邱 琛，韓曉增，陸欣春，嚴(yán) 君，陳 旭，鄒文秀

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

東北黑土具有土壤肥力高、結(jié)構(gòu)良好、有機質(zhì)豐富和適合作物生長的特點[1]，是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)。自黑土開墾以來，由于不合理的耕作，導(dǎo)致土壤耕作層變淺，犁底層增厚且上移，土壤結(jié)構(gòu)被破壞，肥力迅速下降，致使黑土層退化越來越嚴(yán)重。目前，東北黑土退化主要表現(xiàn)為土壤肥力下降，土壤理化性質(zhì)惡化及中低產(chǎn)田面積擴大等[2]。

秸稈還田是高效且低成本利用成熟農(nóng)作物莖葉的一種培肥地力的農(nóng)業(yè)措施，在減少因秸稈焚燒所造成的大氣污染的同時能有效的改善土壤理化性質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤養(yǎng)分含量、土壤總孔隙度和毛管孔隙度，降低土壤容重，促進微生物活力，為作物提供良好的生長環(huán)境[3]。同時還能平衡土壤酸堿度，增強土壤保肥保水能力，實現(xiàn)作物高產(chǎn)及提高作物抗倒伏能力[4]。但若施用方法不當(dāng)，也可能導(dǎo)致土壤病菌增加，作物缺氮，作物病害加重，土壤表層疏松和土壤風(fēng)化等負(fù)面影響[5]。因此，選擇適合當(dāng)?shù)氐倪€田措施，因地合理的還田才能起到保護土壤、提高肥力的效果。

還田方式主要有直接和間接兩種。覆蓋還田、深混還田和留高茬這三種方式屬于直接還田。將收獲后的作物秸稈直接覆蓋在土壤表層上面的方式稱為覆蓋還田，是降水量較少、干旱較嚴(yán)重的地區(qū)保水抗旱的一種重要方法[6]。作物收獲后使用螺旋式犁壁犁等機械將秸稈深混入0～35 cm土層的方式稱為深混還田，通過增加秸稈與土壤的接觸面積，促進秸稈的腐解[7]，可用于玉米和水稻等大田作物秸稈還田。在完成作物收割后，保留一定高度的茬，耕作時翻埋到土壤中的方式稱為留高茬，這種方式可以提高土壤抵御風(fēng)蝕和水蝕的能力。

過腹還田和堆漚還田屬于間接還田。作物秸稈經(jīng)過食草牲畜的咀嚼作用和胃的消化作用后，以有機肥的形式返還土壤的方式稱為過腹還田。這種還田方式不但有效減緩了浪費秸稈的現(xiàn)象，而且還在一定程度上減少了養(yǎng)殖業(yè)的成本，促進了養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[6]。將作物秸稈放置在一個溫度較高的環(huán)境中，利用高溫的作用使得秸稈充分發(fā)酵。有時為了使秸稈能夠完全發(fā)酵和加快腐熟，經(jīng)常通過加入催熟菌劑的方式來達(dá)到預(yù)期的效果。此外，堆漚的過程會降解因發(fā)酵作用而產(chǎn)生的有毒物質(zhì)，從而解決因直接還田所帶來的其他問題[8]。本文通過查閱近年來發(fā)表的關(guān)于黑土區(qū)秸稈還田的相關(guān)文獻(xiàn)，對秸稈還田后對土壤肥力、土壤物理性質(zhì)及作物產(chǎn)量進行了綜述，以期為研究區(qū)域內(nèi)的秸稈還田工作提供相應(yīng)的指導(dǎo)。

