秸稈還田效益的影響因素及其在喀斯特區的應用展望

文雅琴 熊康寧 李瑞 陳海

摘要：秸稈還田作為一種改善土壤結構及增加農作物產量的生態、經濟、有效的農藝覆蓋措施，被廣泛地應用到農村地區的水土保持和農作物增產的工作中?？λ固氐貐^由于特殊脆弱的地質地貌自然背景，加上強烈的人為耕作活動，石漠化和水土流失問題十分嚴重，進而造成土地生產力下降，作物減產。坡耕地的水土流失占據了喀斯特地區水土流失極大的比例，秸稈還田農藝覆蓋措施是水土保持工作中一種較為成熟的水土保持措施，它在一定的程度上改善了土壤結構，減少了降雨對地表的沖刷，徑流量及泥沙量，增加了土壤微生物數量，起到了保水保土的作用，并且增加了農作物的產量。目前，對于喀斯特區秸稈還田方面的研究相對較少，本文總結分析了秸稈還田的生態、經濟效益，并從秸稈還田量、秸稈還田深度、秸稈還田方式、耕作方式、施肥方式5個方面闡述了影響秸稈還田效益的因素，提出了秸稈還田研究中遇到的問題及展望，并將其進一步運用推廣到喀斯特地區的秸稈還田工作中，以期為喀斯特地區水土保持，土壤通用侵蝕方程的修訂，秸稈還田利用方式的優化配置與農作物產量的提高等提供一定的理論與借鑒作用。

關鍵詞：喀斯特;秸稈還田效益;影響因素;展望

中圖分類號： S157;X712 ?文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）16-0014-05

收稿日期：2018-05-05

基金項目：貴州省研究生教育創新計劃（編號：黔教研合GZS字[2016]04號）;國家自然科學基金（編號：3176030121）。

作者簡介：文雅琴（1993—），女，湖南常德人，碩士研究生，主要從事石漠化治理與水土保持研究。

秸稈覆蓋，即利用農作物秸稈覆蓋地表，是水土保持工作中較為有效的耕作覆蓋措施之一。近年來，研究發現秸稈還田極大地改善耕層土壤團粒結構，極顯著地提高了表層總有機碳（TOC）含量[1-3]，增加了土壤肥力[4-6]，明顯改善了土壤侵蝕狀況[7-8]。該措施降低土壤侵蝕強度的作用機制主要是增加土壤表面的覆蓋度，覆蓋的作物秸稈削弱雨滴對土壤的沖刷，減輕雨滴對地表土壤團聚體的破壞，增加降雨入滲，從而減少地表徑流及侵蝕速率。與裸地相比，秸稈覆蓋能顯著減少73.9%～86.2%的地表徑流，降低32.5%～66.6%的徑流總量，并極顯著降低了96.4%～98.1土壤侵蝕總量達%[9]。農業發展引發了西班牙某些地區嚴重的土壤退化和侵蝕，Garcia-Orenes等在西班牙的研究表明，在秸稈覆蓋16個月后，土壤有機碳含量、團聚體穩定性、微生物生物碳含量都有大幅度的提高，土壤流失量顯著下降[10]。Cerda等對地中海地區秸稈還田對土壤侵蝕的影響進行了研究，秸稈覆蓋1年后，其減流減沙效果十分明顯，徑流量從7.7%降低到5.9%，土壤侵蝕量明顯降低;但是與傳統的耕作方式相比，秸稈還田增大了近1.9倍的農田投入[11]。如果政府不加大對農民的津貼補助，農民對秸稈還田的參與度與支持度將會明顯降低，從而影響到秸稈還田的進一步推廣應用。在我國農村地區，農民沒有意識到秸稈還田的生態經濟效益，大量的農作物秸稈都被農民焚燒，秸稈焚燒造成了農村地區空氣的嚴重污染，作物秸稈得不到有效利用，資源嚴重浪費。為使秸稈還田農藝覆蓋措施得到更加廣泛的利用推廣，必須加大宣傳力度，使農民意識到秸稈還田的重要生態、經濟效益。對于貧困的喀斯特山區而言，經濟效益是農民關注的首要問題。秸稈還田量、秸稈還田方式、秸稈還田深度、耕作方式、施肥方式等因素會對秸稈還田的效益產生極大的影響，探明這些因素對秸稈還田效益的作用機制，對于提高秸稈利用效率，最大程度地改善土壤理化性質，提高農作物產量具有十分重要的現實意義與理論意義?？λ固仄赂氐貐^由于其特殊的地質地貌背景，大量的碳酸鹽廣泛分布，加上人類耕作活動的干擾，生態環境十分脆弱，極易發生水土流失?？λ固仄赂氐乇韼r溶帶和孔洞發育，易徑流入滲，地表徑流系數小[12]。巖溶區溶蝕孔隙、裂隙、管道等發育使水土流失不易察覺，具有隱蔽性，同時土壤短距離丟失和地下漏失現象普遍存在[13-15]，地貌類型在宏觀上控制區域的侵蝕特征[16]。從目前貴州省坡耕地水土流失治理現狀來看，仍主要以國家坡耕地水土流失綜合治理專項為主，但國家治理專項投資有限，加之區域坡改梯難度大，使得目前治理范圍較為有限[17];因此，秸稈還田具有十分重要的意義。相關研究表明：秸稈還田是一種保水保土及提高作物產量的經濟、可行的方式[18-19]。秸稈還田被廣泛地應用到農村地區，分析其水土保持效益、對作物增產的作用，探明它發揮水土保持作用以及提高土地生產力的機制，對于人們進一步認識農村地區秸稈還田的重要性，進一步推廣利用秸稈還田及對秸稈還田利用方式的探索有重要的促進作用。

