農作物秸稈還田研究進展

高 靜，朱 捷，黃益國，張 明，張瑞春，彭亞瓊

（衡陽市農業科學研究所，湖南衡陽421101）

我國是農業大國，糧食產量位居全球第一，每年產生的秸稈資源量也相當豐富。有數據表明，全國每年生產各類秸稈7億噸，約占全世界的20% ～30%，是世界第一秸稈大國［1，2］。其中，水稻秸稈每年產量約2億噸［3］。隨著我國農作物產量年年豐收，秸稈的產生量也隨之增加。

作物秸稈中含有豐富的大量元素、微量元素及有機物，處理后可作為再生資源加以利用，成為作物生長的重要營養源［4］。有研究發現，小麥、水稻、玉米三種作物秸稈的含N量分別為0.64%、0.51%、0.61%，含P量分別為0.29%、0.12%、0.21%，含K量分別為1.07%、2.7%、2.28%［5］。前人研究表明，水稻秸稈中含有機物56.5%，全N 1.553%，全P 1.537%，全K 4.36%，Ca 1.773%，Mg 0.335%，Zn 86.03 mg/kg，Fe 89.508 mg/kg，S 0.230%［6］。據統計，6億噸秸稈中，N、P、K養分含量相當于尿素300萬噸以上，過磷酸鈣70萬噸以上，硫酸鉀700萬噸以上［7］。

1 秸稈利用的重要意義

作物秸稈對改善農田生態環境、培肥地力、提高作物品質與產量等具有重要意義。

1.1 秸稈還田對環境的影響

1.1.1 對大氣環境的影響

短期進行秸稈還田可使CH4排放總量降低，但長期進行秸稈還田，CH4排放降幅減少，增溫趨勢變大。且隨著施入田塊的秸稈量增加，CH4排放量和N排放量增加［8］，當每1 hm2施入12 t秸稈時，CH4排放量達到最高峰值，是未秸稈還田稻田的2.4倍［9］。

1.1.2 對農田環境的影響

對農田雜草的影響。秸稈還田可有效降低稻田雜草的密度、生物量和多樣性。因秸稈還田在不同程度上減少了優勢雜草種類和種群數量，改變了農田雜草間的競爭格局，同時雜草群落組成的優勢種交替出現，雜草的生物多樣性差異顯著［10］。秸稈還田可以有效防除雜草，大大降低稻田雜草的總密度和生物量。有研究表明，秸稈還田使田間的禾本科和莎草科雜草種類明顯減少［11］，施用蕎麥秸稈粉可抑制雜草種子發芽，大大降低發芽率，尤其對稗草抑制作用強［12］。

對土壤微生物的影響。土壤微生物參與養分的活化、轉化和運輸［13］，在土壤養分生物固定和礦化分解、硝化和反硝化等過程中起著重要的作用［14］。土壤微生物可以將土壤中一些不溶于水的礦質元素轉化為可溶性的營養元素，供作物生長需求。同時，微生物死亡后的分解物也可被植物吸收利用。

秸稈腐解，能促進作物根系分泌更多的刺激物，從而促進土壤微生物的活動，土壤微生物量呈現前期上升，中期達到最高點后下降，后期又有所回升的趨勢［15］。秸稈還田可改變菌群的分布和數量，尤其能提高土壤中細菌和真菌數量。土壤好氣性和嫌氣性細菌數量的變化趨勢為前期迅速提高，中后期快速下降。真菌和放線菌數量表現出前期迅速下降，中后期緩慢上升［15］。

有研究表明，施加小麥稈糠、玉米稈糠后，0～20 cm植煙土層的反硝化細菌數量增加，其他細菌、放線菌、解磷菌數量減少；20～40 cm土層的細菌、解鉀菌和反硝化細菌數量增加，霉菌和解磷菌數量減少［16］。

1.2 秸稈還田對土壤特性的影響

通過秸稈覆蓋還田可影響農田土壤容重、溫度和水分，改變土壤N、P、K和土壤有機質含量。

1.2.1 土壤物理特性

土壤容重。秸稈還田將降低土壤容重，且隨著秸稈還田量增大，土壤容重的降低幅度相應增大［17］。有研究表明，秸稈還田可使0～10 cm耕層土壤容重降低0.17～0.25 g/cm3［18］。

團粒結構。秸稈還田能顯著提高總空隙度和毛管孔隙度，并形成良好的土壤團粒結構，對退化土壤有一定的改善作用，且粉碎的秸稈改善土壤團聚體穩定性的效果比長秸稈好。有研究表明，與無秸稈處理相比，粉碎秸稈還田土壤＞0.25 mm團聚體的含量增加，＞5.00 mm水穩性團聚體含量顯著提高120.5倍［19］。

