秸秆还田技术在土壤修复领域应用研究进展

郭立新，李诗白

（长春理工大学 化学与环境工程学院，长春 130022）

我国粮食主产区产生大量农作物秸秆，同时，由于农村居民在生产、生活中对农作物秸秆的利用率逐步下降，导致部分区域出现农作物秸秆过剩现象［1］。秸秆直接露天燃烧，不仅影响周围环境和空气质量，容易引起火灾［2］，还会对农田土壤造成侵蚀，使耕地土壤的生态系统平衡破坏、农田土壤板结，导致农田土壤退化，作物减产［3］。对秸秆进行资源化利用，一方面可以对农作物秸秆资源的利用更加充分，另一方面可以降低露天焚烧秸秆带来的环境污染。目前，农作物秸秆综合利用以“五料化”为主，即肥料化、饲料化、原料化、基料化、燃料化［4］。

农作物秸秆富含作物所需的多种营养元素，秸秆还田已成为了秸秆资源化利用的常规方法［5］。秸秆直接还田虽可减轻水体富营养化、土壤板结等环境污染，但存在无法消除病虫害、与作物争夺养分等问题。近年来，秸秆肥料化的还田形式逐渐受到重视，通过堆肥可以避免直接还田造成的环境污染，同时能改善土壤环境，提高土壤生物活性。

黑土是全球最肥沃的土壤之一，在世界四大黑土区中，我国东北黑土区排在第三位［6］。东北黑土区是我国重要的粮食生产基地，根据2022年中国统计年鉴数据，东北三省粮食总产量为1.43 亿吨，占全国粮食总产量的20%［7］。第二次全国土壤侵蚀遥感普查数据表明，黑龙江省水土流失面积达1.12×105km2，是全国水土流失最严重的省份之一，全省耕层厚度为19.7 cm，比第二次土壤普查下降了9.1 cm，黑土流失总量近2×108m3，流失的氮、磷、钾养分相当于数百万吨化肥［8］。目前，土地退化已严重影响我国的粮食安全，提高黑土地土壤质量迫在眉睫。

1 秸秆焚烧的危害

秸秆本身是良好的生物资源，将秸秆废弃或焚烧不仅浪费资源，还会导致环境污染。相关研究发现，空气质量与秸秆焚烧火点数量间呈线性相关，重度污染天气下，相关性更明显，随火点的减少空气质量明显变好，秸秆焚烧已成为北方地区重度污染天气的最主要成因［9-10］。秸秆焚烧产生的污染物严重影响能见度，能见度降低会导致交通事故的发生［11］。秸秆露天焚烧导致空气中细颗粒物（PM2.5）与可吸入颗粒物（PM10）增加，且CO 浓度与PM10、PM2.5呈显著正相关。吕鑫等人［12］对东三省连续三年秸秆焚烧及环境污染成因分析发现，秸秆焚烧对空气质量指数有显著影响，尤其对PM2.5、PM10、NO2、SO2影响显著。Seo 等人［13］对稻草秸秆焚烧产生的氯化物来源进行研究，发现其主要来源是施用于耕作土地的除草剂和大气中的氯化物，其中，有害氯化物及其衍生物随稻草秸秆的焚烧进入大气。

秸秆焚烧会造成秸秆中养分的损失和土壤结构的破坏，还会降低土壤含水率，增加表土硬度，秸秆焚烧的同时也会使土壤中的有机质燃烧，土壤有机碳含量随温度升高呈降低趋势［14］。秸秆焚烧高温影响浅层土壤中的生物群落，降低0～5 cm 土层的生物活性［15］。秸秆焚烧后，浅层土壤碱解氮含量降低18.86%，黑钙土有机质含量降低6.37%，真菌数量增加，增加了病害的发生率，降低作物产量［16］。李超等人［17］将秸秆进行粉碎、焚烧处理后，发现秸秆中的碳平均损失率为91.1%，氮、磷、钾素的平均损失率分别为89.8%、22.4%、16.1%。