本文通過總結分析秸稈還田的生態、經濟效益及其影響因素，闡明秸稈還田未來的研究方向及亟需解決的關鍵問題，以期將這些理論體系運用于特殊的喀斯特坡耕地地區，為喀斯特坡耕地地區的水土保持以及農作物增產工作提供一定的理論依據。

1 秸稈還田效益的影響因素

1.1 秸稈還田深度對秸稈還田效益的影響

秸稈還田深度會對土壤養分和物理性狀產生極大的影響，探索適宜的秸稈還田深度有利于提高秸稈利用率，并最大限度地改善土壤理化性質。農作物秸稈深還到土壤耕層以下時，其秸稈的分解率遠高于秸稈免耕覆蓋的分解率，使秸稈中的纖維類物質與深層土壤充分地混合，激發了土壤微生物活力，進而提高土壤酶的活性，促進了土壤中的營養元素更高效地被農作物吸收;同時，殘留在土壤中秸稈的木質素類物質，能擴充土壤碳庫的容量[20]。以往的秸稈還田技術多數將秸稈翻壓在土壤表層，很少能達到20 cm深處。但是，土壤表層氧化條件好，秸稈礦化和腐殖化速度都快，最終，土壤有機質含量的增減程度決定于土層所處的生態條件，有機質含量是土壤生態平衡的結果。大量農作物是深根系的農作物，因此為提高秸稈還田效益，需要進行深度秸稈還田。任曉明等的研究表明，綜合黃棕壤物理性狀和養分含量，秸稈還田深度為20 cm的處理最為適宜[21]。矯麗娜等的研究表明：對于等量的秸稈還田量，當秸稈還田深度從0 cm增加到20 cm再增加到40 cm時，隨著土層深度的增加，土壤中的有機質含量增加[22]，其原因是表層土壤通氣性高，秸稈分解以CO2形式釋放，較深土層由于通氣性較低分解轉化變緩，更利于有機質的積累，研究結果為深度秸稈還田促進有機質的積累提供了理論依據。

