夏穎，馮婷婷，吳茂前，張志毅

（湖北省農(nóng)業(yè)科學院植保土肥研究所/湖北省農(nóng)業(yè)面源污染防治工程技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部潛江農(nóng)業(yè)環(huán)境與耕地保育科學觀測實驗站/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物肥料化利用重點實驗室/農(nóng)業(yè)環(huán)境治理湖北省工程研究中心，武漢 430064）

秸稈富含氮、磷、鉀等農(nóng)作物生長所必需的營養(yǎng)元素，是一類可利用的可再生資源。作為農(nóng)業(yè)大國，中國作物秸稈資源非常豐富。農(nóng)作物秸稈還田是一項重要的綜合利用措施，具有增加土壤有機質(zhì)、改善土壤結(jié)構(gòu)、培肥土壤地力等作用。中國秸稈資源利用率較低，其主要利用方式為秸稈直接還田和秸稈間接還田。隨著中國機械化水平的提高和秸稈利用相關(guān)政策的出臺，秸稈還田技術(shù)由堆肥、漚肥還田向焚燒和整稈還田轉(zhuǎn)變，進而向粉碎還田、炭化還田等轉(zhuǎn)變。大量研究、綜述證實秸稈還田對土壤物理、化學、生物性質(zhì)的影響，但是缺少秸稈還田技術(shù)的演變和現(xiàn)狀的綜述。了解秸稈還田技術(shù)的演變對秸稈還田利用和秸稈還田技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。本文系統(tǒng)闡述了秸稈還田技術(shù)的演變及發(fā)展趨勢，為秸稈還田培肥和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論指導和研究方向。

1 中國秸稈還田技術(shù)初始階段

1.1 秸稈還田技術(shù)初始階段的特點

20世紀70～80年代，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要矛盾之一是“地多肥少”，人們將作物秸稈當作重要肥源施入農(nóng)田，從而提高糧食產(chǎn)量。該階段秸稈還田技術(shù)的研究和推廣主要是北方旱地的小麥與玉米種植區(qū)，根據(jù)秸稈還田方式可以分為秸稈直接還田和秸稈間接還田兩類。20世紀70年代，由于農(nóng)業(yè)機械不發(fā)達，作物秸稈以間接還田為主。該階段的秸稈間接還田技術(shù)主要是將作物秸稈、泥土、人糞尿等混合制成漚肥、堆肥后再施入農(nóng)田，間接還田方法包括過圈還田、漚肥還田、堆肥還田等。

初始階段秸稈間接還田技術(shù)要點［1］。①過圈還田。玉米秸稈切成3.3～6.7 cm長的小段后與泥土按1∶4的比例分層墊在牛、豬圈里進行腐熟。根據(jù)季節(jié)不同可以分為兩種過圈還田方式，春秋兩季先墊3.3 cm厚秸稈，再墊3.3 cm厚泥土，依次循環(huán)；夏季先墊6.7 cm厚秸稈，再墊6.7 cm厚泥土，依次循環(huán)。②漚肥還田。田邊挖出長6 m、寬4 m、深1.5 m的漚肥坑，秸稈、馬糞、土壤分層堆放，厚度比例為5∶2∶3，可以添加一些氨水加速發(fā)酵。③堆肥還田。在平地上將秸稈、馬糞、泥土分層堆放，厚度比例為5∶2∶3，堆置過程可以添加一定水分或氨水加速秸稈熟化，四周用黑泥封嚴。④燒糞還田。先鋪10 cm厚黃糞并撒施過磷酸鈣，再鋪6.7 cm厚泥土，用泥土將四周封嚴，燒制一晝夜后施用。

