我国秸秆还田技术发展现状

姜珊 李衍素 王娟娟 贺超兴 于贤昌 王 君*

（1 中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京 100081；2 全国农业技术推广服务中心，北京 100125）

秸秆是指农作物在收获籽粒、果实及其他可食用部分后剩余茎、叶等的总称。秸秆还田是指把作物秸秆直接或间接处理后返还回土壤的过程。秸秆中富含营养物质和有机质，其资源化利用既能减少废弃秸秆对环境的污染，又能补充土壤养分，已成为发展循环农业以及化肥减施增效重要的途径之一，可以有效助推现代农业健康绿色可持续发展。

2017 年我国农作物秸秆可收集资源量已超过8.2 亿t，其中玉米、水稻、小麦三大粮食作物秸秆资源量合计占比为84.8%，是我国农作物秸秆的主要来源；棉花、油菜、花生、豆类、薯类及其他谷物秸秆分别占秸秆总量的2.8%、2.4%、2.1%、2.8%、3.3%和1.8%（丛宏斌 等，2019）。蔬菜作为我国经济作物重要的组成部分，2019 年总产量7.21 亿t（丁海凤 等，2020），其中废弃物量约占60%，但循环利用率却不足30%（常瑞雪，2017）。我国每年仍有大量秸秆资源未被利用，造成资源浪费和环境污染。本文综述了秸秆还田对土壤-作物-大气系统的影响，以期为秸秆还田技术的研发和应用提供参考和支撑。

1 秸秆还田方式

秸秆还田按照还田方式可分为直接还田和间接还田两类。

1.1 直接还田

秸秆直接还田是指将不经腐熟的秸秆通过机械或人工铡细、粉碎或整秆扁压等方式直接犁翻入土的过程（张海英，2016）。按秸秆的处理形态可以分为粉碎还田和整秆还田；按还田深度可以分为翻压还田和覆盖还田（杨丽 等，2017）。各种方式适用的地域也不尽相同，秸秆直接粉碎翻压还田多适用于水热条件好、土地平坦、机械化程度高的华北地区（高寒山区除外）；秸秆整秆翻压还田多适用于西南和长江中游水田栽培地区；秸秆整秆覆盖还田多用于西南和长江中游旱作栽培地区（宋芳芳，2015）。

1.2 间接还田

秸秆间接还田是指将秸秆进行堆沤、过腹、炭化或气化处理后，再将所得的产物用于还田的过程（张海英，2016）。常用的方式有堆沤还田、过腹还田、炭化还田、废渣还田和焚烧还田等（马书芳等，2016；赵永强 等，2017）。但焚烧还田会产生氮氧化合物污染空气，还会增加火灾的风险，已逐渐被其他还田方式所取代。

2 秸秆还田对土壤、作物和环境的影响

2.1 对土壤理化性质和生物学性状的影响

2.1.1 对土壤理化性质的影响 秸秆本身富含营养物质，小麦、水稻、玉米秸秆中氮、磷和钾含量范围分别为5.0～11.3 g·kg-1、0.9～3.5 g·kg-1和16.3～33.5 g·kg-1，C/N 为35.6～95.8（李硕 等，2015；温云杰 等，2015；曹莹菲 等，2016；岳丹 等，2016；王月宁 等，2019）。农作物秸秆还田后能够显著增加土壤营养物质的含量，土壤中全氮含量增加9.4%～11.2%，速效磷含量增加20.9%～40.9%，速效钾含量增加9.4%～21.4%（汤文光 等，2015；张雅洁 等，2015；朱兴娟 等，2018；王月宁 等，2019）。蔬菜废弃物中氮、磷和钾含量在12.4～30.5 g·kg-1、3.0～8.0 g·kg-1和18.0～53.0 g·kg-1范围内（韩雪 等，2015），较大多数大田作物秸秆中氮、磷含量高，而C/N 值低，通常为7.0～22.4（刘荣厚 等，2008；李扬和李彦明，2015）。但在不同土壤条件下，秸秆还田通过影响微生物和植物代谢活动对土壤营养物质含量产生的差异也非常大。何志刚等（2019）研究发现，在设施次生盐渍化土壤中增加玉米秸秆还田量进一步促进了土壤中微生物的繁殖，同时增强了番茄对速效养分的吸收，收获后土壤中碱解氮、速效磷和速效钾含量反而有所降低。另外，秸秆还田除了能够增加土壤中作物生长所必需的氮、磷、钾等大量元素的含量，还能提高铁、锰等微量元素的含量（韩春丽 等，2010）。