2 秸秆资源化利用技术

2021 年，我国秸秆的资源综合利用效率为88.1%。其中，肥料化所占比例为7.8%；饲料化所占比例为76.9%；燃料化所占比例为8.9%；原料化所占比例为2.6%、基料化所占比例为3.8%［18］。

农作物秸秆作为肥料施入土壤中，可降低化肥施用量，避免过量施用化肥对土壤结构的破坏，节约种植成本。Basak 等人［19］利用车前草秸秆进行堆肥，增加了土壤有机碳、速效养分、酶活性，改善了土壤质量，促进了车前草的生长。农作物秸秆作为饲料，降低畜牧业饲料成本，可降低对草地植被的破坏，Nguyen 等人［20］在日本的低钾水稻田利用水稻秸秆还田，部分替代钾肥。Eastridge 等人［21］通过给奶牛饲喂等量浓度的玉米青贮、苜蓿干草、小麦秸秆、玉米秸秆饲料进行实验，确定玉米、小麦秸秆可以添加到奶牛日粮里，作为其泌乳中有效中性洗涤纤维的有效来源。农作物秸秆替代不可再生的燃料使用，降低资源消耗，减少二氧化碳的排放，实现可持续发展［22］。Peng 等人［23］发现，小麦秸秆是一种丰富、廉价的基质，可用于生产甲烷。Elsayed等人［24］使用产酸沼液和产甲烷沼液对稻草秸秆进行24 h 预处理，使甲烷产量分别提高了9.8%、19.6%。刘雨婷等人［25］研究了秸秆生物质燃料的制作工艺，在压缩比为4.5、秸秆粒度范围为1～5 mm、含水率为12%～18%时，燃料制作效果最好。农作物秸秆作为工业原料、食用菌基料，可减少木材用量，保护森林资源。Wang 等人［26］研究形成“作物秸秆饲喂-基质发酵-蘑菇栽培”回收模式，以蘑菇形式从农作物秸秆和牲畜粪便中回收氮素，降低了氮损失。Chen 等人［27］通过将废纤维增强聚合物（Fiber Reinforced Polymer，FRP）与玉米秸秆纤维相结合，将其用于木材塑料复合材料（Wood Plastic Composite，WPC）中，研究了玻璃纤维与玉米秸秆纤维的协同增强作用，玉米秸秆纤维可作为WPC 生产中木材纤维的良好替代物。Mansour 等人［28］在埃及研究利用秸秆水泥复合成可持续建筑材料，用于建设低成本住房。

3 土壤修复技术

土壤退化是指在自然因素或人为因素的长期影响和作用下，土壤的生态平衡受到破坏，土壤的生产能力下降，土地的调控潜力减弱，土地生物承载力衰退，可持续发展能力下降的过程［29］。土壤退化是一个复杂的动态过程，是从量变到质变的一个过程［30］，严重土地退化会导致无法耕作，造成耕地土壤生态系统崩溃。

传统农业生产中，使用大量化学肥料来满足作物种植对养分的需求，虽然能够满足作物生长需求，短期提高产量，但长期超量施用化肥已经破坏土壤营养结构，造成土壤养分失衡［31］。长期施用化肥会导致土壤酸化［32］，对土壤团粒架构造成严重破坏，导致土壤孔隙率下降［33］，最终造成土壤板结，影响作物产量。《国家黑土地保护工程实施方案（2021-2025 年）》指出，将在“十四五”期间完成1 亿亩黑土地保护利用任务，实施免耕少耕秸秆覆盖还田技术，推广秸秆综合利用碎混翻压还田等保护性耕作［34］。农作物秸秆还田可有效提高土壤有机质和土壤养分，提升土壤性质、培肥地力，粉碎的秸秆附着在土壤中，可减少土壤的养分流失与水分流失，改善土壤结构，防止土壤侵蚀，对促进秸秆资源循环利用具有重要意义［35］。