20世紀80年代，為了加快秸稈還田技術(shù)大面積推廣，不同形式和作用的秸稈還田機具出現(xiàn)，如秸稈直接拋撒器、錘片式秸稈粉碎拋撒裝置和牽引式秸稈粉碎拋撒機等［2］。隨著農(nóng)業(yè)機具的發(fā)展，秸稈直接還田技術(shù)開始起步。該時期秸稈直接還田是指作物收獲后，秸稈直接粉碎翻埋或整稈編壓還田。秸稈直接還田方法有粉碎還田、高茬還田、整稈（立茬）還田等。

初始階段秸稈直接還田技術(shù)要點［3，4］。①粉碎還田。收割機加裝秸稈粉碎裝置，收割、粉碎、拋撒同步進行。②高茬還田。收割時留茬高度不低于30 cm，再用重型耙滅茬或直接翻耕整地。③粉碎和播后覆蓋相結(jié)合。作物機械收獲后，靠田邊的秸稈（約1/2量）轉(zhuǎn)移到田埂，田中間部分均勻撒開后翻壓還田，播種后再將田埂上秸稈覆蓋還田。④整稈（立茬）還田［3］。玉米成熟后，不挖倒秸稈，直接機械深翻還田。秸稈直接還田后需增施一些氨水或碳酸氫銨調(diào)節(jié)土壤碳氮比，提供微生物繁殖所需的氮素營養(yǎng)，加速秸稈腐解。

1.2 秸稈還田技術(shù)初始階段培肥效果

有學者對該階段秸稈還田對改善土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分效應的情況進行了初步研究，結(jié)果表明秸稈還田能夠促進土壤團粒結(jié)構(gòu)形成，提高土壤水穩(wěn)性大團聚體含量［5］；從而改善土壤通透性和保水保肥性，降低土壤容重并增加總孔隙度［6］。秸稈直接還田5年后，大于0.25 mm團聚體含量增加了0.19%～4.18%，0.25～0.01 mm微團聚體含量增加0.26%～2.87%［7］。此外，秸稈還田顯著增加土壤有機物質(zhì)積累，提高土壤速效氮、磷、鉀的含量，尤其能夠較大幅度增加土壤速效鉀含量［8］。連續(xù)秸稈間接還田5年，吉林省東部酸性黑黃土有機質(zhì)含量增加0.87%，結(jié)合態(tài)胡敏酸和富里酸增加27.5%［9］。南方水旱兩熟下長期秸稈還田大幅度提高新形成腐殖質(zhì)與土壤無機部分的復合，增加土壤腐殖質(zhì)活性，其中C/N比值大的秸稈有利于提高改土效果。不同土壤肥力條件下秸稈還田效果表明，高產(chǎn)農(nóng)田下秸稈還田培肥效果最好，中等肥力次之，低產(chǎn)農(nóng)田效果較差［10］。

1.3 秸稈還田技術(shù)初始階段存在的問題

秸稈還田技術(shù)初始階段明確了秸稈還田的增產(chǎn)效果和部分培肥效果，秸稈還田的培肥效果主要體現(xiàn)在對土壤物理性質(zhì)和化學性質(zhì)的影響，但還存在以下問題。①多數(shù)研究局限于秸稈還田的養(yǎng)分效果及對作物的產(chǎn)量效應。②從研究區(qū)域上看，北方旱作區(qū)秸稈還田技術(shù)的研究較深入，秸稈還田技術(shù)初步形成，例如機械粉碎還田、秸稈覆蓋還田等均取得了一定成就。而稻區(qū)秸稈還田，尤其是南方稻田、水旱兩熟區(qū)的相關(guān)研究較少。③缺乏秸稈還田技術(shù)的系統(tǒng)研究，秸稈還田時間、數(shù)量、施氮量、粉碎程度、翻壓程度等技術(shù)指標的研究相對較少。

