小麦玉米轮作秸秆直接还田的效应、存在问题与研发方向

董晓霞　陈素英　王学君等

摘要：介绍了黄淮海平原冬小麦—夏玉米一年两熟中秸秆还田的方式、秸秆直接还田的效应与存在问题。现有研究表明，秸秆直接还田具有提高土壤养分和养分利用率、增加土壤有机质、节水保墒、促进夏玉米增产、改变土壤温度的正面效应，但也存在影响下茬作物出苗率、部分冬小麦减产等问题；提出了该区域秸秆直接还田下一步研究与发展的方向。

关键词：秸秆直接还田；正面效应；存在问题；发展方向；黄淮海平原

中图分类号：S157.4+1文献标识号：A文章编号：1001-4942（2014）07-0141-04

据中国新闻网报道，国家环保部2012年6月11日全国秸秆焚烧遥感监测发现，安徽、河北、河南、江苏、辽宁、山东、山西、天津等省市的秸秆焚烧火点503个。粗略统计，全国焚烧的秸秆约占总储量的30%，秸秆焚烧不仅是大气污染的一个重要源头，也是政府部门的老大难问题。近年来，随着农作物秸秆资源化利用技术的不断完善和推广，我国秸秆综合利用得到了发展。秸秆机械直接还田、快速腐熟还田、保护性耕作、秸秆青贮和微贮、秸秆压块饲料和膨化饲料加工、秸秆沼气和秸秆热解气化、秸秆固化成型燃料、秸秆栽培食用菌等新技术的发展，有效地提高了我国秸秆资源的循环利用水平。

黄淮海平原是我国高度集约化农区和重要粮食主产区，随着粮食单产水平的提高，秸秆的相对和绝对剩余量越来越多。据“十一五”国家科技支撑计划课题调研4 100个典型样本结果显示，黄淮海平原区作物秸秆总量约为1亿吨，其中小麦占41.4%，玉米占34.2%，水稻、棉花、花生、豆类、薯类等作物秸秆产量较少，约占24.2%。主要农作物秸秆综合利用率在70%～95%，仍有一定比例的秸秆就地焚烧，造成资源浪费和区域环境污染。

目前，秸秆资源循环利用中，秸秆直接还田是最简单的方法，也是各地大力推广、应用最多的模式。本文综合冬小麦夏玉米轮作体系中秸秆直接还田的试验结果，分析了秸秆还田的效应、存在问题和研究进展，以期为推进黄淮海区域秸秆资源的高效循环利用提供一定参考。

1秸秆还田的方式

黄淮海平原主要作物为冬小麦和夏玉米，作物秸秆还田方式主要包括翻压还田、覆盖还田、过腹还田、堆沤还田和焚烧还田等。其中秸秆过腹还田受当地畜牧业发展的限制，利用比例基本保持15%～20%；堆沤还田费工、费时、占地，秸秆堆沤还田的比例越来越少；焚烧还田造成大气污染，目前已经被禁止。机械化秸秆直接还田是该区域秸秆资源利用的主要方式，包括秸秆翻压还田和覆盖还田。

秸秆翻压还田包括粉碎翻压和整秆翻压。粉碎翻压的深度与土壤耕作的深度有关，传统的土壤耕翻深度为20 cm，粉碎的作物秸秆被翻压在20 cm土层处；目前生产上大面积推广的旋耕深度为10～15 cm，粉碎的作物秸秆则被翻压在10～15 cm土层处。黄淮海平原冬小麦—夏玉米一年两熟区，玉米秸秆直接还田，大部分采用秸秆粉碎后土壤旋耕还田。秸秆整秆翻压还田效率低，土地平整度差，费工费时，应用面积越来越少。

秸秆覆盖还田是将秸秆覆盖在下茬作物地表的还田方式。黄淮海平原冬小麦—夏玉米一年两熟区，随着背负式小麦秸秆切碎机和小麦联合收割机的普及，在小麦联合收割时，将小麦秸秆粉碎并通过抛撒装置均匀抛撒在地表，然后进行玉米贴茬播种，小麦秸秆覆盖在玉米田。目前该区域小麦秸秆大部分采用地表覆盖的形式还田。

