秸秆还田环境效应研究进展

程子珍，范先鹏，余延丰，吴茂前，熊桂云，张富林，刘冬碧，夏 颖，张志毅

（湖北省农业科学院植保土肥研究所/国家农业环境潜江观测实验站/湖北省农业面源污染防治工程技术研究中心/农业农村部潜江农业环境与耕地保育科学观测实验站/农业农村部废弃物肥料化利用重点实验室，武汉 430064）

中国是秸秆资源大国。根据《第二次全国污染源普查公报》，2017 年中国秸秆产生量为8.05 亿t，可资源收集量为6.74 亿t。秸秆处置不当，不仅造成资源浪费，还会带来一系列环境和社会影响［1］。如秸秆焚烧不仅会使秸秆中氮磷钾大量损失，还会影响空气质量，危害农田生态系统。近年来，国家出台了多项措施推进秸秆的资源化利用，如《农业部办公厅、财政部办公厅关于开展农作物秸秆综合利用试点，促进耕地质量提升工作的通知》《农业部关于实施农业绿色发展五大行动的通知》等，并提出“多元利用、农用优先”的秸秆资源化利用原则。有研究表明，在当前农业形势下，秸秆还田是最优、最现实的农用模式［1］。秸秆还田可以补充土壤有机质和养分，提高土壤肥力。同时，秸秆还田也会对农田氮磷流失、氨挥发、温室气体排放产生影响，进而对水和大气环境产生影响。本文就秸秆还田对农田氮磷流失、氨挥发、温室气体排放的影响进行综合分析，以期为秸秆科学还田提供指导。

1 秸秆还田对农田氮磷流失的影响

有许多研究者探讨了秸秆还田对农田氮磷流失的影响。对水田的研究结果表明，秸秆还田有降低地表径流氮磷流失的作用。如朱利群等［2］研究表明，秸秆直接还田会使稻田TN 流失减少20.0%～28.9%，TP 流失减少10.3%～22.0%。陈琨等［3］研究发现，秸秆还田、稻麦轮作农田TN 和TP 流失量分别降低22.5%和6.2%。朱坚等［4］在双季稻上连续7 年研究发现，晚稻秸秆全量还田并等量替代化肥，稻田TN 和TP 流失量分别降低12.6%和9.7%。秸秆还田降低稻田氮磷流失量主要通过降低径流水中氮磷浓度实现的。刘红江等［5］研究表明，麦秸直接还田、麦秸还田和氮磷钾肥各减20%，都不会降低稻田径流水量，但会使TN 流失量分别降低9.2%和14.6%，使TP 流失量分别降低10.9%和16.4%。对旱地的研究结果表明，秸秆覆盖还田可以减少旱地氮磷流失，主要是通过减少地表径流水量来实现的。秸秆覆盖还田能使玉米地产流量与产沙量比不覆盖的对照分别减少30.5%和22.9%，地表径流氮磷流失量分别降低27.4%和32.3%［6］。

2 秸秆还田对氨挥发的影响

许仁良［7］研究发现，秸秆还田促进稻田氨挥发。汪军等［8］发现麦秸还田下，乌栅土和黄泥土稻季氨挥发损失比单施氮肥处理分别增加了19.8%和20.6%。张刚等［9］研究认为，秸秆全量还田会使稻田氨挥发总量由秸秆不还田的10.01 kg/hm2增加至11.83 kg/hm2，增加18.2%。秸秆还田促进稻田氨挥发，可能与秸秆还田提高土壤脲酶活性和土壤pH 有关［9］。

秸秆还田对旱地氨挥发影响的结果不尽一致。在小麦-玉米轮作农田上的研究表明，与无秸秆配施相比，配施100%或50%秸秆分别降低了35.1%和16.1%的年累积氨挥发量；秸秆还田降低氨挥发，可能与秸秆的高C/N 比及土壤较高的微生物活性，促进了无机氮的固定降低土壤铵态氮浓度有关［10］。但对全球相关文章进行Meta 分析表明，秸秆还田会使旱地氨挥发增加17.0%，旱地氨挥发增加可能与秸秆还田增加脲酶活性有关［11］。

3 秸秆还田对温室气体排放的影响

3.1 秸秆还田对土壤固碳的影响

许多短期和长期试验表明，秸秆还田可以通过增加土壤有机碳的直接输入实现农田固碳［12］。英国洛桑试验站始于1986 年的秸秆还田试验表明，秸秆还田显著提高土壤有机碳的积累速率［13］。金琳等［14］用Meta 分析法估算了中国不同农田管理的土壤固碳，各种措施中化肥与有机肥配施的固碳作用最大（0.889 t/hm2），其次为秸秆还田（0.597 t/hm2）。潘根兴等［15］认为，20 世纪80 年代以来全国秸秆还田的耕地土壤年固碳速率为0.5～1.0 t C/hm2；逯非等［16］认为中国稻田秸秆还田的固碳潜力为10.48 Tg C/年；Pan 等［17］对太湖地区稻油轮作农田的长期定位试验表明，每年水稻秸秆还田量为4.5 t C/hm2时，土壤年固碳速率为0.51 t C/hm2。

