張 旭, 邢思文, 吳玉德

(佳木斯大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)學(xué)院,黑龍江佳木斯 154007)

秸稈作為一種天然的農(nóng)業(yè)可再生資源[1],含有豐富的營養(yǎng)元素。目前,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中秸稈類型主要分為水稻、玉米、小麥等[2]。近年來,隨著農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,糧食種植面積逐漸擴(kuò)大,致使我國主產(chǎn)糧食占比達(dá)84.8%[3],秸稈作為農(nóng)作物的生物副產(chǎn)物仍存有大量殘余[4],由于缺少科學(xué)處理方法,導(dǎo)致大量的作物秸稈沒有被合理化利用,秸稈還田率極低,浪費農(nóng)業(yè)資源[5-7]。大部分秸稈被就地焚燒,在大氣和農(nóng)田中排放細(xì)顆粒物、多環(huán)芳烴等氣體污染物,嚴(yán)重危害空氣質(zhì)量,對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境造成了污染[8]。

秸稈還田可適當(dāng)緩解環(huán)境污染問題。秸稈還田是指把不能直接作飼料的秸稈,經(jīng)過直接或間接處理還田的一種處理方法[9]。合理運用秸稈還田技術(shù)可有效改善土壤理化性質(zhì),提升肥力,對土壤資源保護(hù)有很大幫助,有利于改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀[7]。因此,如何合理處理秸稈是關(guān)系到農(nóng)業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展的重要問題[10]。秸稈的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益越來越受各國的重視,被作為重點發(fā)展對象。近年來,關(guān)于秸稈還田的研究已有較多報道,研究表示秸稈還田均顯著提高土壤肥力,改善土壤物理結(jié)構(gòu),從而提高作物產(chǎn)量[11-12]。但不同秸稈還田方式對土壤水分利用情況均有差異[13-14],對土壤氮素及作物生長均有不同影響[15]。因此探究秸稈還田對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的影響具有重要意義。發(fā)達(dá)國家運用秸稈還田技術(shù)已有60多年歷史,還田技術(shù)水平成熟,從秸稈利用數(shù)量來看,秸稈還田循環(huán)利用是國外秸稈利用的主導(dǎo)方式[16]。我們可以借鑒發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)經(jīng)驗,結(jié)合我國的具體情況,發(fā)展出適合自己的秸稈還田技術(shù)。

當(dāng)今還缺少對秸稈還田方式系統(tǒng)的研究,仍然沒找到適合的秸稈還田比例和方式。秸稈還田的推廣仍面臨挑戰(zhàn),如秸稈還田技術(shù)復(fù)雜、操作要求多、成本高等問題沒有解決。在此背景下,本文對已有研究進(jìn)行整理,并歸納總結(jié)秸稈還田對農(nóng)田肥力和生態(tài)環(huán)境的影響,結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究,總結(jié)了秸稈還田的應(yīng)用效果、不同秸稈還田方式對農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的影響,為秸稈還田綜合利用提出幾點存在的問題,為保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、農(nóng)田環(huán)境提供一些科學(xué)參考。

1 秸稈還田方式

按照還田方式可分為2類,包括秸稈直接還田和秸稈間接還田。不同秸稈還田方式在農(nóng)田的應(yīng)用效果見表1。

表1 不同秸稈還田方式在農(nóng)田中的應(yīng)用

1.1 直接還田

1.1.1 秸稈粉碎還田技術(shù) 秸稈粉碎還田又稱直接還田,采用機(jī)械一次性作業(yè),在進(jìn)行秸稈粉碎的同時進(jìn)行旋耕滅茬,隨耕翻作業(yè)埋入土中,再經(jīng)一系列物理化學(xué)變化還田。秸稈切碎長度應(yīng)控制在8.0～10.0 cm[17],與土壤混拌均勻,深埋土層20 cm以下。秸稈粉碎后能夠加快秸稈在土壤中的腐解速度,被土壤充分吸收利用,改善土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和田間理化性質(zhì),增加土壤肥力,提高黑土地生產(chǎn)力。因此粉碎還田是稻田地常用的一種還田方式[18]。鄒德堂等對東北稻田試驗的研究表明,玉米秸稈粉碎翻埋還田的秸稈腐解效率高,作物產(chǎn)量提高6.8%[19]。在連續(xù)3年秸稈還田試驗中,作物產(chǎn)量增加10%以上,土壤節(jié)肥10%～20%,減少化肥的用量,利于實現(xiàn)“以田養(yǎng)田”,促進(jìn)良好生態(tài)環(huán)境的形成。

