我國秸稈還田技術與標準的現狀研究

楊 麗，劉 文，蘭 韜，李慧媛，柴小粉

（1.中國標準化研究院食品與農業標準化研究所，北京 100191；2.中國農業大學園藝學院，北京 100193）

我國秸稈還田技術與標準的現狀研究

楊 麗1，劉 文1，蘭 韜1，李慧媛1，柴小粉2

（1.中國標準化研究院食品與農業標準化研究所，北京 100191；2.中國農業大學園藝學院，北京 100193）

我國秸稈資源非常豐富，每年大約產出8億t，但秸稈還田率極低，就地焚燒或棄之不管的情況比較普遍，不僅浪費了資源，還對生態環境造成了嚴重污染。秸稈有效還田可改善土壤結構，提高土壤保水、肥、氣、熱的能力，能使土壤容重降低、孔隙度增加、有機質含量提高，養分結構趨于合理，通過培肥土壤帶來經濟效益和生態效益。文章介紹了國內秸稈還田技術的研究進展，對比了秸稈還田的多種方式，分析了秸稈還田技術研究的現狀和特點，研究了我國秸稈還田標準的現狀和需求。

秸稈 秸稈還田 方式 技術 標準

秸稈是農作物收獲籽實后留在田間的莖、葉等副產物。秸稈產量多、分布廣、品種多，大量試驗表明，秸稈中含有豐富的有機質、氮、磷、鉀以及各種中微量營養元素，其中碳、氮、磷、鉀的平均含量分別為40%、0.3%、0.1%、0.45%，是一種重要的可再生生物資源[1，2]。我國是農業大國，秸稈資源豐富，農作物秸稈產量每年產出近8億t，占世界總量的30%[3]。然而，我國秸稈資源的利用率較低，據調查，目前我國秸稈利用率約為33%，絕大部分的秸稈被隨意堆棄或焚燒，這既是資源的嚴重浪費，同時也給生態環境造成污染[4]。如何行之有效地解決農作物秸稈的就地資源化利用問題已經迫在眉睫[5]。

秸稈還田技術是將秸稈肥料化利用的有效方法。研究表明：秸稈還田可以有效地增加土壤中養分含量，平衡土壤養分，調節土壤物化性狀，改善土壤生態結構，改良土壤，培肥地力，改善作物種植環境，是改造中低產田建設的基本措施之一[6]。秸稈還田不但能將作物吸收的大部分營養元素歸還土壤，而且能改善土壤結構提高其生態效益，同時還能避免秸稈燃燒帶來的環境、安全等問題；此外秸稈還田減少了化肥的使用從而降低了農民種田成本[7]。楊佩珍[8]等發現稻麥秸稈直接還田使后茬水稻平均增產8%～9%；馬永良[9]等發現秸稈還田后，20 cm以上土層的土壤容重與秸稈不還田的土壤容重相比明顯下降，土壤的孔隙度增加，為作物良好的生長提供了有利的土壤環境；張靜[10]等通過探究玉米秸稈還田數量對土壤質量及后茬小麥產量的影響發現在陜西灌溉地區，施加純氮肥 138 kg/hm2相當于秸稈還田重量為9 000 kg/hm2，同時也能夠緩解氮流失，使土壤有機質得到增加，提升了土壤肥力，且使接茬冬小麥的產量增加了7.47%；楊振興[11]等研究表明，采用秸稈腐熟劑配秸稈粉碎還田可以顯著提高玉米產量，使用腐熟劑提高了土壤微生物的數量，加速了秸稈的腐解，減輕和緩解了過量秸稈還田帶給作物生長的不良影響，增加了土壤養分。通過秸稈還田提高土壤有機質含量，改善土壤生態結構，保水保墑，有效緩解土壤質量下降的難題[12，13]，可減少農用化學肥料的施入，減少秸稈焚燒而造成的生存環境污染，對促進我國現代農業的可持續循環發展有重要的作用和意義[14]。

1 秸稈還田方式概述

秸稈還田的方式有很多種，大致可分為5類，分別為粉碎翻壓還田、覆蓋還田、堆漚還田、焚燒還田和過腹還田[15]。按秸稈的利用方式可分為直接還田和間接還田[16]，直接還田又可細分為粉碎還田、整稈還田、覆蓋還田；間接還田一般包括堆漚還田、過腹還田等。

