秸稈還田對農田環境多重影響研究進展

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樓主 2019-11-15 13:29:22
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來源:《江蘇農業科學》2018 年 05 期

作者:陳浩,張秀英,郝興順,吳玉紅,張春輝,張選明

單位:陜西省漢中市農業科學研究所

秸稈還田作為一項長期有效的農業資源循環利用和農業節本增效措施得到大力推廣應用,效果顯著。同時,秸稈還田效應的多重性、復雜性和交互作用,對農田環境產生一定的負面影響,限制經濟效益和環境效應的最大化,不利于秸稈還田技術的綜合利用和有效推廣。深入了解秸稈還田對農田環境的多重影響,對探討農田環境影響機制、優化秸稈還田生態環境效益以及建立秸稈還田技術綜合評價體系具有重要意義。


本文從溫室效應、化感效應、農田病蟲害影響、土壤溫度影響、土壤水分影響以及土壤修復效應等6個方面綜述秸稈還田對農田環境的影響。在此基礎上,提出今后秸稈還田對農田環境影響相關領域的研究方向,為推進秸稈還田技術發展和完善循環農業生態系統理論提供科學依據,為相關研究提供建議和指導。


前 ? 言


隨著農村能源結構的變化和農業生產技術的進步,在糧食增產的同時農作物秸稈過剩問題帶來的農村環境問題和社會問題日益突出。為此,我國提出推進種養業廢棄物資源化利用、無害化處置的建議,關于農業資源綜合利用和農業可持續發展的新模式不斷涌現,農作物秸稈資源化利用不斷受到重視,秸稈還田技術得到廣泛推廣與應用。


目前,作物秸稈作為替代傳統有機肥的一種農業資源,直接或間接歸還土壤,能夠有效減少肥料投入,緩解農業所需肥料的不足,不僅可減少肥料對農田環境的污染,而且有助于提高化肥利用率;另外,秸稈還田后能夠形成一個良好的土壤生態體系,顯著提高土壤酶活性,增加土壤養分含量和土壤有機質含量,改善農田有益生物環境條件,促進農田生態平衡,提高后茬作物產量。而秸稈還田后土壤層結構和土壤有機質含量的變化使農田生境發生改變,使農業生產再次面臨環境壓力,限制秸稈還田技術的節本增效、資源利用和生態循環優勢。因此,有必要對當前秸稈還田的多重效應進行綜合分析和深入探討,從根本上闡明秸稈還田的效應機制,使秸桿還田技術在農業生產實踐上得到有效推廣與應用。如何正確把握秸稈還田技術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問題之一。


綜合分析和討論秸稈還田對農田環境影響的多重性,對深入了解農田環境變化、推進秸稈還田技術發展和完善循環農業生態系統理論具有重要意義,可為后續相關研究提供依據和指導。


1 秸稈還田對農田環境的多重效應


環境效應(environmental effect)是指自然過程或者人類的生產和生活活動會對環境造成污染和破壞,從而導致環境系統的結構和功能發生變化的過程。這種變化有正面效應,也有負面效應。由于秸稈還田打破了原有的土壤結構和土壤營養平衡,使農田環境發生了改變,從而引起一系列的環境效應;而各種效應在不同環境因子的影響下出現交互作用,使最后的綜合效應變得復雜多變,產生效應疊加或效應消減效果。如農田溫室效應、農田病蟲害發生、土壤有機質的轉化與吸收等會隨著農田耕作制度、秸稈還田深度、秸稈還田施用量的變化而變化,從而影響作物產量、土壤質量及農田環境。認識和估計秸稈還田對農田環境影響的機制及其變化趨勢,可為有效增加環境系統的正效應,降低環境系統的負效應,從而改善農田生態環境質量提供重要依據;同時為秸稈還田后農田環境質量的生物監測和生物學評價奠定理論基礎,對于防治環境污染和發展循環生態農業具有實際意義。