1.2 秸稈還田量對秸稈還田效益的影響

秸稈還田會對土壤有機質的提升、土壤結構的改善及農作物產量的提高產生一定的積極作用，但秸稈還田的生態、經濟效益是否會隨著秸稈還田量的增加而增加，尚未形成統一的結論。大量研究表明，高量秸稈還田與中低量秸稈還田相比，對土壤總有機碳含量和增加活性有機碳組分以及碳庫管理指數的影響等方面有顯著優勢，主要因為秸稈還田量過高會導致土壤碳氮比失衡，土壤中沒有足夠的氮素供微生物繁殖生長，降低了土壤微生物的數量和活性，從而導致秸稈腐解率降低[23-25]。Yang等的研究表明：秸稈還田對土壤水分滲漏有影響，但這種影響與秸稈埋藏的深度無關，只與秸稈還田量的大小有關，說明秸稈還田量與土壤水分滲漏的量有一定的相關性[26]。秸稈還田深度與秸稈還田量都與氮淋失量存在著一定的相關性。秸稈還田量及還田深度會對水稻的高度、產量、相對葉綠素含量（SPAD值）產生影響，但小麥產量與秸稈還田深度之間沒有相關性，只與秸稈還田量間存在著一定的相關性。上述研究說明，作物品種的差別會影響到秸稈還田的效果，相同的秸稈還田深度或秸稈還田量對于不同的作物會產生不同的效果。因此，為了獲取某種土地利用類型上的最佳秸稈還田深度和最佳秸稈還田量時必須考慮到種植農作物的類型。

1.3 不同秸稈還田方式對秸稈還田效益的影響

秸稈還田方式的差異會對土壤呼吸、土壤鉀素平衡、微生物多樣性、農作物水分利用效率、土壤酶活及土壤各種理化性質等都會產生極大的影響。Beggy等在美國亞利桑那州開展了小麥秸稈還田覆蓋試驗，采取了無覆蓋、小麥秸稈粉碎混入表層土、秸稈覆蓋在地表這3種處理，同時設置了粗糙和光滑2種地表粗糙度，土壤流失采用侵蝕針法進行估測;試驗結果顯示，表層土覆蓋秸稈的光滑地表可有效控制雜草和降低土壤侵蝕風險[27]。Ma等的研究表明：秸稈還田會對稻田CH4及N2O這2種溫室氣體的排放產生一定的影響，秸稈還田方式的變化會使其排放量發生一定的變化，秸稈還田能提高農作物產量，但不同秸稈還田方式對農作物產量提高的效果差異并不顯著[28]。解文艷等在探明了秸稈粉碎還田、秸稈覆蓋還田、過腹還田這幾種不同的秸稈還田方式對農作物產量及耕層土壤鉀素平衡的影響，發現秸稈過腹還田是維持土壤鉀素平衡、保證土壤鉀素肥力穩定的最佳秸稈還田方式[29]。不同秸稈還田方式均能顯著提高和田沙化土壤微生物活性和功能多樣性，但不同方式的增效不同，相比于秸稈直接粉碎還田，秸稈過腹還田和炭化還田的效果較好，并降低了土傳病害的風險[30]。不同區域的最佳秸稈還田方式存在差異，喀斯特區具有地理環境的特殊性，在未來的研究與應用中，研究者需要對不同的秸稈還田方式對比分析，篩選出特定立地條件下的最佳秸稈還田方式。

1.4 秸稈還田配施化肥對秸稈還田效益的影響

鉀、氮是作物生長必需的營養元素，土壤鉀素、氮素含量是影響作物產量和品質的重要因素。大量研究表明，秸稈還田可以部分承擔化肥鉀、化肥氮的功能，減少大量施用化肥造成的土壤板結等不良的生態危害。秸稈還田可以減少鉀肥的施用量，秸稈還田配施少量化學鉀與單施秸稈鉀相比，對農作物的增產效果最明顯，這表明了秸稈還田配施一定量的化肥是一種有效促進農作物增產的生態農藝措施[31]。秸稈的碳氮比高，在分解初期往往導致土壤有效氮被生物固定，加劇了其與作物對氮素的競爭。因此，為了滿足提高作物生產、保證農作物的正常生長、滿足農作物對于氮肥的需求量和改善土壤功能的雙重目的，氮肥與秸稈配合施用在農業生產中具有廣泛的應用潛力。