1.1 覆蓋還田

秸稈覆蓋還田是將農作物秸稈或殘茬，直接鋪蓋于土壤表面上，此方法適合小面積的人工整株倒茬覆蓋[17]。隨著時間的延長，秸稈逐漸腐解于土壤中，腐解后能夠增加土壤中有機質的含量，補充土壤氮磷鉀和微量元素的含量[18]，改善土壤的理化性狀，有利于加速土壤物質的生物循環，而且秸稈覆蓋還田可使土壤飽和導水率提高，土壤蓄水能力增強，能夠調控土壤供水，提高水分利用率，促進植株地上部分生長[19]。秸稈在覆蓋情況下，能夠形成低溫時的“高溫效應”和高溫時的“低溫效應”2種雙重效應，調節土壤溫度，有效緩解氣溫激變對作物生長的傷害[20]。該方法的優點是防止了土壤受到風、水等自然侵蝕，加深了耕層，起到保水保墑的作用[21]。不足之處是部分未完全腐熟的秸稈會使第二年的播種受到影響，因此需要研究與之相配套的農業播種機械器具。機械化的還田方式是最為快捷和方便的直接還田方法，但是由于目前我國農村地區經濟發展水平能處于較為落后狀態，農民個人無法購買機械進行機械還田，大部分地區仍然采用傳統的秸稈還田方式，如直接或者堆積腐熟施入土壤，改善土壤的性質，提高土壤的肥力[22]。

1.2 粉碎還田

利用機械工具將農作物秸稈進行粉碎，同時用旋耕機把粉碎的秸稈翻入土地中[23]。此方法可用于玉米、水稻等大田作物秸稈還田。還田的生產效率比普通的秸稈利用方式可提高 40～120倍[24]。秸稈粉碎還田后，能夠加速秸稈在土壤中的腐解速度，從而被土壤快速吸收，改善土壤的團粒結構和理化性狀，增加土壤肥力，促進農作物持續增產增收[25，26]，節約化肥用量，促進農業可持續發展。秸稈覆蓋還對干旱地區的節水農業有特殊意義，是實現大面積以田養田、保護生態環境、建立穩定的高產農業的新模式。

1.3 堆肥還田

秸稈堆肥還田一般指在田間地頭就近選址，將作物莖稈、綠肥、雜草等植物性物質與泥土、人糞尿等混合堆積于地面或挖坑堆積地下[19]，在高溫且厭氧環境下經微生物分解而成的肥料，可提供多種營養元素并改良土壤理化性狀[27]。尤其對改良砂土、粘土和鹽漬土有較好效果，具有良好的經濟效益、社會效益和生態效益。秸稈堆肥還田是解決中國當前有機肥源短缺的主要途徑，也是中低產田改良土壤、培肥地力的一項重要措施[19]。該方法可有效殺滅秸稈中病蟲害，并縮短秸稈腐熟時間，同時減少秸稈中有機質及氮素的損耗，秸稈堆漚時腐熟礦化加速，釋放養分，降解有害的有機酸、多酚等，殺滅寄生蟲卵、病原菌及雜草種子等，在實際應用過程中秸稈腐熟劑的效用是技術關鍵[28]。

1.4 過腹還田

過腹還田就是將作物秸稈作為家畜飼料喂養家畜，借用動物將秸稈進行消化以畜禽糞便形式歸還于土壤，從而增加土壤中的養分，改善土壤狀況[29]。目前，普遍推廣應用的主要有青貯氨化過腹還田技術，實現了秸稈—飼料—牲畜—肥料—糧食的良性循環，使土壤更容易吸收養分[19]。過腹還田法是在畜牧業發達地方普遍采用的一種秸稈還田法，是一種效益很高的秸稈利用方式，不足之處是青貯氨化需要占用一定的空間，并且耗時較長[22]。