土壤溫度。秸稈可以阻隔土壤與外界光照和溫度的傳遞，外界溫度高時，減小地溫變化幅度，外界溫度低時，在表層土壤產生增溫效益。較不還田處理，秸稈還田處理晝夜溫差縮小，但隨著土層的深度加深，秸稈對土壤溫度的影響作用逐漸變小［20］。

土壤水分。秸稈還田可抑制土壤水分蒸發，提高土壤蓄水能力，減少田間耗水量，能較好地滿足作物生長發育對水分的需要。

在周年水分利用效率上，秸稈還田處理較不還田處理的提高7.6%；在周年農田耗水量上，深耕+秸稈還田較不還田提高3.3%，深松+秸稈還田較不還田處理提高2.4%［21］。有研究表明，若對麥田進行冬前秸稈覆蓋，相對于未處理的對照，整個生育期土壤的儲水量將增加47.3 mm［22］。

秸稈還田有利于增強表層土壤的集雨效果，主要提高的是0～40 cm土層的含水量［11］。同時，有研究表明，在相同的耕作條件下，秸稈還田對不同深度的土壤含水率影響不同，0～50 cm土層中，秸稈還田比不還田高1.48%～7.38%；在50～100 cm土層中，深松耕秸稈還田比不還田高16.07%，免耕秸稈還田比不還田高40.42%，且土壤含水率最大值的土壤深度比不還田深20 cm；100～200 cm土層中，秸稈還田與不還田差異不顯著［23］。

1.2.2 土壤養分特性

水稻秸稈還田后，腐解是一個漫長且復雜的過程。適宜的環境條件，在土壤中的微生物作用下，秸稈不斷腐解，釋放出礦質養分，可被作物重新吸收利用。有研究表明，秸稈在冬季腐解慢，在水稻生長季腐解快。且隨著秸稈還田年限的延長，腐解率逐漸增加，釋放出的N、P、K元素逐漸增多。尤以第一年腐解速率快、釋放養分多、效果最明顯。其中，第一年秸稈中的K元素釋放速率最快，P元素次之，N元素最慢［24，25］。

發達國家施肥量的60%左右都來源于秸稈還田和施用農家肥［26］。秸稈還田化肥減量0～10%，水稻生長性狀指標提高，產量增加222～696 kg/hm2，增幅2.2% ～7.3%［27］。若田塊僅秸稈還田不施化肥，土壤中無機磷含量將加速耗竭，降低了磷素的活化和積累［28］。因此，在實際操作中，常將秸稈還田和化肥配合使用，不僅能促進土壤磷素活化，提高作物對化肥的利用率，避免施肥過剩，而且秸稈腐解提供緩效養分，化肥提供速效養分，兩者共同為作物生長發育全過程提供均衡營養，有利于作物干物質的積累、分配與轉移，長期配合使用更能改善土壤條件，培肥地力［29］。秸稈還田不僅是中低產田改造的有利措施之一，也是高產田創建的合理措施之一［30］。

同時，秸稈腐解時產生的有機質、腐殖質，為土壤微生物提供生活原料。如若土壤微生物生存越活躍，土壤的生態系統越平衡穩定，土地生產力越穩固提高。

1.3 秸稈還田對作物的影響

1.3.1 生長發育

有研究表明，秸稈還田能延長玉米葉片生理功能期，減緩葉片衰老；明顯提高玉米植株次生根數目，增加總根長，增強玉米扎根性能，并在玉米成熟期延遲根系衰退，利于后期植株吸收更多的養分，以提高產量［31］。秸稈還田對水稻根系生長的影響表現為前抑后促，在分蘗盛期，抑制了單莖和群體根系生長，在拔節期至成熟期促進根系生長［32］。

1.3.2 產量

秸稈還田主要是通過影響有效穗數來影響產量。連續進行稻麥秸稈還田5年，研究發現秸稈還田的水稻產量較不還田處理高出814 kg/hm2，增產8.84%，同時有效穗數增加，但千粒重減少［33］。若采取秸稈還田添加腐熟劑的方式，可以加快秸稈腐熟速度，及時釋放養分，滿足作物生長需求，減弱千粒重降低的趨勢。

