玉米秸稈還田的生態效益探究

朱文悅 趙靜紅 王菁菁 楊曉庭

（1.吉林市農業科學院 吉林吉林 132000；2.吉林省土壤肥料總站 吉林長春 130022）

玉米是中國三大糧食作物之一， 全國每年可收集的玉米秸稈量超億噸， 是秸稈資源最豐富的國家之一， 因此在農業生產中面臨玉米秸稈所產生的環境負擔[1]。 傳統的玉米秸稈處理方式多為燃燒處理，不僅污染環境，還容易產生火災[2]；作為飼料喂養牲畜，難以在短時間內處理大量秸稈，不利于我國農業經濟的發展。 通過大量有關處理玉米秸稈的調查研究得出，玉米秸稈還田是一種必然的發展趨勢。 秸稈還田指的是將玉米秸稈粉碎后直接施入或經過堆積腐熟后施入土壤中的一種秸稈處理方式。 玉米秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀等元素，以肥料的形式還田后將秸稈中的元素轉化為土壤中的有效養分， 平衡土壤碳氮比及其他元素，達到改良土壤的目的，為作物生長營造良好的環境， 也是目前較為有效的土壤培肥方式之一[3]，尤其是長期的玉米秸稈還田可有效提高作物產量及經濟效益。 因此，玉米秸稈還田利于農業生態系統可再生資源的高效利用及農業生態環境的良性循環發展， 對恢復耕地質量和秸稈高效利用有著重要意義。

1 玉米秸稈還田方式

由于玉米秸稈還田方式較多， 需要因地制宜地進行選擇。 目前主要分為直接還田和間接還田兩大類。 不同秸稈還田方式的優缺點見表1。

表1 不同秸稈還田方式的優缺點

2 玉米秸稈還田對土壤生態環境的影響

2.1 對土壤養分的影響

耕地常年無休耕超負荷使用導致嚴重的土壤養分流失問題，大量研究表明，玉米秸稈還田通過提高土壤有機質含量及土壤養分， 可有效改善耕地養分缺失現象，增強土壤肥力。 將玉米秸稈進行不同程度的機械粉碎還于土壤中， 可增加土壤中有機物質的含量，進而影響了土壤養分[4-5]。 國內外學者對此做出的一系列研究[6]表明，秸稈還田有效降低了土壤容重及緊實度， 顯著增加了土壤有機碳、 腐植酸碳、 胡敏酸碳和富里酸碳含量， 且促進土壤腐植質的積累。 有研究得出， 玉米秸稈還田后全氮和堿解氮的含量均有所提高， 并且有效提高了速效磷、 速效鉀的含量， 可減少化肥用量[7-8]。 有研究得出，與常規施化肥的處理相比，玉米秸稈與化肥減施結合處理能提高肥料的利用率，及時補充土壤養分，以供作物吸收利用，顯著提高作物產量[9]。 玉米秸稈還田釋放的豐富養分，可顯著改善土壤環境。 有效解決過度依賴使用化肥而導致土壤中化肥殘留常年累積， 嚴重破壞耕地等問題。 Yan[10]認為秸稈在土壤中腐解后能夠釋放大量有機碳，進而增強土壤的固碳作用，加強土壤肥力。 Wang[11]等進行室內試驗，添加了13C 標記的玉米秸稈， 以研究不同土層中SOM 礦化和秸稈分解。研究得出，秸稈的添加促進了SOM 的礦化，從而誘導了一種積極的啟動效應， 加快了固碳作用及碳周轉速度。

2.2 對土壤物理性質的影響

土壤物理性質包括土壤容重、 孔隙度和團聚體等，是土壤肥力形成中重要的因素。 大量的秸稈還田試驗得出，秸稈粉碎后在土壤中腐解，不僅影響土壤養分，也會改變土壤物理結構，顯著解決土壤板結、耕層弱化等問題。 毛國軍[12]等的研究得出，與不施加秸稈的耕地相比，秸稈還田區域土壤容重降低、土壤有機質等養分含量和玉米產量增加。 有研究表明，秸稈還田可有效降低土壤的pH 及土壤容重，提高土層土壤孔隙度及呼吸代謝率， 有效阻隔土壤水分的蒸發，提高土壤的保墑蓄水能力，促使作物對土壤水分的有效吸收利用[13]。長期玉米秸稈還田不僅有效地改善作物根系環境，達到增產效果，而且有利于改變土壤結構。于博[14]等人根據長期玉米秸稈還田定位試驗得出，秸稈還田改變耕地土壤結構狀況，土壤的保水性、通透性、團聚體的穩定性顯著提高，從而改善作物的生長環境，增產效果明顯。 有研究通過Meta 分析得出，秸稈還田提高了土壤團聚體的穩定性，玉米秸稈還田顯著增強土壤團聚體固碳效應， 進而提高了土壤有機碳含量[15]。

