王嘉豪，李廷亮，2，吕卓呈，黄 璐，宋红梅

（1.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801；2.山西农业大学 农业资源与环境国家级实验教学示范中心，山西 太谷 030801）

我国作为一个农业大国，拥有丰富的作物秸秆资源。据统计，我国秸秆年产量达10.4亿 t［1］，居世界前列。秸秆不仅能作为一种富含各类养分的有机肥源提高土壤养分供应能力，还可以在土壤结构改良和生态环境质量提升等方面发挥积极作用［2-4］。2015年我国秸秆综合利用率达到80.1%，取得了长足的进步；但受传统观念的影响，在农业生产过程中仍存在丢弃、焚烧秸秆等不合理行为，这不仅造成了资源浪费，还加重了环境污染。在多数欧美国家，2/3左右的秸秆做直接还田处理，1/5左右用作饲料［5-7］。在亚洲的韩国实现了水稻和小麦秸秆全量化利用［8］。在目前提倡高标准农田建设、化肥减施和绿色生态农业发展的大背景下，秸秆还田是一项值得大力推广应用的农业措施。国内外学者关于秸秆还田对土壤肥力特性的影响已做了大量的试验研究，但缺少对相关研究成果的系统性总结。笔者在梳理前人研究文献的基础上，总结了秸秆还田对土壤结构、水温效应、养分特征和微生物特性的影响，并进一步分析了秸秆还田中存在的一些问题，以期为秸秆科学还田提供参考。

1 秸秆还田对土壤物理结构的影响

1.1 秸秆还田对土壤容重和孔隙度的影响

土壤容重可以直接反映土壤结构好坏和土壤紧实程度，并与土壤水、肥、气、热密切相关［9-10］。孔隙度亦是如此，并且土壤中孔隙度分布的连续性和稳定性会深刻影响作物根系的生长发育和土壤养分的运移［11，15］。将密度低、孔隙度大的秸秆施入土壤能起到稀释作用［16］，从而可产生降低土壤容重、增加土壤孔隙度的正面效应［12-14］。长期定位试验研究发现，连续多年的作物秸秆全量还田使这一效应表现更加明显［17］。Wang等［18］在西北旱区的玉米秸秆还田试验研究也获得了类似的结果，且以13500 kg/hm2的高量玉米秸秆长期还田对土壤有机碳的提升程度更高，对土壤结构的改良效果更佳。在秸秆还田的基础上增施一定量的氮肥可以进一步改善土壤的孔隙结构，这是由于施氮可以调节土壤的C/N比，使秸秆有效腐解而释放出大量的有机物质，这些分解物可以与土粒形成稳定、疏松的团粒结构［19-20］。秸秆还田的深度对不同深度土壤容重和孔隙度的影响存在差异，王秋菊等［21］在东北黑土玉米种植区的研究发现，秸秆耕层还田仅使0～20 cm土层的土壤容重下降0.09～0.12 g/cm3，孔隙度提高6.05%～7.92%，下层土壤的容重和孔隙度基本上没有变化；秸秆还田深度的增加会影响下层土壤的容重及孔隙度。另外，有研究发现秸秆还田对土壤容重及孔隙度的影响也与耕作方式有关，较浅的耕作对表层土壤的物理特性有一定的改善作用，但对下层土壤不利；而秸秆还田结合深耕更有利于改善土壤容重和孔隙度［22-23］。

