秸秆还田对土壤环境影响的研究进展

董祥洲　徐粲然　朱启法　陈亚奎　高琴　王学瑛

摘要 随着粮食生产技术的发展和农村生活水平的提高，农作物秸秆的产量和利用方式也发生了巨大的变化。秸秆直接还田是秸秆综合利用的一种有效途径，近几年受到了广泛关注。简述了我国秸秆产量和综合利用现状，重点分析了秸秆直接还田对土壤理化性质、营养元素、有机质、微生态以及农作物产量的积极影响，同时讨论了秸秆还田可能给环境带来的负面影响，并指出添加生物腐熟剂是促进秸秆快速还田的有效措施，旨在为合理高效地利用秸秆资源提供参考。

关键词 秸秆还田;综合利用;土壤

中图分类号 S19 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2020）13-0001-04

Abstract With the development of grain production technologies and the improvement of rural living standards，the yields and utilization of crop straw have also undergone great changes.Straw returning to the field is an effective way for straw comprehensive utilization which has attracted much attention in recent years.This paper described the current situation of straw yields and comprehensive utilization in China.The positive effects of straw returning to the field on soil physical and chemical properties，nutrient elements，organic matter，microecology and crop yields were analyzed.The possible negative effects of straw returning on the environment were also discussed.Adding biologicaldecomposition inoculant is an effective measure to promote straw rapid returning to field was pointed out，aiming to provide a reference for the rational and efficient utilization of straw resources.

Key words Straw returning;Comprehensive utilization;Soil

农作物秸秆是作物收割后留在田间的茎叶总称[1]，一般能够占作物生物量的50%以上[2]，是我国农业废弃物的重要组成部分。我国秸秆产量位居世界前列，每年有大量秸秆未经有效利用而被丢弃，导致各种环境问题和社会影响。20世纪90年代以来，秸秆收获后普遍在农田中被直接焚烧，导致大量温室气体排放，造成了严重的空气污染。同时秸秆焚烧产生的高温会杀死土壤中大量的微生物，对土壤的生态系统造成破坏。我国早在2000年的《大气污染防治法》中便提出了秸秆禁烧的相关法规[3]，目前已经全面禁止秸秆露天焚烧，鼓励秸秆资源的综合利用，包括秸秆的肥料化、燃料化、饲料化等。其中，秸秆直接还田是一种节本增效的综合利用方式，能够改善土壤生态环境，从根本上解决秸秆焚烧带来的污染问题。

该研究拟通过我国秸秆产量的统计和秸秆综合利用方式的介绍，重点分析秸秆还田对土壤理化性质、土壤营养、土壤有机质、土壤微生态、农作物产量以及温室气体排放的影响，对秸秆有效还田的发展方向提出具体建议。

1 我国秸秆的产量

到目前为止，我国还没有直接的官方统计农作物秸秆产量的数据，基本上通过各种科学方法来进行估算，如田间调查[4]、收获指数（HI）[5]、作物残茬指数（CRI）[6]、地理信息系统（GIS）[7]、模型计算[8]等。目前的统计结果显示，我国现阶段每年的秸秆产量为7亿～10亿t。评价方法和作物生产数据的不同使得农作物秸秆总产量差异较大。以我国2010年的秸秆产量研究为例，Qiu等[9]对作物残茬量进行了计算，并对数据进行了地理和经济分析，评估结果显示，2010年全国作物秸秆总产量为7.29亿t;Li等[10]采用区域作物特定残留指数（CRI）方法，计算出我国主要粮食作物2010年的秸秆产量约为5.06亿t;郭冬生等[11]通过《中国统计年鉴》统计出的2010年粮食作物秸秆产量为7.11亿t。

2 秸秆的综合利用方式

秸秆作为一种可再生能源，是我国生物质资源中最重要的组成部分，目前秸秆的综合利用方式主要有：①直接燃烧发电，该技术将秸秆在锅炉中直接进行燃烧处理，利用产生的蒸汽驱动发电机发电[12]，对于缓解能源短缺，促进经济循环具有重要意义。②生产乙醇，农作物秸秆是生产生物燃料乙醇的重要来源[13]，随着化石燃料的减少，生物燃料的开发能够减少对化石燃料的依赖，对缓解能源危机和环境污染具有积极作用。③制造沼气，秸秆或秸秆与禽畜粪便经过厌氧发酵后可产生沼气，能量利用率较高。发酵产生的沼液、沼渣等副产物是良好的有机肥料和土壤改良剂。目前也有很多研究关注与利用生物强化的方法提升沼气的发酵效率[14-15]。④用作饲料，农作物秸秆粗纤维含量较高，很难被动物消化吸收。目前秸秆通常经过微生物发酵或青贮技术进行处理后作为动物的饲料使用[16]。⑤用作肥料，秸秆中富含有机质、氮、磷、钾等营养元素，将秸秆与禽畜粪便收集后，进行堆漚生产有机肥，是改良土壤、培肥地力的有效方式。⑥直接还田，该技术是在农作物收割时，将秸秆进行原位粉碎处理，通过翻耕的方式将秸秆直接返还至土壤中。秸秆直接还田能够增加土壤有机质含量，改善土壤容重和通透性，提高土壤含水量，是一种经济高效，促进农业可持续发展的重要手段。

