陳　浩， 張秀英， 郝興順， 吳玉紅， 張春輝， 張選明

(陜西省漢中市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，陜西漢中 723000)

隨著農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)的變化和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，在糧食增產(chǎn)的同時農(nóng)作物秸稈過剩問題帶來的農(nóng)村環(huán)境問題和社會問題日益突出。為此，我國提出推進(jìn)種養(yǎng)業(yè)廢棄物資源化利用、無害化處置的建議，關(guān)于農(nóng)業(yè)資源綜合利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新模式不斷涌現(xiàn)，農(nóng)作物秸稈資源化利用不斷受到重視，秸稈還田技術(shù)得到廣泛推廣與應(yīng)用。目前，作物秸稈作為替代傳統(tǒng)有機(jī)肥的一種農(nóng)業(yè)資源，直接或間接歸還土壤，能夠有效減少肥料投入，緩解農(nóng)業(yè)所需肥料的不足，不僅可減少肥料對農(nóng)田環(huán)境的污染[1-2]，而且有助于提高化肥利用率[3-4]；另外，秸稈還田后能夠形成一個良好的土壤生態(tài)體系，顯著提高土壤酶活性，增加土壤養(yǎng)分含量和土壤有機(jī)質(zhì)含量[5-8]，改善農(nóng)田有益生物環(huán)境條件，促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)平衡，提高后茬作物產(chǎn)量[9-10]。而秸稈還田后土壤層結(jié)構(gòu)和土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化使農(nóng)田生境發(fā)生改變，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)再次面臨環(huán)境壓力[8，11-13]，限制秸稈還田技術(shù)的節(jié)本增效、資源利用和生態(tài)循環(huán)優(yōu)勢。因此，有必要對當(dāng)前秸稈還田的多重效應(yīng)進(jìn)行綜合分析和深入探討，從根本上闡明秸稈還田的效應(yīng)機(jī)制，使秸桿還田技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐上得到有效推廣與應(yīng)用。如何正確把握秸稈還田技術(shù)且避免秸稈還田帶來的不利影響，是秸稈還田資源化利用的熱點(diǎn)問題之一。綜合分析和討論秸稈還田對農(nóng)田環(huán)境影響的多重性，對深入了解農(nóng)田環(huán)境變化、推進(jìn)秸稈還田技術(shù)發(fā)展和完善循環(huán)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)理論具有重要意義，可為后續(xù)相關(guān)研究提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1　秸稈還田對農(nóng)田環(huán)境的多重效應(yīng)

環(huán)境效應(yīng)(environmental effect)是指自然過程或者人類的生產(chǎn)和生活活動會對環(huán)境造成污染和破壞，從而導(dǎo)致環(huán)境系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化的過程。這種變化有正面效應(yīng)，也有負(fù)面效應(yīng)。由于秸稈還田打破了原有的土壤結(jié)構(gòu)和土壤營養(yǎng)平衡，使農(nóng)田環(huán)境發(fā)生了改變，從而引起一系列的環(huán)境效應(yīng)；而各種效應(yīng)在不同環(huán)境因子的影響下出現(xiàn)交互作用，使最后的綜合效應(yīng)變得復(fù)雜多變，產(chǎn)生效應(yīng)疊加或效應(yīng)消減效果。如農(nóng)田溫室效應(yīng)、農(nóng)田病蟲害發(fā)生、土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化與吸收等會隨著農(nóng)田耕作制度、秸稈還田深度、秸稈還田施用量的變化而變化，從而影響作物產(chǎn)量、土壤質(zhì)量及農(nóng)田環(huán)境。認(rèn)識和估計(jì)秸稈還田對農(nóng)田環(huán)境影響的機(jī)制及其變化趨勢，可為有效增加環(huán)境系統(tǒng)的正效應(yīng)，降低環(huán)境系統(tǒng)的負(fù)效應(yīng)，從而改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提供重要依據(jù)；同時為秸稈還田后農(nóng)田環(huán)境質(zhì)量的生物監(jiān)測和生物學(xué)評價奠定理論基礎(chǔ)，對于防治環(huán)境污染和發(fā)展循環(huán)生態(tài)農(nóng)業(yè)具有實(shí)際意義。

