張建，周嶺*，朱玉雄，韓大偉，張皓天，許偉國(guó)，張?jiān)伋?，李鵬毅

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300；3.新疆前海農(nóng)場(chǎng)生物科技發(fā)展有限公司，新疆 圖木舒克 843800；4.偉騰畜禽養(yǎng)殖農(nóng)民專(zhuān)業(yè)合作社，新疆 阿拉爾 843300）

秸稈還田是目前主要的秸稈資源利用方式，其優(yōu)點(diǎn)包括：一是能夠使秸稈資源肥料化，改善土壤環(huán)境，培肥地力，增產(chǎn)增收；二是能減少環(huán)境污染，避免資源浪費(fèi)； 三是具有節(jié)能降耗的重要價(jià)值[1]，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和“3060”目標(biāo)（即二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和）提供支撐。 2022 年我國(guó)棉花總產(chǎn)量為597.7 萬(wàn)t，其中新疆棉花產(chǎn)量為539.1 萬(wàn)t[2]，由此估算生產(chǎn)的棉稈總量達(dá)2 000 多萬(wàn)t。 目前棉稈資源化利用的主要方式是直接粉碎還田，棉稈還田降解后能增加農(nóng)田土壤氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)棉花生長(zhǎng)[3-4]。 但調(diào)研發(fā)現(xiàn)，棉稈降解時(shí)間較長(zhǎng)且可能不易充分降解[5]，這勢(shì)必影響新疆棉花產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。 由此，筆者等從秸稈粒徑、還田方式、與外源物質(zhì)協(xié)同作用等方面闡述了秸稈還田對(duì)土壤微環(huán)境、肥力的影響，為新疆棉稈資源高效還田合理利用提供參考，為推行棉稈粉碎還田技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 秸稈還田降解微環(huán)境研究

秸稈降解主要是土壤微生物對(duì)秸稈中的化學(xué)組分進(jìn)行分解。 農(nóng)作物秸稈含纖維素、半纖維素及木質(zhì)素等主要化學(xué)組分，纖維素含量最高，占秸稈總量的40%～50%[6-7]。 秸稈降解過(guò)程大致如下：首先，秸稈中的粗蛋白、低分子碳水化合物等被微生物分解， 一部分粗蛋白被微生物分解形成氮?dú)鈸]發(fā)，一部分粗蛋白形成銨態(tài)氮被植物吸收，碳水化合物被微生物利用進(jìn)行呼吸代謝并產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w[8]；然后，秸稈中的纖維素及半纖維素等較難降解的物質(zhì)被葡聚糖內(nèi)切酶和外切酶分解成纖維二糖，再被葡萄糖苷酶分解成葡萄糖[9-10]；最后，木質(zhì)素和其他難以降解的物質(zhì)被微生物分解。秸稈降解的機(jī)理見(jiàn)圖1。

圖1 秸稈降解機(jī)理[8-10]

土壤微生物種類(lèi)、生物活性、多樣性對(duì)秸稈還田降解影響顯著， 降解秸稈的微生物主要有真菌、細(xì)菌和放線(xiàn)菌[11-12]。 土壤微生物既參與化學(xué)成分的分解，還在土壤生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)中影響土壤肥力和農(nóng)作物的相互作用。 楊銘[13]研究了小麥、花生輪作制度下不同還田方式對(duì)土壤微生物碳源代謝功能的影響，結(jié)果表明富碳秸稈粉碎還田可以增加土壤碳養(yǎng)分，提升土壤肥力，促進(jìn)土壤微生物的繁殖代謝活動(dòng)，提高微生物的活性且豐富其多樣性。 也有研究表明秸稈的還田方式對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及菌群的響應(yīng)關(guān)系更為復(fù)雜[14-15]，如翻耕和旋耕還田均能增加土壤的通氣性， 加快秸稈在土壤中的降解，且翻耕還田還能提高深層土壤微生物數(shù)量和酶活性[16]；免耕覆蓋還田不易破壞土壤結(jié)構(gòu)，可顯著增加0～5 cm 土層微生物有機(jī)碳和全氮含量，而對(duì)深層土壤微生物菌群影響較小[17-18]。由此得出，秸稈還田能增加土壤微生物數(shù)量、種類(lèi)，提高土壤酶活性，不同秸稈還田模式對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及菌群的影響有差異。

2 秸稈還田降解對(duì)土壤肥力的研究

2.1 秸稈還田粒徑、長(zhǎng)度對(duì)土壤肥力的影響

有研究表明，秸稈自身含有的化學(xué)成分是影響秸稈降解速率的因素之一，秸稈3 種化學(xué)組分的降解率表現(xiàn)為半纖維素＞纖維素＞木質(zhì)素，因木質(zhì)素分子量大且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，故較難降解[19-20]。棉稈中木質(zhì)素含量約為15.3%[21]，是玉米秸稈的3.3 倍、小麥秸稈的1.9 倍[22]。因此，棉稈中大量木質(zhì)素的存在使其在土壤中難以降解。