1 對土壤物理性質(zhì)的影響

1.1 土壤含水量

土壤含水量是表征土壤水分狀態(tài)的一個重要指標(biāo)。研究認(rèn)為，秸稈覆蓋能夠有效減小土-氣界面的接觸面積，從而降低水分的散失[9]；趙家煦[10]的研究表明，作物生長前期，秸稈施入0～20 cm土層的土壤含水量較其他處理提高6.5%～14.7%，試驗后期，秸稈覆蓋增加了0～15 cm土層的土壤含水量。上述研究同時表明，秸稈還田既能增加土壤的保水蓄水能力又能降低土壤表層的水分蒸發(fā)量。鄒洪濤等[11]研究認(rèn)為，玉米秸稈內(nèi)部具有較大的孔隙，除了可以吸附自然降水外，還可在達(dá)到飽和后釋放自身吸收的水分，從而提高土壤的含水量。此外，土壤中施入作物秸稈后，土壤水分的毛細(xì)作用因秸稈的阻礙而受到抑制，土層深處水分的蒸發(fā)也受到抑制[12]。戰(zhàn)秀梅等[13]的研究結(jié)果也證實了秸稈還田能提高土壤深層含水量。通過分析不同秸稈還田量對土壤水分的影響發(fā)現(xiàn)，隨著秸稈還田量從0增加到6 000 kg·hm-2，0～10 cm，10～20 cm和0～20 cm土層含水量也顯著增加[14]。

1.2 土壤容重和孔隙度

土壤容重是田間自然壘結(jié)狀態(tài)下單位容積土體的質(zhì)量或重量，孔隙度是土壤孔隙容積與土體容積的百分率，兩者都是土壤的重要物理指標(biāo)。研究表明，秸稈還田后，除了土壤容重降低外，土壤的孔隙含量以及通氣狀態(tài)都有了很大的改善[8]。與未還田處理相比，秸稈覆蓋還田、旋耕還田和翻埋還田后土壤容重分別下降3.2%、4.3%和5.8%，其中，翻埋還田對0～15 cm土層土壤容重降低效果不顯著，其原因可能是在翻埋還田處理下，上下土層相互混合過程中，使下層容重較大的土壤上移，導(dǎo)致上層土壤容重有所增加；同時，覆蓋還田、旋耕還田和翻埋還田土壤孔隙度分別提高了4.1%、5.3%和5.9%，表明覆蓋還田和旋耕還田有助于降低上層土壤重，提高相應(yīng)深度土層的土壤孔隙度；翻埋還田能夠打破犁底層，顯著提高下層土壤孔隙度[15]。此外，李瑋等[16]的研究結(jié)果認(rèn)為，秸稈還田處理的土壤容重降低了2.5%～9.2%，土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度分別增加了1.1%～8.9%，18.9%～41.0%和6.4%～38.8%。與秸稈不還田處理相比，秸稈全量還田使土壤表層(0～10 cm)的容重降低0.2～0.3 g·cm-3[17]，原因可能是秸稈還田促進了大團粒結(jié)構(gòu)的形成，增加了土壤孔隙度，降低了土壤容重。

1.3 土壤團聚體

土壤團聚體是土壤顆粒經(jīng)凝膠聚結(jié)作用形成的個體。研究認(rèn)為，秸稈施入土壤后，有利于土壤中微小粒子的團聚作用，改良土壤團聚體的孔隙結(jié)構(gòu)分布[18]；通過與氮肥進行配施后發(fā)現(xiàn)，土壤團聚體機械穩(wěn)定性均以≥10 mm 粒徑的土粒含量最多，其中0～20 cm土層含量最高，而土壤團聚體水穩(wěn)性卻隨土層深度的增加逐漸降低[19]。范圍等[20]研究表明，秸稈還田后，增加了>1 mm水穩(wěn)定性團聚體的含量，同時，與秸稈不還田的處理相比，秸稈均勻還田的團聚體平均當(dāng)量直徑增加了80.3%，水穩(wěn)系數(shù)增加了33.7%。秸稈還田后分解產(chǎn)生如多糖及蛋白質(zhì)等有機膠質(zhì)物質(zhì)，以及由于土壤中微生物活性提高而形成腐殖物，均對大團聚體的形成及穩(wěn)定性產(chǎn)生了積極影響[21]。此外，Jastrow[22]認(rèn)為，植物殘體輸入土壤能促進真菌菌絲體生長和微生物的分泌液將土壤微團聚體、土壤礦物質(zhì)和粗顆粒有機物膠結(jié)為大團聚體。添加秸稈速腐劑可以加快秸稈的分解速率，促進大團聚體的形成[23]。李偉群等[24]通過5年的實驗發(fā)現(xiàn)，秸稈還田較根茬還田增加了土壤中>2.0 mm和0.25～2.0 mm團聚體的含量，且全量的秸稈還田使得>2.0 mm的團聚體含量比根茬還田處理提高了38.0%，此外，秸稈50%還田還可以有效增加土壤大團聚體粒級含量。