李亞鑫等的研究表明：與不還田相比，秸稈還田的土壤硝態氮的平均值呈增加的趨勢，但也存在著降低的情況，這可能是由于秸稈還田提高了農作物產量，從而增加了對硝態氮的吸收量，降低了土壤硝態氮的含量[32]。在李瑋等的研究中，相對秸稈移除，秸稈還田獲得了高產的施氮量，其增量為?51 kg/（hm2·年）;無論是玉米還是小麥，與空白處理相比，秸稈還田如果要獲得高產，必須施用更大比例的氮肥[33]。秸稈還田可明顯增強土壤有機養分的礦化，秸稈腐解也會釋放出豐富的碳和氮、磷、鉀等速效養分，但是秸稈的分解程度與氮肥的施用量有密切聯系。因此，為了提高農作物的產量，在秸稈還田的過程中一定要配施一定量的氮肥。潘志勇等的研究表明：在不施用氮肥的情況下，秸稈還田會在作物生長的各個時期產生較多的N2O，因為秸稈還田提供了較適宜的溫度，有利于N2O的形成，秸稈還田配施一定量的氮肥能夠較好地起到減少土壤N2O排放的作用，降低溫室效益[34]。墨西哥西北部小麥玉米輪作試驗表明：不施氮肥時，秸稈還田的小麥減產10.8%，秸稈還田配施一定量的氮肥時，農作物增產 0.7%～10.2%[35]。

1.5 不同耕作條件對秸稈還田效益的影響

不同耕作方式會對秸稈還田對土壤理化性質及農作物產量與品質的效益造成一定的影響，因此在秸稈還田的過程中一定要考慮到農機和耕作技術。Kurothe在印度西部開展了不同水土保持耕作措施野外定位觀測試驗，認為秸稈覆蓋顯著降低了土壤侵蝕風險，同時提高了作物產量，而免耕措施對土壤結構的改善作用較顯著，壟作措施保水保土效益較好[36]。張樹蘭對黃土高原傳統耕作、免耕+秸稈覆蓋、壟覆膜+壟溝裸露、壟覆膜+壟溝覆蓋秸稈等不同耕作模式進行了試驗，得出了免耕+秸稈覆蓋保水能力最強、產量最高的結論[37]。范藝寬等在豫南煙區對不同耕作深度下秸稈是否翻壓對土壤團聚體數量與質量的影響進行了相應的研究，結果表明：耕作深度深度30 cm處粒徑<0.25 mm的土壤團聚體含量要低于深度20 cm處的含量[38]。薛斌等的研究表明：與傳統耕作相比，傳統耕作配秸稈還田、免耕和免耕秸稈還田顯著降低了<0.25 mm粒級的含量，降幅分別為24.86%、37.18%、37.59%[39]。郭瑤等的研究表明：與等量秸稈翻耕相比，免耕秸稈還田最大限度地提高了玉米冠層大小，對玉米前后生育時期的生長發育動態關系調控效應最明顯，明顯地提高了玉米產量，增加了經濟效益，且在免耕秸稈還田方式下，玉米的光能及水分利用率最高[40]。這表明了秸稈還田及耕作方式都會對土壤團聚體組成產生一定的影響，提高團聚體的穩定性，并對農作物的生理特征產生一定的影響。趙亞麗等從作物的耗水特征及水分利用效率的角度，對比分析在不同的耕作措施下秸稈還田的生態經濟綜合效益，發現在秸稈還田的基礎上深松或深耕是黃淮海地區適宜的耕作方式[41]。劉世平等的研究表明：從省工節本、保持水土和提高地力的角度，可采用免耕秸稈覆蓋或留高茬還田;從提高產量和地力的角度，宜采用稻季翻耕秸稈還田[42]。在中國西北干旱鹽漬土壤地區秸稈還田加上地膜覆蓋以及單獨的秸稈覆蓋措施都會使土壤有機碳、生物碳及溶解碳在土壤表層的含量顯著增加。并且秸稈覆蓋加上地膜覆蓋措施對于各種不同形態碳含量的增加效果更佳[43]。這表明，在進行秸稈還田的過程中要結合其他的措施，單獨的秸稈還田措施的效益可能遠遠低于復合的秸稈還田措施。例如，在秸稈還田的過程中，常常結合生物炭措施來增加其水土保持與農作物增產效益。