大量研究表明，秸稈還田后，其粒徑大小是影響土壤肥力的重要因素之一。秸稈粉碎粒徑直接影響秸稈的降解速率、土壤養(yǎng)分及作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量[23-24]。Zhang 等[25]分析了不同粉碎長(zhǎng)度的小麥秸稈還田對(duì)土壤物理性狀和小麥生長(zhǎng)的影響，結(jié)果顯示粉碎長(zhǎng)度在5 cm 左右的秸稈還田有利于減少土壤水分流失，具有良好的保墑效果。 張莉等[26]認(rèn)為秸稈制成顆粒狀（直徑4 mm，長(zhǎng)度4～6 cm）還田能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、 堿解氮和有效磷的含量。說(shuō)明秸稈粉碎粒徑對(duì)土壤特性、保墑及秸稈降解程度均有影響， 這可為棉稈還田高效利用提供參考。在實(shí)際生產(chǎn)中， 應(yīng)盡量將秸稈粉碎至長(zhǎng)度5 cm 以下再還田，并與土壤充分混勻[27-29]。

2.2 秸稈還田方式對(duì)土壤肥力的影響

不同的秸稈還田方式會(huì)改變秸稈與土壤的接觸形式，從而直接影響土壤微環(huán)境。 Ndzelu 等[30]發(fā)現(xiàn)隨著還田深度的增加，土壤腐殖質(zhì)、有機(jī)質(zhì)等含量均有所增加， 與表層覆蓋方式相比， 秸稈埋深10 cm 及埋深20 cm 的還田方式均顯著提高土壤有機(jī)碳和腐殖質(zhì)含量。 張金珠等[31]對(duì)滴灌棉田的研究認(rèn)為，棉稈在深埋30 cm 還田方式下對(duì)土壤具有一定的保水性，有效抑制了土壤中水分散失和鹽分聚集。 張曼玉等[32]對(duì)比秸稈覆蓋和翻壓還田2 種方式發(fā)現(xiàn)，翻壓還田方式增加了土壤含水量和有機(jī)質(zhì)含量，降低了土壤中的鹽分含量，并能改善土壤顆粒微觀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤大粒徑團(tuán)聚體的形成。 劉單卿等[33]采用尼龍網(wǎng)袋法對(duì)比小麥秸稈翻埋還田與覆蓋還田的降解率，發(fā)現(xiàn)2 種還田模式的秸稈降解率均先快后慢，而翻埋還田模式下秸稈的降解率和養(yǎng)分釋放率均優(yōu)于覆蓋還田。 在秸稈免耕還田、旋耕還田和翻耕還田3 種模式中，一些研究表明秸稈旋耕還田與其他2 種模式相比更利于提高表層土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量，可提高秸稈降解效率[34-35]。 上述研究表明深翻入土的秸稈還田方式比直接覆蓋的還田方式提高土地供肥保肥能力的效果。

秸稈還田量對(duì)土壤特性的影響也是眾多學(xué)者探究的內(nèi)容。Zhang 等[36]研究表明，在秸稈還田量為3 000 kg·hm—2且不施肥的情況下， 土壤中鉀元素較少，導(dǎo)致各營(yíng)養(yǎng)元素失衡；隨秸稈還田量增至6 000 kg·hm—2并適當(dāng)施肥， 土壤中鉀元素充足且各營(yíng)養(yǎng)元素間達(dá)到平衡。 但秸稈還田量越多，其所需降解時(shí)間越長(zhǎng)。 有研究表明，還田后170 d，半量還田的秸稈降解率為73.4%，而全量還田的秸稈降解率為66.8%，全量還田明顯比半量還田的降解率低[37]。 冷明珠等[38]分析了秸稈還田量對(duì)土壤肥力的影響，表明在還田量過(guò)多的情況下，土壤長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，會(huì)減少土壤微生物數(shù)量，抑制微生物對(duì)秸稈的降解， 且土壤中碳氮比隨還田量增加而上升，出現(xiàn)秸稈在降解過(guò)程中與作物爭(zhēng)氮現(xiàn)象，使作物產(chǎn)量下降。 由此可知，過(guò)量還田會(huì)增加土壤降解的負(fù)擔(dān)，所以秸稈還田應(yīng)適量[39]。

2.3 秸稈?cǎi)詈贤庠捶柿蠈?duì)土壤肥力的協(xié)同影響

目前，研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田耦合氮肥、磷肥、復(fù)合肥料或有機(jī)物料等對(duì)土壤肥力協(xié)同作用顯著[40]。Tiecher 等[41]研究認(rèn)為，農(nóng)作物殘留在土壤內(nèi)的大部分有機(jī)碳被固定，適當(dāng)施加磷肥可增加有機(jī)態(tài)磷的含量。Zheng 等[42]為減少化肥的施用，將秸稈與生物炭混合還田，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)秸稈?cǎi)詈仙锾窟€田并施少量化肥是效果最好的田間管理模式，這是由于生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，通過(guò)富集菌群、持留土壤水分，可為促進(jìn)秸稈降解提供必要的條件，同時(shí)秸稈降解過(guò)程耦合炭可進(jìn)一步積累土壤養(yǎng)分，提升土壤肥力。