2 對土壤有機碳的影響

2.1 總有機碳

土壤有機碳主要來源于動植物及微生物殘體、排泄分泌物、土壤腐殖質(zhì)以及人為施加的有機物料[25]。農(nóng)田土壤中除了作物根系的殘留外，秸稈還田是增加新碳輸入的主要途徑，秸稈還田后新碳首先伴隨著團聚體的形成而積累，隨后經(jīng)過團聚體的化學(xué)結(jié)合作用得以固定[26]。竇莉洋[27]研究表明，秸稈還田后，在0～20 cm土層不同粒徑團聚體有機碳含量均有不同程度的提高。其中，1～2 mm、0.25～0.5 mm與<0.25 mm粒級的團聚體內(nèi)有機碳含量分別增加7.7 g·kg-1、2.9g·kg-1和5.1 g·kg-1，且秸稈還田前后差異顯著。秸稈還田的深度越深，越便于土壤有機碳、各組分有機碳的累積，但是就土壤亞表層而言，秸稈還田的深度對水溶性有機碳含量的影響不大[28]。此外，還有許多研究探討秸稈與其他物料分別施用或配施后對土壤有機碳的影響。黎嘉成等[29]研究表明，生物炭較秸稈還田后顯著增加了土壤有機碳含量。張莉等[30]通過連續(xù)3年田間微區(qū)試驗，研究等量玉米秸稈粉碎還田和顆粒化還田對0～20 cm和20～40 cm土層土壤有機碳、可溶性有機碳的影響，結(jié)果表明秸稈顆粒還田較常規(guī)粉碎還田在前1.5年能快速提高0～20 cm和20～40 cm土層土壤有機碳含量，并提高了作物產(chǎn)量，但是上述變化都是短期的，從長期來看和傳統(tǒng)的還田方式效果并無顯著的差異，所以未來的研究中這種還田方式還需要進一步的優(yōu)化和改進。胡一民等[31]通過整合分析1980-2015年間不同物料投入對土壤有機碳影響的研究發(fā)現(xiàn)，施用了有機肥的土壤有機碳的含量增加效果優(yōu)于其它的物料；施用秸稈處理同樣提高了土壤有機碳含量，但其效果沒有有機肥處理好。秸稈還田增加了土壤有機碳含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高了土壤肥力，增加作物產(chǎn)量，并且與其他肥料配施產(chǎn)生更好的效果。

2.2 不同組分有機碳

土壤有機碳成分的分組往往是依據(jù)研究需要所提出來，從物理的角度出發(fā)，李曉慶[32]的研究表明添加秸稈150 d后，明顯增加了土壤輕組有機碳含量，而未對重組有機碳含量產(chǎn)生影響，且這種現(xiàn)象對低有機碳含量的黑土影響更大；此外，在含有較低有機碳的土壤中，添加秸稈有利于顆粒態(tài)有機碳含量的增加，從而促進土壤有機碳活性，并在某種程度上增加土壤肥力，但對于高有機碳土壤，添加秸稈對顆粒態(tài)有機碳的含量卻具有抑制作用。賀美[33]通過分析不同秸稈還田量對土壤顆粒有機碳含量的影響發(fā)現(xiàn)，與33%的還田量相比，100%和50%還田量使土壤顆粒有機碳含量分別顯著增加了54.3%和42.5%，但在長期條件下，秸稈還田處理的顆粒有機碳含量與不施肥處理和單施化肥處理之間差異不顯著。韓錦澤[34]認(rèn)為，無論是不同秸稈還田深度，還是不同秸稈還田時間，有機碳含量變化均表現(xiàn)為相同的規(guī)律，即重組有機碳>游離態(tài)輕組有機碳>閉蓄態(tài)輕組有機碳，且不同碳組分之間達(dá)到顯著性差異。

