韓哲潘凱

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士后工作站，黑龍江 哈爾濱 150086；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)遙感與信息研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

工業(yè)發(fā)展的同時(shí)為農(nóng)業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展方向，化學(xué)肥料的應(yīng)用提高了作物的產(chǎn)量，但其長(zhǎng)期過(guò)量施用并缺少配套管理措施，導(dǎo)致土壤肥力不平衡、土壤退化及環(huán)境問(wèn)題。土壤環(huán)境的惡化已成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題，包括水土流失、土壤有機(jī)質(zhì)下降、養(yǎng)分含量降低、耕層變薄和土壤酸化等。以保護(hù)性耕作為代表的保護(hù)性農(nóng)業(yè)成為全球范圍內(nèi)關(guān)注焦點(diǎn)，減耕、免耕、輪作和覆蓋等栽培模式的覆蓋面積迅速增長(zhǎng)。其中，秸稈的循環(huán)利用是保護(hù)性耕作培肥土壤的有效途徑，同時(shí)秸稈還田是解決秸稈資源利用簡(jiǎn)單方法，擁有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 秸稈的產(chǎn)生及其應(yīng)用

秸稈是成熟農(nóng)作物莖葉(穗)部分的總稱，是農(nóng)作物收獲后的剩余部分，其中包含了50%以上作物光合作用產(chǎn)物，是重要的可再生能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年世界各國(guó)年產(chǎn)秸稈25～30億t，我國(guó)年產(chǎn)秸稈量高達(dá)8億t，占全世界秸稈總量的30%，秸稈已成為重要的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品[1]。秸稈中以糧食作物秸稈所占比例最高，以玉米(Zea mays L.)、水稻(Oryza sativa L.)和小麥(Triticumaestivum L.)為代表的3大糧食作物秸稈量就高達(dá)6.5億t[2]。作物秸稈中儲(chǔ)存了大量光合作用產(chǎn)物，中國(guó)主要作物秸稈資源的氮磷鉀養(yǎng)分總含量高達(dá)1982萬(wàn)t，其中鉀含量最高(1159.5萬(wàn)t)，玉米、水稻和小麥3大糧食作物的養(yǎng)分資源含量最高(占總量的81.8%)，黑龍江省的秸稈養(yǎng)分資源總量最高(占全國(guó)總量的10.3%)[3]。秸稈已成為當(dāng)今世界上僅次于煤炭、石油和天然氣的第4大能源，也是重要的有機(jī)肥源。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，秸稈與人畜糞便堆漚還田是我國(guó)秸稈還田的主要形式，是普遍推廣的土壤培肥措施之一。秸稈的應(yīng)用上，美國(guó)大多將秸稈進(jìn)行統(tǒng)一的分解或發(fā)酵后加工成有機(jī)飼料應(yīng)用于養(yǎng)殖業(yè)，而我國(guó)僅有20%廢棄秸稈加工后用于動(dòng)物養(yǎng)殖，另有10%用于制造紙張或工藝品。世界上許多國(guó)家都很重視秸稈還田技術(shù)的研究和應(yīng)用，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)秸稈還田率較低。秸稈應(yīng)用的傳統(tǒng)方法是焚燒還田，起到清潔田園作用的同時(shí)具有培肥土壤的效果，但操作過(guò)程中產(chǎn)生的煙霧和煙塵顆粒對(duì)環(huán)境造成影響，增加溫室氣體排放并造成溫室效應(yīng)[4]。近年來(lái)，全國(guó)各地嚴(yán)格控制秸稈焚燒，進(jìn)行法律約束并鼓勵(lì)秸稈資源化利用，而且多地采取財(cái)政補(bǔ)貼政策。在秸稈資源化利用的大背景下，秸稈還田能夠有效促進(jìn)資源再利用且提高資源利用效率，有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

