秸稈還田對土壤肥力特征影響的研究進展

王嘉豪，李廷亮，2，呂卓呈，黃 璐，宋紅梅

（1.山西農業大學 資源環境學院，山西 太谷 030801；2.山西農業大學 農業資源與環境國家級實驗教學示范中心，山西 太谷 030801）

我國作為一個農業大國，擁有豐富的作物秸稈資源。據統計，我國秸稈年產量達10.4億 t［1］，居世界前列。秸稈不僅能作為一種富含各類養分的有機肥源提高土壤養分供應能力，還可以在土壤結構改良和生態環境質量提升等方面發揮積極作用［2-4］。2015年我國秸稈綜合利用率達到80.1%，取得了長足的進步；但受傳統觀念的影響，在農業生產過程中仍存在丟棄、焚燒秸稈等不合理行為，這不僅造成了資源浪費，還加重了環境污染。在多數歐美國家，2/3左右的秸稈做直接還田處理，1/5左右用作飼料［5-7］。在亞洲的韓國實現了水稻和小麥秸稈全量化利用［8］。在目前提倡高標準農田建設、化肥減施和綠色生態農業發展的大背景下，秸稈還田是一項值得大力推廣應用的農業措施。國內外學者關于秸稈還田對土壤肥力特性的影響已做了大量的試驗研究，但缺少對相關研究成果的系統性總結。筆者在梳理前人研究文獻的基礎上，總結了秸稈還田對土壤結構、水溫效應、養分特征和微生物特性的影響，并進一步分析了秸稈還田中存在的一些問題，以期為秸稈科學還田提供參考。

1 秸稈還田對土壤物理結構的影響

1.1 秸稈還田對土壤容重和孔隙度的影響

土壤容重可以直接反映土壤結構好壞和土壤緊實程度，并與土壤水、肥、氣、熱密切相關［9-10］。孔隙度亦是如此，并且土壤中孔隙度分布的連續性和穩定性會深刻影響作物根系的生長發育和土壤養分的運移［11，15］。將密度低、孔隙度大的秸稈施入土壤能起到稀釋作用［16］，從而可產生降低土壤容重、增加土壤孔隙度的正面效應［12-14］。長期定位試驗研究發現，連續多年的作物秸稈全量還田使這一效應表現更加明顯［17］。Wang等［18］在西北旱區的玉米秸稈還田試驗研究也獲得了類似的結果，且以13500 kg/hm2的高量玉米秸稈長期還田對土壤有機碳的提升程度更高，對土壤結構的改良效果更佳。在秸稈還田的基礎上增施一定量的氮肥可以進一步改善土壤的孔隙結構，這是由于施氮可以調節土壤的C/N比，使秸稈有效腐解而釋放出大量的有機物質，這些分解物可以與土粒形成穩定、疏松的團粒結構［19-20］。秸稈還田的深度對不同深度土壤容重和孔隙度的影響存在差異，王秋菊等［21］在東北黑土玉米種植區的研究發現，秸稈耕層還田僅使0～20 cm土層的土壤容重下降0.09～0.12 g/cm3，孔隙度提高6.05%～7.92%，下層土壤的容重和孔隙度基本上沒有變化；秸稈還田深度的增加會影響下層土壤的容重及孔隙度。另外，有研究發現秸稈還田對土壤容重及孔隙度的影響也與耕作方式有關，較淺的耕作對表層土壤的物理特性有一定的改善作用，但對下層土壤不利；而秸稈還田結合深耕更有利于改善土壤容重和孔隙度［22-23］。