2秸秆直接还田的正面效应

2.1提高土壤养分和养分利用率

农作物秸秆中含有一定数量的氮、磷、钾和微量元素，在秸秆腐解过程中陆续释放出来为作物利用，是农业生产的肥源。据分析，小麦、玉米的秸秆含氮量分别为0.51%、0.59%，含P2O5分别为0.12%、0.14%，含K2O分别为2.7%、1.25%[1，2]。若返还15 t/hm2秸秆，等于向土壤补充了75～90 kg氮，180～300 kg的P2O5和90～405 kg K2O；如果这部分秸秆被移出田间，等于损失了约150～180 kg尿素、1 500 kg过磷酸钙和180～810 kg的硫酸钾或氯化钾；若将这部分秸秆烧掉，氮将大部分损失掉，P2O5和K2O基本保留在灰分中[3]。曲周试验区长期秸秆还田配施氮磷肥的研究得出，增施秸秆和氮肥并采用免耕措施可以增加土壤速效氮的含量，秸秆配施磷肥对提高土壤表层速效磷含量和维持土壤速效钾含量有积极的作用[4]。

2.2增加土壤有机质

作物秸秆富含纤维素、木质素等富碳物质， 是形成土壤有机质的主要来源。多数试验证明， 秸秆还田有利于更新和增加土壤有机质。劳秀荣等[5]研究表明，在同一时期内N、P肥用量相同时，秸秆还田量与有机质呈显著正相关；秸秆与化肥配施比单施秸秆或化肥更有利于土壤有机质的提高。山东恒台县1982～1996 年定点监测结果， 通过秸秆还田郭家村西土壤有机质由1.32%增加到1.56%，每年以1.15%的速度递增，1997年和1982年相比， 全县土壤有机质平均含量由1.30%提高到1.50%[6]。从曲周、北京、栾城、陵县等多点长期试验得出，每年秸秆还田量在2 250～4 500 kg/hm2，可使土壤有机质达到平衡。

2.3节水保墒效应

目前秸秆覆盖形式主要包括秸秆粉碎覆盖（小麦秸秆）、整秸秆覆盖（玉米秸秆）和高留茬覆盖。张俊鹏等[7]研究表明，麦秸覆盖夏玉米田有效抑制了棵间土壤蒸发，平抑了地温的变化幅度；夏玉米生育期内，4种覆盖处理（由高覆盖量至低覆盖量）棵间土壤蒸发比对照依次减少了63.51%、60.98%、52.94%、34.07%，0～20 cm的地温平均日变幅比对照分别降低了3.14、2.93、2.32、2.02℃。研究表明，不论秸秆覆盖量多少， 也不论季节， 均有减少土壤水分蒸发的良好效果。沈振荣等[8]总结了多年多点农田秸秆覆盖的保墒效应，结果表明，覆盖比不覆盖播种后苗期表层土壤含水量提高30%～50%。由懋正等[9]在河北省栾城县进行的小麦秸秆高留茬对下茬玉米土壤蒸发的影响结果表明，高留茬（30～35 cm）显著抑制玉米土壤蒸发，节水50 mm左右。

2.4产量效应

秸秆覆盖的增产机理在于，秸秆覆盖后增加的土壤水分在作物生育后期转化成了产量，越是在干旱的条件下，增产作用越显著。但各地气候、土壤条件、作物种类、覆盖时间不同，增产的效果差异很大。沈振荣等[8]总结了各地农田秸秆覆盖的增产效果，结果表明，666.7m2灌溉农田夏玉米秸秆覆盖增产幅度为88～227 kg，灌溉农田冬小麦秸秆覆盖增产幅度为23～57 kg。秸秆覆盖的夏玉米增产效果高于冬小麦。