1.1.2 秸稈覆蓋還田技術(shù) 覆蓋還田是指在作物收獲后,將整株秸稈進(jìn)行一定程度的粉碎覆蓋于土壤表面,秸稈自然熟腐還田。秸稈覆蓋面積達(dá)到30%以上[20],還田后在春季直接耕作播種。覆蓋還田可通過減少日照輻射強(qiáng)度調(diào)節(jié)地溫,提高土壤保水能力,減少水分蒸發(fā),增加農(nóng)作物水分利用率,提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量,改善土壤理化性質(zhì),促進(jìn)作物生長發(fā)育[13-14]。秸稈覆蓋還可緩解溫度變化對作物的傷害。蔡麗君等在優(yōu)化寒地免耕覆蓋技術(shù)中表明,覆蓋還田顯著提高土壤固碳量達(dá)4.1%～22.3%,隨著秸稈覆蓋還田量的增加,土壤有機(jī)碳含量、作物產(chǎn)量呈上升趨勢[21]。有研究發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)耕作相比,秸稈覆蓋免耕可顯著提高玉米產(chǎn)量,平均增產(chǎn)率為3.3%[22-23]。

1.2 間接還田

1.2.1 秸稈過腹還田技術(shù) 過腹還田,是把農(nóng)作物秸稈作為飼料,飼喂給牛、豬、馬等牲畜,經(jīng)牲畜腹中消化吸收一部分營養(yǎng)后變成糞便,人工收集后施灑田地[4]。經(jīng)過腹還田能減少糞污對環(huán)境的污染,還能豐富土壤營養(yǎng)成分,改善土壤板結(jié)現(xiàn)象,具有良好的經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益。趙凌霄等研究發(fā)現(xiàn),秸稈過腹還田與直接還田相比,玉米小麥產(chǎn)量均增加,豐富變形菌相對豐度[15]。趙偉等研究表明,在黑土土壤物理性狀研究中,秸稈過腹還田處理可增加土壤全氮和可溶性有機(jī)氮的含量[24]。秸稈過腹轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥,既減緩環(huán)境壓力又避免化肥大量施用?，F(xiàn)今普遍推廣的主要有青貯氨化過腹還田技術(shù),用秸稈喂養(yǎng)牲畜,糞便作成肥料,肥料再返還農(nóng)田施用促進(jìn)作物生長發(fā)育,是一種環(huán)保的良性循環(huán)過程[25]。

1.2.2 秸稈堆腐還田技術(shù) 堆腐還田是將秸稈與畜禽糞便堆積在一起,均勻混拌成堆,放置在不透氣的地方直至腐熟,堆肥、漚肥再還田的方法。堆腐發(fā)酵要在厭氧環(huán)境中,保證灌溉水充足,含水量不低于30%,充足光照可以提高堆腐溫度[26],可達(dá)到充分腐熟,否則會減緩秸稈腐解速度[27]。有研究者認(rèn)為,秸稈堆腐技術(shù)可利用腐解試劑來加快秸稈分解,其中使用生物菌劑酵素可加速秸稈腐解,有效分解殘茬,減少有機(jī)碳?xì)埩?促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化,具有改善地力效果,可以顯著增加產(chǎn)量[28]。秸稈堆腐技術(shù)還能采用低溫菌劑進(jìn)行秸稈腐熟,研究表明低溫堆腐還田有益于土壤氮、磷、鉀的積累,改變了土壤結(jié)構(gòu),增加土壤微生物豐度,有利于秸稈纖維素的分解[29]。