秸稈還田是秸稈肥料化利用的一部分，利用不適宜直接作飼料的部分直接或堆積腐熟后施入土壤，包括直接還田和間接還田2大類[5]。秸稈直接還田方式包括機(jī)械還田、殘茬還田、堆漚還田、覆蓋還田和過(guò)腹還田等方式。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)水平的提高，以堆肥為主的秸稈還田轉(zhuǎn)變?yōu)橐灾苯舆€田為主，如秸稈還田聯(lián)合整地機(jī)械化技術(shù)可以將秸稈粉碎還田、旋耕起壟和機(jī)械鎮(zhèn)壓等操作相結(jié)合，更有利于提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)力。近年來(lái)隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，以及相關(guān)法律和政策的支持下，秸稈還田越來(lái)越受到重視，相關(guān)研究隨之增加。由于不同作物秸稈組成成分不同，各種物質(zhì)含量受秸稈種類、生長(zhǎng)部位和環(huán)境氣候條件的影響，其成分的變化直接影響還田效果，特別是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等對(duì)分解速度的影響。因此，秸稈還田研究受多種因素影響，實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合作物種類、秸稈類型、氣候特點(diǎn)和土壤類型等綜合考慮。此外，秸稈還田能夠提高土壤養(yǎng)分、改善土壤結(jié)構(gòu)的同時(shí)也存在許多問(wèn)題，如配套技術(shù)不完善、土傳病害及地下害蟲發(fā)生嚴(yán)重等問(wèn)題，制約了秸稈還田技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

秸稈的利用及其效應(yīng)研究一直是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，結(jié)合了環(huán)境、植物、土壤等多個(gè)研究領(lǐng)域。秸稈分解過(guò)程能夠改善土壤營(yíng)養(yǎng)狀況和土壤生態(tài)環(huán)境，提高作物產(chǎn)量并控制病害發(fā)生[6]。但是，對(duì)秸稈還田方式方法及應(yīng)用效果的研究中，發(fā)現(xiàn)了其對(duì)產(chǎn)量形成和病蟲害發(fā)生的不確定性。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生與水分和養(yǎng)分等土壤狀況關(guān)系密切，特別是秸稈添加后導(dǎo)致土壤碳氮營(yíng)養(yǎng)的失衡，秸稈分解過(guò)程與作物爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng)直接影響了作物生長(zhǎng)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，將作物殘茬及秸稈從田間移除，增加土壤侵蝕、降低土壤有機(jī)碳及營(yíng)養(yǎng)成分，導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低，但盲目秸稈還田也會(huì)對(duì)作物生產(chǎn)和土壤環(huán)境帶來(lái)不良影響。秸稈還田應(yīng)用中常出現(xiàn)“缺苗斷壟”現(xiàn)象直接影響產(chǎn)量形成，這種發(fā)芽或生長(zhǎng)被抑制與水分競(jìng)爭(zhēng)或化感作用有關(guān)[7]。不僅如此，秸稈還田的實(shí)際應(yīng)用中也出現(xiàn)了病蟲害加重的現(xiàn)象，這與秸稈攜帶病原菌回歸土壤提高了土壤病原菌數(shù)量有關(guān)。因此，耕作習(xí)慣、栽培模式、還田方式、還田比例、配套措施等均影響還田效果，需要針對(duì)生產(chǎn)中的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2 秸稈還田對(duì)土壤環(huán)境的影響

秸稈還田改變土壤容重和孔隙度等物理性質(zhì)，同時(shí)對(duì)土壤水分、養(yǎng)分和溫度等環(huán)境條件產(chǎn)生影響。人為擾動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)中，可作為有機(jī)肥源的作物秸稈大多沒(méi)有以合理的方式還田，原有循環(huán)模式被打破，植物從土壤中吸收的養(yǎng)分無(wú)法回歸土壤，阻斷了以秸稈為紐帶的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)能量循環(huán)，直接影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性。秸稈作為重要的有機(jī)肥源，含有大量有機(jī)物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)元素和微量元素，其還田后可以直接補(bǔ)償土壤潛在肥力的消耗，增加土壤有機(jī)物質(zhì)積累、促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成、提高耕層土壤孔隙度、改善土壤結(jié)構(gòu)并維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)[8]。土壤是植物賴以生存的場(chǎng)所，具有許多重要的生態(tài)功能，包括生物量產(chǎn)生、水分的貯存和過(guò)濾、營(yíng)養(yǎng)的儲(chǔ)存和循環(huán)、生物活性保持和碳儲(chǔ)存等。

