郝帥帥　顧道健　陶進(jìn)　朱寬宇　趙鑫杰　鄧土養(yǎng)　馬永恒　張耗

（揚(yáng)州大學(xué)/江蘇省作物遺傳生理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育點(diǎn)/糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇揚(yáng)州225009；*通訊作者：haozhang@yzu.edu.cn）

秸稈還田對(duì)稻田土壤和溫室氣體排放的影響

郝帥帥顧道健陶進(jìn)朱寬宇趙鑫杰鄧土養(yǎng)馬永恒張耗*

（揚(yáng)州大學(xué)/江蘇省作物遺傳生理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育點(diǎn)/糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇揚(yáng)州225009；*通訊作者：haozhang@yzu.edu.cn）

秸稈還田作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，具有固碳、促進(jìn)養(yǎng)分元素循環(huán)、減少化肥施用、維持土壤肥力的積極作用。本文概述了作物秸稈的利用現(xiàn)狀、秸稈還田對(duì)稻田土壤理化性質(zhì)及溫室氣體排放的影響，并對(duì)秸稈還田研究進(jìn)行了展望。

秸稈還田；稻田；溫室氣體；土壤改良

我國(guó)秸稈資源豐富，年總產(chǎn)量在6.0億t以上［1］，但還田率較低，在一些地區(qū)被大量焚燒，不僅造成秸稈大量浪費(fèi)，而且嚴(yán)重污染空氣，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成極大影響。還田秸稈主要來(lái)自于前季的麥秸稈或玉米秸稈及其制成的有機(jī)物料，這些秸稈富含有機(jī)碳，并含有大量的磷、鉀、氮、硅等礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，還田秸稈在增加稻田土壤有機(jī)質(zhì)和改善土壤結(jié)構(gòu)和物理性狀的同時(shí)，也會(huì)大量排放CH4、N2O等溫室氣體［2］。本文綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外秸稈還田對(duì)稻田土壤理化性質(zhì)及溫室氣體排放影響的研究進(jìn)展，以期為合理利用秸稈資源提供理論依據(jù)。

1　作物秸稈利用現(xiàn)狀

據(jù)了解，世界上各種谷類(lèi)作物每年產(chǎn)生的秸稈約有20.0億t，而其中大概只有10.0%被利用，因此，作物秸稈的利用空間還很大。我國(guó)每年的各類(lèi)秸稈產(chǎn)量約在6.0億t左右，其中水稻秸稈有2.3億t［2］。在我國(guó)雖然有農(nóng)民以秸稈為飼料或者肥料，但大部分秸稈還是被直接焚燒或者丟棄，不僅造成秸稈資源的極大浪費(fèi)，還會(huì)引起一系列的環(huán)境問(wèn)題。因此，如何對(duì)我國(guó)秸稈資源進(jìn)行有效利用仍需進(jìn)一步深入研究。

2　秸稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.1秸稈還田對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

秸稈主要以覆蓋的形式施入土壤中，可以減少土壤水分蒸發(fā)，緩解土壤表層溫度的變化，調(diào)節(jié)水、肥、氣、熱等，改善土壤的理化性質(zhì)。余雄波［3］研究表明，施用有機(jī)肥能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)，降低土壤容重，對(duì)土壤有良好的培肥改良作用。戴志剛等［4］研究表明，秸稈還田能夠增大土壤孔隙度，減小土壤容重。慕平等［5］研究發(fā)現(xiàn)，逐年連續(xù)全量玉米秸稈還田與淺耕翻埋措施配合實(shí)施，能夠促進(jìn)秸稈纖維腐解殘?bào)w與土壤團(tuán)粒結(jié)合，達(dá)到降低土壤容重，并疏松土壤的作用。孫漢印等［6］觀察到，不同秸稈還田方式對(duì)各個(gè)級(jí)別團(tuán)粒體的影響各有不同，還田后微團(tuán)聚體（＜53 μm）的含量降低，但大團(tuán)聚體（＞2 000 μm）和中微團(tuán)聚體（53～250 μm）的含量增加。這些結(jié)果都表明，秸稈還田可有效改良土壤的水、肥、氣、熱等物理性質(zhì)。