1.2.3 秸稈炭化還田技術(shù) 炭化還田是將秸稈干燥、粉碎,在低氧或部分缺氧的環(huán)境下達(dá)到熱裂解,產(chǎn)生生物炭的過程,注意此過程中溫度應(yīng)低于 700 ℃[30]。生物炭是一種極其富含碳的物質(zhì)[31],它具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和豐富的孔隙結(jié)構(gòu),理化性質(zhì)穩(wěn)定,具有較好的吸附能力[32],炭化還田是土壤固碳的重要方式,能夠促進(jìn)碳中和。秸稈炭化后具有更穩(wěn)定的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu),可增加農(nóng)田肥力,提高作物產(chǎn)量。李敏等研究表明,秸稈炭化還田后,炭化處理有效降低氮的損失率,水稻和油菜氮含量分別顯著提高5.79%和30.06%,穩(wěn)定了土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)[31]。秸稈炭化還田是土壤的改良劑,能緩解農(nóng)田污染問題,有助于土壤恢復(fù)地力。在還田難度大的地區(qū),可以利用秸稈炭化還田技術(shù)作為補(bǔ)充。目前,該技術(shù)主要面臨不易推廣的問題,如生物碳成本高,操作環(huán)境要求等問題還有待解決。

2 秸稈還田對土壤肥力的影響效應(yīng)

土壤肥力是指為作物提供各種營養(yǎng)元素的能力,是反映土壤肥沃度的重要指標(biāo),也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)保障。影響土壤肥力的主要因素包括物理因素、養(yǎng)分因素、生物因素等。因此本文探討秸稈還田對土壤肥力的綜合效應(yīng)。

2.1 對土壤物理性質(zhì)的影響

大量學(xué)者研究關(guān)于秸稈還田對土壤物理性質(zhì)的影響表明,秸稈還田后秸稈腐解產(chǎn)生的物質(zhì)利于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成[6],降低土壤容重,同時還增加土壤孔隙度,改善土壤通氣狀況,提高土壤肥力,利于作物生長發(fā)育[38]。

土壤容重和孔隙度的變化與土壤溫度和水分的變化密切相關(guān),直接影響植物根系的生長發(fā)育。土壤容重和毛管孔隙度都是反映土壤結(jié)構(gòu)特性的重要指標(biāo)[39]。土壤水分則直接影響作物的生長發(fā)育,農(nóng)田缺水影響種子萌發(fā)程度。大量研究表明,秸稈還田能有效降低土壤容量,降低高達(dá)9.2%[40]。馬永良等研究表明,與秸稈不還田對照相比,秸稈粉碎還田使0～20 cm土壤容重下降0.17～0.25 g/cm3,孔隙度增加2.0%[41]。吳婕等研究表明,秸稈覆蓋處理的土壤容重降低率可達(dá)1.86%～3.73%,總孔隙度則增加2.88%～5.76%[42]。秸稈還田使土壤容重與毛管孔隙度呈負(fù)相關(guān)趨勢,降低了土壤緊實度,使得土壤疏松、改善土壤通透性[7,43]。土壤團(tuán)聚體影響著土壤結(jié)構(gòu)的質(zhì)量特征和土壤肥力狀況。秸稈還田后土壤里的有機(jī)物料可通過提高微生物活性,增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性,秸稈產(chǎn)生的腐殖質(zhì)具有黏性,有利于土壤團(tuán)聚體的合成[44]。有試驗研究表明,在5～10 cm土層中,秸稈還田可提高團(tuán)聚體比例,增加了>5 mm團(tuán)聚體的含量,降低了<0.25 mm微團(tuán)聚體的含量[11,45]。

