玉米秸秆还田方式及对土壤环境的影响

杨 楠， 高 勇， 刘伟光

（黑龙江省农业机械工程科学研究院绥化分院，黑龙江 绥化 152000）

0 引言

我国是农业大国，秸秆资源产量非常丰富。目前我国秸秆综合利用方向主要有肥料化、饲料化、燃料化、原料化和基料化，现阶段有能力实现大面积应用和推广的应属肥料化中的秸秆直接还田。秸秆直接还田有广义和狭义之分：广义的秸秆直接还田是指包括作物根茬残留和可收集利用的秸秆直接还田；狭义的秸秆直接还田是指可收集利用的秸秆直接还田。秸秆直接还田得到广泛认可主要有以下两点原因：一是这种处理方式不受下游产业规模的限制，可以广泛应用实施；二是秸秆直接还田的作业方式经过多年的研究发展，生产技术已日渐成熟，在解决秸秆处理问题的同时还能改善土壤的理化性质、提高土壤肥力，从而增加粮食产量。目前在秸秆禁烧的大环境下，就地焚烧的现象依旧存在，这既造成资源严重浪费，又大大增加了温室气体的排放量，秸秆回收利用的问题仍然面临严峻的考验，所以妥善处理玉米秸秆既是保障粮食持续丰收和农业健康可持续发展的关键问题，又是解决焚烧废弃，减少温室气体排放量的有效途径。

1 秸秆还田主要方式

秸秆还田方式主要有直接还田和间接还田。对于还田方式的选择要因地制宜，根据当地的天气、耕地环境、土壤墒情等情况综合分析，选择合适的还田方式将有助于粮食增产、保护耕地环境、促进农业可持续发展。

1.1 秸秆直接还田主要方式

目前有能力实现大面积推广的玉米秸秆还田方法是收获后将秸秆直接还田，这也是国家大力推广、被广大农户认可并广泛应用的还田模式。直接还田方式主要有3 种，即翻埋还田、覆盖还田和碎混还田。秸秆翻埋还田模式适合秸秆还田量大、耕土层较厚、墒情较好且春天不易干旱的地块；秸秆覆盖还田模式适合耕土层较浅、土壤墒情不好，春天易干旱的地块；秸秆碎混还田模式则适合降水量大、温度较低、耕土层质地黏稠且通透性差的地块。

1.1.1 翻埋还田

根据拖拉机的动力大小配套相应规格的秸秆粉碎还田机、缺口重耙、翻转犁等农业机械，首先由秸秆粉碎还田机将玉米根茬和秸秆粉碎并均匀抛撒到耕地表面，再由翻转犁进行翻埋作业，然后进行1～2 次的耙地作业，最后根据后茬作物决定是否进行起垄作业。

技术要求：玉米秸秆粉碎长度≤10 cm，粉碎秸秆合格率≥95%，平均留茬高度≤10 cm，抛撒均匀率＞80%，翻埋深度＞30 cm，确保将残茬翻埋入土，要做到扣垡良好、避免回垡或立垡，耙地深度为15～20 cm。

作业流程：玉米机械收获→秸秆粉碎、均匀抛撒→翻埋作业→耙地作业→起垄作业→播种施肥→玉米机械收获。

玉米秸秆翻埋还田的优点是可以提高秸秆腐解效果、保持土壤温度、增加有机质含量及加深土壤耕层及埋草效果好，整地后地表平整、细碎、无残茬覆盖，下茬作物使用普通的播种机械就可以进行播种作业。缺点是还田作业程序复杂、配套农机具多，而且均需要大功率拖拉机作业，作业成本过高；整地后地表没有残茬覆盖，易导致土壤风蚀、矿化加剧，跑墒严重，若作业地块处于干旱地区将不利于下茬作物生长。

1.1.2 覆盖还田

根据拖拉机的动力大小配套相应规格的秸秆粉碎还田机、免耕播种机等农业机械，将收获后的玉米秸秆和残茬，通过秸秆粉碎还田机械进行粉碎并均匀抛撒，直接覆盖于耕地表面，然后对农田实施免耕或微、少耕。第2 年使用免耕播种机械在有秸秆、残茬覆盖的耕地上直接进行播种作业，一次性完成破茬、开沟、播种、施肥和镇压作业。

