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我国是世界水稻的主产区之一，为全球的粮食安全做出了重要贡献。然而，水稻收获时秸秆会带走大量的矿质养分，导致土壤变得瘠薄、肥力降低。为了持续获得高产，农业生产上往往过量施用化肥来达到快速培肥土壤的目的，这使得稻田土壤板结、酸化、盐渍化、生态功能失衡的问题日益突出[1]。秸秆作为一种可再生资源，不仅可以通过还田改良被破坏的稻田土壤环境，还可以减少化学肥料的投入，促进土壤养分的循环利用，提高水稻的产量。然而，生产中仍旧存在焚烧、丢弃秸秆的现象，不仅污染环境，也造成了资源浪费；此外，稻田土壤环境复杂，缺乏科学合理的稻田秸秆还田配套技术也是影响秸秆还田推广应用的重要因素之一[2-3]。在此背景下，深入研究秸秆还田培肥土壤的作用机理，有助于改善地力、提升土壤综合产出能力，对实现减肥增效、农业的绿色可持续发展具有重要意义。通过系统整理近年来秸秆还田对稻田土壤培肥影响的相关研究进展，并总结其作用机制，提出了秸秆高效还田的相关配套技术，以期为秸秆的资源化利用及其高效培肥稻田土壤的研究与应用提供科学依据。
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1 国内外秸秆还田现状
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作物秸秆作为一种新型绿色可再生资源已被国内外广泛使用。其中，秸秆还田是国内外秸秆循环利用常见的途径之一。秸秆还田主要包括直接还田和间接还田两种方式。秸秆直接还田是将秸秆通过机械或人工粉碎等方式直接翻耕入土壤中，而秸秆间接还田是通过将秸秆进行发酵、堆沤及炭化等处理后的产物进行还田[4]。作物秸秆能为土壤提供丰富的有机质、氮、磷、钾及各种微量元素，增强土壤保肥保水能力，从而巩固和提升粮食产能[5]。
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国内外学者近年来针对秸秆还田提升稻田土壤肥力进行了大量深入的研究。日本农业生产中将约 76.2% 的水稻秸秆进行还田，秸秆除了由收割机切割后融入土壤直接还田外，还通过堆肥等方式进行还田，可以显著提高土壤有机质和各种养分含量[6]。加拿大和美国的秸秆利用方式主要是直接还田，其化肥施用量仅占总施肥量的 1/4，秸秆的还田利用率达到了 65% 以上。美国和加拿大国内的保护性耕作技术研究推广极大地推动了秸秆还田技术的应用，促进了农业可持续发展。我国的秸秆资源丰富，是世界上最大的秸秆生产国之一。近年来，我国的秸秆综合利用水平和能力也在稳步提升，《全国农作物秸秆综合利用情况报告》显示，2021 年我国的秸秆产生量达 8.65 亿 t，玉米、水稻和小麦三大粮食作物秸秆产生量分别达到 3.21 亿、 2.22 亿和 1.79 亿 t，总计占比 83.5%，秸秆的综合利用率达 88.1%，较 2018 年增长了 3.4 个百分点 （图1a）。肥料化、饲料化、燃料化、原料化、基料化利用率分别为 60%、18%、8.5%、0.9% 和 0.7%，当前我国的秸秆利用基本形成了“农用为主、五化并举”的格局（图1b）。还田是当前秸秆最主要的利用方式，2021 年我国的秸秆还田量已达 4 亿 t 左右[7]。
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图1 我国秸秆利用方式及比例
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2 秸秆还田对稻田土壤理化性质的影响
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土壤肥力是土壤能够提供作物生长所需的各种养分的能力，同时是土壤为作物生长供应和协调养分、水分、空气和热量的能力，它是土壤物理、化学和生物学性质的综合反应。农业生产中作物的连续种植从土壤中带走大量养分，引起土壤退化、肥力不断降低等诸多问题。而秸秆还田是一种经济、有效的土壤培肥手段。决定土壤肥力高低主要有物理因素、化学因素、生物因素，秸秆还田主要也是通过影响这些因素来达到改善土壤肥力的目的。目前国内外关于秸秆还田对稻田土壤的培肥作用进行了大量的研究，为改良稻田秸秆资源田间的综合利用提供了理论依据和技术支撑。