1.5 碳化還田

廣義的秸稈碳化還田既包括傳統意義上的秸稈焚燒還田，也包括在封閉空間將秸稈進行碳化后作為肥料還田。秸稈焚燒還田曾經是最為傳統的一種還田方式，主要是將收獲的農作物秸稈直接點燃或用輔助燃料點燃[30]。該方法將秸稈全部還于土壤中，增肥效果最為明顯，但會造成空氣環境的污染，燃燒的氣體對人類身體存在安全隱患，而且控制不及時還會存在火災安全，因此現在社會、政府及民眾正在大力倡導禁止秸稈焚燒。但是，秸稈在限氧條件下經低溫熱裂解炭化并作為土壤改良劑還田，在近10年來一直是國內外農業固體廢棄物處理及農業環境領域的一大研究熱點。

從我國秸稈還田現狀可以看出，當前我國秸稈還田技術仍處于起步發展的狀態，在秸稈還田、保護環境、改善土質、提高土壤肥力、實現農業的可持續發展的道路上還有很長的路要走[22]。

2 秸稈還田技術研究的現狀和特點

我國利用農作物秸稈的歷史悠久，距今已有2 000多年歷史[31]。農村中有大量富余秸稈[2]，大部分秸稈用作燃料，少部分用于墊圈、喂養牲畜及還田[31，32]。目前農田秸稈還田率仍然較低，當前的一些秸稈利用技術存在著產品質量不穩定、原料利用率低、環境污染等問題，難以高值化利用可再生秸稈資源[33]。統計結果顯示，我國年產農作物秸稈中30%用作農用燃料，25%用作飼料，2%～3%用作工業生產原料，6%～7%直接還田，還有35%剩余秸稈未被合理利用[34]。

2.1 秸稈還田的區域研究特點

近些年隨著農業發展，秸稈作為最大的農業副產物產量不斷劇增，關于秸稈利用的技術手段不斷升級，秸稈還田可以很好的解決當前面臨的秸稈—土壤—環境三者的良性循環問題，未來具有較好的發展前景[35]。從區域研究來看，我國對秸稈還田的研究主要集中在北方小麥與玉米“一年兩熟區”的旱作區，該區域秸稈還田技術也日趨完善，無論是機械粉碎還田、秸稈覆蓋還田和生物化學漚肥都取得了一定的研究成果；而南方已有的研究主要集中在水稻、小麥上，主要特點為干旱半干旱區域多、濕潤半濕潤區域少，如以黃土高原、華北平原干旱半干旱區域秸稈還田技術攻克的研究較多，糧食作物秸稈是我國主要的秸稈類型，稻草、玉米秸和麥秸是產量最高、分布最廣的三大作物秸稈，約占秸稈資源總量的2/3。油菜籽和棉花是秸稈可規模化利用的主要經濟作物，相對來說研究的比較少。“八五”期間，中國農科院等單位對秸稈還田的方式、時間、數量、施氮量、粉碎程度、土壤水分和防治病蟲害等方面進行了深入研究并制定了秸稈還田的技術規程，為秸稈還田奠定了一定的基礎。但就目前而言，多數研究仍局限于秸稈還田的培肥效果及對作物的產量效應，而對于秸稈施入土壤后速效養分的動態變化及配施氮、磷對其腐質化系數的影響方面研究不多[35-40]。

2.2 秸稈還田的機械化研究

秸稈機械化還田作為實現秸稈還田的最直接有效和快速的方式，在進行大面積秸稈還田機械化作業時，要注重開展以下研究[22]。一是還田過程中大型機械、中型機械和小型機械之間的綜合運用，使機械化秸稈還田技術能夠滿足不同農業生產類型及不同農業地區的要求，提高機械還田的適應性[6]。二是增加農業機械的高效性，不斷提高機械質量，減少生產過程中的投入成本，使秸稈還田機在不同的經濟類型區能夠廣泛應用[41]。三是提高秸稈機械使用的高效性，在最大程度上確保機械在使用過程高質性，加大機械在生產過程中的成本投入，提升機械性能，使之能夠適用于不同類型的農業生產區。在秸稈還田機械化過程中還需注意肥料的科學使用，使秸稈還田能夠在最大程度上提升農作物產量，減少經濟成本的投入[42]。

2.3 秸稈還田農機與農藝相結合

農機和農藝相結合是未來秸稈還田發展的方向。其中主要包括兩方面的研究，一是在采用農藝方式時要開發、研制相應的農業機械（如插秧機、拋 秧機））和生物制劑（如快速腐解劑等）。 通過簡化農藝措施和使用生物制劑使還田的秸稈能夠高效、快速腐解。二是在采用農業機械化秸稈還田的同時，實施配套的農藝栽培措施（如覆蓋栽培、拋秧、免耕直播等），在實施中還可以加入一定量的化學試劑，實現秸稈快速腐解的目標，減少機械進地作業次數；同時嚴格控制機械化作業過程中導致的不良影響，科學調理農田土壤性狀，實現農田增肥目的[43，44]。

