機質含量目的的一項綜合配套技術。作為保護性耕作措施，留高茬還田可以提高秸稈還田利用率，改良土壤理化性質［2］。

1.3 秸稈還田機械

隨著我國城市化進程的加速，農村勞動力不斷流失，農業機械化已經是大勢所趨，推廣機械化秸稈還田，可以減少人工、提高效率、省時省力，并且粉碎后的秸稈與土壤接觸面積增大，使腐解速度加快，營養成分得到充分的利用。要實施水稻秸稈還田，首先要采用聯合收割機進行作物秸稈的收割，聯合收割機可以使作物收獲和秸稈還田過程同時進行，降低了作業成本。秸稈粉碎后，一般使用旋耕整地機作業，其中反轉滅茬旋耕機覆蓋率高并且耕深作業后的田面平整，易于播種，可以進行大面積推廣。同時，還有旋耕播種施肥復式作業機，一次作業可完成多種工序。在秸稈機械化還田的過程中，除了必要的還田機械，通常還會應用大中型的拖拉機與之相配，以實現還田、耕地和整地一次性完成的目標［3］。

2 秸稈還田對稻田土壤理化性質的影響

2.1 土壤物理性狀

在稻田土壤中，土壤形態結構、腐殖質含量和土壤的松緊狀況影響著土壤顆粒的凝結，體現了土壤中水、肥、氣、熱等因素的變化和供應情況，一般以土壤容重、孔隙度和團聚體等物理性狀來表示，體現了土壤的肥力。研究表明，土壤微生物的活動、土壤養分的轉化與供應乃至于作物的生長都離不開良好的通氣透水條件［4］。其中，土壤養分轉移和作物根系生長受土壤容重和孔隙度的影響。土壤水分和養分的儲存由土壤團聚體提供場所。大多數研究表明，秸稈覆蓋還田會降低土壤容重、增加孔隙度和通氣狀況，有利于形成良好的土壤團粒結構。秸稈覆蓋還田后，因為秸稈的密度小于土壤，所以土壤密度和容重會降低，同時地表裸露減少，土壤結構不易受到外界影響，還會降低土壤容重，使土壤總孔隙度提高，減少土壤“板結”現象［5］。還有研究表明，秸稈還田可以使土壤中水穩性大團聚體(＞0.25 mm)增加、土壤 MWD(mean weight diameter，平均質量直徑)和 GMD(geometric mean diameter，幾何平均直徑)提高［6］。

2.2 土壤有機質含量

土壤中的大量營養元素來自于土壤中的有機質，有機質含量可以體現土壤的肥力大小。在一定范圍內，土壤肥力隨有機質含量增加而提高。秸稈還田能夠促進土壤有機質的形成。王志民等提出，免耕秸稈覆蓋還田、翻耕秸稈還田能提高土壤有機質含量［7］。根茬和秸稈所形成的土壤有機碳含量高于礦化量時，土壤有機質含量將會提高，與秸稈不還田相比，全量還田和半量還田處理的有機質含量更高［8］。土壤有機質與土壤的結構性、通氣性、滲透性、吸附性、緩沖性有密切的關系。土壤中的有機質分解時可以提供作物生長所需的養分，產生多種有機酸，有利于某些養分的有效化，最終提高作物的產量和品質。在農業生產中，提高作物產量是首要任務，因此應該提高土壤有機質含量。

2.3 土壤氮、磷、鉀含量

秸稈還田可以提供植物生長所必需的氮、磷、鉀等大量元素，是土壤養分的重要來源之一。土壤氮含量是衡量土壤肥力的重要指標之一。已有研究顯示，秸稈有機物料的還田，使稻田土壤中的氮和生物量碳含量顯著提高［9］。李鳳博等研究表明，秸稈還田使土壤全氮含量顯著提高［10］。李月華等提出，秸稈直接還田處理后，隨著還田年限增加，土壤堿解氮含量也相應提高［11］。土壤中的磷與氮相比含量較低，秸稈還田也可以提高土壤磷的含量。洪春來等研究表明，秸稈還田使土壤速效磷的含量顯著提高，但不隨還田年限的增長而對速效磷含量有顯著影響［12］。徐國偉等研究表明，秸稈還田可以提高土壤全磷的含量［13］。土壤中的鉀一般隨作物的收獲而流失，秸稈還田可以緩解土壤中鉀的流失。已有研究表明，秸稈還田可以使土壤可溶性鉀的含量提高［13］;同時也有研究顯示，秸稈還田使土壤速效鉀含量顯著提高［14］。