2.3 對土壤微生物的影響

土壤微生物的變化響應著土壤生態環境變化，是評價土壤質量的重要指標[16]。 玉米秸稈還田后，在適宜的土壤環境中土壤微生物對碳源的利用能力提高，微生物群落多樣性及均勻度增加；同時土壤微生物群落在秸稈腐解過程中起著決定性作用， 土壤微生物群落會對秸稈的腐解做出響應。 由于秸稈還田后顯著提高有機碳含量， 而碳輸入量和有機碳含量是決定細菌群落結構的最重要因素， 同時影響著土壤通氣情況、溫度和墑情，利于土壤微生物的繁殖，可提高耕層土壤酶活性。于淼[17]等人利用高通量測序對耕層土壤細菌群落結構測定得出， 秸稈還田顯著提高土壤細菌群落的豐富度和多樣性， 可顯著增強土壤微生物量碳及土壤酶活性，增加土壤細菌、放線菌等主要微生物生理類群的數量， 從而有利于土壤固氮菌的增加[18]。此外，土壤物理、化學性質的變化也是影響土壤微生物群落種類、 活性及分布的關鍵因素。 玉米秸稈還田有效增強土壤理化性質的同時土壤微生物活性及微生物生物量也隨之提高[19]。

2.4 對土壤動物的影響

玉米秸稈在土壤中腐解不僅滋生土壤微生物數量和活性，亦需要土壤動物對秸稈進行分解。 玉米秸稈還田可有效提高土壤養分和生產力， 同時也對土壤動物群落產生一定的影響[20]。土壤動物在土壤生態系統中有利于調節土壤養分礦化等物質的循環，有助于土壤有機質分解及植物殘體的分解[21-22]。 土壤動物通過加速微生物生物量的周轉，進而增加N 的淋洗率。 秸稈還田不僅有利于土壤微生物量及碳氮含量的提高，還顯著影響土壤線蟲和微生物的活性[23-24]。土壤線蟲是土壤動物之一， 其活性間接影響著土壤微生物群落結構及其代謝活性， 進而影響土壤養分及有機碳[25]。 趙萍[26]通過室內試驗研究在玉米秸稈分解過程中加入蚯蚓得出，玉米秸稈量一定時，與無蚯蚓處理相比，添加蚯蚓處理土壤含水量較高，說明有適量的蚯蚓和玉米秸稈能夠減少土壤水分蒸發。 有研究得出，秸稈還田顯著增加土壤動物個體總數、類群總數、多樣性和生物量，同時亦能提高土壤肥力[27-28]。

綜合得出， 玉米秸稈還田為土壤動物及微生物提供較好的生存環境， 從而激發土壤動物及微生物活性和數量，可促進土壤肥力的發展。 相互作用下土壤微生物和動物可有助于秸稈更快更有效的分解，有利于土壤的良性發展。

3 玉米秸稈還田存在的問題及措施

3.1 腐解問題

由于玉米秸稈還田短時間內腐解程度不能夠達到完全與土壤融合， 大量秸稈存留于土壤耕層中會造成土壤疏松，影響土壤的保墑蓄水。 并且由于土壤間隙增大， 導致作物種子或幼苗根系不能與土壤完全接觸，影響農作物根系扎根及生長發育，不利于種子發芽和生長[29]。 秸稈還田的問題主要是腐解問題，為提高秸稈在土壤中的腐解率，針對秸稈腐解劑的研究逐漸增多[30-31]。 對此，玉米秸稈粉碎還田后應均勻分布并進行造熵鎮壓， 使得玉米秸稈與土壤緊密結合，或添加腐解劑以加快分解，避免影響作物生長。

3.2 病蟲害問題

玉米秸稈上附有大量病菌和蟲卵，如根腐病、紋枯病、赤霉病等，在秸稈直接粉碎過程中沒有被全部殺死，隨秸稈還田殘留于土壤中。 由于土壤中富有水分且能保溫，能夠形成一個適宜病蟲的環境，容易導致病蟲的繁殖生長加快[32]。 吳景貴[33]認為秸稈中的養分和空間為幼蟲卵和帶菌體提供了生存空間， 造成的病蟲害將會通過還田影響下茬作物的生長。 因此，玉米秸稈還田之前應噴灑相關適量的殺菌劑， 或進行高溫處理，降低病蟲害的發生率，避免對土壤造成損害[34]。

4 結語

玉米秸稈含有豐富的有機碳和其他養分物質，是土壤與糧食之間傳遞養分的載體。 通過秸稈還田將作物吸收的養分還于土壤中， 可高效節約化肥的使用，達到節本且利于土壤生態的目的。 玉米秸稈還田已經成為了農業綠色生產增產及保護農業生態環境的重要舉措， 將玉米秸稈肥料化利用在合理減施化肥及改善土壤環境、 保障糧食產量等方面發揮了重要作用。 但對于秸稈還田中產生的問題也不容小覷，要在發展中發現問題、解決問題，合理高效循環利用玉米秸稈， 確保玉米秸稈還田成為生態農業可持續發展的重要保障。