相关研究表明，对耕地土壤培肥最有效的途径，就是施用有机物料或有机肥料，即土壤有机培肥［36］。秸秆中含有丰富的有机物质和微量元素，通过堆肥发酵制成的有机肥，能够增加土壤中的养分含量，提高土壤肥力，有机肥能够提供丰富的有机质及营养物质，改善土壤理化性质。Geng 等人［37］研究发现，在等氮量条件下，以有机肥部分替代氮肥，可提高产量和氮素吸收。施用有机肥可降低土壤容重，提高土壤有机质含量、土壤速效养分含量、土壤肥力及供应作物所需的各种养分［38-39］。施用有机肥通过改善土壤环境，可提高土壤酶活性［40］。Liu 等人［41］通过在沙土地进行秸秆堆肥还田实验发现，堆肥可提高土壤肥力，堆肥与生物炭配施总有机碳含量比空白对照组提高了2.5 倍。Li 等人［42］的研究发现，土壤有机碳的累积量与秸秆还田量正相关，玉米秸秆和小麦秸秆的还田分别使土壤有机碳存量增加了4.8%和1.9%。

4 秸秆还田技术

研究表明，秸秆还田可以提高土壤中有机质含量，改善土壤理化性质，提高土壤肥力，对缓解我国局部地区土壤氮、磷、钾肥比例失调及弥补磷、钾化肥不足等具有重要意义［43］。秸秆还田方式可分为直接还田和间接还田，直接还田包括秸秆覆盖还田和翻压还田，仅将秸秆粉碎处理，间接还田包括过腹还田和堆肥还田，须经过处理和发酵过程，作为有机肥料还田［44］。

Huang 等人［45］通过对秸秆还田数据的统计分析，发现秸秆覆盖还田更有利于提高土壤有效氮、有效磷和有效钾含量，秸秆翻压还田有利于提高土壤有机碳、土壤全氮和土壤全钾含量，秸秆覆盖还田与产量无显著相关性，秸秆翻压还田与产量呈正相关。赵凌霄等人［46］研究发现，秸秆过腹还田的作物产量高于秸秆直接还田，且可改善土壤容重、孔隙度。秸秆堆肥还田土壤有机质和速效养分含量比秸秆直接还田改良效果显著［47］。

目前，有机肥的应用越来越多，农作物秸秆速腐技术的发展，使农作物秸秆堆肥还田成为秸秆资源化利用有效途径之一，对农业可持续发展具有重大意义。

4.1 秸秆还田对土壤理化性质的影响

土壤理化性质指标是评估土壤质量的重要指标之一。相关研究表明，秸秆还田可以改良土壤结构，促进大团聚体的形成，提高土壤稳定性，改善土壤环境，提高土壤养分含量［48］。其中，有机肥施入对土壤有机质含量、土壤微生物群落结构和多样性以及细菌和真菌的丰度均产生正向影响［49］。

4.1.1 对土壤pH 值的影响

土壤酸碱度通过影响土壤中的物理、化学、生物过程，改变土壤环境和养分，对土壤肥力造成影响［50］，pH 值过高和过低均会影响植株对养分的利用效果，影响植株生长［51］。Chang 等人［52］研究发现秸秆高覆盖率还田能够一定程度上降低表层附近的土壤pH 值。土壤还田对pH 值的影响，不仅受土层深度影响，也与土壤类型有关。Blanco 等人［53］在俄亥俄州三种土壤中观察到土壤pH 值随秸秆添加量增加略有增加，但变化大小取决于土壤类型。冯炘等人［47］通过秸秆还田对盐碱地土壤pH 影响研究发现，秸秆堆肥还田的pH 值降低了0.30～0.85，秸秆直接还田的pH 值降低了0.05～0.49，Blanco 等人［54］研究报道，在长期秸秆还田试验中，秸秆施用量分别为4.0吨/公顷和16.0 吨/公顷的粉质粘土pH 值分别降低了0.2 和0.5。白洁瑞等人［55］对粉壤土添加秸秆研究发现，玉米秸秆还田可显著降低土壤pH 值。