秸稈還田對土壤溫度及水分的影響,主要受季節(jié)性變化的影響。一般情況下,在夏季利用秸稈覆蓋可使休閑田的土溫降低,而冬季則有一定的保溫作用[7]。岳楊等研究表明,秸稈覆蓋還田后苗期耕層的土壤溫度與對照組相比降低0.44～1.35 ℃[46],在0～20 cm土層中土壤溫度隨著土層深度的增加逐漸降低。秸稈還田具有調(diào)節(jié)地溫的作用,5—7月地溫降低1.72～2.79 ℃[47]。此外,秸稈覆蓋還田阻隔土壤與大氣的接觸,既減少對地表輻射面積,又可降低土壤溫度,使土壤的蓄水量得到保持,是提高土壤水分利用率的重要方式[6,48]。高盼等研究證明,不同秸稈還田處理中,覆蓋還田使水分利用率提高16.35%[49]。研究秸稈覆蓋還田對大豆種植影響的試驗表明,秸稈覆蓋還田提高了田間土壤含水量,同時也提高了土壤水分的利用率[50]。

綜上所述,秸稈還田對改善土壤物理性質(zhì)的影響,主要是通過降低土壤容重和緊實度,使得土壤疏松,改變土壤的孔隙度,改善土壤的通透性[6-7,43],同時提高土壤有機(jī)質(zhì),促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成,鞏固土壤穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。此外,秸稈還田后秸稈覆蓋地表減少光照輻射強(qiáng)度,抑制了農(nóng)田水分蒸發(fā),是一種常用的農(nóng)田保墑措施[48]。

2.2 對土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分是植物生長所必需的營養(yǎng)元素,良好環(huán)境下的土壤為作物提供了豐富的有機(jī)質(zhì)和氮、磷、鉀元素,土壤營養(yǎng)元素直接影響作物生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)[5]。磷可促進(jìn)植物的光合作用,鉀素能增強(qiáng)植物抗逆性的能力,作物缺少鉀易倒伏[51]。

農(nóng)作物秸稈還田后可增加土壤養(yǎng)分含量,秸稈不僅含有N、P、K等營養(yǎng)元素,還富含纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等富碳物質(zhì)[52]。陳尚洪等研究發(fā)現(xiàn),小麥秸稈、油菜秸稈和水稻秸稈含碳量均高,水稻秸稈含全氮量最高,油菜秸桿含全磷量最高,此外,水稻秸稈和小麥秸稈富含鉀素分別為3.82%和2.07%,均高于油菜秸稈[12]。受土壤氣候等條件的影響,不同秸稈中纖維素含量有所不同,其中大麥秸稈含量最高可達(dá)43.0%,而水稻秸稈含量較低,僅為29.25%[53]。已有研究表明,秸稈還田后,在土壤微生物的參與下,秸稈中含有的纖維素、木質(zhì)素充分腐解,使土壤有機(jī)碳含量增加,進(jìn)而增加土壤有機(jī)物含量,同時,還田后的秸稈腐解釋放大量氮素和有機(jī)質(zhì),有利于固持更多土壤氮,提高供氮能力[52]。

有研究表明,與秸稈還田初期相比,速效氮、速效磷、速效鉀提高范圍分別為9.65%～42.30%、11.2%～40.9%、3.18%～24.37%[54-55]。秸稈還田增加了在0～10 cm土層的養(yǎng)分含量和陽離子交換量,增強(qiáng)了土壤保肥能力[35],還田3年有機(jī)質(zhì)含量增加0.05%～0.09%,還田6年和9年分別增加0.06%～0.10%、0.09%～0.12%[56]。趙子婧等研究表明,在水稻秸稈還田條件下,與未還田相比有機(jī)質(zhì)含量提高15%～24%,速效鉀含量降低12%～21%,堿解氮和速效磷含量無明顯變化[57]。靳玉婷等的長期秸稈還田試驗表明,水稻田土壤有機(jī)質(zhì)含量和磷含量分別增加7.94%和24.07%[58],秸稈還田改善了土壤磷素動態(tài),是維持土壤營養(yǎng)平衡的重要手段。秸稈還田加適量氮肥還田后土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量分別顯著增加12.8%和74.2%[59]。

總體而言,長期施用秸稈能夠增強(qiáng)地力,減少農(nóng)田養(yǎng)分流失,節(jié)約化肥的使用量,有利于保護(hù)和恢復(fù)地力。因耕作方式的不同,可以影響土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu),所以針對不同地區(qū)的耕作條件,應(yīng)該匹配適宜的秸稈還田方式,提高秸稈資源利用率。