2 中國秸稈還田技術(shù)發(fā)展階段

2.1 秸稈還田技術(shù)發(fā)展階段的特點

20世紀90年代，隨著化肥的施用，中國糧食作物產(chǎn)量逐步增加，秸稈的產(chǎn)生量也隨之增加。1999年中國作物秸稈資源總量約6.4×1011kg，其中稻草1.9×1011kg，玉米秸1.7×1011kg，麥秸1.2×1011kg。在國外，大部分秸稈已經(jīng)用于還田。美國每年生產(chǎn)作物秸稈4.5×1011kg，秸稈還田量占秸稈生產(chǎn)量的68%［11］。英國秸稈直接還田量占其秸稈產(chǎn)生量的73%［12］。在中國，由于農(nóng)村石化燃料與煤炭的增多以及漚肥場地條件的限制，秸稈作為薪柴和漚肥的用途逐漸減少，秸稈隨意丟棄和無控焚燒成為農(nóng)村處理秸稈的主要方式。秸稈焚燒不僅污染環(huán)境，也造成事故頻發(fā)，對高速公路、鐵路及民航航班的起降安全等構(gòu)成極大威脅。為了更好地利用秸稈資源，克服秸稈還田中的盲目性，秸稈直接還田技術(shù)和間接還田技術(shù)得到深入研究。初步明確秸稈直接還田的時間、秸稈還田量、氮肥用量、粉碎程度、翻壓程度、土壤水分、病蟲害防治等因素。華北地區(qū)、西南地區(qū)、長江中游區(qū)、江蘇水旱兩熟區(qū)、浙江三熟制種植區(qū)的秸稈直接還田技術(shù)規(guī)程相繼出臺。秸稈直接還田方式也由小型機械和人工還田向大型機械化秸稈還田技術(shù)轉(zhuǎn)變，秸稈還田機的功能由單一功能向復式作業(yè)機械轉(zhuǎn)變［13］。秸稈間接還田技術(shù)也發(fā)生較大轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)的堆肥、漚肥方式向過腹還田、生物催腐還田轉(zhuǎn)變。該階段秸稈利用原則為就地、大量、簡便、環(huán)保［14］，秸稈還田技術(shù)具備了一定的理論基礎(chǔ)，推動了秸稈還田發(fā)展。

秸稈直接還田技術(shù)依然以粉碎還田、高茬還田、覆蓋還田、整稈還田等為主。隨著農(nóng)業(yè)機械的不斷改進，粉碎還田機、滅茬還田機和整株還田機等農(nóng)業(yè)機械的開發(fā)使秸稈直接還田成為操作簡單、省工省時、作業(yè)效率高的還田措施。

該階段秸稈直接還田技術(shù)要點。①粉碎還田。采用農(nóng)機具將農(nóng)作物秸稈進行粉碎，同時用旋耕機把粉碎的秸稈翻入土壤。秸稈粉碎翻壓還田機能夠依次將直立或鋪放的秸稈粉碎、滅茬、旋耕等多項工序一次完成。主要用于玉米、水稻等大田作物秸稈還田。粉碎還田后的秸稈在土壤里更易被微生物利用，提升土壤肥力，增加作物產(chǎn)量。實現(xiàn)“以田養(yǎng)田”、保護生態(tài)環(huán)境、穩(wěn)定高產(chǎn)的農(nóng)業(yè)模式。②高茬還田［15］。麥季稻草全量還田采取留高茬（茬高30～40 cm）加粉碎或整草覆蓋模式，水稻成熟后既宜機收又可人割；稻季麥秸稈采用留高茬（茬高30 cm左右）加粉碎全量還田，干旋或水旋，一次機械作業(yè)完成耕整全過程；麥套稻采用留高茬（茬高在30 cm左右）加粉碎或整草覆蓋。③覆蓋還田。作物收獲后秸稈或殘茬全部覆蓋于土壤表面，此技術(shù)適合小面積的人工整株倒茬覆蓋。防止土壤受到風、水等自然侵蝕，保護土壤環(huán)境安全，起到保水保墑的作用。