秸秆中还含有大量有机质，如纤维素和木质素等难以分解的物质。玉米、小麦秸秆中纤维素和木质素含量分别占干物质量的23.3%～37.2%和7.1%～12.6%（李红亚 等，2015；赵金凤 等，2019）。蔬菜废弃物中有机质占干物质量的比例平均为70.0%，其中叶菜类蔬菜废弃物高达95.0%（杜鹏祥 等，2015）；而纤维素和木质素含量分别占干物质量的9.0%～28.5%和5.0%～11.0%（王丽英等，2014；杜鹏祥 等，2015），平均水平低于大田作物秸秆。已有研究发现，小麦、水稻和玉米等农作物秸秆还田后能够显著提高土壤中有机质含量，在7.8%～39.0%范围（胡国平，2012；朱兴娟 等，2018；王月宁 等，2019）。

秸秆本身pH 值在6.0～9.2 范围（王丽英 等，2014）。大豆、花生和玉米秸秆还田后能够改良酸性土壤。兰丽丽等（2016）研究发现，土壤中添加20.0 g·kg-1大豆秸秆，土壤pH 值提升了0.9 以上。土壤EC 值通常在2.0～3.5 mS·cm-1范围内，连作会导致EC 值上升，而添加玉米、小麦和番茄等秸秆可以有效降低土壤EC 值（李增亮 等，2019），缓解连作障碍。

秸秆还田还能够降低土壤容重（宋为交 等，2013），增加总孔隙度（王月宁 等，2019），提高土壤透气性（孙新荣 等，2020）、贮水能力（李波等，2020），提高大团聚体的含量、重量和直径，增加团聚体碳库，有利于土壤结构稳定，减少耕作对土壤的扰动和对团聚体的破坏（耿瑞霖 等，2010；龚伟 等，2011）。秸秆还田对土壤的热传导和光辐射吸收转换也具有调节功能，能有效缓解土壤温度激变（崔爱花 等，2018）。

2.1.2 对土壤生物学性状的影响 秸秆还田可以增加土壤微生物的数量和种类（汪景宽 等，2006；刘骅 等，2007）。玉米秸秆和小麦秸秆还田通过增加土壤中养分含量促进了固氮菌、氨化细菌、纤维分解菌和反硝化细菌、木霉菌等有益微生物的繁殖（晋齐鸣 等，2007；刘骅 等，2007）。但玉米秸秆还田也会引起土壤中禾谷镰刀菌、串珠镰刀菌、腐霉菌等致病菌的数量增加（晋齐鸣 等，2007）。配合深松或旋耕等农艺措施，可以有效降低致病菌数量（赵丽琨 等，2017）。

秸秆还田通过增加微生物种类和数量反过来会改善土壤理化性质，促进土壤磷素活化等（赵永强 等，2017），提高蔗糖酶、脲酶（匡石滋 等，2010）、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性，降低多酚氧化酶活性（王振跃 等，2011；郭晓源，2016）。但是，过量秸秆还田会造成腐解过程缓慢，反而对土壤微生物群落造成不利影响，致使养分失衡（李少昆 等，2006）。