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2.1 秸秆还田对稻田土壤物理性状的影响
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土壤的物理性质如容重、孔隙度和团聚体，与土壤肥力状况紧密相关。这些特性决定了土壤中水、气、热的流动和养分的保蓄能力。作物的生长、土壤微生物的活动和养分的转化与迁移，都依赖于良好的通气和透水条件，而这些条件受到土壤容重和孔隙度的显著影响[8]。同时，稻田特殊的厌氧条件使得稻田土壤的团粒结构更易失衡，因此稻田土壤需要更加疏松深厚的结构[9]。研究表明，秸秆还田可以有效降低土壤容重，增加孔隙度，提高土壤的透气性和保水能力。这不仅稳定了土壤结构，还增强了土壤中水稳性团聚体的组成和稳定性，提升了土壤健康质量。秸秆的分解产生大量的腐植酸可以作为良好的团聚剂，减少耕作对土壤的扰动，为水稻和土壤微生物创造了更优良的生长环境[10-14]。有研究表明，秸秆还田增加了土壤中 >0.25 mm 粒径的水稳性大团聚体[15]。宋佳等[16]基于秸秆还田的长期试验研究结果表明，冬种绿肥和秸秆还田联合施用显著增加了双季稻田中土壤中大团聚体（0.25～2 mm）和超大团聚体（>2 mm） 的比例，提高了有机碳含量，以及有机碳在大团聚体（0.25～2 mm）和超大团聚体（>2 mm）中的分布。此外，双季稻田的长期定位试验研究也显示，秸秆还田后土壤中超大水稳性团聚体（>2 mm）的含量显著增加，且随着秸秆还田量的增加，其增加幅度更为明显[17]。秸秆还田可以显著提高土壤各粒径水稳性团聚体的总碳和总氮含量，从而增加土壤团粒结构和碳氮储量，改善土壤结构和肥力。同时，秸秆还田提高了土壤水稳性团聚体的氮磷比，有利于促进作物对氮素的吸收利用[17]。综合来看，秸秆还田不仅对改善土壤物理性质和增强土壤肥力有着重要作用，也对提升农田生态系统的整体健康和持续性生产力具有长期的积极影响。
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2.2 秸秆还田提高土壤氮、磷、钾含量
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作物秸秆除含有丰富纤维素、半纤维素、蛋白质等有机能源物质外，还含有氮、磷、钾等大量元素以及中、微量营养元素。因此，秸秆还田能够替代部分化肥，将作物吸收的部分养分归还到土壤中。据报道，经过秸秆还田后，稻田耕作层中的氮、磷、钾、碳等养分的含量都有不同程度的提高[18-20]。
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研究表明，作物秸秆还田可以显著提高土壤耕作层的总氮含量，土壤氮库的提高可以增加土壤的供氮能力，从而减少化学氮肥投入，有助于稻田生态系统的绿色可持续发展。但是，秸秆还田在短期内对氮素矿化和作物氮素吸收的贡献比较小，所以增氮效果不明显。此外，由于秸秆碳氮比较高，在秸秆腐熟过程中，土壤微生物大量繁殖而过度消耗土壤速效氮，存在微生物与作物争氮的现象，可能还会造成减产。因此，秸秆还田一般需要配施一定数量的氮肥。而长期的秸秆还田可以形成有效氮库，达到部分替代无机氮肥的效果，从而减少氮肥使用和作物对氮肥的依赖，最终提高作物产量[21]。秸秆还田增加土壤氮库还需要结合一定的农艺管理措施。例如，稻田秸秆还田与免耕结合会增加土壤氮素损失的风险，但结合翻耕的田间管理方式可在一定程度上抑制土壤氮素损失[21-23]。与常规翻耕和免耕相比，南方双季稻区秸秆还田结合长期旋耕的方式能够进一步提高土壤肥力质量和水稻产量[24]。然而，目前秸秆还田的增氮效果主要体现在表层土壤，而在深层土壤中是否有类似的增氮效应目前所知较少，有待深入研究。