該階段秸稈間接還田技術(shù)要點。①堆肥還田［12］。不同于傳統(tǒng)堆肥、漚肥還田，現(xiàn)階段開始利用秸稈腐熟劑產(chǎn)生纖維素酶，短時間內(nèi)將作物秸稈堆制成有機肥。②過腹還田［16］。作物秸稈經(jīng)過青貯、氨化、微貯處理，飼喂牛、馬、羊等牲畜后，畜糞尿作為肥料施入土壤。但是該技術(shù)不適用于飼用價值不高的小麥、棉花秸稈。③燒灰還田。包括兩種燒灰方法，一種是作為燃料，這是國內(nèi)外農(nóng)戶傳統(tǒng)的做法；第二種是將收獲的農(nóng)作物秸稈在田里直接點燃或用輔助燃料點燃。該方法可以將秸稈全部還于土壤中，燃燒產(chǎn)生的氣體對環(huán)境和人類身體存在安全隱患，如果控制不及時還存在火災安全。因此政府禁止秸稈焚燒。

2.2 秸稈還田技術(shù)發(fā)展階段培肥效果

發(fā)展階段秸稈還田的養(yǎng)分效應得到深入研究。傳統(tǒng)秸稈還田技術(shù)對土壤有機質(zhì)的提高及基本理化性質(zhì)改善有良好效果，但因過去秸稈所含養(yǎng)分太少，對促進養(yǎng)分循環(huán)利用的作用偏低［17］。隨著秸稈產(chǎn)生量增加和研究的逐步深入，秸稈還田下土壤養(yǎng)分供給特征逐漸明晰。稻麥兩熟下，秸稈還田明顯提高水稻移栽15 d后土壤銨態(tài)氮（NH4-N）的供給量，并維持到齊穗以后［15］。在不施鉀肥的情況下，土壤鉀庫長期處在耗竭狀態(tài)，土壤速效鉀和緩效鉀含量逐漸降低，秸稈還田能夠減緩土壤鉀素的下降趨勢［18，19］。但是，連續(xù)秸稈還田只能減緩鉀素肥力下降，要維持土壤鉀素平衡，秸稈還田需要配施適量化學鉀肥［20，21］。稻麥兩熟下紫色土每年秸稈還田量為7 500 kg/hm2并配施鉀肥（K2O）140 kg/hm2能夠保證土壤鉀素盈余，維持紫色土鉀素肥力［22］。此外，秸稈全量還田土壤的微生物數(shù)量極顯著高于對照和秸稈半量還田，而且，微生物的活性表現(xiàn)為：全量還田＞半量還田＞不還田［23］。有研究表明，麥稈全量翻耕還田前期會產(chǎn)生一些還原性物質(zhì)，但到分蘗期以后，經(jīng)過擱田，秸稈還田處理土壤的還原性物質(zhì)總量與對照接近，對秧苗也無毒害作用［23］。

2.3 秸稈還田技術(shù)發(fā)展階段存在的問題

發(fā)展階段秸稈還田技術(shù)存在的主要問題。①針對南方水田區(qū)和稻麥兩熟區(qū)兩季作物間秸稈還田農(nóng)時緊張，秸稈還田后手工插秧困難等問題研究較少。②秸稈禁燒與要求還田的法規(guī)、政策不健全。實際生產(chǎn)中秸稈直接焚燒現(xiàn)象嚴重，又缺乏相關(guān)的法律法規(guī)和政策禁止秸稈焚燒。③部分秸稈還田機械化程度不高。該階段還田機械對于平原和城郊經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)較適合，但與經(jīng)濟基礎(chǔ)差、田塊小的山區(qū)和丘陵區(qū)不匹配，難以推廣。④秸稈還田技術(shù)的理論基礎(chǔ)研究不全面。關(guān)于秸稈還田的負面效應，秸稈的快速腐解、病蟲害發(fā)生和流行等問題研究較少。⑤秸稈還田的配套栽培技術(shù)研究薄弱。秸稈還田多以單一技術(shù)為主，缺乏機械、化學、生物、農(nóng)藝等措施的結(jié)合。