1.3.3 品質

碾磨品質方面，秸稈還田后明顯提高了稻米的出糙率、精米率和整精米率。外觀品質方面，秸稈還田降低了堊白粒率和堊白度［34］。蒸煮品質方面，結果不盡相同。陳新紅等和徐國偉等的研究指出，秸稈還田后直鏈淀粉含量降低，膠稠度增大［35，36］。但常勇等的研究表明，不同秸稈還田量處理均顯著提高稻米直鏈淀粉含量，顯著降低膠稠度［1］。營養品質方面，秸稈還田能提高稻米的蛋白質含量［37］。食味品質方面，改善效果不顯著，且隨著秸稈還田量的增加，稻米食味品質有變劣的趨勢［38］。

2 秸稈利用的方式

雖然我國每年產生的秸稈資源豐富，但在秸稈利用方面，多以就地焚燒為主。

秸稈就地焚燒是傳統做法，成本花費最低。焚燒在一定程度上消滅了秸稈中的蟲卵、病原體等，同時導致表土焦化、土壤微生物減少，土壤肥力降低，此外，操作不當還易引發火災、交通事故等［4］。秸稈經燃燒產生的大量養分、蛋白質、碳水化合物能變成氣體釋放，浪費了寶貴的資源［30］。且焚燒過程中大量產生一氧化碳、二氧化硫、懸浮顆粒等，這些有害物質長期籠罩在空中不散，極易污染空氣，誘發呼吸系統疾病。近年來，中國越來越注重環境保護和人民身體健康，出臺禁止秸稈焚燒的政策，對秸稈焚燒行為堅決制止并予以追究處罰。

也有少部分農民選擇將秸稈打捆移出稻田，但其存在諸多問題。一是增加勞動力成本；二是秸稈移出后無處擱置；三是科技轉化力度不夠。目前，中國大多數地方都沒有相關秸稈收購處理部門。

據統計，在所有的農作物秸稈中，僅有2% ～5%用于工業利用［39］。剩余沒有有效利用的秸稈造成了巨大的資源浪費。為充分利用農作物秸稈資源，秸稈還田是一項最有效、最主要的措施。根據還田方式不同，可分為秸稈直接還田和秸稈間接還田。

2.1 直接還田

田，不僅包括地下的土壤，還包括地面和地上空間。因此，直接還田可分為兩種。第一種是留在土表作覆蓋物，即使用具有粉碎功能的聯合收割機，收割作物的同時，將秸稈粉碎留在地面。第二種是入土，即在第一種的基礎上，再將粉碎的秸稈翻壓入土。同時，秸稈全量留田的有3種處理形式：一是全部入土；二是全部留在土表；三是部分作覆蓋物，剩余入土［40］。

具體操作的方法不一，有秸稈覆蓋還田、秸稈旋耕還田、秸稈翻耕還田、秸稈溝埋還田、腐熟劑腐熟還田等。

2.1.1 覆蓋還田

將秸稈粉碎后，直接覆蓋在土壤表面。此種方法的優點是操作簡單方便，可減少土壤水分流失，調節土壤溫度，在低溫時產生“高溫效應”，在高溫時產生“低溫效應”，緩解作物因氣溫驟變引發的傷害。缺點是不利播種和灌溉，在一定程度上影響作物生根、發芽。

2.1.2 旋耕還田

即淺層混勻。需與秸稈還田粉碎機配套使用，保障秸稈在旋耕前粉碎。旋耕能更好地將秸稈和土混合均勻，集犁田、耙田、平田三次作業于一體，理論上可深耕16～18 cm，實際運用中常深耕8～12 cm，地表相對平整。缺點是秸稈分解釋放營養物質快，供應作物早期有過剩，到后期則會缺乏。多年連續旋耕，易導致耕層變淺，土壤理化性狀變差，免耕層變硬、通透性變差，作物生長后期早衰，不利于增產。

2.1.3 翻耕還田

即上下翻轉。秸稈是各種病蟲害越冬的有利場所，翻耕能將粉碎的秸稈和表土扣在深層土壤中，耕深可達16 cm。優點是病蟲發生率可降低10%，草害及某些依靠土傳的病蟲害也能得到控制，同時促進作物根系深扎，且秸稈分解釋放營養物質慢，有利于作物后期營養供應。

2.1.4 溝埋還田

秸稈溝埋還田是一種新的秸稈還田方式。在小區內挖兩條平行溝，將作物秸稈全部埋入溝內覆土掩蓋，免耕，總動土面積僅占整個小區面積的1/10［41］。其優點是能解決常規秸稈還田中秸稈量大、粉碎困難等問題，克服不利于作物出苗等缺點［42］，固碳潛力大［43］，同時與秸稈旋耕還田和秸稈翻耕還田相比，其周年CH4排放量分別減少10.6%和3.8%［44］。