技术要求：玉米秸秆粉碎长度≤10 cm，粉碎秸秆合格率≥95%，平均留茬高度≤10 cm，抛撒均匀率＞80%，播种时一次性完成破茬、开沟、播种、施肥和镇压作业。

作业流程：玉米机械收获→秸秆粉碎、均匀抛撒→免耕播种机作业→玉米机械收获。

玉米秸秆覆盖还田的优点是整地作业程序少，甚至可以不进行整地，作业成本低；地表有秸秆覆盖，减轻了土壤的风蚀、水蚀，提高土壤含水率，减少土壤水分散失。缺点在于需要用免耕播种机进行播种作业，而且由于地表有秸秆覆盖导致土壤回温慢。

1.1.3 碎混还田

根据拖拉机的动力大小选择配套相应规格的秸秆碎混机、秸秆粉碎还田机、双轴或三轴灭茬旋耕联合整地机和秸秆揉搓混埋机等设备进行作业，将收获后的玉米秸秆和根茬粉碎后均匀抛洒至耕地表面，然后通过灭茬旋耕联合整地机或秸秆揉搓混埋机混埋于土壤中，再用重型圆盘耙或缺口耙作业1～2 次，可使地表更加平整，使秸秆、根茬更加细碎，促进秸秆与土壤充分混合利于腐解，最后根据后茬作物决定是否进行起垄作业。

技术要求：玉米秸秆粉碎长度≤10 cm，粉碎秸秆合格率≥95%，平均留茬高度≤10 cm，抛撒均匀率＞80%，耙地深度在15～20 cm。应在入冬前完成旋耕、灭茬、深松、起垄和镇压作业。

作业流程：玉米机械收获→秸秆粉碎、均匀抛撒→旋耕深松→起垄→播种机播种→玉米机械收获。

玉米秸秆碎混还田的优点在于秸秆与土壤混拌均匀、腐解快，利于保持土壤良好的结构、提高土壤蓄水能力、创造良好墒情。缺点是机械动力消耗大、整地成本高。

1.2 秸秆间接还田主要方式

秸秆间接还田方式主要有2 种，即堆沤还田和过腹还田。

1.2.1 堆沤还田

堆沤还田主要是将农作物秸秆离田送入固定场地后堆积或在耕地周围挖坑堆积，制成堆肥、沤肥等，然后将发酵后产物铺撒回耕地，并翻埋到土壤中。

技术要求：玉米秸秆粉碎长度≤3 cm，秸秆含水率在70%左右，腐熟温度50～70 °C，沤制时间15 d 左右。

作业流程：玉米收获机收获→秸秆粉碎→放入坑池→加入适量水、腐熟剂等（15 d 左右）→均匀铺撒→翻埋入土→播种机播种→玉米收获机收获。

秸秆堆沤还田优点在于有效消灭秸秆中虫卵、害虫及杂草种子，降低病虫害的传播，减少玉米作物生长中后期的施肥量，较秸秆直接还田腐解时间短。缺点是占地面积大，运输、沤制成本高，工序烦琐。

1.2.2 过腹还田

过腹还田主要是将秸秆粉碎后制成饲料喂养给牲畜、家禽，经消化吸收变成粪便后作为肥料抛撒回耕地中。

技术要求：通过物理、化学、生物处理方法，提高牲畜对秸秆的吸收效果。

作业流程：玉米收获机收获→粉碎装车或离田粉碎→制成饲料→喂养牲畜→粪便→均匀抛撒→播种机播种→玉米收获机收获。

过腹还田优点是将秸秆作为饲料，可以大幅度降低农民和企业的原材料成本，并提高畜牧业的经济效益，同时牲畜粪便作为有机肥，能够提高土壤肥力、降低农业成本，有利于农业可持续发展。缺点是成本高、周期长及利用率低。

2 玉米秸秆还田对土壤环境的影响

玉米秸秆中含有丰富的粗纤维、有机质，以及植物生长所需要的氮、磷、镁、钾和钙等营养元素。秸秆还田可以提升土壤养分，使土壤容重降低，增加土壤孔隙度，提高土壤含水率，减少土壤水分蒸发，保持土壤温度，加快秸秆腐解速度，这对改善土壤环境、提高作物产量具有不可或缺的作用[1-3]。