2.3 對土壤生物性狀的影響

土壤微生物和土壤酶等構(gòu)成了土壤微生態(tài)系統(tǒng),是植物獲取養(yǎng)分的重要途徑。土壤微生物有利于有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化,提高土壤肥力,土壤微生物能加快作物秸稈腐解,是影響農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的重要因素[60]。

秸稈還田為土壤微生物提供了良好的生長、繁殖場所,同時還能提高土壤生物活性。譚周進(jìn)等研究表明,早稻秸稈還田后,均有利于土壤好氣性細(xì)菌、真菌、放線菌的增殖,對厭氣性細(xì)菌起抑制繁殖作用,總體激活了土壤細(xì)菌活性[61]。有長期試驗表明,秸稈還田配施化肥可增加土壤微生物群落的豐富度,進(jìn)而影響土壤微生物群落的組成[51,62]。秸稈還田后,水稻田中真菌群落指數(shù)顯著增加,與常規(guī)施肥相比,秸稈還田+常規(guī)施肥與秸稈還田+常規(guī)施肥減20%,使變形桿菌的相對豐度分別增加8.22%、7.88%,擔(dān)子菌的相對豐度分別增加70.00%、43.42%[58]。長期秸稈還田影響0～20 cm土層中的土壤微生物豐度,其中秸稈的厚壁桿菌和放線桿菌對細(xì)菌群落組分變化有重要的作用[63]。矯麗娜等研究發(fā)現(xiàn),在秸稈還田后可以增加秸稈還田深度,有利于土壤有機(jī)碳的積累,在0～20 cm土層中無秸稈還田的有機(jī)碳含量下降29.3%。土壤有機(jī)碳含量和酶活性均隨著秸稈添加量的增加而提高,改善了腐殖質(zhì)品質(zhì)[64]。

土壤酶活性是影響土壤質(zhì)量及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的重要指標(biāo)。不同秸稈還田量對土壤酶活性影響不同。與秸稈還田+常規(guī)施肥相比,秸稈還田+常規(guī)施肥減20%對提高土壤磷酸酶和脲酶活性效果顯著,其應(yīng)用于稻田中可使土壤磷酸酶和脲酶活性分別增加28.54%、24.13%,應(yīng)用于油菜田中可分別增加38.97%、30.70%,且脲酶的活性提高20.31%[58]。有研究秸稈配施不同肥還田對土壤生物性狀影響發(fā)現(xiàn),不同分組的β-葡萄糖苷酶、β-D-纖維素生物苷和β-木糖苷酶活性均有不同程度的增加,其中秸稈還田配施氮、磷、鉀肥的活性最高[65]。此外,秸稈還田后土壤脲酶含量增加了13.6%～76.4%,施肥配比70%和80%處理的秸稈,土壤磷酸酶活性分別提高了45.2%和48.2%,減肥處理秸稈土壤過氧化氫酶含量高于對照處理[66]。在20～60 cm的土層中利用秸稈還田,可提高土壤微生物量和酶活性,隨著土壤容重和pH值的增加土壤微生物量和酶活性呈下降趨勢[67]。