2.4 土壤微量元素含量

已有相關研究表明，秸稈中富含大量的微量元素，可以促進作物的生長發育，解決目前農業生產上缺乏相應微量元素的問題。李本銀等提出，秸稈還田處理使土壤Cu、Zn的含量顯著提高，對土壤Fe、Mg的含量影響相對不顯著［15］。徐國偉等則提出，秸稈還田使土壤 Na+、Mg2+、Ca2+的含量降低［13］。已有研究表明，秸稈直接還田可以顯著提高土壤有效鐵含量，對有效鎂、有效銅和有效鋅影響不顯著［11］。但也有研究認為，秸稈粉碎還田配施化肥可以使砂漿黑土Mn、Zn和Cu的生物有效性顯著提高［16］。同時，水稻中含有大量的Si，作為秸稈還田后可促進后茬水稻植株對Si的吸收。

2.5 土壤碳氮比

前人研究表明，當C/N為25∶1時比較有利于土壤微生物分解，但是C/N過高的作物例如小麥(60∶1)，還田后一段時間內會減少土壤的N含量［17］。無論是何種作物秸稈，還田后均會導致作物減產，這是因為秸稈中C/N高(大麥)或者是秸稈本身生物量氮含量低(油菜)，也可能是秸稈與作物吸氮量缺乏同步［18］。農作物秸稈還田會影響土壤氮素的含量，氮素容易在高C/N的作物秸稈還田處理下被固定在土壤中。已有研究顯示，單施C/N高的有機物料會造成土壤氮的缺乏［19］。因此，在秸稈直接還田時，通常配施一定量無機氮肥，用以補充土壤。當氮肥料以及低質量(C/N比＞42∶1)的秸稈殘渣還田時，氮素損失降低［20］。過高的施氮量容易造成土壤氮磷比(N/P)失調，抑制秸稈的腐爛［21］。同時，其他的有機材料和化學肥料也利于土壤碳含量的補充和理化性質的改善。

2.6 土壤微生物含量

土壤微生物的多樣性和群落結構可以體現出一個農田生態系統的基本情況，是反映土壤肥力的有效生物學指標。土壤微生物可以在根際中連接作物與土壤，參與土壤中的能量和物質循環，提高土壤中營養元素的轉化速率。秸稈還田可以促進微生物生長繁殖，使土壤微生物的活性提高，尤其是真菌和細菌比例的提高［22］，導致土壤微生物群落結構的改變［23］。已有研究顯示，秸稈還田會顯著影響土壤細菌結構及其多樣性［24］。

李鵬等通過試驗表明，水稻秸稈還田可以使土壤真菌群體數量和多樣性指數提高，土壤有機碳含量、pH值和速效磷含量是影響土壤真菌群落結構及多樣性變化的主要原因［25］。劉建國等發現，隨著秸稈還田年限的增加，土壤微生物總數呈先減少后增加的趨勢，與短期相比，長期連作與秸稈還田條件下，土壤生物性狀趨于好轉，生物多樣性指數增加，細菌、放線菌數量增加，而真菌所占比例下降［26］。大多數研究認為，土壤中有效氮含量與微生物數量有關，一定含量的有效氮有利于微生物的繁殖，提高秸稈腐解速率［27］，原因是微生物合成新的細胞體需要一定量的碳素和氮素，這些都可以從秸稈腐爛分解后獲得［28］。錢海燕等研究表明，秸稈還田與微生物菌劑配施、平衡施肥可以促進土壤微生物群落物種個體數增加、分布更均勻［29］。微生物菌劑可以使秸稈腐解速度加快，提高土壤有效氮含量［30］。

2.7 土壤酶活性

土壤中的生物化學反應之所以能夠持續進行，是因為有土壤酶這種生物催化劑參與其中。土壤酶是存在于土壤中各酶類的總稱，是土壤的組成成分之一。大多數土壤酶來自土壤中的動植物和微生物的活體或殘體，有利于土壤生態系統的物質循環和能量流動。土壤酶活性是土壤的本質屬性，土壤酶活性大小是土壤肥力的重要指標［30］。土壤酶活性受到土壤理化性質、土壤養分、微生物含量、人為因素等多種因素的影響。目前，在土壤中已經發現50～60種酶，其中研究較多的有氧化還原酶、轉化酶和水解酶等。