2.1 土壤中碳含量

研究表明，相同条件下，土壤中碳含量的多少取决于秸秆还田量的多少，秸秆还田量越多，则土壤中碳含量越多[3]。玉米秸秆中含有丰富的有机质，将玉米秸秆连续还田可以明显提高耕地土壤中有机质及营养元素含量[4-8]。秸秆还田可增加土壤有机质，提高土壤中碳含量[9]。根据土壤有机质含量的多少，可以判定该耕地土壤是否肥沃。秸秆还田后，玉米收获前有机质含量较播种前有机质含量有所提高[10]。周欢等[11]通过研究对比发现，土壤中有机碳的含量对土壤肥力和土壤质量有直接影响。杨旭等[12]通过对比分析得出，玉米秸秆还田比秸秆碳化还田提升土壤碳库管理指数的效果更为明显。王倩等[13]通过对土壤碳循环宏基因组数据分析推断出，秸秆还田免耕和少耕均可以提高土壤固碳的能力。CHEN Jinghua 等[14]通过秸秆还田固碳能力模拟试验发现，秸秆还田能够减缓碳损失，在一定程度上起到固碳的作用。

2.2 土壤中营养元素

氮、磷、钾是玉米生长所需的主要营养元素，将玉米秸秆还田可以使土壤中氮、磷、钾的含量增加。从艳静等[6]通过将玉米秸秆连续3 年还田分析得出，秸秆还田可以使土壤中氮、磷、钾等营养元素增加，提高土壤肥力。王顺霞等[15]通过不同秸秆覆盖方式对比得出，秸秆还田较不还田磷、钾含量分别增加21 和31 mg/kg，并且土壤中氮的含量也不同程度的提高。孔健健等[16]通过秸秆还田对照分析得出，秸秆还田能够增加土壤中磷、有效磷和生物量磷的含量，不同的秸秆还田方式都能直接影响土壤中磷组分含量，其中秸秆碳化还田可减少棕壤磷因土壤沙化导致的损失，可直接补充磷肥力。王晶等[17]通过秸秆还田与不还田相比得出，玉米在不同生长时期，土壤中硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾的含量都有显著的提升。李纯燕等[18]在对秸秆还田对速效养分分析试验中发现，秸秆还田在一定程度上使土壤中的速效钾、碱解氮的含量得到提高，并且秸秆深埋还田比秸秆旋耕还田的效果更为明显。

2.3 土壤中微生物

土壤中微生物的存在，对土壤肥力及作物生长具有至关重要的作用。随着秸秆被大量还田，微生物将秸秆分解为有机质和植物所需要的各种营养物质，供植物吸收。有研究发现，秸秆直接还田可以使微生物与秸秆充分接触，加快秸秆腐熟，提高SOM 含量[1]。土壤碳氮比25∶1 环境下最适宜土壤微生物生长繁殖，因此在施放底肥的同时，应该增施适量的碳铵肥，使土壤中碳氮比降低至25∶1[19]。秸秆深翻还田可使土壤中放线菌、真菌和细菌的数量明显增加，这可能是秸秆腐解产生大量菌类所需的营养物质，土壤透气为菌类繁殖创造了生存环境[18]。秸秆中含有大量的有机碳，可以为微生物提供足够养料，在促使微生物数量增加的同时，影响着微生物的种群结构，保持微生物多样性[20]。

2.4 土壤中酶活性

土壤中的酶在土壤环境中起着重要的作用，它是土壤中一切生物化学反应的催化剂，酶活性的大小决定着土壤中微生物的活跃度，也直接影响土壤肥力的高低。玉米秸秆还田的同时，加入氮肥可以提高土壤中酶的活性，在玉米生长的不同时期，秸秆还田能显著提高转化酶和磷酸酶的活性[21]。通过对有机物料配合秸秆还田试验发现，酶的活性明显高于同条件下的堆肥处理和生物炭处理[22]。通过秸秆旋耕的方式将秸秆粉碎翻埋入土，可使秸秆充分吸收水分并保持土壤温度，提高土壤中酶的活性，同时也为微生物生长繁殖创造了条件[17]。

2.5 土壤容重

秸秆还田能有效减缓雨水对土壤地表的冲击侵蚀，降低田间作业时耕作机械对地表的压实效果，使土壤容重降低。秸秆覆盖与地膜覆盖研究发现，0～10 cm秸秆覆盖土壤容重降低均为0.02 g/cm3，10～20 cm 秸秆覆盖比地膜覆盖土壤容重多降低0.01 g/cm3[8,15]。汪可欣等[23]研究发现，覆盖压实对土壤容重有一定影响，春播期土壤容重平均降幅高于传统耕作方式，并且在冻融条件及覆盖压实条件下土壤容重下降缓慢。

