程子珍，范先鵬，余延豐，吳茂前，熊桂云，張富林，劉冬碧，夏 穎，張志毅

（湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所/國家農(nóng)業(yè)環(huán)境潛江觀測實驗站/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(xué)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，武漢 430064）

中國是秸稈資源大國。根據(jù)《第二次全國污染源普查公報》，2017 年中國秸稈產(chǎn)生量為8.05 億t，可資源收集量為6.74 億t。秸稈處置不當，不僅造成資源浪費，還會帶來一系列環(huán)境和社會影響［1］。如秸稈焚燒不僅會使秸稈中氮磷鉀大量損失，還會影響空氣質(zhì)量，危害農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。近年來，國家出臺了多項措施推進秸稈的資源化利用，如《農(nóng)業(yè)部辦公廳、財政部辦公廳關(guān)于開展農(nóng)作物秸稈綜合利用試點，促進耕地質(zhì)量提升工作的通知》《農(nóng)業(yè)部關(guān)于實施農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展五大行動的通知》等，并提出“多元利用、農(nóng)用優(yōu)先”的秸稈資源化利用原則。有研究表明，在當前農(nóng)業(yè)形勢下，秸稈還田是最優(yōu)、最現(xiàn)實的農(nóng)用模式［1］。秸稈還田可以補充土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分，提高土壤肥力。同時，秸稈還田也會對農(nóng)田氮磷流失、氨揮發(fā)、溫室氣體排放產(chǎn)生影響，進而對水和大氣環(huán)境產(chǎn)生影響。本文就秸稈還田對農(nóng)田氮磷流失、氨揮發(fā)、溫室氣體排放的影響進行綜合分析，以期為秸稈科學(xué)還田提供指導(dǎo)。

1 秸稈還田對農(nóng)田氮磷流失的影響

有許多研究者探討了秸稈還田對農(nóng)田氮磷流失的影響。對水田的研究結(jié)果表明，秸稈還田有降低地表徑流氮磷流失的作用。如朱利群等［2］研究表明，秸稈直接還田會使稻田TN 流失減少20.0%～28.9%，TP 流失減少10.3%～22.0%。陳琨等［3］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田、稻麥輪作農(nóng)田TN 和TP 流失量分別降低22.5%和6.2%。朱堅等［4］在雙季稻上連續(xù)7 年研究發(fā)現(xiàn)，晚稻秸稈全量還田并等量替代化肥，稻田TN 和TP 流失量分別降低12.6%和9.7%。秸稈還田降低稻田氮磷流失量主要通過降低徑流水中氮磷濃度實現(xiàn)的。劉紅江等［5］研究表明，麥秸直接還田、麥秸還田和氮磷鉀肥各減20%，都不會降低稻田徑流水量，但會使TN 流失量分別降低9.2%和14.6%，使TP 流失量分別降低10.9%和16.4%。對旱地的研究結(jié)果表明，秸稈覆蓋還田可以減少旱地氮磷流失，主要是通過減少地表徑流水量來實現(xiàn)的。秸稈覆蓋還田能使玉米地產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量比不覆蓋的對照分別減少30.5%和22.9%，地表徑流氮磷流失量分別降低27.4%和32.3%［6］。

2 秸稈還田對氨揮發(fā)的影響

許仁良［7］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田促進稻田氨揮發(fā)。汪軍等［8］發(fā)現(xiàn)麥秸還田下，烏柵土和黃泥土稻季氨揮發(fā)損失比單施氮肥處理分別增加了19.8%和20.6%。張剛等［9］研究認為，秸稈全量還田會使稻田氨揮發(fā)總量由秸稈不還田的10.01 kg/hm2增加至11.83 kg/hm2，增加18.2%。秸稈還田促進稻田氨揮發(fā)，可能與秸稈還田提高土壤脲酶活性和土壤pH 有關(guān)［9］。

秸稈還田對旱地氨揮發(fā)影響的結(jié)果不盡一致。在小麥-玉米輪作農(nóng)田上的研究表明，與無秸稈配施相比，配施100%或50%秸稈分別降低了35.1%和16.1%的年累積氨揮發(fā)量；秸稈還田降低氨揮發(fā)，可能與秸稈的高C/N 比及土壤較高的微生物活性，促進了無機氮的固定降低土壤銨態(tài)氮濃度有關(guān)［10］。但對全球相關(guān)文章進行Meta 分析表明，秸稈還田會使旱地氨揮發(fā)增加17.0%，旱地氨揮發(fā)增加可能與秸稈還田增加脲酶活性有關(guān)［11］。

3 秸稈還田對溫室氣體排放的影響

3.1 秸稈還田對土壤固碳的影響

許多短期和長期試驗表明，秸稈還田可以通過增加土壤有機碳的直接輸入實現(xiàn)農(nóng)田固碳［12］。英國洛桑試驗站始于1986 年的秸稈還田試驗表明，秸稈還田顯著提高土壤有機碳的積累速率［13］。金琳等［14］用Meta 分析法估算了中國不同農(nóng)田管理的土壤固碳，各種措施中化肥與有機肥配施的固碳作用最大（0.889 t/hm2），其次為秸稈還田（0.597 t/hm2）。潘根興等［15］認為，20 世紀80 年代以來全國秸稈還田的耕地土壤年固碳速率為0.5～1.0 t C/hm2；逯非等［16］認為中國稻田秸稈還田的固碳潛力為10.48 Tg C/年；Pan 等［17］對太湖地區(qū)稻油輪作農(nóng)田的長期定位試驗表明，每年水稻秸稈還田量為4.5 t C/hm2時，土壤年固碳速率為0.51 t C/hm2。