2　秸稈還田對農(nóng)田環(huán)境的影響

2.1　秸稈還田的溫室效應(yīng)

農(nóng)業(yè)是溫室氣體排放的主要來源之一，無論是深耕還是覆蓋的秸稈還田方式，都會引起農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的溫室效應(yīng)[14]。秸稈還田溫室氣體的排放量大小與農(nóng)田類型和耕作方式密切相關(guān)，其中水旱輪作下稻田對溫室氣體排放的貢獻(xiàn)率最大。已有研究表明，在水稻季全生育期內(nèi)，秸稈還田處理的CH4排放總量為秸稈不還田處理的1.4倍[15]。在短期內(nèi)，全量秸稈還田有助于降低總體溫室氣體的排放量，但長期進(jìn)行秸稈還田后的降低幅度會逐漸減小，而增溫潛勢卻不斷增加[16-17]。CH4排放量和碳釋放量隨著秸稈施用量的增加而增加，但當(dāng)秸稈施用量增加到一定程度時，稻田甲烷排放量不再進(jìn)一步增加[18-19]。盡管秸稈還田相對于不還田會起到土壤固碳減排的效果，但秸稈還田甲烷增排引起的全球增溫潛勢遠(yuǎn)高于土壤固碳減排潛力。由此可見，秸稈還田后，稻田增排甲烷的溫室效應(yīng)會大幅抵消土壤固碳的減排效益[20-21]。張?jiān)婪嫉妊芯匡@示，秸稈還田對長江中下游稻麥兩熟區(qū)高產(chǎn)農(nóng)田周年CH4和N2O排放總量、土壤碳固定量以及凈增溫潛勢均有顯著或極顯著影響，與秸稈不還田相比，CH4排放總量增加152%、N2O排放總量減少14%、土壤碳固定量增加531%、凈增溫潛勢增加57%，表明秸稈還田可明顯提高短期稻麥兩熟高產(chǎn)農(nóng)田的溫室效應(yīng)，其中主要排放的溫室氣體為CO2、CH4和N2O[22]。通過改進(jìn)秸稈還田方式，可以起到減溫減排的效果。與常規(guī)還田相比，秸稈深埋處理可以減少溫室氣體的排放量，增加土壤固碳量。當(dāng)秸稈溝埋深度在20 cm左右時，不但可增加碳的積累量，同時可減少碳的排放量[23]。在保證作物產(chǎn)量水平不變的情況下，適當(dāng)調(diào)整農(nóng)田施肥措施，降低氮肥施用水平也可以有效降低CO2、N2O和CH4的排放量[24]。