3 秸稈還田對生物環(huán)境和大氣環(huán)境的影響

3.1 對農(nóng)田雜草和病蟲害的影響

秸稈還田可有效抑制田間雜草的發(fā)育,降低雜草密度,是優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的一種有效措施。秸稈還田可改善土壤環(huán)境,抑制雜草的生長,其中秸稈覆蓋效果顯著,在小麥田中應(yīng)用秸稈覆蓋還田技術(shù)使小麥雜草減少58.3%～93.2%[68-69]。小麥秸稈全量覆蓋還田和全量淺旋還田對稻田千金子、稗草、鴨舌草等雜草具有良好的抑制作用[70]。此外,在小麥高留茬試驗條件下,秸稈覆蓋30 d后對雜草抑制效果顯著,其中對對稗草株和闊葉雜草的防效分別為89.25%、100.00%,同時能夠有效抑制雜草種子萌發(fā),并改變土壤微生物環(huán)境[71-72]。桂浩然等對冬閑玉米農(nóng)田的試驗表明,在添加雙倍秸稈還田后,農(nóng)田雜草多樣性下降了71.6%[73]。有研究在油菜秸稈覆蓋對棉田雜草影響中發(fā)現(xiàn),雜草的抑制效果隨著秸稈覆蓋量的增加而增強(qiáng),0～20 cm土層中雜草種子密度減少,但可能增加0～5 cm土層的雜草種子的多樣性[74],這是秸稈還田量的不確定性導(dǎo)致的,在一定程度上影響除草效果,同時秸稈還田時間也是影響農(nóng)田雜草數(shù)量的原因。在適量的秸稈還田下可減少雜草危害和作物的生長競爭。針對性地選擇恰當(dāng)還田方式,研究秸稈還田與雜草危害的關(guān)系,加強(qiáng)對雜草萌發(fā)規(guī)律、作物生長危害程度等方面的研究,有助于優(yōu)化雜草治理手段,減少化學(xué)除草劑的使用。

秸稈還田還可控制害蟲的數(shù)量,通過腐解產(chǎn)物參與和有害生物互作的方式,進(jìn)而影響病蟲害的發(fā)生[75]。在使用6種秸稈還田方式處理下,2年后比較玉米螟越冬幼蟲基數(shù),玉米螟越冬幼蟲數(shù)量均顯著減少,種群數(shù)量減少57.53%～93.66%[76]。秸稈深翻還田在20～30 cm土層中抑制玉米螟發(fā)生的效果顯著,而噴施不同菌劑對抑制玉米螟數(shù)量不顯著[77]。此外,有研究表明,小麥秸稈粉碎還田后,對二點委夜蛾的防治效果達(dá)到85%以上,顯著降低農(nóng)田害蟲幼蟲的數(shù)量[78]。秸稈深耕還田相對于淺耕還田對棉鈴蟲和甜菜夜蛾害蟲造成的傷害較大,可有效抑制幼蟲基數(shù),減少對玉米生長發(fā)育的危害[79]。

多年秸稈還田提升了土壤有機(jī)質(zhì)含量,但在雨水多地區(qū)會造成雜草叢生的現(xiàn)象。秸稈中摻雜雜草種子,還田后雜草密度增加與作物競爭生長空間,特別是增加了玉米褐斑病、紋枯病、金針蟲等病蟲害的發(fā)生[75]。但堅持科學(xué)方法還田不會增加雜草和病蟲害,反而秸稈還田會降低危害的發(fā)生概率。秸稈焚燒并不是解決田間危害的好辦法。秸稈還田配施腐熟劑,在秸稈腐熟的過程中,會抑制秸稈中的草籽有害病菌的發(fā)生,在操作時要注意廢除帶病秸稈。建議病蟲害嚴(yán)重的地塊,秸稈最好經(jīng)過腐熟處理再還田。

3.2 對土壤溫室氣體排放的影響

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是反映土壤微生物活性的重要指標(biāo),在大氣中土壤呼吸產(chǎn)生的溫室氣體占比較大。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的土壤呼吸是溫室氣體的重要來源,在溫室氣體中土壤呼吸排放的CO2約占30%、CH4占比47%、N2O占比20%[80]。

有學(xué)者認(rèn)為,秸稈還田不僅能促進(jìn)土壤呼吸,而且能顯著影響土壤呼吸通量,同時增加了CO2的排放[81]。在秸稈不還田情況下,秸稈大多被就地焚燒污染空氣,加速溫室效應(yīng)的形成。但秸稈還田后經(jīng)土壤微生物腐解,秸稈產(chǎn)生的腐殖質(zhì)會阻礙農(nóng)田溫室氣體排放,能夠減緩溫室效應(yīng)[82]。Liu等的研究表明,秸稈還田后產(chǎn)生的土壤孔隙度有利于CO2的排放,稻田的CO2排放量有所增加,而CH4排放量僅增加了1.2%,N2O排放量下降了1.1%[83],這是因為秸稈還田后改善了土壤養(yǎng)分狀況,增加了生態(tài)系統(tǒng)中碳的投入。李曉莎等研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田后,在10～25 cm土層中,隨著土壤溫度變化,土壤CO2排放變化趨勢明顯[84]。