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秸秆还田也是向稻田土壤输入磷素的重要途径之一。有研究显示，秸秆还田可以显著提高土壤中全磷和无机磷的含量，并增强有机磷的矿化，减少土壤对磷的吸附，从而促进作物对磷的吸收[25]。蒋炳伸等[26]发现，双季稻田秸秆还田有利于提高土壤磷素有效性和水稻磷素利用率。秸秆腐熟分解过程中产生的有机酸等中间代谢产物可以增加土壤中磷的有效性。有机酸可以通过螯合、离子交换及酸化等机制将土壤中植物难以吸收利用的不溶性磷转化为有效磷。秸秆施入土壤还可以为微生物提供生长所需的各种养分，降低土壤微生物对有机酸和磷酸酶等根系分泌物的同化作用，提高土壤磷酸盐矿化速率，进而提高植物体内的磷含量[27-30]。柴如山等[31]对我国各省份水稻秸秆还田的土壤磷贡献进行了测算，根据秸秆磷素输入量调整磷肥投入，可实现土壤磷养分收支平衡，为水稻秸秆还田条件下土壤磷素优化管理及平衡调控提供了科学参考。
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稻田土壤钾素缺乏是制约水稻优质高效生产的重要因素。作物在生产过程中吸收了大量的钾，作物收获后大部分的钾以离子态的形式储存于秸秆中，因而秸秆还田对土壤钾素肥力的维持至关重要[32]。研究表明，与不还田相比，秸秆还田可以增加土壤高效钾库的可利用年限[33]。另一项研究通过钾释放动力学证明了秸秆还田可提高土壤钾素的供应强度和容量，在提高土壤非交换性钾含量的同时，也可以提高交换性钾的含量，从而提高水稻产量[34]。秸秆还田配施钾肥可提前并缩短水稻钾吸收的快速积累期，进一步提高水稻钾素利用效率，同时维持土壤的供钾能力[35-36]。
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2.3 秸秆还田影响土壤有机碳
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土壤有机质是存在于土壤中所含碳的有机物质，包括各种动植物残体、微生物及其分解合成的各种有机物质。有机质是稻田肥力的核心与关键，对水稻品质、产量、土壤环境以及地球碳循环有重要贡献。多项研究表明，秸秆还田能够显著增加土壤中的有机质含量，提高土壤微生物的数量和活性，增强与碳、氮、磷、钾循环等相关的酶活性，进而影响碳、氮、磷、钾等养分的循环转化过程，最终提升土壤肥力，提升可供作物吸收利用的有效态养分含量（图2）[37-38]。
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秸秆是土壤有机碳的重要来源之一，研究表明，秸秆还田过程对土壤碳库平衡和有机碳的周转具有显著影响，长期秸秆还田可以增加活性有机碳库的库容[39-40]。秸秆还田不仅作为稻田土壤有机碳库的外部补充，同时可以减少水分对富含有机质的土壤团聚体的侵蚀[41-42]。土壤总有机碳和活性有机碳含量随着秸秆连续还田年数的增加而增加，当土壤有机碳含量达到饱和时，外源有机碳的持续输入触发启动效应并加速土壤有机碳的矿化。此时，秸秆持续还田不会增加土壤有机碳含量，甚至会导致土壤有机碳含量下降[43-44]。在还田过程中，如果使用的秸秆量过多，可能导致土壤中有机碳过快分解，进而降低土壤肥力。如果使用的秸秆量过少，则可能不足以提高土壤中的有机碳含量。研究显示，稻麦轮作体系下，使用 50% 的秸秆还田量培肥的耕层土壤中的有机碳含量要高于全量还田[45]。因此，适宜的秸秆还田量对提高土壤有机质含量是必要的。在实际生产中，最适秸秆还田量一般要基于特定的土壤环境、作物种植及施肥情况等因素的影响进行综合评估。例如，根据秸秆还田量施用一定量的氮肥，调节土壤碳氮比，促进秸秆腐解，可以进一步改善土壤有机质含量[46]。
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2.4 秸秆还田对土壤微生物群落功能的影响
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秸秆在还田后能够改善土壤微生物的生存环境，同时也为微生物生长提供了足够的养分物质，进而介导了土壤微生物群落、活性和数量等发生显著变化。土壤微生物在秸秆腐解、土壤腐殖质形成、有机质分解及养分循环等许多关键生物过程中起着不可替代的作用，在改善土壤肥力及可持续农业生产中占有重要地位。深入研究秸秆还田的微生物学效应，有助于解析秸秆还田培肥土壤的生物学机制。