2.2　秸稈還田對農(nóng)田病蟲害的影響

秸稈還田在增加有益微生物的同時，也為作物病蟲害提供了棲息、越夏或越冬場所，增加了田間病蟲源基數(shù)。還田秸稈已成為病蟲害傳播的新媒介，提高病菌病蟲成活率，尤其是當(dāng)添加秸稈量過多或添加方式不當(dāng)時，可對有害生物的生長產(chǎn)生一定的保護(hù)作用[25-27]。首先，還田方式及還田深度對地下害蟲的種群數(shù)量與群落分布均有顯著影響。免耕秸稈覆蓋耕作方式不僅不會起到改善土壤疏松和增加通透性的作用，反而會使土壤濕度增大，通氣性變差，為土壤中的病蟲害繁殖創(chuàng)造良好的環(huán)境條件，加之氣候變化的影響，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的病蟲害發(fā)生規(guī)律產(chǎn)生顯著變化，導(dǎo)致病情加重[28]。通過調(diào)查免耕、旋耕、翻耕等3種耕作方式下秸稈還田對稻象甲等幼蟲越冬死亡率的影響發(fā)現(xiàn)，蟲害死亡率大小為翻耕>旋耕>免耕，說明深耕和中耕可以有效控制和降低地下害蟲的密度[29]。當(dāng)秸稈淺埋還田時，秸稈上的病菌會侵染生長作物，增加田間菌源量；當(dāng)掩埋深度≥20 cm時，能有效地消滅病害殘體，減少田間菌源量；當(dāng)秸稈集中掩埋還田深度 ≥35 cm 時，能有效降低病蟲害越冬存活率[30]。因此，秸稈深耕是減少病害蟲源的主要措施之一[31-32]。其次，直接將攜帶病害的秸稈和未腐熟的病害秸稈還田，會顯著提高下茬復(fù)種作物發(fā)生病害的概率和比例。水稻病稻稈還田后，第2年復(fù)種水稻的稻瘟病、葉鞘腐病、紋枯病發(fā)生較重[33]。有必要對用來還田的秸稈進(jìn)行病害調(diào)查和檢測，以避免對下茬作物的生長產(chǎn)生不利影響。此外，不同秸稈還田時間對作物病蟲害發(fā)生也具有一定的影響，但鑒于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的可操作性，目前秸稈還田主要集中在作物茬耕翻階段。

2.3　秸稈還田對土壤溫度的影響

秸稈覆蓋還田在一定程度上能阻隔外界光照與土壤之間的溫度傳遞，使秸稈覆蓋下土壤溫度的變化趨于緩和，能夠平抑地溫變化，縮小晝夜溫差，對土壤溫度調(diào)控具有一定的作用[34]。這種雙重效應(yīng)對作物生長十分有利，在作物生長前期，秸稈還田可以維持土壤溫度，促進(jìn)作物根系生長，為作物后期的生長奠定良好的基礎(chǔ)；而在作物生長后期，秸稈還田又能降低土壤溫度，減少水分蒸發(fā)。已有研究表明，秸稈覆蓋可降低冬小麥的基本苗數(shù)、分蘗數(shù)及生育前期的葉面積指數(shù)，但到生育后期，覆蓋處理的葉面積指數(shù)反而升高[35]。但隨著土層深度的增加，秸稈覆蓋對土壤溫度的調(diào)節(jié)作用逐漸減弱[36]。在秸稈還田的同時配施不同比例的化肥，能夠有效調(diào)節(jié)土壤溫度，顯著提高土壤微生物的數(shù)量與活性，改善土壤生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。

2.4　秸稈還田對土壤水分的影響

秸稈還田可以降低土壤容重，提高土壤貯水消耗量，對農(nóng)田保水控水起到很好的作用，有利于作物水分利用效率的提高。對麥田進(jìn)行冬前秸稈覆蓋處理，全生育期土壤儲水量較未處理多47.3 mm[37]。秸稈還田可抑制土壤水分蒸發(fā)、減少田間耗水量、調(diào)整作物的耗水結(jié)構(gòu)，從而提高水分利用效率，減少鹽分表聚現(xiàn)象，能夠較好地滿足作物生長發(fā)育對水分的需要。秸稈還田處理的周年水分利用效率較不還田處理提高7.6%[38-40]。秸稈還田的保水效果與土層深度有關(guān)，可明顯提高0～40 cm土層的含水量，對土壤剖面水分含量的影響范圍可達(dá)2 m，但其保水效果會隨著土壤深度的增加而減小。與常規(guī)耕作相比，深耕、深松處理的周年作物水分利用效率分別提高8.8%、6.3%，作物產(chǎn)量分別提高10.7%、9.8%[38]。土壤溫度對保水效果也有一定影響，在低溫情況下秸稈覆蓋的保水效果較低。秸稈還田對土壤水分性狀的影響是復(fù)雜的，還田后的秸稈在腐解過程中將消耗大量土壤水分，因而產(chǎn)生與作物爭奪水分的現(xiàn)象。當(dāng)秸稈腐解過程基本結(jié)束后，秸稈覆蓋又增加了土壤的保水性、滲水性，因而有利于土壤水分性狀的改善或土壤含水量的增加[41-42]。已有研究表明，秸稈還田與氮肥的合理配施，可以調(diào)控土壤水分，增加土壤含水量，加快氮肥的吸收和利用，提高土壤肥力水平，改善肥料利用效率，從而達(dá)到很好的水肥耦合作用[43-44]。

