农作物秸秆还田资源化利用研究进展

陈 浩，李小刚，周 游，张秀英，龚亚丽，王胜宝，葛红心，郝兴顺

（汉中市农业科学研究所，陕西汉中 723000）

我国是农业大国，各类农作物秸秆资源丰富，尤其在现代农业快速发展的趋势下，农作物秸秆产量不断增加。据统计，2011年底，我国农作物稻秆可收集资源量高达6.87 亿t，秸秆综合利用量达到5 亿t，有效利用率在70%左右，用于还田的秸秆仅占秸秆总量的10%～15%[1]，而且在秸秆还田过程中因不合理利用造成的环境污染和资源浪费等问题日渐凸显。

随着生态农业模式和循环农业理论的提出[2]，农作物秸秆处理及利用方式与农村环境和农业可持续发展之间产生的矛盾倍受关注。农作物秸秆从原始的田间丢弃和焚烧处理逐渐开始向资源化利用发展，在生活燃料、饲料喂养、肥料秸秆还田、食用菌基料、工业原料、能源等领域得到广泛应用[3]。其中，秸秆还田作为最直接、最低成本的利用方式成为多数学者探讨的热点[4-6]，专家学者们就秸秆还田的政策性措施、腐解特征、还田方式、利用效果等内容展开了研究[7-11]，取得了重大进展。然而，如何使秸秆资源化利用产生的还田效应与当前农业科技形成的配套种植技术（农业耕作方式）相结合的研究还未见广泛报道。还田技术的配套模式只限于政策研究与讨论，并未形成切实可行的技术体系，不能从本质上解决秸秆资源的利用问题。从某种意义上来说，秸秆还田的最终目的是，利用农业科技手段，通过调整农业生物资源的有效配置，实现农业生产方式的转变以及资源的再次利用，达到农业经济效益、生态效益和社会效益的最大化，促进农业生产的可持续发展。笔者拟对目前农作物秸秆还田资源化利用状况进行综合讨论和分析，从根本上提出农作物秸秆还田利用中存在的问题以及今后的研究方向，以期为相关研究提供依据和指导。

1 秸秆还田资源化利用的研究历程

20 世纪60年代，美国为了治理西部开发中因不合理种植模式导致的水土流失问题，提出了保护性耕作模式这一概念[12]。此后，随着国外农业机械化的快速发展以及新型农机具配套技术研究的不断深入，与秸秆覆盖还田或残连覆盖还田相结合的少耕、免耕等保护性耕作技术得到应用和推广，经济效益和环境效益得到明显的改善和提高，与秸秆还田技术相关的耕作方式和栽培措施受到各国的普遍关注[13]。尤其在欧美等发达地区和国家，注重农业施肥结构对农产品质量和农村环境产生了较大影响，秸秆还田技术得到深入研究和广泛应用[14]。欧盟、美国、加拿大、阿根廷等地区和国家，除了用于生产青饲料的玉米秸秆之外，大部分麦秸和以籽实生产为主的玉米秸秆都被用来还田；以水稻为主要作物的日本、韩国等国家，则将大部分稻草还田；印度、孟加拉等发展中国家近年来也在发展稻草还田技术[15]。以稻秆还田资源化利用为主的保护性耕作模式，已成为农业生产实现高效、循环、可持续发展的一项重要技术措施。

借鉴国外研究经验，我国保护性耕作的研究始于20 世纪60年代的小麦免耕种植试验示范，该示范开启了旱地农业耕作体系研究从传统农业耕作模式逐步向作物秸秆覆盖和减少农耕操作模式发展。到20世纪80年代，由于我国农村能源结构的变化以及现代农业的发展，出现了大量的农作物稻秆，其资源化利用问题日渐突出，稻秆焚烧现象日益严重，不仅浪费了大量的生物资源，而且破坏了土壤营养结构，降低了土壤理化性质，产生环境污染、交通安全等诸多问题，严重阻碍了农业可持续发展。

在我国对农作物稻秆资源合理利用和农村环境保护与农业可持续发展的政策推动下，保护性耕作技术在我国得到广泛推广，与秸秆还田的相关研究已从最初的防止土壤侵蚀向多方位发展[16]，成为我国农业科研的一个重要方向。其中，稻秆直接还田技术受到了高度重视。专家学者们在稻秆还田对土壤理化性质、土壤养分、土壤微生物和酶活性、保水保温、提高作物产量和优化农田生态效益等方面做了大量研究，并积累了大量资料。多数研究认为，短期内农作物秸秆还田是秸秆综合利用较为可行的途径，寻求因地制宜的耕作栽培技术与之相适应的秸秆还田方式，对发展可持续农业具有重要意义。