2.2 对作物生长、品质和病虫害发生情况的影响

2.2.1 对作物生长和品质的影响 适量秸秆还田可以促进作物生长和养分吸收（黄婷苗 等，2015；刘园 等，2015），显著增加作物产量，已在黄瓜（郝晓然 等，2015）、番茄（何志刚 等，2019；李波 等，2020）、玉米（王月宁 等，2019）和小麦（张赛等，2013）等作物上获得证实。秸秆还田对作物的影响与秸秆还田量、还田方式及还田深度直接相关（王月宁 等，2019；李波 等，2020）。若还田秸秆不能完全腐解，会降低下茬作物出苗率，抑制植株扎根（李少昆 等，2006）。

适量秸秆还田还可以在一定程度上改善作物的品质。张洁莹（2013）研究发现，玉米秸秆还田增加了青花菜中VC、总酚含量，降低了硝酸盐含量。玉米秸秆还田除了能显著提高番茄中VC 含量外，还能促进可溶性糖、番茄红素、有机酸等营养物质积累，提高糖酸比（王广印 等，2012；李波 等，2020），改善番茄品质。

2.2.2 对病虫害发生情况的影响 秸秆直接还田过程可能会携带大量病原菌和虫卵，增加作物发病的几率。研究发现，水稻秸秆全量还田导致小麦纹枯病在早春提早发生，且发病率显著增加（赵永强 等，2017）。番茄青秆还田使番茄早疫病病情指数增加50.0%（孙周平 等，2019），但腐熟发酵后的玉米秸秆或小麦秸秆还田却可以使黄瓜白粉病病情指数降低31.0%～35.5%（毛丽萍 等，2008）。曹志平等（2010）研究发现，土壤中添加4.2 g·kg-1小麦秸秆可以有效抑制根结线虫，促进番茄植株生长。另外，芸薹属蔬菜作物可以在腐解过程中释放出硫代葡萄糖苷，该物质可被腐解时产生的黑芥子酶水解，生成挥发性很强的异硫氰酸酯类物质，具有杀虫功效，能有效防控根结线虫（李世东 等，2007）。

2.3 对生物环境和大气环境的影响

2.3.1 对生物环境的影响 秸秆还田可以抑制杂草生长，增加土壤昆虫数量，改善农田生物环境。小麦秸秆高茬还田抑制了水稻田稗草种群和阔叶杂草种群的生长（付佑胜 等，2019）。水稻秸秆还田能有效降低稻田杂草的发生密度、总生物量和生物多样性（陈浩 等，2018）。玉米秸秆和小麦秸秆还田还可以增加包括蚁科、蟋蟀科、疣跳科、长角跳科、等节跳科、瓢甲科等在内的优势类群数量，尤其是疣跳科和等节跳科昆虫，个体数量增加了近10 倍（刘骅 等，2007）。

2.3.2 对大气环境的影响 土壤微生物在分解还田秸秆时，会消耗空气和土壤中的O2，同时释放出CO2和水蒸气（宋为交 等，2013）。土壤中植物残体会在产甲烷菌的作用下生成CH4（夏龙龙 等，2020）。虽然在秸秆还田后的水稻田中采用控制灌溉、干湿交替等灌溉措施可以减少CH4排放，但同时会增加N2O 产生与排放（周胜 等，2020）。与未还田相比，小麦秸秆全量还田和秸秆半量还田增加了CO2（42.0%和12.0%）、N2O（41.0%和9.0%）和NO（30.0%和13.0%）的排放量，加重了温室效应（蒙世协 等，2012）。

3 秸秆还田在研究和应用过程中存在的问题及几点建议

秸秆科学还田可以变废为宝，提高土壤肥力，改善土壤微生物群落结构，此结果已被证实（曾洪玉 等，2011）。该技术还减少了耕作对土壤的掠夺和干扰（龚伟 等，2011），有利于维持土壤可持续发展。但其在研究和应用过程中仍存在一些问题。