有研究表明,秸稈還田能明顯提高土壤微生物碳的含量,降低呼吸熵。稻田CH4來源于土壤中的腐爛植物體等,有機(jī)物被甲烷菌分解產(chǎn)生了甲烷。研究不同的耕作方式對水稻CH4排放的影響發(fā)現(xiàn),減少作物耕作頻率,可有效降低CH4排放量[51,85-86]。CH4作為溫室氣體,產(chǎn)生的熱能是CO2的25倍[87]。在研究秸稈還田對土壤N2O排放的影響時發(fā)現(xiàn),5～16 d內(nèi)N2O排放量達(dá)到高峰期,N2O排放量與土壤溫度呈顯著正相關(guān),O2排放量減少了40%～48%,但不影響作物產(chǎn)量。Huang等對N2O排放量和作物產(chǎn)量的影響研究表明,在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上秸稈+生物炭的組合中減少氮素30%,可保證作物的高產(chǎn)量和最優(yōu)的N2O減排方式[87]。張慶忠等研究發(fā)現(xiàn),低溫時進(jìn)行秸稈還田,土壤呼吸還受到秸稈覆蓋的影響,覆蓋還田對土壤呼吸起到調(diào)節(jié)作用[81],能有效減緩溫室效應(yīng)。

總體而言,土壤呼吸強(qiáng)度受秸稈還田的影響,其中秸稈覆蓋還田對溫室氣體排放抑制效果較好,秸稈還田量的增加對溫室氣體排放的影響較為明顯,盡管已有不少研究,但目前對不同氣候條件下土壤碳排放量的影響研究不夠全面,寒涼地區(qū)的研究還較少。

4 秸稈還田對作物產(chǎn)量的影響

秸稈還田初期抑制了水稻前期的生長發(fā)育,隨著秸稈分解時間的逐漸延長,釋放了營養(yǎng)物質(zhì),最終提高水稻的產(chǎn)量。但短期秸稈還田3～4年內(nèi)降低了水稻產(chǎn)量,多年的試驗表明,水稻產(chǎn)量不僅呈上升趨勢,更增加了土壤有機(jī)肥的積累,改良土壤品質(zhì)[51]。Huang等研究發(fā)現(xiàn),使用稻草秸稈還田后水稻產(chǎn)量提高了5.2%,合理利用秸稈還田技術(shù)不會導(dǎo)致減產(chǎn)[87]。有研究表明,在秸稈還田后,配施減量施肥(減施氮肥15.02%,減施肥料25.84%),可提高水稻最高分蘗數(shù)、有效穗數(shù)、結(jié)實率,水稻最終產(chǎn)量提高17.14%[57],原因是適宜配比的施肥有利于水稻分蘗達(dá)到增產(chǎn),提高水稻自身抗逆性,水稻品質(zhì)得到提高,水稻增產(chǎn)效果更加顯著[88]。

有數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),通常情況下秸稈還田均提高作物產(chǎn)量,作物產(chǎn)量增加7.0%,但在北方冬小麥種植中發(fā)現(xiàn)其增產(chǎn)效果不明顯[89]。這可能是因為北方氣候寒冷,減緩了秸稈的腐解速度,秸稈中的營養(yǎng)物質(zhì)無法充分還田,造成增產(chǎn)效果不明顯。李廷亮等研究發(fā)現(xiàn),在對旱地冬小麥連續(xù)種植3年的試驗中發(fā)現(xiàn),與無秸稈還田相比,在全量秸稈和2倍秸稈還田量影響下,冬小麥產(chǎn)量隨秸稈還田量增加呈逐漸遞增趨勢,冬小麥籽粒產(chǎn)量為3 564 kg/hm2[90],這可能與秸稈腐解后產(chǎn)生有機(jī)物質(zhì)有關(guān),它既保持了土壤水分,又補(bǔ)充土壤養(yǎng)分。