大多數研究表明，不同秸稈還田量處理后，土壤酶活性均高于對照處理［31］。王倩倩等發現，秸稈還田配施氮肥可以影響土壤酶活性，但配施氮肥的比例不同對其影響并不顯著［32］。楊濱娟等試驗結果顯示，秸稈還田配施不同比例化肥，各處理的轉化酶活性均顯著高于對照，提高了15.41% ～98.69%［33］。馬春梅等研究表明，從水稻插秧到收獲期，秸稈還田配合施肥處理土壤脲酶活性呈先降再升最后降低的趨勢，這可能是受到分蘗肥的影響［34］。土壤中的微生物、有機質和氮素的含量都會影響土壤脲酶的活性［35］，尤其是氮肥施用能夠顯著提高土壤脲酶活性［36］。與秸稈不還田相比，秸稈還田處理脲酶活性顯著下降，高量還田處理比低量還田處理脲酶活性降低，但沒有顯著差異。汪成忠等發現，土壤脲酶與過氧化氫酶活性極顯著相關，這顯示出土壤脲酶和過氧化氫酶兩者之間存在一些共性［37］。閆超等的研究結果表明，秸稈還田處理降低了土壤脲酶的活性，提高了蔗糖酶活性，對酸性磷酸酶和過氧化氫酶無明顯影響［38］。但同時戰厚強等的試驗結果顯示，無論是酸、堿還是中性磷酸酶活性，秸稈還田處理均顯著高于不還田處理［39］，這可能與土壤的pH有關，土壤磷酸酶活性極易受到土壤pH的影響。

3 秸稈還田對水稻產量的影響

秸稈還田后經腐爛分解可以為土壤提供大量的氮、磷、鉀等營養元素，同時土壤的微生物數量也隨之提高，理化性質得到改善，有利于作物的生長［40］，最直接的作用體現在水稻產量的提高。王會斌等研究表明，無論是秸稈半量還是全量還田，水稻籽粒產量均顯著提高［41］。劉曉霞等連續4年秸稈還田試驗表明，秸稈還田是提高土壤肥力和增加作物產量的有效途徑，并且秸稈還田對作物增產和耕地質量的提升效應隨著實施年限的增加而越發突出［42］。王飛軍等通過秸稈快速腐熟技術試驗提出，相比傳統秸稈還田，早稻秸稈還田加施腐熟劑的產量平均增加13.8%;同時，與不還田對照相比，秸稈還田使土壤有機質含量顯著提高，其增幅為0.2% ～7.0%［43］。楊濱娟等試驗結果表明，秸稈還田配施不同比例的化肥可以加快作物植株干物質積累的速度，提高作物群體生物量，使土壤養分得到顯著改善，提高水稻的增產潛力［44］。韓新忠等研究分析表明，水稻的產量受土壤酶含量和微生物的碳、氮含量的影響顯著，土壤酶活性和微生物量碳可以在一定程度上反映土壤的肥力，是衡量優良土壤質量的指標，同時體現了水稻的生長離不開氮素［31］。

4 展望

秸稈作為有機肥料的來源之一，具有大量的營養物質。秸稈焚燒處理不僅會造成資源浪費，還會污染空氣，危害人們的健康，進行秸稈還田相關的研究刻不容緩。近幾年來，關于秸稈還田對作物產量與土壤的影響方面已有大量的學者進行了相應的研究。大多數研究結果表明，秸稈還田有利于促進農業生態系統的穩定，改良土壤的理化性質，使土壤的養分和有機質含量提高，土壤微生物和酶的活性提高等。但是，相應的問題也隨之出現，例如秸稈還田增大了土壤的孔隙度，有時會造成跑風現象;土壤微生物的增加與作物爭奪營養，影響作物生長;秸稈還田促進CO2、CH4和N2O等溫室氣體的排放等問題。

今后，應加強以下幾個方面的工作:(1)不同的栽培和秸稈還田方式對土壤理化性質的影響還不明確，目前的農業生產大部分以傳統的耕作方式為主，這直接或間接地影響了秸稈還田后的成效，因此，須要加強秸稈還田與相應配套栽培措施的研究。(2)秸稈還田后，土壤微生物的種類和數量發生了一定的變化，目前大多數研究集中在優勢土壤微生物，由于土壤生態系統是一個復雜的由多種因素影響的系統，因此對秸稈還田下土壤微生物學效應研究有待深入。(3)已有大量研究表明，秸稈還田會增加溫室氣體的排放［45－46］，但稻田溫室氣體的排放是多種因素綜合作用的結果，因此，可以將研究重點放在減量施肥和提高養分利用率等方面，有利于促進農業的可持續發展。