大多数研究都表明秸秆覆盖能提高小麦产量。尤其是在旱作区，在有限的降水条件下，秸秆覆盖具有保墒作用，土壤墒情的改善是小麦增产主要措施。历年多点调查显示， 旱地小麦覆盖秸秆比不覆盖可增产10%～15%。但有灌溉条件的一年一熟区和一年两熟区， 秸秆覆盖冬小麦有的研究结果则表现为不增产， 甚至显著减产。李全起等[10]研究结果表明，不论何时覆盖和覆盖量为多少， 凡是实行秸秆覆盖的麦田， 小麦产量均比不覆盖的高。方文松等[11]在河南郑州的研究表明，秸秆覆盖可使冬小麦增产8.08%～10.71%。李其昀等[12]在山东的研究表明， 进行秸秆覆盖的处理，小麦平均增产28.23%。伊德里萨等[13]研究表明， 充分灌溉、轻度水分胁迫和重度水分胁迫条件下， 秸秆覆盖均使冬小麦产量增加， 与无秸秆覆盖相比分别增加0.98%、16.42%和24.32%。董文旭等[14]在河北省栾城县多年研究结果表明， 秸秆覆盖导致冬小麦减产，最初 4 年平均减产7%左右。谢瑞芝等[15]对中国保护性耕作试验研究的产量效应分析结果表明，中国保护性耕作的产量研究结果多为增产， 但也有10.92%的减产数据， 其中黄淮海、华北地区等地的减产概率比较高， 少耕和免耕处理的减产概率较高，小麦减产概率最高， 玉米减产概率最小。

2.5改变土壤温度效应

秸秆覆盖地表后，由于秸秆覆盖阻挡了太阳辐射向地面的传播和夜间土壤向外散射能量，秸秆覆盖条件下土壤温度的季节变化、日变化均趋向缓和， 在低温时具有“增温效应”，而高温时则有“低温效应” [16]。秸秆覆盖的土壤温度效应主要在土壤耕层，随着土层加深影响越来越小。于晓蕾等[17]在陕西杨凌冬小麦田观测， 发现0～15 cm土层地温变化明显， 而15～25 cm变化不明显， 因此把0～15 cm土层作为地温变化敏感层， 15 cm以下则为地温变化不敏感层；秸秆覆盖对温度的影响随覆盖量的增加而加剧。

玉米生长季处于高温季节，秸秆覆盖处理具有降低土壤最高温度的效应，当白天温度升高时，秸秆覆盖层的吸热作用有效降低了地温升高，覆盖的土壤温度比不覆盖低；晚上温度降低时，不覆盖的温度迅速降低，覆盖处理的覆盖层具有保温效应，可有效阻碍地温降低，覆盖比不覆盖高；与不覆盖相比，覆盖的土壤温度变化相对缓慢，日变化振幅明显较小；在该区全年最高气温的7月，覆盖处理日最高振幅降低了9.51℃，月最高平均振幅降低了5.49℃；8 月是降雨比较集中的月份，日最高振幅降低了2.06℃，月最高平均振幅降低了2.83℃；9月开始昼夜温差加大，日最高振幅降低了5.32℃，月最高平均振幅降低了2.78℃[18]。

3秸秆还田过程中存在的问题

随着农业机械化水平的不断提高，推动了秸秆直接还田技术的发展，秸秆连年还田，虽然对增加土壤有机碳和土壤养分输入量，提高土壤有机质和养分含量，增强土壤肥力，改善土壤质量等方面做出了重要贡献。但同时在生产上仍然存在一些问题，华北平原小麦玉米两熟区，自20世纪90年代以来长期进行秸秆全量还田和土壤少免耕耕作，已暴露出不少新问题，如犁底层变浅，亚表层土壤容重增加、养分表聚，下耕层养分贫化，影响土壤养分供应与作物根系生长，阻碍了产量的持续增产。大量秸秆混合在10 cm土层中，表层土壤悬松，不仅导致播种过深影响出苗，冬季麦苗极易受到旱和寒的影响而减产。张萍等[19]认为， 秸秆覆盖量和细碎程度均会影响小麦出苗率。赵丽等[20]研究表明， 秸秆覆盖率和小麦出苗率之间呈二次或三次曲线拟合关系， 秸秆覆盖度和秸秆覆盖量的大小都不同程度地影响到了小麦出苗率。韩宾等[21]认为， 常规耕作处理田间出苗率为70%以上，基本可以满足农业生产需要， 但免耕覆盖处理田间出苗率仅60.2%。