2.5　秸稈還田的化感效應(yīng)

由植物間產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)引起的有利或有害作用常稱為化感作用。水稻、小麥等植物殘體常通過活體分泌或腐解釋放化感物質(zhì)而起作用。其中，水稻秸稈在還田腐解過程中產(chǎn)生的苯乙醇酸、對氰基苯甲酸、香草酸、乙酸等可抑制水稻幼苗的生長[45-46]。另有研究指出，在土壤上覆蓋一定量的麥秸后，秸稈分解物質(zhì)的化感作用會降低玉米平均發(fā)芽率[47]；而小麥秸稈中的酚酸類化感物質(zhì)在低水培濃度時，也會抑制小麥自身根系的生長[48]。在秸稈還田技術(shù)中，須加強(qiáng)研究秸稈腐解產(chǎn)生的化感物質(zhì)對作物生長的抑制作用，了解不同作物秸稈化感物質(zhì)對還田效果的影響，從而使化感效應(yīng)向有益于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方向發(fā)展。稻稈腐解產(chǎn)生的有機(jī)酸類化感物質(zhì)可以轉(zhuǎn)移和溶解土壤中的礦質(zhì)養(yǎng)分，提高土壤的生物有效性，從而有利于作物生長發(fā)育[49-50]。而水稻、小麥、高粱等秸稈的化感作用都可以顯著抑制雜草的生長，降低植物病蟲害的發(fā)生概率，減少農(nóng)田除草劑和農(nóng)藥的使用量，有效減輕環(huán)境污染、減少病蟲害的防治成本，且有利于提高下季作物產(chǎn)量，對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和糧食生產(chǎn)安全起保護(hù)作用[50-51]。此外，秸稈化感作用強(qiáng)度與秸稈腐解方式、秸稈不同部位及腐解時間有關(guān)。在稻麥輪作中稻稈或水稻殘株的還田對雜草有一定抑制作用，其中對作物生長前期雜草的抑制作用明顯高于作物生長后期[52]。

2.6　秸稈還田對土壤的修復(fù)效應(yīng)

作物秸稈作為重金屬的有機(jī)固化物，在重金屬吸附利用和土壤改良方面具有重要作用[53-55]。施用秸稈可以起到原位鈍化土壤重金屬的作用，這與秸稈還田在土壤中的轉(zhuǎn)化過程有關(guān)，還田秸稈在腐解過程中產(chǎn)生大量活性有機(jī)物，可增加對土壤重金屬的吸附能力，降低重金屬的移動性和生物有效性，減少其向周圍環(huán)境的擴(kuò)散[55-56]。研究表明，油菜秸稈、小麥秸稈和水稻秸稈等均可顯著提高土壤化學(xué)耗氧量(chemical oxygen demand，簡稱COD)的濃度，促進(jìn)土壤中重金屬Cu和Cd的溶出，其中油菜秸稈對土壤重金屬的吸附能力較高[54，57-58]，且隨著秸稈施用量的增加，土壤殘留重金屬全態(tài)、有效態(tài)含量呈逐漸降低的趨勢[59]。此外，秸稈還田產(chǎn)生的COD可以有效調(diào)節(jié)土壤pH值，影響土壤酸堿度，有效改良次生鹽漬化土壤，且土壤鹽分含量隨秸稈用量的增加而降低[56，60]。因此，探討不同種類秸稈作為農(nóng)田土壤修復(fù)劑的可行性和施用條件，對秸稈還田土壤的修復(fù)利用、農(nóng)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)以及有效降低農(nóng)田面源污染具有重要意義[54-55]。但我國重金屬污染耕地每年都會產(chǎn)生大量重金屬污染秸稈，而這些秸稈還田在把營養(yǎng)物質(zhì)帶入土壤的同時，也把秸稈中的重金屬帶入了土壤[61]，使農(nóng)田質(zhì)量下降，增加后茬作物出現(xiàn)重金屬含量超標(biāo)的可能性。目前，對以秸稈與有機(jī)肥配施作為土壤重金屬污染修復(fù)劑的研究較多，但關(guān)于秸稈對土壤修復(fù)內(nèi)在機(jī)制的研究還須進(jìn)一步深入。