3 中國秸稈還田技術(shù)現(xiàn)階段

3.1 秸稈還田技術(shù)現(xiàn)階段特點

21世紀初期，隨著中國人口數(shù)量日益增加，耕地面積和質(zhì)量逐漸下降，人地矛盾越來越突出［24］。同時，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥過量使用導致出現(xiàn)土壤板結(jié)、酸化、結(jié)構(gòu)破壞、養(yǎng)分失衡等地力衰退問題及水體污染問題。中國糧食安全正面臨著日益嚴峻的挑戰(zhàn)［25］。秸稈還田作為改良土壤結(jié)構(gòu)、改善土壤養(yǎng)分狀況、減少化肥使用的培肥措施得到進一步推廣。秸稈間接還田技術(shù)出現(xiàn)炭化還田技術(shù)，有效固定和封存土壤中的碳素（圖1）。

圖1 現(xiàn)階段典型秸稈還田技術(shù)

現(xiàn)階段秸稈直接還田技術(shù)基本成熟，主要技術(shù)特點有以下幾點。①粉碎還田。作物機械化收獲，秸稈通過機械化粉碎撒勻后，直接進行旋耕或深翻還田。②高茬還田。作物機械化收割，留高茬（麥玉兩熟下小麥留茬35～40 cm，麥稻輪作下小麥留茬25～30 cm，水稻留茬15～20 cm［26］。下季作物播種或移栽前，玉米季小麥秸稈可以采用免耕、旋耕和深翻等方式還田，南方水稻季小麥秸稈可以采用旋耕或深翻還田［27］。③覆蓋還田。秸稈粉碎后覆蓋在田面直接播種。④溝埋還田。玉米整稈溝埋還田、稻麥秸稈墑溝埋草還田等秸稈溝埋還田技術(shù)［28，29］。在作物收獲后，利用開溝機在田間開出秸稈填埋溝，將秸稈整稈或粉碎后埋入溝內(nèi)；每季埋草溝與上一季埋草溝有一定間隔，以此類推，幾年后實現(xiàn)全田開溝、埋草一次；實現(xiàn)秸稈全量還田的同時，達到了田塊深耕一次的目的。墑溝埋草還田技術(shù)主要應用于長江流域稻麥兩熟區(qū)，將傳統(tǒng)積肥方法與現(xiàn)代農(nóng)機作業(yè)和農(nóng)藝措施有機結(jié)合起來，在水田中開溝填埋秸稈，加快秸稈腐解、培肥土壤［30］。

現(xiàn)階段間接還田技術(shù)主要有以下幾種。①過腹還田。該方法符合目前“種養(yǎng)結(jié)合”的新理念［31］。但是隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)秸稈轉(zhuǎn)化成畜禽糞便后容易把重金屬及抗生素一同施入田間，可能對土壤及食品安全產(chǎn)生負面影響。②堆肥還田。隨著秸稈腐熟劑的應用，秸稈腐熟劑的優(yōu)劣成為該技術(shù)在實際應用過程中的關(guān)鍵，因此具有實際價值的秸稈降解菌得到嘗試和發(fā)現(xiàn)。目前降解秸稈的微生物主要包括里氏木霉、芽孢桿菌、黑曲霉、綠色木酶、酵母和乳酸菌等，這些微生物能夠產(chǎn)生纖維素酶、半纖維素酶和木質(zhì)素酶，進而降解作物秸稈［32］。堆肥還田依然是當前倡導的還田方法之一［33］。③炭化還田。秸稈在高溫無氧的條件下炭化制成生物炭施入土壤［34］。④栽培食用菌后還田。即將秸稈栽培食用菌后與畜禽糞便等物料堆肥發(fā)酵后作為有機肥還田［35］。