根区温度对作物生长和产量影响是一个复杂的过程，根区温度影响植物一系列的生理生化代谢，如根系的吸收、运输功能、激素代谢等，最终反映到对作物生长和产量的影响上。根区低温会阻止根系伸长，根不断伸长才能使其吸收部位与土壤水分、养分接触。一些研究发现植物的吸氮能力与温度关系密切，根区温度还通过影响植物叶片的叶绿素含量、降低叶片碳同化酶活性、叶片光合产物输出受阻等非气孔限制因素来影响叶片的光合作用。植物的内源激素受外界环境条件（如光照、温度和水分等）影响，关于秸秆覆盖对根区温度的影响、对小麦生长的哪些生理过程造成什么程度的影响等需要进一步的试验验证。

长期秸秆还田，表层土壤的秸秆覆盖层越来越厚，起到了保护土壤和保墒效应，但阻碍了化肥向根系层的下渗，减弱了灌溉水的流动速度，增大了灌溉量。秸秆还田虽是对秸秆有效利用的一种途径，但如果还田量过大、土壤含水量不足、粉碎程度不够、翻压质量不好等，则秸秆不能充分腐解，会影响播种质量、出苗和苗期生长。另外，秸秆中C/N 比值较高，一般为（60～80）∶1，使秸秆在土壤中分解缓慢，微生物与作物争氮，影响苗期生长，进而影响后期产量。秸秆还田后土壤湿度增大，地温升高，在为作物生长提供良好条件的同时，也为某些病虫害的发生和流行创造了适宜的条件。秸秆还田后，秸秆中某些病菌残留在大田而未被消灭，从而增加了病菌的数量，使病害率增加。

4秸秆直接还田的发展方向

4.1建立土壤轮耕的耕作制度

针对长期秸秆还田和土壤少免耕带来的问题，可建立土壤轮耕的耕作制度，即对长期秸秆还田和少免耕的土壤进行定期深翻。深翻的主要作用是翻埋还田的秸秆、残茬、杂草和病虫等生物有机体，为提高播种质量和作物出苗创造条件；翻耕后使还田的秸秆与土壤充分接触，加快秸秆的腐解，提高深层的土壤肥力，解决土壤养分表聚的问题；翻耕可把地面和表土中害虫卵蛹、病菌、孢子等翻到下面，使其在缺氧条件下窒息死亡；把原来藏于下层的害虫翻到地表，改变其生活环境，或失水干枯，或冬季低温下冷冻死亡；疏松耕层土壤，增加非毛管孔隙，提高总孔隙度，增强通气性和透水性，促进好气微生物活动和养分释放，有利于作物根系发育。试验表明，黄淮海平原小麦玉米一年两作种植区域，合适的土壤轮耕模式为，3年秸秆还田旋耕后，第四年小麦播种前进行土壤深翻。

4.2秸秆还田快速腐解剂与秸秆适宜还田量研发

秸秆快速腐熟剂加快常温条件下秸秆的快速腐解，不延误农时、不影响下茬作物生长发育。因此，有效快速秸秆腐解剂的研发也促进秸秆直接还田的发展。在冬小麦夏玉米轮作制度中，不同的土壤肥力和灌溉条件下，在保证冬小麦增产的前提下夏玉米秸秆适宜的还田量以及相应的水肥配套技术需要研究。

4.3多功能秸秆还田机与打捆机的研发与应用

随着现代农业的不断发展，联合收割机附带秸秆切碎装置能使作物收获和秸秆直接还田有机结合，使作业成本下降，且灵活方便，适宜于大面积耕地作业，是最有前途的秸秆还田发展方向之一。国内许多企业都在积极开发生产，如已生产出配套新疆-2型联合收割机的秸秆切碎装置。未来秸秆还田联合作业机的发展应重视农机与农艺结合研究，生物腐熟菌剂喷施与机械化秸秆还田联合作业也是秸秆还田的发展方向。

4.4政府补贴推动

秸秆还田是利国利民工程，需要机械作业完成，尤其是多功能的联合作业机械，这些机械的推广需要政府部门进行补贴，以推进秸秆还田技术的进一步发展。

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