3　研究展望

目前，我國秸稈資源化還田利用技術(shù)仍處在高消耗、高污染、低產(chǎn)出的狀況，未能得到高效合理的開發(fā)利用[62-63]。充分認(rèn)識秸稈還田效應(yīng)的多重性、復(fù)雜性和交互作用，對完善秸稈還田技術(shù)具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)意義。綜上所述，秸稈還田在農(nóng)田環(huán)境影響方面的研究應(yīng)集中在以下幾個方面。

3.1　加強(qiáng)秸稈還田對農(nóng)田環(huán)境影響及其機(jī)制的研究

由于秸稈種類和還田方式的多樣性以及不同地域氣候條件復(fù)雜與耕作制度多樣化等因素，秸稈還田效果的主導(dǎo)影響因素存在一定差異。加強(qiáng)各因素相關(guān)性研究，了解區(qū)域農(nóng)田環(huán)境影響機(jī)制，進(jìn)行區(qū)域橫向?qū)Ρ妊芯?，對于科學(xué)利用秸稈還田技術(shù)具有重要意義。同時，隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高和區(qū)域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，應(yīng)考慮在不同層次生產(chǎn)力水平上進(jìn)行研究，以適應(yīng)未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展。秸稈還田技術(shù)實(shí)施的不同年限對農(nóng)田環(huán)境的影響程度不同，將短期與長期定位試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行縱向比較研究，對于揭示秸稈還田對農(nóng)田環(huán)境影響機(jī)制、探索農(nóng)作物資源化利用有效方式以及建立循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式有重要意義。

3.2　結(jié)合農(nóng)田環(huán)境在秸稈還田過程中的變化因素及其相互影響機(jī)制，系統(tǒng)研究秸稈還田技術(shù)對農(nóng)田環(huán)境及生態(tài)環(huán)境效率變化的影響

目前，秸稈還田對環(huán)境影響的研究主要集中在土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)等單一環(huán)境變化方面，對引起農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化各因素之間聯(lián)系的研究較少，不能客觀闡明環(huán)境效應(yīng)的得失。同時，秸稈還田技術(shù)對農(nóng)田環(huán)境的影響缺乏經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效應(yīng)相結(jié)合的綜合生態(tài)效率評價體系，秸稈循環(huán)利用對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響效果尚不明確。因此，探索新的評價指標(biāo)及研究方法，對分析農(nóng)田環(huán)境變化和系統(tǒng)評價農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

3.3　加強(qiáng)秸稈還田各項(xiàng)農(nóng)藝措施和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)

由于缺乏統(tǒng)一的秸稈還田技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目前大多關(guān)于秸稈還田對農(nóng)田環(huán)境效應(yīng)的研究所采用的配套農(nóng)藝措施均比較單一或不夠完善。綜合考慮秸稈還田與配肥技術(shù)、生物技術(shù)、耕作措施等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的統(tǒng)籌與協(xié)調(diào)，對提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)、優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、增加社會效益及發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)具有重要意義。同時，建立數(shù)學(xué)模型模擬各項(xiàng)農(nóng)業(yè)措施統(tǒng)籌對農(nóng)田環(huán)境的影響，探索適合不同地域的秸稈還田技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和方法，對于正確評估秸稈還田對農(nóng)田環(huán)境的影響以及建立低投入、高產(chǎn)出、低消耗、高效率的循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用的有效性與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性具有重要意義。

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