農作物秸稈深耕還田技術研究進展

王毅琪 韓文彪 陳灝 趙玉柱 呼斯冷 郝春霞

摘要 介紹了農作物秸稈還田技術及秸稈深耕還田技術，探討了秸稈深耕對土壤和作物的影響，其中，對土壤的影響包括物理性質、化學性質、生物學性質3個方面，對作物的影響包括作物生長發育、作物產量2個方面。

關鍵詞 秸稈還田；深耕；土壤性質；產量

中圖分類號 S216.2 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）06-0050-04

Research Progress of Crop Straw Deep Plowing and Returning Technology

WANG Yi-qi1，2，HAN Wen-biao1，2，CHEN Hao1，3 et al （1.Ordos Institute of Solid Waste Technology，Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Ordos，Inner Mongolia 017000；2.Ordos Urban Mining Research and Development Co.，Ltd.，Ordos，Inner Mongolia 017000；3.Research Center for Eco-Environmental Sciences，Chinese Academy of Sciences，Beijing 010018）

Abstract The technology of straw returning and crop straw plowing and returning were introduced，the straw plowing and returining impact on soil and crop straw were discussed，the effect on soil included physical properties，chemical properties and biological properties，the influence on crops included crop growth and crop yield.

Key words Straw retained；Deep tillage；Soil property；Yield

農作物秸稈主要指玉米、水稻、小麥等農作物收獲后剩余的莖稈，含有豐富的氮、磷、鉀等微量營養元素，是農業的主要副產品，同時也是一種可再生資源[1]。我國農作物秸稈資源豐富，約占世界秸稈總量的25.00%，是世界第一秸稈大國[2-3]。據農業部統計，全國每年秸稈產量近9億t，其中水稻、玉米、小麥和豆類的秸稈資源占秸稈總量的80.00%左右[4]，但是仍有近2.0億t秸稈未被利用，這些未實現資源化利用的秸稈量大面廣、亂堆亂放、隨意焚燒，不僅浪費了資源，還加劇了溫室氣體的排放與霧霾天氣的形成，造成嚴重的交通問題和生態環境污染問題。由于秸稈資源的不合理利用和浪費，秸稈的處理已成為一大難題，并已經引起國家的高度重視，發改委、農業部、環保部等部門也出臺了一系列文件，提倡加強農作物秸稈綜合利用，明令禁止焚燒秸稈，并提出到2030年農作物秸稈要得到全面利用，全國基本實現農業廢棄物趨零排放。筆者探討了農作物秸稈深耕還田對土壤和作物的影響，以期為優化農田生態環境及提高作物產量提供借鑒。

1 秸稈還田技術

目前，農作物秸稈處理已成為熱點，大量研究團隊對秸稈的資源化利用開展了相應的研究，并取得了重大進展。農作物秸稈的主要利用方式有秸稈還田、秸稈產沼氣發電、用作飼料、用作建材和栽培食用菌等，其中秸稈還田作為最直接、最低成本的利用方式，也逐漸成為作物生產中的一項常規技術，受到人們的廣泛重視，學者也就秸稈還田的政策性措施、腐解特征、還田方式、利用效果等內容開展了大量研究。

秸稈還田是指將秸稈直接或堆肥腐熟后施用于土壤的一項技術。我國多數農村地區分散、偏遠，且隨著農業結構的調整，秸稈已經很少作為能源原料和飼料使用，還田技術就成為秸稈利用的重要方式。秸稈還田不僅可將作物中的營養元素歸還于土壤，改善土壤理化性質，提高作物產量[5]，還可以減少秸稈焚燒和亂堆亂放引起的環境污染，推進農業的可持續發展。目前秸稈還田的方式主要有直接還田、堆漚還田、過腹還田、炭化還田等。

直接還田技術是將秸稈機械粉碎后進行還田，是秸稈利用最簡單的方法，可提高土壤肥力，缺點是如果處理不當會使作物出苗不齊，引發病蟲害；堆漚還田是將秸稈發酵堆漚產生的有機肥施用于土壤，缺點是堆漚過程中氮素損失嚴重，肥效難以保證；過腹還田是將秸稈先用作飼料，飼喂牛、馬、豬、羊等牲畜，經牲畜消化吸收后變成糞、尿，以畜禽糞便的形式進行還田，如果按照1頭牛消耗秸稈15.0 kg/d、1只羊消耗秸稈1.5 kg/d計算，秸稈消耗量相當可觀，但是過腹還田只適用于一些大規模養殖場，具有一定的局限性；炭化還田是將含水率低于20.00%的秸稈經過高溫熱解，最后將形成的炭顆粒還田[6]，所形成的顆粒理化性質穩定，孔隙度大，吸附能力強，對土壤具有較好的改良效果[7]，但是制取顆粒過程中出炭率和混合可燃氣的收集利用是該技術需要突破的難點。