3.1 秸秆还田的研究对象比较局限

目前对秸秆还田的研究主要面向大田作物，包括水稻、小麦和玉米等，而对其他类型秸秆还田效应的研究相对较少，如蔬菜和果树的废弃物。

3.2 秸秆还田过程中添加有益微生物菌剂的研究匮乏

秸秆直接还田过程因秸秆自身携带的病原菌和虫卵会增加下茬作物感染病虫害的风险，而且秸秆富含营养，且具有保温保湿的特性，为部分病虫害的发生和流行创造了适宜的环境条件，进而诱发各种病虫害发生。目前可通过在秸秆还田时加入防虫菌剂和除病原菌菌剂等来防治病虫害（苏瑶 等，2019）。另外，还有很多微生物菌剂，如解淀粉芽孢杆菌，能够促进纤维素和木质素等难分解物质的腐解（李红亚 等，2015）。近年来微生物菌剂产品种类繁多，但由于缺乏配套还田专用微生物菌剂的标准，造成实际应用过程中产品使用混乱，严重影响秸秆还田的应用效果。因此，关于秸秆还田过程中菌剂的使用还需不断探索，加强适合不同区域类型（设施、露地；粮食产区、蔬菜产区；旱作区、湿润区）、不同秸秆类型（大田作物、蔬菜等）、不同功能（加速腐解、根际促生、病原菌抑制等）的菌株筛选，深入研究菌剂的适用条件以及对土壤微生态系统的影响。

3.3 缺少对秸秆还田技术的综合评价体系

秸秆还田会影响土壤-作物-大气整个生态系统，为了全面评估秸秆还田的效应，宜开展秸秆还田的定位试验，对土壤理化性质、生物学性状、作物表征以及温室气体排放进行长期监测和分析。另外，还需对秸秆还田技术的经济效益、生态效益和社会效益进行综合评估，论证秸秆还田技术长期应用的科学性、可行性和实用性。

3.4 秸秆还田操作规范化程度不够

为了省时省力，大田作物目前多采用秸秆直接还田的形式，在操作过程中存在一系列操作粗放、不规范的现象，如秸秆还田量过高、土壤含水量不足、秸秆粉碎程度不够、翻压质量不好等。腐熟程度是影响秸秆还田效果的重要因子，腐熟速度慢会造成秸秆在土壤中大量残留，影响作物生根、发芽和存活（李少昆 等，2006；侯永侠 等，2009）。另外，秸秆堆沤还田方式占地面积大，产生大量的恶臭气体（郭彦钊 等，2016），容易造成空气及水体污染。尽管已经建立了麦玉两熟制油菜秸秆还田、麦玉两熟制玉米秸秆还田、黄土高原区玉米秸秆还田等地方标准，但对于还田量、还田深度、配施菌剂以及还田后满足播种或定植要求的土壤性状等内容并未涉及，应尽快补充秸秆还田技术细节，加强一线实践人员的操作培训，加速秸秆还田技术的规模化推广应用。

3.5 秸秆还田受机械化程度制约

集约化和机械化是秸秆还田的发展方向。虽然我国已经研制了很多类型的用于秸秆还田的机械设备，但仍存在一些问题。首先，机械的地域适用性有限，很多机械设备在南方湿润、半湿润地区或空间有限的设施内不能正常地发挥功能；其次，机械对于秸秆类型的适用性有限。此外，还需研制与农艺更加配套的还田机械，简化操作流程与工序，降低作业成本和劳动力投入。

3.6 秸秆资源化利用宣传力度不足

近年来虽然一直鼓励秸秆还田技术发展，也研制了一系列机械化设备，但每年我国仍有约1.3 亿t 的农作物秸秆未被利用（丛宏斌 等，2019）。并且，在蔬菜和水果生产过程中也会产生老叶、残枝等大量的废弃物，目前大多也未被重视利用。造成秸秆资源化利用程度低的主要原因是区域经济限制，农村生产水平低下以及示范推广力度不够。因此，政府还应加强扶持和宣传相关政策，鼓励相关企业、合作社、种植户共同推动秸秆的资源化利用。