2.4 生物工程技術運用于秸稈還田

秸稈還田的效果主要取決于秸稈能否進行快速的腐化和分解，腐解劑、微生物制劑能進一步加速秸稈的腐解。機械粉碎可以使秸稈的物理性狀得到改變，擴大秸稈的接觸面積，進而加速腐解速度。因此，將機械化秸稈還田與生物技術有機結合，能更有效地解決秸稈還田問題[45]。但這種方式會造成含有大量的C/N比例的秸稈腐解程度大大降低。研究表明，生物菌劑能夠加快C/N的分解。因此，在未來秸稈還田技術研究中，秸稈還田過程中離不開秸稈腐熟劑，秸稈降解菌是研究的關鍵也是重點，應加大對生物工程技術的開發利用，注重對快速腐解秸稈生物菌劑的研制。所以生物工程技術的發展前景良好，對這一技術進行重點研究，可以更好地節省時間和成本，這將是我國未來秸稈還田技術發展過程中的主要研究方向之一[46]。

我國秸稈還田技術研究已取得一定成果。但針對我國目前秸稈還田中出現的一些問題，秸稈還田的技術研究應融入機械、農藝及生物等多個學科的綜合研究，以達到節本增效的目的；同時應因地制宜地進行還田，提高土壤肥效，改善土壤環境，做好還田后病蟲害及重金屬、抗生素殘留防控等后續研究工作。

3 秸稈還田標準的現狀與需求

目前我國已有的關于秸稈肥料化利用的國家標準基本屬于空白狀態，只有少數地方標準，例如蘇州市農業地方標準DB 3205/T 197-2011《稻麥秸稈全量還田技術規范》、安徽省地方標準DB 34/T 1090-2009《稻油兩熟制油菜秸稈還田機械化作業技術規范》、安徽省地方標準DB 34/T 1089-2009《麥玉兩熟制玉米秸稈還田機械化作業技術規范》、河北省地方標準DB 13/T 1045-2009《機械化秸稈粉碎還田技術規程》。由于秸稈在收儲運及還田方面基本是機械化操作，所以秸稈還田相關機械的標準業十分關鍵，其結構、性能和指標可能直接影響到還田效果，目前，已發布的秸稈還田機的標準有NY/T 500-2002《秸稈還田機作業質量》。上述標準無論從數量和內容上都無法滿足秸稈資源化利用的需求。

3.1 秸稈機械化收儲運標準的研究與制定

高效的機械化收儲運可以減少秸稈損失，增加秸稈可獲得量，降低收集成本，改善作業環境，解放勞動力，爭取時間。高度機械化的收儲運作業保證了秸稈的物理、化學和生物特性的統一；規范的收儲運技術，有利于提高秸稈原料及終產品的質量。而在儲存過程中不當的收儲技術易造成秸稈腐爛甚至自燃；秸稈腐爛導致纖維素、半纖維素流失，將會降低秸稈有機肥和所生產基質的品質；自燃會帶來消防安全問題；不當的儲存措施會導致有機酸等液體滲漏，對環境帶來污染。因此急需制定秸稈機械化收儲運技術標準，重點規范秸稈收割留茬高度及方法、秸稈好氧儲存、厭氧儲存、堆垛高度、消防要求、秸稈運輸等方面的要求。