2 耕作制度对秸秆还田的影响

由于我国南北纬度跨度较大，自然气候条件差异明显，复种制度和耕作模式存在显著的地域性差异。对于复种指数低的地区，耕作周期较长，可以采用直接还田，对秸秆养分中钾、磷、氮、碳的释放效率较高[17-18]。对于复种指数高的地区，秸秆还田周期较短，土壤中未能有效腐解的秸秆会影响下一季作物生长，降低作物产量。因此，明确耕作制度是合理选择秸秆还田方式的前提。

不同复种制度会直接影响秸秆的还田腐解效果，研究表明，在稻油和稻麦复种耕作制度下，秸秆还田后0～30 d 的腐解速率和养分释放率较高，而油菜秸秆的腐解率、养分释放速率始终快于小麦秸秆。易镇邪等[19]研究了稻–稻–肥（紫云英）、稻–稻–油（油菜）、稻–稻–闲（冬闲）3种复种制度下秸秆还田对水稻生产能力的影响，结果表明，早稻产量以稻–稻–肥处理最高，稻–稻–油处理居中，两者分别比稻–稻–闲处理高3.1%和1.8%；冬作秸秆与早稻秸秆还田使晚稻显著增产，稻–稻–肥与稻–稻–油处理比稻–稻–闲处理分别增产15.4%和11.0%。牛建刚[20]的研究表明，稻茬小麦和稻茬油菜免耕覆盖栽培技术，可以有效利用水稻秸秆资源，增加土壤有机质，改善稻田有益生物环境条件，促进农田肥力平衡，提高后茬作物产量，达到节本增效的目的。王振忠等[21]认为在不同耕作制度下，秸秆还田对作物产量存在一定的影响，在稻麦两熟地区实施秸秆全量直接还田并配施化肥，稻麦产量一般比单施化肥的增加5%以上，其中水稻的增产幅度高于小麦。

3 秸秆还田的效果

3.1 秸秆还田的腐解过程

腐熟程度决定了还田的秸秆可被利用的养分含量[22-23]。随着还田时间的推移，秸秆的腐解率表现出前期增加快而后期增加慢的规律，秸秆的腐解速率逐渐减小，并逐渐趋于平衡[24]。胡宏祥等[25]的研究认为，油菜秸秆腐解特征和腐解速率受还田用量的影响，秸秆腐解速率由高到低排列依次为1/3 量还田＞1/2 量还田＞2/3 量还田＞全量还田。研究还发现，随着时间的延长秸秆腐解百分率逐渐增大，腐解速率逐渐减慢；随着秸秆还田量增加，腐解速率逐渐降低，还田秸秆量在33%左右时，土壤微生物分解效果最佳[26]；秸秆还田深度越深，腐解速率越慢，在种植水稻条件下油菜秸秆还田深度在10 cm 时腐解速度最慢，在表层还田腐解速度最快，20 cm 深还田腐解速度居中。

秸秆还田的不完全腐解，会在土壤中产生一定秸秆残留，覆盖表层的秸秆残留要多于土壤残留，麦季稻秸覆盖还田一季后秸秆残留率在60%左右，埋在土层的残留率在40%左右；稻季麦秸覆盖还田一季后秸秆残留率在25%左右，而埋在土层的残留率在20%左右[27]。秸秆残留会和农作物竞争土壤养分，从而阻碍作物生长。采用纤维素降解菌和白腐菌等生物降解菌能够快速腐解秸秆，并可改良土壤理化性状，从而达到省工省时、增产增效的目的[28-29]。通过配施适宜的腐秆剂也可提高秸秆的腐解率，使秸秆中所含的有机质及磷、钾等元素成为植物生长所需的营养，并产生大量有益微生物，刺激作物生产，提高土壤有机质，增强植物抗逆性，从而提高水稻产量。李继福等[30]的研究表明，秸秆全量还田能提高水稻产量5.0%；而配施腐秆剂2 号时，水稻地上部干物质量和产量分别为1125 kg/hm2和435 kg/hm2，增幅分别达6.9%和7.6%。

3.2 秸秆还田对土壤微生物的影响

土壤中的微生物（细菌、真菌、放线菌）对周围环境变化非常敏感，作物种植、灌水、施肥、耕作等一系列农业生产措施，都会对微生物的生命活动产生影响。首先，秸秆还田通过改变土壤的含水量、透气性及接收光照的程度等，影响土壤理化性质及其外部生态环境，进而影响微生物的生长繁殖；其次，秸秆还田后，给微生物带来了大量的营养物质和能量源，为微生物生长繁殖提供了物质基础。

而微生物也是反应土壤肥力和生态环境变化的活指标[31]。秸秆还田为微生物的生长提供物质基础，创造良好的生长环境，而微生物对土壤有机质的形成以及土壤养分的循环和转化起着至关重要的作用，从而使农田生态系统向良性循环的方向发展。秸秆还田可以有效刺激土壤微生物的活性，增加土壤微生物数量，改变土壤腐殖质组成及特性，提高土壤肥力，促进水稻生长发育。以早稻秸秆为例，配合水稻专用复合肥一次性还田秸秆2.5～5.0 t/hm2，翻耕后对土壤微生物影响效果较好[32]。