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秸秆在进入土壤前，通常通过割碎、研磨或堆肥等方法增加其表面积，使微生物更易进入（图2）。秸秆还田后可释放大量离子态钾，并提高土壤中的有效磷含量，微生物可以进一步促进有机磷的矿化。土壤微生物可以分泌纤维素酶和半纤维素酶等，将秸秆的复杂结构分解成简单的糖和有机酸。在这一过程中，碳氮比的调节（如配施氮肥）是影响微生物的群落结构和土壤酶活性的关键因素。微生物利用秸秆中的糖和有机酸，进一步将其分解为二氧化碳、氨和硝酸盐等。在微生物介导碳氮循环的同时，秸秆中的有机物也会受到土壤化学反应的转化，如氧化还原反应，秸秆最终被分解为各种养分和有机物质。秸秆还田不仅改善了土壤的质量和生态环境，还为作物的生长发育提供了充足的营养物质。
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图2 秸秆还田后在土壤中的转化过程
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秸秆还田是影响稻田土壤微生物群落丰度和组成的重要因素。秸秆中含有大量微生物生长所需的氮源和碳源，因此，秸秆还田可以显著提高土壤微生物的活性和数量，进而改变土壤微生物群落组成并增加其功能多样性。秸秆腐解速率与秸秆还田量存在负相关关系，当秸秆还田超过一定数量时，土壤微生物与接茬作物的养分供应矛盾难以协调，所以微生物数量到达峰值后也开始降低[47-49]。土壤类型直接影响土壤微生物的组成，稻田土壤与旱地土壤之间的微生物群落存在显著差异，从而影响秸秆还田的效果[50-51]。例如，稻田土壤中的细菌丰度远高于旱地土壤；然而，与旱地土壤相比，稻田土壤中真菌和放线菌的丰度相对较低[52]。在相同的气候和地形条件下，淹水稻田的有机碳和微生物量库要高于旱地土壤。但是淹水会导致真菌丰度降低，从而引起有机质的矿化速率变慢[53]。
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土壤微生物是影响秸秆还田培肥效果的重要因素。秸秆还田会显著增加土壤中的碳素营养，造成土壤中碳氮比失衡，为了促进秸秆中碳营养的快速转化降解，土壤微生物在参与秸秆碳转化的同时，也会通过对氮循环相关功能基因的调控影响土壤氮和秸秆中氮的转化，进而调节土壤氮含量及碳氮比，实现土壤养分的快速转化[54-57]。这也进一步说明了秸秆还田通常需要与氮肥配施的原因。研究表明，秸秆还田配施氮肥可以提高稻田土壤微生物丰度，使土壤微生物群落结构发生显著变化，尤其是固氮菌、硝化细菌、反硝化细菌和氨氧化细菌等与氮素转化相关的微生物[58]。这可能会加快土壤中氮的转化速率，从而有助于提高作物产量。有研究表明，水稻秸秆还田可以显著提高甲氧基细菌和甲氧基还原菌的相对丰度，进而提升微生物的多样性[59]。稻田土壤的硝化和反硝化作用可以调节土壤中的碳氮比，从而对水稻秸秆的分解过程具有一定的促进作用[60-61]。研究人员根据冬绿肥鲜草碳氮比较低的特点，针对性地研发了豆科绿肥紫云英-稻秸共同利用技术，紫云英-稻秸共同利用相比于二者单独使用可调节碳氮比，改变腐解微生物共生网络的拓扑结构，重新构建微生物关键种群，增加细菌之间的竞争作用，促使物种之间更加紧密地联系与信息交换，从而更迅速地响应环境变化[62-64]。此外，绿肥-稻秸联合使用能够显著缓解水稻秸秆引起的氮固持效应，并且减少绿肥单独使用时的碳氮损失[65]。然而，目前关于秸秆还田过程中的碳氮耦合、转化机制及相关核心微生物群落功能仍所知甚少。研究表明，大量秸秆还田也增加了稻田土壤中与碳铁循环相关的微生物丰度，从而在一定程度上促进了碳铁循环过程[66]。进一步分析表明，秸秆还田增加了微生物群落的复杂性，促使更多的微生物进行生态位共享，全面改善稻田土壤的生态环境。微生物的代谢能力决定了它们能够利用哪些物质作为营养来源以及它们能否成为某一特定生境中的优势生物，占据不同的生态位，所以这也会导致秸秆的分解速率不同。总之，秸秆还田可以促进土壤养分循环，有利于增强土壤肥力。
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3 秸秆高效还田配套技术