2.2秸稈還田對(duì)土壤呼吸的影響

據(jù)研究分析，秸稈還田對(duì)農(nóng)田土壤呼吸作用的影響較顯著。首先，秸稈還田后能夠有效改善稻田土壤環(huán)境；其次，秸稈還田還能夠促進(jìn)土壤微生物的活動(dòng)，從而影響土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化；同時(shí)，秸稈還田腐解后能夠有效增加土壤孔隙度，并且能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。此外，秸稈還田還能促進(jìn)土壤中CO2向空氣中的擴(kuò)散，從而提高CO2的釋放速率［7］。Markus Raubuch等［8］研究表明，添加秸稈的土壤呼吸速率和微生物生物量碳均高于未添加秸稈的對(duì)照。David等［9］試驗(yàn)結(jié)果表明，添加秸稈明顯增加了土壤CO2的排放量，盡管CO2的排放量和碳的存儲(chǔ)呈負(fù)相關(guān)，但在試驗(yàn)?zāi)┢谶€是能夠增加土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)存量。

2.3秸稈還田對(duì)土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是衡量土壤養(yǎng)分的一個(gè)重要指標(biāo)，而秸稈還田能夠通過(guò)提高土壤有機(jī)質(zhì)來(lái)改良土壤，是改良土壤的一種有效措施。秸稈腐解后能夠促進(jìn)大量微生物的繁殖，而微生物的大量活動(dòng)又會(huì)加速秸稈有機(jī)養(yǎng)分的分解釋放，最終導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高。在當(dāng)前耕作制度下，秸稈還田是增加稻田土壤碳的一項(xiàng)重要且可行的措施。

土壤的有機(jī)質(zhì)含量和腐殖化程度受到秸稈還田量的影響［10］。據(jù)報(bào)道，當(dāng)秸稈還田量為4 500～6 000 kg/hm2時(shí)，土壤的有機(jī)質(zhì)含量可以穩(wěn)步提高［11］。白和平等［12］研究結(jié)果顯示，與秸稈不還田相比，秸稈還田之后的土壤有機(jī)質(zhì)提高了0.29 g/kg。馬惠杰［13］研究表明，玉米秸稈還田5年后，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加0.29%，0～20 cm的耕層內(nèi)土壤堿解氮增加31.2 mg/kg、速效磷增加3.8 mg/kg、速效鉀增加24.5 mg/kg。王鶴橋［14］研究表明，每hm2施22 500 kg玉米秸稈，1年后土壤有機(jī)質(zhì)凈積累0.14%、全氮凈增0.005%、全磷增加0.018%、全鉀增加0.90%。朱捍華等［15］通過(guò)6年田間定位試驗(yàn)表明，秸稈還田后的丘陵紅壤與施化肥的相比，有機(jī)質(zhì)含量增加了5.8%～28.9%，土壤性質(zhì)也得到了明顯改善。相關(guān)研究表明，秸稈在土壤中的分解主要是土壤微生物利用蛋白質(zhì)和可溶性有機(jī)碳等易分解的有機(jī)質(zhì)作為碳源，對(duì)其進(jìn)行礦化的同時(shí)，另一部分碳物質(zhì)被同化，與此同時(shí)促進(jìn)了養(yǎng)分的釋放，隨后進(jìn)入礦化階段，在微生物的進(jìn)一步作用下難分解的有機(jī)物和殘存在土壤中的氮素進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)形成易分解的腐殖物，進(jìn)而提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量并對(duì)土壤的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行更新［16］。

2.4秸稈還田對(duì)土壤微生物和酶的影響

秸稈還田腐解分解后能夠影響土壤中碳、氮、磷循環(huán)的酶發(fā)揮，進(jìn)而通過(guò)這些酶來(lái)影響碳、氮、磷的含量。秸稈在土壤中分解后能夠產(chǎn)生足夠的碳源和氮源提供給土壤中的微生物，為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供了適宜的環(huán)境，提高了微生物的活性，特別是能夠增加細(xì)菌和真菌的比例［17］。細(xì)菌途徑和真菌途徑是土壤中微生物分解的兩種重要途徑。真菌途徑主要適用于難分解物質(zhì)的分解和碳氮比較高的有機(jī)物質(zhì)的分解。由于其難分解性，所以相對(duì)來(lái)說(shuō)資源循環(huán)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。而細(xì)菌途徑則主要是用于易分解物質(zhì)的分解。與真菌途徑相比，它具有較快的循環(huán)速度［18］。路怡清等［19］研究表明，秸稈還田處理可使土壤脲酶、堿性磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶和脫氫酶活性提高，還能夠有效促進(jìn)細(xì)菌、真菌、放線菌的生長(zhǎng)繁殖，增加微生物群落的數(shù)量，增加土壤酶活性。