2.6 土壤孔隙度

秸秆还田能够改良土壤结构，疏松土壤，增加土壤通透性。不同的秸秆还田方式同样也影响土壤孔隙度。高盼等[24]通过不同秸秆还田方式对比发现，秸秆翻埋还田使土壤孔隙度明显提高，并且秸秆翻埋还田与秸秆覆盖还田分别提高6.03%和5.13%。朱敏等[25]对秸秆旋耕处理和秸秆免耕处理对比分析得出，秸秆旋耕处理使土壤孔隙度增加2.1%～24.3%，秸秆免耕处理使土壤孔隙度增加1.2%～16.8%，二者存在明显差异。

2.7 土壤含水量

秸秆还田覆盖能够有效阻隔大气与土壤的联系，增加土壤中含水量，减少土壤中水分的蒸发，调节耗水结构，提高玉米对水分的利用率。较秸秆离田对比分析得出，土壤含水量明显增加。秸秆还田对播种前、收获后的土壤含水量有显著影响，其中覆盖还田较翻埋还田影响更为明显[26]。庄文锋等[27]通过秸秆还田与保水剂对土壤水分影响试验分析得出，秸秆还田在保水剂的作用下使0～40 cm 土层土壤中含水量得到明显提升，并且在腐熟剂和保水剂双重作用下可使水分利用效率提高12.3%～18.8%。秸秆氨化后还田可以使土壤持水能力得到提高[28]。

2.8 土壤温度

玉米作物的生长、发育和产量均受土壤温度的影响。冬季秸秆腐解过程虽然缓慢，但仍能释放出少量的二氧化碳，二氧化碳存在于秸秆与地表之间，在一定程度上能够提高地温。刘炜等[29]通过对冬季返青前秸秆覆盖与土壤温度的关系研究得出，秸秆覆盖能够降低冬季昼夜土壤温差。苏伟[30]研究得出，秸秆还田覆盖在越冬期提高了土壤温度，保温效果明显。王顺霞等[15]通过不同覆盖物对土壤温度的影响研究得出，高温季节时土壤温度比对照低3～4 °C，低温季节时土壤温度比对照高3.4 °C。日间地表温度在日光的辐射下和大气温度双重影响下，通过覆盖秸秆进行热传导缓慢升温，在中午时地表温度升高到最大值，而在气温较低的夜间，因地表覆盖有秸秆，使地表温度降温缓慢，这说明秸秆覆盖地表有调节温度的作用。赵亚丽等[31]通过对秸秆还田在一年两熟的农田土壤温度发现，秸秆还田可使夏季土壤的平均温度大幅降低，使冬季土壤的平均温度大幅升高。

植株生根、生长季，因自然环境温度升高，促使秸秆腐解加速并在近地层产生大量的二氧化碳，这使得地表及土壤温度升高。土壤温度升高在一定程度上影响种子的发芽率，同时二氧化碳的产生也利于近地面叶子进行光合作用。土壤温度升高也是直接影响土壤中微生物和一些酶活性的重要因素之一。有研究发现，秸秆腐解适合的温度为5～35 °C，温度每升高10 °C，会使容易矿化的物质加倍腐解。温度在一定范围内影响着酶的活性，温度升高，酶的活性也随之升高[32]。

2.9 作物产量

秸秆还田可使玉米籽粒数、干物质积累量得到明显增加，提高粮食产量[26]。在秸秆腐熟剂和保水剂双重作用下，可提高玉米穗部干物质量24%，行粒数、百粒质量7%～9%，玉米产量10.1%～16.9%[27]。刘文国等[33]通过不同处理对玉米产量的多重比较中的数据对比得出，秸秆还田与不还田对玉米产量平均值的影响也达到明显差异，这说明秸秆还田对玉米产量有极其重要的影响。研究发现，秸秆还田配合腐熟剂和秸秆还田均可使土壤中养分含量维持较高水平，并且玉米产量显著增加。

3 结束语

大力推广秸秆还田技术不仅需要深入研究耕地资源环境与适合该环境的秸秆还田方式，还需要研究秸秆粉碎长度、还田量、还田深度及还田方式等对土壤环境的影响。玉米秸秆还田不仅可以解决秸秆禁烧后处理的问题，还可以提升土壤肥力、改善土壤理化性质、调节土壤温度、增加作物产量、增强土壤蓄水能力及优化耕层结构，而且还可以实现用地与养地的有机结合、保护黑土地，从而推动土地可持续利用和农业可持续发展。