3 對土壤養(yǎng)分含量的影響

土壤養(yǎng)分在作物生長過程中起著不可或缺的角色，均衡的養(yǎng)分供給可以保證作物的生長和發(fā)育，提高作物產(chǎn)量。土壤中的養(yǎng)分元素主要包括氮、磷、鉀元素[35]。其中在植物生長過程中需要最多的礦質(zhì)元素就是氮，化肥氮因不能長期保留在土壤中[36]，因此氮素缺乏會導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降，但是，氮肥施用過剩又會造成水體營養(yǎng)化[37]。秸稈還田后其分解物多被土壤微生物轉(zhuǎn)化為固定態(tài)氮，降低了土壤氮的礦化速率，增加了土壤全氮含量和C/N[38]。磷是生物圈的重要生命元素，施入土壤后能夠使得植物生長發(fā)育良好，代謝功能正常，除此之外，還可以提高植物的抗寒、耐旱性。秸稈還田后，在秸稈的分解過程中會產(chǎn)生有機酸等物質(zhì)，這些物質(zhì)具有促進土壤中養(yǎng)分元素的肥效作用[39]，能夠調(diào)節(jié)養(yǎng)分元素比例失衡[40]。趙小軍等[41]研究表明，在15～30 cm和30～45 cm土層，速效磷隨著秸稈還田量的增加呈顯著增加趨勢。農(nóng)作物秸稈中含有較多的鉀素，施入土壤后能明顯提高土壤代換性鉀的含量，加快糖類化合物的合成，提高植物抗逆性以及抗蟲性[38]。秸稈中的鉀以非結(jié)合態(tài)的形式存在，容易被洗脫出來，因此，秸稈還田可以有效的解決由鉀肥不足所引起的問題[28]。

土壤中養(yǎng)分含量的變化與秸稈還田量、還田時間、還田方式以及配施的肥料種類等密切相關(guān)。土壤速效養(yǎng)分和全量養(yǎng)分與秸稈還田量呈正相關(guān)，且對土壤速效養(yǎng)分含量的影響幅度大于對全量養(yǎng)分的影響[42]。當(dāng)秸稈還田量增加時，作物對大量礦質(zhì)元素的吸收也在提高，例如氮、磷和鉀。在化肥施入量相同的條件下，土壤氮素始終保持盈余狀態(tài)，而磷素和鉀素均處于虧缺狀態(tài)[43]。此外，速效養(yǎng)分與秸稈還田埋深和秸稈長度呈負(fù)相關(guān)。其中，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量隨著秸稈還田量的增加也表現(xiàn)出增加的趨勢[44]。不同秸稈還田方式對土壤養(yǎng)分的影響不同，具體表現(xiàn)為在旋耕還田條件下，土壤中堿解氮、速效磷含量隨播種天數(shù)的增加而減少[45]，長期連續(xù)的秸稈翻埋還田(8a、6a、4a)情況下，顯著提高了土壤全氮、全磷含量以及速效氮含量、速效磷含量和速效鉀含量[46]。連續(xù)3年等量秸稈混入0～50 cm土層對土壤養(yǎng)分含量影響的研究發(fā)現(xiàn)，等量秸稈混入不同深度土層并沒有顯著增加相應(yīng)土層全量養(yǎng)分的含量，但是卻顯著增加了速效養(yǎng)分含量，其中，速效磷和速效鉀含量分別提高了9.2%～38.2%和12.6%～43.7%[47]。有研究認(rèn)為，秸稈還田過程中配施外源菌劑，使整個秸稈組織結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)松散狀態(tài)是從降解秸稈內(nèi)部開始的[48]，從而影響秸稈的分解速率，調(diào)控土壤養(yǎng)分含量[49]。陸水鳳等[50]的研究表明，玉米秸稈+低溫菌劑+常溫菌劑顯著增加了土壤中速效養(yǎng)分的含量，而且隨著時間的逐漸增加，速效磷也逐漸增加。