1.2 秸稈還田對土壤團聚體結構特征的影響

土壤團聚體作為土壤結構的基本單元，對土壤肥力的維持有重要作用。不同粒級的團聚體對養分的供應和轉化能力存在差異，而大團聚體作為土壤肥力的重要物質條件，可以反映土壤肥力［24-25］。土壤團聚體的形成、分布及穩定性受耕作方式、肥料投入及有機物料輸入等農業管理措施的影響［27-29］。秸稈還田能對土粒團聚過程產生積極的影響，促進微團聚體向大團聚體轉化［26，30-32］。研究表明，在東北地區棕壤和黃淮海地區潮土上實行秸稈還田，均可使0～20 cm土層的大團聚體含量增加，使微團聚體含量下降［33-34］；但在秸稈還田后土壤中的大團聚體含量不會無限提升，因為過量的秸稈還田會阻礙團聚過程，還使C、N失衡，導致微生物量下降［35］，而微生物量與團聚體形成顯著相關［36］。秸稈還田可以提高平均重量直徑（MWD）、幾何重量直徑（GWD）和粒徑大于0.25 mm團聚體的百分比（R>0.25）等反映團聚體穩定性的指標。Zhang等［37］在西北半干旱區黃綿土開展的秸稈還田量試驗結果表明，秸稈還田使0～40 cm土層的機械穩定性團聚體的MWD和GWD分別提升了14.7%～37.8%、17.6%～45.2%，水穩性團聚體的穩定性也顯著提升，以9000 kg/hm2的秸稈還田量的效果更佳。此外，余坤等［38］將低C/N的氨化玉米秸稈粉碎還田后，發現其較傳統秸稈還田可顯著提高土壤團聚體的R>0.25、MWD和GMD，更有效地發揮了秸稈還田的改土效果。

秸稈還田對土壤團聚體演變的影響與其帶入土體的有機碳密切相關，表土中90%的有機碳位于團聚體中，團聚體是有機碳的重要載體［39］。有機碳作為膠結物質可以促進團聚體的形成［26］，而團聚體可以為有機碳提供物理保護，提高其穩定性［40-41］。秸稈還田一方面可以提高土壤有機碳的輸入量［30］，而有機碳作為有機膠結物［32］參與各粒級團聚體的形成；另一方面秸稈還田使土壤微生物量增加［42］，兩者都是有機碳的組成部分［30，43］，因此，各粒級團聚體的有機碳含量得到提升。相關研究表明，隨著土壤團聚體粒級的增大，其有機碳含量呈逐漸增加的趨勢，其中大團聚體的有機碳含量高，究其原因：一是微團聚體通過有機碳膠結成大團聚體［44］；二是在大團聚體中處于分解狀態的菌絲可以分解產生多糖等碳源物質，從而提高有機碳的含量［45］。

2 秸稈還田對土壤水溫效應的影響

2.1 秸稈還田的水分效應

良好的土壤水分狀況有利于作物生長，促進土壤-作物養分循環平衡［46］。如何有效提高土壤蓄水保墑能力是我國農業科研工作者在不斷探究的科學問題。秸稈覆蓋還田作為一項重要的保墑技術，對農業水資源緊缺的地區有重要意義。Huang等［47］在黃土高原春麥區的試驗表明，小麥秸稈覆蓋還田使2年的土壤水分蒸散量分別減少了19.7、14.3 mm，同時水分利用效率也極顯著提高。李玉鵬等［48］研究發現，在西北半干旱區冬小麥全生育期0～200 cm土層的貯水量隨秸稈覆蓋量的增加而提高了13.1%～26.1%。另外，不同秸稈覆蓋時期對土壤水分的影響存在差異，在黃土高原半濕潤易旱區的研究表明，秸稈周年全程覆蓋較僅生育期覆蓋更能提高2 m土層的蓄水量和作物水分生產效率［49-50］。為了解決干旱冷涼地區秸稈覆蓋還田蓄水保墑與秸稈腐解率低之間的矛盾，甘肅農業大學柴守璽團隊提出了秸稈周年帶狀覆蓋，即分設寬30～50 cm的覆蓋帶和種植帶，兩帶相間排列，于種植帶播種后預留覆蓋帶，并將秸稈整稈置于其中，在連續種植2茬后將秸稈旋耕打碎還田，這樣可以有效克服傳統秸稈覆蓋還田的弊端，且能在更大程度上提高土壤的蓄水保墑能力。另外，秸稈粉碎翻壓還田也可以提高作物的水分利用效率和土壤的水分狀況，刁鵬生等［51］在黃土高原玉米旱作區的研究結果表明，以6000 kg/hm2的玉米秸稈粉碎翻埋還田，可以提高玉米全生育期0～80 cm土層的土壤貯水量，還能促進玉米葉片的生長，使有效蒸騰增強，使玉米的水分利用效率明顯提升。大量研究表明，秸稈覆蓋還田較翻壓還田有更顯著的蓄水保墑作用。