2 秸稈還田研究中的問題與展望

2.1 研究尺度的局限性

針對年際變化及不同環境應結合具體種植情況選擇不同秸稈還田方式，因此，進行長期定位試驗以及不同環境因素的多地點試驗將作為秸稈還田下一步的研究重點[44]。從地域上來看，我國秸稈還田的研究主要集中在西部地區和北部地區，對于西南喀斯特地區秸稈還田的研究相對較少。因此在下一步的研究中，應該要加強對于西南喀斯特地區秸稈還田的研究，尤其是西南喀斯特坡耕地地區的秸稈還田研究。在溫暖潮濕的地區，秸稈還田可能會通過在作物生長的早期延長土壤寒冷濕潤的條件降低作物產量，但是在干旱和半干旱地區秸稈還田對作物的增產作用就很明顯。因此，秸稈還田要依據地區特殊的地理條件，從不同的區域及區域尺度進行考慮。對于秸稈還田效益研究的時間尺度一般是短時段的，隨著時間尺度的延長，秸稈還田的效益會發生相應的變化，因此在下一步的研究中，要加強長時間的連續觀測與試驗。

2.2 秸稈還田技術水平不高

雖然農民對秸稈還田的認識水平有了明顯提高，但秸稈還田的配套技術不到位，相應的副作用得不到有效控制，經濟效益不高等問題將制約其進一步推廣和應用。秸稈用于工業原料可轉化大量廢棄秸稈，代替化石能源，消除潛在環境污染，具有良好的經濟效益.但在整個調查區域內秸稈作為工業原料的比例仍然很低，目前國內仍然缺乏秸稈還田飼用、轉化為生物質能源的技術，因此需要進一步加大對秸稈利用技術的開發，提高秸稈資源的利用效率[45]。從長遠看，秸稈還田可改善土壤條件，有利于作物增產，但如果秸稈利用水平不高，會造成負面影響。還田時粉碎不徹底，覆蓋不均勻，會影響作物出苗，增加整地除草難度和某些病蟲害的發病率。如何提高秸稈還田水平，減輕還田后耕作難度和病蟲害發病率，還需做進一步研究。需要進一步提高秸稈還田技術，減少秸稈還田的負面影響。

2.3 區域最佳秸稈還田量的確定存在困難

由于不同的的種植作物類型、土壤類型、耕作方式及氣候條件等因素的差異，不同研究者得出的秸稈還田適宜量也不完全一致[46]。在秸稈還田的過程中，秸稈還田量及秸稈還田深度都是需要關注的重點，秸稈還田量過少，則達不到相應的改善土壤理化性質以及作物增產的最佳效果，秸稈還田量過多則會造成相應的負面影響，因此在秸稈還田的過程中需要尋找最佳秸稈還田量，達到最佳的保水保土及作物增產效益。確定最佳秸稈還田量的科學閾值可以從秸稈還田生態經濟效益的不同角度進行考慮。

2.4 秸稈還田的負面影響

土壤條件的改善會促進作物秸稈可能攜帶的病原體的發生與傳播，但秸稈還田量的變化會使這種影響發生相應的轉變，因此明確區域適宜的秸稈還田量對于控制秸稈還田病蟲害的危害具有十分重要的現實意義。在我國長江中下游地區，稻麥輪作，小麥收獲后大量麥秸直接還田對下茬作物水稻的生長就會產生負面效應，可以通過探索適宜的水肥管理措施來克服麥秸還田的負面效應[47]。在南方水稻產區秸稈還田的過程中，秸稈還田會造成土壤中主要的重金屬物質鎘得不到轉移，加劇土壤的重金屬污染，因此在秸稈還田的過程中需要綜合考慮耕作措施，使秸稈還田在改善土壤理化性質的過程中，降低其對土壤中重金屬轉移阻礙的負面作用[48]。

2.5 秸稈還田方式的局限

秸稈還田的分解速率和養分分解的速度較慢，腐解時間較長，為農業生產帶來了極大的不便。秸稈直接還田會存在很多負面影響，加入秸稈腐熟劑能夠促進秸稈快速分解，并增加土壤中的養分[49]。秸稈還田作為保護性耕作技術之一，對農業生產意義重大。秸稈促腐還田后對農田土壤肥力的影響機制及不同腐解劑對秸稈腐解的作用機制是值得注意的研究方向。單一的秸稈還田與秸稈不還田相比會造成農作物減產，但在配施一定量的氮肥之后，農作物的產量又會增加，且增加的幅度與氮肥的施加量存在著一定的正相關關系[50]。試驗表明，在秸稈還田的過程中，要注意結合其他的農藝措施。不同的耕作方式下，秸稈還田的效果有差異，根據特殊的立地條件，優化配置秸稈還田與耕作方式，使其生態經濟效益最佳。