秸稈還田是一項提高土壤肥力、改善土壤理化性質的措施，但目前我國大多采用秸稈覆蓋還田，秸稈存在于土壤淺層[8] ，耕層土壤變淺，又由于秸稈碳氮比（C/N）高，導致土壤過于緊實，造成肥料及養分下移困難，從而影響作物根系的生長發育及土壤蓄水能力。同時，長期耕作方式單一、耕地復種指數高、倒茬時間短等因素也是影響秸稈還田效應的重要因素。

因此，如果將秸稈的還田效應與當前農業科技形成的配套種植技術（農業耕作方式）相結合，促使秸稈快速腐解，勢必會改善土壤性質和農作物生長環境。

2 秸稈深耕還田技術

秸稈深耕還田是將秸稈還田與土地深耕方式相結合，使秸稈覆于深層土壤，相比較常規秸稈還田，秸稈的營養物質可均勻分布于底層，促進秸稈快速腐解，同時改善土壤性質和農作物生長環境，提高肥料利用率，最終達到增加作物產量的目的。

土壤深耕可有效打破犁底層，改善土壤的松緊狀況和孔隙度，但是如果只進行深耕不進行秸稈還田，長期大量施用化肥最終還會引發土壤肥力降低、土壤板結等問題，形成惡性循環，嚴重制約作物產量的提高及農業的健康發展。秸稈還田和深耕技術的結合是打破這一環節的重要舉措，是農業生產中的重要增產技術[9]。從某種意義上說，秸稈還田的最終目的是利用農業科技手段，通過調整農業生物資源的有效配置，實現農業生產方式的轉變及資源的再次利用，達到農業經濟效益、生態效益和社會效益的最大化，從而促進農業生產可持續發展。

3 秸稈深耕還田對土壤的影響

3.1 對物理性質的影響

土壤物理性質主要包括土壤結構、孔隙度、土壤容重、含水量等，是影響作物生長的重要因素。合理的深耕+秸稈還田能夠有效調整土壤的水、肥、氣、熱等因素，降低土壤容重，顯著提高土壤含水量及土壤保墑能力，提高作物對水分的吸收與利用效率[10-11]，改善土壤通透性[12-13]，提升土壤肥力，為作物提供良好的生長環境，還可以發生交互作用，比單獨處理改善土壤物理性狀更加明顯。楊杰瑞[14]研究表明，秸稈深耕還田處理麥田與淺耕秸稈還田處理相比，20～40 cm土層的土壤含水量明顯升高，且兩者差異極顯著（P<0.01），土壤容重降低，且兩者差異顯著（P<0.05）。趙亞麗等[15]研究表明，深耕+秸稈還田與常規耕作+無秸稈還田相比，20～30 cm土層的土壤容重降低了8.50%。陸豐升[16]通過5年連續的秸稈還田和秋種深耕后，結果表明，土壤總孔隙度增加了10.60%，25 cm土層土壤容重顯著降低。李鳳博[17]研究表明，秸稈深耕還田相比免耕無秸稈還田，土壤容重減小了8.14%，且秸稈深耕還田處理相比其他幾種耕作方式與秸稈還田的組合處理，土壤容重減小值最大，為0.18 g/cm3，并得出土壤容重隨著耕作深度的增加而逐漸降低，秸稈還田可以降低土壤容重。田慎重等[18]在山東農業大學通過不同的耕作措施與秸稈還田相結合進行對比試驗，結果表明，20～30 cm土層秸稈深耕還田處理相比深耕無秸稈還田處理，水穩性大團聚體比例提高了3.18百分點，達到了80.72%；同時土壤團聚體的平均重量直徑（MWD）提高了13.28%，使土壤團聚結構更加穩定。秸稈深耕可以連年深耕，也可以隔年深耕，均可改善土壤物理性質。朱利群等[19]研究表明，水稻在第3季收獲后土壤容重明顯較前2季小，其中連續2年深耕+秸稈還田處理和隔年深耕+秸稈還田處理對比免耕和旋耕與秸稈還田的組合，對土壤容重的降低效果都達到了最好，且差異不大，土壤容重均可降低到1.25 g/cm3以下。