2.2 秸稈還田的溫度效應

土壤溫度會影響土壤的水分運動、養分轉化等，并與作物的生長發育聯系密切［52］。研究表明，秸稈覆蓋還田后土壤溫度變化呈現“增溫效應”或“降溫效應”［53-54］，且土壤溫度變化在0～10 cm土層表現明顯，而在下層土壤表現不明顯［55］。Zhang等［56］在黃土高原山地農田麥秸覆蓋還田的試驗表明，10 cm土層的日平均溫度在高溫時降低0～4 ℃，在低溫時升高0～2 ℃。陳素英等［57］在華北地區的研究表明，玉米秸稈覆蓋還田使冬小麥土壤5 cm深處的日均地溫變化幅度減小并趨于平緩，但春季時產生“低溫效應”，并且該現象隨覆蓋量的增加而呈增強的趨勢。蔡太義等［49］在關中平原的研究顯示，不同量的秸稈覆蓋使春玉米生育期內0～15 cm土層發生了“低溫效應”，且春玉米生育前期的“低溫效應”較生育后期更加明顯，這與Unger［58］的研究結果類似。低溫效應使作物生長初期的土壤溫度低于正常生長發育所要求的溫度，從而阻礙作物的生長發育。也有研究發現，黃土高原中南部地區旱地冬小麥麥秸覆蓋還田后，在返青期后10 cm深處的土壤溫度最高增加了2.52 ℃，在20 cm深處最高增加了1.65 ℃，這為小麥地上部養分吸收和小麥生長發育提供了有利條件［59］。可見，秸稈覆蓋還田對土壤溫度的影響因季節變化和地域特點呈現不同的變化規律。另外，常曉慧等［52］在東北寒地旱作區的試驗發現，實施秸稈深施還田對土壤溫度的提升效果優于覆蓋還田，并且對土壤的保溫和調控能力隨深施量的增加而提高。

3 秸稈還田對土壤養分含量的影響

作物秸稈是農業生產產生的數量巨大的生物質資源，其富含大量有機質和其他營養元素，是一種重要的有機肥源［60-62］。在2014～2018年，中國水稻、小麥和玉米秸稈的氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）資源年均量分別為509.8萬t、284.7萬t、1183.0萬t，若全部還田，則能替代的化肥用量為294.0萬t N、194.1萬t P2O5和1083.9萬t K2O［63］。高效、持續的秸稈還田對土壤養分管理、土壤肥力提升、土壤生態環境改良具有重要的意義［64-65］。

秸稈還田方式、還田量及還田時間是影響土壤養分變化的重要因素。秸稈還田能增加土壤有機質（碳）和氮磷鉀養分含量，而還田量與土壤養分含量的增加幅度呈顯著的正相關。有研究者認為提高秸稈還田量更有利于土壤養分含量的提升［66］；但也有研究者認為秸稈還田量存在1個閾值，例如高金虎等［67］在遼西旱區的秸稈還田量試驗發現，過量還田會導致有機質的增長幅度下降。叢萍等［68］將秸稈一次性深埋入40 cm土層，提升了秸稈還田量的閾值，還有效解決了黃淮海平原北部耕層變淺、亞表層肥力下降的問題。

不同還田方式對土壤有機質狀況的影響存在一定差異，秸稈覆蓋還田促進土壤有機質積累的效果更好，而翻壓還田次之［69-70］；秸稈粉碎翻壓還田對耕層全氮和速效養分含量的提升效果最好，而覆蓋還田的效果較差［71］。另外，秸稈還田結合不同的耕作措施也能在一定程度上提高土壤的養分含量，但土壤養分含量的提高幅度受秸稈還田深度的影響，例如秸稈還田結合旋耕處理對華北平原麥玉輪作區0～10 cm土壤養分含量的提升效果最明顯，但對10～20 cm土壤的養分含量改善不明顯［72］；而在該區域內的另一研究則發現，秸稈還田結合深耕處理對10～20 cm土壤養分含量的提升效果顯著［73］。但從總體來看，秸稈還田后存在一定的腐解期，養分歸還不夠及時，還田效果不能在短期內顯著表現［74-76］，而長期秸稈還田能有效增加土壤養分含量［77］。