2 秸稈還田對農田環境的影響


2.1秸稈還田的溫室效應


農業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,都會引起農田生態系統的溫室效應。秸稈還田溫室氣體的排放量大小與農田類型和耕作方式密切相關,其中水旱輪作下稻田對溫室氣體排放的貢獻率最大。已有研究表明,在水稻季全生育期內,秸稈還田處理的CH4 排放總量為秸稈不還田處理的1.4 倍。在短期內,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。CH4 排放量和碳釋放量隨著秸稈施用量的增加而增加,但當秸稈施用量增加到一定程度時,稻田甲烷排放量不再進一步增加。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會大幅抵消土壤固碳的減排效益。張岳芳等研究顯示,秸稈還田對長江中下游稻麥兩熟區高產農田周年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農田的溫室效應,其中主要排放的溫室氣體為CO2、CH4 和N2O。通過改進秸稈還田方式,可以起到減溫減排的效果。與常規還田相比,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。在保證作物產量水平不變的情況下,適當調整農田施肥措施,降低氮肥施用水平也可以有效降低CO2、N2O 和CH4 的排放量。


2.2秸稈還田對農田病蟲害的影響


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。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,尤其是當添加秸稈量過多或添加方式不當時,可對有害生物的生長產生一定的保護作用。


首先,還田方式及還田深度對地下害蟲的種群數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造良好的環境條件,加之氣候變化的影響,農田生態系統的病蟲害發生規律產生顯著變化,導致病情加重。通過調查免耕、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現,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。當秸稈淺埋還田時,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。因此,秸稈深耕是減少病害蟲源的主要措施之一。其次,直接將攜帶病害的秸稈和未腐熟的病害秸稈還田,會顯著提高下茬復種作物發生病害的概率和比例。水稻病稻稈還田后,第2 年復種水稻的稻瘟病、葉鞘腐病、紋枯病發生較重。有必要對用來還田的秸稈進行病害調查和檢測,以避免對下茬作物的生長產生不利影響。此外,不同秸稈還田時間對作物病蟲害發生也具有一定的影響,但鑒于農業生產實際的可操作性,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,對土壤溫度調控具有一定的作用。這種雙重效應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,促進作物根系生長,為作物后期的生長奠定良好的基礎;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。已有研究表明,秸稈覆蓋可降低冬小麥的基本苗數、分蘗數及生育前期的葉面積指數,但到生育后期,覆蓋處理的葉面積指數反而升高。但隨著土層深度的增加,秸稈覆蓋對土壤溫度的調節作用逐漸減弱。在秸稈還田的同時配施不同比例的化肥,能夠有效調節土壤溫度,顯著提高土壤微生物的數量與活性,改善土壤生態環境,進而提高作物產量。


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。秸稈還田可抑制土壤水分蒸發、減少田間耗水量、調整作物的耗水結構,從而提高水分利用效率,減少鹽分表聚現象,能夠較好地滿足作物生長發育對水分的需要。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%。秸稈還田的保水效果與土層深度有關,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2 m,但其保水效果會隨著土壤深度的增加而減小。與常規耕作相比,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%,作物產量分別提高10.7%、9.8%。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,因而產生與作物爭奪水分的現象。當秸稈腐解過程基本結束后,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。已有研究表明,秸稈還田與氮肥的合理配施,可以調控土壤水分,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,從而達到很好的水肥耦合作用。


2.5秸稈還田的化感效應


由植物間產生的化學物質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而起作用。其中,水稻秸稈在還田腐解過程中產生的苯乙醇酸、對氰基苯甲酸、香草酸、乙酸等可抑制水稻幼苗的生長。另有研究指出,在土壤上覆蓋一定量的麥秸后,秸稈分解物質的化感作用會降低玉米平均發芽率;而小麥秸稈中的酚酸類化感物質在低水培濃度時,也會抑制小麥自身根系的生長。在秸稈還田技術中,須加強研究秸稈腐解產生的化感物質對作物生長的抑制作用,了解不同作物秸稈化感物質對還田效果的影響,從而使化感效應向有益于農業生產的方向發展。稻稈腐解產生的有機酸類化感物質可以轉移和溶解土壤中的礦質養分,提高土壤的生物有效性,從而有利于作物生長發育。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生概率,減少農田除草劑和農藥的使用量,有效減輕環境污染、減少病蟲害的防治成本,且有利于提高下季作物產量,對農業生態環境和糧食生產安全起保護作用。