3.2 秸稈還田對甲烷排放的影響

秸稈還田對土壤甲烷排放影響的研究多集中在稻田上。許多研究表明，秸稈還田會促進稻田甲烷的排放［18-22］。據(jù)測算，秸稈還田會使中國稻田甲烷排放從無秸稈還田的5.796 Tg/年增加到9.114 Tg/年，秸稈還田引起甲烷增排3.318 Tg/年，其全球增溫潛勢達82.95 Tg CO2-eqv/年［16］。此外，秸稈還田方式也會影響稻田甲烷的排放。秸稈粉碎還田可增加稻季113%的甲烷排放量，覆蓋還田增加稻季27%的甲烷排放量［23，24］。

3.3 秸稈還田對氧化亞氮排放的影響

目前，秸稈還田對農(nóng)田氧化亞氮排放影響的研究結(jié)果不盡一致。在稻田上，有研究者認為稈秸還田會增加稻田氧化亞氮排放［25-27］；但多數(shù)研究表明秸稈還田會降低稻田氧化亞氮的排放［18，19，21，22］；對全球相關(guān)文章進行Meta分析也表明，秸稈還田會使稻田氧化亞氮排放降低17.3%［11］。秸稈還田降低稻田氧化亞氮排放可能是秸稈還田促進了土壤氮素的微生物固定，使硝化和反硝化作用的底物減少所致。在旱地上，有研究表明，秸稈覆蓋還田會增加土壤氧化亞氮的排放，全年覆蓋秸稈4 500 kg/hm2和9 000 kg/hm2，土壤氧化亞氮平均排放通量分別為131.31 μg/（m2·h）和142.26 μg/（m2·h），比秸稈不還田［110.64 μg/（m2·h）］分別提高了18.68%和28.57%［11］；在小麥-玉米輪作農(nóng)田上的研究結(jié)果也表明，秸稈還田會增加氧化亞氮的排放量［28］。但也有研究表明，秸稈還田并不會對冬小麥田的氧化亞氮排放有明顯影響［29］，秸稈全量還田會降低麥季氧化亞氮的排放量［30］。此外，秸稈還田方式也會影響氧化亞氮的排放。在稻麥輪作農(nóng)田上，秸稈粉碎還田可降低麥季3%～18%的氧化亞氮排放量，覆蓋還田增加麥季15%～39%的氧化亞氮排放量［23，24］。

3.4 秸稈還田的總體溫室效應(yīng)

秸稈還田一方面增加了土壤對碳的固定，有利溫室氣體減排，另一方面會影響甲烷、氧化亞氮等溫室氣體的排放。有研究者對稻田、稻麥輪作農(nóng)田秸稈還田的總體溫室效應(yīng)進行了分析。中國稻田秸稈還田的固碳潛力為10.48 Tg C/年，對減緩全球變暖的貢獻為38.43 Tg CO2-eqv/年；但秸稈還田后，稻田甲烷排放將從無秸稈還田的5.796 Tg/年增加到9.114 Tg/年，秸稈還田引起甲烷增排3.318 Tg/年，其全球增溫潛勢達82.95 Tg CO2-eqv/年，是土壤固碳減排潛力的2.158 倍，稻田秸稈還田的甲烷增排的溫室效應(yīng)會大幅抵消土壤固碳的減排效益［14］。對稻麥兩熟農(nóng)田的研究發(fā)現(xiàn)，稻麥秸稈全量還田會降低麥季甲烷的排放量，增加稻季甲烷排放量，總體上會使稻麥兩熟農(nóng)田周年甲烷排放總量從無秸稈還田的156 kg CH4/hm2增加到394 kg CH4/hm2，增幅高達153%；稻麥秸稈全量還田會降低麥季氧化亞氮的排放量，對稻季氧化亞氮的排放沒影響，總體上會使稻麥兩熟農(nóng)田周年氧化亞氮排放總量從無秸稈還田的2.79 kg N2O/hm2降至2.39 kg N2O/hm2，降幅為14%；此外，秸稈還田會使稻麥兩熟農(nóng)田土壤碳固定量從無秸稈還田的0.18 t C/hm2增加至1.14 t C/hm2，增加533%。從綜合溫室效應(yīng)來看，秸稈還田會增加稻麥兩熟農(nóng)田的溫室效應(yīng)，凈增溫潛勢將從無秸稈還田的4 058 CO2-eqv/hm2增加至6 383 kg CO2-eqv/hm2，增加57%［28］。

4 小結(jié)與展望

中國是秸稈資源大國，科學(xué)處置秸稈對保障農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。直接還田是秸稈資源化利用的重要途徑。秸稈還田能降低農(nóng)田氮磷流失，對保護地表水環(huán)境有積極作用，但秸稈還田也會加重農(nóng)田氨揮發(fā)損失，一定程度上影響氮肥利用效率，對空氣質(zhì)量有一定的負面影響。此外，雖然秸稈還田能促進農(nóng)田固碳，大多數(shù)研究認為還能降低稻田氧化亞氮的排放，但同時會大幅促進稻田甲烷排放，總體上增加稻田的溫室效應(yīng)。因此，需要加強秸稈還田對氨揮發(fā)、稻田甲烷排放影響機制及控制技術(shù)的研究，降低秸稈還田對環(huán)境的負面影響。

此外，目前秸稈還田對氧化亞氮排放，特別是對旱地氧化亞氮排放影響的研究結(jié)果不盡一致，而且不同還田方式的影響也不同，需要對此做進一步系統(tǒng)研究。雖然現(xiàn)有研究表明，對于稻田和稻麥輪作農(nóng)田，秸稈還田總體上會增加溫室效應(yīng)，但這些研究結(jié)果是對比秸稈不還田且不做任何其他利用情況下獲得的。要客觀評價秸稈還田措施的總體溫室效應(yīng)，還需深入研究秸稈在其他利用途徑下的溫室效應(yīng)。