土壤理化性質(zhì)是土壤評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，一定程度上反映土壤功能、水分和養(yǎng)分的有效性。秸稈還田后土壤養(yǎng)分的變化與秸稈腐解有關(guān)，秸稈的腐解是秸稈還田后的重要過(guò)程，對(duì)土壤環(huán)境造成影響。秸稈的分解分解速度一般表現(xiàn)為“先快后慢”，且速度的快慢與溫度關(guān)系密切。一般情況下，溫暖環(huán)境有利于秸稈分解和營(yíng)養(yǎng)釋放，而寒冷的環(huán)境會(huì)降低秸稈的分解速度。秸稈分解的同時(shí)釋放秸稈中的營(yíng)養(yǎng)成分，其釋放速度與秸稈的組成成分相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田后水溶性鉀分解釋放較快，而氮的分解和釋放過(guò)程緩慢而復(fù)雜[9]。秸稈還田對(duì)土壤碳氮平衡的影響至關(guān)重要，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的有機(jī)碳輸入主要是作物秸稈、殘茬和有機(jī)肥，其中秸稈是最重要的來(lái)源。由于秸稈具有較高的碳氮比，其分解過(guò)程會(huì)改變土壤中的碳氮營(yíng)養(yǎng)情況，提高土壤總氮和有機(jī)氮含量，但也有研究發(fā)現(xiàn)，其降解過(guò)程與作物競(jìng)爭(zhēng)氮源[10]。氮素在植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成中具有重要作用，土壤固氮作用與微生物活動(dòng)相關(guān)。如，小麥秸稈的添加降低了土壤中硝態(tài)氮的含量，而增加了銨態(tài)氮的含量，其原因在于腐解過(guò)程中，微生物的活動(dòng)利用了硝態(tài)氮，施入的尿素經(jīng)脲酶分解后提高銨態(tài)氮的含量[11]。

土壤微生物是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是土壤活性養(yǎng)分的重要來(lái)源。土壤微生物區(qū)系在維持土壤健康和抑制植物病害方面發(fā)揮著積極的作用，其中根際微生物群落、植物根系和根際環(huán)境的相互作用決定了植物的健康[12]。土壤中的有機(jī)質(zhì)是微生物活動(dòng)的重要能源物質(zhì)，秸稈的引入增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)植物體和殘茬分解作用能夠刺激微生物活動(dòng)。因此，通過(guò)秸稈還田可以有效增加土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量，改善土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性[13]。與此同時(shí)，土壤理化性質(zhì)與微生物的作用是相互的，土壤微生物活動(dòng)也作用于土壤有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分循環(huán)等過(guò)程。值得注意的是，以秸稈添加為代表的有機(jī)改良方式通過(guò)優(yōu)化土壤環(huán)境微生物群落結(jié)構(gòu)，對(duì)土傳病害相關(guān)病原菌產(chǎn)生抑制作用。這種抑制作用與有機(jī)質(zhì)的添加對(duì)微生物活動(dòng)的刺激有關(guān)，引起植物病原體和有益微生物間的競(jìng)爭(zhēng)作用，減少土壤病原體潛在感染位點(diǎn)數(shù)量[14]。同時(shí)，秸稈腐解進(jìn)程改變土壤微生物群落，特別是特定優(yōu)勢(shì)菌群的變化，秸稈還田中微生物的復(fù)雜而持續(xù)變化有待于進(jìn)一步研究。