1.2 秸秆还田对土壤团聚体结构特征的影响

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，对土壤肥力的维持有重要作用。不同粒级的团聚体对养分的供应和转化能力存在差异，而大团聚体作为土壤肥力的重要物质条件，可以反映土壤肥力［24-25］。土壤团聚体的形成、分布及稳定性受耕作方式、肥料投入及有机物料输入等农业管理措施的影响［27-29］。秸秆还田能对土粒团聚过程产生积极的影响，促进微团聚体向大团聚体转化［26，30-32］。研究表明，在东北地区棕壤和黄淮海地区潮土上实行秸秆还田，均可使0～20 cm土层的大团聚体含量增加，使微团聚体含量下降［33-34］；但在秸秆还田后土壤中的大团聚体含量不会无限提升，因为过量的秸秆还田会阻碍团聚过程，还使C、N失衡，导致微生物量下降［35］，而微生物量与团聚体形成显著相关［36］。秸秆还田可以提高平均重量直径（MWD）、几何重量直径（GWD）和粒径大于0.25 mm团聚体的百分比（R>0.25）等反映团聚体稳定性的指标。Zhang等［37］在西北半干旱区黄绵土开展的秸秆还田量试验结果表明，秸秆还田使0～40 cm土层的机械稳定性团聚体的MWD和GWD分别提升了14.7%～37.8%、17.6%～45.2%，水稳性团聚体的稳定性也显著提升，以9000 kg/hm2的秸秆还田量的效果更佳。此外，余坤等［38］将低C/N的氨化玉米秸秆粉碎还田后，发现其较传统秸秆还田可显著提高土壤团聚体的R>0.25、MWD和GMD，更有效地发挥了秸秆还田的改土效果。

秸秆还田对土壤团聚体演变的影响与其带入土体的有机碳密切相关，表土中90%的有机碳位于团聚体中，团聚体是有机碳的重要载体［39］。有机碳作为胶结物质可以促进团聚体的形成［26］，而团聚体可以为有机碳提供物理保护，提高其稳定性［40-41］。秸秆还田一方面可以提高土壤有机碳的输入量［30］，而有机碳作为有机胶结物［32］参与各粒级团聚体的形成；另一方面秸秆还田使土壤微生物量增加［42］，两者都是有机碳的组成部分［30，43］，因此，各粒级团聚体的有机碳含量得到提升。相关研究表明，随着土壤团聚体粒级的增大，其有机碳含量呈逐渐增加的趋势，其中大团聚体的有机碳含量高，究其原因：一是微团聚体通过有机碳胶结成大团聚体［44］；二是在大团聚体中处于分解状态的菌丝可以分解产生多糖等碳源物质，从而提高有机碳的含量［45］。

2 秸秆还田对土壤水温效应的影响

2.1 秸秆还田的水分效应

良好的土壤水分状况有利于作物生长，促进土壤-作物养分循环平衡［46］。如何有效提高土壤蓄水保墒能力是我国农业科研工作者在不断探究的科学问题。秸秆覆盖还田作为一项重要的保墒技术，对农业水资源紧缺的地区有重要意义。Huang等［47］在黄土高原春麦区的试验表明，小麦秸秆覆盖还田使2年的土壤水分蒸散量分别减少了19.7、14.3 mm，同时水分利用效率也极显著提高。李玉鹏等［48］研究发现，在西北半干旱区冬小麦全生育期0～200 cm土层的贮水量随秸秆覆盖量的增加而提高了13.1%～26.1%。另外，不同秸秆覆盖时期对土壤水分的影响存在差异，在黄土高原半湿润易旱区的研究表明，秸秆周年全程覆盖较仅生育期覆盖更能提高2 m土层的蓄水量和作物水分生产效率［49-50］。为了解决干旱冷凉地区秸秆覆盖还田蓄水保墒与秸秆腐解率低之间的矛盾，甘肃农业大学柴守玺团队提出了秸秆周年带状覆盖，即分设宽30～50 cm的覆盖带和种植带，两带相间排列，于种植带播种后预留覆盖带，并将秸秆整秆置于其中，在连续种植2茬后将秸秆旋耕打碎还田，这样可以有效克服传统秸秆覆盖还田的弊端，且能在更大程度上提高土壤的蓄水保墒能力。另外，秸秆粉碎翻压还田也可以提高作物的水分利用效率和土壤的水分状况，刁鹏生等［51］在黄土高原玉米旱作区的研究结果表明，以6000 kg/hm2的玉米秸秆粉碎翻埋还田，可以提高玉米全生育期0～80 cm土层的土壤贮水量，还能促进玉米叶片的生长，使有效蒸腾增强，使玉米的水分利用效率明显提升。大量研究表明，秸秆覆盖还田较翻压还田有更显著的蓄水保墒作用。