3.2 對化學性質的影響 土壤化學性質包括土壤養分、土壤有機質、土壤酸堿性、土壤緩沖能力及膠體性等，其中土壤養分為作物生長提供必需的營養元素，尤其是氮、磷、鉀等元素是作物生長的重要營養元素；土壤有機質是最重要的土壤肥力表征，主要由碳和氮的有機化合物組成，是評價土壤養分的重要指標。秸稈深耕還田可使秸稈中的營養物質均勻分布于耕層，提高土壤養分含量與速效營養含量，降低土壤C/N，最終改善土壤的化學性質。冀保毅[20]在漯河和鶴壁2地開展的深耕和秸稈還田相結合的試驗證明，秸稈深耕還田后，提高了壤土中全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量，增幅分別為13.8%、11.0%、11.80%和3.00%，黏土的全氮、有效磷、速效鉀、有機質含量的增幅分別為20.20%、6.00%、15.80%和1.60%，土壤的C/N平均下降了10.00%，同時比單獨深耕和秸稈還田處理的效果明顯。張緊緊[21]研究表明，經過秸稈深耕還田，土壤有機碳、銨態氮含量有較大幅度的提升，在小麥的起身期、抽穗期與灌漿期3個時期，秸稈深耕還田處理后速效磷含量均達最高，分別為26.39、16.99和19.62 mg/kg，20～40 cm土層秸稈深耕還田處理比秸稈淺耕還田的C/N下降了4.43。如果秸稈深耕還田再輔助以腐桿劑，可加速秸稈在底層的腐解，改善效果將更加明顯，如范乃忠[22]研究表明，秸稈還田+深耕+腐稈劑技術經過1年的試驗與秸稈還田+旋耕相比，全氮含量增加 0.05 g/kg，有效磷含量增加 0.3 g/kg，有機質含量增加 0.6 g/kg，增量也較秸稈還田+深耕處理大。也有研究顯示，深耕+秸稈還田相比免耕+秸稈還田，土壤中的全氮、速效鉀和速效磷的增量并不穩定，甚至有降低的現象，如朱杰等[23]研究表明，水稻秸稈深耕還田后，各層土壤全氮含量變化不大，而速效磷與速效鉀的含量甚至小于免耕+秸稈還田處理。

3.3 對生物學性質的影響

土壤生物學性質與土壤的物理性質和化學性質相輔相成、密不可分，包括土壤微生物和土壤酶的一些狀況。土壤微生物是土壤肥力的表征，反映土壤中部分營養元素的物質循環和能量流動[24]，受土壤耕作措施的影響；土壤酶活性是土壤生物學活性的總體體現，幾乎參與土壤中所有生化反應，可直接或間接影響土壤的生產量和作物產量，其活性反映土壤中各種生化反應的方向和強度[25]。通過秸稈深耕還田，土壤層頻繁擾動，通氣性增加，微生物與有機質接觸面積增大，有利于微生物的生長，可以增加土壤微生物數量，提高土壤酶活性。郭海濱[26]研究表明，秸稈深耕還田與常規耕作秸稈還田處理相比，20～30、30～40 cm土層土壤微生物總量分別提高了31.90%和47.90%，土壤蔗糖酶活性分別提高73.30%和78.40%，土壤脲酶活性分別提高30.20%和38.80%，土壤堿性磷酸酶活性分別提高45.10%和51.60%。趙亞麗等[27]研究顯示，深耕+秸稈還田與常規耕作+無秸稈還田相比，土壤微生物數量、土壤酶活性分別提高 45.90%和34.50%；同時還可以提高土壤中細菌、放線菌和真菌的數量，Lou等[28]的研究也得出類似結論。冀保毅等[20，29]在秸稈深耕還田對土壤酶活性的影響研究中得出，秸稈深耕還田可顯著提高酶活性，比常規耕作+秸稈還田處理壤土土壤的磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性分別提高了33.03%、5.43%、7.39%、4.01%。孟慶陽等[30]在淮北平原砂姜黑土麥田開展的試驗表明，秸稈深耕還田可不同程度地提高砂姜黑土土壤的過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性，在成熟期的20～40 cm土層，秸稈深耕還田處理后的土壤過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶相比旋耕秸稈還田、深耕秸稈不還田和旋耕秸稈不還田處理均達到了最高值，蔗糖酶活性相對增幅較小。