3 喀斯特坡耕地地區的秸稈還田研究展望

非喀斯特區秸稈還田的相關研究同樣適用于喀斯特區，在中外文獻中以喀斯特區為研究區進行秸稈還田方面的研究目前較少。由于在喀斯特坡耕地地區坡改梯工程的難度較大及國家政策傾向，喀斯特坡耕地地區只能在原有的基礎上采取一定的措施來防治水土流失，提高農作物產量，因此秸稈還田覆蓋措施在喀斯特坡耕地地區的研究具有重大意義。秸稈還田措施作為一種農藝覆蓋措施，對于校正完善喀斯特地區的通用水土流失方程也具有重要的意義。近幾年來對喀斯特坡耕地地區的研究相對缺乏且研究內容大都集中在地表及地下水土流失特點及機制、喀斯特坡耕地的資源狀況方面，但是對于喀斯特坡耕地水土流失阻控技術及其原理的研究還有待深入。秸稈還田作為一種喀斯特坡耕地地區水土流失阻控及提高農作物產量的農藝措施更需要進一步研究，尤其需要加強以下2個方面的研究：

3.1 注重秸稈還田生態、經濟效益的同時，探討區域最佳秸稈還田量

喀斯特區土壤相對貧瘠，為保證作物生長需要施加一定量的化肥。傅偉等的研究表明：喀斯特區，秸稈還田代替化學鉀肥會在提高農作物產量的同時，維持鉀素動態平衡，但對秸稈還田量有一定的要求[51]。過量施用化肥，容易造成土壤板結，土壤板結使降雨入滲率下降，在大雨或暴雨情況下，順坡流入集流池，形成超滲產流，造成喀斯特坡耕地地區嚴重的水土流失，因此在喀斯特坡耕地地區實施秸稈還田農藝措施，不僅可以緩解長期施用化肥造成的生態破壞，同時會提高農作物產量，改善土壤理化性質。今后的研究中，在加強喀斯特區秸稈還田對改善土壤理化性質的生態效益及作物產量提高的經濟效益的同時，要重點研究不同研究角度下的區域最佳秸稈還田量。

秸稈還田量較少時，對土壤養分的增加以及加強降雨滲透的效果有限，達不到最佳水土保持效果;當秸稈還田量高于最佳秸稈還田量時，它的水土保持生態和經濟總體效益就會相應地下降，因為超量的秸稈覆蓋會使土壤缺氧，土壤微生物生命活動受限，并且增加細菌和蟲害，造成農作物減產[52]。因此，找到特定區域的水土保持最佳秸稈還田量對于保持喀斯特坡耕地地區最佳的水土保持以及作物增產的綜合效益具有重要的現實意義。不同區域的自然地理條件不一樣，因此其最佳秸稈還田量也不一樣。確定秸稈還田量的科學閾值可以從不同的角度：對土壤理化性質的影響;對作物產量的影響;對土壤酶的影響及對土壤微生物的影響。蔡麗君等的研究表明，秸稈還田量與土壤酶活性之間存在密切的相關性，且土壤酶活性與土壤有機質含量存在著正相關關系。在作物不同的生長期，不同的秸稈還田量對不同種類酶活性的影響是不一樣的。合理的秸稈還田方式對土壤理化、生物性狀的改良潛力巨大，更能夠增強土壤生態系統的穩定性和生物緩沖性，在農業生態中具有重要意義[53-55]。

3.2 探明喀斯特區秸稈還田腐解速度機制

秸稈在土壤中的降解速度會對秸稈還田的效益產生重大的影響，一般情況下會在秸稈還田的過程中加入腐熟劑，加快其降解速度。韋紅群等的研究表明，喀斯特區秸稈的腐解速度大于非喀斯特區[56]。探明影響喀斯特區秸稈還田腐解速度的機制將是喀斯特區秸稈還田下一步研究的重點。

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