综述：粮食生产系统中常见作物残体管理实践综述

《Agronomy》：A Review of Common Crop Residue Management Practices in Grain Production Fengqing Qiu, Sagar Regmi and Cody M. Allen

本文系统梳理了1990-2025年间作物残体（crop residue）管理实践（如焚烧、留茬、不同耕作方式）及其对土壤、环境与作物产量的影响。综述揭示了农业实践正从传统、破坏环境的耕作方式转向保护性措施（如少耕、免耕和残体保留），并着重分析了这些措施对土壤有机碳（SOC）固存、土壤质量、水文过程及作物生长与产量的影响。文中也指出了当前研究的不足，如缺乏对深层土壤碳固存、水文过程及作物残体与产量相互作用机制的深入理解，并为未来的研究方向和实践指南制定提供了框架。

　　

作物残体管理：实践、效应与未来展望

在人口增长和气候变化对粮食安全构成严峻挑战的背景下，土壤退化已成为全球性议题。作物残体，即收获后剩余的植物生物量，在改善土壤健康、防止侵蚀和促进养分循环方面扮演着关键角色。因此，作物残体管理（CRM）成为农业生产中实现可持续性的核心考量。

2. 作物残体管理实践

作物残体管理实践主要可分为三类：移除、保护（或保留）以及耕作。其中，耕作是应用最广泛的管理方式。

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  移除：传统上包括焚烧残体以方便后续播种，但因环境问题，在多数发达国家已被禁止。另一种方式是将残体打包移除，用作饲料、垫料或生物能源原料。例如，中国、印度和埃塞俄比亚的作物残体显示出巨大的生物能源开发潜力，但也面临收获和运输过程中的损失等挑战。
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  保护：环境友好的保护性实践日益受到重视，主要包括覆盖作物、化学与生物分解以及留茬。
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    覆盖作物能改善土壤结构和水力特性，增强土壤有机碳和氮的固存。
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    化学与生物方法通过施用产品或生物制剂加速残体分解。近年来，生物制剂（如含有特定细菌和真菌的配方）作为环保替代品受到关注，但其发展仍面临监管、市场接受度等挑战。
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    留茬有助于防止土壤侵蚀、保持土壤水分和有机质。然而，高残体量可能妨碍播种、影响除草剂效果，并在寒冷气候下导致土壤温度降低等问题。研究发现，将免耕与留茬结合，能显著增加土壤有机碳储量并提高能源利用效率。
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  耕作实践：主要分为保护性耕作和常规耕作。
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    保护性耕作旨在尽可能多地保留地表残体，通常指种植后仍保持30%以上残体覆盖度的系统。主要包括免耕（NT）、圆盘耕作、茬地覆盖耕作和凿耕。免耕能显著减少土壤侵蚀、增加土壤有机质和碳含量、改善水分保持，并常与对抗气候变化的努力相一致。然而，免耕也依赖除草剂，并可能因土壤大孔隙增加而导致养分流失风险。其效益受气候条件影响显著，在湿润热带地区益处更明显，而在寒冷温带可能导致土壤温度过低。
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    常规耕作涉及对土壤的充分搅动和残体混入，可分为初级耕作、次级耕作和深松。其工具包括铧式犁、凿式犁、圆盘犁等。常规耕作会逐步降低地表残体覆盖度，其操作成本有时能被产量提升所抵消。

3. 作物残体的效应

作物残体对土壤、环境和作物生长具有多方面的深远影响，主要可归纳为以下四个方面：

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  3.1.1 土壤质量：作物残体（约40%是有机碳）能通过形成大团聚体来增强土壤稳定性。残体保留是改善土壤结构的关键策略，它能增加土壤团聚、保护团聚体免受雨滴侵蚀，并减轻土壤板结。研究普遍表明，增加残体覆盖能提高表土（0-600 mm）的土壤质量指数、总碳浓度和微生物活性。然而，关于不同耕作与残体管理对5-25 cm亚表层土壤团聚体比例的影响，研究结果存在不一致，可能与地区、气候、土壤类型和轮作制度的差异有关。
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  3.1.2 土壤有机碳（SOC）固存：长期常规耕作导致土壤碳库大量损失，而残体保留是增加土壤有机质输入的最易获得的生物质来源。许多研究发现，在保护性耕作（尤其是免耕结合残体保留）下，土壤有机碳含量显著高于常规耕作。但一项Meta分析显示，在78个案例中，免耕与常规耕作下的土壤碳储量高低结果不一，表明管理措施对碳储量的影响可能因气候而异。在凉爽湿润气候下，残体分解速率慢，免耕可能反而限制碳固存潜力。此外，免耕使碳在表层聚集，而耕作则将碳分布到更深的土层，因此评估整个耕层深度的碳储量至关重要。
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  3.1.3 水文过程：作物残体通过影响土壤总孔隙度、持水力和植物可用水来调节水文过程。其主要环境影响在于减少由侵蚀和径流造成的养分流失。足够的残体覆盖有助于防止这些问题。但需注意，高残体量在减少降雨径流的同时，可能增加不利的融雪径流。
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  3.2 对作物生长和产量的影响：残体管理通过改变土壤性质影响作物生长和产量，但这种关系复杂且结论不一。
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    对生长的影响：厚层残体覆盖可能推迟作物出苗，尤其是在寒冷潮湿的春季条件下，从而直接影响幼苗高度。
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    对产量的影响：研究结果因作物种类、气候和灌溉条件而异。一些研究发现，残体粉碎还田能增加玉米根干重和产量；甘蔗行顶残体移除比保留能提高蔗糖产量；而大豆在残体覆盖下产量更高。在小麦上，有研究显示免耕比常规耕作增产，也有研究发现残体焚烧或移除比掺入能带来更高谷物产量。这些矛盾结果表明，残体对产量的具体效应取决于多种交互因素，其内在机制尚未被完全理解。

4. 讨论与未来方向

尽管已有大量研究，但仍缺乏关于何时、何地、移除或保留多少残体的标准化实用指南。现有研究多集中于土壤质量和土壤有机碳固存，尤其集中在表层土壤。相比之下，对水文过程的研究相对较少，而这对理解土壤侵蚀和水资源保护至关重要。关于作物残体与产量相互作用的动态机制，也因研究设计的局限性而未被充分阐明。此外，对不同耕作和残体管理实践的成本效益综合分析仍然有限。

未来研究应重点关注以下方向：

1. 1.
   作物残体对深层土壤有机碳固存的影响及机制。
2. 2.
   作物残体对水文过程的深入影响。
3. 3.
   控制多种因素，系统研究作物残体与产量相互作用的动态机制。
4. 4.
   开展综合评估，将研究发现转化为基于农艺、环境和经济评估的实用管理指南。

5. 结论

本篇综述总结了全球范围内作物残体管理实践及其效应的研究。过去几十年来，研究兴趣已转向更环保的方法。作物残体管理对土壤健康、作物生产力和环境保护具有重大影响，但这些影响高度依赖于气候、轮作、残体类型和土壤成分等因素。尽管保护性和少耕措施因其环境效益被广泛推广，但在某些情况下可能导致作物减产，这凸显了作物残体、土壤性质和作物生长之间相互作用的复杂性。因此，在选择耕作方式与残体管理策略时，必须仔细考虑具体的农业背景、经济可行性和环境目标。填补上述知识空白，对于制定更有效、更可持续的作物残体管理策略至关重要。