3.2 秸秆还田对甲烷排放的影响

秸秆还田对土壤甲烷排放影响的研究多集中在稻田上。许多研究表明，秸秆还田会促进稻田甲烷的排放［18-22］。据测算，秸秆还田会使中国稻田甲烷排放从无秸秆还田的5.796 Tg/年增加到9.114 Tg/年，秸秆还田引起甲烷增排3.318 Tg/年，其全球增温潜势达82.95 Tg CO2-eqv/年［16］。此外，秸秆还田方式也会影响稻田甲烷的排放。秸秆粉碎还田可增加稻季113%的甲烷排放量，覆盖还田增加稻季27%的甲烷排放量［23，24］。

3.3 秸秆还田对氧化亚氮排放的影响

目前，秸秆还田对农田氧化亚氮排放影响的研究结果不尽一致。在稻田上，有研究者认为秆秸还田会增加稻田氧化亚氮排放［25-27］；但多数研究表明秸秆还田会降低稻田氧化亚氮的排放［18，19，21，22］；对全球相关文章进行Meta分析也表明，秸秆还田会使稻田氧化亚氮排放降低17.3%［11］。秸秆还田降低稻田氧化亚氮排放可能是秸秆还田促进了土壤氮素的微生物固定，使硝化和反硝化作用的底物减少所致。在旱地上，有研究表明，秸秆覆盖还田会增加土壤氧化亚氮的排放，全年覆盖秸秆4 500 kg/hm2和9 000 kg/hm2，土壤氧化亚氮平均排放通量分别为131.31 μg/（m2·h）和142.26 μg/（m2·h），比秸秆不还田［110.64 μg/（m2·h）］分别提高了18.68%和28.57%［11］；在小麦-玉米轮作农田上的研究结果也表明，秸秆还田会增加氧化亚氮的排放量［28］。但也有研究表明，秸秆还田并不会对冬小麦田的氧化亚氮排放有明显影响［29］，秸秆全量还田会降低麦季氧化亚氮的排放量［30］。此外，秸秆还田方式也会影响氧化亚氮的排放。在稻麦轮作农田上，秸秆粉碎还田可降低麦季3%～18%的氧化亚氮排放量，覆盖还田增加麦季15%～39%的氧化亚氮排放量［23，24］。

3.4 秸秆还田的总体温室效应

秸秆还田一方面增加了土壤对碳的固定，有利温室气体减排，另一方面会影响甲烷、氧化亚氮等温室气体的排放。有研究者对稻田、稻麦轮作农田秸秆还田的总体温室效应进行了分析。中国稻田秸秆还田的固碳潜力为10.48 Tg C/年，对减缓全球变暖的贡献为38.43 Tg CO2-eqv/年；但秸秆还田后，稻田甲烷排放将从无秸秆还田的5.796 Tg/年增加到9.114 Tg/年，秸秆还田引起甲烷增排3.318 Tg/年，其全球增温潜势达82.95 Tg CO2-eqv/年，是土壤固碳减排潜力的2.158 倍，稻田秸秆还田的甲烷增排的温室效应会大幅抵消土壤固碳的减排效益［14］。对稻麦两熟农田的研究发现，稻麦秸秆全量还田会降低麦季甲烷的排放量，增加稻季甲烷排放量，总体上会使稻麦两熟农田周年甲烷排放总量从无秸秆还田的156 kg CH4/hm2增加到394 kg CH4/hm2，增幅高达153%；稻麦秸秆全量还田会降低麦季氧化亚氮的排放量，对稻季氧化亚氮的排放没影响，总体上会使稻麦两熟农田周年氧化亚氮排放总量从无秸秆还田的2.79 kg N2O/hm2降至2.39 kg N2O/hm2，降幅为14%；此外，秸秆还田会使稻麦两熟农田土壤碳固定量从无秸秆还田的0.18 t C/hm2增加至1.14 t C/hm2，增加533%。从综合温室效应来看，秸秆还田会增加稻麦两熟农田的温室效应，净增温潜势将从无秸秆还田的4 058 CO2-eqv/hm2增加至6 383 kg CO2-eqv/hm2，增加57%［28］。

4 小结与展望

中国是秸秆资源大国，科学处置秸秆对保障农业绿色可持续发展具有重要意义。直接还田是秸秆资源化利用的重要途径。秸秆还田能降低农田氮磷流失，对保护地表水环境有积极作用，但秸秆还田也会加重农田氨挥发损失，一定程度上影响氮肥利用效率，对空气质量有一定的负面影响。此外，虽然秸秆还田能促进农田固碳，大多数研究认为还能降低稻田氧化亚氮的排放，但同时会大幅促进稻田甲烷排放，总体上增加稻田的温室效应。因此，需要加强秸秆还田对氨挥发、稻田甲烷排放影响机制及控制技术的研究，降低秸秆还田对环境的负面影响。

此外，目前秸秆还田对氧化亚氮排放，特别是对旱地氧化亚氮排放影响的研究结果不尽一致，而且不同还田方式的影响也不同，需要对此做进一步系统研究。虽然现有研究表明，对于稻田和稻麦轮作农田，秸秆还田总体上会增加温室效应，但这些研究结果是对比秸秆不还田且不做任何其他利用情况下获得的。要客观评价秸秆还田措施的总体温室效应，还需深入研究秸秆在其他利用途径下的温室效应。