3　秸稈還田對(duì)溫室氣體排放的影響

3.1農(nóng)田主要溫室氣體

氣候變化是當(dāng)今全球面臨的重大挑戰(zhàn)。CO2、CH4和N2O是大氣中最主要的溫室氣體，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約為80%［20］。溫室氣體的排放源很多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)是其中主要的排放源之一。據(jù)估計(jì)，人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體排放量的14%來(lái)源于農(nóng)業(yè)，其中，CH4排放量的52%和N2O排放量的84%來(lái)源于農(nóng)業(yè)活動(dòng)［21］。稻田是農(nóng)業(yè)活動(dòng)溫室氣體排放的主要來(lái)源。

3.2秸稈還田對(duì)CO2排放的影響

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)CO2的排放包括土壤呼吸和作物呼吸，相應(yīng)地，稻田CO2的排放與很多因素相關(guān)。秸稈的施用對(duì)土壤N素以及C吸存量、pH值、微生物量等因素都有影響，通過(guò)改變這些因素進(jìn)而影響CO2通量，具體的增加或減少，各學(xué)者觀點(diǎn)基本一致。

研究表明，秸稈還田后腐解產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)能夠顯著影響土壤呼吸［9］。強(qiáng)學(xué)彩等［22］測(cè)定了3種不同量秸稈還田處理的土壤呼吸顯示，在一定范圍內(nèi)，秸稈還田的量越多，CO2的釋放量也越多。秸稈在土壤中的分解引起土壤中CO2含量的增加，但也能夠增加土壤有機(jī)碳的含量，而且還能夠提高土壤孔隙度，對(duì)土壤固碳有積極效果。

3.3秸稈還田對(duì)CH4排放的影響

CH4是地球大氣中含量最高的有機(jī)氣體，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)可達(dá)15%，僅次于CO2。全球稻田CH4的排放總量約為35～36 Tg（1 Tg=1012g），其中我國(guó)的排放量約占了其中的1/4［23］。

有研究認(rèn)為，稻田排放的CH4主要是由土壤中的產(chǎn)甲烷菌在厭氧環(huán)境下通過(guò)有機(jī)質(zhì)的發(fā)酵和土壤硝化與反硝化作用產(chǎn)生的［24］。Guo等［25］研究顯示，秸稈還田后的稻田溫室氣體排放量顯著高于秸稈未還田的稻田，特別是甲烷。Setyanto等［26］研究認(rèn)為，秸稈還田后的甲烷排放量比未還田田塊增加2～25倍。蔣靜艷等［27］研究顯示，稻田施用有機(jī)肥越多，則甲烷的排放量就越多，而對(duì)于施用不同有機(jī)肥的田塊其溫室氣體效應(yīng)也不同，說(shuō)明溫室氣體的排放還受有機(jī)肥種類(lèi)的影響，并且施用秸稈的田塊CH4的排放量要明顯高于施用廄肥的田塊。肖小平等［28］對(duì)不同稻草還田方式對(duì)稻田CH4排放的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，不同的秸稈處理方式也影響稻田溫室氣體的排放，相對(duì)于翻耕還田來(lái)說(shuō)，免耕還田方式能夠顯著降低甲烷的排放速率。楊書(shū)運(yùn)等［29］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田和減量施肥配合能夠使麥田土壤CH4排放減少27.33%。這可能與秸稈還田的方式和還田深度有關(guān)。據(jù)研究，水分管理也是影響稻田CH4排放的一個(gè)重要因素，有效控制水分可以減少稻田CH4的排放，相較于常規(guī)灌溉，淹水灌溉和間歇灌溉均能減少稻田CH4的排放［27］。

3.4秸稈還田對(duì)N2O排放的影響

N2O在大氣中難以被氧化分解，因此能夠長(zhǎng)時(shí)間存在大氣中參與各種化學(xué)反應(yīng)，例如平流層中的臭氧能夠?qū)⑵溲趸a(chǎn)生N2和NO，而這樣則破壞了大氣臭氧層，造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。相比之下，N2O的溫室效應(yīng)（紅外吸收能力）是等量CO2的150～200倍。據(jù)了解，農(nóng)田是N2O重要的排放源之一，生物圈釋放到大氣中的N2O總量的90%來(lái)源于農(nóng)田土壤［30］。