為了進(jìn)一步促進(jìn)秸稈降解，前人還研究了腐熟劑對(duì)秸稈降解的影響。結(jié)果表明秸稈配施腐熟劑能有效提高秸稈降解速率、增加土壤酶活性和速效鉀的含量，進(jìn)而提高耕地生產(chǎn)力和作物產(chǎn)量[43-45]。 常洪艷等[46]對(duì)比低溫菌、常溫菌和混合菌對(duì)秸稈的降解效果，分析表明這3 種不同降解菌劑均能加快秸稈的降解，且添加混合菌劑對(duì)木質(zhì)素的降解效果更好[47]。

此外，關(guān)于秸稈還田時(shí)耦合無(wú)機(jī)物對(duì)土壤肥力的影響也有不少報(bào)道。 史麗霞[48]通過(guò)添加不同種類(lèi)氮源、金屬離子和不同比例的生石灰等研究其對(duì)玉米秸稈還田的影響發(fā)現(xiàn)，添加硫酸銨、硫酸亞鐵和0.6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的生石灰為玉米秸稈還田的最優(yōu)方式，其中添加尿素、硫酸鋅和0.3%的生石灰對(duì)土壤pH 的調(diào)節(jié)作用最好，添加硫酸銨、硫酸鋅和0.6%的生石灰對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響最顯著，添加尿素、硫酸鎂和0.9%的生石灰對(duì)降低土壤鹽分含量的效果最佳。

綜上所述，秸稈?cǎi)詈喜煌耐庠次镔|(zhì)對(duì)土壤肥力提升的作用途徑各不相同，如無(wú)機(jī)外源物質(zhì)可能通過(guò)物理吸附或化學(xué)反應(yīng)等作用改變土壤的結(jié)構(gòu)，添加有機(jī)質(zhì)、微生物菌劑通過(guò)加快秸稈分解等作用增加土壤腐殖質(zhì)等成分[49-51]。因此，土壤肥力提升可能通過(guò)1 種或多種途徑協(xié)同作用完成，就目前研究而言， 多途徑協(xié)同完成土壤肥力提升的效果較好，但作用機(jī)理還需要深入研究。

2.4 環(huán)境條件對(duì)秸稈還田的影響

各地區(qū)的氣候特點(diǎn)和土壤質(zhì)地不同[52]，對(duì)各類(lèi)秸稈降解過(guò)程必然產(chǎn)生不同影響。 王彎等[53]通過(guò)設(shè)置不同原料配比和溫度條件的研究表明，秸稈降解效果最佳的溫度在30～40 ℃，且隨溫度升高，土壤中的有機(jī)質(zhì)、 全氮和全磷含量呈先升后降趨勢(shì)。Kotwica 等[54]認(rèn)為春季和秋季土壤中礦物氮平均含量呈下降趨勢(shì)，可能是受當(dāng)?shù)卮骸⑶锛緶囟鹊秃徒邓啃〉挠绊憽?/p>

除了溫度和水分，土壤類(lèi)型也是影響秸稈降解及土壤肥力的主要因素之一。研究表明，在砂土、壤土和黏土等不同土壤中，秸稈在黏土中的降解率最低，可能是因?yàn)榻斩捲陴ね林械慕到饨朴趨捬踅到鈁55]。 秸稈中的氮、磷和鉀等營(yíng)養(yǎng)元素在巖溶土壤中容易聚積，在非巖溶土壤中易散失，且降解過(guò)程中土壤理化特性受到相應(yīng)影響，如pH 隨時(shí)間延長(zhǎng)先降后升[56]。

上述研究說(shuō)明秸稈在不同季節(jié)、溫度和土壤質(zhì)地中降解變化規(guī)律均不相同，對(duì)土壤理化特性及肥力的影響也存在顯著性差異。 其中，新疆南疆因地處塔里木盆地干旱少雨，土壤類(lèi)型多為砂土和砂壤土，pH 偏堿性，土壤緊實(shí)度和含水率偏低[57]，可能不利于秸稈降解；北疆存在季節(jié)性?xún)鋈诂F(xiàn)象且氣候較濕潤(rùn)，土壤類(lèi)型主要有壤土和黏土[58]，相對(duì)南疆土壤條件較易降解秸稈。

3 展望

綜上可知，秸稈降解受內(nèi)在因素和外界因素雙重影響。我國(guó)特別是新疆地區(qū)棉稈粉碎還田還有諸多問(wèn)題值得深入探討，如：探究不同地區(qū)不同土壤類(lèi)型的棉田隨著種植年限的增加，棉稈還田對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響；從不同層面、不同尺度研究棉稈形態(tài)分布對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、持水性及固碳固氮能力的影響；研究滴灌條件下，棉稈粉碎還田對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素在土壤中遷移行為的影響；探究棉稈粉碎還田的優(yōu)化條件及其對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及肥力的影響等?？沙掷m(xù)的棉稈粉碎還田措施不僅是新疆棉花產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必要基礎(chǔ)，而且對(duì)于保障我國(guó)棉花戰(zhàn)略安全具有重要意義。