4 秸稈深耕還田對作物的影響

4.1 對生長發育的影響

秸稈深耕還田具有良好的生物效應和農田效應，通過改變土壤的內在環境來影響作物的生長和發育，主要對出苗、株高、基粗、葉面積及根系的生長等有促進作用。李波等[31]的不同耕作方式下水稻秸稈還田試驗表明，隨著土壤耕作深度的增加，小麥出苗均勻性提高，其中深耕+水稻秸稈還田處理的均勻性最好，同時還有助于小麥出苗的整齊度。李亭亭[32]進行了春玉米田間試驗，對比了不同耕作方式與秸稈還田對春玉米生育狀況的影響，認為深耕+秸稈還田可有效提高莖稈強度和生育后期的葉面積，延緩春玉米的衰老，還可顯著提高春玉米的總根長、根體積和根表面積。洪德峰等[33]研究表明，深耕和秸稈還田相結合可增加夏玉米籽粒干物質的積累，提高葉面積指數，相比較深耕秸稈不還田達到顯著水平。同時，也有研究報道顯示，秸稈深耕還田可以提高作物的抗病性和防治雜草的效果[17]。范乃忠[22]在虞城縣黃冢鄉進行秸稈深耕還田試驗，結果表明，深耕+玉米秸稈還田相比單純的深耕可降低44.90%的小麥病穗率，同時比旋耕+玉米秸稈還田降低的病穗率提高了12百分點。

4.2 對產量的影響

秸稈深耕還田可以提高作物生物產量和經濟產量，主要是通過土壤理化性質和生物學性質的改善提高產量，尤其很大程度上取決于土壤中的氮、磷、鉀含量。戰秀梅等[34]在遼寧省海城市的秸稈深耕試驗表明，深耕+秸稈還田與旋耕+秸稈還田相比，春玉米產量增加了667.80 kg/hm2，增產率為6.07%。孟慶陽等[30]通過不同耕作方式及秸稈還田處理砂姜黑土，結果表明，深耕秸稈還田處理相比旋耕秸稈還田、深耕秸稈不還田和旋耕秸稈不還田處理，能夠顯著提高冬小麥籽粒產量及千粒重，在深耕處理秸稈還田與不還田之間，產量差異顯著，產量達到9 517.50 kg/hm2。王秋菊等[35]在黑鈣土上連續開展了3年的有機物料深耕還田試驗，證明秸稈深耕還田處理與常規耕作相比第 1、2 、3年分別增產11.20%、9.80%和18.10%，平均每年增產11.30%。秸稈深耕還田還可以結合地膜覆蓋，尤其是在北方地區，可有效調控秋雨冬保春用跨季節的土壤墑情，提高作物產量，如田力[36]在東北地區開展的玉米秸稈深耕還田產量比較試驗，得出在深耕情況下，玉米拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期，秸稈還田處理的植株干物質積累均高于秸稈不還田處理，秸稈深耕還田干物質積累量最大的是秸稈還田量為16 500 kg/hm2的處理，且差異顯著，產量達到 12 835.65 kg/hm2，比秸稈不還田處理（對照）增產2 115.15 kg/hm2。也有一些地區進行了秸稈深耕還田的實踐應用，如河南省商水縣開展和推進的秸稈深耕還田工作，根據他們的實際測算：秸稈深耕25 cm比深耕15 cm的小麥成穗增加了22.5萬～46.5萬穗/hm2，穗粒數增加了1～2粒，千粒重增加了1.00～2.00 g，增產810.00 kg/hm2，增產率達8.00%～9.00%[37]。

5 結論

綜上，秸稈還田不僅減少了資源浪費，還有效改善了生態環境，同時，結合現代農業耕作方式——土地深耕，可加速秸稈的腐解，提高土壤有機質及氮、磷、鉀含量，改善土壤理化性狀和生物學性狀，優化農田生態環境，提高作物產量與品質，是一種有效的農田培肥措施。因此，農作物秸稈的深耕還田是秸稈資源利用中最經濟且可持續的方式之一，不但可以解決秸稈的環境污染問題，而且可以促進農村養分資源的循環利用和農業可持續發展。

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