2.2 秸秆还田的温度效应

土壤温度会影响土壤的水分运动、养分转化等，并与作物的生长发育联系密切［52］。研究表明，秸秆覆盖还田后土壤温度变化呈现“增温效应”或“降温效应”［53-54］，且土壤温度变化在0～10 cm土层表现明显，而在下层土壤表现不明显［55］。Zhang等［56］在黄土高原山地农田麦秸覆盖还田的试验表明，10 cm土层的日平均温度在高温时降低0～4 ℃，在低温时升高0～2 ℃。陈素英等［57］在华北地区的研究表明，玉米秸秆覆盖还田使冬小麦土壤5 cm深处的日均地温变化幅度减小并趋于平缓，但春季时产生“低温效应”，并且该现象随覆盖量的增加而呈增强的趋势。蔡太义等［49］在关中平原的研究显示，不同量的秸秆覆盖使春玉米生育期内0～15 cm土层发生了“低温效应”，且春玉米生育前期的“低温效应”较生育后期更加明显，这与Unger［58］的研究结果类似。低温效应使作物生长初期的土壤温度低于正常生长发育所要求的温度，从而阻碍作物的生长发育。也有研究发现，黄土高原中南部地区旱地冬小麦麦秸覆盖还田后，在返青期后10 cm深处的土壤温度最高增加了2.52 ℃，在20 cm深处最高增加了1.65 ℃，这为小麦地上部养分吸收和小麦生长发育提供了有利条件［59］。可见，秸秆覆盖还田对土壤温度的影响因季节变化和地域特点呈现不同的变化规律。另外，常晓慧等［52］在东北寒地旱作区的试验发现，实施秸秆深施还田对土壤温度的提升效果优于覆盖还田，并且对土壤的保温和调控能力随深施量的增加而提高。

3 秸秆还田对土壤养分含量的影响

作物秸秆是农业生产产生的数量巨大的生物质资源，其富含大量有机质和其他营养元素，是一种重要的有机肥源［60-62］。在2014～2018年，中国水稻、小麦和玉米秸秆的氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）资源年均量分别为509.8万t、284.7万t、1183.0万t，若全部还田，则能替代的化肥用量为294.0万t N、194.1万t P2O5和1083.9万t K2O［63］。高效、持续的秸秆还田对土壤养分管理、土壤肥力提升、土壤生态环境改良具有重要的意义［64-65］。

秸秆还田方式、还田量及还田时间是影响土壤养分变化的重要因素。秸秆还田能增加土壤有机质（碳）和氮磷钾养分含量，而还田量与土壤养分含量的增加幅度呈显著的正相关。有研究者认为提高秸秆还田量更有利于土壤养分含量的提升［66］；但也有研究者认为秸秆还田量存在1个阈值，例如高金虎等［67］在辽西旱区的秸秆还田量试验发现，过量还田会导致有机质的增长幅度下降。丛萍等［68］将秸秆一次性深埋入40 cm土层，提升了秸秆还田量的阈值，还有效解决了黄淮海平原北部耕层变浅、亚表层肥力下降的问题。

不同还田方式对土壤有机质状况的影响存在一定差异，秸秆覆盖还田促进土壤有机质积累的效果更好，而翻压还田次之［69-70］；秸秆粉碎翻压还田对耕层全氮和速效养分含量的提升效果最好，而覆盖还田的效果较差［71］。另外，秸秆还田结合不同的耕作措施也能在一定程度上提高土壤的养分含量，但土壤养分含量的提高幅度受秸秆还田深度的影响，例如秸秆还田结合旋耕处理对华北平原麦玉轮作区0～10 cm土壤养分含量的提升效果最明显，但对10～20 cm土壤的养分含量改善不明显［72］；而在该区域内的另一研究则发现，秸秆还田结合深耕处理对10～20 cm土壤养分含量的提升效果显著［73］。但从总体来看，秸秆还田后存在一定的腐解期，养分归还不够及时，还田效果不能在短期内显著表现［74-76］，而长期秸秆还田能有效增加土壤养分含量［77］。