3 禾本科與蔬菜作物栽培互作相關(guān)研究

糧食和蔬菜都是人們?nèi)粘ｏ嬍车闹匾M成部分，蔬菜生產(chǎn)具有高投入高產(chǎn)出、復(fù)種指數(shù)高和種植集約化的特點(diǎn)，近年來(lái)蔬菜生產(chǎn)中的土壤退化問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。雖然多樣化種植更有利于土壤環(huán)境的生態(tài)調(diào)控，但從事蔬菜種植的農(nóng)戶受種植習(xí)慣和經(jīng)濟(jì)利益的影響，多采用更換品種、施肥和施藥的方式保證蔬菜生產(chǎn)，而很少采用糧菜輪作方式。相關(guān)研究中，為了改善連作障礙和土壤退化，蔬菜作物與禾本科作物的間混套作相關(guān)研究越來(lái)越多，包括對(duì)作物生長(zhǎng)和土壤生態(tài)環(huán)境等方面。葫蘆科作物黃瓜和西瓜相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，禾本科作物間混套作對(duì)作物生長(zhǎng)、病害防治和土壤病原菌的積極影響[15]。不僅如此，番茄、蠶豆和辣椒等蔬菜作物與禾本科作物間混套作對(duì)蔬菜生長(zhǎng)及菜田土壤狀況產(chǎn)生積極作用，有利于生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展和土壤環(huán)境的可持續(xù)。

秸稈還田的主要方式是原位還田，即作物收獲后剩余的秸稈歸還到自身土壤中，且以玉米和小麥等糧食作物為主，而將糧食作物秸稈應(yīng)用于菜田中的研究相對(duì)較少。禾本科作物殘茬、秸稈還田及不同栽培模式在蔬菜生產(chǎn)上的積極作用，包括了小麥和燕麥殘茬施用提高了大棚黃瓜產(chǎn)量并改善連作土壤理化性質(zhì)，水稻和小麥秸稈添加促進(jìn)番茄生長(zhǎng)并對(duì)土壤養(yǎng)分和微生物生物量產(chǎn)生影響，小麥殘茬的添加促進(jìn)了西瓜生長(zhǎng)并提高了植株抗病性，秸稈還田有利于雙季稻-油菜輪作系統(tǒng)中油菜產(chǎn)量的形成，并有效改善土壤氮鉀肥力。可見(jiàn)，禾本科秸稈還田及與禾本科作物輪作等栽培模式有利于蔬菜作物生長(zhǎng)，同時(shí)改良土壤性質(zhì)。

4 總結(jié)與展望

近年來(lái)，有機(jī)農(nóng)業(yè)理念越來(lái)越受到重視，提高食品質(zhì)量的同時(shí)減輕環(huán)境壓力。秸稈是重要的有機(jī)生物質(zhì)能源，其資源化利用有利于培肥土壤和環(huán)境保護(hù)。粉碎的秸稈與土壤混合后直接影響了土壤物理性質(zhì)，特別是容重、孔隙度和持水量等，秸稈添加對(duì)土壤氣體和水分條件的改善，有利于植物根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收利用，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。秸稈進(jìn)入土壤后，隨著秸稈的分解及物質(zhì)的釋放，影響速效氮、速效鉀和有機(jī)碳等土壤養(yǎng)分含量，特別是對(duì)碳的固定作用有利于碳庫(kù)積累。通過(guò)秸稈還田補(bǔ)償土壤潛在肥力消耗，并改善土壤狀況，有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

隨著蔬菜產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，連作障礙研究越來(lái)越受到重視，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生與土壤環(huán)境的惡化密切相關(guān)，土傳病害的嚴(yán)重發(fā)生是重要的表現(xiàn)之一。實(shí)際生產(chǎn)中，蔬菜種植戶往往考慮蔬菜的效益較好，不愿通過(guò)與糧食作物輪作改善土壤質(zhì)量。大量研究證實(shí)了禾本科作物秸稈在蔬菜生產(chǎn)上的積極作用，將禾本科作物秸稈以外援添加形勢(shì)引入菜田土壤，由于作物間親緣關(guān)系較遠(yuǎn)、共同的病蟲害較少，有效避免了病蟲害交叉侵染。同時(shí)，通過(guò)秸稈還田的有機(jī)改良手段引導(dǎo)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化，可以有效控制土傳病害發(fā)生。通過(guò)輪作改變種植種類是退化土壤改良的重要手段，特別是禾本科作物間作混種對(duì)蔬菜生產(chǎn)的積極作用。