4.1.2 对土壤结构及物理性质的影响

团粒结构可以调节土壤水、气、肥等肥力因素，对土壤肥力有重要影响。土壤结构对土壤肥力的影响包含土壤孔隙度、容重、含水率等［56］，各种研究结果表明，秸秆还田对土壤结构调节具有良好的效果，秸秆还田可降低土壤容重，提高含水量和表层土壤贮水量，增加土壤总孔隙度、毛管孔隙度，非毛管孔隙度降低，土壤毛管孔隙度占土壤总孔隙度的比例增加［57-58］，提高土壤团聚体稳定性［59］。Yang 等人［60］进行长期的秸秆还田研究发现，土壤5 cm 以下团聚体形成随还田时间的延长而增加，且秸秆层能显著提高秸秆层以下土壤温度。各种研究结果均表明，秸秆还田对土壤结构的影响效果相似，可以改善土壤结构和物理性质，提高土壤肥力。

4.1.3 对土壤营养元素的影响

氮素、磷素、钾素是作物生长发育必需的大量营养元素，植株无法直接利用土壤中的全量养分，需要将其转化植物可吸收利用的速效养分，秸秆是土壤营养素的重要储存库，长期全量移除会降低土壤养分含量，秸秆还田可提高土壤肥力，秸秆是土壤碳库储存和土壤元素循环必不可少的资源［61］。

（1）氮素：土壤中的氮素多以有机氮形式存在，通过土壤生物的矿化作用转化为可供植物直接利用的有效态氮［62］。国内外相关研究表明，秸秆还田可以提高土壤团聚体中全氮含量［63］，促进秸秆中氮素释放到土壤中［64］，增加土壤中铵态氮及硝态氮含量，可以提高土壤氮素固定作用，减轻了氮素淋失风险［65］。郭亚飞等人［66］研究发现，长期连续秸秆覆盖还田可显著提高黑土表层土壤全氮含量。Dong 等人［67］比较了水稻和小麦秸秆连续还田的土壤氮素变化，发现秸秆还田对土壤氮素的影响不仅与作物秸秆还田量有关，还取决于作物秸秆的类型。一些研究发现，玉米秸秆还田处理使土壤全氮增加了12.5%～18.7%，碱解氮含量提高了7.17%～20.6%，显著提高了土壤铵态氮和硝态氮含量［68-69］。

（2）磷素：土壤磷素主要以土壤溶液中含有的正磷酸盐和有机物质结合的方式存在［70］。Li等人［71］研究发现，免耕配合秸秆还田可增加土壤有机磷库，有利于水稻土壤有效磷的转化。研究表明，秸秆还田后土壤全磷平均提高了0.25%～0.51%［72］，有效磷含量提高了9.16%～38.2%。李欣悦等人［63］研究发现，秸秆配施化肥条件下，可以显著提高土壤团聚体中有效磷含量。同时，秸秆还田对土壤有效磷的影响与土层深度有关，Wu 等人［73］研究发现，秸秆长期还田使0～10 cm土壤中有效磷含量提高了9.7%，在10～20 cm 深度呈下降趋势。

（3）钾素：土壤中的钾素多以矿物态钾的形式存在，需要经过长期风化作用，转化为有效钾才能够被植物利用［74］，作物对钾素的吸收受转化速率影响［75］。王志勇等人［76］的研究结果表明，秸秆还田提高了耕层土壤中有效钾的含量。刘智杰等人［77］的研究表明，长期秸秆还田提升土壤供钾能力和不同形态钾含量，刘骅等人［78］对灰漠土长期定位施肥研究发现，长期秸秆还田有利于土壤特殊吸附态钾向其他形态的钾转化。胡心意等人［72］研究表明，秸秆还田使土壤中速效钾的含量提高了21.4～30.3 mg/kg。随着秸秆堆肥投加量的增加，微生物对秸秆的腐解作用能够更好地提高土壤速效钾的含量，土壤速效钾含量明显增加了83.97%～97.18%。