稻田主要是通過(guò)硝化作用與反硝化作用產(chǎn)生N2O。稻田N2O的排放過(guò)程受很多因素的影響，包括水分管理方式、土壤性質(zhì)、土壤微生物的數(shù)量和種類(lèi)以及通氣狀況、有機(jī)質(zhì)含量等。秸稈還田通過(guò)改變土壤N狀況、C/N以及NO3--N和NH4+-N的含量，進(jìn)而影響N2O的排放通量。對(duì)于此結(jié)果，各學(xué)者的研究結(jié)果迥異。部分學(xué)者研究認(rèn)為，氮肥處理相對(duì)于有機(jī)肥處理能夠促進(jìn)更多N2O的排放［31］。也有研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥后N2O的排放顯著高于施氮處理［32］。還有學(xué)者研究顯示，秸稈還田導(dǎo)致農(nóng)田土壤N2O排放量減少，這可能是由于秸稈的添加引起土壤碳氮比的提高所致，碳氮比的提高導(dǎo)致了微生物對(duì)氮源的充分利用，因此減少了硝化和反硝化作用的中間產(chǎn)物即N2O的排放。秸稈還田增加農(nóng)田土壤N2O排放的原因可能是秸稈還田下N素的反硝化作用得到增強(qiáng)。葉文培等［33］研究表明，土壤銨態(tài)氮會(huì)由于秸稈的施入而降低，而且秸稈還田量越大銨態(tài)氮的濃度越低，也就是增強(qiáng)了硝化作用，增加了N2O的排放。

稻田N2O的排放是各個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。減排N2O的關(guān)鍵是降低土壤產(chǎn)N2O基質(zhì)，只有N2O基質(zhì)降低了才能改變硝化作用和反硝化作用的反應(yīng)環(huán)境，進(jìn)而達(dá)到N2O減排的效果。因此，可以將研究集中在養(yǎng)分的控制釋放方面，如減少氮肥施用、提高N素利用率、增加生物碳的施用等。

4　討論與展望

農(nóng)作物秸稈的焚燒是環(huán)境保護(hù)的重大課題，而秸稈是富含碳源的一種能源物質(zhì)，以秸稈還田代替秸稈焚燒刻不容緩，秸稈還田也成為秸稈利用的一種重要手段。近些年來(lái)，關(guān)于秸稈還田的時(shí)間、方式、數(shù)量等方面國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家做了大量研究。眾多研究結(jié)果都表明，秸稈還田對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有利［34］，能夠改變土壤物理化學(xué)性質(zhì)以及提高土壤呼吸強(qiáng)度，改善土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)等。但是，秸稈還田對(duì)CO2、CH4和N2O等溫室氣體的排放也產(chǎn)生了一定的影響。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于秸稈還田的研究大多集中于秸稈還田的培肥效果、對(duì)土壤改良性狀的研究以及對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量提高等方面。

在今后的工作中，應(yīng)著力于以下幾個(gè)方面：第一，作物秸稈還于田中，直接與土壤接觸，作物根系扎根于土壤中，也直接與土壤接觸，深入研究秸稈還田條件下的根系-土壤互作機(jī)制，可為提高水分養(yǎng)分利用效率找到突破口。第二，對(duì)于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，并不能單一的從某一個(gè)角度來(lái)考量評(píng)價(jià)，今后的研究更應(yīng)該傾向于秸稈還田的綜合考量。例如，開(kāi)展秸稈還田對(duì)農(nóng)田溫室氣體綜合效應(yīng)的影響及機(jī)理研究，可為制定相應(yīng)的減排措施提供理論依據(jù)。第三，由于直播稻省工節(jié)本的特點(diǎn)，近年來(lái)其面積迅速發(fā)展。在新形勢(shì)下，因勢(shì)利導(dǎo)的加強(qiáng)秸稈還田對(duì)直播稻產(chǎn)量與品質(zhì)的影響及其生理基礎(chǔ)研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

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Effects of Residue Returning on Paddy Soil and Greenhouse Gas Emissions

HAO Shuaishuai,GU Daojian,TAO Jin,ZHU Kuanyu,ZHAO Xinjie,DENG Tuyang,MA Yongheng,ZHANG Hao*
（Yangzhou University/Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology of Jiangsu Province/Co-innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops,Yangzhou,Jiangsu 225009,China；*Corresponding author：haozhang@yzu.edu.cn）

Residue returning is an important part of agricultural production,playing a positive role in carbon fixation,promoting nutrient cycling,reducing chemical fertilizer and maintaining soil fertility.This article summarized the utilization status of residue,the effects of residue returning on paddy soil and greenhouse gas emissions,and the research prospects of residue returning.

residue returning；paddy field；greenhouse gas；soil improvement

S512

A

1006-8082（2016）05-0006-04

2016－06－14

“973”項(xiàng)目（2015CB150404）；國(guó)家自然科學(xué)基金（31201155）；教育部博士點(diǎn)基金（20123250120001）；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目（15KJA210005）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目；揚(yáng)州大學(xué)高端人才支持計(jì)劃