秸稈還田對土壤肥力的影響也是作物增產(chǎn)的關(guān)鍵因素,在長期秸稈還田對玉米產(chǎn)量的影響試驗發(fā)現(xiàn),與初始相比,在20～40 cm土層中,玉米產(chǎn)量最高達(dá)56.9%,這是因為長期秸稈還田能夠提高土壤肥力,改善土壤容重和孔隙度[91]。李守華在連續(xù)多年的小麥高留茬加玉米秸稈還田土地上測得結(jié)果顯示,土壤各項有機(jī)質(zhì)含量均有增加,小麥年平均產(chǎn)量增幅22.88%,玉米年平均產(chǎn)量增幅34.15%,非秸稈還田小麥、玉米產(chǎn)量增幅則不明顯[92]。原因是秸稈還田能夠維持土壤養(yǎng)分平衡,為玉米、小麥生長提供豐富碳源,農(nóng)田土壤養(yǎng)分的增加使作物增產(chǎn)。

5 存在的問題和建議

近幾年隨著全國農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展,雖然秸稈還田技術(shù)在我國的應(yīng)用已日益成熟,但是仍存在一部分問題需要進(jìn)一步探究解決。今后研究應(yīng)注意的問題如下:(1)秸稈還田有關(guān)微生物菌劑開發(fā)研究有局限性,微生物菌劑的菌種單一,對復(fù)合菌劑的菌種研究較少,復(fù)合菌劑的配比仍在優(yōu)化探究過程中,尚沒有固定比例。(2)針對不同的農(nóng)作物研究有局限性,目前主要研究大田作物,對果樹、蔬菜類等其他類型廢棄物的研究較少。(3)對不同地區(qū)的農(nóng)田應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)赝临|(zhì)和氣候?qū)斩掃€田量進(jìn)行合理規(guī)劃。(4)秸稈還田產(chǎn)生的還田效應(yīng)是長期的,研究缺少長期的跟蹤監(jiān)測,根據(jù)不同土壤類型等綜合評估不同還田方式的優(yōu)良。此外,對秸稈還田技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益評估,有利于秸稈還田技術(shù)的推廣應(yīng)用。(5)秸稈還田機(jī)械化程度受制約,主要包括農(nóng)田場地和不同作物秸稈類型的制約,應(yīng)針對不同地區(qū)根據(jù)土壤條件不同配套農(nóng)機(jī)械,簡化操作流程,降低勞動成本。(6)在東北地區(qū),秸稈綜合利用率不高,低溫條件下秸稈還田效果不好,應(yīng)注重研發(fā)適合低溫條件的生物菌劑,篩選出更適合堆腐還田低溫菌劑菌種,探討高效的復(fù)配菌劑比例,構(gòu)建適宜低溫的菌劑體系和標(biāo)準(zhǔn)。

6 展望

近年來,農(nóng)作物種植面積逐年增加,作物產(chǎn)量增多,農(nóng)作物秸稈隨之產(chǎn)生大量殘余。秸稈資源豐富且利用空間充足。秸稈還田是資源循環(huán)利用的重要途徑,秸稈還田能夠改善土壤理化性質(zhì),對其生理特性以及作物產(chǎn)量都有顯著的影響。秸稈還田是提高土壤氮、磷、鉀含量和促進(jìn)秸稈肥料化的有效途徑,充分利用秸稈可減少秸稈焚燒造成的空氣污染。秸稈還田作為保護(hù)性耕作措施,此后研究應(yīng)確定最佳秸稈還田量和配套規(guī)模化還田模式。通過研究秸稈還田腐解與土壤微生物相互作用,開展秸稈還田配施腐解菌劑的研究,強(qiáng)化人們的秸稈還田意識,以期為農(nóng)田資源保護(hù)提出有效建議,為我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。