4 秸秆还田对土壤微生物特性的影响

土壤有机质变化深刻影响土壤微生物的代谢活动［78］。秸秆作为富含碳、氮的有机物料，还田后可以为土壤微生物的生命活动提供更多的营养物质；此外，秸秆还田后通过改变土壤结构，可以为微生物营造良好的生存环境［79-80］。添加作物秸秆对土壤微生物的影响特别表现在土壤细菌、真菌方面［81］。周文新等［82］研究发现，秸秆还田可以显著提高双季稻种植区土壤的细菌生物量，并且对其群落结构和功能改善有积极作用。Zhao等［83］通过培养实验发现，添加玉米秸秆显著改变了砂壤土的细菌群落结构，但细菌丰富度与多样性降低，这主要是由于玉米秸秆的高C/N促进了微生物生长，导致土壤硝态氮消耗加快。李鹏等［84］研究发现，随着稻秸还田年限的增加，土壤真菌数量不断增加，且水稻秸秆还田后通过影响土壤pH值、有机碳和速效磷含量使土壤真菌群落结构发生了明显变化，群落多样性存在升高趋势。

大量研究表明，秸秆还田量、秸秆还田形态以及还田年限是影响土壤微生物生物量、群落结构及多样性的几个主要因素。徐蒋来等［85］在苏中稻麦轮作区的研究表明，不同秸秆还田量使土壤细菌数量不同程度提升，当水稻秸秆和小麦秸秆还田量占全量的50%时，这种提升效应达到了显著水平；而真菌数量受到了一定程度的抑制，这与测定真菌类型以及秸秆还田后土壤呼吸强度增强使土壤CO2浓度升高有关。徐忠山等［86］在东北黑土区的研究表明以6750 kg/hm2还田量对土壤微生物量和种类多样性的改善效果最好，并且出现了多种对土壤质量有益的菌种。另有研究者发现，提高秸秆的粉碎程度，使秸秆以更细小的形态还田，更能加快微生物对秸秆的分解过程，同时影响细菌和真菌的群落结构［87］。不同类型的微生物对还田年限的响应有差异。Guo等［88］研究发现，短期秸秆还田使华中稻麦轮作区土壤磷酸脂肪酸（PLFA）总量、细菌和真菌生物量分别提高了31.1%、36.0%、95.9%；在长期连作的农田上，土壤真菌数量随还田年限的增加而呈现增长趋势，细菌数量和微生物总量则表现为先减后增的趋势［89］。

5 存在问题及展望

我国的秸秆还田研究工作起步较晚，无论是应用技术还是理论研究均与国际先进水平存在一定的差距。目前，我国的秸秆还田方式仍以直接还田为主，包括地表覆盖与表层浅还2种方式。然而，随着这2种还田方式的推行，也暴露出一些问题，例如：秸秆覆盖产生的“低温效应”会使作物的生育期推迟；秸秆浅旋会出现“种地漏风”现象，从而影响下季播种以及作物种子的萌发；在秸秆腐解过程中也会出现病虫害频发等问题。另外，我国秸秆还田利用率仍比较低，一方面是由于还田工作繁琐，对农机具要求高，工作成本过高；另一方面是由于农民缺乏对秸秆还田的科学认识，一些好的还田技术得不到实质性的推广。因此，在未来应从以下几个方面进行研究：一是秸秆还田效应存在区域性差异，各地区应因地制宜，结合当前的主流还田模式，兼顾经济效益和生态效益，重点探究能长期、有效地改善本地区土壤环境的还田技术；二是秸秆还田后的腐解进程较为缓慢，加速秸秆腐解进程，使秸秆中的养分及时归还土壤以供作物利用尤为重要；三是改良现有的秸秆还田技术，同时加强农业机具的研发，从技术手段上避免耕层变浅、土壤结构破坏等问题；四是要建立与各种秸秆还田模式配套的评价体系和推广体系；五是要将机械技术、生物工程技术、农机农艺措施统筹兼顾，为更加合理地通过秸秆还田来改善土壤肥力和实现土壤质量长期向好发展提供技术支持。