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我国南方稻区有大量稻田冬季处于休闲状态，水光热等资源浪费巨大，稻田有机肥源少、提升地力手段缺乏。如何合理利用水稻生产中产生的大量稻秸资源是普遍存在的难题。秸秆在我国东北稻区的还田应用问题也较为复杂，由于东北地区冬季长期低温使得秸秆在土壤中很难完全发酵腐熟，导致还田效果不理想。缺乏科学有效的秸秆还田方式是目前阻碍稻田秸秆资源利用及农业绿色生产的难题。此外，当前秸秆还田的田间效果还存在一些争议，例如此前秸秆还田普遍被认为能够缓解土壤酸化，最近 Liang 等[67]对 122 篇已发表的科学研究中的 145 项包含稻田和旱地的田间试验评估结果表明，大部分点位秸秆还田加剧了土壤酸化。农业生产中水稻秸秆直接还田对红壤酸化的改良效果往往并不理想，而通过镁改性水稻秸秆生物炭则可以实现红壤的改良[68]。因此，随着秸秆还田在生产中的大规模推广应用，亟需深入研究其还田效应及机制，优化秸秆还田相关配套技术。
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总体来看，当前稻田秸秆还田主要存在以下问题：（1）秸秆腐熟慢，下一季作物播种后易出现缺苗断垄等生产问题；（2）培肥效果不明显，而且由于秸秆的碳氮比太高，腐解需要吸收大量养分，短期会有与微生物、水稻竞争养分的情况；（3）秸秆分解速度慢还会影响机械作业；（4）秸秆还田后产生大量有机酸和还原性气体，影响水稻秧苗返青及正常生长发育；（5）秸秆还田后病虫害发生严重。
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因此，为解决稻田秸秆还田过程中存在的这些主要问题，所制订的秸秆高效还田技术方案需要考虑以下几方面：（1）采用机械粉碎、生物腐解和淹水等多种手段，可以降低秸秆长度，增加接触面积，从而加快稻田秸秆还田的腐解速度；（2）秸秆还田时通过配施氮肥来调节碳氮比，在加快秸秆还田后腐解速率的同时，满足秸秆腐解微生物和水稻前期生长的养分需求；（3）通过撒施石灰和淹水管理，可以中和有机酸、改善水稻根际生长环境，从而促进水稻苗期生长发育；（4）结合淹水管理、撒施石灰和增施有益微生物的措施，能够有效抑制病原菌繁殖、增加土壤有益微生物数量、消杀秸秆中存在的虫卵，最终降低病虫害发生概率。
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近年来陆续有研究团队提出了多项适用于不同区域的秸秆高效还田技术方案。例如，提出豆科绿肥紫云英-稻秸共同利用技术，为实现南方稻田耕地种养结合、支撑农业绿色发展提供了新思路[69]； 保护性耕作覆盖还田、全量深翻还田以及“一翻两免”轮耕轮作等多项适合东北稻田土壤的秸秆直接还田的新技术也相继被提出，这些技术能够有效增加土壤氮、磷、钾养分及有机质含量，并已取得明显的成效[70]。此外，也有研究团队报道了适合东北地区稻田培肥的寒地秸秆全量原位缓释多效综合技术，培肥后水稻生长发育良好，达到了节肥、增效、增产及保护环境的目的[71]。
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4 总结与展望
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秸秆作为重要的有机肥源，对其进行还田对维持土壤肥力具有重要作用。近几年关于秸秆还田的大多数研究结果表明，秸秆还田有助于改善土壤有机碳和养分固存能力，优化土壤理化性质，提高微生物和酶活性。然而，不合理的秸秆还田不仅直接危害作物生长，而且存在加重第二年病虫害发生风险等问题。此外，如果秸秆还田过程中秸秆的腐解不够充分，存在微生物与作物竞争养分的现象，导致固碳培肥土壤的效果尚不够显著；秸秆腐熟不充分还会产生大量温室气体，从而加剧全球气候变化。因此，研发适宜稻田土壤的秸秆还田技术是促进资源循环利用的迫切需求。