3.2 秸稈還田技術(shù)的現(xiàn)階段培肥效果

現(xiàn)階段研究了秸稈還田對土壤理化性質(zhì)、土壤肥力質(zhì)量、土壤微生物與酶活性、土壤碳氮循環(huán)、土壤與作物重金屬含量、作物產(chǎn)量及其構(gòu)成等方面的影響［36］。土壤微生物與酶活性和碳氮循環(huán)成為當前研究的重點，有科研人員系統(tǒng)綜述了相關(guān)研究進展，主要包括秸稈還田下水稻土中微生物生物量、群落結(jié)構(gòu)、多樣性等特征［37］，水稻土壤氮素轉(zhuǎn)化過程中相關(guān)功能微生物的作用以及關(guān)鍵功能基因驅(qū)動機制和稻田氮循環(huán)微生物及功能基因等［38，39］。張婷等［25］從微生物學、酶學、動物學方向提出秸稈還田可能的培肥機制，即微生物、酶、動物三者相互聯(lián)系、相互影響，共同參與秸稈還田培肥土壤過程。秸稈還田效應具有多重性、復雜性和交互性，其對農(nóng)田環(huán)境的負面效應也得到關(guān)注，秸稈還田后的溫室效應、化感效應、農(nóng)田病蟲害、土壤溫度、土壤水分以及土壤修復等得到關(guān)注。

3.3 秸稈還田技術(shù)現(xiàn)階段存在的問題及展望

現(xiàn)階段秸稈還田技術(shù)存在亟待解決的問題。①秸稈還田對土壤培肥效應的研究主要集中于土壤物理、化學、生物特征等方面，關(guān)于秸稈還田下土壤有毒物質(zhì)的研究較少［25］。②稻田秸稈全量還田的土壤培肥效應及其影響因子、稻田秸稈全量還田下肥料及水分運籌技術(shù)、稻田秸稈全量還田技術(shù)下土壤養(yǎng)分供應與作物養(yǎng)分吸收的耦合關(guān)系及協(xié)調(diào)機制等研究不足。③秸稈還田后，稻田耕層肥力及生產(chǎn)力對不同類型化肥施用措施的響應機制。④開發(fā)適用性廣的秸稈還田機械設(shè)備。中國農(nóng)作物種類多，不同農(nóng)作物秸稈理化性質(zhì)和種植環(huán)境各異，因此作物收獲及秸稈還田對設(shè)備的要求也不盡相同，需開發(fā)服務于秸稈還田技術(shù)的具有高效、低能耗、適用性廣等特點的機械設(shè)備［40］。⑤發(fā)展秸稈直接還田配套的快速腐解技術(shù)?，F(xiàn)在秸稈還田仍需要對作物進行收割、秸稈粉碎后再還田。如果秸稈原位還田后快速腐解，不影響作物的萌發(fā)、扎根等生長過程，可以大幅度減少人力和物力。因此需要挖掘、研發(fā)適宜的腐解菌群或腐解劑，使秸稈腐解速率契合作物生長不同階段對養(yǎng)分的需求［36］。⑥發(fā)展與秸稈還田配套的栽培措施。合理安排秸稈還田方式、還田時間、還田數(shù)量，充分發(fā)揮秸稈的最大作用［41］。

4 結(jié)論

秸稈還田技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮重要的作用，符合“藏糧于地，藏糧于技”戰(zhàn)略。中國秸稈還田技術(shù)不同階段的技術(shù)特點與當時的國家政策、生產(chǎn)狀況、耕作水平密切相關(guān)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，秸稈還田技術(shù)逐漸由人工向機械化轉(zhuǎn)變，由復雜化向輕簡化轉(zhuǎn)變，由地區(qū)性應用向多地區(qū)應用發(fā)展。秸稈還田的培肥效果和機制得到系統(tǒng)研究，對改善土壤物理、生物、化學性質(zhì)、提高作物產(chǎn)量、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。