3.3 秸秆还田对土壤有机质等养分的影响

土壤有机质既是土壤结构的重要组成部分，又是养分的储藏库，为作物生长、微生物的生命活动提供能源和物质保证，在提高土壤肥力、维持农田生态环境稳定、保持农业可持续发展等方面发挥着重要作用。大量研究均表明，秸秆还田可提高土壤有机质含量，改善土壤通透性，提高土壤的生产潜力和持续增产能力[33]。秸秆还田后，土壤有机质的数量及质量表征，受土壤类型、肥料种类和作物轮作方式等的多种因素影响，而秸秆配施化肥是增加土壤有机碳的有效途径，可增加土壤腐殖质含量，改善了土壤腐殖质品质，从而提高了土壤肥力质量。相关研究表明，秸秆配施不同化肥用量，能够不同程度的影响土壤有机碳含量[34]。张岳芳等[35]对长江下游稻麦两熟农田生态系统土壤碳固定进行了分析，结果表明，秸秆还田条件下周年土壤碳固定量约6 383 kg（CO2），较秸秆不还田增加土壤碳固定量531%。研究还表明，长期施用有机肥会影响有机质在土壤剖面中的分布，影响深度可达1 m，但只有60 cm 以上才有明显变化[36]。

3.4 秸秆还田对作物的增产作用

作物秸秆是农业生产中产生的有机物，可代替传统有机肥重新作为一种农业资源，直接或间接归还入土壤。秸秆还田对土壤中养分的储存转化等过程有重要的影响。秸秆还田后可在一定程度上充实土壤养分库，并且秸秆还田能将施入的化肥在土壤有机质中积累下来，提高其矿化作用，从而将其转变为有利于作物吸收的养分。

研究表明，秸秆全量直接还田与施用化肥相比，可显著提高土壤酶活性和土壤肥力，明显提高作物产量[37]；同时，秸秆还田处理后干物质积累速度提高，有利于形成较高的干物质积累量和较大的库容，促进水稻对氮素的吸收，从而提高产量[38]。王振忠等研究表明，与单施化肥处理相比，秸秆（全量直接还田）+化肥处理的土壤生产力提高了19.5%，当季氮肥利用率提高了13.2%，稻、麦分别增产6.2%和3.7%。王小彬等[39]通过7 a 的玉米秸秆还田研究，结果表明，与单施化肥处理相比，秸秆直接还田配施化肥能够提高31%左右的作物产量。

值得注意的是，由于作物秸秆还田在提供养分方面类似有机肥的肥效发挥，一般都比较缓慢，要持续几年以后才能稳定表现出来。研究显示，秸秆还田处理后，3年中植株氮素积累量分别增加了14.4%、25.7%和25.8%。同样，在改善土壤理化性质方面，秸秆还田的持续时间越长，越能体现其对土壤理化性状的改善作用。因此，持续实行秸秆还田，保持稳定的环境，最终才能起到增产培肥的效果。

4 研究展望

综上所述，秸秆还田相关技术的研究和应用取得了长足的发展，但在实际生产过程中还存在一些问题。首先，秸秆还田条件下化肥配比施用问题。目前，我国农业生产对化肥的投入量较大，但肥料利用率较低，造成了资源的大量浪费，不仅污染环境，而且使得土壤肥力逐年下降。秸秆作为一种可代替传统有机肥的肥源，还田后可以补充土壤养分，减少化肥用量，同时也可提高土壤质量，避免资源的浪费和环境污染。因此，根据不同地区的土壤地力条件，在不同秸秆还田量下如何施用化肥，使土壤质量、作物产量和品质以及农田生态环境实现最佳组合，达到经济效益、环境效益以及农业可持续生产的协调发展，还有待进一步研究。其次，秸秆还田发展到目前阶段，不同作物秸秆的还田技术和方式，以及在轮作体系下作物秸秆还田方式间的配合，对土壤肥力及作物的产量有怎样的影响，还需更深入的探讨。第三，秸秆还田效应研究多集中于还田所产生的单一或多方面的积极效应，在特定环境条件下秸秆还田对农业生产会造成一定的抑制作用，如何从多重角度来阐明秸秆还田效应及增产机理有待进一步研究。第四，国内外对农作物秸秆资源化利用的途径和技术研究很多，国外秸秆利用技术已经成熟，而且利用率很高。与国外先进技术相比，我国秸秆还田机理研究虽然广泛，但还田技术还不成熟，实用性不强，真正应用到农业生产中的案例较少，仍需借鉴国外先进的技术经验。

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