虽然秸秆综合利用的方式较多，促进秸秆作为工业用品的主要措施利润也较低，但秸秆在收集和运输过程中的成本较高，难以大量的推广应用。因此，在目前众多的秸秆利用方式中，秸秆直接还田是最为经济可行的技术手段。

3 秸秆还田的影响

3.1 土壤理化性质

农作物秸秆还田对土壤结构的稳定性具有积极的影响。大量研究表明，秸秆还田能够显著降低土壤容重，提高土壤总孔隙度，增加通气孔隙和毛管孔隙，减少土壤团聚体的破坏和分散，改善土壤通气状况，增加土壤保水能力，有利于形成良好的土壤团粒结构，减少土壤板结现象的产生[17-19]。Shaver等[20]研究表明，秸稈还田不仅能够降低土壤容重，提升土壤有效孔隙度，还能够提高水的利用率，土壤大团聚体的比例也随着秸秆还田量的增加而增加;芦伟龙等[21]通过烟稻轮作土壤的秸秆还田试验发现，秸秆还田能够显著降低表层土壤容重，增加土壤孔隙度，与武均等[17]的研究结果相同。

秸秆还田对土壤pH、阳离子交换量和电导率等化学性质方面影响较小[22]。薛斌等[23]探讨了水稻-油菜轮作土壤中秸秆还田对土壤肥力的影响，结果表明秸秆还田对土壤pH影响较小，各耕作层pH最大变化量为0.33。Zhao等[24]研究表明，与有机肥相比，秸秆对土壤的pH和阳离子交换量无太大影响;Shaw等[25]研究发现，在玉米-小麦-大豆轮作的土壤中，秸秆还田仅使土壤电导率增加了5%。

3.2 土壤营养

土壤养分循环是农业可持续发展的重要途径，然而为了最大限度地提高作物产量，长期施用化肥，这导致我国土壤肥力下降，并造成严重的农业面源污染[26]。秸秆作为农产品的天然伴生产物，其腐化后将释放大量的氮、磷、钾等营养元素。氮是作物生长所必需的营养元素，不当的耕作方法、施肥、水分管理等因素都可能会影响作物对氮元素的吸收，甚至可能造成周围水体硝酸盐污染[27]。然而，与传统的施用化肥相比，秸秆还田能够使土壤全氮含量增加3.2%～11.2%[28]。在秸秆全部还田的条件下，秸秆中几乎所有的钾、大部分磷和作物所需的部分氮都可以提供给土壤。薄国栋等[29]研究发现，秸秆能够通过释放自身养分，增加土壤中氮、磷、钾等营养元素的含量，且土壤养分指标与秸秆还田量呈正相关;徐蒋来等[30]进行了3年的稻麦秸秆还田试验，在75%的秸秆还田量下，土壤有机质和养分的含量提高最为显著，土壤氮、磷、钾以及有机质的含量分别比对照组高2.61%、4.05%、18.25%和5.90%。

3.3 土壤有机质

土壤有机质含量是衡量土壤肥力的重要指标，而2017年的研究数据显示，我国目前农业土壤耕作层有机质含量平均为24.65 g/kg[31]，属中下等水平。肥料管理、保护性耕作和秸秆还田是土壤固碳最常用的措施，其中秸秆还田是最有效、最经济的方法[32]，秸秆还田的理论固碳潜力可达48.2×1012～56.2×1012 g/a[33]。Lu等[34]对稻田秸秆固碳潜力进行了研究，结果表明秸秆全量化还田后，可回收约10.48×1012 g/a的碳;一个2年期研究表明，秸秆直接还田使土壤有机碳的含量提高了23.9%[35];杨帆等[36]在多地的定位试验表明，正常施肥+秸秆还田使土壤有机质1年增加了6.34%。有学者指出，秸秆还田对土壤有机碳含量的影响可能在短期或中期（<3年）较小，而连续还田3～15年可显著提高土壤有机碳含量，但长期秸秆还田会使土壤有机碳饱和[37-38]。虽然种植制度、气候条件、土壤质地、地理条件和作物品种等都会对土壤有机质表现出较大的影响[38-40]，但从总体上看，秸秆还田仍是目前我国最可持续、经济可行的固碳方式。