3.2 秸稈原位還田及農田土壤修復技術標準的研究

玉米是我國主要的糧食和飼料作物，我國玉米及其秸稈產量均為世界第一，玉米產量關系到國家糧食安全。近年來，由于高強度利用土壤，土壤有機質呈現下降趨勢，嚴重影響了糧食及其他農作物的產量和品質。玉米秸稈還田是秸稈綜合利用的有效途徑，可大大提高土壤有機質含量，改善土壤結構，增加土壤養分。目前我國低溫條件下的秸稈還田技術取得了較大的研究進展，研究成果急需轉化為技術標準，以促進北方數量巨大的秸稈的資源化利用。急需制定玉米秸稈原位還田培肥土壤的技術規范和玉米秸稈覆蓋還田技術規范，針對不同區域的環境條件，建立適宜玉米秸稈翻埋還田的環境條件及不同生態區玉米秸稈翻埋還田技術模式；針對現行玉米收獲、秸稈粉碎滅茬、秸稈翻埋、聯合整地等作業機械的特點，篩選出適合不同地區玉米秸稈翻埋還田配套耕作體系的機械類型；針對不同區域土壤、氣候、耕作制度等特征，制定適宜于不同區域特點的玉米秸稈翻埋還田技術標準。主要規范玉米秸稈還田的方式、作業流程、摘穗、粉碎拋灑、重耙、冬灌、翻耕、覆蓋、病蟲防治、土壤灌溉、病蟲雜草防治等方面的技術要求。

3.3 秸稈工廠化生產有機肥技術標準的研究與制定

秸稈肥料化利用是農作物秸稈綜合利用最有效的途徑。但由于農作物秸稈數量巨大，而且運輸成本較高，傳統的有機肥生產經營模式不能適合當前秸稈處理的需求，推廣秸稈堆腐肥料化利用急需采用秸稈田間堆腐肥料化模式，在秸稈集中區域建立堆腐場，集中收購秸稈、集中堆腐，堆腐后的有機肥在當地直接還田，急需開展秸稈工廠化生產有機肥技術標準的研究與制定，重點開展功能性有機物料腐熟劑生產技術研究，篩選出能快速腐解、不拮抗、抑制病原菌的原始菌株，通過培養、高密度—聯合發酵、板式壓濾、低溫干燥、高效生物載體復配等研究，研發既高效腐熟作物秸稈又防控有害生物的有機物料腐熟劑；開展秸稈規模化快速堆腐技術研究，采用秸稈田間堆腐肥料化模式，集中收購秸稈、集中堆腐、直接還田，形成秸稈規模化快速堆腐綜合配套技術及標準，實現降低秸稈處置成本、減少化肥用量及培肥土壤的目標。

3.4 秸稈碳化還田系列技術標準的研究與制定

秸稈在限氧條件下經低溫熱裂解炭化并作為土壤改良劑還田，在近10年來一直是國內外農業固體廢棄物處理及農業環境領域的一大研究熱點。它有利于農田土壤固碳、減排，可有效改善土壤性質、提高土壤肥力并促進農作物增產，而且還能有效固定土壤有機無機污染物、降低作物吸收。隨著研究的深入，秸稈炭化還田的優點已被逐步證實，秸稈生物質炭的產業化發展在我國也日趨成熟。2017年農業部明確將秸稈炭化還田作為秸稈農用十大模式之一，秸稈炭化還田已經從試驗研究走向實際應用。然而，從秸稈炭化前的收集處理—秸稈炭化—秸稈生物質炭的包裝標識—生物質炭還田的整個過程，在國內尚未有統一的標準，亟需制定相應的標準來規范秸稈生物質炭的生產、包裝及農田施用，從而指導并規范秸稈炭化及還田過程，保障農業可持續發展。

4 總結

秸稈資源的充分、高效利用符合循環經濟及可持續發展的要求，關系著整個農業、畜牧業、種植業的未來發展，具有十分廣闊的發展前景。目前，關于秸稈還田的國家標準、行業標準都存在空白，雖然有少量的地方標準，但標準的使用范圍和標準化對象都有其局限性。當前，秸稈還田技術的研究成果已經研發成熟，在秸稈還田的實踐中被廣泛應用，技術轉化為標準的時機已經成熟。2017年11月，國家發布了《國家質量基礎的共性技術研究與應用》項目的申報指南，其中第4章產業共性技術標準的4.2項目“農業清潔與循環生產共性技術標準研究”中就將農作物秸稈在收儲運、原位還田、基料化栽培、無土草毯生產、飼料加工等方面的共性技術標準研究作為申報重點，將促進秸稈綜合利用方面技術的進步、完善、成熟和相應標準的制定，從而通過標準的應用和實施，更好地推進秸稈還田技術的進步，對于促進我國秸稈資源的綜合利用，改善土壤質量，促進農業循環和可持續發展將產生深遠的影響。

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