此外,秸稈化感作用強度與秸稈腐解方式、秸稈不同部位及腐解時間有關。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。


2.6秸稈還田對土壤的修復效應


作物秸稈作為重金屬的有機固化物,在重金屬吸附利用和土壤改良方面具有重要作用。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化過程有關,還田秸稈在腐解過程中產生大量活性有機物,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,減少其向周圍環境的擴散。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耗氧量(chemical oxygen demand,簡稱COD)的濃度,促進土壤中重金屬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,且隨著秸稈施用量的增加,土壤殘留重金屬全態、有效態含量呈逐漸降低的趨勢。此外,秸稈還田產生的COD 可以有效調節土壤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。


因此,探討不同種類秸稈作為農田土壤修復劑的可行性和施用條件,對秸稈還田土壤的修復利用、農產品的安全生產以及有效降低農田面源污染具有重要意義。但我國重金屬污染耕地每年都會產生大量重金屬污染秸稈,而這些秸稈還田在把營養物質帶入土壤的同時,也把秸稈中的重金屬帶入了土壤,使農田質量下降,增加后茬作物出現重金屬含量超標的可能性。目前,對以秸稈與有機肥配施作為土壤重金屬污染修復劑的研究較多,但關于秸稈對土壤修復內在機制的研究還須進一步深入。


3 研究展望


目前,我國秸稈資源化還田利用技術仍處在高消耗、高污染、低產出的狀況,未能得到高效合理的開發利用。充分認識秸稈還田效應的多重性、復雜性和交互作用,對完善秸稈還田技術具有一定的實踐指導意義。綜上所述,秸稈還田在農田環境影響方面的研究應集中在以下幾個方面。


3.1加強秸稈還田對農田環境影響及其機制的研究


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雜與耕作制度多樣化等因素,秸稈還田效果的主導影響因素存在一定差異。加強各因素相關性研究,了解區域農田環境影響機制,進行區域橫向對比研究,對于科學利用秸稈還田技術具有重要意義。同時,隨著我國農業機械化水平的提高和區域農業結構的調整,應考慮在不同層次生產力水平上進行研究,以適應未來農業的發展。秸稈還田技術實施的不同年限對農田環境的影響程度不同,將短期與長期定位試驗相結合進行縱向比較研究,對于揭示秸稈還田對農田環境影響機制、探索農作物資源化利用有效方式以及建立循環農業發展模式有重要意義。


3.2結合農田環境在秸稈還田過程中的變化因素及其相互影響機制,系統研究秸稈還田技術對農田環境及生態環境效率變化的影響


目前,秸稈還田對環境影響的研究主要集中在土壤物理性質、化學性質等單一環境變化方面,對引起農田生態系統環境變化各因素之間聯系的研究較少,不能客觀闡明環境效應的得失。同時,秸稈還田技術對農田環境的影響缺乏經濟效益與環境效應相結合的綜合生態效率評價體系,秸稈循環利用對農業生態環境的影響效果尚不明確。因此,探索新的評價指標及研究方法,對分析農田環境變化和系統評價農業可持續發展具有重要作用。


3.3加強秸稈還田各項農藝措施和關鍵技術環節的統籌與協調


由于缺乏統一的秸稈還田技術標準,目前大多關于秸稈還田對農田環境效應的研究所采用的配套農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、生物技術、耕作措施等關鍵環節的統籌與協調,對提高作物產量與品質、優化農田生態環境、增加社會效益及發展可持續農業具有重要意義。同時,建立數學模型模擬各項農業措施統籌對農田環境的影響,探索適合不同地域的秸稈還田技術標準和方法,對于正確評估秸稈還田對農田環境的影響以及建立低投入、高產出、低消耗、高效率的循環農業發展模式,實現農業資源循環利用的有效性與農業生產的可持續性具有重要意義。


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