3.4 土壤微生态

土壤生态系统的功能和稳定性取决于土壤微生物群落对养分的循环作用。土壤微生物主要包括细菌、真菌、放线菌等，是土壤生态系统中养分转化和能量循环的动力，能够促进土壤有机质的分解和腐殖质的形成，对土壤微生态的良性循环具有至关重要的作用[41]。土壤微生物也是土壤质量最敏感的指标，土壤营养状况、环境条件以及耕作模式等均对土壤微生物的生物量和多样性影响较大。目前，化肥的过度施用是导致耕作土壤微生物群落结构和多样性遭到破坏的主要原因[42-44] 。秸秆还田能够增加土壤的能量和养分，在秸秆腐解过程中，有机质和营养元素的释放能够促进土壤微生物的生长，从而提高土壤微生物的数量和多样性。

土壤微生态功能常用的评价指标包括土壤酶活性、微生物生物量以及生物多样性等[45]。刘艳慧等[41]对秸秆还田后0～60 cm的土壤微生物量和土壤酶活性进行了连续4年的研究，结果表明土壤微生物总数量相比于未还田土壤增加了19.87%～56.15%，土壤脲酶活性、蔗糖酶活性、过氧化氢酶活性均得到显著提高，说明持续的秸秆还田对土壤微生态的保持和改善作用;薄国栋等[29]的PCR-DGGE检测结果显示，玉米秸秆还田量在7 500 kg/hm2时能够显著提升烟田土壤的真菌多样性。

3.5 农作物产量

秸秆还田能够有效改善土壤结构，增加土壤有机质和养分的含量，同时为作物提供充足的碳源，达到作物增产的效果。但农作物的产量因还田秸秆种类、作物类型等的不同具有较大差异，目前关于秸秆还田是否能在短期内提高作物产量的结论并不一致。研究表明，短期的秸秆还田不会对作物产量产生显著影响[46-47]，作物产量将随秸秆还田时间的增长而得到逐步提高。Bai等[48]通过对小麦-玉米轮作土壤6年12季的秸秆还田定位试验发现，长期的秸秆还田使冬小麦和夏玉米的产量分别增加了16.5%和13.2%，同时秸秆还田还显著增加作物对钾的吸收。另外，也有研究发现，秸秆还田短期内即可使作物增产。高天平等[49]研究表明，在水分充足的条件下，秸秆还田当季就能够使玉米产量得到显著提高;李昊昱等[50]研究表明，双季秸秆还田使小麦-玉米2个周年的平均产量增加了14.3%。

3.6 温室气体排放

二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）是温室气体的重要组成部分，人们普遍认为，秸秆还田为微生物提供了更有效的C和N，从而刺激土壤产生更多的CH4和N2O，其产生的环境效应是负面的[51-53]。有研究指出，秸秆还田对全球变暖潜势和温室气体强度的增加作用大于传统的施肥方式[28]。自20世纪80年代后期以来，国内外利用实地测量和模型计算等方式对秸秆还田产生的温室气体排放量进行了大量调查。从表1可以看出，不同土壤类型、秸秆类型以及还田量，温室气体排放量增加速率差异也较大。有许多研究关注于添加硝化抑制剂使秸秆还田过程中温室气体排放量最小化。Ma等[54]利用双氰胺（DCD）和氯化十六烷吡啶（CP）作为硝化抑制剂，对小麦生长季稻田N2O的排放和作物产量进行了测定，硝化抑制剂使N2O的排放量减少了67.7%，小麦平均增产9.7%。Liu 等[55]在小麥-玉米轮作土壤上施用双氰胺（DCD）和3，4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）作为硝化抑制剂，分别使N2O的年排放量降低35%和38%。

4 结语

秸秆直接还田是秸秆还田方式中应用最为广泛的一种，在我国已得到大力推广，但由于我国对粮食的需求量巨大，在目前的种植模式下，秸秆降解时间短，在土壤中不能完全腐化，影响下茬作物播种，不利于作物根系对营养物质的吸收，严重时甚至导致作物减产。针对秸秆还田的现状，可通过加入生物腐熟剂的方式增加秸秆在土壤中的降解速率和秸秆还田量。Qin等[61]在玉米秸秆还田的过程中添加了蜡样芽孢杆菌，二者的协同作用促进了秸秆的腐解，显著增加了土壤腐殖酸和有机质的含量;Han等[62]研究了外源纤维素酶对秸秆分解、土壤肥力和作物生长的影响，结果显示应用纤维素酶能够使水稻秸秆和小麦秸秆的分解速度分别提高6.3%～26.0%和6.8%～28.0%，盆栽试验中土壤速效氮和速效磷含量以及水稻幼苗的生长均有提高，并且土壤的呼吸速率和微生物菌群没有受到影响。我国的气候条件、土壤类型、耕作方式和耕作制度等都很多样化，有必要对秸秆还田量和还田方式进行长期的实地综合调查和评价，从而在提升土壤环境质量的同时增加农作物产量，实现农业的绿色可持续发展。

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