4.2 对土壤有机质的影响

土壤有机质是土壤的重要组成部分，增加土壤有机质含量可以提高土壤养分含量，提高土壤肥力，促进植物的生长发育［79］。研究表明，与移除秸秆相比，玉米秸秆还田加速了土壤有机质的积累，并增强了微生物残体对表层土壤中有机质累积量的贡献［80］，增加土壤总有机碳含量［81］，改善土壤养分结构，降低土壤容重，通过促进土壤养分释放改善土壤结构［82］。冯炘等人［47］在研究中发现，玉米秸秆堆肥还田比玉米秸秆直接还田对种植土壤有机质含量增加影响显著。

研究表明，秸秆还田可提高土壤的有机质含量，增幅为0.23%～42.47%［58，70，73］。一些研究发现，秸秆还田对土壤有机质含量的影响与土层深度有关，秸秆还田使20～40 cm 土层有机质含量显著增加，对40～60 cm 土层土壤有机质含量无显著影响［48，57］。崔文芳等人［83］将玉米秸秆进行免耕粉碎覆盖还田研究发现，可以有效促进土壤有机质含量，连续秸秆还田提高了土壤有机质含量11.25%。

4.3 对土壤酶活性的影响

土壤酶是存在于土壤中具有生物催化功能的蛋白质，参与土壤中的各种生物化学过程，土壤酶活性易受外界环境因素影响［84］，可以反映土壤环境的变化，是土壤生物活性指标，也是评价土壤肥力指标之一［85］。秸秆还田后，土壤酶参与秸秆的腐化分解过程，而秸秆与土壤结合后，秸秆通过改变土壤的理化性质也会直接或间接的影响土壤微生物群落，为微生物提供养分，有利于提高土壤酶活性［86］。Tang 等人［87］研究发现，有机肥的施入对土壤微生物群落结构和多样性以及细菌和真菌的丰度均产生正向影响。黄继川等人［88］研究发现，土壤酶之间、微生物之间以及土壤酶与微生物之间表现出显著正相关性，秸秆还田通过提高土壤微生物活性，促进土壤酶活性的提高。相关研究表明，秸秆还田提高了大部分水解酶活性，土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶等酶活性都有一定程度的提高［89-90］。

5 农田土壤修复效果评价方法

农田土壤修复效果多以单指标对比进行评价，近年来，研究者通过结合数学统计方法对土壤肥力指标进行综合评价，常用模型包括层次分析法、主成分分析法、熵权法等。层次分析法将定性指标转化为定量指标，依靠专家评分计算决策层权重，主成分分析法是将指标降维成主成分进行分析评价，可消除各指标间的相关性影响，熵权法利用指标的分散程度确定指标权重。杨子杰等人［91］构建层次分析-模糊综合评判法重金属污染农田土壤修复效益评估模型。刘子骁等人［92］采用IFI 综合评价模型对宅基地复垦土壤作综合肥力评价，比较不同有机物料施入前后土壤肥力，评价其培肥效果。李俊杰等人［93］基于主成分分析-熵权法模型，确定沙地土壤养分指标，并对其土壤养分进行评价。温延臣等人［94］通过主成分分析和聚类分析综合评价了土壤肥力因子，并对土壤肥力水平进行综合评分。

6 展望

随着人们对秸秆综合利用及土壤修复技术研究的不断深入，近年来国内外秸秆综合利用及土壤修复技术研究取得了有效成果，但其仍存在着较大的研究空白领域，每种技术都有其优势和不足。在我国粮食主产区通过对秸秆综合利用，利用秸秆发酵肥对黑土地土壤修复，可为农业废弃秸秆资源化利用提供思路，减缓东北地区春季、冬季秸秆焚烧造成的大气污染问题，同时，为我国黑土地区土壤修复研究工作提供理论依据。