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秸秆还田作为一项潜在提升稻田土壤健康的农艺措施，未来的研究重点应当围绕如何最大化其积极效应而展开。秸秆还田对土壤结构的改善、有机质含量的提升以及生物多样性的增加等方面，均表现出对稻田土壤健康的促进作用。因此，未来研究需要明确秸秆的最佳还田量和高效还田路径，以实现土壤肥力的持续提升和土壤生态系统的长期稳定。同时，稻田土壤作为一种典型的人工湿地系统，其周期性的干湿交替创造了系列的氧化还原条件，为各种微生物提供独特的生长环境。研究应当聚焦于秸秆分解过程中的微生物作用，明确微生物群落结构的变化如何影响秸秆还田下稻田土壤的养分循环与健康。此外，科学制定秸秆还田与减量施肥的协同策略，降低温室气体排放，同时增强土壤对有机物的固存能力，将为可持续农业发展提供坚实的基础。
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摘要
稻田土壤肥力是保障水稻可持续生产的重要物质基础，也是影响水稻优质高产的重要因素。秸秆是作物收获时的重要副产品，我国每年产生约 8 亿 t 秸秆，导致土壤中养分的流失不断加剧。秸秆也是一种重要的有机肥源，将其进行还田对维持土壤肥力、提高秸秆资源综合利用效率等方面具有重要作用。然而，不合理的秸秆还田不仅直接危害水稻生长，而且存在加重第二年病虫害发生风险等问题。综述了国内外近年来在秸秆还田培肥稻田土壤研究中所取得的重要进展，剖析了目前所面临的主要问题和未来的发展趋势，并提出了秸秆高效还田、降低病虫害发生的可能技术途径，将为秸秆科学还田、保障粮食安全、实现农业绿色高质量可持续发展提供借鉴。
Abstract
Maintaining paddy soil fertility is an essential basis for ensuring high quality and high yield of rice. Straw is an important by-product of crop production at harvest，and about 800 million tons of straw are produced in China every year. Straw removal leads to decreased nutrient levels and reduces nutrient cycling every year. As a crucial source of organic fertilizer，straw returning is an important way and an indispensable conservation tillage measure for increasing soil organic matter content，reducing fertilizer input，and realizing resource recycling. However，the unreasonable straw returning to the field not only adversely affects the growth of rice，but also may bring about environmental pollution problems. Here the important progress made in recent years in the research of straw returning to the field for fertilizing paddy soil was reviewed， the main problems currently faced and future development trends were analyzed，and the future research focus in this field was put forward. This paper will provide a basis for fertilizing soil，ensuring food security，and realizing the green and sustainable agriculture.
Keywords
rice ； paddy soil ； improving soil fertility ； straw return ； sustainable agriculture