2.1.5 配施腐熟劑還田

即將腐熟劑混合粉碎的秸稈一同施入土壤。利用秸稈腐熟劑，提高秸稈分解效率。但因不同品牌的腐熟劑含有真菌及細菌的種類各異、數量不同，腐解秸稈中蛋白質、纖維素、木質素等的快慢不一，以致表現出不同的腐解程度和腐熟速率［4］。

2.2 間接還田

2.2.1 過腹還田

秸稈過腹還田是一種種養結合的生態循環農業模式，實現了秸稈—飼料—禽畜—肥料—糧食的循環，即：將作物秸稈作為飼料，喂養禽畜。秸稈經禽畜咀嚼、消化，以糞便的形式再次出現；再將收集的糞便制成有機肥施入田塊，培肥地力，增加作物產量，提高農戶收入。其缺點是一般農戶沒有將糞便制成有機肥的條件和技術，該肥料需購買，增加了投入成本。

2.2.2 發酵還田

采用快速堆腐劑產生的大量纖維素酶，將秸稈快速堆漚發酵為有機肥，再施入土壤。其優點是堆漚可以殺死秸稈中大部分的蟲卵、病原體、草籽，降低作物種植過程中的病蟲害發生率；缺點是費時費工，易出現發酵不均勻、難徹底發酵等現象［45］。

2.2.3 炭化還田

秸稈在高溫無氧的條件下炭化，然后制成生物炭施入土壤。其優點是能有效固定和封存土壤中的碳素，減排能力提高22% ～27%；缺點是工序復雜，成本高［30］。

3 秸稈還田存在的問題

多年連續秸稈還田，也會產生如下問題：

一是影響作物出苗。秸稈臃積，土壤間隙變大，作物種子與土壤接觸面積減小、不夠緊密，嚴重影響種子吸水、生根、發芽、扎根等生長過程，輕者出苗緩慢，嚴重時出現黃苗、僵苗、死苗。

二是與作物爭氮。秸稈降解時微生物需要氮參與生命活動，因此在氮資源有限的情況下，作物與微生物是競爭關系，微生物奪氮將造成后續作物出現缺氮等情況。

三是影響秸稈降解。土壤中的溫度、水分含量、微生物活躍程度均是秸稈分解的重要影響因素，如秸稈在冬季較夏季降解速度慢。秸稈連續還田，增加了田塊降解秸稈的壓力，一旦地面秸稈過多，不利耕種，地面也容易發生松散淤陷，嚴重影響作物生長，降低產量［46］。

四是影響病蟲草害。秸稈雖然是被粉碎后再還田，但混雜其中的蟲卵、病原體、草籽等并不能粉碎殺死，一旦還田即可誘發病蟲草害。同時在消除病蟲害方面，秸稈是蟲卵、病原體等的良好避難所，相對于常規種植，加大了消除難度。有研究表明，通過秸稈深埋可減少源頭的病蟲害，若秸稈還田掩埋深度≥20 cm，可有效消滅病害殘體；若集中掩埋深度≥35 cm，病蟲害越冬存活率會大大降低［47］。

4 研究展望

為更好地利用秸稈還田技術，推動現代農業的發展，一要成立相關秸稈處理部門。樹立環保理念，大力宣傳秸稈燃燒的巨大危害和秸稈還田的多種益處。樹立典型，有獎有罰。制定成熟的秸稈還田操作方案，出臺相應秸稈還田補貼政策，鼓勵農民采用秸稈還田技術。同時，派出專業技術人員通過講座、實地操作等方式對農民進行秸稈還田技術指導。二要開發適用性廣的秸稈還田機械設備。發展機械化是農業發展的必由之路。而我國農作物多種多樣，不同農作物秸稈的理化性質不一，同時各作物種植環境各異，因此收獲秸稈并還田，對設備的要求不盡相同，當下急需開發服務于秸稈還田技術的高效、低能耗、大小適宜、適用性廣等特點集于一身的機械設備。三要發展秸稈原位還田配套速腐解技術。現在秸稈還田仍需要對作物秸稈進行收割、粉碎后再還田。若秸稈能在原位還田，同時秸稈速腐不影響作物的萌發、扎根等生長過程，將大幅度減少人力和物力。要挖掘、研發適宜的腐解菌群或腐解劑，使腐解秸稈的速率變化能滿足作物生長不同階段對養分的需求，在養分需求多時腐解快，在養分需求少時腐解慢。四要發展秸稈還田配套科學栽培措施。合理安排秸稈還田方式、還田時間、還田量，充分發揮秸稈的最大作用，培肥地力，提升耕地質量。科學配施肥料、農藥，保障田塊產能，有效減少經濟投入。