4 對土壤微生物和酶活性的影響

4.1 對土壤微生物的影響

土壤微生物是土壤的重要組成部分。作物秸稈可以供給微生物活動所需要的氮源和碳源。秸稈還田后，由于土壤中微生物的繁衍速度加快，秸稈的腐解速度也加快，微生物量碳與秸稈還田時間成正比，隨著還田時間的增加表現(xiàn)出先增后降的趨勢；當(dāng)還田深度為10～25 cm時，此時微生物活動較頻繁，土壤微生物量氮積累較大[51]。秸稈還田以后，顯著增加了土壤中可培養(yǎng)細(xì)菌的數(shù)量和變形菌門等的相對豐度，降低了接合菌門和厚壁菌門的相對豐度[52]。傅敏等[53]研究耕作方式和秸稈還田對微生物群落的影響，研究發(fā)現(xiàn)0～15 cm土層中，微生物群落數(shù)量最多的是變形菌門(35.3%)，且物種豐度在不同耕作或還田方式之間無顯著差別，但在深松秸稈全還處理中，芽單胞菌門的物種豐度均顯著高于旋耕秸稈不還田處理。于寒等[54]認(rèn)為，在玉米長期連作土壤中，秸稈深埋更能增加土壤細(xì)菌、放線菌、主要生理類微生物群，降低土壤真菌數(shù)量，提高土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性，但在米麥輪作土壤中，還田方式的不同對玉米根際土壤真菌和主要生理類微生物群、土壤脲酶和過氧化氫酶活性影響不大。

4.2 對土壤酶活性的影響

土壤酶主要來自植物、土壤動物和土壤微生物，土壤的各種生化活動都少不了酶的參與。玉米秸稈深翻還田后，既有有益于土壤微生物的繁殖，又可以提高耕層土壤酶活性[55]。與未添加秸稈的處理相比，翻埋還田分別使土壤脲酶和磷酸酶的活性提高了21.6%和18.9%，碎混還田分別使土壤纖維素酶和蔗糖酶活性提高了37.3%和51.6%[56]。陳鵬祥等[57]研究表明，旋耕秸稈還田和翻耕秸稈還田增加了0～15 cm土層β-1，4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶和酸性磷酸酶活性，且翻耕秸稈還田比實驗處理顯著增加了土壤下層β-1，4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶活性。土壤中酶活性的高低和秸稈還田方式的不同有關(guān)，相較于直接還田和覆蓋還田，過腹還田顯著增加了土壤蔗糖酶活性、脲酶活性和堿性磷酸酶活性，秸稈直接還田增加了纖維素酶活性[58]。公華銳等[59]在秸稈全量還田的基礎(chǔ)上探究不同肥料配施對土壤酶的影響，研究表明秸稈還田配施微生物有機肥和普通有機肥均能提高β-1，4-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶活性，但對土壤中亮氨酸氨基肽酶等酶的活性無顯著影響。蘇弘治[60]研究表明，在秸稈還田條件下，土壤蛋白酶、脫氫酶等酶活性卻降低，原因是秸稈還田處理引起的缺氧環(huán)境抑制了脫氫酶的活性；免耕秸稈覆蓋的土壤溫度變化緩慢，從而在一定程度上影響了蛋白酶的活性。不同于傳統(tǒng)還田方式，徐忠山等[61]研究表明，與秸稈不還田的處理相比，秸稈顆?；€田后顯著增加了土壤中蔗糖酶及脲酶的活性。