4 秸稈還田對土壤微生物特性的影響

土壤有機質變化深刻影響土壤微生物的代謝活動［78］。秸稈作為富含碳、氮的有機物料，還田后可以為土壤微生物的生命活動提供更多的營養物質；此外，秸稈還田后通過改變土壤結構，可以為微生物營造良好的生存環境［79-80］。添加作物秸稈對土壤微生物的影響特別表現在土壤細菌、真菌方面［81］。周文新等［82］研究發現，秸稈還田可以顯著提高雙季稻種植區土壤的細菌生物量，并且對其群落結構和功能改善有積極作用。Zhao等［83］通過培養實驗發現，添加玉米秸稈顯著改變了砂壤土的細菌群落結構，但細菌豐富度與多樣性降低，這主要是由于玉米秸稈的高C/N促進了微生物生長，導致土壤硝態氮消耗加快。李鵬等［84］研究發現，隨著稻秸還田年限的增加，土壤真菌數量不斷增加，且水稻秸稈還田后通過影響土壤pH值、有機碳和速效磷含量使土壤真菌群落結構發生了明顯變化，群落多樣性存在升高趨勢。

大量研究表明，秸稈還田量、秸稈還田形態以及還田年限是影響土壤微生物生物量、群落結構及多樣性的幾個主要因素。徐蔣來等［85］在蘇中稻麥輪作區的研究表明，不同秸稈還田量使土壤細菌數量不同程度提升，當水稻秸稈和小麥秸稈還田量占全量的50%時，這種提升效應達到了顯著水平；而真菌數量受到了一定程度的抑制，這與測定真菌類型以及秸稈還田后土壤呼吸強度增強使土壤CO2濃度升高有關。徐忠山等［86］在東北黑土區的研究表明以6750 kg/hm2還田量對土壤微生物量和種類多樣性的改善效果最好，并且出現了多種對土壤質量有益的菌種。另有研究者發現，提高秸稈的粉碎程度，使秸稈以更細小的形態還田，更能加快微生物對秸稈的分解過程，同時影響細菌和真菌的群落結構［87］。不同類型的微生物對還田年限的響應有差異。Guo等［88］研究發現，短期秸稈還田使華中稻麥輪作區土壤磷酸脂肪酸（PLFA）總量、細菌和真菌生物量分別提高了31.1%、36.0%、95.9%；在長期連作的農田上，土壤真菌數量隨還田年限的增加而呈現增長趨勢，細菌數量和微生物總量則表現為先減后增的趨勢［89］。

5 存在問題及展望

我國的秸稈還田研究工作起步較晚，無論是應用技術還是理論研究均與國際先進水平存在一定的差距。目前，我國的秸稈還田方式仍以直接還田為主，包括地表覆蓋與表層淺還2種方式。然而，隨著這2種還田方式的推行，也暴露出一些問題，例如：秸稈覆蓋產生的“低溫效應”會使作物的生育期推遲；秸稈淺旋會出現“種地漏風”現象，從而影響下季播種以及作物種子的萌發；在秸稈腐解過程中也會出現病蟲害頻發等問題。另外，我國秸稈還田利用率仍比較低，一方面是由于還田工作繁瑣，對農機具要求高，工作成本過高；另一方面是由于農民缺乏對秸稈還田的科學認識，一些好的還田技術得不到實質性的推廣。因此，在未來應從以下幾個方面進行研究：一是秸稈還田效應存在區域性差異，各地區應因地制宜，結合當前的主流還田模式，兼顧經濟效益和生態效益，重點探究能長期、有效地改善本地區土壤環境的還田技術；二是秸稈還田后的腐解進程較為緩慢，加速秸稈腐解進程，使秸稈中的養分及時歸還土壤以供作物利用尤為重要；三是改良現有的秸稈還田技術，同時加強農業機具的研發，從技術手段上避免耕層變淺、土壤結構破壞等問題；四是要建立與各種秸稈還田模式配套的評價體系和推廣體系；五是要將機械技術、生物工程技術、農機農藝措施統籌兼顧，為更加合理地通過秸稈還田來改善土壤肥力和實現土壤質量長期向好發展提供技術支持。