5 對作物產(chǎn)量的影響

5.1 對玉米產(chǎn)量的影響

研究表明，秸稈還田可以一定程度上增加玉米的產(chǎn)量[62]。馬慧娟[63]認(rèn)為，秸稈還田之所以提高了玉米的產(chǎn)量主要是因為提高穗粒數(shù)，增加百粒重，降低禿尖長，而對穗長沒有顯著影響。相較于秸稈未還田處理，半量秸稈還田的增產(chǎn)是定量施肥條件下效果最明顯的，此外，全量的秸稈還田并沒有使得作物產(chǎn)量減少[64]。高天平等[65]認(rèn)為，在干旱條件下，秸稈還田與小壟組合后有助于土壤中碳含量的增加，提高了土壤含水量，并顯著增產(chǎn)。不同還田方式對玉米產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為秸稈翻埋還田>秸稈旋耕還田>常規(guī)栽培>秸稈覆蓋還田[66]。但也有研究表明，秸稈還田對作物產(chǎn)量有負(fù)效應(yīng)[67-68]。鄧智惠等[69]研究表明，在深松條件下，秸稈還田的第1年作物出現(xiàn)減產(chǎn)的現(xiàn)象，之后隔年秸稈還田第2年、連年秸稈還田第3年才實現(xiàn)增產(chǎn)。戰(zhàn)秀梅等[70]的研究也表明，秸稈還田后，作物當(dāng)年的產(chǎn)量具有降低的趨勢。牛芬菊等[71]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈還田后，在作物的生長發(fā)育過程中不斷地軟化、腐爛，到玉米成熟時尚未完全腐解的也都分解成碎的小片，秸稈還田對玉米葉面積及莖粗有一定的降低作用，產(chǎn)量較不還田處理降低4.6%～4.7%。

5.2 對大豆產(chǎn)量的影響

秸稈還田為大豆的生長提供了一個良好的土壤環(huán)境，除了增加了土壤中氮等養(yǎng)分元素以及有機質(zhì)的含量，還充分利用了秸稈中的水分，從而使得植物的根系能夠得到良好的生長和發(fā)育，達(dá)到了作物增產(chǎn)的目的[72-74]。蔡麗君等[75]研究了0%、30%、60%、100%等4個秸稈覆蓋還田量對土壤養(yǎng)分及大豆植株性狀和產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋還田能夠有效增加大豆單株葉面積、地上部及地下部的干物質(zhì)積累量，60%秸稈還田量效果最佳，土壤中的有機質(zhì)、全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分含量均隨著秸稈還田量的增加而增加，此外，60%秸稈還田量對土壤速效養(yǎng)分含量的影響大于對全量養(yǎng)分的影響。王囡囡等[76]的研究發(fā)現(xiàn)不同秸稈還田方式均能夠提高大豆產(chǎn)量，與未還田相比，覆蓋還田、心土還田和焚燒還田大豆分別增產(chǎn)22.5%、32.3%和13.7%。

6 展 望

秸稈還田在解決秸稈焚燒造成的大氣污染的同時，能夠增加土壤有機碳含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加孔隙度，降低土壤容重，增加微生物多樣性，促進土壤酶活性，補充氮、磷、鉀等作物生長必須的營養(yǎng)元素，促進作物生長發(fā)育，進而提高農(nóng)作物產(chǎn)量，但同時也存在著短期還田所帶來的玉米減產(chǎn)問題。因此，在秸稈還田技術(shù)的應(yīng)用過程中應(yīng)該充分考慮區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境條件和作物種植布局，因地制宜的選擇適宜的秸稈還田方式。同時，要考慮秸稈腐解過程會利用土壤中氮的現(xiàn)象，進而影響土壤的碳積累等過程。此外，秸稈還田后可能會使病原菌重新回到土壤當(dāng)中，進而土壤中病原菌積累，加重苗期病害和土傳病的發(fā)生；由于秸稈還田改變了土壤物理環(huán)境，特別是秸稈深混還田過程中(秸稈深混入0～35 cm)，增加了土壤擾動和秸稈還田深度，在東北黑土區(qū)凍融交替過程中是否會通過影響土壤病原菌的生存環(huán)境進而達(dá)到控制土壤病原菌對作物生長的影響，這些都是今后秸稈還田研究過程中需要重點關(guān)注的問題。